黃瓜耐熱性研究進展

吳攀建 袁波 陳清華 黃艷芳 黃堅勇

摘 要： 綜述了高溫脅迫下黃瓜體內蛋白質的變性和凝聚、SOD等膜保護酶、游離脯氨酸的變化，激素的抗高溫脅迫機制及在熱刺激傳導中的作用，黃瓜幼苗葉片葉綠素含量下降，光合能力降低，黃瓜主根變長、變細，根系趨于須根化，影響黃瓜結實率和雌花單性結實等的研究結果;討論了黃瓜耐熱性遺傳規律，關注了相關作物的耐熱性QTL定位及耐熱性相關基因分離的進展;總結出畸形瓜率、高溫下脅迫胚根長度、耐熱性預測方程等可作為黃瓜耐熱性鑒定指標而花粉耐熱性不能作為篩選指標;以及苗期生長勢、葉片熱害指數、細胞電解質滲透率、子葉相對電導率（RC）等可作為耐熱性鑒定的方法;提出了黃瓜耐熱性可供研究方向的建議。

關鍵詞： 黃瓜; 耐熱性; 篩選; 鑒定; 遺傳分析

Advances in heat tolerance of cucumber

WU Panjian1， YUAN Bo1， CHEN Qinghua1， HUANG Yanfang2， HUANG Jianyong2

（1. College of Horticulture，South China Agriculture University·Department of Biological Technology， Guangzhou， 510642，China; 2. Guangdong Oversea Chinese Agricultral Institution， Zhaoqin， 526238， China）

Abstract：We reviewed the influence of heat stress of cucumber in different aspects， such ad protein physiology，cell membrane permeabilities，SOD enzyme， Proline in leaves，reduction of Chlorlophyll and Phytosynthesis on seedling; and increase of the root length and reduction of root size， fruit number on normale line and the female line. QTL controlling heat tolerance and isolation of resistance related-genes to high temperatures in other related crops are concerned.The genetic of heat tolerance is also discussed.The Abnormal Fruit Rate，the Radicle-root Length and the Forecast Equation can be used to screen and identify heat tolerance but not relation with Index of heat tolerance in flower pollen;The Growth Rate of Seedling Stage，The Index of Heat Tolerance in leaves，Cell Electrolyte Penetration and Relative Conductivity（RC）also were usually practice to hot identification;The areas for future study on heat tolerance in cucumber are suggested in the review.

Key words： Cucumber; Heat tolerance; Screening; Appraising; Genetic analysis

黃瓜（Cucumis sativus L.）是葫蘆科的重要蔬菜作物，風味別致，兼有食用、美容、藥用等功效。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 ℃會導致傷害。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。為解決這一問題，通過篩選和鑒定不同時期的黃瓜生長狀況，進而選育出耐熱性優良的品種成為黃瓜育種的重中之重。因此，黃瓜耐熱性指標篩選和耐熱性鑒定研究備受關注。

近年，隨著耐熱性研究逐漸受到重視，針對耐熱性產生和運作的機理，無論是形態學、生理生化還是遺傳效應分析等多方面都有了不同程度的探索。除此之外，隨著分子研究的深入，黃瓜耐熱性QTL定位與分析也有一定涉足，而在甘藍等作物上通過SSH技術已經分離出耐熱性相關基因，對黃瓜耐熱性育種亦有積極意義。

1 高溫脅迫對黃瓜生長的影響

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，以維持基本代謝，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 高溫對黃瓜外部特征的影響

高溫脅迫使黃瓜主根變長、變細，一級側根數量、二級側根數量增多，根系趨于須根化，而耐熱品種的須根化程度較低。研究發現，黃瓜胚根伸長和側根發生在38 ℃ 條件下最快，42 ℃ 受抑制，45 ℃完全抑制[1]。

試驗證實，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[2]。還有報道發現： 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[3]。黃瓜成株期受熱害，除葉片出現褪綠斑點癥狀外，最重要的是造成生殖障礙。

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，而耐熱品系在45 ℃ 時坐果率才略有下降[3]。

1.2 高溫對黃瓜生理生化的影響

黃瓜營養生長的耐熱性是高溫下黃瓜產量形成的重要生理基礎，花粉耐熱性不能作為黃瓜耐熱材料的篩選指標[4]。高溫下黃瓜葉片厚度、葉片柵欄組織厚度、葉片溫度、氣孔導度、蒸騰速率和根系干質量與黃瓜營養生長耐熱性呈顯著線性相關，表明蒸騰降溫是黃瓜營養系統避免高溫傷害的重要機制。

同時，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[5]。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。

除此之外，分子生物學研究表明，黃瓜在熱脅迫條件下，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，引起植物體內蛋白質的變性和凝聚，從而出現熱害。SOD等膜保護酶在遭受高溫之后發生不同的變化。進一步試驗證明，高溫處理之后，黃瓜幼苗葉片中SOD活性急劇下降，說明高溫能降低SOD活性，加劇膜脂過氧化作用，使膜系統進一步受到傷害[6]。而高的SOD活性有可能提高黃瓜幼苗耐高溫的能力。在SOD活性下降后，CAT活性開始下降，分解H2O2的能力降低;而POD活性持續上升且增加幅度較大，說明CAT和POD對高溫的反應不同，同時POD活性升高可以彌補CAT活性下降造成對H2O2清除能力的降低。但是由于POD對供氫體要求非常廣泛，因此在高溫處理強度較大時，它也可能參加對黃瓜幼苗的傷害。

而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[5]。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，其作用機理尚須做進一步研究[7]。也有觀察發現，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[8]。

植物中游離脯氨酸含量一直是備受關注的抗逆性指標，其具有調節滲透及保護細胞膜結構穩定的作用。根據這一原理，有試驗發現SA、CaCl2單一與復配誘導處理均可提高黃瓜幼苗的耐熱性，誘導黃瓜耐熱性機理的建成[9]。也有研究證實，75 μmol·L-1的水楊酸可通過增強抗氧化酶活性，提高西葫蘆幼苗的耐熱性[10]。在豌豆中還發現，SAG也表現出了與自由態SA相似的信號功能，并參與了高溫鍛煉誘導植物耐熱性的信號傳遞過程[11]。

2 黃瓜耐熱性鑒定指標篩選

根據黃瓜客觀的耐熱性指標鑒定黃瓜耐熱性高低，對指導耐熱性育種研究和不同時期耐熱機理的探究有著重要意義。目前試驗中常用通過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等幾類指標對黃瓜耐熱性進行篩選，耐熱性鑒定方法主要有田間直接鑒定、電導率測定、人工模擬氣候鑒定、葉綠素測定法和根系TTC還原力測定法等方法。其中，直接鑒定由于直觀性強，已被大多數學者接受。但基于產量等經濟性狀和產量也并非完全認可。其中，在節瓜的研究中已經證實畸瓜率即商品產量較總產量能更為真實反映材料的耐熱性[12]。這一現象還有待在黃瓜上進行驗證。

另外，也有研究認為38 ℃下脅迫60～72 h的胚根長度可作為黃瓜耐熱性鑒定指標[7，13]。在番茄耐熱性鑒定中，還采用了熒光參數，并比較了不同鑒定方法反映材料耐熱性高低的準確度[14]。目前，在黃瓜耐熱性研究中還未見相關文獻。

也有研究[2]指出，通過DPS軟件對鑒定指標與田間直接鑒定結果對比進行篩選，比較不同類型指標對耐熱性貢獻率大小，篩選出綜合性鑒定指標、去子葉鮮質量和種子活力指數等參數，建立耐熱性預測方程。可以有效評估黃瓜材料耐熱性，使耐熱性育種選擇簡單化。

2.1 田間直接鑒定法

田間鑒定是最為直觀的耐熱性鑒定方法，不同耐熱性的材料受高溫脅迫其經濟性狀表現能客觀反映其耐熱性高低，在黃瓜、甘藍、水稻等多種作物上應用廣泛[15-17]。但這一方法可能因產地、時間等因素影響鑒定結果。鑒定指標以高溫半致死時間結合熱害后的恢復力為佳。主要參數為苗期生長勢、葉片熱害指數、越夏死株率和品質產量等。但亦有研究指出：在蘿卜耐熱性田間鑒定中，葉片熱害指數在相同品種不同植株間存在很大差異，而認為葉片發黃萎蔫程度較之更為直觀[18]。

2.2 電導率測定

高溫處理后細胞電解質滲透率直接反映細胞受熱害程度、細胞膜的熱穩定性。黃瓜幼苗的根系、葉片及在37 ℃條件下萌發的子葉和胚根經高溫處理后測定的電解質滲透率有基本一致的趨勢，與各品種夏季高溫期的生長勢、商品瓜產量大致相對應。說明此法鑒定黃瓜耐熱性強度有一定的可靠性，表明細胞膜的熱穩定性基本可代表品種的耐熱性[19]。

黃瓜子葉相對電導率（RC），耐熱品種在常溫和高溫下均低于不耐熱品種，RC 可以作為黃瓜耐熱性篩選的指標[20]。隨著溫度的升高，黃瓜葉片的相對電導率呈上升趨勢，耐熱品種升幅較小，而不耐熱品種 RC大幅度提高。相關試驗也印證了上述觀點：苗期葉片細胞質膜熱穩定性與黃瓜耐熱性表現一致，并且耐熱黃瓜品種和熱敏黃瓜品種之間差異極顯著，可以作為黃瓜耐熱性的主要鑒定指標[21]。

2.3 人工模擬氣候鑒定

研究表明，人工模擬高溫氣候條件的黃瓜幼苗受熱害程度與夏季田間自然狀態下的鑒定結果大致對應，證明人工模擬氣候鑒定能一定程度上反映黃瓜耐熱性[22]。

也有試驗證實，在35 ℃條件下，黃瓜芽苗受熱害不明顯，且短期高溫對黃瓜發芽有促進作用;42 ℃高溫對黃瓜芽苗影響大，大部分形態指標的相對值小于對照;38 ℃高溫對芽苗的影響介于35～42 ℃，更適合于黃瓜芽苗期耐熱性鑒定。38 ℃條件下發芽的活力指數、芽苗全鮮質量、去子葉鮮質量、根鮮質量和下胚軸長度，均可作為黃瓜芽苗期耐熱性鑒定指標[2]。

2.4 葉綠素測定法

葉綠素含量能否作為黃瓜耐熱性鑒定指標則有不同觀點。有研究認為，經高溫處理后的黃瓜幼苗葉綠素含量降低，光合速率下降，并且光合作用機構可能遭到破壞。同時，觀察發現耐高溫能力不同的自交系變化不同，說明其受到的傷害不同[23]。同時，也有試驗指出：葉綠素含量減少率品種間沒有明顯差異，耐熱性弱的品種其葉綠素減少率并不一定大，其趨勢與夏季自然鑒定結果沒有相對應的關系，說明高溫處理后葉綠素含量的減少率不能反映黃瓜品種的耐熱性[22]。

2.5 根系TTC還原力測定法

過去許多研究都認為，高溫對植物整體的影響主要是通過破壞植物根系的正常功能而實現。Dinar等[24]對番茄的研究發現，高溫抑制根系運輸功能。孟煥文等[1]則認為高溫抑制黃瓜側根發生。但黃瓜的最新一些研究成果認為，根系活力無法反映黃瓜耐熱性。

試驗證實，黃瓜耐熱性高低與田間自然鑒定結果沒有對應的關系[25]。因此，我們認為根系酶體系的熱穩定性并不是根系耐熱性的主要決定因子。在一些其他文獻中也有相同觀點[26]。

3 黃瓜耐熱性遺傳分析進展

3.1 黃瓜耐熱性遺傳規律

關于耐熱性遺傳規律的研究報道很少。一些研究認為[27]，黃瓜耐熱性遺傳符合加性-顯性模型，加性效應達極顯著水平，而顯性效應不顯著;配合力方差分析也表明黃瓜耐熱性的一般配合力在雜種群體構成上占主導作用，進一步證實控制耐熱性遺傳的主要因素是決定一般配合力的加性效應。由此可見，采用常規的雜交育種方法，可望在黃瓜的耐熱性品種選育方面取得較好效果。

此外，黃瓜耐熱性的廣義遺傳力和狹義遺傳力均較高，分別為 42.109%和 55.308%[20]。且沒有上位效應，說明在試驗控制的環境下，群體的遺傳變異明顯高于環境變異，且控制黃瓜耐熱性遺傳變異的是容易固定的加性基因效應。因而，在以耐熱性為主要目標的重組合育種中，在嚴格控制環境的條件下，早期世代選擇就可以獲得較好的選擇效果。

3.2 黃瓜耐熱性分子標記的研究

近年來，分子標記已用于黃瓜的遺傳作圖。Kennar等[28]和Lee等[29]分別利用RFLP構建了連鎖群 RAPD標記的黃瓜分子連鎖圖譜。Serquen等[30]也利用重組近交系構建了分屬9個連鎖群的遺傳圖譜。在與耐熱性相關分子標記中，以下2種途徑可利于快速進行定位鑒定利用：一是利用近等基因系或Michelmore等[31]提出的分離群體分組分析法（Bulked Segregant Analysis，BSA），將F2代分離群體中耐熱型和熱敏型分成2組，將每組內的一定數量的植株的DNA混合，形成按表型區分的DNA池，用作模板進行RAPD分析;二是利用已有的連鎖圖進行標記。一旦發現耐熱性相關基因被定位在某一染色體上，就可以選擇分散在染色體不同位點的標記，逐漸逼近，找到該基因的分子標記[32]。

3.3 黃瓜耐熱性遺傳多樣性的研究

對玉米、大麥、小麥等作物的研究表明，利用分子標記可以確定親本之間的遺傳差異和親緣關系，從而確定親本間遺傳距離，并進而劃分雜交優勢群，提高雜種優勢潛力[33-35]。

黃瓜的遺傳背景非常狹窄，構建飽和的遺傳圖譜需要高通量、高多態的分子標記技術。國外類似研究開展較多[36]。其中Dijkhuizen等[37]利用RFLP標記評價2組黃瓜種質的遺傳多樣性，揭示了與形態（果形）及實際系譜關系相一致的品種間的親緣關系，認為RFLP可用于黃瓜分類鑒定和品種保護。

同時，也可利用不同SRAP引物組合在檢測親本間多態性上也存在很大差異的原理設計合適導向的耐熱型和熱敏型雜交F2代DNA提取物引物，在SRAP組合進行多態性篩選時易于檢測出耐熱型QTL。

3.4 與黃瓜耐高溫QTL連鎖的分子標記分析

傳統的耐熱育種由于受諸多因素的影響而效率低下，與黃瓜耐高溫QTL相關分子標記的獲得將大大提高育種效率。目前僅對少數作物進行了耐高溫相關的分子標記研究，如已有研究對玉米耐熱QTL及耐干旱QTL進行了定位[38]，亦有實驗檢測到與六倍體小麥耐高溫QTL連鎖的2個分子標記[39]，大白菜上也已經發現5個控制耐熱型QTL位點[40]。

基于黃瓜耐熱型QTL定位的研究也通過選擇極端表現型構建高低DNA池獲得相關耐熱性表型標記，證實分離群體分組分析和選擇性基因型分析相結合可以快速、有效與耐熱性基因連鎖定位[41]。

盡管如此，選擇在不同環境下穩定性不易發生變化的QTL仍然有待進一步的深入，這也將是獲得耐熱性穩定黃瓜材料的入手途徑之一。

3.5 利用SSH技術分離耐熱性相關基因

在結球甘藍研究中，利用抑制差減雜交（SSH）技術獲得了300個獨立克隆，經反向 Northern 雜交驗證，對 98個差異表達克隆進行了測序并利用 Blastn 和 Blastx 對測序結果進行相似性分析。并由此分離出了熱激蛋白、細胞防御、信號轉導、蛋白質修飾加工等與植物耐熱性相關的基因片段[42]。該方法已在玉米、小麥、棉花、油菜等作物上得到有效應用[43-46]。該方法可以有效富集差異表達基因從而可以提高研究差異表達基因的效率。鑒于黃瓜遺傳背景非常狹窄，更利于在短時間內對耐熱性QTL富集轉導，有效利用于耐熱性育種，但目前還未有文獻報道此類研究進展。

4 黃瓜耐熱性研究前沿展望

隨著近年生物分子技術的飛速進步和高通量分子標記技術的革新，對黃瓜的測序工作也已經完成，分析發現黃瓜與甜瓜和西瓜基因相似均達90%，這也為耐熱性育種提供了其他可選擇的途徑。

此外，通過富集耐熱性QTL并克隆轉導，開發廉價快捷的分子育種工具，都將推動基因組研究成果快速應用到優良新品種的培育和推廣上。

不少研究還發現外源水楊酸、茉莉酸、油菜素內酯、禾本科中1，3-1，4-β-葡聚糖等都對植物耐熱性存在影響，但其中機理還沒有相關文獻進行明確闡述[47-50]。其中，內源水楊酸與外源水楊酸是否存在類似乙烯形成機理的關系，有待進一步驗證。而作為細胞壁重要成分的結構物質也可能是影響黃瓜耐熱性的因素之一。

綜上所述，目前基于黃瓜耐熱性的分子層面研究還為數較少，其部分耐熱性生理生化機理在學術上也未得出一致結論。基于黃瓜遺傳多態性與其耐熱性QTL互作密切關系還需試驗闡明，黃瓜的遺傳規律和遺傳模型也有待完善，尤其是對數量基因定位及不同數量性狀基因的耐熱性貢獻大小應得到充分重視。同時，搜集和引進黃瓜耐熱性材料或親緣性較高的耐熱性材料再結合分子標記等現代生物技術，進行多渠道、多方位的研究也是耐熱性育種的未來工作方向。

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