植物受高溫脅迫機理及對玉米生長影響的研究進展

衛曉軼，洪德峰，馬俊峰，馬 毅，王稼苜，魏 鋒

(河南省新鄉市農業科學院，河南 新鄉 453002)

隨著全球工業化的不斷加快，煤炭、石油以及各種燃料使用產生的氣體和溫室效應的加劇，全球氣候變暖的程度越來越明顯[1-4]。全球氣候的改變主要表現在平均氣溫的升高和大氣層CO2濃度的增加，這些對植物的生長和產量產生了很大影響[5]。有推測表明，到21世紀中期，極端年日最高氣溫將會增長1～3 ℃[6]。隨著氣候的改變，高溫已成為影響主要糧食作物生長發育的重要因素[4,7]。在植物生長季節，極端高溫災害下平均氣溫每增加1 ℃，其產量估計將損失6%～7%[8]。植物已經進化出了應對復雜多變的環境溫度氣候條件以及對生長發育至關重要的相互聯系的信號途徑[9-10]。了解植物對高溫脅迫反應的分子機制對提高作物對高溫的耐受性具有重要意義。

1 熱害脅迫的機理研究

1.1 熱害脅迫對植物的影響

研究認為，開花期高溫脅迫會導致花粉成熟及花藥開裂、花粉管的伸長受阻、花粉萌發受到影響，造成不育，導致結實率降低[4,11]。Prasad等[12]認為，高溫脅迫下代謝過程會受到嚴重影響，花粉活力及萌發能力明顯下降。水稻在抽穗揚花期對高溫極為敏感，高溫脅迫極易導致花粉敗育和子房受精受阻，空粒率提高，結實率下降，從而造成嚴重減產[13-17]。小麥在灌漿初期，在高溫脅迫條件下，胚乳細胞數量減少，從而使粒重減少。在灌漿后期，高溫脅迫條件下，通過限制籽粒同化物供應或直接影響籽粒中淀粉的合成，從而使淀粉的合成受到損害，進而影響產量[18]。

1.2 植物響應熱害脅迫的分子機理

高溫容易引起蛋白質變性，導致內質網(ER)中錯誤折疊的蛋白質積累，從而引發植物未折疊蛋白反應(UPR)。Liu等[19]研究發現，膜結合轉錄因子OsNTL3是水稻苗期耐高溫脅迫所必需，OsNTL3的功能缺失突變體對高溫脅迫敏感，而無跨膜結構域的截短形式的OsNTL3的誘導表達提高了水稻幼苗的耐熱性。Li 等[20]報道，褪黑素(MT)可能會增強玉米苗期的耐熱性，主要通過調節抗氧化防御，MG解毒和滲透調節系統。Shi等[21]和Xu等[22]研究認為，外源褪黑素可能引起熱激因子和熱激蛋白的表達，從而增強擬南芥和番茄苗期的耐熱性。由L-DES產生的內源H2S至少部分參與了熱害脅迫下，煙草懸浮細胞培養物中Ca2+和CaM的誘導表達[23]。小熱休克蛋白(sHSPs)是迄今為止最復雜的一組熱休克蛋白，由于其異常的豐富性和多樣性，它們的功能是在熱害脅迫下，保護植物中幾乎所有的細胞區隔[24]。Yang等[25]研究認為，高等植物在熱害脅迫下，葉綠體LeHSP 100/ClpB參與表達。乙烯介導的信號轉導參與了氧化損傷的減少和葉綠素含量的維持，并且使熱脅迫下水稻幼苗耐熱性增強。此外，研究發現，熱休克因子和乙烯信號相關基因參與了水稻幼苗耐熱性的復雜網絡調控[26]。謝曉金等[27]、陳仁天等[28]研究表明，在高溫脅迫條件下，水稻花藥中的脯氨酸(Pro)、游離氨基酸、可溶性蛋白質和還原型谷胱甘肽(GSH)含量均顯著降低，且隨氣溫升高和高溫脅迫時間延長，其花粉活力和萌發率、結實率和產量均有不同程度下降。張桂蓮等[29]研究認為，高溫脅迫下，水稻花藥保持較高的抗氧化酶活性、較好的花粉散落特性和花粉萌發特性及較低的膜透性和丙二醛(MDA)含量，是品種耐高溫的生理基礎。

表1 玉米生長各生育期最適宜生長溫度 單位：℃

1.3 熱害脅迫對植物的損傷類型

熱害(高于最佳生長溫度5℃以上)通常導致植物至少四種以上類型的損傷。

1) 活性氧(ROS)引起的氧化應激，從而導致蛋白質變性，膜脂質過氧化反應、核酸(DNA和RNA)損害。

2) 甲基乙二醛(MG)引發的二羰基應激，甲基乙二醛(MG)能迅速與生物大分子(蛋白、脂肪、核酸)發生反應。

3) 由于水分缺失引起的干旱造成細胞內失水，導致滲透脅迫。

4) 生物膜完整性缺失[30-32]。因此，熱害是一種主要的非生物脅迫因素，影響細胞的新陳代謝，植株的生長發育全過程。植物本身已經進化出相應的有效機制來應對初級和次級脅迫，這些機制涵蓋抗氧化防御機制、MG解毒系統、滲透調節系統和應激蛋白等。抗氧化防御機制包括抗氧化酶(愈創木酚過氧化物酶，GPX；谷胱甘肽還原酶，GR；過氧化氫酶，CAT；超氧化物歧化酶，SOD；抗壞血酸過氧化物酶，ATX)和抗氧化物(抗壞血酸，AsA；谷胱甘肽，GSH)[30-35]。MG解毒系統包括乙二醛酶Ⅰ，GlyⅠ；乙二醛酶Ⅱ，GlyⅡ[36-38]。滲透調節系統包括脯氨酸，Pro；甜菜堿，GB；海藻糖，Tre；可溶性總糖，TSS[34,35,39-41]。應激蛋白包括熱激蛋白，HSPs；胚胎發育晚期豐富蛋白質，LEA[31,33-35]。

1.4 玉米對熱害脅迫響應機理的研究

玉米不僅是重要的糧食作物，也用于飼料、燃料、工業等。近年來，玉米的基因組測序已經完成，許多重要基因的生理學功能已得到注釋，玉米已成為一個新的模式作物。在玉米苗期，植株對高溫脅迫十分敏感，從而也影響著玉米的產量和品質[42]。Li等[43]報道，丙酮醛可能會增強玉米苗期的耐熱性，部分通過H2S調節。高溫條件下，在玉米的營養生長階段，K+和Ca2+的吸收顯著增加，N、S、Mg2+和Na+的吸收顯著降低[44]。在玉米苗期，高溫脅迫增加了植株中可溶性糖和蔗糖的含量[45]。在玉米的開花期，高溫脅迫會直接影響玉米花粉活力和花粉管的生長[46]。Ottaviano等[47]報道，細胞膜的穩定性作為一個生理學指標，已廣泛應用于評價植物的耐熱性。過氧化氫(H2O2)和一氧化氮(NO)在植物細胞中起信號分子的作用。近年來，硫化氫(H2S)也被發現具有類似的功能，但它們在植物受熱害條件下，相互作用機理仍不明確。Li等[48]研究表明，H2O2處理可以提高玉米幼苗的耐熱性，H2O2可能參與了NO與H2S之間的下游信號互作，從而提高了耐熱性。Li 等[49]認為，在熱激信號轉導途徑中，植物熱激轉錄因子起重要的調節作用。在玉米受熱害脅迫下，ZmHsf12可能參與了信號響應表達。

2 高溫熱害對玉米生長的影響

表1為河南省玉米各生育時期最適宜生長溫度[50]，及玉米生育期內2019年河南省平均氣溫，并以豫北一個玉米試驗點河南省輝縣市為例，列舉了2016—2019年以來，玉米生育期內輝縣市平均氣溫，與河南夏玉米最適宜生長溫度進行比較。可以看出，從出苗期至灌漿期，2019年河南省、2016—2019年輝縣市平均氣溫多數高于玉米最適宜生長溫度，尤其從7月中下旬至8月中下旬，2019年河南省及2016—2019年輝縣市平均氣溫高于玉米最適宜生長溫度0.4～5.6 ℃。

圖1為2016年—2019年輝縣市6月—9月平均氣溫。從圖1可以看出，從2016—2019年，河南省輝縣市每年7月中下旬到8月下旬的平均氣溫均高于玉米最適宜生長上限溫度。此時河南省夏玉米正經歷穗分化期、開花期和灌漿期，因此應重點關注高溫脅迫對這個階段的玉米造成的影響。

圖1 2016年—2019年輝縣市6月-9月平均氣溫

玉米在不同階段受高溫脅迫會使玉米減產程度不同[51]，玉米在開花期對高溫較為敏感，在高溫脅迫下，淀粉合成受到抑制，導致授粉率降低[4]。而且，玉米開花后籽粒的生長發育受高溫脅迫的影響也較大[52]，高溫脅迫會導致籽粒發育不正常，造成減產[53]。趙龍飛等[17]研究表明，開花后受高溫脅迫對玉米葉片光合速率和抗氧化能力及產量等產生的影響大于開花前受高溫脅迫。在玉米穗分化時期、散粉吐絲期，高溫脅迫會影響花粉花絲的形態結構，比如穗分化時期高溫脅迫會造成雄穗分枝減少、一個穗位節有多個果穗共生的現象[54]。在散粉吐絲期高溫脅迫會有兩種表現形式：一是花粉發育不正常或者敗育，導致花粉數量減少、生活力減弱，受精能力減弱或喪失；二是花粉粒分裂異常，形成畸形花粉粒。導致花粉數量和活力降低，從而影響受精結實[55]。研究表明，高溫影響玉米雌穗發育，造成雌穗吐絲困難，延緩雌穗吐絲或吐絲不協調，從而使授粉受到影響。高溫還容易導致雌穗吐絲后花絲失水，花絲表面無粘液，生活力喪失，影響花絲壽命，使花粉在柱頭上萌發受阻，影響玉米授粉過程，且氣溫越高，花絲壽命越短[4,56-59]。Yang等[60]研究認為，當溫度高于38 ℃時，會降低玉米花粉的萌發能力和花粉管的伸長能力，導致結實率平均降低21%。花后前期高溫脅迫下，不同灌漿時期玉米籽粒的淀粉合成相關酶活性降低，從而使淀粉含量降低，且籽粒中的 3-吲哚乙酸(IAA)和玉米素核苷(ZR)含量均顯著下降[59,61-62]。Engelen-Eigles等[63]研究表明，授粉后6 d，35 ℃高溫處理玉米胚乳細胞有絲分裂周期4 d，會抑制有絲分裂細胞進入核內復制周期。

3 采取措施

熱害脅迫使植物的生長、光合作用、礦質營養和產量性狀均受到一定的影響。熱脅迫引起植物不同部位的超微結構改變和氧化應激。植物可以通過保持膜的穩定性、調節抗氧化劑和可溶性物質以及清除活性氧來承受一定程度的熱害脅迫。植物耐熱性可通過選擇耐熱性品種、基因工程、以及滲透液、微生物、礦質營養、土壤改良劑的外源施用和適當的農業措施來提高[64]。