本文關鍵詞：油菜抗寒性生理生化機制及基因工程研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

2012 年 10 月 2012 ， 34 （ 5 ） ： 556 － 561

中國油料作物學報 Chinese journal of oil crop sciences

油菜抗寒性生理生化機制及基因工程研究進展
賈明珍， 官春云
*

（ 湖南農業(yè)大學油料作物研究所 ； 國家油料作物改良中心湖南

分中心 ， 410128 ） 湖南 長沙， 摘要： 低溫是限制油菜生長和分布的一種非生物脅迫因素 。 在國內外大量研究結果的基礎上 ， 系統(tǒng)闡述了油 菜在低溫脅迫下生物膜 、 酶活性、 滲透調節(jié)物質等生理生化方面的適應性變化及其與抗寒性的關系 ， 綜述了油菜抗 寒基因工程方面的研究進展 ； 提出了在油菜抗寒性研究中存在的問題 ， 并對未來工作重點進行了展望 。 關鍵詞： 油菜； 低溫； 抗寒性； 生理生化； 基因工程 中圖分類號： S565． 403 文獻標識碼： A 文章編號： 1007 － 9084 （ 2012 ） 05 － 0556 － 06

Review of physiology，biochemistry and gene engineering on cold resistance of rapeseed JIA Ming － zhen，GUAN Chun － yun * （ Oil Crops Institute / National Oil Crops Improvement Center， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China） Abstract： Low temperature is one of the abiotic inhibitors limiting the growth and distribution of rapeseed． Recent research was systematically reviewed on regulative response in physiology and biochemistry at low temperature，such as membrane and enzyme activity，osmotic regulation substances and their relationship with freezing resistance． Research progress in gene engineering of rapeseed cold resistance was also described． Current problems and potential solutions in cold resistance research were discussed． Key words： Rapeseed （ Brassica ssp． ） ； Low temperature； Cold tolerance； Physiology and biochemistry； Gene engineering 油菜是我國第一大油料作物， 近 5 年來， 年均種 年均總產量 1 200 萬噸， 平 植面積約為 730 萬公頃， 均產量約每公頃 1 695kg， 面積和總產均位居世界第 一。隨著全球氣候變化， 特別是在全球氣候趨暖的 背景下， 冬油菜北移趨勢加強。冬油菜北移栽培后， 容易受到不定期寒流的低溫傷害， 導致減產甚至絕 收； 另外， 氣候變暖的同時， 極端氣候事件頻繁發(fā)生， 雨雪、 冰凍天氣使得我國南方油菜主產區(qū)單產明顯 ， 減少 這勢必影響到油菜的分布與推廣 。所以， 有關 油菜的抗寒性已成為油菜研究的熱點問題之一 ， 并 逐漸從形態(tài)水平發(fā)展到生理生化水平及分子生物學 取得了很多有價值的研究成果。 水平， 個界面結構， 它既能接受和傳遞環(huán)境信息， 又能對環(huán) ［1 ］ 境脅迫作出反應。1973 年 Lyons 根據生物膜結構 功能與抗冷性的關系提出“膜脂相變 ” 假說， 認為低 溫冷害時， 生物膜發(fā)生膜相變化， 膜上出現裂縫或孔 道， 從而使膜通透性增大， 進而引發(fā)植物代謝失調。 許多學者對此進行大量研究后， 結果也支持了這一 ［2 ～ 4 ］ ［5 ］ 。蓋玥 等對白菜型油菜抗寒性研究中發(fā) 假說 ， 10℃ 現 在 以上低溫時各品種葉片細胞膜相對透性 較低， 品種間差異不明顯， 降溫至 5℃ 后， 細胞膜相 品種間變化有差異。 對透性較 10℃ 增加明顯， 與敏感性植物相比， 低溫非敏感性植物線粒體 的膜脂質中不飽和度高的脂肪酸 （ 亞麻酸 ） 比率要 高一些。膜脂不飽和度增加可提高細胞結構穩(wěn)定 性， 尤其是葉綠體和線粒體膜的穩(wěn)定性。 歐洲油菜 膜脂質脂肪酸飽和度就 的葉片在降低生育溫度時， ［6 ， 7 ］ 。 增加 葉綠體膜中磷脂酰甘油的不飽和度高

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1． 1

油菜抗寒性生理生化研究概況
油菜抗寒性與生物膜 生物膜是植物細胞及細胞器與周圍環(huán)境間的一

0104 收稿日期： 2012基金項目： 現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項 （ NYCY05009 ） 作者簡介： 賈明珍（ 1987 － ） ， 女， 陜西省寶雞市人， 碩士研究生， 主要從事油菜栽培生理研究 * 通訊作者： 官春云（ 1938 － ） ， E － mail： guancy2011@ yahoo． com． cn 男， 湖北荊州人， 中國工程院院士， 教授， 博士生導師，

賈明珍等： 油菜抗寒性生理生化機制及基因工程研究進展 （ 約占 10% ） ， 是決定該植物低溫抗性的重要原 ［8 ］ ［9 ］ 。 因 夏明 等對 20 種苜蓿葉片膜脂脂肪酸組分 5℃ 低溫狀態(tài)下， 苜蓿品種間葉片膜 的分析中發(fā)現， 脂棕櫚烯酸和亞麻酸含量高、 變化率大， 表現出對低 為苜蓿的抗寒指示性脂肪酸。 膜脂 溫環(huán)境的敏感， 脂肪酸的去飽和作用是調節(jié)植物抗冷性的重要機 制。因此， 通過研究與植物細胞膜脂不飽和性相關 的基因及脂肪酸脫飽和酶的表達調控， 將為改良植 物抗冷性提供研究方向。 1． 2 油菜抗寒性與酶活性變化 植物體內的自由基與活性氧具有很強的氧化能 力， 低溫脅迫下， 活性氧、 自由基明顯增加。 當積累 超常時， 則會引起膜脂過氧化和蛋白質破壞 ， 導致低 ［10 ， 11 ］ 。 溫傷害 植物體內超氧化物歧化酶 （ SOD ） 、 過氧化物酶 （ POD） 、 （ CAT ） 過氧化氫酶 等保護酶系統(tǒng)具有清除 ， 活性氧自 由 基 的 功 能 可 減 輕 活 性 氧 對 植 物 的 傷 害
［12 ， 13 ］

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性有一定作用， 還有待進一步研究。 1 ． 3 油菜抗寒性與細胞中滲透調節(jié)物質 1． 3． 1 可溶性蛋白 植物體內可溶性蛋白含量與
［22 ］ 其抗寒性密切相關。研究表明 ， 植物低溫鍛煉期 抗寒性強的品種通過產生更多的可溶性蛋白來 間，

從而削弱低溫對細胞造成的傷害 。 減少細胞失水， Kacperska 等在低溫處理的冬油菜葉片內發(fā)現了兩 種可溶性蛋白質的增加， 其分子量約為 25． 5kD ～ ［23 ］ 30kD， 并存在于細胞質中。Heber 認為， 冬小麥抗 寒的原因主要依賴于比較穩(wěn)定的可溶性蛋白質的增 ［24 ］ 加。何若韞 等指出， 植物在寒冷馴化期間合成了 新的蛋白質， 它們參與抗凍反應。 1． 3． 2 可溶性糖 可溶性糖是低溫脅迫下細胞內 的保護物質， 其含量與多數植物的抗寒性成正相關 。 ［5 ］ 蓋玥 等研究發(fā)現， 低溫處理后， 植株體內可溶性 尤其在 5℃ 低溫下抗寒品種的糖 糖含量逐漸增加， 且積累量大于不抗寒品種。 低溫誘導 分急劇增加， 水解酶活性增強， 使淀粉分解速度加快， 從而增加了 可溶性糖的含量， 使細胞液濃度增大， 最終提高了植 ［25 ］ 株抗寒性。 張東昱等 實驗發(fā)現， 自然越冬過程 中， 隨著葉片含水量下降， 不同甘藍型油菜葉片可溶 性糖含量呈增加趨勢， 當含水量降到最低時， 葉片和 根系的可溶性糖含量均達到最高， 且抗寒性越強積 ［26 ］ 累得越多。蓋玥 在冬油菜越冬前生理指標與抗 寒性的關系研究中發(fā)現， 在 10 月 31 日到 11 月 7 876 葉片中可溶性糖含量增幅高達 23． 8% ， 日， 而 986 只有 9． 1% ， 813 只有 12． 1% ； 在 11 月 21 日到 12 月 5 日， 876 和天油 2 號的含糖量增幅雖然只有 13． 0% ， 但仍是 813 （ 1． 7% ） 的 7． 8 倍， 而且 876 葉 片內可溶性糖含量達到 23． 72% ， 極顯著高于 813 和 986 。結果說明， 隨著溫度的降低， 油菜葉片中可 ， （ 溶性糖含量升高 抗寒性強的品種 系） （ 876 和天油 2 號） 增加幅度較大， 抗寒性較弱 （ 813 和 986 ） 的品 種（ 系） 增加幅度較小。 瑞典 Torssell 等對越冬期間油菜不同器官含糖 量的測定發(fā)現， 還原糖越到植株上部就越高， 抗寒能 力的強弱是葉片 ＞ 上胚軸 ＞ 根， 可見抗寒性與器官 ［27 ］ 的化學成分有關 。 但也有研究 發(fā) 現， 有些植物 （ 如甘蔗莖稈和紅薯塊根 ） 的可溶性糖含量與其抗 ［28 ］ 。 Levitt 也認為糖分含量與植物的抗 寒性無關 寒性的關系并非完全一致， 許多植物的糖分含量與 其抗寒性之間不顯示平行關系， 少數品種甚至呈負
［29 ］ 相關 。 1． 3． 3 脯氨酸

。蒲媛媛［14］等研究發(fā)現， 隨著處理溫度的降

低， 所有品種葉片中 SOD 活性均急劇上升， 但抗寒 性 強 的 品 種 比 抗 寒 性 弱 的 品 種 上 升 的 幅 度 大。 － 5℃ 后隨溫度的繼續(xù)下降， SOD 活性開始呈下降 趨勢。CAT 活性也呈現先升后降的變化， 酶活性的 高低基本反映了品種間抗寒性的差異 。朱慧霞對白 菜型冬油菜的研究發(fā)現， 越冬期間葉片 SOD 活性基 本呈先升后降的趨勢， 當最低氣溫從 14℃ 降到 6℃ MXW － 1 的 SOD 活 過程中， 各品種 SOD 急劇上升， 9852 活性最低， 為 358． 6U， 僅為 253． 2U。 性最大， 降溫至 1℃ 時各品種 SOD 活性均達峰值。當最低氣 溫為 － 4℃ 時， 各品種 SOD 活性開始降低， 但越冬率 DQW － 1 的 SOD 活性仍高于越冬率 高的 MXW － 1 、
［15 ］ ［16 ］ 9852 、 9889 、 低的 02C 雜、 天油 2 號 。 宋良圖 通過對油菜抗寒性的研究結果表明， 抗寒性強的品

種， 其過氧化物酶 （ POD ） 同工酶和酯酶同工酶活性 較強， 且同工酶在冰凍條件下表現較為穩(wěn)定 。 殼聚糖除作為天然保鮮劑外， 還作為抗逆劑廣 ［17 ］ 泛應用于農業(yè)生產。孫巧峰 等研究發(fā)現適當濃 度的殼聚糖能維持黃瓜幼苗在低溫下具有較高的 ［19 ］ SOD、 POD 和 CAT 活性。薛國希［18］、 劉曉宇 等隨 后的研究也證實了這一結論。殼聚糖能提高逆境下 植物的抗氧化酶活性， 減輕膜脂過氧化程度， 對提高
［20 ］ ［21 ］ 植物抗性具有重要作用 。 研究發(fā)現 ， 殼聚糖 包衣處理過的油菜種子， 過氧化物酶、 淀粉酶活性均

有不同程度的提高， 幼苗葉綠素含量和蛋白質含量 也增加。而過氧化物酶、 葉綠素和蛋白質含量均與 植物抗寒性有關， 因此， 殼聚糖是否對提高油菜抗寒

逆境 （ 低溫、 鹽漬、 干旱 ） 條件下， 。 植物組織中脯氨酸含量增加 植物受低溫脅迫時，

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34 （ 5 ） 中國油料作物學報 2012 ， 5℃ 時， Orkan 和 Parade － 2 低溫適應性強的 Alice、 15℃ 5． 5 和 油菜品種游離脯氨酸分別是 時的 9． 2 、 5． 1 倍， Ryder 和 Slm046 增幅較小， 而 Olsen、 分別為 15℃ 時的 1． 8 、 2． 0 和 2． 7 倍， 抗寒性相對較弱。 胡 勝武等 研究表明， 在越冬過程中， 無論是抗寒性 還是抗寒性弱的油研 2 號， 其葉片中 強的甘白油菜，
［33 ］

細胞失水， 游離脯氨酸的積累增加了細胞液的濃度 ， 能緩解因低溫脫水造成的滲透脅迫，， 對細胞起保護 作用
［30 ］

。同時脯氨酸還可作為活性氧清除劑 、 能源

物質和氮源。 脯氨酸這種提高植株耐受脅迫的功 可能是通過植物中線粒體電子傳遞鏈 ， 誘導保護 能， 泛素、 抗氧化酶和脫水素等保護物質的含量增 蛋白、 ［31 ］ 加， 啟動相應的抗脅迫代謝途徑而實現的 。 李世成等 在不同品種甘藍型油菜抗寒性研 究中發(fā)現， 抗寒性越強， 脯氨酸含量越高。 降溫至
Table 1
抗寒性 Cold resistant 強 Strong 弱 Weak 強 Strong 弱 Weak 強 Strong 弱 Weak
［32 ］

Pro 含量均隨溫度下降而上升， 抗寒性強的甘白油 菜增加 7 倍多， 抗寒性弱的油研 2 號增幅較小。 類 ［26 ］ 似的研究在白菜型油菜中也得到證實 （ 表 1 ） 。

表 1 不同抗寒性油菜品種在降溫過程中葉片內游離脯氨酸含量變化 Different cold resistant varieties of rape in cooling process of free proline content in leaves
油菜品種 Rapeseed varieties Alice、 Orkan、 Parade － 2 脯氨酸含量變化比（ 5℃ /15℃ ） Proline content ratio 9． 2 、 5． 5 、 5． 1 1． 8 、 2． 0 、 2． 7 7． 2 、 5． 2 、 5． 7 增幅變化 Growth change 大 Large 小 Small 大 Large 小 Small 7． 0 2． 0 大 Large 小 Small ［ 33］ ［ 5］ 、 ［ 26］ 文獻 Reference ［ 32］

Olsen、 Ryder、 Slm046 Line876 、 天油 2 號 Tianyou 2 、 渭原冬油菜 Weiyuan winter turnip rape Line964 、 東泉油菜 Dongquan winter turnip rape、 陳家咀油菜 Chenjiazui winter turnip rape 甘白油菜 Ganbai turnip rape 油研 2 號 Youyan2

1． 4

ABA 在油菜抗冷中的作用

“逆境激素 ” 脫落酸有 之稱， 這是因為脫落酸水 而且在低溫脅迫、 鹽 平不僅在水分脅迫條件下升高， 脅迫、 甚至高溫脅迫等逆境條件下都會升高。 ABA 參與低溫響應得到以下幾個方面的支持 ： （ 1 ） 在低溫期間植物體內的內源 ABA 含量增 加。ABA 與植 物 抗 冷 性 的 關 系 研 究 中 發(fā) 現， 在油 菜、 煙草、 玉米、 番茄、 馬鈴薯、 水稻等植物低溫鍛煉 ［34 ］ ， ABA 含量明顯增加 。 過程中 游離 （ 2 ） 缺乏 ABA 合成的擬南芥突變體 abi － 1 在 低溫處理期間會受到冷的傷害， 但當加入外源 ABA
［35 ］ 時這種缺陷可被彌補 。 （ 3 ） 外源 ABA 低溫條件下能誘導幾種植物體

占有重要地位。植物抗寒性涉及的基因根據其作用 方式可簡單歸為兩類： 一是調控基因， 調控抗寒基因 的表達、 寒冷信號傳導等提高植物的耐寒性 ； 二是保 護基因， 直接起抗寒保護作用。 目前所開展的植物 抗寒基因工程研究也主要圍繞這兩類基因展開 。 Chen 等［41］從甘藍型油菜 cDNA 文庫中分離出 RT － PCR 檢測分 編碼 25kDa 蛋白的 COR25 基因， 析表明 BnCOR25 在下胚軸、 子葉、 莖和花中大量表 結果顯示 BnCOR25 達。運用 Northern 印記法分析， 基因轉錄產物受低溫和滲透脅迫影響顯著 ， 將該基 因分別轉入酵母菌及擬南芥中， 在 4℃ 低溫下轉基 因酵母菌存活明顯多于非轉基因酵母， 轉基因擬南 ［42 ］ 芥的生根明顯快于野生植株。 劉錦學 等對甘藍 該基因常溫下僅 型油菜 BnFAD8 基因的研究發(fā)現， 存在痕量表達， 而低溫條件下葉片中表達量大幅度 升高， 直接表現在增強植物多不飽和脂肪酸的合成 ， 增加了油菜對極端溫度的耐受力， 推測 BnFAD8 基 因和 油 菜 的 低 溫 調 控 存 在 聯 系。 北 京 大 學 甄 偉 ［43 ］ 等 將擬南芥中作為冷調控基因轉錄因子的 CBF1 基因轉入油菜及煙草中， 用電解質滲漏法分別檢測 其抗寒性后發(fā)現轉基因油菜和煙草的抗寒性均不同 程度提高了， 且 Southern 雜交檢測發(fā)現未轉基因油 菜植株也有 CBF1 探針的雜交信號。是否在油菜中 含有與 CBF1 基因同源性很高的基因， 或存在類似 的抗寒機制還有待進一步研究。 啟動子是調控基因表達的重要順式作用元件， 在植物基因表達調控過程中起著重要作用 ， 目前植
［40 ］

內與抗寒力相關的物質的合成。 冬油菜幼苗在 4℃ 低溫馴化過程中， 培養(yǎng)基中添加外源 ABA 可引起脯 氨酸和可溶性糖含量顯著增加， 電解質滲漏減少， 油 ［36 ］ 菜的 抗 寒 性 明 顯 增 強 。 油 菜 受 凍 害 后， 噴施 ABA， 通過誘導增加葉綠素含量和可溶性蛋白含量 來促進油菜光合功能的恢復， 從而有效緩解凍害對 ［37 ］ 油菜的影響 。外源 ABA 還可通過增強膜的穩(wěn)定 誘導甜菜堿及抗壞血酸等 性和過氧化氫酶的活性， ［38 ， 39 ］ 。 的合成， 使植株產生抗寒性

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油菜抗寒基因工程研究進展
近 10 年來， 隨著對抗寒分子機理認識的不斷深

入， 采用基因工程手段培育抗寒新品種的方法正以 其周期短、 見效快的優(yōu)點而逐漸在植物遺傳育種中

賈明珍等： 油菜抗寒性生理生化機制及基因工程研究進展 物抗逆基因工程研究中， 人們大多使用組成型表達 啟動子驅動目的基因的表達。 在轉基因植物中， 組 成型啟動子持續(xù)過量表達轉化的外源基因會阻礙植 ［44 ， 45 ］ 。 因為外源基因的過 物的生長并減少其產量

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量表達會競爭植物在正常生長條件下需要的能源并 ［46 ］ 且阻礙蛋白質或者 RNA 的合成 。 因此， 使外源 基因只有在脅迫條件下才能表達的植物逆境誘導啟 動子， 逐漸成為國內外研究熱點（ 表 2 ） 。

表 2 已獲得的低溫誘導基因啟動子 Fig． 2 Acquired cold － induced gene promoter
來源 Origin 擬南芥 Arabidopsis thaliana 根癌農桿菌 Agrobacterium tumefaciens 擬南芥 Arabidopsis thaliana 小麥 Triticum aestivum 模式植物 Model plant 煙草 Nicotiana tabacum 煙草 Nicotiana tabacum 馬鈴薯 Solanum tuberosum 玉米 Zea mays 煙草 Nicotiana tabacum 低溫誘導基因啟動子 Cold － induced gene promoter rd29A rd29A cor15a wcs120 驅動基因 Drive genes CBF GUS ipt GUS GUS 參考文獻 Reference ［ 47］ ［ 48］ ［ 49］ ［ 50］ ［ 51］

3

小結與展望
隨著對油菜抗寒性研究的逐步深入， 對油菜適

DREB 類 轉 錄 因 子， ERF 徑。關于 CBF 轉 錄 因 子、 類轉錄因子的功能及與低溫逆境的關系的深入研 究， 將對實際生產有現實指導意義。 為確保油菜高產穩(wěn)產， 應在油菜生產的各有關 環(huán)節(jié)采取相應預防措施， 從而將冷害凍害的危害降 到最低。同時致力于綜合運用植物轉基因、 遺傳育 種、 化學調控等方法， 配合科學的栽培管理， 以最終 達到防止寒害， 提高農作物產量的實際應用目的 。 參考文獻：
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應低溫脅迫的機理也越來越清楚， 特別是近年來迅 分子遺傳學為抗寒性的遺傳 速發(fā)展的分子生物學、 研究提供了技術支持， 為生產提供了理論指導。 但 油菜抗寒性的研究中 由于植物抗寒機制的復雜性， 仍有很多問題尚待解決。 （ 1 ） 迄今為止還未形成一個快速、 簡潔、 準確的 抗寒鑒定指標體系�？寡趸富钚院蜐B透調節(jié)物質 含量等指標在一定程度上雖能作為比較和鑒定低溫 條件下油菜品種抗寒性強弱的依據， 但這些指標只 并不能作為鑒定標 能比較品種抗寒性的相對強弱， 準。另外， 品種抗寒性的強弱是植物體內一系列生 任何單一指標均不能 理生化變化的綜合作用結果， 作為抗寒鑒定的標準， 只有根據多個指標進行綜合 評定才能得到較為可靠的結果。 （ 2 ） 油菜內源激素的研究還停留在內源激素對 油菜生長發(fā)育影響等方面， 而關于低溫與油菜花芽 分化， 內源激素與油菜抗寒性的信號傳導途徑之間 的關系及不同基因型油菜內源激素的遺傳差異性研 究等還未十分清楚。 （ 3 ） 此外， 植物的抗寒性是由多基因控制和調 節(jié)的數量性狀， 應該從對單個基因的研究轉向對多 個相關基因進行系統(tǒng)的研究， 以期獲得理想的抗寒 植株。但目前同時轉化多個基因的技術還不成熟 。 （ 4 ） 近幾年來在植物轉錄因子的基因克隆和功 通過操縱一個轉錄因 能研究方面取得了很大進展， 子促使多個功能基因發(fā)揮作用， 從而達到使植株性 狀獲得綜合改良的效果。 因此在植物抗性育種中， 與導入或改良個別功能基因相比， 導入或改良一個 轉錄因子是提高作物抗逆性更為有效的方法和途

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34 （ 5 ） 中國油料作物學報 2012 ，
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（ 責任編輯： 郭學蘭）



  本文關鍵詞：油菜抗寒性生理生化機制及基因工程研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。