黄瓜耐热性研究进展

吴攀建 袁波 陈清华 黄艳芳 黄坚勇

摘 要： 综述了高温胁迫下黄瓜体内蛋白质的变性和凝聚、SOD等膜保护酶、游离脯氨酸的变化，激素的抗高温胁迫机制及在热刺激传导中的作用，黄瓜幼苗叶片叶绿素含量下降，光合能力降低，黄瓜主根变长、变细，根系趋于须根化，影响黄瓜结实率和雌花单性结实等的研究结果;讨论了黄瓜耐热性遗传规律，关注了相关作物的耐热性QTL定位及耐热性相关基因分离的进展;总结出畸形瓜率、高温下胁迫胚根长度、耐热性预测方程等可作为黄瓜耐热性鉴定指标而花粉耐热性不能作为筛选指标;以及苗期生长势、叶片热害指数、细胞电解质渗透率、子叶相对电导率（RC）等可作为耐热性鉴定的方法;提出了黄瓜耐热性可供研究方向的建议。

关键词： 黄瓜; 耐热性; 筛选; 鉴定; 遗传分析

Advances in heat tolerance of cucumber

WU Panjian1， YUAN Bo1， CHEN Qinghua1， HUANG Yanfang2， HUANG Jianyong2

（1. College of Horticulture，South China Agriculture University·Department of Biological Technology， Guangzhou， 510642，China; 2. Guangdong Oversea Chinese Agricultral Institution， Zhaoqin， 526238， China）

Abstract：We reviewed the influence of heat stress of cucumber in different aspects， such ad protein physiology，cell membrane permeabilities，SOD enzyme， Proline in leaves，reduction of Chlorlophyll and Phytosynthesis on seedling; and increase of the root length and reduction of root size， fruit number on normale line and the female line. QTL controlling heat tolerance and isolation of resistance related-genes to high temperatures in other related crops are concerned.The genetic of heat tolerance is also discussed.The Abnormal Fruit Rate，the Radicle-root Length and the Forecast Equation can be used to screen and identify heat tolerance but not relation with Index of heat tolerance in flower pollen;The Growth Rate of Seedling Stage，The Index of Heat Tolerance in leaves，Cell Electrolyte Penetration and Relative Conductivity（RC）also were usually practice to hot identification;The areas for future study on heat tolerance in cucumber are suggested in the review.

Key words： Cucumber; Heat tolerance; Screening; Appraising; Genetic analysis

黄瓜（Cucumis sativus L.）是葫芦科的重要蔬菜作物，风味别致，兼有食用、美容、药用等功效。黄瓜原产于温暖地区，性喜温，但不耐热，生长适温25～30 ℃，超过 35 ℃会导致伤害。随着全球性温室效应不断加剧，极度高温已成为限制黄瓜生长的主要因素之一，高温热害给黄瓜生产带来严重影响，已经成为露地和保护地黄瓜生产中经常遇到和亟待解决的难题之一。为解决这一问题，通过筛选和鉴定不同时期的黄瓜生长状况，进而选育出耐热性优良的品种成为黄瓜育种的重中之重。因此，黄瓜耐热性指标筛选和耐热性鉴定研究备受关注。

近年，随着耐热性研究逐渐受到重视，针对耐热性产生和运作的机理，无论是形态学、生理生化还是遗传效应分析等多方面都有了不同程度的探索。除此之外，随着分子研究的深入，黄瓜耐热性QTL定位与分析也有一定涉足，而在甘蓝等作物上通过SSH技术已经分离出耐热性相关基因，对黄瓜耐热性育种亦有积极意义。

1 高温胁迫对黄瓜生长的影响

黄瓜在生长过程中对高温胁迫会发生相应的生理变化来降低高温产生的热害，以维持基本代谢，这就需要通过开启某些基因的表达对高温产生适应性，这一过程导致许多生理指标的改变，包括呼吸作用、激素、细胞膜稳定性、电导率、过氧化物酶系统、蛋白质等的变化。研究黄瓜高温胁迫下生理指标的变化，将有助于采取相应的栽培技术措施减轻高温危害，为筛选耐热材料提供有效的途径，也为耐热育种奠定理论基础。

1.1 高温对黄瓜外部特征的影响

高温胁迫使黄瓜主根变长、变细，一级侧根数量、二级侧根数量增多，根系趋于须根化，而耐热品种的须根化程度较低。研究发现，黄瓜胚根伸长和侧根发生在38 ℃ 条件下最快，42 ℃ 受抑制，45 ℃完全抑制[1]。

试验证实，黄瓜幼苗的生育适温为白天25 ℃ 左右，夜间15 ℃。苗期遇到高温，幼苗徒长，子叶小、下垂，40 ℃以上高温引起萎蔫，50 ℃ 超高温几小时枯死[2]。还有报道发现： 42 ℃/38 ℃（日/夜）处理黄瓜幼苗2 d后，发现27.7%的黄瓜幼苗死亡，未死的植株叶边缘干枯，受害明显[3]。黄瓜成株期受热害，除叶片出现褪绿斑点症状外，最重要的是造成生殖障碍。

高温不仅影响黄瓜结实率的高低，而且影响雌花单性结实的强弱。高温使黄瓜花器官的机能下降，特别是高夜温时，由于呼吸速率加大，剧烈消耗碳水化合物导致花蕾发育不良，子房发育差而成为小雌花，往往在蕾期及开花后黄化凋萎，单性结实性减弱，坐果不良，产量下降。高温和强光照有密切关系，高温强光照使子房中植物生长素含量低，单性结实性减弱。高温对黄瓜生殖生长有明显的影响，35 ℃ 时不耐热品系的坐果率急剧下降，而耐热品系在45 ℃ 时坐果率才略有下降[3]。

1.2 高温对黄瓜生理生化的影响

黄瓜营养生长的耐热性是高温下黄瓜产量形成的重要生理基础，花粉耐热性不能作为黄瓜耐热材料的筛选指标[4]。高温下黄瓜叶片厚度、叶片栅栏组织厚度、叶片温度、气孔导度、蒸腾速率和根系干质量与黄瓜营养生长耐热性呈显著线性相关，表明蒸腾降温是黄瓜营养系统避免高温伤害的重要机制。

同时，高温胁迫导致黄瓜幼苗叶片叶绿素含量下降，光合能力降低。耐热品种比不耐热品种具有较高的净光合速率、较低的呼吸速率。解除高温胁迫后，耐热品种的净光合速率比不耐热品种恢复得更快，呼吸速率回降较快[5]。黄瓜幼苗气孔传导和蒸腾速率在高温处理初均有显著的上升，而经较长时间高温处理后，气孔传导下降。

除此之外，分子生物学研究表明，黄瓜在热胁迫条件下，为了适应高温逆境而快速改变基因表达的模式，其中包括 HSPs 的产生和某些基因的抑制表达，引起植物体内蛋白质的变性和凝聚，从而出现热害。SOD等膜保护酶在遭受高温之后发生不同的变化。进一步试验证明，高温处理之后，黄瓜幼苗叶片中SOD活性急剧下降，说明高温能降低SOD活性，加剧膜脂过氧化作用，使膜系统进一步受到伤害[6]。而高的SOD活性有可能提高黄瓜幼苗耐高温的能力。在SOD活性下降后，CAT活性开始下降，分解H2O2的能力降低;而POD活性持续上升且增加幅度较大，说明CAT和POD对高温的反应不同，同时POD活性升高可以弥补CAT活性下降造成对H2O2清除能力的降低。但是由于POD对供氢体要求非常广泛，因此在高温处理强度较大时，它也可能参加对黄瓜幼苗的伤害。

而激素作为植物体内一种重要的信号物质，在植物的抗高温胁迫机制及热刺激传导中起着重要的作用[5]。研究却发现黄瓜幼苗在高温下，各品系IAA 含量均比对照有极显著的增加，而且常温恢复后，IAA含量与品系耐高温能力相一致，其作用机理尚须做进一步研究[7]。也有观察发现，在番茄和黄瓜高温驯化过程中叶片ABA水平上升，能显著提高其耐热性[8]。

植物中游离脯氨酸含量一直是备受关注的抗逆性指标，其具有调节渗透及保护细胞膜结构稳定的作用。根据这一原理，有试验发现SA、CaCl2单一与复配诱导处理均可提高黄瓜幼苗的耐热性，诱导黄瓜耐热性机理的建成[9]。也有研究证实，75 μmol·L-1的水杨酸可通过增强抗氧化酶活性，提高西葫芦幼苗的耐热性[10]。在豌豆中还发现，SAG也表现出了与自由态SA相似的信号功能，并参与了高温锻炼诱导植物耐热性的信号传递过程[11]。

2 黄瓜耐热性鉴定指标筛选

根据黄瓜客观的耐热性指标鉴定黄瓜耐热性高低，对指导耐热性育种研究和不同时期耐热机理的探究有着重要意义。目前试验中常用通过外部形态和经济性状指标、微观结构指标、生理生化指标以及分子生物学等几类指标对黄瓜耐热性进行筛选，耐热性鉴定方法主要有田间直接鉴定、电导率测定、人工模拟气候鉴定、叶绿素测定法和根系TTC还原力测定法等方法。其中，直接鉴定由于直观性强，已被大多数学者接受。但基于产量等经济性状和产量也并非完全认可。其中，在节瓜的研究中已经证实畸瓜率即商品产量较总产量能更为真实反映材料的耐热性[12]。这一现象还有待在黄瓜上进行验证。

另外，也有研究认为38 ℃下胁迫60～72 h的胚根长度可作为黄瓜耐热性鉴定指标[7，13]。在番茄耐热性鉴定中，还采用了荧光参数，并比较了不同鉴定方法反映材料耐热性高低的准确度[14]。目前，在黄瓜耐热性研究中还未见相关文献。

也有研究[2]指出，通过DPS软件对鉴定指标与田间直接鉴定结果对比进行筛选，比较不同类型指标对耐热性贡献率大小，筛选出综合性鉴定指标、去子叶鲜质量和种子活力指数等参数，建立耐热性预测方程。可以有效评估黄瓜材料耐热性，使耐热性育种选择简单化。

2.1 田间直接鉴定法

田间鉴定是最为直观的耐热性鉴定方法，不同耐热性的材料受高温胁迫其经济性状表现能客观反映其耐热性高低，在黄瓜、甘蓝、水稻等多种作物上应用广泛[15-17]。但这一方法可能因产地、时间等因素影响鉴定结果。鉴定指标以高温半致死时间结合热害后的恢复力为佳。主要参数为苗期生长势、叶片热害指数、越夏死株率和品质产量等。但亦有研究指出：在萝卜耐热性田间鉴定中，叶片热害指数在相同品种不同植株间存在很大差异，而认为叶片发黄萎蔫程度较之更为直观[18]。

2.2 电导率测定

高温处理后细胞电解质渗透率直接反映细胞受热害程度、细胞膜的热稳定性。黄瓜幼苗的根系、叶片及在37 ℃条件下萌发的子叶和胚根经高温处理后测定的电解质渗透率有基本一致的趋势，与各品种夏季高温期的生长势、商品瓜产量大致相对应。说明此法鉴定黄瓜耐热性强度有一定的可靠性，表明细胞膜的热稳定性基本可代表品种的耐热性[19]。

黄瓜子叶相对电导率（RC），耐热品种在常温和高温下均低于不耐热品种，RC 可以作为黄瓜耐热性筛选的指标[20]。随着温度的升高，黄瓜叶片的相对电导率呈上升趋势，耐热品种升幅较小，而不耐热品种 RC大幅度提高。相关试验也印证了上述观点：苗期叶片细胞质膜热稳定性与黄瓜耐热性表现一致，并且耐热黄瓜品种和热敏黄瓜品种之间差异极显著，可以作为黄瓜耐热性的主要鉴定指标[21]。

2.3 人工模拟气候鉴定

研究表明，人工模拟高温气候条件的黄瓜幼苗受热害程度与夏季田间自然状态下的鉴定结果大致对应，证明人工模拟气候鉴定能一定程度上反映黄瓜耐热性[22]。

也有试验证实，在35 ℃条件下，黄瓜芽苗受热害不明显，且短期高温对黄瓜发芽有促进作用;42 ℃高温对黄瓜芽苗影响大，大部分形态指标的相对值小于对照;38 ℃高温对芽苗的影响介于35～42 ℃，更适合于黄瓜芽苗期耐热性鉴定。38 ℃条件下发芽的活力指数、芽苗全鲜质量、去子叶鲜质量、根鲜质量和下胚轴长度，均可作为黄瓜芽苗期耐热性鉴定指标[2]。

2.4 叶绿素测定法

叶绿素含量能否作为黄瓜耐热性鉴定指标则有不同观点。有研究认为，经高温处理后的黄瓜幼苗叶绿素含量降低，光合速率下降，并且光合作用机构可能遭到破坏。同时，观察发现耐高温能力不同的自交系变化不同，说明其受到的伤害不同[23]。同时，也有试验指出：叶绿素含量减少率品种间没有明显差异，耐热性弱的品种其叶绿素减少率并不一定大，其趋势与夏季自然鉴定结果没有相对应的关系，说明高温处理后叶绿素含量的减少率不能反映黄瓜品种的耐热性[22]。

2.5 根系TTC还原力测定法

过去许多研究都认为，高温对植物整体的影响主要是通过破坏植物根系的正常功能而实现。Dinar等[24]对番茄的研究发现，高温抑制根系运输功能。孟焕文等[1]则认为高温抑制黄瓜侧根发生。但黄瓜的最新一些研究成果认为，根系活力无法反映黄瓜耐热性。

试验证实，黄瓜耐热性高低与田间自然鉴定结果没有对应的关系[25]。因此，我们认为根系酶体系的热稳定性并不是根系耐热性的主要决定因子。在一些其他文献中也有相同观点[26]。

3 黄瓜耐热性遗传分析进展

3.1 黄瓜耐热性遗传规律

关于耐热性遗传规律的研究报道很少。一些研究认为[27]，黄瓜耐热性遗传符合加性-显性模型，加性效应达极显著水平，而显性效应不显著;配合力方差分析也表明黄瓜耐热性的一般配合力在杂种群体构成上占主导作用，进一步证实控制耐热性遗传的主要因素是决定一般配合力的加性效应。由此可见，采用常规的杂交育种方法，可望在黄瓜的耐热性品种选育方面取得较好效果。

此外，黄瓜耐热性的广义遗传力和狭义遗传力均较高，分别为 42.109%和 55.308%[20]。且没有上位效应，说明在试验控制的环境下，群体的遗传变异明显高于环境变异，且控制黄瓜耐热性遗传变异的是容易固定的加性基因效应。因而，在以耐热性为主要目标的重组合育种中，在严格控制环境的条件下，早期世代选择就可以获得较好的选择效果。

3.2 黄瓜耐热性分子标记的研究

近年来，分子标记已用于黄瓜的遗传作图。Kennar等[28]和Lee等[29]分别利用RFLP构建了连锁群 RAPD标记的黄瓜分子连锁图谱。Serquen等[30]也利用重组近交系构建了分属9个连锁群的遗传图谱。在与耐热性相关分子标记中，以下2种途径可利于快速进行定位鉴定利用：一是利用近等基因系或Michelmore等[31]提出的分离群体分组分析法（Bulked Segregant Analysis，BSA），将F2代分离群体中耐热型和热敏型分成2组，将每组内的一定数量的植株的DNA混合，形成按表型区分的DNA池，用作模板进行RAPD分析;二是利用已有的连锁图进行标记。一旦发现耐热性相关基因被定位在某一染色体上，就可以选择分散在染色体不同位点的标记，逐渐逼近，找到该基因的分子标记[32]。

3.3 黄瓜耐热性遗传多样性的研究

对玉米、大麦、小麦等作物的研究表明，利用分子标记可以确定亲本之间的遗传差异和亲缘关系，从而确定亲本间遗传距离，并进而划分杂交优势群，提高杂种优势潜力[33-35]。

黄瓜的遗传背景非常狭窄，构建饱和的遗传图谱需要高通量、高多态的分子标记技术。国外类似研究开展较多[36]。其中Dijkhuizen等[37]利用RFLP标记评价2组黄瓜种质的遗传多样性，揭示了与形态（果形）及实际系谱关系相一致的品种间的亲缘关系，认为RFLP可用于黄瓜分类鉴定和品种保护。

同时，也可利用不同SRAP引物组合在检测亲本间多态性上也存在很大差异的原理设计合适导向的耐热型和热敏型杂交F2代DNA提取物引物，在SRAP组合进行多态性筛选时易于检测出耐热型QTL。

3.4 与黄瓜耐高温QTL连锁的分子标记分析

传统的耐热育种由于受诸多因素的影响而效率低下，与黄瓜耐高温QTL相关分子标记的获得将大大提高育种效率。目前仅对少数作物进行了耐高温相关的分子标记研究，如已有研究对玉米耐热QTL及耐干旱QTL进行了定位[38]，亦有实验检测到与六倍体小麦耐高温QTL连锁的2个分子标记[39]，大白菜上也已经发现5个控制耐热型QTL位点[40]。

基于黄瓜耐热型QTL定位的研究也通过选择极端表现型构建高低DNA池获得相关耐热性表型标记，证实分离群体分组分析和选择性基因型分析相结合可以快速、有效与耐热性基因连锁定位[41]。

尽管如此，选择在不同环境下稳定性不易发生变化的QTL仍然有待进一步的深入，这也将是获得耐热性稳定黄瓜材料的入手途径之一。

3.5 利用SSH技术分离耐热性相关基因

在结球甘蓝研究中，利用抑制差减杂交（SSH）技术获得了300个独立克隆，经反向 Northern 杂交验证，对 98个差异表达克隆进行了测序并利用 Blastn 和 Blastx 对测序结果进行相似性分析。并由此分离出了热激蛋白、细胞防御、信号转导、蛋白质修饰加工等与植物耐热性相关的基因片段[42]。该方法已在玉米、小麦、棉花、油菜等作物上得到有效应用[43-46]。该方法可以有效富集差异表达基因从而可以提高研究差异表达基因的效率。鉴于黄瓜遗传背景非常狭窄，更利于在短时间内对耐热性QTL富集转导，有效利用于耐热性育种，但目前还未有文献报道此类研究进展。

4 黄瓜耐热性研究前沿展望

随着近年生物分子技术的飞速进步和高通量分子标记技术的革新，对黄瓜的测序工作也已经完成，分析发现黄瓜与甜瓜和西瓜基因相似均达90%，这也为耐热性育种提供了其他可选择的途径。

此外，通过富集耐热性QTL并克隆转导，开发廉价快捷的分子育种工具，都将推动基因组研究成果快速应用到优良新品种的培育和推广上。

不少研究还发现外源水杨酸、茉莉酸、油菜素内酯、禾本科中1，3-1，4-β-葡聚糖等都对植物耐热性存在影响，但其中机理还没有相关文献进行明确阐述[47-50]。其中，内源水杨酸与外源水杨酸是否存在类似乙烯形成机理的关系，有待进一步验证。而作为细胞壁重要成分的结构物质也可能是影响黄瓜耐热性的因素之一。

综上所述，目前基于黄瓜耐热性的分子层面研究还为数较少，其部分耐热性生理生化机理在学术上也未得出一致结论。基于黄瓜遗传多态性与其耐热性QTL互作密切关系还需试验阐明，黄瓜的遗传规律和遗传模型也有待完善，尤其是对数量基因定位及不同数量性状基因的耐热性贡献大小应得到充分重视。同时，搜集和引进黄瓜耐热性材料或亲缘性较高的耐热性材料再结合分子标记等现代生物技术，进行多渠道、多方位的研究也是耐热性育种的未来工作方向。

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