我國黃瓜耐熱性研究進展

孫亞玲，臧傳江，姚甜甜，李曉龍，岳林旭

（山東輕工農副原料研究所，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，莖細長，雌雄同株異花。黃瓜廣泛分布于世界各地，在蔬菜供應中有著重要的作用。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及印度北部地區[1]，屬喜溫性蔬菜，不耐熱，生長最適溫度為25～30℃，大于35℃則產生傷害。近年來，隨著溫室效應的加劇，高溫已成為限制黃瓜生長的主要因素之一，嚴重影響了其產量和品質[2]，是黃瓜夏季和保護地栽培生產中經常遇到和亟待解決的難題之一。本文從黃瓜生物學特性和主要經濟性狀、生理指標、耐熱性遺傳規律、耐熱性鑒定篩選方法及耐熱性分子機制等方面，綜述了高溫脅迫對我國黃瓜生長的影響。

1 高溫脅迫對黃瓜生長的影響

1.1 對黃瓜生物學特性和主要經濟性狀的影響

1.1.1 對根系生長的影響

1.1.2 對葉片的影響

黃瓜葉分為子葉和真葉。子葉貯藏和制造的養分，是幼苗早期的主要營養來源。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，易發生日灼病，病部被烈日曬成灰白色或淺白色革質狀，組織壞死發硬，幼苗徒長。馬德華等[5]研究發現，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，除葉片出現褪綠斑點癥狀外，更重要的是造成生殖障礙。

1.1.3 對生殖生長、產量和品質的影響

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

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

高溫直接導致黃瓜品質和商品性下降，具體表現為果柄變長，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，其中對畸形瓜、瓜皮硬度的影響達極顯著水平。孟令波等[2]對多個黃瓜品種進行了品質對照，發現高溫下VC含量呈下降趨勢，但高溫對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。各品種品質指標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 對黃瓜生理指標的影響

1.2.1 對光合作用和呼吸作用的影響

光合作用是產量形成的基礎，對溫度非常敏感。光合作用包括光反應和暗反應階段，且二者均會受到溫度的影響。高溫不僅影響黃瓜葉片的光能利用能力，同時也影響光合效率。早期的研究認為晝間高溫使光合速率降低是由于葉片氣孔導度的下降，使葉綠體內CO2的供應受阻，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隨著環境溫度的升高而增強，但在高溫環境中會引起植物凈光合作用的降低。高溫脅迫下植物發生光抑制的現象在許多植物上都有報道。光抑制有兩種情況，一是與葉片光合機構的破壞有關，二是與光合機構的熱耗散有關[7，8]。

“到底是怎么回事，部隊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。

呼吸作用為細胞生命活動提供所需能量，從而維持各種生理代謝的正常進行，其中間產物又能轉變為其他重要的有機物，是植物代謝中心。呼吸作用是一種酶促氧化反應，溫度高時，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 對蛋白質含量的影響

高溫脅迫直接引起植株體內蛋白質的變性和凝聚，從而使植物體遭受損害。在高溫脅迫條件下，構成蛋白質的多肽鏈被打斷，蛋白質分子的空間結構被破壞，蛋白質發生降解，可溶性蛋白質含量增加。高溫造成線粒體氧化磷酸化解偶聯喪失提供化學能量的功能，使蛋白質合成受阻而相繼出現熱害。研究表明，耐熱品種對高溫反應遲鈍，熱激蛋白誘導溫度高，蛋白質降解速率慢，氨基酸增幅較小；解除高溫脅迫后，耐熱品種的蛋白質合成比不耐熱品種恢復得快。而不耐熱品種對高溫反應敏感，熱激蛋白誘導溫度低（38℃、36 h），但給予較高的溫度（42℃、36 h）后熱激蛋白合成受抑制，可溶性蛋白質含量下降[10]。龐金安等[11]研究表明，總蛋白質含量與植物的耐熱性之間有密切關系。高溫處理后，不耐熱品種的自交系T94總蛋白質含量下降，而耐熱品種T55上升最多。這可能是由于T94耐高溫能力太弱，總蛋白質遭到嚴重破壞，合成不足所致。

1.2.3 對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，具有調節滲透及維持細胞膜結構穩定性的作用[11]。脯氨酸一般以游離狀態存在，可以防止植物水分散失和提高原生質膠體的穩定性。在高溫脅迫時，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。郭啟芳等[12]在小麥研究中發現，高溫脅迫下，植物滲透調節能力差，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[13]。Mattioli R等[14]發現耐熱黃瓜品種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。繆珉等[15]發現當遭遇高溫時，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 高溫脅迫對生物膜系統和抗氧化酶系統的影響

細胞膜具有選擇透性，各物質跨膜進出細胞是有序、可控的。當植物處于高溫脅迫時，對膜造成傷害，使生物膜透性受到不同程度的破壞。細胞膜結構一旦被破壞，會喪失選擇透性與主動吸收的特性，膜透性增大，細胞內部的原生質則會外滲。植物中MDA含量、相對電導率、H2O2和O2-含量會影響細胞膜系統，進而影響植物的生長。秦舒浩等[16]研究表明高溫強光會造成西葫蘆幼苗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（NBT）和DNB染色證明高溫強光會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]也發現，高溫強光會造成甜椒葉片MDA含量和相對電導率增加，損傷甜椒的細胞膜系統。

高溫脅迫可引起植株體內活性氧積累量的增加，這些活性氧若不及時清除，必然造成氧化脅迫，引起膜脂過氧化，導致膜系統受到破壞。為了避免這些傷害，植物在長期的進化適應過程中，形成了一整套酶促防御系統，它主要由超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、愈創木酚過氧化物酶（GPX）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）構成。SOD是存在于植物細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，產生H2O2。H2O2可以和O2-相互作用產生更多的氧自由基，對細胞形成危害；而CAT和POD具有分解H2O2的作用，從而減輕對細胞的危害。SOD等膜保護酶在遭受高溫之后發生不同的變化。

關于各種抗氧化酶具體發揮作用的效果，試驗報道結果并不完全一致。馬德華等[19]曾報道高溫下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活性持續上升且增加幅度較大，說明CAT和POD對高溫的反應不同，同時POD活性升高可以彌補CAT活性下降造成的對H2O2清除能力的降低。李建建等[20]研究發現，高溫處理后，植株體內POD與CAT活性增加，而SOD活性降低；他認為這是由于高溫逆境促進了部分活性氧形成，鈍化了SOD的活性；同時也說明，黃瓜植株在受到高溫脅迫時，植株體內主要通過提高POD與CAT活性來清除自由基。何曉明等[21]的試驗結果則發現耐熱品種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論明顯不一致。可見耐熱性與SOD活性的關系可能因試驗材料、高溫程度及脅迫時間的不同而有所差異，有必要進行深入研究。

2 黃瓜耐熱性的遺傳規律及分子標記研究

2.1 黃瓜耐熱性的遺傳規律

由于耐熱性研究起步較晚，有關耐熱性遺傳規律的研究很少。研究報道，黃瓜耐熱性受基因的控制，不同品種在形態性狀、生理性狀、個體水平和細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，但對其有關耐熱性遺傳規律研究并不多見。于拴倉等[22]研究表明，黃瓜耐熱性符合加性-顯性模型，以加性效應為主，顯性效應不顯著；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、不同生態型及不同品種間耐熱性的遺傳存在很高的多態性。近年來，在作物中利用栽培品種和野生種質資源進行耐熱性和HSPs表達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、野生種和不同生態型的遺傳多態性，對于找尋耐熱性的新QTLs位點是十分必要的。

2.2 黃瓜耐熱性分子標記的研究

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

目前，黃瓜分子標記的研究多集中在營養生長（如株高、側枝和葉色）、果實品質（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實等方面[25,26]，但與黃瓜耐熱性相關的分子標記的篩選還很少。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，檢測到3個黃瓜耐熱性的QTLs位點，3個位點距離最近標記的圖距分別為10.0 cm、12.9 cm和16.0 cm；貢獻率分別為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對黃瓜進行熱脅迫響應基因的分離和分子標記的篩選，結果得到SSR標記一個，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構建遺傳群體，檢測到1個SSR標記和9個SRAP標記與3個耐高溫QTLs連鎖，對耐高溫表型的總貢獻率達到32.3%。上述研究所應用的分子標記為AFLP、SRAP和SSR標記，由于標記數量的限制，檢測到QTL的貢獻率較小，而且與目標基因的連鎖距離均較大，其育種利用價值受限。

3 黃瓜耐熱性鑒定評價方法

作為蔬菜耐熱性的鑒定指標，要求準確可靠，能夠真實地顯示不同品種對高溫脅迫的反應，建立全面準確的黃瓜耐熱性鑒定方法和評價指標，對鑒定品種的耐熱性強弱、耐熱性機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價標準可分為四個方面，即外部形態、生理生化、內部結構以及分子生物學。有關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，以外部形態在高溫脅迫下的反常變化或經濟性狀變化為依據，較為直觀地評價黃瓜品種的耐熱性。此法的優點是簡單直觀，無需特殊儀器設備，又有產量結果；缺點是試驗結果易受環境因素影響，且重復性較差。為獲得可靠的試驗結果，必須進行多季節、多年份、多地點的重復鑒定，費工費時。

3.2 間接鑒定法

間接鑒定是在高溫條件下根據植物體內生理生化方面的不同反應，選擇與耐熱性緊密相關的生理或生化指標，借助合適的實驗手段，在實驗室或田間對植物進行耐熱性鑒定[30]。目前電導率法是被普遍承認的鑒定方法，研究表明，電導百分率法測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滲透量為50%的溫度（熱致死溫度）或時間（50℃致死時間）來表示。有研究報道，50℃的致死時間所表達的細胞膜的熱穩定性能準確的反映出植物耐熱性的大小。

這類方法優點是一般不受季節限制，而且快速準確，因此備受研究者的關注。其中外部形態或經濟性狀鑒定法較直觀，爭議較少，目前普遍承認的鑒定指標是商品瓜產量及其變化率；缺點是黃瓜生長周期長、易受環境因素影響。另外，也有研究認為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。

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變化來評價品種的耐熱性，如利用熱害指數或熱感指數作為評價標準。此方法優點是在實驗室內即可觀察結果，但缺點是易受設備、空間、性能等限制，這種方法難以實現大批量材料的鑒定。

研究發現，在人工模擬高溫條件下，將植株葉片受熱害情況分為4個等級，調查葉片的熱害指數。楊寅桂等[28]研究表明，在人工氣候箱內，42℃高溫對黃瓜幼苗處理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方法。黃瓜葉片熱害等級分為如下級別。0級：無受害癥狀；1級：子葉變微黃，葉片上有黃色斑點，葉緣微黃，心葉葉緣微黃；2級：子葉變黃，葉片小部分面積出現脫水變黃，心葉葉緣黃化干枯；3級：子葉黃化，邊緣壞死干枯，葉片大部分出現脫水變黃，邊緣壞死干枯，心葉大部壞死黃化；4級：子葉、幼葉與心葉全部壞死變黃干枯。

4 小結

以上研究說明，我國黃瓜耐熱性研究的內容，從植物生理生化水平來看已較為全面。特別是近幾十年來，分子生物學研究方法和技術手段得到飛速發展，植物逆境生理學的研究也更為深入。然而，有關黃瓜耐熱性品種的選育，仍多集中于傳統的育種方法，費時費力，難以實現品質、產量與耐熱的高度融合；并且在遺傳規律、分子標記與耐熱相關基因分離等耐熱性遺傳和熱害分子機理方面的研究較少，在黃瓜優良耐熱基因的定位方面尚缺乏系統深入的研究。未來黃瓜耐熱性的研究，應把重點放在基因型的表型彈性、熱脅迫下同化物分配、調節黃瓜耐熱性的因素等方面。這樣的研究與遺傳學途徑相結合，確定耐熱性相關的基因圖譜或QTL定位，不僅為耐熱性分子標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道路。