降低冬油菜（Brassica napus L.）抽薹高度增强中国北方干旱寒冷地区耐冷性及适应性

《Plants》：Lower Bolting Height of Winter Rapeseed (Brassica napus L.) Enhances Cold Stress Tolerance and Adaptability to Arid–Frigid Regions in Northern China Zhuanhong Liang, Sheng Chen, Tingting Fan, Wenxin Yang, Jianzhong Sang, Junyan Wu, Li Ma, Yuanyuan Pu, Wangtian Wang and Wancang Sun + 3 authors

　　

抽薹高度是影响甘蓝型油菜（Brassica napus）冬油菜胁迫耐受性、环境适应性及越冬存活的关键遗传性状，对于提升干旱寒冷地区的越冬存活率尤为重要。本研究旨在阐明抽薹高度与低温胁迫耐受性之间的遗传关系，从而为增强耐冷性的育种工作提供支持。研究利用了九十五份冬油菜种质资源，通过春播与秋播试验，系统分析了不同环境下抽薹高度的动态变化，明确了抽薹高度的遗传稳定性及其与耐冷性的相关性。抽薹高度在春播与秋播试验中表现出一致的变化趋势，显示出较高的遗传稳定性。其与耐冷性呈极显著负相关：抽薹高度较低的基因型拥有更强的耐冷性。研究在细胞和分子水平上揭示了低抽薹与耐冷性的调控机制。低抽薹种质表现出平展宽大的茎尖分生组织，细胞体积小且排列紧密，核质比高，液泡不明显。赤霉素（Gibberellin, GA）合成基因BnaA06g24070D表达下调，而关键耐冷基因BnCBF5表达上调。外源激素处理初步验证了抽薹高度对耐冷性的因果调控效应。在春播和秋播试验中，初花期抽薹高度与春化指数（Vernalization Index, VI）均呈极显著正相关，相关系数分别为0.80和0.78。较低的抽薹高度对应于较小的春化指数和较强的温度敏感性。此外，初花期抽薹高度与综合耐冷性评分呈极显著负相关，相关系数分别为-0.77和-0.80。与高抽薹种质相比，低抽薹材料具有显著更高的越冬率和综合耐冷性评分，以及显著更低的半致死温度（LT50）。低抽薹种质显著延长了抽薹期、现蕾期、初花期及全生育期时长，且其农艺性状的年际稳定性显著优于高抽薹种质。本研究证实低抽薹高度是冬油菜耐冷性的关键育种性状，是中国北方干旱寒冷地区冬油菜耐冷性改良的重要选择指标。

该研究针对中国北方干旱寒冷地区冬油菜越冬存活率低的核心问题，系统探讨了抽薹高度与耐冷性、温敏性、生育期及农艺性状的关联。研究人员通过对95份冬油菜种质的春播和秋播试验，结合细胞学观察、基因表达分析及外源激素处理，揭示了低抽薹高度增强耐冷性的机制。研究结果表明，抽薹高度是一种遗传稳定性较高的性状，与春化指数呈正相关，与耐冷性呈负相关。低抽薹材料通过维持较小的茎尖细胞体积、较高的核质比以及抑制赤霉素合成基因BnaA06g24070D的表达，解除其对关键耐冷基因BnCBF5的转录抑制，从而提升植株的耐冷性。此外，低抽薹性状还能显著延长生育期并提高农艺性状的稳定性。这项工作为北方旱寒区冬油菜的耐冷育种提供了重要的理论依据和表型选择指标，相关成果发表在《Plants》期刊。

研究人员主要采用以下关键技术方法：首先，利用95份冬油菜种质（来源于甘肃农业大学和天水市农业科学研究所）进行春播和秋播田间试验，测定初花期抽薹高度。其次，通过计算春化指数（VI）评估材料的温敏性，通过越冬率和半致死温度（LT₅₀）综合评价耐冷性。第三，选取极端表型材料进行茎尖分生组织的石蜡切片观察细胞显微结构。第四，利用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测赤霉素合成基因BnaA06g24070D和耐冷基因BnCBF5的相对表达量。最后，采用外源激素（多效唑PAC和赤霉素GA）处理验证抽薹高度与耐冷性的因果关系。

2.1. 冬油菜抽薹高度的遗传稳定性分析

2.1.1. 冬油菜抽薹高度的广泛变异

通过对95份种质在春播和秋播条件下初花期抽薹高度的测定发现，春播平均抽薹高度为27.76 cm，变异系数高达87.40%，表型离散度高；秋播平均抽薹高度增至64.87 cm，变异系数降至23.48%。频率分布显示，春播数据分布广且无集中峰，秋播则呈正态分布，表明秋播显著提高了平均抽薹高度并降低了种质间的变异程度。

2.1.2. 不同播种试验间抽薹高度的一致性

散点图分析显示，春播与秋播的抽薹高度呈极显著正相关（r = 0.80）。维恩图分析进一步表明，春季筛选出的19份低抽薹种质中有89.5%在秋季仍表现为低抽薹，高抽薹种质中有84.2%保持稳定。这证实了抽薹高度是一个受环境影响较小的稳定遗传性状。

2.2. 抽薹高度与温敏性的相关性分析

2.2.1. 基于春化指数的种质温敏性差异

根据春播条件下的春化指数（VI），将95份种质分为五个温敏等级（I-V级）。结果显示种质间温敏性差异显著，VI值覆盖了从0到1.0的全范围。

2.2.2. 抽薹高度与温敏性的关系

在春播和秋播试验中，抽薹高度均随温敏性的降低（VI值增大）而增加。发育状态分析表明，温敏性越强的种质（V级），其非抽薹和抽薹无蕾的比例越低，成熟植株比例越高。这表明较高的温敏性与较低的抽薹生长及延迟的生殖发育密切相关，有助于冬油菜规避低温胁迫。

2.3. 抽薹高度与低温胁迫耐受性的相关性

2.3.1. 耐冷性的综合评价

通过归一化越冬率和LT₅₀计算出综合耐冷性评分。种质B62得分最高（2.00），越冬率达76%，LT₅₀为-13.76 °C；种质B95得分最低（0.00）。

2.3.2. 抽薹高度与耐冷性的相关性

相关性热图分析表明，抽薹高度与越冬率和综合耐冷性评分呈极显著负相关（秋播r = -0.80），与LT₅₀呈极显著正相关。春化指数与抽薹高度呈正相关，与耐冷性呈负相关，进一步串联了这些性状间的联系。

2.4. 抽薹高度对耐冷性的调控机制

2.4.1. 不同耐冷性材料茎尖细胞显微结构的差异

选取高抽薹不耐寒品种天油608和低抽薹耐寒品种2018GL-GAU-32-13进行石蜡切片观察。天油608茎尖高大尖锐，细胞体积大、液泡化程度高、细胞壁薄且排列疏松；而2018GL-GAU-32-13茎尖平展宽大，细胞小而紧凑，核质比高，无明显的液泡，维持了抗逆的茎尖分生组织形态。

2.4.2. 关键基因的表达模式

RT-qPCR结果显示，赤霉素合成基因BnaA06g24070D在天油608中显著上调，而关键耐冷基因BnCBF5的表达受到抑制。这表明在转录水平上生长与防御存在拮抗关系。

2.4.3. 外源激素对抽薹高度与耐冷性关系的调控效应

外源喷施多效唑（PAC）显著降低了高抽薹种质天油608的抽薹高度，并显著降低了其半致死温度，增强了耐冷性。反之，外源赤霉素（GA）处理诱导了低抽薹种质2018GL-GAU-32-13的伸长生长，导致其半致死温度升高，耐冷性下降。

2.5. 抽薹高度、生育期与农艺性状的相关性

2.5.1. 抽薹高度与生育期的相关性

低抽薹种质相较于高抽薹种质，其抽薹期、现蕾期、初花期及全生育期均显著延长。抽薹高度与这些阶段呈极显著负相关，表明降低抽薹高度会伴随生育进程的延长。

2.5.2. 农艺性状分析

两年农艺性状分析显示，高抽薹种质在株高、一次分枝数、单株产量等9个指标上数值较高，但年际变异系数（CV）较大；低抽薹种质虽然单株产量略低，但其千粒重显著更高（4.29 g vs 3.70 g），且所有性状的CV均较低，表现出更强的表型稳定性。

2.6. 优异品种筛选

综合筛选出了B62、B74和B1三个优异种质。这三个种质在春播条件下完全不抽薹，秋播时抽薹高度极低，越冬率超过74%，LT₅₀低于-12.98 °C，且千粒重高、年际波动小，可作为北方旱寒区冬油菜育种的重要种质资源。

讨论部分总结与结论翻译

讨论部分指出，该研究从细胞学和生理生化层面为植物生长-防御权衡理论提供了直接证据。高抽薹种质的耐寒性差源于其无法有效终止生长程序并建立物理和生理上的耐寒机制。低抽薹种质通过抑制赤霉素（GA）的生物合成，维持小细胞、高核质比的物理屏障，并通过转录拮抗解除对BnCBF5的抑制，从而实现从生长主导向防御主导的策略转变。此外，抽薹高度作为一种遗传稳定的性状，受环境影响小，且与农艺性状的稳定性密切相关，相比于单纯追求高产但不稳定的高抽薹种质，低抽薹种质更能保障北方旱寒区农业生产的安全性与稳产性。结论部分重申，抽薹高度与温敏性、耐冷性、生育期及农艺性状密切相关，低抽薹高度是中国北方冬油菜耐冷性改良的重要目标性状和选择指标。