蔬菜作物耐熱性遺傳研究進展

王敏　江彪　何曉明　劉文睿　彭慶務　梁肇均　林毓娥

摘要 綜述了高溫對蔬菜作物的影響、耐熱性的鑒定方法、耐熱性分子遺傳、耐熱性相關基因方面的研究，分析了目前研究中存在的問題，并對今后蔬菜作物的高溫脅迫研究方向進行了展望。

關鍵詞 蔬菜作物；耐熱性；分子遺傳

中圖分類號 S63 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）13-0023-04

Inheritance Research Progress of Vegetables Heat Resistance

WANG Min，JIANG Biao，HE Xiaoming et al

（Vegatable Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Guangdong Vegetable New Technology Research， Guangzhou， Guangdong 510640）

Abstract Influences of heat on vegetable，determination of heat resistance，heatresistant molecular genetics，heatresistant genes were reviewed .In addition，problems existing in current studies were discussed， and related future research orientation was prospected.

Key words Vegetables；Heat resistance；Molecular inheritance

全球變暖引起的氣溫升高對植株的生長和發育，尤其對農作物的產量和品質造成了不良影響[1-2]。因植物固有的生活方式，其必須適應因晝夜交替、氣候變化和四季更替而產生的較大溫差[3]。在長期進化過程中，植株本身會產生一系列生理生化變化以適應溫度的改變。但持續高溫會對植株產生不良影響，阻礙了植株的生長，因此對植物耐熱性的遺傳研究，對于作物的種質資源改良、耐熱性的良種繁育和提高產量具有重要作用。

蔬菜作物往往會遇到高溫天氣，嚴重影響了果實的品質和產量[4]，已成為目前限制蔬菜特別是瓜類蔬菜生產的關鍵因子之一。探究高溫熱害與蔬菜作物耐熱性的分子遺傳機理，對其耐熱性輔助育種具有指導意義。筆者介紹了高溫脅迫對蔬菜作物的生長發育影響和耐熱性的鑒定方法，并重點闡述了耐熱性的分子遺傳研究，提出了目前研究中存在的問題，并對該領域今后的研究方向進行了展望。

1 高溫脅迫下生理生化變化

高溫脅迫會造成胚根伸長受到抑制[5-6]，葉片萎蔫干枯，花粉活力下降[7]。對黃瓜而言，其品質受到影響，畸形瓜率增加，果皮變硬，果實變苦，以及維生素含量下降[4，8]。高溫逆境下植株的生理和細胞變化主要可以分為以下三大類。

1.1 高溫脅迫下光合作用、呼吸作用和蒸騰作用的變化

當蔬菜作物遇到高溫時，其葉綠體結構受到損傷，光合色素降解，光合作用下降，影響植株的生長[9]。因高溫使光系統II的電子傳遞被抑制，產生大量的活性自由基，損害植株的光合系統[10]。研究表明，黃瓜苗期遇到高溫時，其凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）等指標均顯著下降[11]。大蔥的PSⅡ受體側電子傳遞體耐熱性與植株的耐熱性呈正相關關系[12]。一般耐熱的蔬菜作物，其呼吸作用在高溫脅迫時表現先上升后下降的趨勢，而熱敏品種則一直表現為下降趨勢，如黃瓜[13]。高溫脅迫下，蔬菜作物的蒸騰速率大于吸收速率，組織內的含水量減少但其束縛水含量相對增加， 束縛水含量增加有助于增強蔬菜對高溫的抗性[14]。研究表明，蘿卜在高溫脅迫下的死株數與自由水/束縛水極顯著正相關[15]。耐熱大白菜品種的相對含水量較高[16]。

1.2 高溫脅迫下相關生理生化指標的變化

高溫脅迫下，蔬菜作物的蛋白質含量、抗氧化系統、酶活性、內源激素含量以及其他指標均會受到影響。植物在遇到高溫熱害時，熱激蛋白會短時間內合成，從而增強植株的耐熱性，維持細胞正常的生命活力[17-18]。研究表明，番茄花粉對高溫的抵抗能力下降，主要是因其缺乏熱激蛋白[19]。植株在高溫時，為抵抗高溫，相關的抗氧化酶系統如過氧化物酶（POD） 、過氧化氫酶（CAT） 、超氧化物歧化酶（SOD）等以及可溶性糖和脯氨酸等滲透調節物質在活性氧的清除、維護細胞膜的穩定性方面起重要作用[20-22]。高溫脅迫下，裸仁南瓜幼苗中的POD活性提高，CAT活性下降，脯氨酸含量增加[23]。研究表明，36 ℃高溫脅迫下，蘿卜耐熱品種幼苗的過氧化物酶活性表現為上升趨勢[24]。高溫脅迫下的西瓜根系活力、光合速率、丙二醛含量顯著升高，抗氧化酶活性顯著升高[25]，且西瓜幼苗的生長受到抑制，相對電導率顯著上升[26]。黃瓜遇到高溫脅迫時，其脯氨酸含量增加，細胞膜的穩定性下降，電導率升高[6-7，27]。高溫脅迫下，甜瓜耐熱品種的可溶性蛋白含量顯著增加，而熱敏品種則下降[28]。

植物激素如脫落酸（ABA）、水楊酸（SA）、乙烯（ETH）和細胞分裂素（CTK）等在植株耐熱性方面起重要作用。高溫時，辣椒葉片內的ABA含量上升[29]，活性氧增加[30]。ABA在植株抵抗高溫脅迫時發揮了一定作用[19，31]。研究表明，內源ABA含量的增加，可以提高葡萄和黃瓜的耐熱性[32-33]。SA含量在黃瓜遇到高溫時發生上調[34]。外源施加SA可以提高芥末幼苗的耐熱性，同時植株體內的過氧化氫含量增加[35]。耐熱玉米中的細胞分裂素（CTK）含量高于熱敏材料[36]。菜豆在高溫脅迫下，乙烯的釋放量顯著上升[37]。蘿卜在高溫脅迫時，體內的可溶性糖和脯氨酸含量均表現出逐漸上升趨勢[38]。耐熱甜瓜在高溫下會表現出葉片電導率增加、葉綠素含量及花粉活力下降的缺陷表型[39]。熱脅迫下辣椒花器官中的乙烯合成升高[40]。

1.3 高溫脅迫下細胞結構的變化

植株在高溫下生長，不僅其生理生化指標發生變化，也會影響植株的細胞結構。研究表明，甘藍葉片表面蠟粉晶粒的結構和數量可能會影響其耐熱能力[41]。耐熱甘藍的葉肉細胞結構、亞細胞結構能保持正常狀態和完整性，而熱敏品種微觀細胞出現紊亂[42-43]。耐熱蘿卜品種的葉表皮氣孔密度大，體積小，葉片厚，葉肉細胞排列緊密[44]。

2 耐熱性的鑒定方法

耐熱性的鑒定方法包括直接鑒定法和間接鑒定法，其中直接鑒定法是在自然高溫條件下，通過觀察植株的表型特征來評價作物品種的耐熱性，表型特征一般包括植株的長勢、抗逆性等。有學者通過田間觀察蘿卜的葉片外部形態來評價植株的耐熱性[44]。大白菜葉片皺縮反卷程度可以作為鑒定植株耐熱性的指標[45]。南瓜的高溫坐果率和產量可以作為觀賞南瓜耐熱性鑒定指標[46]。

間接鑒定法一般是通過生理指標的測定和植株細胞結構的觀察來鑒定植株的耐熱能力。其中生理指標包括電導率和SOD酶活性等。研究表明，植株的細胞結構觀察，一般是對葉綠體的結構、氣孔的數目和結構進行觀察，分析耐熱和熱敏品種之間的細胞學結構變化[47]。細胞膜的熱穩定性即高溫脅迫下細胞的電導率直接反映植物的耐熱程度[6，48]。西瓜在開花期時，40 ℃時花粉萌發率可以作為耐熱鑒定指標[26]。節瓜的葉片萎蔫指數、苗期相對電導率、發芽率以及胚根生長速度以及45 ℃處理存活率可以綜合評價節瓜的耐熱性[49]。利用電導法測定幼苗葉片細胞質膜熱穩定性，可以基本反映番茄植株的耐熱性[50]。

3 耐熱性分子遺傳研究

3.1 耐熱性遺傳規律

蔬菜作物的耐熱性受環境影響較大，遺傳規律較為復雜。研究表明，番茄的耐熱性符合加性-顯性遺傳模型，以加性效應為主，也有顯性效應[51]。甘藍、大白菜和茄子的耐熱性遺傳均為不完全顯性，受2對以上基因控制，以加性效應為主[52-54]。黃瓜耐熱性屬于多基因控制的數量性狀，由主效基因控制，以加性效應為主，顯性效應較小[53，55]。還有研究發現黃瓜耐熱性的顯性方差與環境方差的差異達極顯著水平，說明耐熱性的遺傳效應可以通過雜交優勢育種加以利用[55]。

3.2 耐熱性分子標記

研究者利用大白菜重組近交系群體，共檢測到9個與耐熱性緊密連鎖的分子標記，且其分布于大白菜的5個連鎖群上[56]。對番茄種質進行分析，篩選到與耐熱性相關SSR標記和RAPD標記各1個，準確率達90%以上[57]。通過構建大白菜AFLP和RAPD圖譜，研究者獲得了5個與耐熱性QTLs緊密連鎖的側連分子標記，它們與QTL間的距離為0.1～2.4 cM[58]。在黃瓜耐熱性分子標記研究方面，以631-1（耐熱）和602（熱敏）構建的F2群體，獲得3個QTL位點，貢獻率分別為6.18%、10.36%和1056%[59]。研究者以耐高溫自交系863-7和不耐高溫自交系863-6構建F2群體，獲得了與黃瓜耐高溫性狀連鎖的1個SSR標記和9個SRAP標記，表型貢獻率為6%～17%[60]。另有研究檢測出1個位于黃瓜第5號染色體上的耐熱性QTL，介于標記SSR02459和SSR20434，該位點能夠解釋110%的表型變異率[61]。

4 耐熱性相關基因研究

4.1 擬南芥和水稻耐熱相關基因

高溫脅迫下，植株會做出熱激反應，積累熱激蛋白（HSPs）是由熱激蛋白轉錄因子（HSFs）所調控。研究表明，熱激蛋白的保護作用、未飽和的膜脂質以及活性氧的清除對于植株抵抗高溫具有重要作用[62-68]。如擬南芥HSFA1a和HSFA1b在調節初期的熱激反應上非常重要，但它們的功能是冗余的[69]。HSFA2是最易受熱激誘導的轉錄因子[70]。研究表明，番茄內質網小熱激分子蛋白LeHSP21.3和擬南芥AtHSP22.0在高溫下的表達量顯著升高，從而對高溫產生一定的抵御作用[71-72]。煙草中過表達甜椒細胞質小分子熱激蛋白基因CaHSP26可以顯著提高轉基因植株的耐熱能力[73]。葉綠體小分子熱激蛋白（CPsHSP）在植物遇到熱脅迫時，對光合作用機構有保護作用[74]，可以減輕光系統Ⅱ（PSⅡ）的光抑制[75]。同種植物的不同基因型中，耐熱性的強弱與該基因的表達水平有關[76]。另外，鈣調蛋白（CaM）也參與熱激信號的轉導，擬南芥AtCaM3突變體對熱害的耐受性下降，過表達該基因則能增強該基因的耐熱性[77]。水稻E3泛素連接酶基因OsHTAS能夠通過過氧化氫誘導的氣孔關閉來提高植株的耐熱能力[78]。核仁DEAD-Box RNA解旋酶TOGR1能夠作前體rRNA分子伴侶來調節水稻的耐熱生長[79]。

4.2 蔬菜作物耐熱相關基因

熱激蛋白（HSPs）在蔬菜作物抵抗高溫耐熱性方面具有重要作用。線粒體和葉綠體中的sHsps在植株耐熱性方面發揮重要作用，其可以保護光合系統Ⅱ蛋白質復合物不受損傷，保證細胞正常的電子傳遞、ATP 合成，使得植物在高溫脅迫下保持正常生長[80]。研究表明，番茄線粒體HSP22蛋白的積累可以提高其細胞的抗氧化脅迫能力和適應性[81]。LeHsp110 ClpB 在番茄葉片中呈熱誘導型表達，該蛋白定位于葉綠體基質，表達量降低時，植株對溫度更加敏感[82]。研究者將辣椒的小熱激蛋白基因CaHSP24進行分子克隆和逆境表達分析，發現該基因在非生物脅迫下的表達量明顯上升，說明該基因參與了植株的逆境響應[83]。另外，將辣椒的CaHSP26基因在擬南芥中異位過表達，可以增強轉基因植株耐熱能力[84]。葉用萵苣熱激蛋白基因LsHsp70-2711在耐熱品種中表達量高于熱敏品種，定位于細胞質中[85]。蠶豆小熱激蛋白（sHSP）和熱激蛋白70（Hsp70）在熱脅迫下均呈上調表達[86]。不結球白菜的熱激蛋白基因能在熱脅迫下被顯著誘導[87]。

此外，有研究者從番茄葉片中分離到葉綠體ω-3脂肪酸去飽和酶基因（LeFAD7），該基因表達受低溫、水分、鹽脅迫誘導，但受高溫脅迫抑制；抑制該基因表達可提高番茄植株的耐熱性[88]。當植物葉綠體和細胞質的膽堿氧化酶基因codA在番茄體內過表達時，甜菜堿含量升高的同時，轉基因番茄的耐熱性也提高[89]。菠菜BADH基因在煙草中異位表達時，轉基因煙草中的甜菜堿含量升高，且其耐熱性也增強[90]（表1）。

5 存在問題與展望

目前，耐熱品種的選育已成為提高蔬菜作物產量的重要途徑之一，但國內外大多仍采用傳統的育種方法進行耐熱品種的選育，費時費力，且很難實現品質、產量與耐熱的高度聚合。在蔬菜耐熱性的分子研究方面，雖然有些作物已經初步檢測到與耐熱性相關的QTL位點，但尚未分離出優質的耐熱基因，且蔬菜作物在耐熱分子機理方面的研究仍為空白。

在今后蔬菜作物耐熱性遺傳研究方面，應著力開展以下研究：①蔬菜作物耐熱資源的篩選。在收集資源的基礎上，采用苗期電導率方法進行耐熱資源的初步篩選，結合其他耐熱指標，獲得優良的耐熱資源；②構建優良的遺傳群體，對控制蔬菜作物耐熱性的基因進行遺傳分析；③在遺傳分析的基礎上，獲得與耐熱性緊密連鎖的分子標記，為耐熱性分子輔助育種提供參考；④挖掘蔬菜作物耐熱的相關基因，探索耐熱性的分子機制，最終為提高蔬菜作物的耐熱性奠定基礎。

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