黃瓜耐熱性研究進展

摘 要：闡述了高溫脅迫對黃瓜生理生化過程、細胞膜和相關酶、外部形態和主要經濟性狀的影響，討論了黃瓜耐熱性遺傳規律，總結了耐熱性鑒定和提高耐熱性的方法，并提出了今后黃瓜耐熱性研究的建議。

關鍵詞：黃瓜；高溫；耐熱性

黃瓜(Cucumis sativus L.)是葫蘆科(Cucurbitaceae)的重要蔬菜作物，以幼嫩果實供食，果實脆嫩爽口、風味獨特，含有豐富的碳水化合物、礦物鹽和抗壞血酸，具有食用、美容、藥用等功效。倍受人們的喜愛。黃瓜栽培歷史悠久，是世界上栽培面積最廣的蔬菜之一，既可露地種植，也可保護地栽培。我國是世界上黃瓜生產面積最大、總產量最高的國家，據農業部統計數據，2004年全國黃瓜播種面積為93萬hm²。

黃瓜原產于溫暖地區，性喜溫，但不耐熱，生長適溫25～30℃，超過35℃導致傷害。隨著全球性溫室效應不斷加劇，極度高溫已成為限制黃瓜生長的主要因素之一，高溫熱害給黃瓜生產帶來嚴重影響，已經成為露地和保護地黃瓜生產中經常遇到和亟待解決的難題之一。人們逐漸重視黃瓜耐熱性研究，開始從生態學、形態學和生理生化等多個角度探討高溫對黃瓜的影響，積累了豐富的資料和經驗，并培育出了一些耐熱的優良品種。筆者對黃瓜耐熱性研究進展進行了總結與分析，以期促進黃瓜耐熱性的深入研究，推動黃瓜耐熱品種的選育，從根本上解決黃瓜保護地與越夏栽培中的熱害問題。

1 高溫脅迫對黃瓜生理指標的影響

黃瓜在生長過程中對高溫脅迫會發生相應的生理變化來降低高溫產生的熱害，“維持基本代謝，這就需要通過開啟某些基因的表達對高溫產生適應性，這一過程導致許多生理指標的改變，包括呼吸作用、激素、細胞膜穩定性、電導率、過氧化物酶系統、蛋白質等的變化。研究黃瓜高溫脅迫下生理指標的變化，將有助于采取相應的栽培技術措施減輕高溫危害，為篩選耐熱材料提供有效的途徑，也為耐熱育種奠定理論基礎。

1．1 高溫脅迫對黃瓜光合作用和呼吸作用的影響

光合作用是黃瓜植株產量形成的基礎，溫度不僅影響黃瓜葉片的光能利用能力。也影響光能利用效率。徐克章等H對保護地黃瓜研究得出，光合作用的最適溫度為25～33℃，上限為42～4℃。光合作用是植物對高溫最敏感的生理過程之一。馬德華等對黃瓜幼苗葉片的研究認為高溫處理后光合速率明顯降低。

高溫脅迫導致黃瓜幼苗葉片葉綠素含量下降，光合能力降低。耐熱品種則降低較少，其呼吸速率隨高溫先上升然后下降，而不耐熱品種的呼吸速率只下降而沒有上升。耐熱品種比不耐熱品種具有較高的凈光合速率、較低的呼吸速率。解除高溫脅迫后，耐熱品種的凈光合速率比不耐熱品種恢復得更快，呼吸速率回降較快。黃瓜幼苗氣孔傳導和蒸騰速率在高溫處理初均有顯著的上升，而經較長時間高溫處理后，氣孔傳導下降。

1．2 高溫脅迫對黃瓜蛋白質氨氨基醴含量的影響

分子生物學研究表明，植物在熱脅迫條件下，為了適應高溫逆境而快速改變基因表達的模式，其中包括HSPs的產生和某些基因的抑制表達。HSPs是一類對高溫敏感的蛋白，在環境脅迫因子的刺激下，HSP呂的表達量有顯著增加。HSPs的應急表達作為一種天然機制參與細胞保護，其主要功能是以分子伴侶的形式(molecular cbaperones)參與維持蛋白質的穩定、修復或減輕有害刺激造成的蛋白質損傷。HSPs的表達與植物的耐熱性密切相關，抗熱性強的植物在高溫條件下體內有關酶類、蛋白質和其他細胞組成成分的合成速率大于降解速率，所以它們不易遭受高溫傷害。盡管可以肯定HSPs與植物的耐熱性有關，但HSPs的增強表達是否能夠提高植物的耐熱性仍存在爭議，有待進一步研究。

高溫脅迫使蛋白質降解，可溶性蛋白質含量增加。耐熱品種對高溫反應遲鈍，熱激蛋白誘導溫度高，蛋白質降解速率慢，氫基酸增幅較小，其中脯氨酸質量分數增加明顯；解除高溫脅迫后，耐熱品種的蛋白質合成比不耐熱品種恢復得快。而不耐熱品種對高溫反應敏感，熱激蛋白誘導溫度低(38℃，36 h)，但給予較高的溫度(42℃，36h)后熱激蛋白合成受抑制，可溶性蛋白質含量下降。高溫處理以及常溫恢復2 d后。可溶性蛋白質總量、熱激蛋白含量與高溫耐熱性呈正相關，耐熱性強的品系含量高。游離脯氨酸含量被認為具有調節滲透及保護細胞膜結構的作用，黃瓜耐熱品種體內脯氨酸水平在常溫和高溫下均高于不耐熱品種，在常溫下相差不大，僅為11.89％，而在高溫下耐熱品種比不耐熱品種子葉游離脯氨酸含量高48.04。

高溫逆境直接引起植物體內蛋白質的變性和凝聚，從而使植物體遭受損害。在高溫脅迫條件下，構成蛋白質的多肽鏈被打斷，使蛋白質分子的空間結構遭受破壞，蛋白質分子降解為氨基酸。蛋白質分子的變性最初是可逆的，但是在持續高溫作用下很快轉變為不可逆的凝聚狀態。高溫脅迫下，由于線粒體氧化磷酸化解偶聯喪失提供化學能量的功能，使蛋白質合成受阻而相繼出現熱害。

1．3 高溫脅迫對細胞膜和相關酶的影響

植物在高溫逆境下的傷害與脂質透性的增加是高溫傷害的本質之一。高溫首先使構成生物膜的蛋白質和脂類之間的功能鍵斷裂，導致膜蛋白變性、分解和凝聚、脂類脫離膜而形成一些液化的小囊泡，從而破壞膜的結構，導致膜喪失選擇透性與主動吸收的特性，膜秀性增大，細胞內部的原生質外滲，細胞膜的熱穩定性可通過相對電導率反映。細胞質膜的相對透性用電導率的相對比值表示，相對電導率可以作為黃瓜耐熱性篩選的1個指標。黃瓜子葉相對電導率，耐熱品種在常溫和高溫下均低于不耐熱品種。隨著溫度的升高，黃瓜葉片的電導率呈上升趨勢，耐熱品種升幅較小，而不耐熱品種的相對電導率大幅度提。

高溫脅迫破壞了細胞內超氧自由基(O)、羥自由基(，OH)和丙二醛(MDA)等活性氧的產生與清除之間的平衡，引起膜脂過氧化，破壞膜結構。植物體內過氧化物酶(POD)、超氧物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)等細胞膜保護酶可減輕膜脂過氧化，增強植物的耐熱性。SOD是細胞膜的主要保護酶，耐熱品種在常溫或高溫下，SOD活性均高于不耐熱品種㈣。乙醇酸氧化酶是光呼吸的關鍵酶，耐熱品種具有較低的乙醇酸氧化酶活性，高溫使黃瓜葉片乙醇酸氧化酶活性增大，不耐熱品種乙醇酸氧化酶活性增幅較大而解除脅迫后回降較慢。

1．4 高溫脅迫對內源激素的影響

激素作為植物體內一種重要的信號物質，在植物的抗高溫脅迫機制及熱刺激傳導中起著重要的作用。高溫引起植物體內激素平衡失調，往往是促衰老型增加，抗衰老型減少。在高溫作用下，植物體內生長素、細胞分裂索的合成水平下降，而乙烯和脫落酸的合成增強。研究卻發現黃瓜幼苗在高溫下，各品系IAA含量均比對照有極顯著的增加，而且常溫恢復后，IAA含量與品系耐高溫能力相一致，其作用機理尚須我們做進一步研究。另有報道，水楊酸、茉莉酸類物質都能提高作物對高溫的忍耐性。

ABA對植物的抗逆性具有重要的意義。植物在溫度逆境脅迫下，內源ABA水平發生變化。Tal8nova觀察在番茄和黃瓜高溫馴化過程中葉片ABA水平上升，能顯著提高其耐熱性。馬德華圓對黃瓜研究發現，常溫下黃瓜幼苗的ABA含量低，各品種間差異不大，但經過高溫處理后，各品種ABA含量均顯著增加，表現為耐熱性強的比耐熱性弱的品種ABA含量高。因此認為，高溫脅迫后ABA的含量和品種的耐熱性呈正相關。但杜永臣等提出：高溫脅迫下植物ABA水平不一定總是提高，研究黃瓜在35℃以上根溫下。根系中ABA水平，發現1d以后下降為25℃時的1／2，這種低水平～直持續割第5天，在第10天測定高溫下生長的根系中ABA水平卻比25℃高出近10倍。Oda等報道，外施高濃度ABA可加重高溫對黃瓜葉片的傷害，這可能是逆境條件下植物通過對ABA敏感性增強而啟動由ABA引起的一系列生理反映，而不僅僅是ABA濃度。因此高溫脅迫與ABA的關系還須進一步研究。

1．5 高溫脅迫對花藥和花粉發育的影響

高溫下黃瓜花藥發育不良，花粉活力下降并最終導致授粉不良，是夏季非單性結實黃瓜產量和品質下降的重要原因。研究發現：花粉在35℃時仍能萌發，至40℃時萌發則顯著降低，45℃時備品系的花粉幾乎完全失去活力。高溫使花粉母細胞形成期、單核花粉期花藥中的腐胺、精胺、亞精胺和開花期花葑與花粉的脯氨酸含量下降；而耐熱的品種受影響較少或不受影響，高溫使不耐熱品種花粉管生長嚴重受抑制，外源腐胺(Put)和脯氨酸(Pro)對這種抑制有緩解作用。

2 高溫脅迫對黃瓜生長發育、產量和品質的影響

黃瓜屬喜溫蔬菜，生長適宜溫度為15～32℃，對高溫的耐受力最高為35～40℃，高于40℃則同化效率下降，同時產生高溫傷害。高溫傷害對黃瓜外部形態和主要經濟性狀有明顯的影響。

2．1 高溫脅迫對黃瓜胚根生長的影響

種子萌發前期(1～2 d)，高溫對胚根的生長影響不大，還可使種子萌發的速度有所加快；高溫持續(處理超過3 d后)胚根的生長受到明顯抑制。在以后的生長過程中，高溫使黃瓜主根變長、變細，一級側根數、二級側根數增多，根系趨于須根化，而耐熱品種的須根化程度較低閉。孟煥文等研究發現，黃瓜胚根伸長和側根發生在38℃條件下最快，42℃下受抑制，45℃下完全抑制。

2．2 高溫脅迫對黃瓜葉片的影響

黃瓜幼苗的生育適溫為白天25℃左右，夜間15℃ 。苗期遇到高溫，幼苗徒長，子葉小、下垂，40℃以上高溫引起萎蔫，50℃超高溫幾小時枯死。馬德華報道：42℃，38℃(日／夜)處理黃瓜幼苗2 d后，發現27.7％的黃瓜幼苗死亡，未死的植株葉邊緣干枯，受害明顯。黃瓜盛成株期受熱害，除葉片出現褪綠斑點癥狀外，最重要的是造成生殖障礙。

2．3 高溫脅迫對黃瓜生殖生長、產量和品質的影響

高溫對黃瓜生殖生長有明顯的影響。高溫可促進植株提前開花，杉山報道：對5片真葉、將要開花的幼苗，在連續5d或10 d遇上每天45℃高溫3 h的情況下，雄花落蕾，不能開花，開花數量顯著減少。35℃時不耐熱品系的坐果率急劇下降，而耐熱品系在45℃時坐果率才略有下降。

高溫不僅影響黃瓜結實率的高低，而且影響雌花單性結實的強弱。高溫使黃瓜花器官的機能下降，特別是高夜溫時，由于呼吸速率加大，劇烈消耗碳水化合物導致花蕾發育不良，子房發育差而成為小雌花，往往在蕾期及開花后黃化凋萎，單性結實性減弱，坐果不良，產量下降。高溫和強光照有密切關系，高溫強光照使子房中植物生長素含量低，單性結實性減弱。高溫對黃瓜生殖生長有明顯的影響，35℃時不耐熱品系的坐果率急劇下降，而耐熱晶系在45℃時坐果率才略有下降。

高溫對黃瓜品質的影響，據研究：氣溫超過30℃，就會使果柄伸長，果實縱徑縮短，果色變淡，果肩干腐，形成尖嘴瓜、彎曲瓜、蜂腰瓜等畸形瓜，果皮變硬，維生素c含量下降，大大降低于黃瓜的商品性㈣，但對不同品種可溶性固形物含量影響不一。苗期高溫對黃瓜產量的影響大于結果期，播種后10～50d，黃瓜遭遇高溫的苗齡越小，產量下降就越多。黃瓜品系耐熱方式存在多樣性。纓曼珉等對3個耐熱品系的研究表明，品系耐熱機制各不相同；Ep-6依靠較高的雌花率和較強的單性結果能力耐熱：Xe-1則依靠較多的總生長節位和較高的雌蕊和花粉活力耐熱；NY在雌花節率、總生長節位、坐果率等產量形成的諸因子中均有一定優勢。

3 黃瓜耐熱性的遺傳規律

對黃瓜耐熱性的研究表明，其耐熱性受基因的控制，不同品種在形態性狀、生理性狀、個體水平和細胞水平上都存在顯著的遺傳變異，存在耐熱的遺傳資源，但對其有關耐熱性遺傳規律研究并不多見。于拴倉等認為：黃瓜耐熱性表現出數量遺傳的特點，符合加性一顯性模型，以加性效應為主，顯性效應不顯著；廣義遺傳力和狹義遺傳力均較高。配合力分析表明：群體一般配合力方差與特殊配合力方差之比較高，群體廣義遺傳力和狹義遺傳力也較高，控制雜交組合耐熱性的主要是一般配合力。

黃瓜與其他作物一樣，野生種、不同生態型及不同品種間耐熱性的遺傳存在很高的多態性。近年來，在作物中利用栽培品種和野生種質資源進行耐熱性和HSPs表達的遺傳變化研究引起了人們高度重視，比較作物栽培種、野生種和不同生態型的遺傳多態性，對于找到耐熱性的新QTLs位點是十分有效的。但對于黃瓜耐熱多態性及其OTL缺少研究，有待進一步深入研究。

4 黃瓜耐熱性評價方法

確定黃瓜客觀的耐熱性快速鑒定方法和適宜的評價指標，評價不同品種的耐熱性高低，對耐熱性機制的研究和耐-熱性品種的選育有重要的意義。近年來對黃瓜耐熱性鑒定與評價所依據的指標可分為外部形態和經濟性狀指標、微觀結構指標、生理生化指標以及分子生物學指標4大類(表1)，耐熱性鑒定方法有田間直接鑒定、人工模擬直接鑒定和間接鑒定3種。目前這些方法彼此之間還不能互相代替，只能互相補充。

4．1 田間直接鑒定法

在自然高溫條件下，以較為直觀的性狀指標為依據來評價作物品種的耐熱性。這種方法比較客觀，但試驗結果易受地點和年份的影響，重復性較差。為獲得可靠的結果，須進行多年多點的重復鑒定，費工費時。

4．2 人工模直接鑒定法

在人工模擬的高溫脅迫條件下通過直觀性狀指標變化對耐熱性進行評價。這種方法能克服田間鑒定的缺點，逆境條件容易控制，但并非所有自然條件均能完全模擬，且受設備投資和能源消耗等因素的限制，難以對大批量材料進行鑒定。在模擬的高溫脅迫條件下，可依據外部形態及經濟性狀等變化進行耐熱性評價，也可按照熱害指數和熱感指數鑒定作物的耐熱性。

尹賢貴等御在人工模擬高溫條件下對生長20 d的番茄幼苗進行熱脅迫處理，將植株葉片受害狀況分為4級，并調查葉片熱害指數。結果表明，不同番茄品種問熱害指數呈顯著差異，熱害指數越低，品種耐熱性越強，并與田間自然鑒定結果相一致。因此，熱害指數可以作為重要的耐熱性鑒定指標之一。

4．3 間接鑒定法

耐熱性間接鑒定是根據形態解剖學、生理學、生物物理學、生物化學及分子生物學等學科的研究結果建立起來的。一般是依據作物耐熱性在生理和生化特性上的表現，選擇和耐熱性密切相關的生理或生化指標，對在自然或人工熱環境中生長的作物，借助儀器等實驗手段在實驗室或田間進行耐熱性鑒定。這類方法一般不受季節限制，而且快速準確，因此備受研究者的關注。其中外部形態或經濟性狀鑒定法較直觀，爭議較少，目前普遍承認的鑒定指標是商品瓜產量及其變化率。另外，也有研究認為38℃下脅迫60－72h的胚根長度可作為黃瓜耐熱性鑒定指標。

生理生化指標鑒定法方面，電導率法已被普遍承認SOD單位酶活力和比活力、脯氨酸含量、可溶性蛋白質含量也被認為可作為黃瓜耐熱性鑒定指標：而葉綠素含量能否作為耐熱性鑒定指標則存在不同的觀點舊，根系TTC還原力被認為不能作為耐熱性鑒定指標。

5 提高黃瓜耐熱性的方法

目前，提高黃瓜耐熱性的主要技術措施有：(1)采用冷涼灌溉降溫，用井水或低溫河水澆灌。(2)合理整枝，防止果實受目灼。(3)使用遮陽網或地面覆蓋稻草等。(4)化學處理，提高黃瓜的耐熱能力，如葉面噴施脫落酸(ABA)、Ca²⁺、多效唑(PP333)，6-芐基腺嘌呤(6-BA)，抽蔓期、結果期噴施脯氨酸。(5)進行逆境鍛煉提高黃瓜耐熱能力。然而，提高黃瓜耐熱性的根本出路還在于培育優良的耐熱品種。

6 黃瓜耐熱性研究存在的問題與研究方向

近年來，由于人們對黃瓜熱害和耐熱性研究意義的理解與重視，在高溫熱害對黃瓜外部形態和主要經濟性狀的影響、黃瓜耐熱生理、耐熱性遺傳規律和耐熱性鑒定方法等方面進行了較為深入的研究，取得了可喜成績；同時成功育出了夏青、夏盛、津研2號、津研7號、津雜2號等耐熱黃瓜品種。

然而，由于對黃瓜耐熱種質資源收集、利用有限，在耐熱性與熱害分子機理方面開展的研究較少，如黃瓜耐熱性的分子標記、QTL定位與耐熱相關基因分離等都缺乏研究，使得黃瓜耐熱種質資源難以充分利用，耐熱育種手段落后于小麥、水稻等作物。應進一步重視以下工作：(1)加強對黃瓜耐熱的外部形態和生理的基礎研究。探索一套簡單、快捷、準確的鑒定耐熱性方法。(2)深入開展耐熱性遺傳規律的研究，了解耐熱資源耐熱性的遺傳特點，以便充分利用已有的耐熱資源。(3)積極開展黃瓜耐熱性分子生物學方面的研究，分離篩選熱激響應基因，并對其結構與功能進行研究，從DNA、RNA基因水平和蛋白質水平上闡明黃瓜熱害或耐熱性形成的機理，為發掘黃瓜耐熱優異基因資源，推動黃瓜設施專用優良品種的選育提供理論基礎。(4)廣泛搜集、引進黃瓜耐熱材料，應用分子標記等現代分子生物學技術。通過多渠道、多途徑選育耐熱品種。(5)應用黃瓜耐熱生理生化研究新成果，深化耐熱栽培技術研究，解決生產上的熱害問題。