油菜凍害機理與抗寒機制研究

王毓洪，孟秋峰，郁勤飛，王 潔，張懷杰，周潔萍

（1.寧波市農業科學研究院，浙江寧波 315040；2.義烏市金萱農莊，浙江義烏 322002；3.余姚市陽明街道現代農業公共服務中心，浙江余姚 315400；4.余姚市小曹娥鎮農業農村辦，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業生產中面臨的重要問題，因此生產上對油菜品種的抗寒性要求愈發嚴格?？购且粋€重要的農藝性狀，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生產，因此一直是國內外研究的重點。當溫度低于0 ℃會造成凍害，油菜葉片僵化，細胞內及細胞間隙水分結冰，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質高產的決定性條件，在其生長發育中具有重要作用。

油菜的抗寒性與其生物學特性及生長發育、營養物質積累水平有直接的關系。當油菜感受低溫后，轉錄調節作用也非常關鍵。因此開展油菜作物的抗寒性研究，對抗凍措施的開發及油菜的穩產高產具有重要的理論和實踐意義。本文對油菜作物的抗寒性進行論述，以期對抗寒育種和田間防凍管理提供理論依據。

1 油菜抗寒相關機制

隨著分子生物學及現代生物技術的快速發展，油菜抗寒機制的研究也逐漸從宏觀的傳統形態學鑒定發展到生理生化以及微觀的分子生物學水平，取得了重要突破，如研究發現根系發達的油菜作物抗寒性較強，脯氨酸等滲透調節物質的含量可以作為油菜抗寒性鑒定的生理指標，轉錄調控等分子調控途徑在油菜響應凍害脅迫中發揮著重要的作用等[3-4]。

1.1 傳統形態學

一般而言，抗寒能力強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，地上部分繼續生長，幾次霜凍后，將會根系儲存的養分耗盡，因此極易受凍害影響，難以安全過冬[3]。張學昆等[4]、劉后利[5]根據植株的凍害程度，結合受凍油菜的形態特征建立了5 級凍害指數評價方法：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。劉創社等[6]在田間通過對154 份甘藍型油菜凍害指數和存活率的考察，鑒定了油菜的抗凍性，發現半冬性的自交系材料凍害指數最大，死苗情況也最嚴重，而冬性強的品系凍害指數最小，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，即超強抗寒性品種、強抗寒品種、抗寒性品種和一般抗寒品種?？购詮姷钠贩N冬前生長發育較緩慢，匍匐生長，葉色濃綠，葉脈微紫，越冬期葉片數偏少，平均為8～9 片，較早進入枯葉期。地下部相對發達，生長周期較長?？购詮姷钠贩N形態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/系進行根系的形態學掃描及分析，并探索了根系形態與品種/系抗寒性的相關性。研究發現，供試品種/系的抗寒性與根投影面積及根系表面積均表現出顯著的正相關，但與根長關系不密切。該項發現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。綜上所述，油菜植株形態相關指標可作為凍害級別及損傷程度的鑒定依據。

1.2 生理生化

低溫凍害對油菜的細胞膜系統、保護酶系統、滲透調節系統及光合作用均會產生不利影響。細胞膜系統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，隨后一系列連鎖反應逐步發生，最終導致細胞死亡[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的變化，發現在植物逆境脅迫中，細胞膜結構性質的變化先于細胞其他結構活性的變化，主要表現為細胞膜通透性的改變。許耀照等[10]研究了白菜型冬油菜抗寒特性與光合作用、干物質積累等的關系，發現白菜型冬油菜低溫下地上部分的光合作用、干物質轉運與積累和抗寒性存在較大相關性。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消耗較少，有利于地下部分干物質的轉運與積累，從而有足夠的營養物質抵御寒冷脅迫。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）等多個脅迫相關的生理生化指標進行測定，發現溫度較低時，具有耐寒優勢的‘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變化明顯，相對電導率和MDA 含量增加，且抗寒性強的品種增加幅度??；SOD、POD、CAT 活性升高，可溶性蛋白、可溶性糖、游離脯氨酸等調節性物質含量明顯增加，且抗寒性強的品種變化明顯，差異顯著。孟凡珍等[12]對不同生態類型的6 個結球大白菜品種進行了抗寒性評價，結果表明，隨田間氣溫的降低，結球生態型大白菜葉片滲透勢均先降低后升高；電解質滲漏率逐漸升高；葉片含水量呈降低趨勢，自由水與束縛水的質量比降低，葉綠素含量和葉綠素a、b 的質量比減小。但在低溫脅迫下直筒型品種的電解質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，干物質積累、SOD 和CAT 活性、可溶性蛋白和MDA 含量、電解質滲透率等指標能在一定程度上反映油菜的抗寒性[13-14]，為油菜種質抗寒性綜合評價提供理論依據，并為抗寒性育種改良指明方向。但事實上，單純根據相關生理指標來準確判斷油菜的抗寒性是不現實的，不能用單一生理指標來評價，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，轉錄調節作用非常關鍵[15]。冷誘導CBFs（低溫響應轉錄因子）能夠結合COR（冠菌素）基因啟動子的順式調控元件并激活它們的表達。植物細胞可以通過低溫誘導的膜流動性，蛋白質、核酸構象和代謝產物濃度的變化來感受冷脅迫。油菜中，COR基因的誘導引起質膜流動性改變。冷誘導中，Ca2+離子的濃度變化同樣也能引起質膜流動性的改變和Ca2+離子通道介導激活。隨著Ca2+離子逐級放大，冷脅迫的信號開始轉導。次級信號如ABA、ROS 也可以通過誘導Ca2+離子的濃度變化來影響冷馴化的信號轉導。相同溫度處理下，STM基因在抗寒性較強、生長點凹陷的白菜型冬油菜中相對表達量低于抗寒性較弱、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基因均上調表達，表明STM、CUC2基因可能參與了抗寒應答及白菜型冬油菜生長點對低溫脅迫的響應[16]。

馬驪等[17]為了解白菜型和甘藍型冬油菜抗寒基因的表達差異，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三個基因的表達差異。結果表明，常溫時白菜型與甘藍型冬油菜的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 個基因的相對表達量上升，且均在-4 ℃時達到峰值；而甘藍型冬油菜BnCOR25基因在4 ℃時達到最高，Cu/Zn-SOD在-4 ℃時表達量最高，BnICE1的相對表達量在低溫脅迫下顯著降低；-8 ℃時白菜型與甘藍型冬油菜所有供測基因相對表達量均降低。在整個溫度降低過程中，抗寒性強的白菜型冬油菜COR25、ICE1和Cu/Zn-SOD的相對表達量一直顯著高于抗寒性弱的甘藍型冬油菜相應基因的表達。白菜型與甘藍型冬油菜間抗寒性的較大差異與這三個基因的表達有關。

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、油菜生長發育狀況等幾個方面。

2.1 品種特性

油菜品種特性與凍害發生具有直接關系。研究發現，具有不同生物學特性及生長習性的油菜品種在對低溫凍害的響應方面存在明顯的不同[3]。榮松柏等[18]研究也得出，一般冬性強的品種比春性強的品種抗寒力更強；冬性強的品種抗寒性強，成熟遲。

2.2 土壤含水量

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

2.3 生長發育狀況

油菜凍害的發生受苗齡大小、苗的強壯程度等自身生長發育狀況影響較大。朱光升[21]、何永梅[2]研究發現，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，很容易發生凍害。當油菜進入蕾薹期后，營養生長和生殖生長旺盛，對養分需求較大，對溫度更加敏感，如果此時氣溫低于0 ℃，會嚴重影響正常授粉和結實，造成不可估量的減產和損失[22-23]。

2.4 生產措施

2.4.1 偏施氮肥

適量施用氮、磷、鉀肥可以明顯增強油菜的抗寒性[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，容易造成氮與磷、鉀比例失調，生長柔嫩而不壯實，極易遭受凍害。朱光升[21]研究發現，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升高22.8%。

2.4.2 播種期

田間生產實踐表明，油菜在不同的時間播種，受凍害的嚴重程度不一樣[23]。播種期過早，容易形成旺苗，造成年前抽薹或早花，使營養消耗過多，干物質積累過少，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，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，而造成苗勢強弱的首要因素是播期的早晚。許壽增等[23]對淮北地區影響油菜安全越冬的因素研究后發現，在10 月1—15 日期間播種的油菜發生了早抽苔現象，抽苔期間遭受低溫天氣后，苔心受凍嚴重，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生，南方冬季溫度連續低于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，持續時間太長，給油菜帶來的凍害損傷就越嚴重。何永梅[2]研究發現，早春時期，晚霜凍害容易在油菜作物的抽薹期發生，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]研究發現，寒潮到來之際，如果油菜頂部無積雪覆蓋和風障保護，再加上土壤疏松多孔，蒸發量大，冷風直接侵襲根部，造成根際晝夜溫差變幅增大，根際周圍的水、氣、熱狀況發生急劇變化，達到了油菜能夠忍耐的最低界限溫度以下，從而使油菜根莖細胞失水死亡或者細胞結晶破裂、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

選用抗寒性強的品種是提高油菜抗寒性的重要措施。多數情況下，冬性較強的油菜品種較晚熟，其抗寒性也較強。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[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，應徹底清除田內溝渠所有泥土、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，以養護油菜地下根系，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壞死，容易造成病菌侵染，進而感染整個植株，嚴重的會導致植株死亡。因此，在晴朗的天氣應清除凍菜苔、凍菜葉，能促進基部分枝生長，將凍害損失降到最低。應避免雨天進行，防止細菌等入侵造成傷口腐爛[2]。

3.4 科學施肥

冬前合理追施苗肥，對播期較晚的苗，要及時中耕松土、間苗、補苗，并抓住時機及時施肥。油菜受凍后，植株地上和地下部分受到損傷,應及時補充足夠的營養成分。摘苔后的田塊可適當施肥，每667 m2追施5～7 kg 尿素，以促進植株分枝生長。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增加肥料的用量。在追施氮肥的基礎上，還要適量補施鉀肥，每667 m2施氯化鉀3～4 kg 或根外噴施磷酸二氫鉀1～2 kg，以增加細胞質濃度，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，苗期一定要進行蹲苗，使弱苗轉成壯苗。而播期較晚的弱小苗，營養貯存較少，生長勢弱，抵抗力差，一旦遭遇低溫凍害便會造成植株死亡，因此應根據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，應及時采取農藝措施，比如及時摘除凍葉，追施速效肥料，清溝排水，培土養根，噴施葉面肥、多效唑[24]等，保證油菜長勢強、提高抗寒性。

4 展望

綜上所述，油菜的抗寒機理比較復雜，是油菜長期在低溫環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。當油菜處于低溫環境脅迫下，其外部形態特征、內部細胞結構，生理生化代謝以及基因的表達模式等都發生一系列的變化，應從形態、生理、遺傳、基因表達以及代謝途徑等各個方面對抗寒性進行全面考慮。因此，油菜作物抗寒性的機理機制研究需要進行綜合評價和多角度分析，才能對其抗寒性進行準確的判斷；且要根據不同品種、相同品種不同的器官和組織，以及不同的發育時期和生長情況，選用最科學的研究和測試方法，多方協同開展試驗，從田間形態特征到生理生化指標，進而在基因水平開展綜合測定和評價。