马铃薯耐热性研究进展

王 旭，石 瑛，唐鑫华

（东北农业大学农学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

马铃薯（Solanum tuberosumL.）是茄科草本植物，世界上重要的粮食产物之一，性喜温凉，不耐高温。随着温室效应不断加剧，全球气候变暖带来的农业灾害不断增加[1]。高温胁迫是限制马铃薯栽培的主要非生物胁迫之一，对马铃薯生长发育以及产量建成都有较大影响[2,3]。因此，马铃薯耐热性研究是未来需要面临的一大重要课题。

在此背景下，本文综述了马铃薯在高温胁迫下生长发育和生理代谢的变化，马铃薯耐热性评价指标和马铃薯耐热机制，以期在全球气候变暖与极端天气频发的大背景下减少高温对马铃薯的损害、进一步保证马铃薯主粮化发展。

1 高温对马铃薯的影响

1.1 高温对马铃薯生长发育的影响

马铃薯喜温凉，高温对马铃薯的主要生育时期都有影响。Zhang 等[4]研究发现提高环境温度即导致热激发芽，高温胁迫明显地缩短了马铃薯块茎休眠时间，并揭示了这可能是由于赤霉素的富集引起的。Murigi 等[5]研究也证明了高温下马铃薯块茎发芽的抑制作用明显低于低温状态。戴鸣凯等[6]发现在35 和39℃时，马铃薯在苗期生长缓慢且叶片短小卷曲。在块茎形成期高温胁迫会抑制马铃薯的正常生长发育，并且使马铃薯块茎中总淀粉含量、支链淀粉以及直链淀粉含量下降[7]。班文慧等[8]提出施氮量150 kg/hm2可以缓解块茎形成期高温胁迫下马铃薯总淀粉含量、支链淀粉以及直链淀粉含量的下降幅度。Chen 和Setter[9]也发现高温会抑制马铃薯块茎生长期和膨大期的干物质积累速率。有学者认为适量的高温可以降低块茎数而增加单个块茎的重量[10]，但近来研究都认为高温胁迫在降低块茎数的同时也降低单个块茎的重量[8,11,12]，并导致产量大幅下降[7,8,12]。

1.2 高温对马铃薯生理代谢的影响

1.2.1 高温对马铃薯光合作用的影响

研究认为植物光合作用是高温胁迫下最先受到影响的生理进程之一[13]。高温对光合作用的影响主要表现在两个方面：一是通过影响气孔来限制CO2浓度间接影响光合作用；二是直接降低植物叶肉细胞的光合活性。路涛[14]通过对同为茄科的番茄研究发现，短期的轻度高温胁迫会增加番茄气孔开放程度与气孔密度，但在长期的高温胁迫下，番茄会对高温产生适应机制，气孔开放程度与气孔密度将会降低。冯朋博等[15]通过对马铃薯块茎形成期进行高温胁迫并研究其叶绿素荧光参数，表明高温降低了马铃薯叶片Fv/Fo以及Fv/Fm，即降低了PSⅡ中心活性和PSⅡ最大光化学效率。王星强[16]通过对马铃薯花后高温胁迫也得到相同荧光参数变化。研究表明，除了对PSⅡ有影响外，高温也会降低PSⅠ的活性，导致电子供体P700 降低[17]。研究发现高温会导致马铃薯叶绿素总含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量以及类胡萝卜素含量显著下降[7,16]。

1.2.2 高温对马铃薯抗氧化能力的影响

植物在逆境胁迫下会因为活性氧代谢失调，积累大量的活性氧（Reactive oxygen species， ROS），会严重影响细胞正常生理功能。在植物体内有活性氧清除系统，其中一类是超氧化歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase， CAT）等酶类清除系统[18]。丙二醛（Malonic dialdehyde，MDA）含量也是衡量植物过氧化程度的一个重要指标，MDA 含量越高说明植物受到胁迫的伤害越严重[19]。脯氨酸（Proline，Pro）被认为具有分子伴侣，清除活性氧，调控细胞稳态的作用，其含量也是逆害胁迫的重要指标[20]。研究表明，高温会大幅度增加马铃薯叶片MDA 含量，说明高温会引起马铃薯发生膜脂过氧化作用；且在高温胁迫下，Pro 含量也会大量积累，用于增强对高温胁迫的抵抗能力[6,7,15]。但在不同研究中，高温胁迫下SOD 活性、POD 活性和CAT 活性变化却并不完全一致。慕宇[7]和冯朋博等[15]研究表明这3 种酶活性在较长生育期内呈现先升高后降低的趋势，揭示高温会引起这3种酶活性的升高，但对马铃薯长时间温度胁迫严重影响马铃薯的生理代谢，影响这3 种酶活性。但在戴鸣凯等[6]的短期研究中SOD 活性变化与慕宇[7]、冯朋博等[15]研究相同，呈现先升高后降低的趋势；POD 活性在35℃时，7 d内呈现先升高后降低再升高的趋势，在39℃时，7 d内呈现先降低后升高的趋势；CAT 活性在35 和39℃7 d 内都呈现先下降后升高的趋势，且39℃时活性上升和下降趋势更加显著。

1.3 高温对马铃薯病害发生的影响

马铃薯常见病害分为真菌性病害，细菌性病害，病毒性病害。张晶晶[21]研究发现高温高湿有利于马铃薯晚疫病的蔓延，高温干旱会加重马铃薯疮痂病的病害，高温高湿对马铃薯青枯病发展有利。高温也有利于蚜虫的繁殖。蚜虫作为马铃薯病毒病的重要传播介体，可以传播马铃薯Y 病毒（Potato virus Y，PVY）、马铃薯A 病毒（Potato virus A，PVA）、马铃薯M 病毒（Potato virus M，PVM）和马铃薯卷叶病毒（Potato leafroll virus，PLRV）等[22]。

2 马铃薯耐热性评价

2.1 马铃薯耐热性评价方法

2.1.1 田间鉴定法

田间直接鉴定法在实际试验中较为少见，其过于依赖当年气候温度和当地地理位置，且无法进行重复性试验。常见在作物品种比较和区域试验中，用于确认某一品种的抗热性。

田间间接鉴定法在田间试验中较为常见，即在田间建设温棚等建筑提高田间温度进行高温胁迫。班文慧等[8]通过田间搭建高温棚构建高温环境用于研究施氮量对于马铃薯高温胁迫后的影响。冯朋博等[15]通过田间建设遮阴网降低温度，建设温棚提高温度。

2.1.2 人工模拟鉴定法

人工模拟鉴定法在试验中较为常见，其具体为通过人工调节温度模拟高温胁迫，用于栽培盆栽植株或试管苗，易于控制和恒定试验的胁迫温度，试验时间较短，但无法完全模拟大田环境且试验规模较易受限。郭新宇等[23]通过人工气候箱对不同马铃薯品种苗期的耐热性进行鉴定与评价。杨芳等[24]通过培养箱处理马铃薯组培苗来模拟高温环境。Singh 等[25]通过对不同耐热性的马铃薯试管薯研究来评估种质资源。

2.2 马铃薯耐热性评价指标

高温胁迫对马铃薯的影响从表型指标到生理生化指标都有体现，但从单一指标并无法准确评价一个品种的耐热性，需要综合指标来进行评价。

2.2.1 产量品质指标

产量指标主要体现在单株产量、单株结薯数、单位面积产量、单位面积商品薯产量等，淀粉含量、干物质含量、蛋白质含量、维生素C含量等是马铃薯重要的品质指标。唐鑫华等[26]通过测定干物质含量、淀粉含量与单株淀粉含量来探究表油菜素内酯对NaCl 胁迫下马铃薯品质的影响。罗文彬等[27]通过测定块茎中蛋白质、维生素C和钾含量来鉴定马铃薯不同品系的品质。

2.2.2 生长形态指标

生长形态指标主要表现在生长过程马铃薯植株的叶面积、茎粗、株高、分枝数、节间距等。吴玺等[28]通过测定马铃薯的株高与茎粗来研究干旱处理对马铃薯生长特性的影响。

2.2.3 生理生化指标

叶片叶绿素含量、光合生理参数、荧光参数等与马铃薯的光能利用率和光能转化率具有显著相关性；MDA 和 Pro 含量以及 SOD、CAT、POD 活性等主要反映马铃薯抗氧化能力，生理生化指标中测定这两组指标较为常见。冯朋博等[15]的研究中选取具有代表性的功能叶片分别测定了净光合速率、叶绿素荧光、MDA和Pro含量以及SOD、POD活性等来探究高温对马铃薯光合速率与抗氧化能力的影响。

2.2.4 综合评价

隶属函数法是综合评价马铃薯耐热性指标的常用方法，郭新宇等[23]通过隶属函数综合排序用于评价马铃薯苗期的耐热性，陈中钐等[29]通过隶属函数和聚类分析并通过回归分析建立了苦瓜耐热性评价回归方程。

3 马铃薯耐热性分子机制

3.1 高温影响马铃薯块茎形成的分子机制

高温影响马铃薯块茎的形成和产量，Lehretz等[30]研究中，FT 的同源基因SP6A的表达可以促进马铃薯块茎的形成，但他们发现高温时SP6A的特异小RNA 积累，该小RNA 被命名为SES，SES 可以抑制SP6A的表达从而抑制马铃薯块茎的形成，在通过过表达STTM抑制SES 后，可以提高马铃薯在高温胁迫时块茎品质。Park 等[31]通过表达SP6A转基因植株发现在高温处理第35 d 其表达量与正常温度的表达量呈现显著性差异，但在56 d 时SP6A过表达植株完全恢复高温所降低的SP6A的表达量，并结合转录组分析，得出包括SP6A在内的参与块茎发育的基因在高温胁迫时早期和晚期表现出不同的表达模式。

3.2 生物钟相关基因协调环境温度和植物生长发育的分子机制

高温下，马铃薯会发生徒长、株高显著增加[32]。Li等[32]揭示了在高温下转录抑制因子RVE5通过与转录抑制因子CCA1 竞争来调控ELF4的表达，从而控制ELF4的表达水平，并抑制下游生长相关基因，从而抑制植物在高温下的植株徒长。

3.3 油菜素内酯提高植物耐热性的分子机制

油菜素内酯（Brassinolide，BR）可以调节植物发育的各个方面，也与植物对热胁迫的反应有关，外源BR 可以提高拟南芥的耐热性。Chen 等[33]研究发现，过量表达ERF49使植物耐热性降低，而油菜素内酯可以通过调节BZR1的表达，抑制ERF49增强植株的耐热性。张瑞平等[34]研究发现油菜素内酯能够诱导植物交替呼吸途径来响应高温逆境，由油菜素内酯所诱导的交替呼吸途径一方面能够减少高温胁迫对光系统的损害，另一方面激活抗氧化系统来缓解植物的氧化损伤。

3.4 马铃薯热激转录因子和热激蛋白响应热胁迫的分子机制

热激转录因子在植物热胁迫中可以识别并结合热激元件，进一步调控热激蛋白的转录翻译[35]。唐锐敏等[36]通过从马铃薯品种‘Désirée’中克隆到StHsfA3基因，并通过过表达该基因获得转基因马铃薯株系，推测StHsfA3可能协同StHsp26-CP和StHsp70增强过表达转基因株系的耐热性。姚紫薇[37]也揭示了拟南芥通过高温诱导HSFB2b的表达来抑制下游热激蛋白的表达，负调控热形态建成。在该研究中，还揭示了HSFB2b可能通过抑制ST2A的表达维持茉莉酸含量，负调控热形态建成。杨芳等[24]通过对马铃薯热激蛋白HSP90 的研究，发现HSP90-伙伴蛋白复合体在高温胁迫下发挥调控作用进而提高马铃薯耐热性。

4 提高马铃薯抗热性途径

4.1 栽培方式

氮肥的施用对于马铃薯栽培尤为关键[38]。Bhattacharya 等[39]和班文慧等[8]通过改变施氮水平缓解了马铃薯高温胁迫损害。Xi等[40]通过施用外源亚磷酸盐显著缓解高温胁迫对马铃薯的不利影响。研究发现，外源施用油菜素内酯也可提高植株的耐热性[33]。研究表明高温会加重马铃薯的病虫害[21,22]，通过及时防治马铃薯病虫害，可降低病虫害对马铃薯产生的影响。

4.2 常规育种

中国马铃薯野生资源较少，对现有优质种质的挖掘和创新，是选育新品种的重要条件[41]。Tang等[42]对55 个品种鉴定发现，高温胁迫下植株叶片叶绿素含量和株高增加幅度较大的品种的块茎质量下降程度较小。Zhang等[11]通过对50个马铃薯品种耐热性鉴定发现早熟品种耐热性好于晚熟品种。Ufuk等[43]评价17个马铃薯基因型对高温胁迫的响应，确定茎干重（Haulm dry weight，HDW）、叶面积指数（Leaf area index，LAI）、光合速率（Photosynthetic rate，Pn) 、气孔导度（Stomatal conductance，Gs）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）、冠层温度（Canopy temperature，CT）和SPAD 值可能为筛选耐热基因型的有用性状。

4.3 分子育种

马铃薯分子育种在抗逆性育种中起到举足轻重的作用，分子育种与常规育种相结合为新品种的选育提供了新途径[44-46]。Zhu等[47]从二倍体马铃薯野生种中分离出SpHsfA4c基因，通过构建过表达转基因株系，提高了高温胁迫下马铃薯细胞膜稳定性、抗氧化能力和渗透调节能力。Gangadhar 等[48]在转基因马铃薯植株中过表达StGLP基因，通过触发ROS清除信号通路控制植株抗氧化和热应激基因的响应。研究表明，拟南芥芽和马铃薯叶片的热诱导基因表达重叠，马铃薯的热胁迫响应基因与干旱胁迫相关基因重叠[49]。

5 展 望

全球气候变暖形势加剧，粮食作物面临不同程度的减产问题[50]。马铃薯以独特的优势和地位在稳定国家粮食安全，提高农民收入上起到重要作用[51]。目前关于高温胁迫对于马铃薯的各种影响已较为明晰，但对于其分子机制的探讨仍然需要进一步的加强。优化栽培条件来减弱高温胁迫的损害仍需进一步探究；并深入探究马铃薯耐热性调控因子、构建互作网络、开发基因编辑技术，培育出耐热性更强的优质马铃薯品种。

通过分子育种和基因编辑[52]，培育创新耐热马铃薯种资资源，提高马铃薯单产和品质；在面对极端天气或气候变暖所带来的高温胁迫等不利环境时保障中国粮食安全。2015 年中国提出马铃薯主粮化，马铃薯为脱贫攻坚战取得全面胜利做出了巨大贡献，在全面建设社会主义现代化国家新征程中应充分挖掘马铃薯作为主粮作物的生产潜力，通过分子育种和基因编辑技术丰富种资资源，结合常规育种方法和优化栽培技术培育抗逆性品种，提高品质、增加单产，确保中国人的饭碗牢牢端在自己手中。