大白菜耐热机制研究进展

杨发斌+刘华+邱念伟+王凤德+高建伟

摘要：大白菜是我国栽培面积最广、产量最高的蔬菜作物之一。大白菜性喜冷凉，高温条件下不结球或者结球松散，因而高温严重影响大白菜的产量和商品性。近年来，人们对大白菜耐热的生理生化以及分子生物学机制进行了大量研究，发现渗透调节物质的大量积累、稳定的细胞膜结构以及完整的保护酶系统是大白菜适应高温胁迫的重要生理条件；热激转录因子（HSFs）、热激蛋白（HSPs）以及小RNAs等则在大白菜耐热的分子层面扮演着重要角色。此外，科研人员在对大白菜耐热分子标记的开发等方面也开展了大量研究并取得了较大进展，这为下一步大白菜耐热性分子标记辅助选择育种奠定了基础。本文对上述研究进行了系统的综述，以期为今后耐熱大白菜新品种的培育提供科学依据。

关键词：大白菜；热胁迫；耐热机制；分子标记

中图分类号：S634.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）12-0149-05

Abstract Chinese cabbage is one of the most widely cultivated vegetable crops with the highest yield in China. Chinese cabbage likes cool climate， so it can not form leaf head or only form loose leaf head at high temperature， which seriously influences its yield and commodity characteristics. In recent years， people have conducted many researches on the physiological， biochemical and molecular biological mechanisms of heat tolerance in Chinese cabbage. The results showed that accumulation of osmotic， maintaining stability of cell membrane structure and completely protective enzyme system played very important roles for Chinese cabbage to adapt to heat stress. Heat shock transcription factors （HSFs）， heat shock proteins （HSPs） and small RNAs in Chinese cabbage played important roles for response to heat tolerance at molecular level. In addition， researchers have carried out many studies on developing heat-tolerant molecular markers of Chinese cabbage and achieved great progresses， which laid foundations for its molecular marker assisted breeding in heat resistance. In this paper， we summarized the above researches so as to provide scientific bases for breeding new varieties of heat-resistant Chinese cabbage.

Keywords Chinese cabbage； Heat stress； Mechanism of heat tolerance； Molecular markers

大白菜起源于我国，常年种植面积2×106 hm2左右，总产约1亿吨，是种植面积最大、产量最高的蔬菜作物之一。大白菜性喜冷凉，我国北方地区主要在秋季种植，南方地区则多种植在冷凉的高山地带。近年来，随着人们生活水平的提高及饮食结构的多样化，人们对夏白菜的需求量越来越大。为了满足市场需求，人们采取各种栽培方式在炎热的夏季种植大白菜，而夏季大白菜种植的关键在于耐热品种的培育。目前，国内外科学家已培育出多个耐热大白菜品种，并对其耐热的生理生化机制以及分子生物学机制进行了大量研究。本文对近年来关于大白菜耐热机制的研究进行综述，以期为下一步耐热大白菜新品种的培育提供科学依据。

1 大白菜耐热生理生化机制

1.1 渗透调节与大白菜耐热性

细胞脱水是高温导致大白菜受伤害的重要原因[1，2]。叶陈亮等研究了高温胁迫下不同耐热性大白菜品种在水分保持方面的差异，发现耐热品种叶细胞较不耐热品种具有更高的持水力，其束缚水的含量远高于不耐热品种[3]。此外，耐热性不同的大白菜品种间蒸腾速率也存在显著差异，高温逆境下大白菜蒸腾速率提高的比率与品种的耐热性呈反比，也就是说耐热品种在高温下失水较慢[3]。

渗透调节能力高低是影响大白菜耐热性的重要因素。在高温胁迫下，大白菜体内会积累大量渗透调节物质来提高耐热性。脯氨酸是一种小分子渗透调节物质，在植物细胞适应热胁迫过程中扮演重要角色[4-6]。叶陈亮等的研究发现，高温胁迫下大白菜体内脯氨酸含量会大量增加，并且耐热品种比不耐热品种具有更大增幅[7-9]。李晓峰等[29]对夏季高温条件下不同品种大白菜在不同发育期的脯氨酸含量进行了研究，发现幼苗期脯氨酸含量显著高于其他生长阶段，这与该时期大白菜对热胁迫反应最灵敏相对应；同时该研究也发现大部分耐热品种的脯氨酸含量在幼苗期显著高于热敏感品种。除了脯氨酸，可溶性蛋白也是非常常见和有效的渗透调节物质，其含量高低直接与植物耐热性相关[10]。研究发现，耐热大白菜品种在高温下可保持较高的蛋白质合成速率和较低的蛋白质降解速率[7]。

1.2 细胞膜热稳定性与大白菜耐热性

高温胁迫会导致细胞膜的结构和功能发生改变，并且还会改变水、离子、有机溶质等的跨膜运输[11，12]。大白菜叶片受高温胁迫后，细胞膜通透性增加，胞质外渗量上升，组织浸出液中电解质浓度随之增高，电导率升高[13-16]。因此，细胞质膜热稳定性是反映大白菜耐热性的一个重要指标[17]。例如，罗少波等研究发现， 耐热性与植株电导率呈明显负相关[18]；吴国胜等研究也发现，不同耐热性大白菜品种叶片细胞膜热稳定性与其耐热性呈正相关[19，20]；而司家钢等的研究则认为，将电导率和高温胁迫后的半致死时间相结合可以更好地反映品种间的耐热性差异[21]。

1.3 保护酶系统与大白菜耐热性

高温胁迫条件下，植物体内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等会清除一些由高温产生的活性氧（ROS）[22，23]，减少高温对细胞膜的伤害[24]，进而提高植物耐热性[25-28]。叶陈亮等研究发现高温胁迫下，大白菜耐热品种对氧负离子、H2O2的清除力增强， 其中耐热品种对H2O2的清除活力显著增强，增幅几乎是不耐热品种的3倍，表明耐热品种较不耐热品种的SOD、CAT活性有所提高[7]。而POD活性在大白菜生长发育期表现出逐渐升高趋势，不耐热品种POD活性在不同发育期低于大部分耐热性品种，在莲座期和结球期差异更显著[29]。

2 大白菜耐热分子机制

2.1 热激转录因子（HSF）与大白菜耐热性

热激转录因子（heat shock transcription factor， HSF）是存在于细胞内、在热胁迫下可以激活热激基因表达的一类转录调节基因[30]，在植物热胁迫信号转导和耐热性的产生过程中起着不可替代的作用[31]。

近年来，已有多个课题组对大白菜HSF基因进行了系统分析。其中大部分研究人员认为大白菜中存在30个HSF成员[32-34]，但Song等[30]研究则认为大白菜中存在35个HSF成员。通过比较发现，出现上述差异的主要原因在于他们对某些HSF基因的认定标准存在一定差别。例如，Bra012828在Song等[30]的研究中被认定是HSF基因，而其他人的研究则认为该基因不具备完整的HSF结构域，所以被排除出HSF基因家族。但无论如何，他们对其中30个HSF基因的认定是一致的，也就说大白菜中至少存在30个HSF基因家族成员。

基因表达模式通常与其生物学功能相关联。Song等[30]以非耐热性大白菜（Chiifu-401-42）为材料，利用荧光实时定量PCR（qRT-PCR）方法对大白菜HSF家族基因的表达模式进行分析发现，其中23个HSF基因在38℃热处理1 h后出现明显上调。由此可见HSF基因在大白菜耐热性方面具有十分重要的作用。

2.2 热激蛋白（HSP）與大白菜耐热性

HSPs是植物体在热激条件下形成的高度有序的结构复合体，具有高度热稳定性，不受高盐浓度和去垢剂影响，与植物耐热性密切相关[35，36]。植物在热胁迫后会瞬时合成新的或功能增强的HSPs从而提高植株耐热性[37，38]。

在真核细胞中由热激基因所编码的热激蛋白在结构上可分为6个家族：Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60、小分子量热激蛋白（small Hsps， sHsps） 以及泛素蛋白[39]。在高温胁迫条件下，耐热能力不同的大白菜品种间不同类型HSP蛋白表达存在差异。Lee等以耐热大白菜Kenshin和不耐热大白菜Chiifu为材料进行研究，发现BrHSP70等基因在两种大白菜体内的表达均很高；而BrHSP90.2、cpHSP70-1和BrHSP60-2在Kenshin体内极易受热诱导高效表达，但在Chiifu内表达量却很低；还有一些HSP蛋白只在特定的组织或者白菜品种内表达，如叶绿体特有的HSP蛋白基因BrHSP101只在Kenshin体内表达，而类BrHSP101蛋白基因则在Chiifu内表达等，这些HSP蛋白表达的差异性赋予大白菜品种不同耐热性，在大白菜抗热过程中扮演着重要角色[40]。

2.3 microRNA、csRNA与大白菜耐热性

除了HSF、HSP等在大白菜耐热方面具有重要作用，一些非编码的小RNAs在大白菜响应热胁迫的过程中也扮演着非常重要的角色[41]。沈慧[42]研究发现，大白菜在46℃热激1 h后， microRNA398的表达量显著下调，与之相反miR398靶基因BraCSD1的表达在热激后则显著上调；进一步将大白菜CSD1基因在拟南芥中过量表达，可以明显提高拟南芥对外源和内源氧化胁迫的抗性并提高其耐热性。上述结果表明，miR398及其靶基因可以通过调节对氧化胁迫的响应来影响植株对高温胁迫的抗性[42]。

Wang等[43]从大白菜叶绿体基因组中分离出了响应高温胁迫的小RNAs，并分析了其与大白菜耐热性的关系，发现许多由叶绿体产生的csRNA家族成员对高温极其敏感，其中一些csRNAs可通过沉默靶基因的方式达到响应热胁迫的目的。csR-mYCF-8和csR-mATP-2都是大白菜csRNAs家族中的成员，高温会使两者的表达量降低，但却使其靶基因ycf1、atpE的表达量急剧上升，这些基因在大白菜抵抗逆境胁迫方面均具有重要作用。

3 大白菜耐热分子标记开发

对大白菜耐热遗传标记在杂交后代的分离类型进行分析是了解这些标记以及与它们紧密连锁的其他基因所控制遗传性的主要途径[44]。

郑晓鹰等采用单粒传的方法从大白菜耐热品种和热敏感品种杂交后代获得遗传性稳定的重组近交系群体，以此为材料用同工酶、RAPD和AFLP分子标记技术鉴定了与大白菜耐热性数量性状相关的遗传标记，发现了9个与耐热性QTL紧密连锁的分子标记：包括5个AFLP标记、3个RAPD标记和1个PGM 同工酶标记，这些标记对耐热性遗传的贡献率为46.7%。9个标记中有5个分布在同一连锁群上，其他4个标记与任何一个标记无连锁关系，表明上述9个标记分布在大白菜的5个连锁群上[45]。

于拴仓等应用352个标记位点的大白菜AFLP和RAPD图谱，采用复合区间作图方法对控制大白菜耐热性的数量性状基因位点（QTL）进行定位和遗传效应研究。用苗期热害指数进行耐热性表型鉴定，共检测到5个耐热性QTL位点，分布于3个连锁群上。其中，QTL位点ht-1、ht-3和ht-5表现为增效加性效应，ht-2和ht-4表现为减效加性效应。ht-2对大白菜耐热性的遗传贡献率最大，其次是ht-5。还发现了与5个QTLs紧密连锁的侧连分子标记，它们与QTL间的距离为0.1～2.4 cM[46]。这为大白菜耐热性分子标记辅助选择提供了理论基础。

4 结语

大白菜是深受国人喜爱的一种蔬菜，在蔬菜消费市场上占有极大份额。虽然科研工作者对夏季耐热大白菜品种的培育已进行大量研究，但仍存在诸多问题。例如，耐热大白菜通常个体较小，基因范围狭窄，杂交后产量优势小等。因此，深入了解大白菜耐热机制将会帮助我们从根本上解决大白菜耐热的难题。目前，关于大白菜耐热的生理生化机制研究较为深入，分子机制方面也取得了较大进展，但是如何将我们所掌握的知识应用到大白菜耐热育种实践中则是我们未来需要解决的关键问题。

参 考 文 献：

[1] 刘祖祺， 张石城. 植物抗性生理学[M]. 北京：中国农业出版社， 1994： 199-215.

[2] 高丽红. 白菜、生菜高温伤害机理及其越夏栽培技术的研究[D]. 南京：南京农业大学， 1994.

[3] 叶陈亮， 柯玉琴， 陈伟. 大白菜耐热性的生理研究Ⅱ.叶片水分和蛋白质代谢与耐热性[J]. 福建农业大学学报（自然科学版）， 1996， 25（4）：490-493.

[4] Verbruggen N， Hermans C. Proline accumulation in plants： a review[J]. Amino Acids， 2008， 35 （4）： 753-759.

[5] 曲复宁， 王云山， 张敏， 等. 高温胁迫对仙客来根系活力和叶片生化指标的影响[J].华北农学报， 2002， 17（1）： 127-131.

[6] 张庆峰， 徐胜， 李建龙. 高温胁迫下高羊茅生理生化特性研究[J] . 草业科学， 2006， 23（4）： 26-28.

[7] 叶陈亮， 柯玉琴， 陈伟. 大白菜耐热性的生理研究Ⅲ. 酶性和非酶性活性氧清除能力与耐热性[J]. 福建农业大学学报（自然科学版），1997，26 （4）：498-501.

[8] 耶兴元， 马锋旺， 王顺才， 等. 高温胁迫对猕猴桃幼苗叶片某些生理效应的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2004，32（12）： 33-37.

[9] 刘应迪， 李和平， 肖冬林. 高温胁迫下藓类植物游离脯氨酸含量的变化[J] . 吉首大学学报（自然科学版），2001， 22（1）：1-3.

[10]王志和，于丽艳，曹德航，等.短期高温处理对大白菜几个生理指标的影响[J].西北农业学报，2005，14（3）：82-85.

[11]陆世钧， 乔炳根. 早熟大白菜耐热性与EC值关系初探[J]. 上海蔬菜， 1990（2）： 25.

[12]Franklin K A. Light and temperature signal crosstalk in plant development[J]. Curr. Opin. Plant Biol.， 2009， 12： 63-68.

[13]Cragg G M， Schepartz S A， Matthew S， et al. The taxol supply crisis.New NCI policies for handling the large-scale production of novel natural product anticancer and anti-HIV ahents[J]. J. Nat. Prod.，1993， 56（10）： 1657-1668.

[14]龚萍， 王健. 利用电导率法测定六种芳香植物的耐热性[J].湖北农业科学，2011，50（10）：2038-2040.

[15]马晓娣， 王丽， 彭惠茹. Siete Cerros×Seri-82重组近交系小麦耐热性的测定[J]. 麦类作物学报， 2006， 26（1）：126-128.

[16]姚士才， 秦贺兰， 古润泽. 5个小菊新品种耐热性综合评价与鉴定[J]. 中国农学通报， 2006， 22（12）： 217-219.

[17]Mallick N， Mohn F H. Reactive oxygen species： response of algal cells[J]. J. Plant Physiol.， 2000，157（2）： 183-193.

[18]罗少波， 李智军， 周微波， 等. 大白菜品种耐热性的鉴定方法[J]. 中國蔬菜， 1996（2）： 16-18.

[19]吴国胜， 王永健， 曹宛虹， 等. 大白菜热害发生规律及耐热性筛选方法的研究[J]. 华北农学报， 1995， 10（1）：111-115.

[20]吴国胜， 曹婉虹， 王永健， 等. 细胞膜热稳定性及保护酶和大白菜耐热性的关系[J]. 园艺学报， 1995， 22（4）：353-358.

[21]司家钢， 孙日飞， 吴飞燕， 等. 高温胁迫对大白菜耐热性相关生理指标的影响[J]. 中国蔬菜， 1995（4）： 4-6，15.

[22]Bowler S R， McKersie B D. Relationships among freezing， low temperature flooding， and ice encasement tolerance in alfalfa[J]. Can. J. Plant Sci.， 1990， 70（1）： 227-235.

[23]Droillard M J， Paulin A， Massot J C. Free radical production， catalase and superoxide dismutase activities and membrane integrity during senescence of petals of cut carnations （Dianthus caryophyllus） [J]. Physiol. Plantarum，1987，71（2）：197-202.

[24]Lu P， Sang W G， Ma K P. Differential responses of the activities of antioxidant enzymes to thermal stresses between two invasive Eupatorium species in China [J]. J. Integr. Plant Biol.， 2008， 50（4）： 393-401.

[25]苏小俊， 袁希汉， 徐海. 大白菜田间耐热性的鉴定方法[J]. 江苏农业学报， 2007，23（1）： 78-80.

[26]Suzuki N， Mittler R. Reactive oxygen species and temperature stresses： a delicate balance between signaling and destruction[J]. Physiol. Plantarum， 2006，126（1）： 45-51.

[27]Almeselmani M， Deshmukh P S， Sairam R K， et al. Protective role of antioxidant enzymes under high temperature stress[J]. Plant Science， 2006， 171（3）： 382-388.

[28]Vierling E. The roles of heat shock proteins in plants[J]. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.， 1991， 42：579-620.

[29]李晓锋， 朱玉英， 侯瑞贤， 等. 夏季高温对大白菜不同发育期生化特性的影响研究[J]. 上海农业学报， 2008， 24（1）：36-39.

[30]Song X， Liu G， Duan W， et al. Genome-wide identification，classification and expression analysis of the heat shock transcription factor family in Chinese cabbage [J]. Mol. Genet. Genomics， 2014，289（4）： 541-551.

[31]Baniwal S K， Bharti K， Chan K Y， et al. Heat stress response in plants： a complex game with chaperones and more than twenty heat stress transcription factors [J]. J. Biosci.， 2004，29（4）： 471-487.

[32]黄小云， 陶鹏， 王五宏， 等. 大白菜和甘蓝热激转录因子基因家族鉴定及比较分析[J].分子植物育种，2014，12（2）：296-305.

[33]徐坚， 王燕， 陈先知， 等. 大白菜热激转录因子基因家族鉴定及表达分析[J]. 核农学报， 2014， 28（4）：586-596.

[34]Huang X Y， Tao P， Li B Y， et al. Genome-wide identification， classification， and analysis of heat shock transcription factor family in Chinese cabbage （Brassica rapa pekinensis） [J]. Genet. Mol. Res.， 2015， 14 （1）： 2189-2204.

[35]黄祥富， 黄上志， 傅家瑞. 植物热激蛋白的功能及其基因表达的调控[J]. 植物学通报， 1999， 16（5）：530-536.

[36]栗振义， 龙瑞才， 张铁军，等. 植物热激蛋白研究进展[J]. 生物技术通报， 2016， 32（2）：7-13.

[37]Jinn T L， Yeh Y C， Chen Y M， et al. Stabilization of soluble proteins in vitro by heat shock proteins-enriched ammonium sulfate fraction from soybean seedlings [J]. Plant Cell Physiol.，1989， 30（4）： 463-469.

[38]Jinn T L， Wu S H， Yeh C H， et al. Immunological kinship of class Ⅰ low molecular weight heat shock proteins and thermostabilization of soluble proteins in vitro among plants [J]. Plant Cell Physiol.， 1993， 34（7）： 1055-1062.

[39]王建義， 慈忠玲. 热激蛋白的研究进展[J]. 山西林业科技， 2008（1）： 27-32.

[40]Lee J， Song H， Han C T， et al. Expression characteristics of heat shock protein genes in two comparable inbred lines of Chinese cabbage， Chiifu and Kenshin [J]. Genes Genomics， 2010， 32（3）： 247-257.

[41]Hüttenhofer A， Schattner P， Polacek N. Non-coding RNAs： hope or hype？[J]. Trends Genet.， 2005， 21（5）： 289-297.

[42]沈慧. miR398参与白菜抗热性的分子机制研究[D]. 上海：中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所， 2013.

[43]Wang L， Yu X， Wang H， et al. A novel class of heat-responsive small RNAs derived from the chloroplast genome of Chinese cabbage （Brassica rapa）[J]. BMC Genomics， 2011， 12： 289.

[44]韩磊， 孙欣. 植物分子标记研究进展[J]. 现代农业科技， 2015（15）： 47-48.

[45]郑晓鹰， 王永建， 宋顺华， 等. 大白菜耐热性分子标记的研究[J]. 中国农业科学， 2002， 35（3）： 309-313.

[46]于拴仓， 王永健， 郑晓鹰. 大白菜耐热性QTL定位与分析[J]. 园艺学报， 2003， 30（4）： 417-420.