我國黃瓜耐熱性研究進(jìn)展

孫亞玲，臧傳江，姚甜甜，李曉龍，岳林旭

（山東輕工農(nóng)副原料研究所，山東 高密 261500）

黃瓜（Cucumis sativusL.）是葫蘆科甜瓜屬一年生蔓生或攀緣草本植物，莖細(xì)長，雌雄同株異花。黃瓜廣泛分布于世界各地，在蔬菜供應(yīng)中有著重要的作用。鮮嫩的黃瓜頂花帶刺，生食脆嫩爽口；腌漬和醬制的黃瓜，其碳水化合物、礦物鹽和抗壞血酸含量豐富。黃瓜除食用外，還具有食用、美容、藥用等功效，深受人們的喜愛。

黃瓜起源于喜馬拉雅山南麓的熱帶雨林地區(qū)及印度北部地區(qū)[1]，屬喜溫性蔬菜，不耐熱，生長最適溫度為25～30℃，大于35℃則產(chǎn)生傷害。近年來，隨著溫室效應(yīng)的加劇，高溫已成為限制黃瓜生長的主要因素之一，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)量和品質(zhì)[2]，是黃瓜夏季和保護(hù)地栽培生產(chǎn)中經(jīng)常遇到和亟待解決的難題之一。本文從黃瓜生物學(xué)特性和主要經(jīng)濟(jì)性狀、生理指標(biāo)、耐熱性遺傳規(guī)律、耐熱性鑒定篩選方法及耐熱性分子機(jī)制等方面，綜述了高溫脅迫對(duì)我國黃瓜生長的影響。

1 高溫脅迫對(duì)黃瓜生長的影響

1.1 對(duì)黃瓜生物學(xué)特性和主要經(jīng)濟(jì)性狀的影響

1.1.1 對(duì)根系生長的影響

1.1.2 對(duì)葉片的影響

黃瓜葉分為子葉和真葉。子葉貯藏和制造的養(yǎng)分，是幼苗早期的主要營養(yǎng)來源。真葉為單葉互生，是制造碳水化合物的功能葉。黃瓜幼苗的生長適溫為白天25℃左右，夜間15℃。苗期遇到40℃以上高溫，葉片萎蔫下垂，葉色變淡，易發(fā)生日灼病，病部被烈日曬成灰白色或淺白色革質(zhì)狀，組織壞死發(fā)硬，幼苗徒長。馬德華等[5]研究發(fā)現(xiàn)，42℃/38℃（日/夜）處理黃瓜幼苗2 d后，27.7%的幼苗死亡，未死亡的植株葉片邊緣干枯，受害明顯。黃瓜成株期受高溫脅迫后，除葉片出現(xiàn)褪綠斑點(diǎn)癥狀外，更重要的是造成生殖障礙。

1.1.3 對(duì)生殖生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

黃瓜生殖生長期主要包括花芽分化期、開花期和結(jié)果期。高溫對(duì)黃瓜生殖生長有明顯的影響，合適的高溫可促進(jìn)黃瓜提前開花，但在連續(xù)5 d或10 d遭遇每天45℃高溫3 h時(shí)易導(dǎo)致雄花落蕾，不能開花，開花數(shù)量顯著減少。黃瓜結(jié)果期溫度在35℃時(shí)，不耐熱品種的坐果率急劇下降，而耐熱品種在45℃時(shí)坐果率才略有下降。

苗期高溫對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響大于結(jié)果期，播種后10～50 d，苗齡越小，產(chǎn)量下降就越多。高溫使黃瓜花器官的機(jī)能下降，特別是夜溫較高時(shí)，呼吸速率加大，劇烈消耗碳水化合物導(dǎo)致花蕾發(fā)育不良，子房發(fā)育差而成為小雌花，往往在蕾期及開花后黃化凋萎，進(jìn)而單性結(jié)實(shí)率低，坐果不良，產(chǎn)量下降。

高溫直接導(dǎo)致黃瓜品質(zhì)和商品性下降，具體表現(xiàn)為果柄變長，橫徑變小，瓜長縮短，瓜肩干腐，尖嘴瓜、蜂腰瓜等畸形瓜率增加，果皮變硬，VC含量下降，其中對(duì)畸形瓜、瓜皮硬度的影響達(dá)極顯著水平。孟令波等[2]對(duì)多個(gè)黃瓜品種進(jìn)行了品質(zhì)對(duì)照，發(fā)現(xiàn)高溫下VC含量呈下降趨勢(shì)，但高溫對(duì)不同品種可溶性固形物含量的影響不一致，例如653-2等品種可溶性固形物含量增加，631等品種含量下降。各品種品質(zhì)指標(biāo)受高溫的影響亦不相同，如631高溫下畸形瓜率、畸形瓜變化率都很低，但瓜皮硬度及其變化幅度卻很大；653-2雖然高溫下瓜皮硬度及其變化幅度較小，但畸形瓜率及其增加幅度較大。

1.2 對(duì)黃瓜生理指標(biāo)的影響

1.2.1 對(duì)光合作用和呼吸作用的影響

光合作用是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，對(duì)溫度非常敏感。光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段，且二者均會(huì)受到溫度的影響。高溫不僅影響黃瓜葉片的光能利用能力，同時(shí)也影響光合效率。早期的研究認(rèn)為晝間高溫使光合速率降低是由于葉片氣孔導(dǎo)度的下降，使葉綠體內(nèi)CO2的供應(yīng)受阻，屬于氣孔限制因素引起的。說明高溫脅迫抑制光合速率，且脅迫時(shí)間越長，光合速率下降越快。黃瓜光合作用的最適溫度為25～33℃，溫度上限為42～44℃[6]。植物的光合作用在一定溫度范圍內(nèi)隨著環(huán)境溫度的升高而增強(qiáng)，但在高溫環(huán)境中會(huì)引起植物凈光合作用的降低。高溫脅迫下植物發(fā)生光抑制的現(xiàn)象在許多植物上都有報(bào)道。光抑制有兩種情況，一是與葉片光合機(jī)構(gòu)的破壞有關(guān)，二是與光合機(jī)構(gòu)的熱耗散有關(guān)[7，8]。

“到底是怎么回事，部隊(duì)撤退為什么不通知我們？師長啊，你這是在拿我們兄弟們的命在開玩笑！”夏國忠氣得一口鮮血涌上喉嚨，接著從嘴里噴了出來。

呼吸作用為細(xì)胞生命活動(dòng)提供所需能量，從而維持各種生理代謝的正常進(jìn)行，其中間產(chǎn)物又能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌匾挠袡C(jī)物，是植物代謝中心。呼吸作用是一種酶促氧化反應(yīng)，溫度高時(shí)，酶蛋白變性和失活，呼吸代謝減弱。耐熱品種的呼吸速率隨高溫脅迫先上升后下降，而不耐熱品種的呼吸速率則持續(xù)下降。耐熱品種比不耐熱品種具有較低的呼吸速率[9]。解除高溫脅迫后，耐熱品種的呼吸速率回升較快。

1.2.2 對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響

高溫脅迫直接引起植株體內(nèi)蛋白質(zhì)的變性和凝聚，從而使植物體遭受損害。在高溫脅迫條件下，構(gòu)成蛋白質(zhì)的多肽鏈被打斷，蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)被破壞，蛋白質(zhì)發(fā)生降解，可溶性蛋白質(zhì)含量增加。高溫造成線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)喪失提供化學(xué)能量的功能，使蛋白質(zhì)合成受阻而相繼出現(xiàn)熱害。研究表明，耐熱品種對(duì)高溫反應(yīng)遲鈍，熱激蛋白誘導(dǎo)溫度高，蛋白質(zhì)降解速率慢，氨基酸增幅較?。唤獬邷孛{迫后，耐熱品種的蛋白質(zhì)合成比不耐熱品種恢復(fù)得快。而不耐熱品種對(duì)高溫反應(yīng)敏感，熱激蛋白誘導(dǎo)溫度低（38℃、36 h），但給予較高的溫度（42℃、36 h）后熱激蛋白合成受抑制，可溶性蛋白質(zhì)含量下降[10]。龐金安等[11]研究表明，總蛋白質(zhì)含量與植物的耐熱性之間有密切關(guān)系。高溫處理后，不耐熱品種的自交系T94總蛋白質(zhì)含量下降，而耐熱品種T55上升最多。這可能是由于T94耐高溫能力太弱，總蛋白質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞，合成不足所致。

1.2.3 對(duì)游離脯氨酸含量的影響

植物中游離脯氨酸含量作為抗逆性指標(biāo)，具有調(diào)節(jié)滲透及維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用[11]。脯氨酸一般以游離狀態(tài)存在，可以防止植物水分散失和提高原生質(zhì)膠體的穩(wěn)定性。在高溫脅迫時(shí)，許多耐熱品種比不耐熱品種積累更多的游離脯氨酸，因而游離脯氨酸可以作為鑒定植物耐熱性的重要生化指標(biāo)。郭啟芳等[12]在小麥研究中發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，植物滲透調(diào)節(jié)能力差，脯氨酸含量增加，隨處理溫度的升高而升高。也有研究表明，在低溫條件下，番茄、黃瓜、茄子等幼苗的脯氨酸含量呈逐步上升趨勢(shì)[13]。Mattioli R等[14]發(fā)現(xiàn)耐熱黃瓜品種Poinsett 97比熱敏黃瓜品種Boothbyls Blonde的幼苗葉片具有更高的游離脯氨酸含量?？婄氲萚15]發(fā)現(xiàn)當(dāng)遭遇高溫時(shí)，熱敏品種新泰密刺花粉中游離脯氨酸含量銳減至極低水平，而耐熱品系華北型的XC-1和華南型的NY-1仍能維持較高的水平。

1.3 高溫脅迫對(duì)生物膜系統(tǒng)和抗氧化酶系統(tǒng)的影響

細(xì)胞膜具有選擇透性，各物質(zhì)跨膜進(jìn)出細(xì)胞是有序、可控的。當(dāng)植物處于高溫脅迫時(shí)，對(duì)膜造成傷害，使生物膜透性受到不同程度的破壞。細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)一旦被破壞，會(huì)喪失選擇透性與主動(dòng)吸收的特性，膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)部的原生質(zhì)則會(huì)外滲。植物中MDA含量、相對(duì)電導(dǎo)率、H2O2和O2-含量會(huì)影響細(xì)胞膜系統(tǒng)，進(jìn)而影響植物的生長。秦舒浩等[16]研究表明高溫強(qiáng)光會(huì)造成西葫蘆幼苗MDA、H2O2和O2-含量及膜透性的增加，影響植物的正常生長；王芳等[17]通過氯化硝基四氮唑藍(lán)（NBT）和DNB染色證明高溫強(qiáng)光會(huì)顯著增加花生幼苗葉片和根系H2O2和O2-含量，使花生膜脂過氧化的程度加劇。孫克香等[18]也發(fā)現(xiàn)，高溫強(qiáng)光會(huì)造成甜椒葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率增加，損傷甜椒的細(xì)胞膜系統(tǒng)。

高溫脅迫可引起植株體內(nèi)活性氧積累量的增加，這些活性氧若不及時(shí)清除，必然造成氧化脅迫，引起膜脂過氧化，導(dǎo)致膜系統(tǒng)受到破壞。為了避免這些傷害，植物在長期的進(jìn)化適應(yīng)過程中，形成了一整套酶促防御系統(tǒng)，它主要由超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶（GPX）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）構(gòu)成。SOD是存在于植物細(xì)胞中最重要的清除氧自由基的酶之一，其主要功能是清除超氧自由基，產(chǎn)生H2O2。H2O2可以和O2-相互作用產(chǎn)生更多的氧自由基，對(duì)細(xì)胞形成危害；而CAT和POD具有分解H2O2的作用，從而減輕對(duì)細(xì)胞的危害。SOD等膜保護(hù)酶在遭受高溫之后發(fā)生不同的變化。

關(guān)于各種抗氧化酶具體發(fā)揮作用的效果，試驗(yàn)報(bào)道結(jié)果并不完全一致。馬德華等[19]曾報(bào)道高溫下SOD活性急劇下降，其中耐熱品種下降幅度低；在SOD活性下降后，CAT活性開始下降，分解H2O2的能力降低；而POD活性持續(xù)上升且增加幅度較大，說明CAT和POD對(duì)高溫的反應(yīng)不同，同時(shí)POD活性升高可以彌補(bǔ)CAT活性下降造成的對(duì)H2O2清除能力的降低。李建建等[20]研究發(fā)現(xiàn)，高溫處理后，植株體內(nèi)POD與CAT活性增加，而SOD活性降低；他認(rèn)為這是由于高溫逆境促進(jìn)了部分活性氧形成，鈍化了SOD的活性；同時(shí)也說明，黃瓜植株在受到高溫脅迫時(shí)，植株體內(nèi)主要通過提高POD與CAT活性來清除自由基。何曉明等[21]的試驗(yàn)結(jié)果則發(fā)現(xiàn)耐熱品種SOD活性略高于不耐熱品種，無論是耐熱品種還是不耐熱品種，38℃高溫脅迫即可以使其SOD活性提高，其中耐熱品種SOD活性提高的幅度較大。這與馬德華等[19]和李建建等[20]報(bào)道的高溫脅迫后無論是耐熱或不耐熱品種SOD活性均下降，但耐熱品種的下降幅度小于不耐熱品種的結(jié)論明顯不一致?？梢娔蜔嵝耘cSOD活性的關(guān)系可能因試驗(yàn)材料、高溫程度及脅迫時(shí)間的不同而有所差異，有必要進(jìn)行深入研究。

2 黃瓜耐熱性的遺傳規(guī)律及分子標(biāo)記研究

2.1 黃瓜耐熱性的遺傳規(guī)律

由于耐熱性研究起步較晚，有關(guān)耐熱性遺傳規(guī)律的研究很少。研究報(bào)道，黃瓜耐熱性受基因的控制，不同品種在形態(tài)性狀、生理性狀、個(gè)體水平和細(xì)胞水平上都存在顯著的遺傳變異。目前存在耐熱的遺傳資源，但對(duì)其有關(guān)耐熱性遺傳規(guī)律研究并不多見。于拴倉等[22]研究表明，黃瓜耐熱性符合加性-顯性模型，以加性效應(yīng)為主，顯性效應(yīng)不顯著；廣義遺傳力和狹義遺傳力均較高。配合力分析表明：群體一般配合力方差與特殊配合力方差之比較高，群體廣義遺傳力和狹義遺傳力也較高，控制雜交組合耐熱性的主要是一般配合力。

黃瓜與其他作物一樣，野生種、不同生態(tài)型及不同品種間耐熱性的遺傳存在很高的多態(tài)性。近年來，在作物中利用栽培品種和野生種質(zhì)資源進(jìn)行耐熱性和HSPs表達(dá)的遺傳變化研究引起了人們高度重視[23,24]，比較作物栽培種、野生種和不同生態(tài)型的遺傳多態(tài)性，對(duì)于找尋耐熱性的新QTLs位點(diǎn)是十分必要的。

2.2 黃瓜耐熱性分子標(biāo)記的研究

廣義的分子標(biāo)記是指可遺傳的并可以檢測(cè)DNA的序列或蛋白質(zhì)。然而目前應(yīng)用最廣泛的是狹義的分子標(biāo)記，即DNA分子標(biāo)記，它能反映生物個(gè)體或種群間基因組中某種差異的特異性DNA片段。

目前，黃瓜分子標(biāo)記的研究多集中在營養(yǎng)生長（如株高、側(cè)枝和葉色）、果實(shí)品質(zhì)（如果形、果色、苦味、果瘤、光澤等）、抗病性（如枯萎病、白粉病、霜霉病等），以及性別決定和單性結(jié)實(shí)等方面[25,26]，但與黃瓜耐熱性相關(guān)的分子標(biāo)記的篩選還很少。楊迪菲[27]用耐熱品種631-1、不耐熱品種602親本雜交組合得到的F2分離群體中，檢測(cè)到3個(gè)黃瓜耐熱性的QTLs位點(diǎn)，3個(gè)位點(diǎn)距離最近標(biāo)記的圖距分別為10.0 cm、12.9 cm和16.0 cm；貢獻(xiàn)率分別為6.18%、10.36%和10.56%。楊寅桂等[28]以耐熱品種西雙版納和不耐熱品種二早子為材料，采用cDNA-AFLP對(duì)黃瓜進(jìn)行熱脅迫響應(yīng)基因的分離和分子標(biāo)記的篩選，結(jié)果得到SSR標(biāo)記一個(gè)，連鎖距離為19.3 cm。陳飛雪等[29]用耐高溫材料863-7和不耐高溫材料863-6構(gòu)建遺傳群體，檢測(cè)到1個(gè)SSR標(biāo)記和9個(gè)SRAP標(biāo)記與3個(gè)耐高溫QTLs連鎖，對(duì)耐高溫表型的總貢獻(xiàn)率達(dá)到32.3%。上述研究所應(yīng)用的分子標(biāo)記為AFLP、SRAP和SSR標(biāo)記，由于標(biāo)記數(shù)量的限制，檢測(cè)到QTL的貢獻(xiàn)率較小，而且與目標(biāo)基因的連鎖距離均較大，其育種利用價(jià)值受限。

3 黃瓜耐熱性鑒定評(píng)價(jià)方法

作為蔬菜耐熱性的鑒定指標(biāo)，要求準(zhǔn)確可靠，能夠真實(shí)地顯示不同品種對(duì)高溫脅迫的反應(yīng)，建立全面準(zhǔn)確的黃瓜耐熱性鑒定方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鑒定品種的耐熱性強(qiáng)弱、耐熱性機(jī)制和耐熱性育種具有重要意義。研究顯示，黃瓜耐熱性的鑒定與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可分為四個(gè)方面，即外部形態(tài)、生理生化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及分子生物學(xué)。有關(guān)黃瓜耐熱性的鑒定方法有很多，但還不能相互替代，只能相互補(bǔ)充，主要鑒定方法有田間直接鑒定、間接鑒定。

3.1 田間直接鑒定法

田間直接鑒定法是指在自然高溫條件下，以外部形態(tài)在高溫脅迫下的反常變化或經(jīng)濟(jì)性狀變化為依據(jù)，較為直觀地評(píng)價(jià)黃瓜品種的耐熱性。此法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，無需特殊儀器設(shè)備，又有產(chǎn)量結(jié)果；缺點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果易受環(huán)境因素影響，且重復(fù)性較差。為獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果，必須進(jìn)行多季節(jié)、多年份、多地點(diǎn)的重復(fù)鑒定，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

3.2 間接鑒定法

間接鑒定是在高溫條件下根據(jù)植物體內(nèi)生理生化方面的不同反應(yīng)，選擇與耐熱性緊密相關(guān)的生理或生化指標(biāo)，借助合適的實(shí)驗(yàn)手段，在實(shí)驗(yàn)室或田間對(duì)植物進(jìn)行耐熱性鑒定[30]。目前電導(dǎo)率法是被普遍承認(rèn)的鑒定方法，研究表明，電導(dǎo)百分率法測(cè)定黃瓜不同品種的耐熱性非常有效。作物的耐熱程度可用傷害性電解質(zhì)滲透量為50%的溫度（熱致死溫度）或時(shí)間（50℃致死時(shí)間）來表示。有研究報(bào)道，50℃的致死時(shí)間所表達(dá)的細(xì)胞膜的熱穩(wěn)定性能準(zhǔn)確的反映出植物耐熱性的大小。

這類方法優(yōu)點(diǎn)是一般不受季節(jié)限制，而且快速準(zhǔn)確，因此備受研究者的關(guān)注。其中外部形態(tài)或經(jīng)濟(jì)性狀鑒定法較直觀，爭(zhēng)議較少，目前普遍承認(rèn)的鑒定指標(biāo)是商品瓜產(chǎn)量及其變化率；缺點(diǎn)是黃瓜生長周期長、易受環(huán)境因素影響。另外，也有研究認(rèn)為38℃下脅迫60～72 h的胚根長度、SOD、POD等酶活力、脯氨酸及可溶性蛋白質(zhì)含量、MDA含量、葉綠素含量等都可以作為黃瓜耐熱性的鑒定指標(biāo)。

3.3 人工模擬直接鑒定法

人工模擬直接鑒定法模擬自然高溫脅迫，通過觀察植株的性狀指標(biāo)變化來評(píng)價(jià)品種的耐熱性，如利用熱害指數(shù)或熱感指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此方法優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)即可觀察結(jié)果，但缺點(diǎn)是易受設(shè)備、空間、性能等限制，這種方法難以實(shí)現(xiàn)大批量材料的鑒定。

研究發(fā)現(xiàn)，在人工模擬高溫條件下，將植株葉片受熱害情況分為4個(gè)等級(jí)，調(diào)查葉片的熱害指數(shù)。楊寅桂等[28]研究表明，在人工氣候箱內(nèi)，42℃高溫對(duì)黃瓜幼苗處理24 h，觀察子葉、幼葉、心葉、下胚軸及整株幼苗的熱害癥狀，提出了較為明確的熱害癥狀分級(jí)方法。黃瓜葉片熱害等級(jí)分為如下級(jí)別。0級(jí)：無受害癥狀；1級(jí)：子葉變微黃，葉片上有黃色斑點(diǎn)，葉緣微黃，心葉葉緣微黃；2級(jí)：子葉變黃，葉片小部分面積出現(xiàn)脫水變黃，心葉葉緣黃化干枯；3級(jí)：子葉黃化，邊緣壞死干枯，葉片大部分出現(xiàn)脫水變黃，邊緣壞死干枯，心葉大部壞死黃化；4級(jí)：子葉、幼葉與心葉全部壞死變黃干枯。

4 小結(jié)

以上研究說明，我國黃瓜耐熱性研究的內(nèi)容，從植物生理生化水平來看已較為全面。特別是近幾十年來，分子生物學(xué)研究方法和技術(shù)手段得到飛速發(fā)展，植物逆境生理學(xué)的研究也更為深入。然而，有關(guān)黃瓜耐熱性品種的選育，仍多集中于傳統(tǒng)的育種方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以實(shí)現(xiàn)品質(zhì)、產(chǎn)量與耐熱的高度融合；并且在遺傳規(guī)律、分子標(biāo)記與耐熱相關(guān)基因分離等耐熱性遺傳和熱害分子機(jī)理方面的研究較少，在黃瓜優(yōu)良耐熱基因的定位方面尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。未來黃瓜耐熱性的研究，應(yīng)把重點(diǎn)放在基因型的表型彈性、熱脅迫下同化物分配、調(diào)節(jié)黃瓜耐熱性的因素等方面。這樣的研究與遺傳學(xué)途徑相結(jié)合，確定耐熱性相關(guān)的基因圖譜或QTL定位，不僅為耐熱性分子標(biāo)記輔助育種提供幫助，也為克隆與鑒定黃瓜耐熱性遺傳因子鋪設(shè)道路。