高溫脅迫導致水稻光溫敏核不育系開穎與雌蕊受精障礙的研究進展

周宇嬌 張偉楊 楊建昌

（1江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學農學院，225009，江蘇揚州；2江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，225009，江蘇揚州）

“兩系法”和“三系法”雜交水稻是利用雜種優勢的2條重要途徑[1-3]。與以核質互作雄性不育為技術核心的“三系法”雜交稻相比，“兩系法”雜交稻（簡稱兩系雜交稻）是利用光溫敏核不育系與恢復系雜交制種，具有一系兩用、無需保持系、育種流程簡化和雜種優勢強等優點，是繼“三系法”雜交稻后雜種優勢利用的重大科技創新[1-3]。近年來，兩系雜交水稻在我國的年種植面積已超過500萬hm2，成為水稻雜種優勢利用的主要途徑，為保障我國糧食安全發揮了至關重要的作用[3-4]。但光溫敏核不育系的育性轉換受光溫條件影響：在雜交制種期間如遇低溫（≤23℃），不育系可自交結實導致雜交種子純度不高；若遭受到高溫脅迫（≥35℃）會導致開穎障礙和雌性器官（雌蕊）不能正常受精，使制種產量嚴重下降，造成巨大的經濟損失[4-9]。

隨著全球工業化的不斷發展，溫室效應增強，全球氣溫隨之增高，預計到21世紀末可能上升4℃～5℃。水稻生長季夜間溫度每升高1℃，水稻產量可能減少10%[7]。高溫脅迫已成為包括“兩系法”雜交稻制種在內的水稻生產的一個主要危害[3,7-9]。以我國一個重要的兩系法雜交制種水稻基地江蘇省鹽城市為例，2010至2020年間，有5年（2010、2013、2016、2018和2020年）在雜交制種期間遇到不同程度的高溫危害，導致制種產量大幅下降，尤其是2013年的高溫導致兩系雜交稻較正常年景減產80%～90%，產量和經濟損失巨大[10]。因此，了解水稻光溫敏核不育系響應高溫脅迫的機理，掌握減輕其高溫危害的調控途徑與技術，對于提高兩系雜交稻制種產量和指導水稻抗高溫育種、栽培具有重要意義。為此，本文綜述了高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系開穎、雌蕊受精以及影響抽穗的生理機制研究進展，討論了減輕高溫危害的調控措施，并對今后研究提出了建議。

1 高溫脅迫導致水稻光溫敏核不育系開穎障礙的生理機制

水稻開花包括穎殼張開（主要是外穎張開）、花絲伸長、花藥開裂、花粉散落在柱頭上、花粉萌發和花粉管向子房伸長等過程。正常開穎（外穎張開）是水稻完成受精的先決條件[11]。水稻外穎基部的1對漿片吸水膨大，變厚脫開內外穎的溝槽，再變寬把外穎推開，即穎花開穎；當漿片失水時，外穎在小穗軸彈性力的作用下會向內穎靠攏，完成閉穎過程。漿片滲透勢降低是其吸水膨大的重要條件；漿片中淀粉通過淀粉酶水解成為可溶性糖，以及外部水分和養分的輸入是漿片滲透勢降低（或漿片細胞壓力勢增大）的主要原因[11-13]。此外，鉀離子（K＋）也是植物極為重要的滲透調節物質，在百合、玉米和黑麥等植物漿片滲透勢變化中起關鍵作用[14]。但水稻開花前與開花時漿片中的K＋濃度并沒有明顯變化[13]。由此推測，對于漿片中不含造粉體的植物（如百合、玉米和黑麥等），K＋等無機離子濃度變化在漿片滲透勢變化中起主導作用；而對于漿片中具有造粉體的水稻等作物，漿片中滲透勢變化則主要取決于可溶性糖含量的變化[14]。王忠等[15]進一步觀察到，適度增溫有利于加強呼吸，增加穎花中二氧化碳濃度，使漿片細胞壁松弛，從而誘導漿片吸水膨大，促進開穎。Chen等[6]觀察到，開花期高溫脅迫會顯著降低水稻光溫敏核不育系漿片中的淀粉和可溶性糖濃度，導致漿片滲透勢顯著提高、含水量顯著降低，進而導致開穎率與穎花受精率顯著降低。Yang等[9]也觀察到非常類似的結果。這些結果表明，漿片可溶性糖含量的降低是高溫脅迫導致水稻光溫敏核不育系開穎障礙的一個重要原因。

植物激素作為一類植物自身合成的、具有調節作用的痕量小分子物質，對植物生長發育具有重要的調控作用，目前尚未有五大類經典激素，如細胞分裂素（CTK）、生長素（IAA）、赤霉素（GAs）、脫落酸（ABA）和乙烯直接誘導水稻開穎的證據[16]。近年來，有學者[17-21]觀察到，新型植物激素茉莉酸類（JAs），如茉莉酸（JA）和茉莉酸甲酯（MeJA），不僅在應對逆境脅迫和調控植物生長發育方面發揮重要作用，還可以誘導水稻和小麥等多種禾本科植物穎花開放。有學者[16]觀察到，雄性可育的常規水稻在自然開放過程中，穎花中JA生物合成途徑中一些關鍵基因的表達與內源JA水平變化均表現為開穎時急劇上升，閉穎后隨即下降。細胞質雄性不育系水稻在缺乏JA時會通過延緩漿片內滲透調節物質和水分的積累來抑制漿片膨大，導致穎花開穎困難，開花時間分散[18]。開花期高溫脅迫會導致水稻光溫敏核不育系漿片中JA和MeJA含量顯著下降，抑制了漿片中可溶性糖的積累，漿片內滲透勢增加，吸水困難，致使穎花開穎受阻[9]。噴施外源JAs，一方面可以增強葉片和漿片的抗氧化能力，及時清除過量積累的活性氧，有效地減輕高溫脅迫對細胞質雄性不育和光溫敏核不育水稻的傷害[6-7,9-10]；另一方面，水稻植株內JAs與漿片基部細胞中的JAs受體結合，通過一系列泛素化反應釋放以MYC2（JA信號轉導的核心轉錄因子）為主的轉錄因子，誘導糖轉運體基因的表達，將糖和K+轉運進入漿片細胞[16,22]，同時JAs也能促進漿片細胞內淀粉水解，從而增加漿片中可溶性糖和K+等滲透調節物質含量，使漿片吸水膨脹，促進開穎[6,10,18]。此外，MYC2也是ABA信號傳導的激活劑[23]，噴施JAs增加了植物細胞中ABA含量，從而刺激氣孔關閉，保存植株水分[24]，提高耐熱性。據此，有學者[6-7,9]認為，提高漿片中的JAs水平是緩解高溫脅迫下開花期光溫敏核不育系開穎障礙的一條重要調控途徑（圖1）。

圖1 茉莉酸類和油菜素甾醇緩解高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系開穎和受精障礙的調控網絡圖Fig.1 Schematic diagram of jasmonates and brassinosteroids in alleviating heat stress to photo-thermo-sensitive genic male sterile(PTSGMS)rice line

植物激素間通常存在相互作用與平衡，共同調節植物的生長發育與逆境脅迫響應[7,30]。Yang等[7]觀察到，噴施低濃度的促生長型激素如玉米素核苷（ZR，CTK的一種高活性形式）、IAA、GAs、24-表油菜素內酯（24-EBL）或ABA（10μmol/L），對水稻光溫敏核不育系開穎無顯著影響，但噴施高濃度的ABA或1-氨基環丙烷1-羧酸（ACC，乙烯的生物合成前體）使水稻光溫敏核不育系開穎率顯著降低。這進一步說明JAs可能對緩解開花期高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系的開穎障礙有獨特的作用；同時也表明JAs、ABA和乙烯對光溫敏核不育系開穎的調節存在拮抗作用，它們之間的互作機制值得進一步深入探究。

2 高溫脅迫對雌蕊形態與活性影響的生理機制

高溫脅迫下，水稻雌蕊（由柱頭、花柱及子房構成）比雄蕊更具有耐熱性，但長時間的高溫脅迫也會對雌蕊造成嚴重的損傷[31]。目前高溫脅迫對雄蕊發育影響的研究[32-34]較多，對雌蕊的研究[35]較少。當溫度高于23℃或24℃時，水稻光溫敏核不育系表現為完全雄性不育[6-7]。雄性器官發育正常的恢復系（父本），其花粉粒被光溫敏核不育系柱頭接收后從柱頭細胞中獲取水分[10]，萌發成花粉管并進一步完成受精過程[36]，該過程與水稻光溫敏核不育系雌蕊的形態與生理活性均密切相關。因此，水稻光溫敏核不育系雌蕊的形態惡化與生理活性降低是開花期高溫脅迫對其傷害的另外一個重要原因。

開花期高溫脅迫會造成柱頭萎蔫、灼傷，導致柱頭面積降低[37-38]，不育系獲得恢復系（父本）花粉粒的能力明顯降低，最終導致受精率降低，雜交制種產量下降[39-40]。高溫脅迫不僅影響水稻柱頭面積，還會影響柱頭外露率。柱頭外露的穎花能接受更多的花粉粒，因此其受精能力遠高于柱頭不外露的穎花[41-42]。柱頭外露率與柱頭活性有關，高溫脅迫使不育系柱頭活性顯著下降，柱頭外露率隨之下降[6]，導致不育系受精率降低。高溫使水稻柱頭生理狀態發生改變，導致其表面分泌物減少、乳突細胞膜脂過氧化，致使花粉粒不易附著在柱頭上，影響花粉的萌發，直接影響水稻的受精與結實[10,22,43]。高溫脅迫會顯著降低雌蕊細胞中過氧化氫酶（CAT）活性和抗壞血酸（AsA）含量等抗氧化物質水平，破壞其抗氧化系統，導致雌蕊細胞中活性氧（ROS）過量積累，造成細胞膜系統損傷，雌蕊細胞程序性死亡和生理活性顯著降低[44-46]。此外，高溫脅迫會破壞雌蕊細胞中Ca2+梯度，使得花粉管無法向指定方向生長[47-49]；還會顯著降低雌蕊細胞中可溶性糖和腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）等的含量，導致雌蕊引導花粉管向胚囊延伸過程中的能量供應不足，降低受精率[50-52]。

雌蕊活性與其中的激素種類和含量水平密切相關。Zhang等[45]發現高溫脅迫顯著降低了日本晴及其高溫敏感型突變體雌蕊中IAA的含量與合成水平，進而致使雌蕊活性降低，最終導致水稻受精結實率下降。油菜素甾醇（BRs）是繼IAA、GAs、CTK、ABA和乙烯之后發現的第六大類植物激素，普遍存在于植物界，對植物的生長發育過程與抗逆脅迫具有重要的調節作用[53-55]。在高溫脅迫下，BRs信號由細胞質膜上的BRs受體感知，通過一系列磷酸化與去磷酸化反應解除對核心轉錄因子BRASSINAZOLE-RESISTANT1（BZR1）的抑制作用，使其進入細胞核調控BRs響應基因的轉錄，將BRs信號向下傳導，進而提高植株的耐熱性[7,25]。高溫脅迫會導致植物體內不耐熱的蛋白質失活，并誘導植物細胞程序性死亡，從而導致熱害的發生[52,56]。噴施BRs可以增加水稻[26]和西紅柿[27]等植物體的熱激蛋白含量，從而防止蛋白質變性并促進受損蛋白質重新折疊，使蛋白質免受不可逆的熱害損傷，增強植物在高溫脅迫下的抗逆性。Yang等[7]和Chen等[8]觀察到，雌蕊中具有較高BRs含量的水稻光溫敏核不育系在開花期高溫脅迫下所受的損傷較小，雌蕊受精能力更強；噴施外源BRs可顯著提高水稻光溫敏核不育系雌蕊中參與抗壞血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循環酶的活性以及編碼這些酶的基因的表達[28-29]，顯著降低其雌蕊中ACC和H2O2含量[8]，增強其雌蕊抗氧化能力，進而有效減輕開花期高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系雌蕊活性的負面影響（圖1）。

BRs與JAs、ABA及乙烯之間在對高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系雌蕊活性的調控上也可能存在交互作用。對開花期高溫脅迫下的水稻光溫敏核不育系同時噴施MeJA和BRs比單一噴施兩者的某一種更能增強雌蕊活性（AsA含量更高，H2O2含量更低），受精率與雜交制種產量也更高[7-8]。在甘藍型油菜葉片上施用BRs可顯著增加其內源ABA濃度并增強油菜植株對高溫脅迫的耐受力[57]。在擬南芥和玉米植株上施用高濃度的ABA則顯著降低其內源BRs水平，致使其對高溫脅迫的耐受力變差[58-59]。此外，BRs和乙烯在對高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系雌蕊活性的調控上存在明顯的拮抗作用，即噴施外源BRs后可顯著降低水稻光溫敏核不育系雌蕊中ACC含量，導致乙烯生物合成受阻，進而顯著降低其雌蕊中的ROS水平，有效減輕高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系雌蕊受精的不利影響[7-8]（圖1）。這些結果表明，提高水稻光溫敏核不育系雌蕊中內源BRs的生物合成能力或降低乙烯的水平是增強高溫脅迫下雌蕊活性與受精能力的一個重要途徑。

3 高溫脅迫對抽穗包頸的影響

對于常規水稻而言，在減數分裂期遭遇高溫脅迫主要通過降低花藥開裂率和花粉育性進而降低其結實率和產量[32]，但水稻光溫敏核不育系在溫度高于24℃時，雄性器官（花粉）即表現不育。因此，對于水稻光溫敏核不育系而言，抽穗前遭遇高溫脅迫主要的危害是加劇了不育系的抽穗障礙（如包頸現象）。水稻細胞質雄性不育系和光溫敏核不育系在抽穗時均普遍存在不同程度的包頸現象（稻穗不能完全抽出，穗基部穎花包裹在劍葉葉鞘中，無法接受外來花粉而受精結實）[60-62]。水稻不育系抽穗包頸特性直接影響其異交受精率，是制約雜交種子生產的最大因素，也是評價不育系實用價值和經濟價值的重要指標之一[63-64]。水稻不育系包穗是由于穗下倒1節間薄壁細胞（尤其是中部區段細胞）無法正常伸長與擴張，進而使穗下倒1節間縮短或退化缺失所致[65-66]。減數分裂期前后高溫脅迫會進一步加劇水稻不育系抽穗包頸現象，進而嚴重阻礙其接受父本的花粉，顯著降低不育系制種產量。但目前關于水稻不育系抽穗包頸性狀（尤其在高溫脅迫下）的機制研究[10]較少。

多種植物激素均可一定程度上影響水稻節間伸長，其中以GAs對水稻雄性不育系抽穗包頸的緩解作用最為明顯[67-69]。此外，BRs在促進莖鞘縱向伸長方面也發揮著至關重要的作用[10,56]。噴施外源BRs可不同程度地解除或緩解由于減數分裂期前后高溫脅迫導致的雄性不育系水稻抽穗包頸現象[10]。但不同雄性不育水稻材料本身的抽穗包頸程度及其對激素的敏感性有較大差異，如中國育成的首個實用光溫敏核不育系培矮64S不僅包頸嚴重，且對GAs鈍感，制種田一般需要噴施450～750g/hm2GAs才能解除其包頸性狀，種子生產成本增加，且容易造成環境污染[70-74]。近年來，隱性長節間基因eui（elongated upper most-internode）被發掘和鑒定[75-78]。eui種質能促進穗下倒1節間伸長，可在不影響不育系水稻花粉育性、半矮稈表型及雜種優勢的前提下有效解除雄性不育系水稻的抽穗包頸性狀，并能提高不育系的部分農藝性狀（如劍葉會變長變寬，柱頭外露率也有所提高等）[79]。因此，培育能夠解除抽穗包頸性狀的雄性不育系水稻是降低雜交稻制種成本和減輕高溫脅迫的重要途徑之一。

4 減輕水稻光溫敏核不育系高溫危害的調控措施

4.1 氮肥

氮素是影響水稻產量和品質的重要因素，適當增施氮肥可以降低植株冠層及穗部溫度，提高水稻抗熱害能力，使水稻結實率和千粒重增加[80-81]。高溫脅迫下增施氮肥可提高水稻根系氧化活性和葉片光合作用，增強葉片氮代謝相關酶和籽粒蔗糖-淀粉轉化相關酶的活性，減少植株體內活性氧的產生，增強植株活性[82-83]。在開花期增施氮肥通過降低水稻光溫敏核不育系已開穎穎花溫度和雌蕊活性氧水平，提高促生長類激素含量，增強碳氮代謝關鍵酶等生理活性，有效緩解開花期高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系穎花開放和雌蕊活性的負面影響，從而提高不育系與恢復系雜交后的受精率、結實率和制種量[10]。因此，當開花期稻株含氮量低于1.8%時，適當增施氮肥是緩解開花期高溫脅迫導致水稻光溫敏核不育系穎花開放和雌蕊受精障礙的一個重要栽培措施[10]。

4.2 灌溉方式

傳統觀點[84-85]認為，水稻抽穗開花期遇高溫，需要對稻田進行深層灌水以降低冠層溫度，減輕高溫對水稻的傷害。但有學者[86-87]觀察到，高溫對水稻的危害與水稻冠層相對濕度密切相關；在同一溫度下，相對濕度越高，高溫傷害越嚴重。輕干濕交替灌溉可以顯著降低稻田的相對濕度，減輕高溫對水稻的傷害，從而顯著提高水稻的結實率、千粒重和產量。此外，輕干濕交替灌溉還可以增加水稻葉片中抗氧化物質和CTK含量，改善根系形態，提高根系代謝功能，協調地上部生長，使水稻在高溫脅迫下保持正常的生理功能[86-88]。Zhang等[89]觀察到，稻穗發育期采用適度落干可顯著提高水稻幼穗中BRs的生物合成，促進穎花分化并減少穎花退化，增加有效穎花數。這些結果表明，采用輕干濕交替灌溉可有效減輕高溫脅迫對光溫敏核不育系水稻的傷害，但其機理有待深入研究。

4.3 播期

調整播期可以避免或減少水稻生長發育中的極端環境氣候（如開花期高溫），提高水稻的產量和品質[90-94]。推遲播期可以使中秈稻和晚粳稻在各生育階段內積溫和累計日照時數降低，營養生長期縮短，生育進程加快[94-95]。近年來，華中地區高溫危害頻發，可推遲水稻播種期，使抽穗后前20d的日均溫在24.9℃～26.4℃，可以顯著提高產量和資源利用效率[91]。調整播期或是有效減輕水稻光溫敏核不育系高溫危害的另一個重要栽培措施。但是，推遲播期會縮短生育期，在開花期不發生高溫的年景（如2021年）有可能降低水稻產量；在多熟制地區還會影響下茬作物的正常播種。

4.4 噴施激素

激素在植物應答高溫脅迫等逆境響應過程中發揮著重要作用[16]。已有研究[6-10,16,18,22-29]證明，JAs對光溫敏核不育系水稻開穎具有獨特的正向調控作用，BRs分別對光溫敏核不育系水稻雌蕊活性和緩解抽穗包頸均具有重要的正向調控作用。因此，在生產實踐中可通過適當施用JAs和BRs來有效緩解高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系造成的危害。但JAs和BRs相關制品的購買成本較高，且可能會造成環境污染，如何協調這一矛盾還需進一步探討。

4.5 分子育種

通過傳統育種方法或基因工程技術提高水稻光溫敏核不育系漿片中JAs或雌蕊等器官中BRs的生物合成與信號傳導，進而培育出耐熱性強的光溫敏核不育系水稻品種，是緩解或解決高溫脅迫對水稻光溫敏核不育系造成危害的另一個有效措施。隨著分子生物學與基因工程的飛速發展，水稻中已經克隆出JAs的生物合成關鍵基因[16]（如OsDAD1-3、OsLOX-RCI1、OsAOS1、OsAOC 和OsOPR7）、信號轉導關鍵基因[96]（如OsJAR1、OsCOI1b以及13個OsJAZs）、BRs生物合成關鍵基因[93]（如D11、D2和BRD2）和信號轉導關鍵基因[97]（如OsBZR1），并對這些基因的功能已有較為深入全面的認識。因此，上述基因均可直接加以利用，培育出耐熱性強的光溫敏核不育系水稻品種。

5 展望

目前，人們對高溫脅迫導致水稻光溫敏核不育系開穎與受精障礙的機理認識較少，僅有的研究或側重于某個獨立器官的性狀變化，或側重于某個單獨激素的響應與作用，而缺乏對其系統的認識。因此，建議今后可從以下5個方面深入研究水稻光溫敏核不育系開穎與雌蕊受精的高溫危害。

（1）研究高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系包頸特性的分子機制，闡明高溫加劇不育系包頸程度的內在機理；重點研究GAs和BRs緩解或解除水稻光溫敏核不育系包頸的機理，探明緩解高溫下水稻光溫敏核不育系包頸加劇的有效調控措施。

（2）研究高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系根系形態生理特征與根系化學信號傳遞、植株地上部（莖、葉與穗）激素含量或比例的變化以及碳氮代謝特性等與光溫敏核不育系水稻開穎與受精的內在聯系。分別從植株、器官與細胞水平等不同層次上闡明高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系開穎與雌蕊受精障礙的內在機理。

（3）結合采用激素相關水稻突變體或轉基因材料，利用現代分子生物學的技術手段重點研究JAs和BRs的生物合成、信號轉導及其與其他激素（特別是ABA與乙烯）調控高溫脅迫下水稻光溫敏核不育系開穎與雌蕊受精障礙的互作機制。

（4）研究氮、磷、鉀等礦質營養元素以及水分灌溉和播期等栽培措施對緩解水稻光溫敏核不育系高溫危害的作用及其機理，并探明緩解高溫對水稻光溫敏核不育系危害的環境條件指標，提出緩解水稻光溫敏核不育系高溫危害的栽培調控途徑和關鍵技術。

（5）使用常規育種方法、生物信息分析、高通量全基因組測序和蛋白質組學等技術挖掘調節水稻光溫敏核不育系包穗、開穎和雌蕊活性的有利基因和分子標記，培育出耐熱性強的光溫敏核不育系水稻品種。