观赏植物耐热性研究进展

许蓝心，田如男

(南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037)

高温胁迫下，植物各项生理进程均受到阻碍。大部分植物生长的适宜温度为15～28 ℃，但近年来，“温室效应”导致全球温度持续升高使植物生长发育面临严峻挑战。高温胁迫下植物各项生理指标及相应基因变化受到越来越多的关注，李爱国等[1]在2007年综述了高温胁迫对农作物生理生化代谢的影响，至今植物耐热性研究方面又取得了新的进展。近年来，田尉婧等[2]、刘克禄等[3]紧跟时代热点分别论述了高温胁迫下植物热激转录因子(Heat stress transcription factors, Hsfs)及相关基因变化，但只集中解释了高温胁迫下植物热激蛋白等某一项植物生理反应，并未对其他生理反应进行解释及总结，且均集中分析了农作物在高温胁迫下生理反应，忽略了园林观赏植物在高温胁迫下的生理反应。而今，持续高温环境严重制约了观赏植物引种工作，且严重影响了观赏植物的正常生长，影响其观赏价值。因此，本文根据近十年来国内外该领域的研究动态，以观赏植物为主阐述高温胁迫对植物微观结构、植物生理生化和基因表达的影响，总结了提高植物耐热性的方法，以期为研究观赏植物耐热性及观赏植物引种提供参考。

1 高温胁迫对植物解剖结构及细胞微观结构的影响

高温胁迫会直接影响植物的新陈代谢，耐热品种可通过适应性机制适应热胁迫。研究发现，杜鹃Rhododendron simsii的叶片解剖结构可影响其耐热性，叶片角质层厚度、气孔密度及宽度、栅栏组织厚度是影响杜鹃耐热性的主要叶片解剖结构性状，而叶片厚度、海绵组织厚度、上下表皮细胞长度和厚度、中脉厚度、气孔长度和孔径、组织结构疏松度与植株耐热性的关系不大[4]。耐热品种一般均具有叶肉细胞排列紧密、叶片表面有表皮毛及粉粒等特点[5]。彭永宏等[6]发现中华猕猴桃Actinidia chinensis耐热性品种具有叶片厚、栅栏组织与海绵组织比例大、气孔密度高等特点。耐热品种叶片下表皮气孔具有体积小、频度高、开张角度小及呈关闭状态等特点[7]，主要是因为在高温条件下，气孔的反应与植物的水分状况及叶片与周围水蒸气分压差有关，抗热品种能在高温下维持长时间较低的气孔阻挡[8]。

高温胁迫不仅影响植物叶片形态，还会影响植物细胞中的亚显微结构。研究发现柚子Citrus maxima在高温胁迫下，叶绿体膜损伤严重，类囊体松散[9]。甘蓝Brassica oleracea叶绿体、核膜、核仁等亚细胞结构受到损伤，感热品种叶绿体完全破裂，而线粒体结构无明显变化，这也进一步证明了线粒体比叶绿体具有相对稳定的热稳定性，这使得植物在高温条件下仍可正常进行呼吸作用，为植物提供能量，保证最基本的生命活动。Zhang等[10]发现在高温胁迫下，番茄Lycopersicon esculentum叶绿体膜损伤发生最早，推断叶绿体超微结构发生变化可能是其净光合速率下降的重要原因之一。

2 高温胁迫下植物生理生化变化

2.1 细胞膜透性

高温胁迫下，细胞原生质膜的结构和功能会受到伤害，从而引起细胞膜透性加大，电解质外渗，增大组织浸出液的电导率[11]。研究发现，高温胁迫下，不耐热植物相对电导率增加量显著高于耐热材料[12]。不同品种高羊茅Festuca arundinacea热稳定性不同，高温胁迫下其相对电导率变化不一[13]。当高温胁迫小于植物自身承受力时，植物会产生应激反应使叶片相对电导率呈上升趋势，将受伤叶片移至室温环境下，叶片损伤会恢复。但随着胁迫加强，其相对电导率增加，且相对电导率与胁迫时间成正比，即随着时间的积累，细胞膜受到的破坏逐渐加重，最终使细胞膜受到不可逆损伤[14]，表明相对电导率可以作为多数植物耐热性指标。

脂肪酸是构成生物膜的主要物质，饱和脂肪酸含量及饱和程度高，有利于保持膜在高温时的流动性和稳定性[15]。王飞等[16]发现，小麦Triticum aestivum在热胁迫下，三烯脂肪酸含量下降，且耐热品种变化强度高于热敏感品种，表明三烯脂肪酸含量可评价其耐热性。

2.2 抗氧化系统

植物抗氧化能力是耐热指标之一。植物在逆境胁迫下产生活性氧，从而造成氧化胁迫，正常情况下，超氧化物歧化酶(SOD)可以清除植物体内的氧自由基而保护植物。研究发现，高温胁迫抑制SOD、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性，耐热性强植物其保护酶活性高于热敏植物[17]。不同植物应对高温胁迫的生理机制不同，高温胁迫下，部分植物出现应激反应，使SOD、CAT、POD等抗氧化酶活性下降，随后进入适应性阶段，使抗氧化酶活性上升[18—19]，但随着胁迫加强与作用时间延长，植物受损程度加强，植物细胞代谢活动受阻，抗氧化酶活性下降[20—21]，植物最终受到氧化损伤，甚至死亡。菜豆Phaseolus vulgaris在不同程度高温胁迫下，SOD、POD等抗氧化酶有不同表现，这主要与胁迫程度和作用时间有关[22]，还与植物本身抗氧化酶适应的最佳温度有关。

高温胁迫下，植物细胞内氧自由基平衡受到破坏，使植物产生氧化损伤。丙二醛(MDA)是膜脂氧化作用下的产物，也是细胞膜被破坏的标志。研究发现，耐热品种可提高抗氧化酶活性从而保护自身免受氧化损伤，因此相较于耐热品种，高温胁迫下热敏品种的 MDA含量上升幅度较高[23]。但随着胁迫加强，其抗氧化保护酶活性下降，MDA大量积累，且MDA含量与其胁迫时间成正比[24—25]。林俊芳等[26]通过对各指标进行综合分析，发现MDA对茄子Solanum melongena幼苗耐热性影响较大，可以较好地反映出细胞膜完整状态，可作为植物耐热性鉴定的生理指标。

2.3 蒸腾强度

高温下，叶片增加蒸腾强度可降低表面温度，使叶片组织免受伤害。植物的水分状况以及叶片与周围水蒸气分压均可影响气孔的反应[8]。热胁迫下，小麦通过蒸腾失水降低叶温、增加细胞液浓度以及增加束缚水比例从而增强植株抗热性[7]。但张施君等[27]发现，高温下麝香百合Lilium longiflorum的蒸腾强度变化并没有明显规律，不同品种变化不一，认为蒸腾强度与百合抗热性无相关性。

2.4 光合作用

光合作用是能量代谢和物质转换的关键，高温胁迫下，植物最大光能转换效率 Fv/Fm、光能捕获效率 Fv′/Fm′和 PSⅡ电子传递效率下降[28]，甚至引发 PSⅡ反应中心的可逆失活[29]。研究发现，不同强度的胁迫引起光合作用受抑制的原理不一样，35 ℃胁迫下，净光合速率下降是由于气孔因素引起的，而在42 ℃高温胁迫下，是由非气孔原因引起的[30]。葡萄Vitis vinifera叶片PSⅡ电子传递链的供体侧和反应中心更容易受到伤害[31—32]。而耐热品种因具有较高的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、瞬间水分利用效率(WUE)，维持较高的光合固碳水平，最大光化学效率降低较小[33]，从而保证植物生长[34]。这与其他学者研究结果一致[35—36]。叶绿素在光合作用中起着重要作用，可通过叶绿素含量变化来判断植物的耐热性。陶志强等[37]发现在高温胁迫时，耐热型春玉米Zea mays可保持较高的叶绿素含量，从而维持较高的光能截获与利用。有研究表明，高温胁迫下，叶绿素含量虽降低，但Chl a/b升高[30]。高温胁迫下，葡萄叶片叶绿素含量呈低-高-低的波动，叶绿素下降是因为高温胁迫引起了水分胁迫[38]。

2.5 渗透调节物质

植物在逆境条件下通过代谢增加细胞溶质浓度，降低渗透势，从外界吸水保持膨压维持正常代谢。脯氨酶、可溶性糖是重要的渗透调节物质。实验表明，在高温下，脯氨酶和可溶性糖含量升高，且脯氨酶和可溶性糖积累越多，耐热性越强[6,17,24,39]。但郑宇等[14]发现，西洋杜鹃 Rhododendron hybridum在高温胁迫下，抗热品种与不抗热品种体内脯氨酶含量并无显著差异。灰岩皱叶报春Primula forrestii在不同温度下游离脯氨酶有不同的变化，这与灰岩皱叶报春本身的胁迫应答机制有关。在高温胁迫下，大花三色堇Viola × wittrockiana的可溶性糖含量先上升后下降[20]。

3 高温胁迫对基因表达的影响

高温胁迫下，一些特定基因会被激活，相应代谢产物和蛋白质水平随之增加，使植物免受高温伤害。膜稳定性、热激蛋白、热激转录因子、抗氧化等相关基因均与植物耐热性息息相关。研究发现，高温胁迫下，BcPLDγ基因表达上调使不结球白菜避免伤害[40]。热激转录因子控制热激蛋白的积累，逆境中可激活相应基因表达。Scharf等[41]首次报道了热激转录因子在番茄抵御热胁迫时的作用。将番茄SlHsfA3、LeHSP21基因分别转入拟南芥Arabidopsis thaliana、烟草Nicotiana tabacum中，发现这两基因均可提高模式植物耐热性[42—43]。玉米B族热激转录因子ZmHsf25，A族ZmHsf06、ZmHsf04位于细胞核中，在热胁迫下均表现为上调，将 ZmHsf25、ZmHsf04转化酵母，发现转基因酵母较转空载体酵母具有更强的耐热性[44—46]。赵立娜等[47]也发现小麦细胞核中存在 B族热激转录基因 TaHsfB2d，该基因可调控小麦耐热性，推测这一调控作用由水杨酸途径介导且依赖 H2O2存在。高温胁迫下，利用GeNorm等软件对茄子9个内参基因表达稳定性进行综合评价，发现SmEF1a和SmTRX 表达最稳定[48]，GLOS1、HSFA2和HSP70与葡萄耐热性息息相关，且随着温度的升高上调倍数增加[49]，表明合适的基因转录可显著提高植物耐热性。

4 提高植物耐热性途径

4.1 热锻炼

植物在高于正常生长温度又不造成明显伤害的高温下经过一段时间的锻炼，其抗热性会得到明显的提高，这种现象称为热锻炼[50]。经过热锻炼的多年生黑麦草Lolium perenne和高羊茅Festuca elata在高温胁迫下能保持较高的膜热稳定性和较低的膜脂过氧化物，提高了冷季型草坪草的耐热能力[51]。胡伟娟等[52]也发现，经过热锻炼的灰岩皱叶报春和滇北球花报春 Primula denticulata subsp.sinodenticulata核膜的热稳定性有所提高，叶肉细胞超微结构的破坏时间也延迟，显然热锻炼可以提高报春花属植物的耐热性。热锻炼也可通过提高植物亚细胞水平的抗氧化能力增强植物的耐热性。表明热锻炼是植物的一种适应性反应，在承受范围内，通过提高植物代谢水平，增强其抗热性。

4.2 使用生长调节剂

吕俊等[53]发现，水杨酸(SA)处理通过减少水稻Oryza sativa幼苗的电解质渗出，降低MDA含量，提高水稻幼苗中的过氧化氢、脯氨酸、谷胱甘肽(GSH)等的含量从而提高水稻幼苗的抗热性。葡萄叶片经 SA处理后可有效缓解高温对细胞膜、细胞膜质过氧化的伤害，从而提高葡萄的耐热性[54]。但有研究表明，SA对胞间CO2浓度影响不大。杜晓华等[20]也证明喷施SA可提高大花三色堇幼苗的耐热效果。另外，脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)均可提高植物耐热性[55]，茉莉酸甲酯效果优于钙和水杨酸[56]。辣椒Capsicum frutescens var. fasciculatum经Ca2+、SA处理后，耐热性都会有所提高，混合处理效果弱于单独处理，低浓度(10.00 mmol·L-1)下，Ca2+会提高辣椒耐热性，且效果最好，而高浓度(20.00 mmol·L-1)下的Ca2+会加重辣椒的高温伤害[57]。因此在采用植物生长调节剂提高植物耐热性时，应注意生长调节剂的喷施方法及浓度。

4.3 基因工程途径

植物耐热性是属于多基因控制的数量性状[31]。耐热品种与热敏感品种基因、蛋白质表达量差异显著[58]，表达模式因基因不同而不同。通过探索热激转录因子的功能和表达调控，将相关耐热基因克隆转化植物体，运用基因过量表达策略，从而提高热敏性植物耐热性。将番茄[42]、大豆[59]、百合[60]等植物的耐热相关基因转入模式植物，可显著提高模式植物的耐热性。主要原因是耐热基因可直接促进转基因植物热激响应基因的表达。

4.4 其他方法

高羊茅初级代谢产物升高或维持，可有效缓解高温胁迫，柠檬酸可参与三羧酸循环途径，其积累有助于提高高羊茅的耐热性[61]。小麦灌浆期经干旱处理，子代的耐热能力会提高，可能是因为光反应和卡尔文循环参与蛋白质的表达上调，提高抗氧化能力[62]。干旱预处理可有效提高草地早熟禾干旱敏感品种耐热性[63]。李胜利等[64]发现，冷激可有效缓解番茄幼苗的高温胁迫，提高番茄幼苗早期花芽分化的进程。另外，合理的园艺措施可降低植物的受热害程度，可采取平衡施肥、加强水肥管理、修剪与合理密植等技术，适当的氮钾比与适宜的氮水平可提高草坪草的耐热性。

5 展望

植物受伤害症状最先表现在形态上。高温胁迫下，植物表现出叶片大面积灼伤、花粉萌发率和结实率低等症状，故在评价植物耐热性时，可将叶子灼伤率、花粉萌发率、结实率等性状指标作为热胁迫评价指标，同时结合植物生理指标变化及相关基因表达，全面了解高温胁迫对植物的损伤机理，建立植物综合耐热评价体系。

植物耐热性的热激转录因子相关基因已有相当多的研究，通过探索热激转录因子功能和表达调控，将相关耐热基因克隆转化植物体，运用基因过量表达策略，从而提高热敏性植物耐热性[65]。但这些研究多集中在大豆[66]、番茄[67]、大白菜Brassica rapa pekinensis[68]、葡萄[69]等园艺作物上，园林观赏植物耐热性研究较少，大多只对生理指标变化进行探讨。随着全球变暖，部分木本观赏植物和多年生花卉也面临越夏困难的问题，采用传统的热锻炼、生长调节剂等方法只能减缓热胁迫对植物的伤害，不能从根本上解决热胁迫对植物的危害。因此，未来可从分子机理出发，探讨高温胁迫对园林植物相关基因表达的影响，或将耐热性植物的相关基因克隆转入热敏性植物，提高其抗热性。