油菜冻害机理与抗寒机制研究

王毓洪，孟秋峰，郁勤飞，王 洁，张怀杰，周洁萍

（1.宁波市农业科学研究院，浙江宁波 315040；2.义乌市金萱农庄，浙江义乌 322002；3.余姚市阳明街道现代农业公共服务中心，浙江余姚 315400；4.余姚市小曹娥镇农业农村办，浙江余姚 315475）

油菜是我国种植面积最大的油料作物，年种植面积约700 万hm2，我国国产食用油50%以上来源于油菜[1]。低温对于油菜作物的伤害已成为农业生产中面临的重要问题，因此生产上对油菜品种的抗寒性要求愈发严格。抗寒是一个重要的农艺性状，决定油菜作物能否安全越冬，影响着冬、春季油菜作物的跨季节生产，因此一直是国内外研究的重点。当温度低于0 ℃会造成冻害，油菜叶片僵化，细胞内及细胞间隙水分结冰，冻害程度较重时，叶片全部焦枯或萎缩，花蕾掉落，甚至茎杆破裂，植株死亡[2]。因此，抗寒是油菜作物安全越冬和优质高产的决定性条件，在其生长发育中具有重要作用。

油菜的抗寒性与其生物学特性及生长发育、营养物质积累水平有直接的关系。当油菜感受低温后，转录调节作用也非常关键。因此开展油菜作物的抗寒性研究，对抗冻措施的开发及油菜的稳产高产具有重要的理论和实践意义。本文对油菜作物的抗寒性进行论述，以期对抗寒育种和田间防冻管理提供理论依据。

1 油菜抗寒相关机制

随着分子生物学及现代生物技术的快速发展，油菜抗寒机制的研究也逐渐从宏观的传统形态学鉴定发展到生理生化以及微观的分子生物学水平，取得了重要突破，如研究发现根系发达的油菜作物抗寒性较强，脯氨酸等渗透调节物质的含量可以作为油菜抗寒性鉴定的生理指标，转录调控等分子调控途径在油菜响应冻害胁迫中发挥着重要的作用等[3-4]。

1.1 传统形态学

一般而言，抗寒能力强的油菜品种在秋冬季来临之际，植株地上部分开始缓慢生长甚至停止生长，目的是为了给地下部分储存足够的养分以备越冬之需；而抗寒能力差的品种在秋冬低温条件下，地上部分继续生长，几次霜冻后，将会根系储存的养分耗尽，因此极易受冻害影响，难以安全过冬[3]。张学昆等[4]、刘后利[5]根据植株的冻害程度，结合受冻油菜的形态特征建立了5 级冻害指数评价方法：0 级，植株正常，未受冻害；1 级，仅个别大叶受害，受害叶局部萎缩呈灰白色；2 级，有半数叶片受害，受害叶局部或大部分萎缩，但心叶正常；3 级，叶片大部分受害，受害叶局部或大部分萎缩，心叶正常或受轻微冻害；4 级，全部大叶和心叶均受冻害，趋向死亡。刘创社等[6]在田间通过对154 份甘蓝型油菜冻害指数和存活率的考察，鉴定了油菜的抗冻性，发现半冬性的自交系材料冻害指数最大，死苗情况也最严重，而冬性强的品系冻害指数最小，死苗程度较轻。孙万仓等[3]将参试的油菜品种划分为4 种类型，即超强抗寒性品种、强抗寒品种、抗寒性品种和一般抗寒品种。抗寒性强的品种冬前生长发育较缓慢，匍匐生长，叶色浓绿，叶脉微紫，越冬期叶片数偏少，平均为8～9 片，较早进入枯叶期。地下部相对发达，生长周期较长。抗寒性强的品种形态特性一般为幼苗贴近地表呈匍匐状、生长点较低、叶片颜色较深、真叶刺毛多。徐明霞等[7]对多个白菜型冬油菜品种/系进行根系的形态学扫描及分析，并探索了根系形态与品种/系抗寒性的相关性。研究发现，供试品种/系的抗寒性与根投影面积及根系表面积均表现出显著的正相关，但与根长关系不密切。该项发现为白菜型冬油菜品种的筛选及抗寒鉴定提供了坚实的理论基础。综上所述，油菜植株形态相关指标可作为冻害级别及损伤程度的鉴定依据。

1.2 生理生化

低温冻害对油菜的细胞膜系统、保护酶系统、渗透调节系统及光合作用均会产生不利影响。细胞膜系统通透性的改变以及功能丧失是油菜受到冻害胁迫后最先作出的反应，随后一系列连锁反应逐步发生，最终导致细胞死亡[8]。刘海卿等[9]通过自然降温处理和人工控制水分的方法分别对6 份不同抗寒等级的油菜进行了低温和干旱胁迫模拟，低温胁迫包括0～12 ℃之间的冷胁迫和0 ℃以下的冰冻胁迫两种。通过分析其生理生化和生长指标的变化，发现在植物逆境胁迫中，细胞膜结构性质的变化先于细胞其他结构活性的变化，主要表现为细胞膜通透性的改变。许耀照等[10]研究了白菜型冬油菜抗寒特性与光合作用、干物质积累等的关系，发现白菜型冬油菜低温下地上部分的光合作用、干物质转运与积累和抗寒性存在较大相关性。实验表明，在光合作用较弱的情况下，白菜型冬油菜叶片生长和根系物质消耗较少，有利于地下部分干物质的转运与积累，从而有足够的营养物质抵御寒冷胁迫。蒲媛媛等[11]以2 个白菜型冬油菜‘陇油6 号’和‘天油4 号’为试验材料，通过冷冻处理，对油菜根部相对电导率和叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等多个胁迫相关的生理生化指标进行测定，发现温度较低时，具有耐寒优势的‘陇油6 号’SOD 活性、CAT 活性、可溶性蛋白含量较高，而MDA（丙二醛）含量较低。低温胁迫之后抗寒生理生化指标变化明显，相对电导率和MDA 含量增加，且抗寒性强的品种增加幅度小；SOD、POD、CAT 活性升高，可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸等调节性物质含量明显增加，且抗寒性强的品种变化明显，差异显著。孟凡珍等[12]对不同生态类型的6 个结球大白菜品种进行了抗寒性评价，结果表明，随田间气温的降低，结球生态型大白菜叶片渗透势均先降低后升高；电解质渗漏率逐渐升高；叶片含水量呈降低趋势，自由水与束缚水的质量比降低，叶绿素含量和叶绿素a、b 的质量比减小。但在低温胁迫下直筒型品种的电解质渗漏率较平头型和卵圆型低，叶片含水率和自由水与束缚水质量比较低，而叶绿素含量较高，耐寒性较好。

大量研究表明，干物质积累、SOD 和CAT 活性、可溶性蛋白和MDA 含量、电解质渗透率等指标能在一定程度上反映油菜的抗寒性[13-14]，为油菜种质抗寒性综合评价提供理论依据，并为抗寒性育种改良指明方向。但事实上，单纯根据相关生理指标来准确判断油菜的抗寒性是不现实的，不能用单一生理指标来评价，需要通过综合分析来判断油菜的抗寒性。

1.3 基因及分子水平

植物感受低温后，转录调节作用非常关键[15]。冷诱导CBFs（低温响应转录因子）能够结合COR（冠菌素）基因启动子的顺式调控元件并激活它们的表达。植物细胞可以通过低温诱导的膜流动性，蛋白质、核酸构象和代谢产物浓度的变化来感受冷胁迫。油菜中，COR基因的诱导引起质膜流动性改变。冷诱导中，Ca2+离子的浓度变化同样也能引起质膜流动性的改变和Ca2+离子通道介导激活。随着Ca2+离子逐级放大，冷胁迫的信号开始转导。次级信号如ABA、ROS 也可以通过诱导Ca2+离子的浓度变化来影响冷驯化的信号转导。相同温度处理下，STM基因在抗寒性较强、生长点凹陷的白菜型冬油菜中相对表达量低于抗寒性较弱、生长点凸起的‘天油4 号’和‘Lenox’，而CUC2基因相对表达量的变化趋势与STM基因相反；低温处理72 h 后，白菜型冬油菜生长点中STM、CUC2基因均上调表达，表明STM、CUC2基因可能参与了抗寒应答及白菜型冬油菜生长点对低温胁迫的响应[16]。

马骊等[17]为了解白菜型和甘蓝型冬油菜抗寒基因的表达差异，利用实时荧光定量PCR 分析常温对照以及3种低温处理5 d 后BnCOR25、BnICE1 和Cu/Zn-SOD三个基因的表达差异。结果表明，常温时白菜型与甘蓝型冬油菜的3 个基因均未被激活，处于同一水平；随着温度的降低，白菜型冬油菜3 个基因的相对表达量上升，且均在-4 ℃时达到峰值；而甘蓝型冬油菜BnCOR25基因在4 ℃时达到最高，Cu/Zn-SOD在-4 ℃时表达量最高，BnICE1的相对表达量在低温胁迫下显著降低；-8 ℃时白菜型与甘蓝型冬油菜所有供测基因相对表达量均降低。在整个温度降低过程中，抗寒性强的白菜型冬油菜COR25、ICE1和Cu/Zn-SOD的相对表达量一直显著高于抗寒性弱的甘蓝型冬油菜相应基因的表达。白菜型与甘蓝型冬油菜间抗寒性的较大差异与这三个基因的表达有关。

2 油菜冻害的影响因素

油菜冻害的影响因素主要有品种特性、土壤含水量、油菜生长发育状况等几个方面。

2.1 品种特性

油菜品种特性与冻害发生具有直接关系。研究发现，具有不同生物学特性及生长习性的油菜品种在对低温冻害的响应方面存在明显的不同[3]。荣松柏等[18]研究也得出，一般冬性强的品种比春性强的品种抗寒力更强；冬性强的品种抗寒性强，成熟迟。

2.2 土壤含水量

在一定的环境因素影响下，土壤温度的变化受土壤含水量的影响，进而影响油菜的冻害程度[19]。包燕宏[20]研究发现，土壤含水量增加时，土壤温度变化较小，油菜发生冻害的几率较低；土壤含水量减少时，油菜发生冻害的几率较高。

2.3 生长发育状况

油菜冻害的发生受苗龄大小、苗的强壮程度等自身生长发育状况影响较大。朱光升[21]、何永梅[2]研究发现，苗龄较小的幼苗、长势较弱的小嫩苗和弱苗、高脚苗以及提前抽薹开花的苗，很容易发生冻害。当油菜进入蕾薹期后，营养生长和生殖生长旺盛，对养分需求较大，对温度更加敏感，如果此时气温低于0 ℃，会严重影响正常授粉和结实，造成不可估量的减产和损失[22-23]。

2.4 生产措施

2.4.1 偏施氮肥

适量施用氮、磷、钾肥可以明显增强油菜的抗寒性[21-22]。但氮肥的投入并不是越多越好，氮肥施用过多时，油菜苗期长势过强，容易造成氮与磷、钾比例失调，生长柔嫩而不壮实，极易遭受冻害。朱光升[21]研究发现，每667 m2施用7.5 kg 尿素比不施尿素的油菜越冬死苗率及冻害指数可分别降低11.8%和8.7%；而施用25 kg尿素比不施尿素的油菜冻害指数升高22.8%。

2.4.2 播种期

田间生产实践表明，油菜在不同的时间播种，受冻害的严重程度不一样[23]。播种期过早，容易形成旺苗，造成年前抽薹或早花，使营养消耗过多，干物质积累过少，抗寒能力降低，容易遭受冻害。播种过迟，苗过小、过弱，幼苗生长纤细，秧苗生长量不足，也容易遭受冻害[2]。壮苗与弱苗的抗冻性有明显差异，而造成苗势强弱的首要因素是播期的早晚。许寿增等[23]对淮北地区影响油菜安全越冬的因素研究后发现，在10 月1—15 日期间播种的油菜发生了早抽苔现象，抽苔期间遭受低温天气后，苔心受冻严重，有的甚至死亡。而11 月以后播种的油菜，苗比较小，生长势弱，遭受低温冻害后，造成死苗现象，损失惨重。

2.5 寒潮

寒潮主要指晚秋寒流和早春晚霜。近年来，极端低温天气频繁发生，南方冬季温度连续低于0 ℃的时间也越长。在油菜低温锻炼开始时期，寒流来临过早，降温程度过大，持续时间太长，给油菜带来的冻害损伤就越严重。何永梅[2]研究发现，早春时期，晚霜冻害容易在油菜作物的抽薹期发生，早春气温回升，升温早而快，冷暖频繁交替，容易使冻害程度加重。包燕宏[20]研究发现，寒潮到来之际，如果油菜顶部无积雪覆盖和风障保护，再加上土壤疏松多孔，蒸发量大，冷风直接侵袭根部，造成根际昼夜温差变幅增大，根际周围的水、气、热状况发生急剧变化，达到了油菜能够忍耐的最低界限温度以下，从而使油菜根茎细胞失水死亡或者细胞结晶破裂、病虫入侵等造成油菜受害[20]。

3 提高油菜抗寒性的措施

3.1 选择适宜品种

选用抗寒性强的品种是提高油菜抗寒性的重要措施。多数情况下，冬性较强的油菜品种较晚熟，其抗寒性也较强。冬性较弱的油菜品种一般较早熟，抗寒性也较弱。贵州、四川、重庆、云南一般用半冬性早熟、中早熟品种，抗冻性较弱；半冬性中迟熟品种抗冻性较强[20]。

3.2 中耕培土

中耕培土可以提高土壤的通气性，气温升高后，应彻底清除田内沟渠所有泥土、杂物等，加深田外沟渠，保持沟渠畅通。将清沟的土壤用来培土，以养护油菜地下根系，减少冻害对地下部分的伤害[20]。

3.3 摘除冻苔，清理冻叶

气温回升后，冻苔与冻叶的组织已经坏死，容易造成病菌侵染，进而感染整个植株，严重的会导致植株死亡。因此，在晴朗的天气应清除冻菜苔、冻菜叶，能促进基部分枝生长，将冻害损失降到最低。应避免雨天进行，防止细菌等入侵造成伤口腐烂[2]。

3.4 科学施肥

冬前合理追施苗肥，对播期较晚的苗，要及时中耕松土、间苗、补苗，并抓住时机及时施肥。油菜受冻后，植株地上和地下部分受到损伤,应及时补充足够的营养成分。摘苔后的田块可适当施肥，每667 m2追施5～7 kg 尿素，以促进植株分枝生长。叶片受冻的油菜，要普遍追肥，每667 m2追施3～5 kg 尿素。长势较弱的田块可适当增加肥料的用量。在追施氮肥的基础上，还要适量补施钾肥，每667 m2施氯化钾3～4 kg 或根外喷施磷酸二氢钾1～2 kg，以增加细胞质浓度，提高油菜的抗寒力。另外，每667 m2可喷施0.1%～0.2%叶面硼肥溶液50 kg 左右，可促进花芽分化，提高抗寒性。

3.5 合理安排播期

合理安排播期，适时播种，培育壮苗。对于播期较早的旺长苗一般当气温低于-5 ℃时就会受冻，且受害程度和面积通常比普通苗大。因此，苗期一定要进行蹲苗，使弱苗转成壮苗。而播期较晚的弱小苗，营养贮存较少，生长势弱，抵抗力差，一旦遭遇低温冻害便会造成植株死亡，因此应根据品种特点合理安排播期，避开冷空气。

3.6 田间覆盖，提高地温

待温度回升冻融后可以在油菜田撒施草木灰或谷物壳，或覆盖一些稻草或动物粪便，以保温防冻。

寒潮来临之前，应及时采取农艺措施，比如及时摘除冻叶，追施速效肥料，清沟排水，培土养根，喷施叶面肥、多效唑[24]等，保证油菜长势强、提高抗寒性。

4 展望

综上所述，油菜的抗寒机理比较复杂，是油菜长期在低温环境中形成的遗传特性，受许多生物及非生物因子影响，因此仅从单一水平开展油菜的抗寒性研究是不够的。当油菜处于低温环境胁迫下，其外部形态特征、内部细胞结构，生理生化代谢以及基因的表达模式等都发生一系列的变化，应从形态、生理、遗传、基因表达以及代谢途径等各个方面对抗寒性进行全面考虑。因此，油菜作物抗寒性的机理机制研究需要进行综合评价和多角度分析，才能对其抗寒性进行准确的判断；且要根据不同品种、相同品种不同的器官和组织，以及不同的发育时期和生长情况，选用最科学的研究和测试方法，多方协同开展试验，从田间形态特征到生理生化指标，进而在基因水平开展综合测定和评价。