許藍心，田如男

(南京林業(yè)大學風景園林學院，江蘇 南京 210037)

高溫脅迫下，植物各項生理進程均受到阻礙。大部分植物生長的適宜溫度為15～28 ℃，但近年來，“溫室效應”導致全球溫度持續(xù)升高使植物生長發(fā)育面臨嚴峻挑戰(zhàn)。高溫脅迫下植物各項生理指標及相應基因變化受到越來越多的關注，李愛國等[1]在2007年綜述了高溫脅迫對農(nóng)作物生理生化代謝的影響，至今植物耐熱性研究方面又取得了新的進展。近年來，田尉婧等[2]、劉克祿等[3]緊跟時代熱點分別論述了高溫脅迫下植物熱激轉(zhuǎn)錄因子(Heat stress transcription factors, Hsfs)及相關基因變化，但只集中解釋了高溫脅迫下植物熱激蛋白等某一項植物生理反應，并未對其他生理反應進行解釋及總結(jié)，且均集中分析了農(nóng)作物在高溫脅迫下生理反應，忽略了園林觀賞植物在高溫脅迫下的生理反應。而今，持續(xù)高溫環(huán)境嚴重制約了觀賞植物引種工作，且嚴重影響了觀賞植物的正常生長，影響其觀賞價值。因此，本文根據(jù)近十年來國內(nèi)外該領域的研究動態(tài)，以觀賞植物為主闡述高溫脅迫對植物微觀結(jié)構、植物生理生化和基因表達的影響，總結(jié)了提高植物耐熱性的方法，以期為研究觀賞植物耐熱性及觀賞植物引種提供參考。

1 高溫脅迫對植物解剖結(jié)構及細胞微觀結(jié)構的影響

高溫脅迫會直接影響植物的新陳代謝，耐熱品種可通過適應性機制適應熱脅迫。研究發(fā)現(xiàn)，杜鵑Rhododendron simsii的葉片解剖結(jié)構可影響其耐熱性，葉片角質(zhì)層厚度、氣孔密度及寬度、柵欄組織厚度是影響杜鵑耐熱性的主要葉片解剖結(jié)構性狀，而葉片厚度、海綿組織厚度、上下表皮細胞長度和厚度、中脈厚度、氣孔長度和孔徑、組織結(jié)構疏松度與植株耐熱性的關系不大[4]。耐熱品種一般均具有葉肉細胞排列緊密、葉片表面有表皮毛及粉粒等特點[5]。彭永宏等[6]發(fā)現(xiàn)中華獼猴桃Actinidia chinensis耐熱性品種具有葉片厚、柵欄組織與海綿組織比例大、氣孔密度高等特點。耐熱品種葉片下表皮氣孔具有體積小、頻度高、開張角度小及呈關閉狀態(tài)等特點[7]，主要是因為在高溫條件下，氣孔的反應與植物的水分狀況及葉片與周圍水蒸氣分壓差有關，抗熱品種能在高溫下維持長時間較低的氣孔阻擋[8]。

高溫脅迫不僅影響植物葉片形態(tài)，還會影響植物細胞中的亞顯微結(jié)構。研究發(fā)現(xiàn)柚子Citrus maxima在高溫脅迫下，葉綠體膜損傷嚴重，類囊體松散[9]。甘藍Brassica oleracea葉綠體、核膜、核仁等亞細胞結(jié)構受到損傷，感熱品種葉綠體完全破裂，而線粒體結(jié)構無明顯變化，這也進一步證明了線粒體比葉綠體具有相對穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，這使得植物在高溫條件下仍可正常進行呼吸作用，為植物提供能量，保證最基本的生命活動。Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)在高溫脅迫下，番茄Lycopersicon esculentum葉綠體膜損傷發(fā)生最早，推斷葉綠體超微結(jié)構發(fā)生變化可能是其凈光合速率下降的重要原因之一。

2 高溫脅迫下植物生理生化變化

2.1 細胞膜透性

高溫脅迫下，細胞原生質(zhì)膜的結(jié)構和功能會受到傷害，從而引起細胞膜透性加大，電解質(zhì)外滲，增大組織浸出液的電導率[11]。研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，不耐熱植物相對電導率增加量顯著高于耐熱材料[12]。不同品種高羊茅Festuca arundinacea熱穩(wěn)定性不同，高溫脅迫下其相對電導率變化不一[13]。當高溫脅迫小于植物自身承受力時，植物會產(chǎn)生應激反應使葉片相對電導率呈上升趨勢，將受傷葉片移至室溫環(huán)境下，葉片損傷會恢復。但隨著脅迫加強，其相對電導率增加，且相對電導率與脅迫時間成正比，即隨著時間的積累，細胞膜受到的破壞逐漸加重，最終使細胞膜受到不可逆損傷[14]，表明相對電導率可以作為多數(shù)植物耐熱性指標。

脂肪酸是構成生物膜的主要物質(zhì)，飽和脂肪酸含量及飽和程度高，有利于保持膜在高溫時的流動性和穩(wěn)定性[15]。王飛等[16]發(fā)現(xiàn)，小麥Triticum aestivum在熱脅迫下，三烯脂肪酸含量下降，且耐熱品種變化強度高于熱敏感品種，表明三烯脂肪酸含量可評價其耐熱性。

2.2 抗氧化系統(tǒng)

植物抗氧化能力是耐熱指標之一。植物在逆境脅迫下產(chǎn)生活性氧，從而造成氧化脅迫，正常情況下，超氧化物歧化酶(SOD)可以清除植物體內(nèi)的氧自由基而保護植物。研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫抑制SOD、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性，耐熱性強植物其保護酶活性高于熱敏植物[17]。不同植物應對高溫脅迫的生理機制不同，高溫脅迫下，部分植物出現(xiàn)應激反應，使SOD、CAT、POD等抗氧化酶活性下降，隨后進入適應性階段，使抗氧化酶活性上升[18—19]，但隨著脅迫加強與作用時間延長，植物受損程度加強，植物細胞代謝活動受阻，抗氧化酶活性下降[20—21]，植物最終受到氧化損傷，甚至死亡。菜豆Phaseolus vulgaris在不同程度高溫脅迫下，SOD、POD等抗氧化酶有不同表現(xiàn)，這主要與脅迫程度和作用時間有關[22]，還與植物本身抗氧化酶適應的最佳溫度有關。

高溫脅迫下，植物細胞內(nèi)氧自由基平衡受到破壞，使植物產(chǎn)生氧化損傷。丙二醛(MDA)是膜脂氧化作用下的產(chǎn)物，也是細胞膜被破壞的標志。研究發(fā)現(xiàn)，耐熱品種可提高抗氧化酶活性從而保護自身免受氧化損傷，因此相較于耐熱品種，高溫脅迫下熱敏品種的 MDA含量上升幅度較高[23]。但隨著脅迫加強，其抗氧化保護酶活性下降，MDA大量積累，且MDA含量與其脅迫時間成正比[24—25]。林俊芳等[26]通過對各指標進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)MDA對茄子Solanum melongena幼苗耐熱性影響較大，可以較好地反映出細胞膜完整狀態(tài)，可作為植物耐熱性鑒定的生理指標。

2.3 蒸騰強度

高溫下，葉片增加蒸騰強度可降低表面溫度，使葉片組織免受傷害。植物的水分狀況以及葉片與周圍水蒸氣分壓均可影響氣孔的反應[8]。熱脅迫下，小麥通過蒸騰失水降低葉溫、增加細胞液濃度以及增加束縛水比例從而增強植株抗熱性[7]。但張施君等[27]發(fā)現(xiàn)，高溫下麝香百合Lilium longiflorum的蒸騰強度變化并沒有明顯規(guī)律，不同品種變化不一，認為蒸騰強度與百合抗熱性無相關性。

2.4 光合作用

光合作用是能量代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)換的關鍵，高溫脅迫下，植物最大光能轉(zhuǎn)換效率 Fv/Fm、光能捕獲效率 Fv′/Fm′和 PSⅡ電子傳遞效率下降[28]，甚至引發(fā) PSⅡ反應中心的可逆失活[29]。研究發(fā)現(xiàn)，不同強度的脅迫引起光合作用受抑制的原理不一樣，35 ℃脅迫下，凈光合速率下降是由于氣孔因素引起的，而在42 ℃高溫脅迫下，是由非氣孔原因引起的[30]。葡萄Vitis vinifera葉片PSⅡ電子傳遞鏈的供體側(cè)和反應中心更容易受到傷害[31—32]。而耐熱品種因具有較高的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、瞬間水分利用效率(WUE)，維持較高的光合固碳水平，最大光化學效率降低較小[33]，從而保證植物生長[34]。這與其他學者研究結(jié)果一致[35—36]。葉綠素在光合作用中起著重要作用，可通過葉綠素含量變化來判斷植物的耐熱性。陶志強等[37]發(fā)現(xiàn)在高溫脅迫時，耐熱型春玉米Zea mays可保持較高的葉綠素含量，從而維持較高的光能截獲與利用。有研究表明，高溫脅迫下，葉綠素含量雖降低，但Chl a/b升高[30]。高溫脅迫下，葡萄葉片葉綠素含量呈低-高-低的波動，葉綠素下降是因為高溫脅迫引起了水分脅迫[38]。

2.5 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物在逆境條件下通過代謝增加細胞溶質(zhì)濃度，降低滲透勢，從外界吸水保持膨壓維持正常代謝。脯氨酶、可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。實驗表明，在高溫下，脯氨酶和可溶性糖含量升高，且脯氨酶和可溶性糖積累越多，耐熱性越強[6,17,24,39]。但鄭宇等[14]發(fā)現(xiàn)，西洋杜鵑 Rhododendron hybridum在高溫脅迫下，抗熱品種與不抗熱品種體內(nèi)脯氨酶含量并無顯著差異。灰?guī)r皺葉報春Primula forrestii在不同溫度下游離脯氨酶有不同的變化，這與灰?guī)r皺葉報春本身的脅迫應答機制有關。在高溫脅迫下，大花三色堇Viola × wittrockiana的可溶性糖含量先上升后下降[20]。

3 高溫脅迫對基因表達的影響

高溫脅迫下，一些特定基因會被激活，相應代謝產(chǎn)物和蛋白質(zhì)水平隨之增加，使植物免受高溫傷害。膜穩(wěn)定性、熱激蛋白、熱激轉(zhuǎn)錄因子、抗氧化等相關基因均與植物耐熱性息息相關。研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，BcPLDγ基因表達上調(diào)使不結(jié)球白菜避免傷害[40]。熱激轉(zhuǎn)錄因子控制熱激蛋白的積累，逆境中可激活相應基因表達。Scharf等[41]首次報道了熱激轉(zhuǎn)錄因子在番茄抵御熱脅迫時的作用。將番茄SlHsfA3、LeHSP21基因分別轉(zhuǎn)入擬南芥Arabidopsis thaliana、煙草Nicotiana tabacum中，發(fā)現(xiàn)這兩基因均可提高模式植物耐熱性[42—43]。玉米B族熱激轉(zhuǎn)錄因子ZmHsf25，A族ZmHsf06、ZmHsf04位于細胞核中，在熱脅迫下均表現(xiàn)為上調(diào)，將 ZmHsf25、ZmHsf04轉(zhuǎn)化酵母，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因酵母較轉(zhuǎn)空載體酵母具有更強的耐熱性[44—46]。趙立娜等[47]也發(fā)現(xiàn)小麥細胞核中存在 B族熱激轉(zhuǎn)錄基因 TaHsfB2d，該基因可調(diào)控小麥耐熱性，推測這一調(diào)控作用由水楊酸途徑介導且依賴 H2O2存在。高溫脅迫下，利用GeNorm等軟件對茄子9個內(nèi)參基因表達穩(wěn)定性進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)SmEF1a和SmTRX 表達最穩(wěn)定[48]，GLOS1、HSFA2和HSP70與葡萄耐熱性息息相關，且隨著溫度的升高上調(diào)倍數(shù)增加[49]，表明合適的基因轉(zhuǎn)錄可顯著提高植物耐熱性。

4 提高植物耐熱性途徑

4.1 熱鍛煉

植物在高于正常生長溫度又不造成明顯傷害的高溫下經(jīng)過一段時間的鍛煉，其抗熱性會得到明顯的提高，這種現(xiàn)象稱為熱鍛煉[50]。經(jīng)過熱鍛煉的多年生黑麥草Lolium perenne和高羊茅Festuca elata在高溫脅迫下能保持較高的膜熱穩(wěn)定性和較低的膜脂過氧化物，提高了冷季型草坪草的耐熱能力[51]。胡偉娟等[52]也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱鍛煉的灰?guī)r皺葉報春和滇北球花報春 Primula denticulata subsp.sinodenticulata核膜的熱穩(wěn)定性有所提高，葉肉細胞超微結(jié)構的破壞時間也延遲，顯然熱鍛煉可以提高報春花屬植物的耐熱性。熱鍛煉也可通過提高植物亞細胞水平的抗氧化能力增強植物的耐熱性。表明熱鍛煉是植物的一種適應性反應，在承受范圍內(nèi)，通過提高植物代謝水平，增強其抗熱性。

4.2 使用生長調(diào)節(jié)劑

呂俊等[53]發(fā)現(xiàn)，水楊酸(SA)處理通過減少水稻Oryza sativa幼苗的電解質(zhì)滲出，降低MDA含量，提高水稻幼苗中的過氧化氫、脯氨酸、谷胱甘肽(GSH)等的含量從而提高水稻幼苗的抗熱性。葡萄葉片經(jīng) SA處理后可有效緩解高溫對細胞膜、細胞膜質(zhì)過氧化的傷害，從而提高葡萄的耐熱性[54]。但有研究表明，SA對胞間CO2濃度影響不大。杜曉華等[20]也證明噴施SA可提高大花三色堇幼苗的耐熱效果。另外，脫落酸(ABA)、茉莉酸(JA)均可提高植物耐熱性[55]，茉莉酸甲酯效果優(yōu)于鈣和水楊酸[56]。辣椒Capsicum frutescens var. fasciculatum經(jīng)Ca2+、SA處理后，耐熱性都會有所提高，混合處理效果弱于單獨處理，低濃度(10.00 mmol·L-1)下，Ca2+會提高辣椒耐熱性，且效果最好，而高濃度(20.00 mmol·L-1)下的Ca2+會加重辣椒的高溫傷害[57]。因此在采用植物生長調(diào)節(jié)劑提高植物耐熱性時，應注意生長調(diào)節(jié)劑的噴施方法及濃度。

4.3 基因工程途徑

植物耐熱性是屬于多基因控制的數(shù)量性狀[31]。耐熱品種與熱敏感品種基因、蛋白質(zhì)表達量差異顯著[58]，表達模式因基因不同而不同。通過探索熱激轉(zhuǎn)錄因子的功能和表達調(diào)控，將相關耐熱基因克隆轉(zhuǎn)化植物體，運用基因過量表達策略，從而提高熱敏性植物耐熱性。將番茄[42]、大豆[59]、百合[60]等植物的耐熱相關基因轉(zhuǎn)入模式植物，可顯著提高模式植物的耐熱性。主要原因是耐熱基因可直接促進轉(zhuǎn)基因植物熱激響應基因的表達。

4.4 其他方法

高羊茅初級代謝產(chǎn)物升高或維持，可有效緩解高溫脅迫，檸檬酸可參與三羧酸循環(huán)途徑，其積累有助于提高高羊茅的耐熱性[61]。小麥灌漿期經(jīng)干旱處理，子代的耐熱能力會提高，可能是因為光反應和卡爾文循環(huán)參與蛋白質(zhì)的表達上調(diào)，提高抗氧化能力[62]。干旱預處理可有效提高草地早熟禾干旱敏感品種耐熱性[63]。李勝利等[64]發(fā)現(xiàn)，冷激可有效緩解番茄幼苗的高溫脅迫，提高番茄幼苗早期花芽分化的進程。另外，合理的園藝措施可降低植物的受熱害程度，可采取平衡施肥、加強水肥管理、修剪與合理密植等技術，適當?shù)牡洷扰c適宜的氮水平可提高草坪草的耐熱性。

5 展望

植物受傷害癥狀最先表現(xiàn)在形態(tài)上。高溫脅迫下，植物表現(xiàn)出葉片大面積灼傷、花粉萌發(fā)率和結(jié)實率低等癥狀，故在評價植物耐熱性時，可將葉子灼傷率、花粉萌發(fā)率、結(jié)實率等性狀指標作為熱脅迫評價指標，同時結(jié)合植物生理指標變化及相關基因表達，全面了解高溫脅迫對植物的損傷機理，建立植物綜合耐熱評價體系。

植物耐熱性的熱激轉(zhuǎn)錄因子相關基因已有相當多的研究，通過探索熱激轉(zhuǎn)錄因子功能和表達調(diào)控，將相關耐熱基因克隆轉(zhuǎn)化植物體，運用基因過量表達策略，從而提高熱敏性植物耐熱性[65]。但這些研究多集中在大豆[66]、番茄[67]、大白菜Brassica rapa pekinensis[68]、葡萄[69]等園藝作物上，園林觀賞植物耐熱性研究較少，大多只對生理指標變化進行探討。隨著全球變暖，部分木本觀賞植物和多年生花卉也面臨越夏困難的問題，采用傳統(tǒng)的熱鍛煉、生長調(diào)節(jié)劑等方法只能減緩熱脅迫對植物的傷害，不能從根本上解決熱脅迫對植物的危害。因此，未來可從分子機理出發(fā)，探討高溫脅迫對園林植物相關基因表達的影響，或?qū)⒛蜔嵝灾参锏南嚓P基因克隆轉(zhuǎn)入熱敏性植物，提高其抗熱性。