高温对棉花生殖生长及其生理生化过程的影响*

韩光明，蓝家样，陈全求，张成，张胜昔，李国荣

（湖北省农业科学院经济作物研究所/农业部长江中游棉花生物学与遗传育种重点实验室，湖北 武汉 4300640）

0 引言

作物在生长期内会受诸多非生物胁迫因子的影响，比如高温、干旱、盐碱和化学有毒物质等。随着全球气候变暖，高温逆境已成为影响作物生产的主要因子之一。温度通过化学反应直接影响植物的发育，或通过遗传和环境的互作间接影响。棉花不仅是我国重要的经济作物，同时也是我国重要的纤维作物，其作为喜温作物，温度是影响其生长和成熟的主要环境因素。棉花的生长发育周期长，因此棉花不同生长发育时期所处的外界环境温度不同。棉花种子萌发、幼苗生长、根发育、发芽、开花、皮棉产量和酶功能的最适温度为28℃±3℃，生长适宜温度范围在28℃～35℃[1-2]。邓茳明，等[3]2010年研究表明，棉花在高于适宜生长上限温度的高温胁迫下，日最高温度每升高1℃，皮棉产量将减少110 kg/hm2。每年由高温造成全球的作物损失超500亿美元。长江流域棉产区7～8月之间非预期的极端高温时段频繁发生，35℃以上的高温持续10～15天，此时棉花正处于开花和结铃盛期，极端高温的天气会严重影响棉花正常发育，导致生殖过程受阻，花药不易开裂，花粉活性严重下降，甚至败育，而且柱头快速伸长，蕾、花、幼小棉铃极易脱落，从而降低了成铃率和皮棉产量，同时也使得棉花纤维质量有所下降[4-6]。高温逆境已经成为影响棉花皮棉产量及其纤维品质的一个重要限制因素，因此，作者总结高温逆境对棉花生理生化指标的影响及其耐高温棉花种质资源的筛选方法和减缓高温胁迫危害的方法，旨在为棉花耐高温育种提供理论帮助。

1 高温胁迫对棉花花粉萌发的影响

高温会对棉花不同生殖阶段产生影响，比如花粉粒的形成，花粉的萌发和受精，胚囊的活力下降，进而导致棉铃脱落，棉花产量降低。棉花不同生育阶段的生长适宜温度不同，从播种到出苗的最适温度为25℃～30℃，从出苗到现蕾、现蕾到开花、开花到吐絮的最适温度均为30℃，上限温度为35℃。棉花有性生殖过程的最适温度为28℃～30℃，一般认为33℃以上的气温是有性生殖的高温[7-11]。导致棉花受到明显伤害的温度为35℃及以上，35℃以上的高温胁迫会使花粉粒的活性降低、花粉管停止伸长、畸形花粉粒增多，影响受精和开花结实[12-13]。Burke，等（2004）[14]研究发现，控制花粉萌发温度在20℃～37℃时，花粉有较高的萌发率，但当温度提高到40℃时，萌发率降低较快。31℃以下，花粉管长度没有显著变化，都可以维持在相对较长的水平，但是超过34℃，花粉管长度显著下降，这说明高温抑制了花粉的萌发和花粉管的伸长。Kakani，等（2005）[15]研究认为，棉花花粉管伸长的最适温度为28.6℃，而花粉的萌发最适温度为32.8℃，温度高于或低于此温度都将影响花粉管的伸长和花粉的萌发。郑东官，等（1995）[16]采用花柱基部花粉管穿刺法观察花粉育性，发现当温度高于35℃时，花粉育性下降；而利用培养基发芽法时发现，处理温度超过39℃时，花粉萌发率显著下降。开花期间日平均气温≥30℃，蕾铃脱落量增加，日平均气温≥32℃，造成蕾铃严重脱落，因此，35℃及以上气温被认为是影响棉花生长发育的极端高温[16-18]。

2 高温胁迫对棉花细胞膜和渗透势的影响

细胞膜不但能够维持胞内代谢环境的稳定，而且是调节、选择物质进出细胞的一道屏障。叶发林（2015）[19]研究表明，高温使细胞内超氧自由基、羟自由基、丙二醛（MDA）的产生与消除间的平衡被打破，导致细胞内超氧自由基、羟自由基、丙二醛等物质的大量积累，进而引起细胞膜蛋白与细胞膜内脂的变化，使细胞膜透性改变，从而使得细胞渗透性增加和电解质的大量外流，相对电导率明显增加。

渗透调节是植物忍耐和抵御高温逆境的一项重要生理机制，研究最多的渗透调节物质主要有可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等。可溶性蛋白不仅具有渗透调节的作用，而且能够在一定程度防止细胞质脱水[20]。植物体内可溶性蛋白质含量越高，则该品种的耐热性越强，高温条件下，耐热性差的品种可溶性蛋白含量减少的幅度要高于耐热性好的品种[21]。可溶性糖对植物细胞不仅有渗透调节作用，而且还具有保护细胞膜结构稳定的作用。为了适应不同逆境生存环境，植物会主动在体内积累一些可溶性糖，以此来降低渗透势和冰点，从而适应外界生存环境的改变[22]。李敏，等（2007）[23]研究发现，正常情况下，植物体内脯氨酸含量较低，但是当植物处于高温逆境环境时，游离脯氨酸含量就大大增加，这对植物体内的水分维持大有益处，从而避免植物受到伤害。此外，脯氨酸还可以抑制细胞膜透性的增大，使 MDA含量减少，同时抗氧化物质的含量的增加和抗氧化酶活性的提高与脯氨酸也大有关系，脯氨酸还可以减缓高温胁迫对氮代谢的影响，从而缓解高温胁迫对植物的伤害[24-27]。

3 高温胁迫对棉花保护酶的影响

植物细胞在高温逆境下利用多种方式产生活性氧造成氧化胁迫，但一定程度的高温胁迫往往会促使产生较高水平的耐热性，可是当高温胁迫超出一定范围后，活性氧生成速率加快，与此同时非酶性清除剂含量却在不断减少、活性氧酶性消除系统活性也在不断降低，这样就导致大量活性氧不能被有效清除，进而造成氧化伤害。植物主要通过酶促反应系统和非酶促反应系统来避免细胞遭受氧化损伤[28-29]。过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等是酶促反应系统中的重要保护酶[3,27,30]。因此，可以通过测定高温胁迫下抗氧化物质的活性强弱来判断植物耐热性强度。

4 高温胁迫对棉花内源激素的影响

内源激素是植物自身合成的一类活性物质，对植物细胞分化、生长发育、抗逆和衰老起到调控作用，作为一种化学信号调控细胞间、器官间、环境与植物间的相互作用。棉花则是通过调节内源激素的浓度在高温逆镜胁迫下建立一种新的平衡机制，从而减缓高温对棉花造成的严重伤害。在高温胁迫下生长素（IAA）对植物的影响比较复杂，不同植物及相同植物的不同部位对IAA的反应存在差异。童昌华，等(1994)[31]研究高温对蜜柑的影响，发现高温处理2d后，叶片中IAA含量明显升高，且高温处理后2d达到高峰，随后下降，但仍高于处理前；而高温处理对幼果中IAA含量则显著下降，且无法恢复正常浓度。可能高温胁迫在短时间内IAA能够促使植株的生长，而抑制生殖生长。脱落酸（ABA）能够促进植物休眠、抑制生长、促进气孔关闭、增加抗逆性[32]。大量实验表明，逆境可以诱导ABA的积累，对提高植物的抗逆性起着重要的作用。抗虫棉在遭遇高温胁迫时通过积累ABA来增强其抗逆性。因此，研究转基因棉花在高温等逆境胁迫下ABA的动态变化及响应机制具有重要意义。赤霉素（GA）广泛存在于植物中，具有打破休眠、促进营养生长、减少器官脱落、提高座果率等作用[33]。因GA能够促进生长，因此大家认为在高温逆境下，其含量常呈下降的趋势，而ABA抑制植物生长，在高温逆境下，其含量可能有上升的趋势。然而有研究发现，GA和ABA含量的高低取决于植物对高温胁迫的敏感性[34,35]。杨长琴，等(2003)[36]发现，随高温胁迫时间的延长，转基因抗虫棉的叶片中ABA和GA含量均呈先升后降的趋势，说明高温胁迫下植物叶片中ABA和GA的变化与植物本身的性质有密切关系。

5 高温胁迫对棉花蛋白的影响

现在生物学界有一致的观点，热激反应现象在真核生物细胞和原核生物细胞中都存在，是一种普遍的生理现象，热激蛋白的合成与生物耐热性的获得有密切关系，它们呈正相关。热激蛋白为细胞抗高温胁迫提供一种保护机制，高温胁迫下植物产生热激蛋白保护机体蛋白质免受破坏或修复已经损伤的蛋白，对植物体起到保护作用。热激蛋白主要分五大类：HSP100家族，HSP90家族，HSP70家族，分子伴侣GroEL和HSP60，小分子热激蛋白质（sHSP）家族[37]。HSP100分子伴侣家族是三磷酸腺苷酶家族成员之一，能够协调蛋白质复合体重聚；HSP90的主要功能是维持蛋白质的折叠，同时在信号传导、细胞循环的控制、蛋白质的解链和运输中也有关键作用；HSP70是重要的蛋白质折叠因子，也是细胞内重要的分子伴侣，它能够保护蛋白质聚合体，在正常和逆境条件下帮助蛋白质的正确折叠[36]。HSP60在新蛋白质的合成和新蛋白质的转移过程中起着重要的作用。除了热激蛋白在高温条件下变化外，还有很多相关蛋白也与植物的热激反应相关。泛素、胚胎发育后期富含蛋白（LEA）和脱水素在逆境防御的过程中也起到重要作用，LEA蛋白在干旱或者高温条件下能保护柠檬酸合酶[38,39]。宋桂成（2014）[40]研究表明，陆地棉sHSP2和HSP90基因可以提高植株叶绿素和热激蛋白含量，降低丙二醛的产生，提高植株耐热性。葛晓阳（2012）[41]研究表明，从陆地棉中分离出的小分子量热激蛋白基因sHSP7和sHSP8在高温胁迫下对植物有保护作用。

6 高温胁迫对棉花光合特性的影响

高温严重抵制植物的光合作用和呼吸作用，高温胁迫会大幅度降低植物叶片的净光合速率[42]。然而，耐高温特性较强的植物即使遭遇高温逆境胁迫时仍然能维持比较正常的生理状态，比如维持较高的气孔导度、光合速率和呼吸强度，以满足植物正常生长、发育以及生存的需要[43]。研究表明，高温胁迫会降解叶片中叶绿素的含量，降低CO2在细胞溶液中的溶解度，同时还会降低1，5-二磷酸核酮糖羧化酶对CO2的亲和力以及光合系统中起着关键作用元件的热稳定性，这些都会影响到植物的光合作用速率。除此之外，高温胁迫可能导致放氧复合体的解体，从而使得 PSII的电子链和放氧复合体失衡[37,44,45]。邓茳明(2010)[46]研究发现，高温胁迫前后功能叶各项光合指标除细胞间隙CO2浓度外均受不同程度影响，其中净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、气孔限制值有不同程度降低，水分利用效率有较大幅度升高，但耐高温型棉花品种的净光合速率和气孔导度却未受影响，说明这两个指标可以用于评价棉花耐热性。

7 缓解棉花高温胁迫危害的对策

伴随着工业化进程的加速，地球平均气温升高，极端高温频繁出现，这对棉花生长发育是非常不利的。然而，我们改变不了自然环境，只有从提高棉花品种的耐高温性上进行探索，来寻求出路。从育种的角度上，一是通过生理生化和产量构成等指标的测定及分子标记辅助选择的方法选育出一批耐高温的棉花材料；二是通过分子生物学手段克隆耐高温基因，并转化到综合性状优良的非耐高温棉花材料中去，从转基因后代中筛选耐高温材料；三是错期播种，在棉花盛花期躲避高温天气的危害。从栽培的角度上，一是灌水降温，在高温季节适时灌水，可以改善棉田小气候，地温下降1℃～3℃，从而降低高温的危害；二是喷水降温，当温度高于33℃时，给棉田进行喷水3～4次，既降温增湿又防日灼，宜在早晨进行；三是中耕松土，在高温季节松土，既能消灭杂草，减少病虫，又能疏松表土，消除板结，切断土壤毛管，防止水分蒸发。

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