高溫對棉花生殖生長及其生理生化過程的影響*

韓光明，藍家樣，陳全求，張成，張勝昔，李國榮

（湖北省農業科學院經濟作物研究所/農業部長江中游棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，湖北 武漢 4300640）

0 引言

作物在生長期內會受諸多非生物脅迫因子的影響，比如高溫、干旱、鹽堿和化學有毒物質等。隨著全球氣候變暖，高溫逆境已成為影響作物生產的主要因子之一。溫度通過化學反應直接影響植物的發育，或通過遺傳和環境的互作間接影響。棉花不僅是我國重要的經濟作物，同時也是我國重要的纖維作物，其作為喜溫作物，溫度是影響其生長和成熟的主要環境因素。棉花的生長發育周期長，因此棉花不同生長發育時期所處的外界環境溫度不同。棉花種子萌發、幼苗生長、根發育、發芽、開花、皮棉產量和酶功能的最適溫度為28℃±3℃，生長適宜溫度范圍在28℃～35℃[1-2]。鄧茳明，等[3]2010年研究表明，棉花在高于適宜生長上限溫度的高溫脅迫下，日最高溫度每升高1℃，皮棉產量將減少110 kg/hm2。每年由高溫造成全球的作物損失超500億美元。長江流域棉產區7～8月之間非預期的極端高溫時段頻繁發生，35℃以上的高溫持續10～15天，此時棉花正處于開花和結鈴盛期，極端高溫的天氣會嚴重影響棉花正常發育，導致生殖過程受阻，花藥不易開裂，花粉活性嚴重下降，甚至敗育，而且柱頭快速伸長，蕾、花、幼小棉鈴極易脫落，從而降低了成鈴率和皮棉產量，同時也使得棉花纖維質量有所下降[4-6]。高溫逆境已經成為影響棉花皮棉產量及其纖維品質的一個重要限制因素，因此，作者總結高溫逆境對棉花生理生化指標的影響及其耐高溫棉花種質資源的篩選方法和減緩高溫脅迫危害的方法，旨在為棉花耐高溫育種提供理論幫助。

1 高溫脅迫對棉花花粉萌發的影響

高溫會對棉花不同生殖階段產生影響，比如花粉粒的形成，花粉的萌發和受精，胚囊的活力下降，進而導致棉鈴脫落，棉花產量降低。棉花不同生育階段的生長適宜溫度不同，從播種到出苗的最適溫度為25℃～30℃，從出苗到現蕾、現蕾到開花、開花到吐絮的最適溫度均為30℃，上限溫度為35℃。棉花有性生殖過程的最適溫度為28℃～30℃，一般認為33℃以上的氣溫是有性生殖的高溫[7-11]。導致棉花受到明顯傷害的溫度為35℃及以上，35℃以上的高溫脅迫會使花粉粒的活性降低、花粉管停止伸長、畸形花粉粒增多，影響受精和開花結實[12-13]。Burke，等（2004）[14]研究發現，控制花粉萌發溫度在20℃～37℃時，花粉有較高的萌發率，但當溫度提高到40℃時，萌發率降低較快。31℃以下，花粉管長度沒有顯著變化，都可以維持在相對較長的水平，但是超過34℃，花粉管長度顯著下降，這說明高溫抑制了花粉的萌發和花粉管的伸長。Kakani，等（2005）[15]研究認為，棉花花粉管伸長的最適溫度為28.6℃，而花粉的萌發最適溫度為32.8℃，溫度高于或低于此溫度都將影響花粉管的伸長和花粉的萌發。鄭東官，等（1995）[16]采用花柱基部花粉管穿刺法觀察花粉育性，發現當溫度高于35℃時，花粉育性下降；而利用培養基發芽法時發現，處理溫度超過39℃時，花粉萌發率顯著下降。開花期間日平均氣溫≥30℃，蕾鈴脫落量增加，日平均氣溫≥32℃，造成蕾鈴嚴重脫落，因此，35℃及以上氣溫被認為是影響棉花生長發育的極端高溫[16-18]。

2 高溫脅迫對棉花細胞膜和滲透勢的影響

細胞膜不但能夠維持胞內代謝環境的穩定，而且是調節、選擇物質進出細胞的一道屏障。葉發林（2015）[19]研究表明，高溫使細胞內超氧自由基、羥自由基、丙二醛（MDA）的產生與消除間的平衡被打破，導致細胞內超氧自由基、羥自由基、丙二醛等物質的大量積累，進而引起細胞膜蛋白與細胞膜內脂的變化，使細胞膜透性改變，從而使得細胞滲透性增加和電解質的大量外流，相對電導率明顯增加。

滲透調節是植物忍耐和抵御高溫逆境的一項重要生理機制，研究最多的滲透調節物質主要有可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等。可溶性蛋白不僅具有滲透調節的作用，而且能夠在一定程度防止細胞質脫水[20]。植物體內可溶性蛋白質含量越高，則該品種的耐熱性越強，高溫條件下，耐熱性差的品種可溶性蛋白含量減少的幅度要高于耐熱性好的品種[21]。可溶性糖對植物細胞不僅有滲透調節作用，而且還具有保護細胞膜結構穩定的作用。為了適應不同逆境生存環境，植物會主動在體內積累一些可溶性糖，以此來降低滲透勢和冰點，從而適應外界生存環境的改變[22]。李敏，等（2007）[23]研究發現，正常情況下，植物體內脯氨酸含量較低，但是當植物處于高溫逆境環境時，游離脯氨酸含量就大大增加，這對植物體內的水分維持大有益處，從而避免植物受到傷害。此外，脯氨酸還可以抑制細胞膜透性的增大，使 MDA含量減少，同時抗氧化物質的含量的增加和抗氧化酶活性的提高與脯氨酸也大有關系，脯氨酸還可以減緩高溫脅迫對氮代謝的影響，從而緩解高溫脅迫對植物的傷害[24-27]。

3 高溫脅迫對棉花保護酶的影響

植物細胞在高溫逆境下利用多種方式產生活性氧造成氧化脅迫，但一定程度的高溫脅迫往往會促使產生較高水平的耐熱性，可是當高溫脅迫超出一定范圍后，活性氧生成速率加快，與此同時非酶性清除劑含量卻在不斷減少、活性氧酶性消除系統活性也在不斷降低，這樣就導致大量活性氧不能被有效清除，進而造成氧化傷害。植物主要通過酶促反應系統和非酶促反應系統來避免細胞遭受氧化損傷[28-29]。過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）等是酶促反應系統中的重要保護酶[3,27,30]。因此，可以通過測定高溫脅迫下抗氧化物質的活性強弱來判斷植物耐熱性強度。

4 高溫脅迫對棉花內源激素的影響

內源激素是植物自身合成的一類活性物質，對植物細胞分化、生長發育、抗逆和衰老起到調控作用，作為一種化學信號調控細胞間、器官間、環境與植物間的相互作用。棉花則是通過調節內源激素的濃度在高溫逆鏡脅迫下建立一種新的平衡機制，從而減緩高溫對棉花造成的嚴重傷害。在高溫脅迫下生長素（IAA）對植物的影響比較復雜，不同植物及相同植物的不同部位對IAA的反應存在差異。童昌華，等(1994)[31]研究高溫對蜜柑的影響，發現高溫處理2d后，葉片中IAA含量明顯升高，且高溫處理后2d達到高峰，隨后下降，但仍高于處理前；而高溫處理對幼果中IAA含量則顯著下降，且無法恢復正常濃度。可能高溫脅迫在短時間內IAA能夠促使植株的生長，而抑制生殖生長。脫落酸（ABA）能夠促進植物休眠、抑制生長、促進氣孔關閉、增加抗逆性[32]。大量實驗表明，逆境可以誘導ABA的積累，對提高植物的抗逆性起著重要的作用。抗蟲棉在遭遇高溫脅迫時通過積累ABA來增強其抗逆性。因此，研究轉基因棉花在高溫等逆境脅迫下ABA的動態變化及響應機制具有重要意義。赤霉素（GA）廣泛存在于植物中，具有打破休眠、促進營養生長、減少器官脫落、提高座果率等作用[33]。因GA能夠促進生長，因此大家認為在高溫逆境下，其含量常呈下降的趨勢，而ABA抑制植物生長，在高溫逆境下，其含量可能有上升的趨勢。然而有研究發現，GA和ABA含量的高低取決于植物對高溫脅迫的敏感性[34,35]。楊長琴，等(2003)[36]發現，隨高溫脅迫時間的延長，轉基因抗蟲棉的葉片中ABA和GA含量均呈先升后降的趨勢，說明高溫脅迫下植物葉片中ABA和GA的變化與植物本身的性質有密切關系。

5 高溫脅迫對棉花蛋白的影響

現在生物學界有一致的觀點，熱激反應現象在真核生物細胞和原核生物細胞中都存在，是一種普遍的生理現象，熱激蛋白的合成與生物耐熱性的獲得有密切關系，它們呈正相關。熱激蛋白為細胞抗高溫脅迫提供一種保護機制，高溫脅迫下植物產生熱激蛋白保護機體蛋白質免受破壞或修復已經損傷的蛋白，對植物體起到保護作用。熱激蛋白主要分五大類：HSP100家族，HSP90家族，HSP70家族，分子伴侶GroEL和HSP60，小分子熱激蛋白質（sHSP）家族[37]。HSP100分子伴侶家族是三磷酸腺苷酶家族成員之一，能夠協調蛋白質復合體重聚；HSP90的主要功能是維持蛋白質的折疊，同時在信號傳導、細胞循環的控制、蛋白質的解鏈和運輸中也有關鍵作用；HSP70是重要的蛋白質折疊因子，也是細胞內重要的分子伴侶，它能夠保護蛋白質聚合體，在正常和逆境條件下幫助蛋白質的正確折疊[36]。HSP60在新蛋白質的合成和新蛋白質的轉移過程中起著重要的作用。除了熱激蛋白在高溫條件下變化外，還有很多相關蛋白也與植物的熱激反應相關。泛素、胚胎發育后期富含蛋白（LEA）和脫水素在逆境防御的過程中也起到重要作用，LEA蛋白在干旱或者高溫條件下能保護檸檬酸合酶[38,39]。宋桂成（2014）[40]研究表明，陸地棉sHSP2和HSP90基因可以提高植株葉綠素和熱激蛋白含量，降低丙二醛的產生，提高植株耐熱性。葛曉陽（2012）[41]研究表明，從陸地棉中分離出的小分子量熱激蛋白基因sHSP7和sHSP8在高溫脅迫下對植物有保護作用。

6 高溫脅迫對棉花光合特性的影響

高溫嚴重抵制植物的光合作用和呼吸作用，高溫脅迫會大幅度降低植物葉片的凈光合速率[42]。然而，耐高溫特性較強的植物即使遭遇高溫逆境脅迫時仍然能維持比較正常的生理狀態，比如維持較高的氣孔導度、光合速率和呼吸強度，以滿足植物正常生長、發育以及生存的需要[43]。研究表明，高溫脅迫會降解葉片中葉綠素的含量，降低CO2在細胞溶液中的溶解度，同時還會降低1，5-二磷酸核酮糖羧化酶對CO2的親和力以及光合系統中起著關鍵作用元件的熱穩定性，這些都會影響到植物的光合作用速率。除此之外，高溫脅迫可能導致放氧復合體的解體，從而使得 PSII的電子鏈和放氧復合體失衡[37,44,45]。鄧茳明(2010)[46]研究發現，高溫脅迫前后功能葉各項光合指標除細胞間隙CO2濃度外均受不同程度影響，其中凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、氣孔限制值有不同程度降低，水分利用效率有較大幅度升高，但耐高溫型棉花品種的凈光合速率和氣孔導度卻未受影響，說明這兩個指標可以用于評價棉花耐熱性。

7 緩解棉花高溫脅迫危害的對策

伴隨著工業化進程的加速，地球平均氣溫升高，極端高溫頻繁出現，這對棉花生長發育是非常不利的。然而，我們改變不了自然環境，只有從提高棉花品種的耐高溫性上進行探索，來尋求出路。從育種的角度上，一是通過生理生化和產量構成等指標的測定及分子標記輔助選擇的方法選育出一批耐高溫的棉花材料；二是通過分子生物學手段克隆耐高溫基因，并轉化到綜合性狀優良的非耐高溫棉花材料中去，從轉基因后代中篩選耐高溫材料；三是錯期播種，在棉花盛花期躲避高溫天氣的危害。從栽培的角度上，一是灌水降溫，在高溫季節適時灌水，可以改善棉田小氣候，地溫下降1℃～3℃，從而降低高溫的危害；二是噴水降溫，當溫度高于33℃時，給棉田進行噴水3～4次，既降溫增濕又防日灼，宜在早晨進行；三是中耕松土，在高溫季節松土，既能消滅雜草，減少病蟲，又能疏松表土，消除板結，切斷土壤毛管，防止水分蒸發。

[1]John J Burke，Donald F Wanjura.Plant responses to temperature extremes[J].Physiology of cotton, 2010(12)：123-128.

[2]Remzi E，Sema B，Emine K，et al.The effects of high temperature stress on some agronomic characters in cotton[J].Pak.J.Bot.2017, 49(2)：503-508.

[3]鄧茳明，熊格生，袁小玲, 等.棉花不同耐高溫品系的SOD、POD、CAT活性和MDA含量差異及其對盛花期高溫脅迫的響應[J].棉花學報，2010，22(3)：242-247.

[4]王苗苗.高溫逆境對陸地棉雄蕊性生殖系統的影響[D].南京：南京農業大學，2009.

[5]Pettigrew W T.The effect of higher temperatures on cotton lint yield production andfiber quality[J].Crop Science.2008，48：278-285.

[6]Reddy V R, Reddy K R, Hodges H F.temperature effects on growth and development of cotton during the fruiting period[J].Agronomy Journal.1991，83：211-217.

[7]宋桂成, 王苗苗, 曾斌, 等.高溫對棉花生殖過程的影響[J].核農學報，2016，30(2)：0404-0411.

[8]宋桂成, 王苗苗, 陳全戰, 等.陸地棉花器官耐高溫性的評價指株研究[J].棉花學報.2015, 27(6): 495-505.

[9]蔡義東，袁小玲，鄧茳明，等.基于花粉萌發與結鈴性表現選育耐高溫高產雜交棉[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2010，36(2)：119-122.

[10]夏廣亮, 張權, 馬志紅.高溫脅迫對植物花器官發育和生殖過程的影響[J].現代農業科學 , 2012，48(6)：284-285.

[11]Liu Z，Yuan Y L，Liu S Q，et al.Screening for high temperature tolerant cotton cultivars by Testing in vitro Pollen germination,Pollen tube growth and boll retention[J].J Integ Plant Bio，2006，48(6)：706-714.

[12]王苗苗，唐燦明.高溫脅迫后的棉花花粉活力測定方法[J].江蘇農業科學， 2010，26（2）：236-239.

[13]于艷杰, 吳李君, 吳躍進, 等.陸地棉花粉粒萌發和花粉管生長特性[J].自然科學進展 , 2007，17(9)：1299-1303.

[14]Burke J, Jeff V, Melvin J O.In vitro analysis of cotton pollen germination[J].Agron J，2004, 96：359-368.

[15]Kakani V G，Reddy K R，Koti S，et al.Differences in vitro pollen germination and pollen tub growth of cotton cultivars in response to high temperature[J].Ann Bot，2005，96：59-67.

[16]鄭冬官, 方其英，蔡永立.高溫對棉花花粉生活力的影響[J].棉花學報，1995，7(1)：31-32.

[17]Song G C, Chen Q Z, Tang C M.The effects of high-temperature stress on the germination of pollen grains of upland cotton during square development[J].Euphytica，2014，200(2)：175-186.

[18]Song G C, Wang M M, Zeng B, et al.Anther response to high-temperature stress during development and pollen thermo tolerance heterosis as revealed by pollen tube growth and in vitro pollen vigor analysis in upland cotton[J].Planta，2015，241 (5)：1271-1285.

[19]葉發林.棉花耐熱種質資源的篩選與鑒定[D].合肥: 安徽農業大學, 2015.

[20]Akhtar N G，Abbas K，Hussain N，et al.Impact of heat induced sterility on some genotypes of upland cotton under field conditions[J].Int.J.Agric.Appl.Sci，2013, 5：2-4.

[21]Cottee N S, Tan D K Y, Bange M P,et al.Multi-level determination of heat tolerance in cotton(Gossypium hirsutum L.) under field conditions[J].Crop Sci，2010，50：2553-2564.

[22]Farooq J, Khalid M, Muhammad W A,et al.High temperature stress in cotton Gossypium hirsutum L[J].ELBA Bioflux，2015，7(1)：34-44.

[23]李敏, 馬均, 王賀正, 等.水稻開花期高溫肋迫條件下生理生化特性的變化及其與品種耐熱性的關系[J].雜交水稻，2007，22(6)：62-66.

[24]Timothy A and Michael A.Challenges and perspectives on improving heat and drought stress resilience in cotton[J].The Journal of Cotton Science，2014, 18：393-409.

[25]Ding Y H, Ma Y, Liu N, et al.microRNAs involved in auxin signalling modulate male sterility under high-temperature stressin cotton(Gossypium hirsutum) [J].The Plant Journal，2017，91：977-994.

[26]袁小玲, 熊格生, 鄧茳明, 等.三個不同耐高溫棉花基因型主莖葉的生理生化特征[J].棉花學報， 2009，21(6)：492-496.

[27]楊威, 朱建強, 吳啟俠, 等.花鈴期短期漬水和高溫對棉花葉片光合特性、膜脂過氧化代謝及產量的影響[J].棉花學報，2016，28(5)：504-512.

[28]Almese L M，Deshmukh P S，Sairam R K,et al.Protective role of antioxidant enzymes under high temperature stress[J].Plant Science，2006，171：382-388.

[29]劉萍, 郭文善, 浦漢春, 等.灌漿期高溫對小麥劍葉抗氧化酶及膜脂過氧化的影響[J].中國農業科學，2005，38(12)：2403-2407.

[30]方麗平, 汪瑞清，楊國正.熱激處理對棉花耐逆性的影響[J].棉花學報，2009，21(1)：46-50.

[31]童昌華, 李三玉.溫州蜜柑異常高溫骨灰盒內源IAA和ABA含量的變化[J].園藝學進展, 1994：389-391.

[32]李文丹, 雒珺瑜, 張帥, 等.高溫脅迫對棉花內源激素的影響[J].中國棉花，2016，43(6)：14-16.

[33]李靜，崔繼哲，弭曉菊．生長素與植物逆境脅迫關系的研究進展[J]．生物技術通報，2012(6)：13-17.

[34]Tang R S，Zheng J C，Jin Z Q, et al.Possible correlation between high temperatureinduced floret sterility and endogenous levels of IAA, Gas and ABA in rice (Oryza sativa L.) [J].Plant Growth Regulation，2008, 54(1)：37-43.

[35]楊立飛, 張玉華，繆旻珉, 等.高溫脅迫對黃瓜授粉后雌花中Ca2+分布、ABA及蛋白質合成的影響[J].西北植物學報，2006，26(2)：234-240.

[36]楊長琴.轉Bt基因棉殺蟲蛋白表達和氮代謝特性及其受高溫影響的研究[D].揚州：揚州大學, 2003.

[37]劉少卿.不同棉花種質資源耐熱性鑒定及熱激效應分析[D].北京: 中國農業科學院，2011.

[38]陳德華, 楊長琴, 陳源, 等.高溫脅迫對Bt棉葉片殺蟲蛋白表達量和氮代謝影響的研究[J].棉花學報，2003，15(5)：288-292.

[39]李雪梅, 李玥瑩, 馬蓮菊，等.逆境脅迫下水稻蛋白質組學研究進展[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2009(3)：115-162.

[40]宋桂成.陸地棉雄蕊耐熱性及耐熱相關基因克隆與功能研究[D].南京：南京農業大學，2014.

[41]葛曉陽.陸地棉熱激蛋白基因sHSP7和sHSP8克隆及功能分析[D].南京：南京農業大學，2012.

[42]Singh R P，Prasad P V，Sunita V K，et al.Influence of high temperature and breeding for heat tolerance in cotton: a review[J].Advance in Agronomy，2007，93：315-385.

[43]賀彭毅.不同耐高溫棉花葉片光合作用特性研究[D].長沙：湖南農業大學，2011.

[44]Zhang G L, Chen L Y, Zhang S T, et al.Effects of high temperature on physiological and biochemical characteristics in flag leaf of rice during heading and flowering period[J].Scientia Agriculture Sinica.2007, 40(7)：1345-1352.

[45]Bibi A D, Oosterhuis D M and Gonias E.D.Photosynthesis, quantum yield of photosystem II and membrane leakage as affected by high temperatures in cotton genotypes[J].J Cotton Sci，2008，12：150-159..

[46]鄧茳明.棉花對高溫逆境耐性的生理生化基礎研究[D].長沙：湖南農業大學，2010.