《Plant Signaling & Behavior》：Advanced breeding techniques in Brassica juncea L. for sustainable production under changing climate
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摘要：芥菜（Brassica juncea(L.) Czern. & Coss.）是一种在全球范围内作为重要油料来源种植的重要农作物。由于含油量高、具有药用价值及脂肪酸组成均衡，它是南亚主要的食用油来源。除被视为具有高经济价值的相对耐寒作物外，其生产力
摘要：芥菜（Brassica juncea(L.) Czern. & Coss.）是一种在全球范围内作为重要油料来源种植的重要农作物。由于含油量高、具有药用价值及脂肪酸组成均衡，它是南亚主要的食用油来源。除被视为具有高经济价值的相对耐寒作物外，其生产力潜力受到多种生物和非生物胁迫的限制，包括病害、虫害、干旱、高温、霜冻和盐渍。这些限制因素对产量产生不利影响，常导致农民转向替代作物。在此背景下，利用先进的基因组学、转录组学和蛋白质组学方法，可深入解析芥菜在胁迫及不同发育阶段的进化历史、遗传多样性及适应性响应的分子机制。全面理解其分子结构及高级作物改良策略，将最终培育出高产、抗逆品种，促进气候变化下的芥菜可持续生产。
引言
芥菜（俗称印度芥菜）是具有高度多样性的重要农作物，起源于芜菁（B. rapa）与黑芥（B. nigra）的自然种间杂交，属于十字花科（Brassicaceae）。其进一步分为四个亚种：芥籽型（juncea）、叶用芥菜型（integrifolia）、根用芥菜型（napiformis）和茎用芥菜型（tumida）。芥菜表现出显著的生态适应性，广泛分布于亚洲、非洲、欧洲、澳大利亚和美洲，全基因组测序研究揭示西亚为其起源中心。作为异源四倍体（AABB，2n=36），其植株分枝，具柄、宽大且羽状分裂的叶片，茎高可达75 cm，荚果细长，种子呈黑色或黄白色。芥菜在印度主要作为食用油料作物种植，含油量达38%-42%，约占印度油籽总产量的27%及植物油总产量的31%，种植面积占油菜-芥菜总耕地的90%。此外，芥菜也是小农户重要的调味品和药用作物，其工业用途包括制革行业软化皮革；但种子粕因含大量硫代葡萄糖苷（glucosinolates），限制了其作为优质肥料和饲料的应用。芥菜油富含ω-3脂肪酸（单不饱和脂肪酸MUFAs）、亚油酸和α-亚麻酸，黄酮类化合物、酚类、甾醇、三萜醇及饱和与不饱和脂肪酸的平衡水平赋予其营养保健特性，但高含量的芥酸（erucic acid）对健康存在不利影响。
生物与非生物胁迫的影响
非生物胁迫
全球范围内，非生物胁迫是作物减产的主要原因，导致大多数主要作物平均减产超过50%。芥菜主要种植于半干旱或干旱地区，易受干旱和盐胁迫影响，其适宜生长温度为15-22°C，高于35°C或低于10°C会损伤生殖器官。非生物胁迫通过干扰氧化过程，影响株高、鲜干重、脯氨酸含量、相对含水量、叶绿素含量、抗氧化酶活性及细胞损伤程度。植物虽可通过生理调整适应极端环境，但低温（0-15°C）和冷冻（<0°C）胁迫下，热带和亚热带起源的芸薹属物种缺乏冷驯化机制。
干旱
干旱通过物候、生理和生化途径影响芥菜从种子萌发到收获的各个阶段，其中花期最为敏感，可导致种子和油产量分别损失29.5%和31.7%，种子含油量和千粒重显著降低，叶绿素含量因类囊体膜功能受损而下降。
营养缺乏
氮是芥菜响应最显著的养分，推荐基施50%、追施50%（第一次灌溉后）；磷在土壤中易缺乏但被芥菜大量吸收，每生产1吨种子需P2O512.4-42.7 kg；钾缺乏可通过施用65 kg K2O/ha缓解；硫是必需养分，配合平衡施肥可提高含油量5%-6%；锌和硼等微量元素缺乏可通过叶面喷施改善，锌处理可使种子增产16%-47%。
高温
全球变暖导致高温胁迫加剧，芥菜在环境温度（15-22°C）下生产力最高，高于环境温度会减缓代谢过程，影响花粉活力、籽粒发育和受精，尤其在开花和灌浆期敏感。迟播导致成熟期遭遇高温（>30°C），阻碍同化物转运，形成皱缩种子，降低产量。
霜冻
霜冻通过改变植物形态、解剖和生理生化特性造成显著损害，温度低于0°C时细胞间隙形成冰晶，导致细胞膜脱水损伤。幼苗期和生殖期（配子发生、授粉、胚胎发育）对霜冻高度敏感，导致花粉败育和种子形成减少。深松耕作可促进幼苗越冬生长，提高抗霜性。
盐渍
盐胁迫通过破坏养分和离子平衡影响芥菜生长，高盐浓度下土壤渗透压高于根细胞，导致水分和营养失衡。盐胁迫抑制种子萌发和生长发育，影响硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸脱氢酶（GDH）和天冬酰胺合成酶（ASN）等酶活性。硫脲（thiourea, TU）处理（6.5 mM）可通过增强蔗糖从源到库的转运提高耐盐性，根内生菌P. indica和叶面水杨酸喷施也可诱导耐盐性。
生物胁迫
生物胁迫导致作物减产50%-60%，主要由真菌、细菌、害虫和病毒引起。十字花科植物真菌病害包括由链格孢属（Alternariaspp.）引起的黑斑病、核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）引起的菌核病、寄生霜霉菌（Hyaloperonospora parasitica）引起的霜霉病等，其中黑斑病可导致11%-100%的产量损失。细菌性病害如野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestrispv. campestris）引起的黑腐病，表现为V形黄化坏死和维管束褐变；软腐病菌（Pectobacterium carotovorum）通过伤口侵入导致组织腐烂；根肿病菌（Plasmodiophora brassicae）引起根部肿大畸形，阻碍水分吸收。
虫害方面，芥菜蚜虫（Lipaphis erysimi）是最具破坏性的害虫，可导致减产超50%，其分泌的蜜露诱发煤污病，还可传播芜菁花叶病毒（TuMV）；菜粉蝶（Pieris brassicae）和小菜蛾（Plutella xylostella）幼虫取食叶片造成严重损失；跳甲类（如条纹跳甲Phyllotreta striolata、十字花科跳甲Phyllotreta cruciferae）危害幼苗，导致生长不均和减产。
作物改良策略
抗性品种选育
通过常规和分子育种选育抗逆品种是缓解胁迫最经济环保的方法。芥菜栽培种DRMR 150-35、RH 00406等对芥菜蚜虫具有低抗性指数；冷驯化基因BrICE1和BrICE2通过增强活性氧（ROS）清除和调控CBF通路提高抗冻性；细胞质雄性不育（CMS）系（如ogu、pol、nap等）因上调单脱氢抗坏血酸还原酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶（SOD）等应激基因，成为抗逆品种选育的潜在材料。转基因技术方面，转IRT1基因油菜提高了镉胁迫耐受性，RNAi介导的小菜蛾CHS1基因沉默与Bt转基因油菜结合可减少昆虫抗性发展。
生物技术与纳米技术应用
组织培养是开发抗逆品种的成本效益方法，首个通过组织培养选育的高产芥菜品种Pusa Jai Kisan适用于非传统种植区；锌 oxide纳米颗粒（ZnO NPs）可优化愈伤组织诱导和芽再生，与褪黑素协同应用可提高钴胁迫下的光合作用和酶活性。CRISPR/Cas9技术在芸薹属作物中成功应用于抗病（如核盘菌、萝卜黄花叶病毒）、品质改良（降低硫代葡萄糖苷、提高赤霉素合成）和高产（增加分枝、角果数和每角粒数）育种；RNAi技术通过靶向BnFAE1基因显著降低芥酸含量并提高油酸含量。此外，通过种间杂交将B. carinata和B. napus的抗白锈病基因导入芥菜，可培育抗性品种。
营养改良
芥菜油和粕中存在高芥酸和硫代葡萄糖苷，可能导致幼畜脂肪变性、纤维化及甲状腺肿等问题。自1970年起，印度开展低硫代葡萄糖苷（<30 μmol/g）和低芥酸品种选育，如双零品种Pusa Double Zero Mustard 31（PDZM-1）。多养分肥料（如钾镁钙复合肥）比传统NPK(S)肥料更能提高产量和品质；根内生真菌Serendipita indica与植物生长促进根际细菌（PGPR）共培养可提高B. napus的养分吸收和脂肪含量；钙纳米颗粒、锌钛纳米颗粒叶面喷施可改善营养吸收和抗旱性；硒引发种子可作为一种环保的盐胁迫管理策略。
杂交育种通过CMS、遗传雄性不育等方法利用杂种优势，芥菜杂种优势率达13%-99%，其中Ogura和Moricandia CMS系统因具有高效育性恢复系而最具应用前景，已培育出NRCHB 506、DMH 1等杂交种。
加速育种（Speed breeding）
传统育种周期长（需数十年），加速育种通过在可控环境（高温、光周期调控）下诱导早期开花，实现B. napus每年4-5代繁殖，显著缩短育种周期。远红光处理可调控生物钟基因，提高光合色素和矿物质积累； breeders种子是优质种子生产的骨干，印度芥菜主栽品种Pusa Bold、Varuna等对breeders种子需求较高。
综合防治（IPM）
针对病虫害实施综合防治，包括夏季深耕、清洁田园、种子处理（多菌灵0.1%或甲基硫菌灵防治苗期病害，吡虫啉防治蚜虫）；白锈病发病初期喷施瑞毒霉MZ 72 WP，黑斑病喷施代森锰锌；蚜虫种群超过经济阈值（ETL）时喷施内吸性杀虫剂（如氧化乐果），保护利用天敌昆虫；生物防治方面，木霉（Trichodermaspp.）和大蒜（Allium sativum）提取物对核盘菌有抑制作用，印楝素和Endod混合提取物可替代化学农药防治蚜虫。
微生物共生体
内生微生物通过定殖根系促进植物生长，提高抗逆性和养分利用效率。假单胞菌（Pseudomonassp.）抑制菌核病，Pseudomonas syringae诱导系统抗性；Enterobacter和Bacillus与Serendipita indica共接种可促进B. napus生长和养分吸收；Serratia和Arthrobacter改善钒污染土壤理化性质，促进植物修复；丛枝菌根真菌（AMF）与生物炭协同提高土壤孔隙度和酚类物质积累。微生物通过调控抗氧化酶（SOD、CAT、APX）、渗透调节物质（GABA、脯氨酸）和激素（IAA、GA、SA）增强抗逆性。
整合组学方法
整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学解析胁迫响应机制。基因组学通过全基因组测序和比较基因组学鉴定与春化、产量、油质及抗逆相关的QTLs和SNPs；转录组学揭示Cd胁迫下液泡储存基因下调和转运基因上调，冷胁迫下光合和能量代谢相关基因差异表达；蛋白质组学（2-DGE、iTRAQ、TMT技术）发现CMS系中线粒体热休克蛋白、ATP合酶等差异蛋白，以及与脂肪酸合成、油体储存相关的关键蛋白；代谢组学鉴定干旱胁迫下塔格糖（tagatose）、富马酸等差异代谢物，盐胁迫下氨基酸和脂肪酸代谢通路相关代谢物，为代谢调控提供依据。
结论
芥菜现有产量远低于需求，主要受气候和土壤条件变异影响。通过组织培养、RNAi、基因编辑等生物技术结合常规育种，可培育高产、优质、抗逆品种；微生物共生体通过调节代谢通路改善植物生长，结合植物修复技术可治理重金属污染；整合组学（基因组、转录组、蛋白组、代谢组）和标记辅助选择（MAS）从分子网络层面解析基因型-表型关系，加速抗逆品种选育。未来需开发适用于资源匮乏地区的低成本育种和保护技术，以应对气候变化挑战，保障芥菜可持续生产。
