1、植物耐热性的研究进展2007 年第 2l 卷第 5 期作物研究 493植物耐热性的研究进展李爱国,屈霞,李小科,余筱南(湖南农业大学农学院,长沙 410128)摘要:高温胁迫已逐渐成为植物正常生长发育的限制因子 ,它通过影响植物的基因表达,生理特性,进而影响植物的外观形态,花粉育性,从而导致植物的产量品质下降.从热胁迫,高温对植物外观形态,生理生化等表型的影响,以及植物耐高温分子生物学机制,耐高温品种的鉴定方法等方面进行了简要的综述.关键词:植物;耐热性;高温胁迫中图分类号:Q945.78 文献标识码:A 文章编号:1001 5280(2007)050493051 热胁迫任何作物生长都有其温度
2、三基点,即最适温度,最高温度和最低温度.不同作物所能耐受的最高温度不同,一般情况下,喜温作物耐受温度要比喜凉作物高些.高温胁迫条件下,处于细胞最外层的细胞膜系统仅次于细胞壁感受到胁迫信号,并通过信号传递途径将胁迫信号传递到细胞内,引起植物体内酶活性的变化,进而影响重要的生理生化反应及逆境诱导基因的表达和调控.但随着胁迫程度的不断增强,胁迫所造成的伤害超过生物体自身的调控能力时,植物就开始表现外观形态的热害症状.2 高温对植物外观形态,花粉育性及产量品质性状的影响水稻开花时的外界条件与花粉活力有密切的关系,在 3335C 的高温条件下,水稻品种的结实率比正常气温下的降低 20 左右.研究表明,造
3、成这一现象的主要原因是在高温条件下柱头上的花粉萌发率低 E.此外,灌浆期高温热害会使我国南方双季稻产区早稻产量和品质受到极大影响,“高温逼熟“ 往往导致籽粒灌浆不饱满,稻谷空秕率增加,米粒质地疏松,粒重降低,垩白增大,影响产量和米质 E.一般品种在昼温 34C,夜温 26C 以上或有 4h 以上的高温即受严重损害.当温度达到 3540C 时,番茄的茎叶等营养器官虽未出现障碍,但花器的发育却受到了影响,由此产生畸形果.黄瓜属喜温蔬菜,生长适宜温度为 1532C.35C收稿日期:20071O-21作者简介:李爱国(1981 一),男,河南洛阳人,硕士研究生.时不耐热品系的坐果率急剧下降,而耐热品系
4、在 45.C时坐果率才略有下降.高温对生殖生长的影响直接导致黄瓜品质和商品性下降,表现为果柄变长,横径变小,果长缩短,果肩干腐,尖嘴瓜,蜂腰瓜等畸形瓜率增加,果皮变硬,维生素 c 含量下降 ,其中畸形瓜,果皮硬度的影响达极显着水平 L4.高温胁迫对棉花生长发育的影响的研究主要集中在花器官结构,花粉活力,纤维品质以及转基因棉花中Bt 毒蛋白的表达方面.在高温条件下棉花长柱头花比例明显增加 I7,而与中,短柱头花相比,长柱头花的成铃率低,铃重小,单铃种子数少,从而造成产量下降.郑冬官等 I8j 利用有孑 L 花柱数目来测定花粉活力发现,33C 恒温处理 10h 的有孑 L 花柱数只有对照的 46.
5、7,平均每个花柱的穿孑 L 数仅为对照的 21.0,因此认为37.5C 的日最高气温可以作为影响花粉育性的参考指标.研究认为,在所有气象因素中,温度对纤维发育最为重要,15C 以上的活动积温是衡量棉铃能否正常发育的重要指标,纤维素沉积量的变化与日最低温度关系最密切.此外,温度不仅影响纤维细胞形成的起始时间,还影响纤维细胞起始的数目,同时高温对纤维细胞的起始具有破坏作用 E9-113.转基因抗虫棉在其生长发育进程的中后期,抗虫性下降,抗棉铃虫效果很不理想.而此时又是长江流域第四代棉铃虫高发期,时值盛夏,35C 高温天气经常出现,研究高温对 Bt 蛋白的表达的影响就显得尤为重要.已有研究表明,高温
6、处理后可使 Bt 杀虫基因在生长发育期中的沉默时间提前,导致 Bt 杀虫蛋白含量急剧降低 I1 胡;而且还发现在转 Bt 基因抗虫棉的生育过程中,Bt 杀虫蛋白在结铃盛期最容易受高温的影响 E13.此外,相关分析表明,高温胁迫后可溶性蛋白含量与 Bt毒蛋白含量呈极显着正相关,游离氨基酸含量则与 Bt494CROPRESEARCH毒蛋白含量呈极显着负相关口.3 高温对植物主要生理生化代谢的影响温度是影响植物生理过程的重要生态因子之一.植物体在生长发育过程中,经常会遭受到高温的胁迫,高温首先引起植物生理代谢紊乱,超过植物自身的调控范围后导致植物表现热害症状,甚至萎蔫死亡.3.1 高温对植物体内生物
7、膜系统的影响高温胁迫引起的植物体细胞的受害症状反映在多个方面,其中对细胞内生物膜系统功能的影响是一个重要方面.细胞膜完整性丢失是受到的主要伤害之一,这种伤害直接导致细胞渗透性增加和电解质的泄漏,表现在可直接测量的相对电导率的增加上.丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的产物,也经常被作为评价植物抗逆性的一个生理指标.胡安生等认为高温胁迫与 MDA 增生是有密切关系的,随着处理温度的提高,枳幼苗细胞中的 MDA 含量不断提高,当处理强度升至 45以上时,电解质的泄漏率大幅度增加,MDA 含量比 30时增加近 2 倍.在大白菜中的研究表明,可以将常温下与高温处理以后的丙二醛含量的变化量进行比较,或者利用高
8、温处理以后的丙二醛含量作为抗热鉴定指标_1 川.此外,在水稻上的研究也表明,随时间的推移,高温对水稻根系膜脂过氧化的影响热敏感型品种仍显着大于耐热型品种 n.3.2 高温对植物体内脯氨酸,蛋白质含量的影响不同抗热性的植株内部可溶性蛋白的含量本身就存在着很大的差异,这可能与植株的耐热性有关_1 引.当经过高温处理后各个自交系的可溶性蛋白的含量都有不同程度的增加,但是不同植株的总体可溶性蛋白含量的高低仍然与未处理前相同.因此认为高温处理前后的可溶性蛋白含量的高低,都可以从一定程度上反应大白菜自交系的耐热性,能够作为早期抗热选择的依据之一_1 川.此外,高温胁迫后水稻根系中可溶性蛋白质含量较对照均有
9、所下降,但耐高温水稻品种高温胁迫处理与对照问差异小于热敏感型品种口.因此,通过比较可溶性蛋白的变化幅度,可以大致判断不同水稻品种的耐热性差异.大量研究表明,脯氨酸可以防止植物水分散失和提高原生质胶体的稳定性,环境胁迫下耐热的植物品种比不耐热的品种体内积累较多的脯氨酸,并且耐热性强的植物脯氨酸维持积累时间长,维持积累量大;而耐热性弱的植物积累维持时间短,维持积累量也少 20I.3.3 高温对植物保护酶系统的影响环境胁迫可以引起植株整体水平碳和氮代谢的改变,从而降低光合和生长速率.然而在分子水平上,则由于活性氧的产生与清除系统之间的平衡被破坏,植物细胞中积累大量的活性氧,从而对许多重要的细胞组分造
10、成氧化损伤.植物体内有效清除活性氧酶类包括超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(POD),抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化氢酶(CAT)等瞳.胡安生等_1 明认为,枳幼苗热伤害的相关原因是由于高温胁迫抑制了 SOD 的活性,削弱了对自由基的清洗能力和对细胞膜的保护作用,从而加剧了膜脂过氧化作用,导致膜伤害,电解质大量泄漏,最终使枳幼苗表现热伤害症状.利用 SOD 抑制剂(DDTA) 预处理枳幼苗后,膜脂过氧化产物 MDA 含量增加,进而加重了膜损伤.相反,使用自由基清除剂预处理以代替 SOD的作用,发现由高温胁迫而产生的 MDA 含量下降.从而进一步证明了 SOD 活性降低与高温胁迫下膜脂
11、过氧化作用和膜伤害之间的直接关系.但是也有人认为,在高温处理前后大白菜纯合自交系的 SOD 活性有的升高有的降低,不存在一致性,不能作为大白菜自交系耐热性鉴定的指标_1 川.马金虎等_22对 4 个棉花品种的种子高温(451)C 老化处理后发芽 3d 的幼苗下胚轴中 POD,SOD活性的变化,都表现为双峰曲线.推测第一个峰值的出现是植物对高温胁迫的适应性的防御反应.第二个高峰的出现,则是由于长时间的高温胁迫处理,植物从转录的水平调节抗逆基因的表达,诱导逆境蛋白的合成,在一定高温胁迫时间内,进一步改善和提高了对高温老化的主动适应能力.高天等 3以昼 22C/夜 17lC 处理为对照,昼 35C/
12、夜 27_C 的温度对 2 个仙客来品种(1011 和 1051)进行高温胁迫处理,测定了高温胁迫对仙客来叶片中抗氧化系统(包括 POD,SOD,CAT 和 APX)的影响.认为,耐高温的品种(1011) 较不耐高温的品种(1051) 具有较高的酶性和非酶性活性氧清除能力.3.4 高温对植物光合作用及蒸腾作用的影响光合作用是植物对高温和强光胁迫最敏感的生理过程之一.夏季高温往往伴随着强光通过影响作物的光化学反应速率及光合酶类的活性,尤其是定位于类囊体膜上的光系统(PS11)来影响光合作用,导致植物不能有效利用吸收的光能,产生大量的过剩激发能,使 PS反应中心发生失活甚至不可逆的破坏 _2 引
13、.此外,高温胁迫使叶肉细胞气体扩散阻抗增加,CO.溶解度下降,Rubisco 对 CO.的亲和力降低或光合热稳定2007 年第 21 卷第 5 期作物研究 495降低,影响到植物的光合速率,进而导致作物的产量降低.因而细胞间隙 CO 浓度是确定光合作用下降原因的主要判断指标,只有当细胞间隙 CO 浓度与净光合速率一起下降且气孔限制值增加时,才能断定净光合速率的下降主要是由气孔因素造成的.付振书等 4在甘蓝中的研究表明,与正常温度下(叶温 28C)比较,耐热性不同的品种,其净光合速率在高温条件下(叶温 4OC,光强 1200mol/m?S)都下降,但耐热性较强的品种下降较少.4olC 预处理后随
14、着光强的升高,PS的电子传递效率 (Ps)和 PS的激发能捕获效率(Fv/Fm) 持续下降,而非光化学猝灭(NPQ)持续增加,慢组分(qI) 一直维持在 NPQ 的 1o左右,NPQ 的增加主要是快组分(qf)的迅速增加.可见高温强光胁迫下依赖于叶黄素循环的高能态猝灭是甘蓝幼苗叶片耗散过剩激发能的主要方式.然而两品种之间PS ,Fv/Fm,NPQ 及其 qf 和 qI 均无显着性差异,且最大光化学效率(Fv/Fm),细胞间隙 CO 浓度,光呼吸速率也无显着性差异.因此认为,在短期高温强光胁迫下两品种净光合速率差异主要取决于与光反应无关的非气孔限制.此外,在辣椒苗期试验中 L2,高温胁迫初期各品
15、种气孔导度和蒸腾速率下降,细胞间隙 cO 浓度上升,12h 后,气孔导度和蒸腾速率有回升趋势,而细胞间隙 CO 浓度基本维持不变.因此也认为,在 40C 高温胁迫下辣椒的光合抑制是由非气孔因素造成的.而且,胁迫处理 12h 后,耐热品种湘研 5 号气孔导度仍维持较低的水平,而其它品种则有回升趋势.表明辣椒植株通过调节气孔导度使叶片气孔部分关闭来抵御高温伤害.但随着高温胁迫时间延长,辣椒植株不再通过提高蒸腾速率降低叶温,而是维持较低蒸腾速率以避免水分蒸发过多导致植株萎蔫,耐热品种的这种保护能力更强.4 植物耐高温的分子生物学研究4.1 植物逆境抗性相关转录因子的研究在对植物逆境信号转导的研究中发
16、现,转录因子是一个很关键的因素,在胁迫刺激下它们不断合成,并将信号传递和放大,调控下游基因的表达,从而引起植物生理生化的改变.其中和植物逆境抗性相关的主要有 4 类:bZIP 类,WRKY 类,AP2/EREBP 类和 MYB类.虽然每种转录因子有各自主要的功能,但是同一个胁迫事件可以有多种转录因子的参与,同一个转录因子也可以参与多个胁迫事件.一个转录因子既然可以调控多个与同类性状有关的基因的表达,那么在提高作物对环境胁迫抗性的分子育种中,与导人或改良个别功能基因来提高某种抗性的方法相比,导人或改良个转录因子是提高作物抗逆性更为有效的方法和途径.操纵一个转录因子就可通过它促使多个功能基因发挥作
17、用,从而使植株性状得到综合改良 L2.Jaglo等 m 把 MYB 类转录因子 CBF1 导人拟南芥,该基因的过量表达激活许多耐逆功能基因同时表达.Gilmour等报道 CBF3 能诱导抗寒基因的表达,增加可溶性物质如蔗糖,棉子糖,果糖,葡萄糖以及脯氨酸的含量,从而提高抗寒性;同时发现其在转基因拟南芥植株中的超表达,不仅使植株耐低温的能力提高,而且抗旱和抗盐性也提高.4.2 植物耐高温的遗传规律研究萝 b 耐热性杂种优势的方向和程度依组合不同而异,有表现部分显性的组合,也有正的和负的超显性组合,但杂交组合热害后的恢复能力均表现正的超显性,而且一般配合力和特殊配合力效应,亲本问和组合间差异均达到
18、极显着水平.于拴仓等 L3 认为,大白菜的耐热性在重复中差异不显着,而重组自交系间有着显着差异.由方差分析获得的广义遗传力为 77.22,证实了耐热性是一类遗传力较高的数量性状.应用 352个标记位点(265 个 AFIP 标记和 87 个 RAPD 标记)构.成的大白菜 AFIP 和 RAPD 图谱,采用复合区间作图的方法对控制大白菜耐热性的数量性状基因位点(QTI)进行定位和遗传效应研究,同时用苗期热害指数进行耐热性表型鉴定,共检测到 5 个 QTL 位点,解释的变异范围在 7.OO18.53 之间.还发现了与 5个 QTIS 紧密连锁的侧连分子标记(分别为 W01.600,CTAC179
19、,CAAG193,CCAT64 和 CTTT170),它们与 QTI 间的距离为 0.12.4cM.这为大白菜耐热性分子标记辅助选择提供了理论基础.以籼粳交 DH 群体为材料,研究抽穗扬花期水稻品种的耐热性遗传,表明水稻品种耐热性为数量性状,不同基因型间存在显着差异.在第 1,3,4,8 和 1l 等 5条染色体上,共检测到 6 个具有加性效应的 QTL,其中位于第 1,3 染色体的 2 个加性效应 QTI 来自父本Azucena 的等位基因,它们是耐热的 QTI,能分别提高结实率 9.50 和 6.46 个百分点,其贡献率分别为19.15 和 2.86;位于其余 3 条染色体的 4 个加性效
20、应的 QTL 来自母本 IR64 的等位基因,它能提高结实率 4.3310.37 个百分点,在第 1,2,3,4,5,7,8,ll 等 8条染色体之间还检测到 8 对加性加性上位性效应,其贡献率为 2.278.13.赵志刚等口以 USSR5(粳稻)/广解 9 号(籼稻/USSR5 回交群体为供试材CROPRESEARCH料,构建了相应的分子连锁图谱,对高温处理下的小穗育性进行 QTL 分析,共检测到 3 个 QTI,贡献率分别为 6.4%,15.8%和 9.1%,加性效应分别为一 8.759,5,20.9%和一 7.8%.另外,以小穗育性热敏感指数为指标,检测到 2 个分别位于第 4 和第 8
21、 染色体上与小穗育性耐热性有关的 QTI,可分别解释表型总变异的16.8 和 9.9.其试验结果还表明,有 8 条染色体的4 对位点存在基因间互作,小穗育性耐热性除受主效QTL 控制外, 还受基因问互作及修饰基因的影响 .5 植物耐热性鉴定方法的研究进展我国所采用的鉴定方法主要包括外部形态或经济性状鉴定,微观结构鉴定和生理,生化指标鉴定.5.1 外部形态或经济性状鉴定法外部形态或经济性状鉴定法,因其直观现实而为育种工作者所接受.高温胁迫下,植物的外部形态往往发生反常的变化,从而影响其正常生长,进而使其经济性状发生变化.高温胁迫时,萝 b 耐热品种的叶型为板叶,叶面积大,叶厚,叶色深绿,功能叶多
22、3 引.刘进生等3把高温下的座果率作为番茄收获前预测品种耐热性的重要指标,把产量作为评价番茄耐热性的突出表现因素.罗少波等3贝 0 把高温结球性作为大白菜耐热性的一个重要指标.而吴国胜等.认为上述方法在温带地区难以适用,提出苗期经 32_C,10d 的高温胁迫,叶片皱缩反卷能够稳定准确地鉴别品种的耐热性.此外,研究表明,甘蓝叶片发黄萎蔫为热害指标的人工气候箱高温胁迫鉴定方法可以明显地反映出甘蓝的耐热性差异,而且在 36.5C 恒温下对甘蓝幼苗进行 6d 的处理是甘蓝耐热性选择的适宜压力 L3.5.2 微观结构鉴定法微观结构鉴定虽然较复杂,但较准确,科学,能从细胞学的角度为耐热育种提供理论依据.研究表明3 引 ,高温胁迫下,萝 b 耐热品种比感热品种叶表皮气孑 L 密度大,体积小,开度小,叶肉细胞排列紧密,很少出现质壁分离,叶柄维管束总面积大,具有发达的形成层及厚壁组织,这些结构特点均是与保持水分,免受高
