高温胁迫影响棉花生长及产量品质的生理与分子机理

马晓昕，李成林，张超，李慧霞，周克海，周晓箭，杨代刚*，高俊山*

（1. 安徽农业大学生命科学学院，合肥 230036；2. 中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000）

棉花在人们的日常生活中扮演着不可或缺的角色，在轻工业中也有举足轻重的地位。 在温室效应加剧的大环境下，温度成了当前作物栽培必须考虑的重要因素之一。高温会使多数作物光合等生理活动紊乱，甚至导致植株死亡，直接影响其产量。全球气温预计每10 年上升0.2 ℃， 这将导致气温在2100 年前比目前水平高1.8～4.0 ℃[1]。 田红等[2]对未来江淮流域的气候变化响应进行了预估，认为在21 世纪的后30 年（2071―2100 年），江淮流域年平均气温相对于基准气候将上升2.9 ℃，夏季高温天气将可能更频繁地出现，持续时间也将更长。 近年来因高温胁迫导致的棉花减产使棉花科技工作者意识到培育耐高温棉花品种迫在眉睫。长江流域棉区6－8 月气温高于35 ℃的天数平均可达14 d 左右，最长达28 d[3-4]。棉花在6－8 月会经历开花、结铃等重要生长时期，高温会对其产生多方面的影响。

经研究观察，一定范围内的高温可以促进棉花的生长发育。但若温度过高或长时间处于较高温度下，棉花种子的存活率、发芽率，苗期的株高、茎粗、叶片数量、叶面积、净光合速率，花铃期的开花情况、结铃率，皮棉产量、籽棉产量、棉纤维品质等均会受到影响，从而导致棉花减产甚至棉株死亡[6]。因此，研究棉花的耐热性，筛选出优良的耐高温棉花品种，对实现棉花的高产，提高其经济价值都有重大的意义。

1 高温对棉花种子萌发的影响

棉花品种不同，其种子适宜的萌发温度也有差别。但绝大多数棉花种子发芽和幼苗生长的适宜温度为28～30 ℃[7]。 在适宜温度下，种子吸收大量水分，增强呼吸作用及酶促反应，其贮藏的养分可迅速转变成胚能利用的可溶性状态。若超过这一温度范围，种子生长发育就会变缓，造成发芽率和出苗率降低，幼苗畸形，幼苗活力差，胚根和胚芽生长异常[8-10]。 其中脱落酸（Abscisic acid，ABA）的异常积累通常是高温胁迫抑制种子发育的内在原因[11]。

2 高温对棉花营养生长的影响

高温会造成某些植物茎和叶显著伸长 （欠成熟），但总生物量减少[12-13]。从根、茎、叶发育角度看，高温会导致棉花叶面积、叶鲜物质质量和干物质质量、主茎直径以及株高等相关性状的改变。 根系为作物输送水分和养分，而高温会导致根系不能深扎土壤，主根、侧根及茎的生长发育都会变慢[14]。 从植物细胞发育层面看，高温胁迫会造成细胞伤害甚至死亡，包括启动特定细胞或组织的程序性细胞死亡（Programmed cell death，PCD） 和较长时间高温胁迫导致的细胞逐渐死亡。 这2 种类型的死亡均可导致叶片脱落、花和果实败育，甚至整株植物的死亡[15-16]。从植株新陈代谢层面看，高温胁迫会导致相关酶活性被抑制，呼吸、光合作用受到影响，储存的糖分可能被耗尽[17]。

3 高温对棉花生殖生长及产量的影响

植物组织中，生殖器官对高温最为敏感。 高温下棉花蕾的发育、开花、授粉、受精等过程，种子及纤维的发育均会受到影响，从而造成生殖过程不正常，导致棉花蕾铃脱落，产量及品质降低[18-20]。 研究结果认为棉株从出苗、现蕾、开花及吐絮的最适温度为30 ℃，上限为35 ℃[21]。因此，35 ℃被认为是棉花生殖生长过程中的临界温度。棉花现蕾期与盛花期一般在7－8 月， 该时期江淮流域大部分时间最高气温达35 ℃，少数时间接近40 ℃。 这种高温天气会对棉花的生殖生长造成很大影响。

3.1 高温对棉花蕾发育的影响

高温胁迫对棉花蕾发育的影响主要体现在花粉发育的过程。 宋桂成等[22]认为，35 ℃以上持续性高温胁迫会严重影响棉花的花粉发育， 且蕾越小，对高温越敏感。 高温胁迫会造成花粉粒畸形、花药不开裂等不良后果，影响授粉、受精过程，进而导致蕾的脱落。

棉株现蕾后， 花粉发育主要经历以下过程：雄蕊原基首先分化出孢原细胞，经过平周分裂形成造孢细胞， 造孢细胞通过有丝分裂成花粉母细胞，花粉母细胞再形成小孢子，最后形成成熟花粉粒[23-25]。这一过程又可划为5 大时期， 包括造孢细胞时期、花粉母细胞时期、四分体时期、小孢子单核期和小孢子双核期[26]。 在这些时期中若持续受到高温胁迫，会导致小孢子的异常发育，并造成花药内空隙增大，外壁排列不整齐，花药不开裂，花粉粒败育或畸形，花粉量减少，花粉活力降低等现象。

3.2 高温对棉花花粉活力及花粉管发育的影响

可育花粉率、自交结铃率和不孕籽率是反映棉花育性的3 个关键指标，其中可育花粉率直接影响棉花的成铃率和产量[27]。 棉花花粉萌发的适宜温度为28～30 ℃， 超过32 ℃会抑制花粉的萌发[28-29]。Burke 等[30]研究发现，温度在20～37 ℃时，花粉萌发率较高， 当温度达到40 ℃时， 萌发率则快速降低。 Barrow[31]在恒温处理15 h 后测定花粉活力，指出43 ℃时所有的花粉将会被杀死。可见，花粉活力对温度较为敏感，可作为筛选耐高温棉花品种的重要指标之一。

高温胁迫也会影响到花柱中花粉管的生长，Song 等[32]分别在30 ℃、35 ℃、45 ℃下观察南抗3号棉花花粉管的生长情况， 发现35 ℃以上持续高温对花粉管生长的不利影响更大。 简言之，花粉是否完成受精不能以柱头萌发作为依据，只有当花粉管前端到达花柱基部及胚珠才能顺利完成受精，花粉管生长受阻则会影响受精。 试验表明35 ℃以上的温度对花粉管的生长有强烈的抑制作用，导致无法正常完成受精，进而导致产量下降。

3.3 高温对棉花成铃的影响

高温胁迫会影响棉花结铃率、 铃重等指标，进而导致棉花产量下降。 当盛花期出现高于33 ℃的持续性高温胁迫时，棉铃脱落率会持续增加，籽棉产量将大幅度降低。 研究表明，自35 ℃起，平均每升高1 ℃，皮棉产量可能减少110 kg·hm－2[33]。徐立华等[34]研究表明，在35 ℃持续高温的影响下，棉花胚珠数降低，不孕籽率相对增加，铃重则相对减轻。洪继仁[35]研究指出，若高温胁迫发生在盛花期花后5 d 内，会增加不孕籽率，导致秕子数增多，同时棉仁内粗脂肪及可溶性糖含量相应降低。

以上结果表明，棉花的生长发育受高温胁迫的影响，会导致棉铃脱落。 究其原因可能存在以下3点：①棉花根系受高温胁迫影响造成早衰，由此减弱了根系吸收水分和营养物质的能力；②棉株在高温下光合速率降低，呼吸作用增强，有机养分消耗过多，蕾铃缺少充足养分；③高温环境下叶片蒸腾作用增强，棉花可能出现生理性缺水[28]。

3.4 高温对棉花产量和品质的影响

龚照龙等[36]以20 份陆地棉作为材料，在高温胁迫等相同条件下，从光合生理特性、产量性状、纤维品质这3 个指标之间的关系来研究各品种间的相关性和差异性，得出棉花受高温胁迫后，蒸腾速率、净光合速率、胞间CO2浓度等指标存在显著差异，光合特性和产量性状存在极显著差异，纤维品质指标间差异不显著。 贺新颖[37]以泗棉3 号为研究材料，通过在铃期进行增温2～3 ℃（日均温31.1～35.2 ℃）试验，测定其产量品质指标，发现皮棉与籽棉产量大幅下降，纤维马克隆值和断裂比强度显著升高，纤维长度缩短，纤维品质变化显著，棉株光合能力、干物质积累能力等均受到高温影响。 表明在增温2～3 ℃条件下，棉株多处于热胁迫状态。刘少卿等[38]对29 种不同耐热性棉花种质进行离体培养， 分别在30、35、40、45 和50 ℃下测定花粉萌发率，并结合田间试验结果，将29 份棉花材料区分成4 种类型，即耐高温型、较耐高温型、高温较敏感型和高温敏感型。

龚照龙等[36]通过测定5 项生理指标——叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、光合水分利用率、胞间CO2浓度，以及单株结铃数、衣分、籽棉产量、皮棉产量、纤维长度、马克隆值、长度整齐度指数、断裂伸长率等10 个产量及品质性状的数据，总结出高温胁迫对不同棉花品种的光合特性和产量性状影响显著，单株结铃、铃重与净光合速率、蒸腾速率、水分利用率成正相关。 通过对以上数据进行差异性及相关性分析，再通过聚类分析可划分不同品种的耐热性类型。

4 高温对棉花主要代谢过程的影响

植物体内各种生理过程如光合作用、 呼吸作用、蒸腾作用等在高温下也会受到影响。 植物受到高温胁迫时会通过改变自身生理代谢活动，以应对高温的不利影响， 由此产生过量活性氧（Reactive oxygen species，ROS），会加速植物衰老。 高温亦会影响植物体内相关酶的活性，在分子层面会引起保护植株免受高温胁迫伤害的基因表达的改变，包括解毒酶、转运蛋白和调节蛋白等的编码基因[39-43]。

棉花生长过程中受到高温胁迫，并且伴随表型的改变，其生理生化指标必定与正常状态值有所区别，目前已发现部分生理生化指标可有效反映高温胁迫下植物的损伤程度[44-45]。

4.1 高温对棉花光合作用的影响

植物的生长发育离不开光合作用，在细胞代谢过程中，光合作用被认为是对高温最为敏感的过程之一[46-47]，而叶绿体中光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ） 的反应中心是产生ROS 的主要部位[48]。PSⅡ的最大效率与累积的ROS 间存在线性关系，研究结果表明， 高温胁迫会对光系统造成热损伤，导致光子吸收减少。 在这样的应力条件下，CO2同化会产生过剩的电子， 它们就是ROS 的来源[49]。 此外， 高温胁迫会严重抑制作物的光合与呼吸作用，在高温作用下，叶片气孔关闭，导致水分失衡，造成卡尔文循环中酶活性下降，从而使作物的光合作用受到影响[50-54]。 研究表明，高温对植物特别是C3植物光合作用能力的影响比C4植物更大[55]。而棉花作为C3植物， 高温胁迫可能会抑制叶绿体基质中的碳代谢和类囊体片层中的光化学反应，同时会显著影响叶片水分状况、气孔导度和胞间CO2浓度，对净光合速率也有较大影响。 邓茳明[56]研究发现，不同品种棉花受高温胁迫后净光合速率、 气孔导度、蒸腾速率等均有不同程度的降低，水分利用率有较大幅度的升高，但耐高温型棉花品种的净光合速率和气孔导度变化不明显。 因此，这2 个指标可以用于棉花耐高温性的评定。

4.2 高温对棉花呼吸作用的影响

高温胁迫通过直接影响呼吸酶活性，从而影响植物的呼吸作用[57]。 相关研究表明，在三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA 循环）过程中，高温对其中的酶反应影响不大，但会导致位于线粒体膜内侧的复合体解偶联或遭受破坏[58]。 植物呼吸作用包括细胞色素呼吸和交替呼吸，胡文海等[59]以鸡爪×吉林、正椒13 号2 个辣椒品种（杂交种）作为供试材料，试验组在昼夜温度为（45±2）℃/（35±2）℃下处理10 d， 对照组以28 ℃/18 ℃进行相同处理， 结果表明2 个辣椒品种的耐高温性均较强，同时在高温诱导下，辣椒的总呼吸作用和交替途径呼吸作用同时增强。 因此在高温条件下，增强呼吸作用，特别是交替呼吸极有可能成为提高棉花耐高温能力的方式之一。

4.3 高温对棉花保护酶活性的影响

高温胁迫会使对植物有害的ROS 大量积累，如单线态氧、超氧自由基、过氧化氢和羟基自由基[60]。为清除自由基，防止膜脂过氧化，减少逆境胁迫对植物细胞及植株的伤害，短时间内作物中的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）和抗坏血酸过氧化酶 （Ascorbate peroxidase，ASP）等的含量或活性将有所改变[61-62]。

邓茳明等[63]分别以耐高温、中度敏感与敏感型3 个棉花品系（HLY、XYM68 和TS18）为材料，在高温胁迫下测定其不同发育时期叶片和花药中SOD、POD、CAT 活性和丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量的差异。 结果显示，花药保护酶活性随发育进程而逐渐增加， 相较于高温敏感型品种，在花粉粒成熟期，耐高温棉花花药的SOD 和POD 活性相对更高； 而在整个发育时期，CAT 活性和MDA 含量则分别显著高于和低于敏感型材料。 科研人员可通过测定棉花不同时期相关保护酶活性，确定不同品种的耐热性。

5 棉花耐热的生理生化和分子机理

随着不同生理生化机理的发现，越来越多的分子研究方法便利了人们对植物耐热性的认知。相关研究发现，植物通过调节多种基因和协调不同途径基因的表达来适应非生物胁迫[64]。 热应激会导致几个热诱导基因上调表达，这些基因通常被称为“热休克基因”， 编码热休克蛋白（Heat shock protein，HSP）。HSP 是指生物体在短时间内接受高温（高于其正常生长温度8～12 ℃）时，停止合成正常蛋白而新合成的或含量增加的一系列蛋白质。这些蛋白质主要控制结构蛋白和功能蛋白的正确折叠和构象， 确保许多细胞蛋白在高温条件下的正常功能。HSP 对高温下植物的生存起着至关重要的作用[65]。试验表明，HSP 生成量与植物耐热性呈正相关，充当保护细胞免受高温伤害，同时修补被损伤蛋白质的分子伴侣作用[66-67]。 特征良好的HSP 可以分为5个不同的家族：HSP100 （或ClpB）、HSP90、HSP70（或DnaK）、HSP60（或GroE）和HSP20（或小热休克蛋白，sHSP）[68]。

丁自立等[69]发现植株体内的HSP 受早期高温胁迫诱导产生，棉株的耐热性相应提高，蕾铃脱落率也相应降低。 由此说明，HSP 与棉花耐热性紧密关联。 棉花中也存在多种热激转录因子，可通过过表达这些转录因子来显著提高棉花的耐热性[70]。 宋桂成[71]对陆地棉HSP基因进行克隆与分析得出，高温下sHSP2 基因可能在防止蛋白质变性及聚集沉淀、减少高温胁迫对棉花植株的伤害上起重要作用， 而HSP90 基因可能在减轻高温胁迫对陆地棉雄蕊的伤害上起重要作用， 同时得出35 ℃的培养温度可作为陆地棉花粉耐热筛选温度。

另外，还可以通过基因工程的方法提高棉花植株耐热性。 Lee 等[72]通过改变拟南芥中热激转录因子（AtHSF1）的活性，成功地改变了HSP基因的表达水平， 并获得了耐高温胁迫的转基因拟南芥。Katiyar-Agarwal 等[73]成功在水稻中过表达拟南芥hsp101 基因，提高了转基因水稻的耐热性。

因此，通过测定不同品种棉花热激转录因子相关基因表达量和HSP 功能可评价其耐热性， 通过基因工程方法亦能提高棉花的耐热性。

6 总结与展望

现阶段特别是在温室效应加剧的未来，高温胁迫是绝大多数作物面临的主要非生物性胁迫之一，对作物的产量产生直接影响，涉及农业生态、粮食安全等各个方面。笔者通过分析国内外相关研究进展，从棉花种子的萌发、植株的营养生长、棉株的生殖生长及产量、棉花的主要代谢过程、棉花的生理生化和分子机理5 个方面探究综述高温胁迫对棉花各个生长阶段的影响，为筛选适宜长江流域种植的棉花品种提供理论依据。

通过观察高温胁迫后棉花关键生长时期农艺性状， 发现其具有良好耐热性的表现主要包括：蕾期果枝数多，果枝节位较低，结蕾较多，落蕾数较少；花期结铃多、落铃少，散粉率高[74]。 通过测定籽棉产量和皮棉产量，计算铃重、衣分，并测定其纤维长度、断裂比强度和马克隆值，根据这些指标与耐热性的正相关关系来评定不同棉花品种的耐高温性[74]。 最后，可以利用这些数据构建棉花耐热性评价模型，根据耐热系数，运用主成分、聚类和逐步回归分析法进行耐热性综合评价[75]，从而筛选出适宜长江流域种植的棉花品种。

还可以通过基因工程方法提高棉花的耐热性。一是通过调控特定耐热基因的表达，从而调节细胞中相关HSP 的含量， 这些蛋白可以通过保护在热胁迫中受损的相关代谢系统（如光合作用、呼吸作用）来提升棉株的耐热性[76]。 另外，可以通过转基因使棉株获得相关的耐热功能。 此外，高温耐受性的组学研究进展也为探究棉花的耐热机理提供了思路，通过系统分析基因组、转录组、微型酶、蛋白质组和代谢组的变化与极端温度下植物的反应和变异之间的关系，来培育优良耐高温棉花品种。

在今后的棉花耐高温品种选育过程中，应筛选优良亲本[77-78]，探究现代化且多样化的育种方法，培育核心种质和专用种质，研究棉花与各种环境之间的相关联系，培育生态友好型、环境集约型的棉花新品种，以应对加剧的温室效应，在气候变化下保证棉花的产量与品质。