夏玉米對高溫脅迫的生理響應及抗逆基因表達研究進展

賈笛邇 朱紫薇 孫功祥

摘要 ?高溫是玉米種植區(qū)域的非生物脅迫之一，高溫脅迫對玉米生理變化及基因表達產(chǎn)生不利影響，導致玉米產(chǎn)量和品質(zhì)降低。該文對高溫脅迫下夏玉米生理變化和基因表達進行了綜述：高溫誘導夏玉米電導率及脂膜過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量增加，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）等抗逆性酶活性提高;高溫脅迫還導致穗位葉凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、最大光化學效率、光量子產(chǎn)量、光化學猝滅系數(shù)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和核酮糖二磷酸羧化酶活性降低，CO2濃度和非光化學猝滅系數(shù)提高。同時，高溫脅迫誘導了夏玉米耐熱基因的表達量增加，提高了其耐熱性。夏玉米對高溫脅迫無論生理變化還是基因表達量增加，均存在基因型間的顯著差異。

關鍵詞夏玉米;高溫脅迫;抗逆性酶;光合作用;基因表達

中圖分類號：S513;S42文獻標識碼：A文章編號：2095-3305（2019）03-086-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.036

高溫熱害是造成作物逆境的非生物脅迫因素之一，是指氣溫過高對作物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量造成的傷害與損失。一般把高溫熱害標準定為連續(xù)3 d及以上日平均氣溫≥30℃、日最高氣溫≥35℃[1]。根據(jù)IPCC預測，21世紀大氣溫度將上升1.4～5.8℃，夏季極端高溫會在全球多區(qū)域頻繁出現(xiàn)，范圍廣，持續(xù)時間長[2-3]。

近年來，隨著全球氣候變暖，玉米種植區(qū)高溫熱害頻發(fā)，嚴重影響玉米產(chǎn)量與品質(zhì)[2-4]。高溫等非生物脅迫誘導植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧（ROS），活性氧的變化是植物響應高溫熱害脅迫的典型特征[4]。高溫誘導植物體內(nèi)活性氧積累，蛋白質(zhì)、DNA和脂類氧化損傷[5]，導致光合系統(tǒng)產(chǎn)生損傷，降低光合速率，致使作物減產(chǎn)[6]。由此可見，了解夏玉米對高溫熱害的生理及遺傳響應，對夏玉米種植區(qū)域應對高溫熱害的調(diào)控技術研究及預防措施具有積極意義。

1高溫熱害對夏玉米生理變化的影響

光合作用在30～35℃溫度范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定，光合作用對溫度的響應與核酮糖？鄄1，5？鄄二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）對O2和CO2的溫度依賴性有關[7]。高溫脅迫導致葉片的葉綠素含量（SPAD）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）均顯著降低，胞間CO2濃度（Ci）增加，PSII最大光化學效率下降[8];PSII光化學效率降低的原因是高溫增加類囊體膜的流動性和擾亂PSII吸收傳遞電子的代謝過程[9]。高溫脅迫顯著降低了玉米葉片的光合性能，對成熟葉片的影響高于幼嫩葉片，對先玉335的影響高于鄭單958[8]。花期前后高溫脅迫顯著影響浚單20和駐玉335的光合作用，導致穗位葉Pn、Gs、最大光化學效率、光量子產(chǎn)量、光化學猝滅系數(shù)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和核酮糖二磷酸羧化酶活性降低，提高CO2濃度和非光化學猝滅系數(shù)，但浚單20的葉綠素含量和光合能力高于駐玉335，產(chǎn)量、品質(zhì)受影響較小[6]。高溫脅迫導致線粒體呼吸鏈中的輔酶Q氧化還原酶極迅速分解，從而影響植物線粒體呼吸作用[9]。高溫脅迫下O2的溶解度降幅小于CO2的溶解度降幅，Rubisco的活性和活化作用降低，光合生產(chǎn)率降低[10]。NR在控制氮代謝上起關鍵作用，高溫脅迫下NR酶活性顯著降低，葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低[11-13]。谷氨酰胺合成酶（GS）活性高，在高等植物含氮有機物的合成中作為氮元素的供體，為蛋白質(zhì)合成提供足夠的氨基酸，并且在葉片中無機氮轉(zhuǎn)化為有機氮的效率高[14]。高溫對葉片的氮含量沒有顯著影響[15]，主要是通過降低可溶性蛋白和葉片氮含量的比值抑制葉片的光合能力，從而影響到RuBP酶蛋白含量及活性，并且降低了參與氮代謝的游離氨基酸含量[16]。

高溫誘導玉米活性氧（ROS）的變化，而超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化酶（APX）是活性氧清除系統(tǒng)的主要構(gòu)成成分，對防止膜脂過氧化、延緩植物衰老和減輕逆境造成的膜傷害有極為重要的作用[17]。在高溫下，玉米葉片的SOD、POD和CAT活性增強，脂膜過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量增加，膜脂過氧化程度加劇，膜系統(tǒng)受到一定程度的損傷[4，6，18]。高溫導致鄭單958玉米成熟葉片的SOD、POD和CAT活性在高溫脅迫初期均高于對照品種，但脅迫后期3種酶的增幅放緩，甚至低于對照品種，先玉335的CAT高于對照品種，但SOD和POD活性低于對照品種[19]。趙龍飛[6]等研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫使浚單20和駐玉335的MDA含量均升高，但浚單20的MDA含量低于駐玉335;花前花后高溫脅迫均導致浚單20葉片的SOD、POD、CAT活性顯著增加;而駐玉335僅花期高溫脅迫誘導其葉片的SOD、POD活性升高，CAT活性降低;花后高溫上述3種酶活性均降低。胡秀麗[4]的研究也發(fā)現(xiàn)，高溫導致鄭單958、隆玉602和浚單20這3個品種葉片的抗壞血酸氧化酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）增加量高于駐玉309，可見HSP70蛋白能夠提高高溫誘導的抗氧化防護酶活性[4]。由此可見，品種對高溫脅迫的生理響應存在差異，可通過篩選耐高溫品種，在夏玉米種植區(qū)域應對頻發(fā)高溫的危害。

2高溫熱害對夏玉米抗逆基因表達的影響

研究表明，玉米在高溫脅迫下的生理變化存在基因型的差異[4，6，8，19]。高溫導致鄭單958、隆玉602和浚單20這3個品種葉片的抗壞血酸氧化酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）和過氧化氫酶（CAT）基因表達增加量高于駐玉309，由此可見，小分子熱激蛋白（sHSPs）和抗氧化酶防護系統(tǒng)在耐逆性不同的玉米品種中表達具有顯著差異[20-21]。在高溫干旱復合脅迫下，sHSP17.2基因僅在鄭單958中表達，sHSP17.5和sHSP22基因在鄭單958中表達增加量最高，sHSP16.9、sHSP17.4和sHSP26基因在隆玉602表達增加量最高，5個基因表達在駐玉309中均最低[22]。耐熱性主要是由親本自交系決定的，玉米雄穗耐熱性具有明顯的基因型差異[24]。李川[25]等研究表明，2個不同品種的玉米自交系品種昌7？鄄2和鄭58對高溫脅迫響應存在明顯差異，昌7？鄄2花粉轉(zhuǎn)錄組中檢測到4 176個基因顯著表達，鄭58有5 487個基因顯著表達，熱激蛋白、熱激轉(zhuǎn)錄因子、生長素基因和磷脂酰基醇？鄄4，5？鄄二磷酸基因家族在響應玉米花期高溫脅迫中起到重要作用。高溫誘導ZmHSP17.7基因快速表達，在種子和植株生長過程中超表達ZmHSP17.7的轉(zhuǎn)基因擬南芥具有更強的耐高溫和干旱的能力[26]。sHSP26通過調(diào)控玉米光合作用相關蛋白，在一定程度上保護葉綠體，提高葉綠體的耐熱性[27]。在高溫脅迫下較高表達的上調(diào)表達基因ZM2G058057和下調(diào)表達基因ZM2G059964、ZM2G044670對甜玉米幼雌穗發(fā)育過程中耐高溫脅迫起到重要作用[23]。高溫脅迫導致粵甜13雌穗發(fā)育相關基因705個上調(diào)表達，244個下調(diào)表達，上調(diào)10倍以上基因108個，下調(diào)10倍以上基因40個，它們主要集中在細胞內(nèi)組分和膜上，主要具有氧化還原酶活性、催化活性、結(jié)合活性、水解酶活性等[28]。

3展望

高溫熱害作為玉米種植區(qū)域的非生物脅迫因子之一，目前對于高溫熱害的研究多集中于玉米生理變化和產(chǎn)量品質(zhì)，對夏玉米耐熱基因的發(fā)掘及應用有待進一步加強。夏玉米對高溫熱害的響應存在基因型間的差異，這為夏玉米種植區(qū)域耐熱品種選擇和遺傳育種提供了理論基礎。因此，未來夏玉米耐熱研究可著重創(chuàng)制耐熱玉米種質(zhì)資源，篩選耐熱早熟的品種，強調(diào)品種與播期相互配合，以及使用QTL標記輔助育種，克隆耐熱主效基因。

參考文獻

[1] 曹滌環(huán).高溫熱害對農(nóng)業(yè)的危害與預防[J].科學種養(yǎng)，2015（5）：5-6.

[2] BATTISTI DS， NAYLOR RL. Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat[J]. Science， 2009，323（5911）：240-244.

[3] JHA UC， BOHRA A， SINGH NP， et al. Heat stress in crop plants： its nature， impacts and integrated breeding strategies to improve heat tolerance[J]. Plant Breeding， 2014，133（6）：679-701.

[4] 胡秀麗，李艷輝，楊海榮，等. HSP70 可提高干旱高溫復合脅迫誘導的玉米葉片抗氧化防護能力[J].作物學報，2010，36（4）：636-644.

[5] VOLKOV RA， PANCHUK II， MULLINE？鄄AUX PM， et al. Heat stress？鄄induced H2O2 is required for effective expression of heat shock genes in Arabidopsis[J]. Plant Mole？鄄cular Biology， 2006，61（4-5）：733-746.

[6] 趙龍飛.玉米花期高溫響應的基因型差異及其生理機制研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2012.

[7] 趙龍飛，李潮海，劉天學，等.玉米花期高溫響應的基因型差異及其生理機制[J].作物學報，2012，38（5）：857-864.

[8] 于康珂.玉米穗發(fā)育對高溫脅迫的響應[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2016.

[9] DOWNS CA， HECKATHORN SA. The mitochondrial small heat？鄄shock protein protects NADH： Ubiquinone oxidoreduc？鄄tase of the electron transport chain during heat stress in plants[J]. Febs Letters， 1998，430（3）：246-250.

[10] PRASAD PVV， BOOTE K.J， ALLEN LH，et al. Species， ecotype and cultivar differences in spikelet fertility and harvest index of rice in response to high temper？鄄ature stress[J]. Field Crops Research， 2006，95（2-3）：398-411.

[11] AL？鄄KHATIB K， PAULSEN GM. Mode of high temperature injury to wheat during grain development[J]. Physiol Plant， 2010， 61（3）：363-368.

[12] ABROL YP. Nitrogen in higher plants[M]. 1990.

[13] BOOTE KJ， BENNETT JM， SINCLAIR TR， et al. High temperature responses of crop plants[J]. Physiology & Determination of Crop Yield， 1994（1）：234-242.

[14] 范雪梅， 姜東， 戴廷波，等. 花后干旱和漬水下氮素供應對小麥籽粒蛋白質(zhì)和淀粉積聚關鍵調(diào)控酶活性的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學， 2005，38（6）：1132-1141.

[15] XU ZZ， ZHOU GS. Combined effects of water stress and high temperature on photosynthesis， nitrogen metabolism and lipid peroxidation of a perennial grass leymus chinensis[J]. Planta， 2006，224（5），1080-1090.

[16] LAM HM， COSCHIGANO KT， OLIVEI？鄄RA IC， et al. The molecular？鄄genetics of nitrogen assimilation into amino acids in higher plants[J]. Annual Review of Plant Physiology & Plant Molecular Biology， 1996，47（4）：569-593.

[17] BLUM A， EBERCON A. Cell membrane stability as a measure of drought and heat tolerance in wheat[J]. Crop Science， 1981，21（1）：43-47.

[18] 張保仁. 高溫對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及調(diào)控研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2003.

[19] 孫寧寧.玉米葉、粒對高溫脅迫的響應[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2017.

[20] 楊海榮.ABA和H2O2在干旱高溫復合脅迫誘導的玉米sHSPs和抗氧化防護酶的作用[D].鄭州： 河南農(nóng)業(yè)大學，2011.

[21] 王瑛.ABA和H2O2在干旱高溫復合脅迫誘導的耐性不同的玉米品種sHSPs和抗氧化防護酶基因表達中的作用[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2012.

[22] 潘攀，楊彥芳，王瑛，等.干旱高溫復合脅迫下sHSPs基因在不同耐旱性玉米種的表達差異及其對ABAH2O2的響應[J].西北植物學報，2013，33（8）：1612-1620.

[23] 李余良，張麗華，趙楠，等.富含多糖甜玉米幼穗RNA提取及高溫脅迫基因表達分析[J].玉米科學，2013，21（4）：37-41.

[24] 陳朝輝，王安樂，董喜才.熱脅迫下對玉米自交系育性的鑒定[J]. 華北農(nóng)學報， 2006，21（2）：50-52.

[25] 李川，喬江方，朱衛(wèi)紅，等. 玉米自交系響應花粒期高溫脅迫差異表達基因的分析[J]. 華北農(nóng)學報， 2019，34（1）：1-11.

[26] 孫愛清，葛淑娟，董偉，等.玉米小分子熱激蛋白ZmHSP17.7基因的克隆與功能分析[J].作物學報，2015，41（3）：414-421.

[27] 李娜娜，楊彥芳，趙飛龍，等.高溫脅迫下受小熱休克蛋白26（sHSP26）影響的玉米葉綠體蛋白質(zhì)的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，2015，49（6）：729-736.

[28] 李余良，劉建華，鄭錦榮，等.高溫脅迫下甜玉米雌穗發(fā)育基因差異表達譜分析[J].作物學報，2013，39（2）：269-279.

責任編輯：李楊