馬鈴薯耐熱性研究進(jìn)展

王 旭，石 瑛，唐鑫華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是茄科草本植物，世界上重要的糧食產(chǎn)物之一，性喜溫涼，不耐高溫。隨著溫室效應(yīng)不斷加劇，全球氣候變暖帶來的農(nóng)業(yè)災(zāi)害不斷增加[1]。高溫脅迫是限制馬鈴薯栽培的主要非生物脅迫之一，對馬鈴薯生長發(fā)育以及產(chǎn)量建成都有較大影響[2,3]。因此，馬鈴薯耐熱性研究是未來需要面臨的一大重要課題。

在此背景下，本文綜述了馬鈴薯在高溫脅迫下生長發(fā)育和生理代謝的變化，馬鈴薯耐熱性評價(jià)指標(biāo)和馬鈴薯耐熱機(jī)制，以期在全球氣候變暖與極端天氣頻發(fā)的大背景下減少高溫對馬鈴薯的損害、進(jìn)一步保證馬鈴薯主糧化發(fā)展。

1 高溫對馬鈴薯的影響

1.1 高溫對馬鈴薯生長發(fā)育的影響

馬鈴薯喜溫涼，高溫對馬鈴薯的主要生育時(shí)期都有影響。Zhang 等[4]研究發(fā)現(xiàn)提高環(huán)境溫度即導(dǎo)致熱激發(fā)芽，高溫脅迫明顯地縮短了馬鈴薯塊莖休眠時(shí)間，并揭示了這可能是由于赤霉素的富集引起的。Murigi 等[5]研究也證明了高溫下馬鈴薯塊莖發(fā)芽的抑制作用明顯低于低溫狀態(tài)。戴鳴凱等[6]發(fā)現(xiàn)在35 和39℃時(shí)，馬鈴薯在苗期生長緩慢且葉片短小卷曲。在塊莖形成期高溫脅迫會(huì)抑制馬鈴薯的正常生長發(fā)育，并且使馬鈴薯塊莖中總淀粉含量、支鏈淀粉以及直鏈淀粉含量下降[7]。班文慧等[8]提出施氮量150 kg/hm2可以緩解塊莖形成期高溫脅迫下馬鈴薯總淀粉含量、支鏈淀粉以及直鏈淀粉含量的下降幅度。Chen 和Setter[9]也發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)抑制馬鈴薯塊莖生長期和膨大期的干物質(zhì)積累速率。有學(xué)者認(rèn)為適量的高溫可以降低塊莖數(shù)而增加單個(gè)塊莖的重量[10]，但近來研究都認(rèn)為高溫脅迫在降低塊莖數(shù)的同時(shí)也降低單個(gè)塊莖的重量[8,11,12]，并導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降[7,8,12]。

1.2 高溫對馬鈴薯生理代謝的影響

1.2.1 高溫對馬鈴薯光合作用的影響

研究認(rèn)為植物光合作用是高溫脅迫下最先受到影響的生理進(jìn)程之一[13]。高溫對光合作用的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是通過影響氣孔來限制CO2濃度間接影響光合作用；二是直接降低植物葉肉細(xì)胞的光合活性。路濤[14]通過對同為茄科的番茄研究發(fā)現(xiàn)，短期的輕度高溫脅迫會(huì)增加番茄氣孔開放程度與氣孔密度，但在長期的高溫脅迫下，番茄會(huì)對高溫產(chǎn)生適應(yīng)機(jī)制，氣孔開放程度與氣孔密度將會(huì)降低。馮朋博等[15]通過對馬鈴薯塊莖形成期進(jìn)行高溫脅迫并研究其葉綠素?zé)晒鈪?shù)，表明高溫降低了馬鈴薯葉片F(xiàn)v/Fo以及Fv/Fm，即降低了PSⅡ中心活性和PSⅡ最大光化學(xué)效率。王星強(qiáng)[16]通過對馬鈴薯花后高溫脅迫也得到相同熒光參數(shù)變化。研究表明，除了對PSⅡ有影響外，高溫也會(huì)降低PSⅠ的活性，導(dǎo)致電子供體P700 降低[17]。研究發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯葉綠素總含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量以及類胡蘿卜素含量顯著下降[7,16]。

1.2.2 高溫對馬鈴薯抗氧化能力的影響

植物在逆境脅迫下會(huì)因?yàn)榛钚匝醮x失調(diào)，積累大量的活性氧（Reactive oxygen species， ROS），會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞正常生理功能。在植物體內(nèi)有活性氧清除系統(tǒng)，其中一類是超氧化歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase， CAT）等酶類清除系統(tǒng)[18]。丙二醛（Malonic dialdehyde，MDA）含量也是衡量植物過氧化程度的一個(gè)重要指標(biāo)，MDA 含量越高說明植物受到脅迫的傷害越嚴(yán)重[19]。脯氨酸（Proline，Pro）被認(rèn)為具有分子伴侶，清除活性氧，調(diào)控細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的作用，其含量也是逆害脅迫的重要指標(biāo)[20]。研究表明，高溫會(huì)大幅度增加馬鈴薯葉片MDA 含量，說明高溫會(huì)引起馬鈴薯發(fā)生膜脂過氧化作用；且在高溫脅迫下，Pro 含量也會(huì)大量積累，用于增強(qiáng)對高溫脅迫的抵抗能力[6,7,15]。但在不同研究中，高溫脅迫下SOD 活性、POD 活性和CAT 活性變化卻并不完全一致。慕宇[7]和馮朋博等[15]研究表明這3 種酶活性在較長生育期內(nèi)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，揭示高溫會(huì)引起這3種酶活性的升高，但對馬鈴薯長時(shí)間溫度脅迫嚴(yán)重影響馬鈴薯的生理代謝，影響這3 種酶活性。但在戴鳴凱等[6]的短期研究中SOD 活性變化與慕宇[7]、馮朋博等[15]研究相同，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；POD 活性在35℃時(shí)，7 d內(nèi)呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，在39℃時(shí)，7 d內(nèi)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；CAT 活性在35 和39℃7 d 內(nèi)都呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，且39℃時(shí)活性上升和下降趨勢更加顯著。

1.3 高溫對馬鈴薯病害發(fā)生的影響

馬鈴薯常見病害分為真菌性病害，細(xì)菌性病害，病毒性病害。張晶晶[21]研究發(fā)現(xiàn)高溫高濕有利于馬鈴薯晚疫病的蔓延，高溫干旱會(huì)加重馬鈴薯瘡痂病的病害，高溫高濕對馬鈴薯青枯病發(fā)展有利。高溫也有利于蚜蟲的繁殖。蚜蟲作為馬鈴薯病毒病的重要傳播介體，可以傳播馬鈴薯Y 病毒（Potato virus Y，PVY）、馬鈴薯A 病毒（Potato virus A，PVA）、馬鈴薯M 病毒（Potato virus M，PVM）和馬鈴薯卷葉病毒（Potato leafroll virus，PLRV）等[22]。

2 馬鈴薯耐熱性評價(jià)

2.1 馬鈴薯耐熱性評價(jià)方法

2.1.1 田間鑒定法

田間直接鑒定法在實(shí)際試驗(yàn)中較為少見，其過于依賴當(dāng)年氣候溫度和當(dāng)?shù)氐乩砦恢?，且無法進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。常見在作物品種比較和區(qū)域試驗(yàn)中，用于確認(rèn)某一品種的抗熱性。

田間間接鑒定法在田間試驗(yàn)中較為常見，即在田間建設(shè)溫棚等建筑提高田間溫度進(jìn)行高溫脅迫。班文慧等[8]通過田間搭建高溫棚構(gòu)建高溫環(huán)境用于研究施氮量對于馬鈴薯高溫脅迫后的影響。馮朋博等[15]通過田間建設(shè)遮陰網(wǎng)降低溫度，建設(shè)溫棚提高溫度。

2.1.2 人工模擬鑒定法

人工模擬鑒定法在試驗(yàn)中較為常見，其具體為通過人工調(diào)節(jié)溫度模擬高溫脅迫，用于栽培盆栽植株或試管苗，易于控制和恒定試驗(yàn)的脅迫溫度，試驗(yàn)時(shí)間較短，但無法完全模擬大田環(huán)境且試驗(yàn)規(guī)模較易受限。郭新宇等[23]通過人工氣候箱對不同馬鈴薯品種苗期的耐熱性進(jìn)行鑒定與評價(jià)。楊芳等[24]通過培養(yǎng)箱處理馬鈴薯組培苗來模擬高溫環(huán)境。Singh 等[25]通過對不同耐熱性的馬鈴薯試管薯研究來評估種質(zhì)資源。

2.2 馬鈴薯耐熱性評價(jià)指標(biāo)

高溫脅迫對馬鈴薯的影響從表型指標(biāo)到生理生化指標(biāo)都有體現(xiàn)，但從單一指標(biāo)并無法準(zhǔn)確評價(jià)一個(gè)品種的耐熱性，需要綜合指標(biāo)來進(jìn)行評價(jià)。

2.2.1 產(chǎn)量品質(zhì)指標(biāo)

產(chǎn)量指標(biāo)主要體現(xiàn)在單株產(chǎn)量、單株結(jié)薯數(shù)、單位面積產(chǎn)量、單位面積商品薯產(chǎn)量等，淀粉含量、干物質(zhì)含量、蛋白質(zhì)含量、維生素C含量等是馬鈴薯重要的品質(zhì)指標(biāo)。唐鑫華等[26]通過測定干物質(zhì)含量、淀粉含量與單株淀粉含量來探究表油菜素內(nèi)酯對NaCl 脅迫下馬鈴薯品質(zhì)的影響。羅文彬等[27]通過測定塊莖中蛋白質(zhì)、維生素C和鉀含量來鑒定馬鈴薯不同品系的品質(zhì)。

2.2.2 生長形態(tài)指標(biāo)

生長形態(tài)指標(biāo)主要表現(xiàn)在生長過程馬鈴薯植株的葉面積、莖粗、株高、分枝數(shù)、節(jié)間距等。吳璽等[28]通過測定馬鈴薯的株高與莖粗來研究干旱處理對馬鈴薯生長特性的影響。

2.2.3 生理生化指標(biāo)

葉片葉綠素含量、光合生理參數(shù)、熒光參數(shù)等與馬鈴薯的光能利用率和光能轉(zhuǎn)化率具有顯著相關(guān)性；MDA 和 Pro 含量以及 SOD、CAT、POD 活性等主要反映馬鈴薯抗氧化能力，生理生化指標(biāo)中測定這兩組指標(biāo)較為常見。馮朋博等[15]的研究中選取具有代表性的功能葉片分別測定了凈光合速率、葉綠素?zé)晒?、MDA和Pro含量以及SOD、POD活性等來探究高溫對馬鈴薯光合速率與抗氧化能力的影響。

2.2.4 綜合評價(jià)

隸屬函數(shù)法是綜合評價(jià)馬鈴薯耐熱性指標(biāo)的常用方法，郭新宇等[23]通過隸屬函數(shù)綜合排序用于評價(jià)馬鈴薯苗期的耐熱性，陳中釤等[29]通過隸屬函數(shù)和聚類分析并通過回歸分析建立了苦瓜耐熱性評價(jià)回歸方程。

3 馬鈴薯耐熱性分子機(jī)制

3.1 高溫影響馬鈴薯塊莖形成的分子機(jī)制

高溫影響馬鈴薯塊莖的形成和產(chǎn)量，Lehretz等[30]研究中，F(xiàn)T 的同源基因SP6A的表達(dá)可以促進(jìn)馬鈴薯塊莖的形成，但他們發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)SP6A的特異小RNA 積累，該小RNA 被命名為SES，SES 可以抑制SP6A的表達(dá)從而抑制馬鈴薯塊莖的形成，在通過過表達(dá)STTM抑制SES 后，可以提高馬鈴薯在高溫脅迫時(shí)塊莖品質(zhì)。Park 等[31]通過表達(dá)SP6A轉(zhuǎn)基因植株發(fā)現(xiàn)在高溫處理第35 d 其表達(dá)量與正常溫度的表達(dá)量呈現(xiàn)顯著性差異，但在56 d 時(shí)SP6A過表達(dá)植株完全恢復(fù)高溫所降低的SP6A的表達(dá)量，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析，得出包括SP6A在內(nèi)的參與塊莖發(fā)育的基因在高溫脅迫時(shí)早期和晚期表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。

3.2 生物鐘相關(guān)基因協(xié)調(diào)環(huán)境溫度和植物生長發(fā)育的分子機(jī)制

高溫下，馬鈴薯會(huì)發(fā)生徒長、株高顯著增加[32]。Li等[32]揭示了在高溫下轉(zhuǎn)錄抑制因子RVE5通過與轉(zhuǎn)錄抑制因子CCA1 競爭來調(diào)控ELF4的表達(dá)，從而控制ELF4的表達(dá)水平，并抑制下游生長相關(guān)基因，從而抑制植物在高溫下的植株徒長。

3.3 油菜素內(nèi)酯提高植物耐熱性的分子機(jī)制

油菜素內(nèi)酯（Brassinolide，BR）可以調(diào)節(jié)植物發(fā)育的各個(gè)方面，也與植物對熱脅迫的反應(yīng)有關(guān)，外源BR 可以提高擬南芥的耐熱性。Chen 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，過量表達(dá)ERF49使植物耐熱性降低，而油菜素內(nèi)酯可以通過調(diào)節(jié)BZR1的表達(dá)，抑制ERF49增強(qiáng)植株的耐熱性。張瑞平等[34]研究發(fā)現(xiàn)油菜素內(nèi)酯能夠誘導(dǎo)植物交替呼吸途徑來響應(yīng)高溫逆境，由油菜素內(nèi)酯所誘導(dǎo)的交替呼吸途徑一方面能夠減少高溫脅迫對光系統(tǒng)的損害，另一方面激活抗氧化系統(tǒng)來緩解植物的氧化損傷。

3.4 馬鈴薯熱激轉(zhuǎn)錄因子和熱激蛋白響應(yīng)熱脅迫的分子機(jī)制

熱激轉(zhuǎn)錄因子在植物熱脅迫中可以識別并結(jié)合熱激元件，進(jìn)一步調(diào)控?zé)峒さ鞍椎霓D(zhuǎn)錄翻譯[35]。唐銳敏等[36]通過從馬鈴薯品種‘Désirée’中克隆到StHsfA3基因，并通過過表達(dá)該基因獲得轉(zhuǎn)基因馬鈴薯株系，推測StHsfA3可能協(xié)同StHsp26-CP和StHsp70增強(qiáng)過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系的耐熱性。姚紫薇[37]也揭示了擬南芥通過高溫誘導(dǎo)HSFB2b的表達(dá)來抑制下游熱激蛋白的表達(dá)，負(fù)調(diào)控?zé)嵝螒B(tài)建成。在該研究中，還揭示了HSFB2b可能通過抑制ST2A的表達(dá)維持茉莉酸含量，負(fù)調(diào)控?zé)嵝螒B(tài)建成。楊芳等[24]通過對馬鈴薯熱激蛋白HSP90 的研究，發(fā)現(xiàn)HSP90-伙伴蛋白復(fù)合體在高溫脅迫下發(fā)揮調(diào)控作用進(jìn)而提高馬鈴薯耐熱性。

4 提高馬鈴薯抗熱性途徑

4.1 栽培方式

氮肥的施用對于馬鈴薯栽培尤為關(guān)鍵[38]。Bhattacharya 等[39]和班文慧等[8]通過改變施氮水平緩解了馬鈴薯高溫脅迫損害。Xi等[40]通過施用外源亞磷酸鹽顯著緩解高溫脅迫對馬鈴薯的不利影響。研究發(fā)現(xiàn)，外源施用油菜素內(nèi)酯也可提高植株的耐熱性[33]。研究表明高溫會(huì)加重馬鈴薯的病蟲害[21,22]，通過及時(shí)防治馬鈴薯病蟲害，可降低病蟲害對馬鈴薯產(chǎn)生的影響。

4.2 常規(guī)育種

中國馬鈴薯野生資源較少，對現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)種質(zhì)的挖掘和創(chuàng)新，是選育新品種的重要條件[41]。Tang等[42]對55 個(gè)品種鑒定發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下植株葉片葉綠素含量和株高增加幅度較大的品種的塊莖質(zhì)量下降程度較小。Zhang等[11]通過對50個(gè)馬鈴薯品種耐熱性鑒定發(fā)現(xiàn)早熟品種耐熱性好于晚熟品種。Ufuk等[43]評價(jià)17個(gè)馬鈴薯基因型對高溫脅迫的響應(yīng)，確定莖干重（Haulm dry weight，HDW）、葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）、光合速率（Photosynthetic rate，Pn) 、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、冠層溫度（Canopy temperature，CT）和SPAD 值可能為篩選耐熱基因型的有用性狀。

4.3 分子育種

馬鈴薯分子育種在抗逆性育種中起到舉足輕重的作用，分子育種與常規(guī)育種相結(jié)合為新品種的選育提供了新途徑[44-46]。Zhu等[47]從二倍體馬鈴薯野生種中分離出SpHsfA4c基因，通過構(gòu)建過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系，提高了高溫脅迫下馬鈴薯細(xì)胞膜穩(wěn)定性、抗氧化能力和滲透調(diào)節(jié)能力。Gangadhar 等[48]在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株中過表達(dá)StGLP基因，通過觸發(fā)ROS清除信號通路控制植株抗氧化和熱應(yīng)激基因的響應(yīng)。研究表明，擬南芥芽和馬鈴薯葉片的熱誘導(dǎo)基因表達(dá)重疊，馬鈴薯的熱脅迫響應(yīng)基因與干旱脅迫相關(guān)基因重疊[49]。

5 展 望

全球氣候變暖形勢加劇，糧食作物面臨不同程度的減產(chǎn)問題[50]。馬鈴薯以獨(dú)特的優(yōu)勢和地位在穩(wěn)定國家糧食安全，提高農(nóng)民收入上起到重要作用[51]。目前關(guān)于高溫脅迫對于馬鈴薯的各種影響已較為明晰，但對于其分子機(jī)制的探討仍然需要進(jìn)一步的加強(qiáng)。優(yōu)化栽培條件來減弱高溫脅迫的損害仍需進(jìn)一步探究；并深入探究馬鈴薯耐熱性調(diào)控因子、構(gòu)建互作網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)基因編輯技術(shù)，培育出耐熱性更強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種。

通過分子育種和基因編輯[52]，培育創(chuàng)新耐熱馬鈴薯種資資源，提高馬鈴薯單產(chǎn)和品質(zhì)；在面對極端天氣或氣候變暖所帶來的高溫脅迫等不利環(huán)境時(shí)保障中國糧食安全。2015 年中國提出馬鈴薯主糧化，馬鈴薯為脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)取得全面勝利做出了巨大貢獻(xiàn)，在全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程中應(yīng)充分挖掘馬鈴薯作為主糧作物的生產(chǎn)潛力，通過分子育種和基因編輯技術(shù)豐富種資資源，結(jié)合常規(guī)育種方法和優(yōu)化栽培技術(shù)培育抗逆性品種，提高品質(zhì)、增加單產(chǎn)，確保中國人的飯碗牢牢端在自己手中。