油菜凍害機(jī)理與抗寒機(jī)制研究

王毓洪，孟秋峰，郁勤飛，王 潔，張懷杰，周潔萍

（1.寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江寧波 315040；2.義烏市金萱農(nóng)莊，浙江義烏 322002；3.余姚市陽明街道現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公共服務(wù)中心，浙江余姚 315400；4.余姚市小曹娥鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦，浙江余姚 315475）

油菜是我國種植面積最大的油料作物，年種植面積約700 萬hm2，我國國產(chǎn)食用油50%以上來源于油菜[1]。低溫對于油菜作物的傷害已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的重要問題，因此生產(chǎn)上對油菜品種的抗寒性要求愈發(fā)嚴(yán)格?？购且粋€重要的農(nóng)藝性狀，決定油菜作物能否安全越冬，影響著冬、春季油菜作物的跨季節(jié)生產(chǎn)，因此一直是國內(nèi)外研究的重點。當(dāng)溫度低于0 ℃會造成凍害，油菜葉片僵化，細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞間隙水分結(jié)冰，凍害程度較重時，葉片全部焦枯或萎縮，花蕾掉落，甚至莖桿破裂，植株死亡[2]。因此，抗寒是油菜作物安全越冬和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的決定性條件，在其生長發(fā)育中具有重要作用。

油菜的抗寒性與其生物學(xué)特性及生長發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)積累水平有直接的關(guān)系。當(dāng)油菜感受低溫后，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用也非常關(guān)鍵。因此開展油菜作物的抗寒性研究，對抗凍措施的開發(fā)及油菜的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要的理論和實踐意義。本文對油菜作物的抗寒性進(jìn)行論述，以期對抗寒育種和田間防凍管理提供理論依據(jù)。

1 油菜抗寒相關(guān)機(jī)制

隨著分子生物學(xué)及現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，油菜抗寒機(jī)制的研究也逐漸從宏觀的傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定發(fā)展到生理生化以及微觀的分子生物學(xué)水平，取得了重要突破，如研究發(fā)現(xiàn)根系發(fā)達(dá)的油菜作物抗寒性較強(qiáng)，脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量可以作為油菜抗寒性鑒定的生理指標(biāo)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控等分子調(diào)控途徑在油菜響應(yīng)凍害脅迫中發(fā)揮著重要的作用等[3-4]。

1.1 傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)

一般而言，抗寒能力強(qiáng)的油菜品種在秋冬季來臨之際，植株地上部分開始緩慢生長甚至停止生長，目的是為了給地下部分儲存足夠的養(yǎng)分以備越冬之需；而抗寒能力差的品種在秋冬低溫條件下，地上部分繼續(xù)生長，幾次霜凍后，將會根系儲存的養(yǎng)分耗盡，因此極易受凍害影響，難以安全過冬[3]。張學(xué)昆等[4]、劉后利[5]根據(jù)植株的凍害程度，結(jié)合受凍油菜的形態(tài)特征建立了5 級凍害指數(shù)評價方法：0 級，植株正常，未受凍害；1 級，僅個別大葉受害，受害葉局部萎縮呈灰白色；2 級，有半數(shù)葉片受害，受害葉局部或大部分萎縮，但心葉正常；3 級，葉片大部分受害，受害葉局部或大部分萎縮，心葉正?；蚴茌p微凍害；4 級，全部大葉和心葉均受凍害，趨向死亡。劉創(chuàng)社等[6]在田間通過對154 份甘藍(lán)型油菜凍害指數(shù)和存活率的考察，鑒定了油菜的抗凍性，發(fā)現(xiàn)半冬性的自交系材料凍害指數(shù)最大，死苗情況也最嚴(yán)重，而冬性強(qiáng)的品系凍害指數(shù)最小，死苗程度較輕。孫萬倉等[3]將參試的油菜品種劃分為4 種類型，即超強(qiáng)抗寒性品種、強(qiáng)抗寒品種、抗寒性品種和一般抗寒品種。抗寒性強(qiáng)的品種冬前生長發(fā)育較緩慢，匍匐生長，葉色濃綠，葉脈微紫，越冬期葉片數(shù)偏少，平均為8～9 片，較早進(jìn)入枯葉期。地下部相對發(fā)達(dá)，生長周期較長?？购詮?qiáng)的品種形態(tài)特性一般為幼苗貼近地表呈匍匐狀、生長點較低、葉片顏色較深、真葉刺毛多。徐明霞等[7]對多個白菜型冬油菜品種/系進(jìn)行根系的形態(tài)學(xué)掃描及分析，并探索了根系形態(tài)與品種/系抗寒性的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，供試品種/系的抗寒性與根投影面積及根系表面積均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，但與根長關(guān)系不密切。該項發(fā)現(xiàn)為白菜型冬油菜品種的篩選及抗寒鑒定提供了堅實的理論基礎(chǔ)。綜上所述，油菜植株形態(tài)相關(guān)指標(biāo)可作為凍害級別及損傷程度的鑒定依據(jù)。

1.2 生理生化

低溫凍害對油菜的細(xì)胞膜系統(tǒng)、保護(hù)酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及光合作用均會產(chǎn)生不利影響。細(xì)胞膜系統(tǒng)通透性的改變以及功能喪失是油菜受到凍害脅迫后最先作出的反應(yīng)，隨后一系列連鎖反應(yīng)逐步發(fā)生，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[8]。劉海卿等[9]通過自然降溫處理和人工控制水分的方法分別對6 份不同抗寒等級的油菜進(jìn)行了低溫和干旱脅迫模擬，低溫脅迫包括0～12 ℃之間的冷脅迫和0 ℃以下的冰凍脅迫兩種。通過分析其生理生化和生長指標(biāo)的變化，發(fā)現(xiàn)在植物逆境脅迫中，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化先于細(xì)胞其他結(jié)構(gòu)活性的變化，主要表現(xiàn)為細(xì)胞膜通透性的改變。許耀照等[10]研究了白菜型冬油菜抗寒特性與光合作用、干物質(zhì)積累等的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)白菜型冬油菜低溫下地上部分的光合作用、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運與積累和抗寒性存在較大相關(guān)性。實驗表明，在光合作用較弱的情況下，白菜型冬油菜葉片生長和根系物質(zhì)消耗較少，有利于地下部分干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運與積累，從而有足夠的營養(yǎng)物質(zhì)抵御寒冷脅迫。蒲媛媛等[11]以2 個白菜型冬油菜‘隴油6 號’和‘天油4 號’為試驗材料，通過冷凍處理，對油菜根部相對電導(dǎo)率和葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等多個脅迫相關(guān)的生理生化指標(biāo)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)溫度較低時，具有耐寒優(yōu)勢的‘隴油6 號’SOD 活性、CAT 活性、可溶性蛋白含量較高，而MDA（丙二醛）含量較低。低溫脅迫之后抗寒生理生化指標(biāo)變化明顯，相對電導(dǎo)率和MDA 含量增加，且抗寒性強(qiáng)的品種增加幅度?。籗OD、POD、CAT 活性升高，可溶性蛋白、可溶性糖、游離脯氨酸等調(diào)節(jié)性物質(zhì)含量明顯增加，且抗寒性強(qiáng)的品種變化明顯，差異顯著。孟凡珍等[12]對不同生態(tài)類型的6 個結(jié)球大白菜品種進(jìn)行了抗寒性評價，結(jié)果表明，隨田間氣溫的降低，結(jié)球生態(tài)型大白菜葉片滲透勢均先降低后升高；電解質(zhì)滲漏率逐漸升高；葉片含水量呈降低趨勢，自由水與束縛水的質(zhì)量比降低，葉綠素含量和葉綠素a、b 的質(zhì)量比減小。但在低溫脅迫下直筒型品種的電解質(zhì)滲漏率較平頭型和卵圓型低，葉片含水率和自由水與束縛水質(zhì)量比較低，而葉綠素含量較高，耐寒性較好。

大量研究表明，干物質(zhì)積累、SOD 和CAT 活性、可溶性蛋白和MDA 含量、電解質(zhì)滲透率等指標(biāo)能在一定程度上反映油菜的抗寒性[13-14]，為油菜種質(zhì)抗寒性綜合評價提供理論依據(jù)，并為抗寒性育種改良指明方向。但事實上，單純根據(jù)相關(guān)生理指標(biāo)來準(zhǔn)確判斷油菜的抗寒性是不現(xiàn)實的，不能用單一生理指標(biāo)來評價，需要通過綜合分析來判斷油菜的抗寒性。

1.3 基因及分子水平

植物感受低溫后，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用非常關(guān)鍵[15]。冷誘導(dǎo)CBFs（低溫響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子）能夠結(jié)合COR（冠菌素）基因啟動子的順式調(diào)控元件并激活它們的表達(dá)。植物細(xì)胞可以通過低溫誘導(dǎo)的膜流動性，蛋白質(zhì)、核酸構(gòu)象和代謝產(chǎn)物濃度的變化來感受冷脅迫。油菜中，COR基因的誘導(dǎo)引起質(zhì)膜流動性改變。冷誘導(dǎo)中，Ca2+離子的濃度變化同樣也能引起質(zhì)膜流動性的改變和Ca2+離子通道介導(dǎo)激活。隨著Ca2+離子逐級放大，冷脅迫的信號開始轉(zhuǎn)導(dǎo)。次級信號如ABA、ROS 也可以通過誘導(dǎo)Ca2+離子的濃度變化來影響冷馴化的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。相同溫度處理下，STM基因在抗寒性較強(qiáng)、生長點凹陷的白菜型冬油菜中相對表達(dá)量低于抗寒性較弱、生長點凸起的‘天油4 號’和‘Lenox’，而CUC2基因相對表達(dá)量的變化趨勢與STM基因相反；低溫處理72 h 后，白菜型冬油菜生長點中STM、CUC2基因均上調(diào)表達(dá)，表明STM、CUC2基因可能參與了抗寒應(yīng)答及白菜型冬油菜生長點對低溫脅迫的響應(yīng)[16]。

馬驪等[17]為了解白菜型和甘藍(lán)型冬油菜抗寒基因的表達(dá)差異，利用實時熒光定量PCR 分析常溫對照以及3種低溫處理5 d 后BnCOR25、BnICE1 和Cu/Zn-SOD三個基因的表達(dá)差異。結(jié)果表明，常溫時白菜型與甘藍(lán)型冬油菜的3 個基因均未被激活，處于同一水平；隨著溫度的降低，白菜型冬油菜3 個基因的相對表達(dá)量上升，且均在-4 ℃時達(dá)到峰值；而甘藍(lán)型冬油菜BnCOR25基因在4 ℃時達(dá)到最高，Cu/Zn-SOD在-4 ℃時表達(dá)量最高，BnICE1的相對表達(dá)量在低溫脅迫下顯著降低；-8 ℃時白菜型與甘藍(lán)型冬油菜所有供測基因相對表達(dá)量均降低。在整個溫度降低過程中，抗寒性強(qiáng)的白菜型冬油菜COR25、ICE1和Cu/Zn-SOD的相對表達(dá)量一直顯著高于抗寒性弱的甘藍(lán)型冬油菜相應(yīng)基因的表達(dá)。白菜型與甘藍(lán)型冬油菜間抗寒性的較大差異與這三個基因的表達(dá)有關(guān)。

2 油菜凍害的影響因素

油菜凍害的影響因素主要有品種特性、土壤含水量、油菜生長發(fā)育狀況等幾個方面。

2.1 品種特性

油菜品種特性與凍害發(fā)生具有直接關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，具有不同生物學(xué)特性及生長習(xí)性的油菜品種在對低溫凍害的響應(yīng)方面存在明顯的不同[3]。榮松柏等[18]研究也得出，一般冬性強(qiáng)的品種比春性強(qiáng)的品種抗寒力更強(qiáng)；冬性強(qiáng)的品種抗寒性強(qiáng)，成熟遲。

2.2 土壤含水量

在一定的環(huán)境因素影響下，土壤溫度的變化受土壤含水量的影響，進(jìn)而影響油菜的凍害程度[19]。包燕宏[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量增加時，土壤溫度變化較小，油菜發(fā)生凍害的幾率較低；土壤含水量減少時，油菜發(fā)生凍害的幾率較高。

2.3 生長發(fā)育狀況

油菜凍害的發(fā)生受苗齡大小、苗的強(qiáng)壯程度等自身生長發(fā)育狀況影響較大。朱光升[21]、何永梅[2]研究發(fā)現(xiàn)，苗齡較小的幼苗、長勢較弱的小嫩苗和弱苗、高腳苗以及提前抽薹開花的苗，很容易發(fā)生凍害。當(dāng)油菜進(jìn)入蕾薹期后，營養(yǎng)生長和生殖生長旺盛，對養(yǎng)分需求較大，對溫度更加敏感，如果此時氣溫低于0 ℃，會嚴(yán)重影響正常授粉和結(jié)實，造成不可估量的減產(chǎn)和損失[22-23]。

2.4 生產(chǎn)措施

2.4.1 偏施氮肥

適量施用氮、磷、鉀肥可以明顯增強(qiáng)油菜的抗寒性[21-22]。但氮肥的投入并不是越多越好，氮肥施用過多時，油菜苗期長勢過強(qiáng)，容易造成氮與磷、鉀比例失調(diào)，生長柔嫩而不壯實，極易遭受凍害。朱光升[21]研究發(fā)現(xiàn)，每667 m2施用7.5 kg 尿素比不施尿素的油菜越冬死苗率及凍害指數(shù)可分別降低11.8%和8.7%；而施用25 kg尿素比不施尿素的油菜凍害指數(shù)升高22.8%。

2.4.2 播種期

田間生產(chǎn)實踐表明，油菜在不同的時間播種，受凍害的嚴(yán)重程度不一樣[23]。播種期過早，容易形成旺苗，造成年前抽薹或早花，使?fàn)I養(yǎng)消耗過多，干物質(zhì)積累過少，抗寒能力降低，容易遭受凍害。播種過遲，苗過小、過弱，幼苗生長纖細(xì)，秧苗生長量不足，也容易遭受凍害[2]。壯苗與弱苗的抗凍性有明顯差異，而造成苗勢強(qiáng)弱的首要因素是播期的早晚。許壽增等[23]對淮北地區(qū)影響油菜安全越冬的因素研究后發(fā)現(xiàn)，在10 月1—15 日期間播種的油菜發(fā)生了早抽苔現(xiàn)象，抽苔期間遭受低溫天氣后，苔心受凍嚴(yán)重，有的甚至死亡。而11 月以后播種的油菜，苗比較小，生長勢弱，遭受低溫凍害后，造成死苗現(xiàn)象，損失慘重。

2.5 寒潮

寒潮主要指晚秋寒流和早春晚霜。近年來，極端低溫天氣頻繁發(fā)生，南方冬季溫度連續(xù)低于0 ℃的時間也越長。在油菜低溫鍛煉開始時期，寒流來臨過早，降溫程度過大，持續(xù)時間太長，給油菜帶來的凍害損傷就越嚴(yán)重。何永梅[2]研究發(fā)現(xiàn)，早春時期，晚霜凍害容易在油菜作物的抽薹期發(fā)生，早春氣溫回升，升溫早而快，冷暖頻繁交替，容易使凍害程度加重。包燕宏[20]研究發(fā)現(xiàn)，寒潮到來之際，如果油菜頂部無積雪覆蓋和風(fēng)障保護(hù)，再加上土壤疏松多孔，蒸發(fā)量大，冷風(fēng)直接侵襲根部，造成根際晝夜溫差變幅增大，根際周圍的水、氣、熱狀況發(fā)生急劇變化，達(dá)到了油菜能夠忍耐的最低界限溫度以下，從而使油菜根莖細(xì)胞失水死亡或者細(xì)胞結(jié)晶破裂、病蟲入侵等造成油菜受害[20]。

3 提高油菜抗寒性的措施

3.1 選擇適宜品種

選用抗寒性強(qiáng)的品種是提高油菜抗寒性的重要措施。多數(shù)情況下，冬性較強(qiáng)的油菜品種較晚熟，其抗寒性也較強(qiáng)。冬性較弱的油菜品種一般較早熟，抗寒性也較弱。貴州、四川、重慶、云南一般用半冬性早熟、中早熟品種，抗凍性較弱；半冬性中遲熟品種抗凍性較強(qiáng)[20]。

3.2 中耕培土

中耕培土可以提高土壤的通氣性，氣溫升高后，應(yīng)徹底清除田內(nèi)溝渠所有泥土、雜物等，加深田外溝渠，保持溝渠暢通。將清溝的土壤用來培土，以養(yǎng)護(hù)油菜地下根系，減少凍害對地下部分的傷害[20]。

3.3 摘除凍苔，清理凍葉

氣溫回升后，凍苔與凍葉的組織已經(jīng)壞死，容易造成病菌侵染，進(jìn)而感染整個植株，嚴(yán)重的會導(dǎo)致植株死亡。因此，在晴朗的天氣應(yīng)清除凍菜苔、凍菜葉，能促進(jìn)基部分枝生長，將凍害損失降到最低。應(yīng)避免雨天進(jìn)行，防止細(xì)菌等入侵造成傷口腐爛[2]。

3.4 科學(xué)施肥

冬前合理追施苗肥，對播期較晚的苗，要及時中耕松土、間苗、補(bǔ)苗，并抓住時機(jī)及時施肥。油菜受凍后，植株地上和地下部分受到損傷,應(yīng)及時補(bǔ)充足夠的營養(yǎng)成分。摘苔后的田塊可適當(dāng)施肥，每667 m2追施5～7 kg 尿素，以促進(jìn)植株分枝生長。葉片受凍的油菜，要普遍追肥，每667 m2追施3～5 kg 尿素。長勢較弱的田塊可適當(dāng)增加肥料的用量。在追施氮肥的基礎(chǔ)上，還要適量補(bǔ)施鉀肥，每667 m2施氯化鉀3～4 kg 或根外噴施磷酸二氫鉀1～2 kg，以增加細(xì)胞質(zhì)濃度，提高油菜的抗寒力。另外，每667 m2可噴施0.1%～0.2%葉面硼肥溶液50 kg 左右，可促進(jìn)花芽分化，提高抗寒性。

3.5 合理安排播期

合理安排播期，適時播種，培育壯苗。對于播期較早的旺長苗一般當(dāng)氣溫低于-5 ℃時就會受凍，且受害程度和面積通常比普通苗大。因此，苗期一定要進(jìn)行蹲苗，使弱苗轉(zhuǎn)成壯苗。而播期較晚的弱小苗，營養(yǎng)貯存較少，生長勢弱，抵抗力差，一旦遭遇低溫凍害便會造成植株死亡，因此應(yīng)根據(jù)品種特點合理安排播期，避開冷空氣。

3.6 田間覆蓋，提高地溫

待溫度回升凍融后可以在油菜田撒施草木灰或谷物殼，或覆蓋一些稻草或動物糞便，以保溫防凍。

寒潮來臨之前，應(yīng)及時采取農(nóng)藝措施，比如及時摘除凍葉，追施速效肥料，清溝排水，培土養(yǎng)根，噴施葉面肥、多效唑[24]等，保證油菜長勢強(qiáng)、提高抗寒性。

4 展望

綜上所述，油菜的抗寒機(jī)理比較復(fù)雜，是油菜長期在低溫環(huán)境中形成的遺傳特性，受許多生物及非生物因子影響，因此僅從單一水平開展油菜的抗寒性研究是不夠的。當(dāng)油菜處于低溫環(huán)境脅迫下，其外部形態(tài)特征、內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)，生理生化代謝以及基因的表達(dá)模式等都發(fā)生一系列的變化，應(yīng)從形態(tài)、生理、遺傳、基因表達(dá)以及代謝途徑等各個方面對抗寒性進(jìn)行全面考慮。因此，油菜作物抗寒性的機(jī)理機(jī)制研究需要進(jìn)行綜合評價和多角度分析，才能對其抗寒性進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷；且要根據(jù)不同品種、相同品種不同的器官和組織，以及不同的發(fā)育時期和生長情況，選用最科學(xué)的研究和測試方法，多方協(xié)同開展試驗，從田間形態(tài)特征到生理生化指標(biāo)，進(jìn)而在基因水平開展綜合測定和評價。