馬曉昕，李成林，張超，李慧霞，周克海，周曉箭，楊代剛*，高俊山*

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230036；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000）

棉花在人們的日常生活中扮演著不可或缺的角色，在輕工業(yè)中也有舉足輕重的地位。 在溫室效應(yīng)加劇的大環(huán)境下，溫度成了當(dāng)前作物栽培必須考慮的重要因素之一。高溫會使多數(shù)作物光合等生理活動紊亂，甚至導(dǎo)致植株死亡，直接影響其產(chǎn)量。全球氣溫預(yù)計每10 年上升0.2 ℃， 這將導(dǎo)致氣溫在2100 年前比目前水平高1.8～4.0 ℃[1]。 田紅等[2]對未來江淮流域的氣候變化響應(yīng)進行了預(yù)估，認(rèn)為在21 世紀(jì)的后30 年（2071―2100 年），江淮流域年平均氣溫相對于基準(zhǔn)氣候?qū)⑸仙?.9 ℃，夏季高溫天氣將可能更頻繁地出現(xiàn)，持續(xù)時間也將更長。 近年來因高溫脅迫導(dǎo)致的棉花減產(chǎn)使棉花科技工作者意識到培育耐高溫棉花品種迫在眉睫。長江流域棉區(qū)6－8 月氣溫高于35 ℃的天數(shù)平均可達14 d 左右，最長達28 d[3-4]。棉花在6－8 月會經(jīng)歷開花、結(jié)鈴等重要生長時期，高溫會對其產(chǎn)生多方面的影響。

經(jīng)研究觀察，一定范圍內(nèi)的高溫可以促進棉花的生長發(fā)育。但若溫度過高或長時間處于較高溫度下，棉花種子的存活率、發(fā)芽率，苗期的株高、莖粗、葉片數(shù)量、葉面積、凈光合速率，花鈴期的開花情況、結(jié)鈴率，皮棉產(chǎn)量、籽棉產(chǎn)量、棉纖維品質(zhì)等均會受到影響，從而導(dǎo)致棉花減產(chǎn)甚至棉株死亡[6]。因此，研究棉花的耐熱性，篩選出優(yōu)良的耐高溫棉花品種，對實現(xiàn)棉花的高產(chǎn)，提高其經(jīng)濟價值都有重大的意義。

1 高溫對棉花種子萌發(fā)的影響

棉花品種不同，其種子適宜的萌發(fā)溫度也有差別。但絕大多數(shù)棉花種子發(fā)芽和幼苗生長的適宜溫度為28～30 ℃[7]。 在適宜溫度下，種子吸收大量水分，增強呼吸作用及酶促反應(yīng)，其貯藏的養(yǎng)分可迅速轉(zhuǎn)變成胚能利用的可溶性狀態(tài)。若超過這一溫度范圍，種子生長發(fā)育就會變緩，造成發(fā)芽率和出苗率降低，幼苗畸形，幼苗活力差，胚根和胚芽生長異常[8-10]。 其中脫落酸（Abscisic acid，ABA）的異常積累通常是高溫脅迫抑制種子發(fā)育的內(nèi)在原因[11]。

2 高溫對棉花營養(yǎng)生長的影響

高溫會造成某些植物莖和葉顯著伸長 （欠成熟），但總生物量減少[12-13]。從根、莖、葉發(fā)育角度看，高溫會導(dǎo)致棉花葉面積、葉鮮物質(zhì)質(zhì)量和干物質(zhì)質(zhì)量、主莖直徑以及株高等相關(guān)性狀的改變。 根系為作物輸送水分和養(yǎng)分，而高溫會導(dǎo)致根系不能深扎土壤，主根、側(cè)根及莖的生長發(fā)育都會變慢[14]。 從植物細(xì)胞發(fā)育層面看，高溫脅迫會造成細(xì)胞傷害甚至死亡，包括啟動特定細(xì)胞或組織的程序性細(xì)胞死亡（Programmed cell death，PCD） 和較長時間高溫脅迫導(dǎo)致的細(xì)胞逐漸死亡。 這2 種類型的死亡均可導(dǎo)致葉片脫落、花和果實敗育，甚至整株植物的死亡[15-16]。從植株新陳代謝層面看，高溫脅迫會導(dǎo)致相關(guān)酶活性被抑制，呼吸、光合作用受到影響，儲存的糖分可能被耗盡[17]。

3 高溫對棉花生殖生長及產(chǎn)量的影響

植物組織中，生殖器官對高溫最為敏感。 高溫下棉花蕾的發(fā)育、開花、授粉、受精等過程，種子及纖維的發(fā)育均會受到影響，從而造成生殖過程不正常，導(dǎo)致棉花蕾鈴脫落，產(chǎn)量及品質(zhì)降低[18-20]。 研究結(jié)果認(rèn)為棉株從出苗、現(xiàn)蕾、開花及吐絮的最適溫度為30 ℃，上限為35 ℃[21]。因此，35 ℃被認(rèn)為是棉花生殖生長過程中的臨界溫度。棉花現(xiàn)蕾期與盛花期一般在7－8 月， 該時期江淮流域大部分時間最高氣溫達35 ℃，少數(shù)時間接近40 ℃。 這種高溫天氣會對棉花的生殖生長造成很大影響。

3.1 高溫對棉花蕾發(fā)育的影響

高溫脅迫對棉花蕾發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在花粉發(fā)育的過程。 宋桂成等[22]認(rèn)為，35 ℃以上持續(xù)性高溫脅迫會嚴(yán)重影響棉花的花粉發(fā)育， 且蕾越小，對高溫越敏感。 高溫脅迫會造成花粉?；巍⒒ㄋ幉婚_裂等不良后果，影響授粉、受精過程，進而導(dǎo)致蕾的脫落。

棉株現(xiàn)蕾后， 花粉發(fā)育主要經(jīng)歷以下過程：雄蕊原基首先分化出孢原細(xì)胞，經(jīng)過平周分裂形成造孢細(xì)胞， 造孢細(xì)胞通過有絲分裂成花粉母細(xì)胞，花粉母細(xì)胞再形成小孢子，最后形成成熟花粉粒[23-25]。這一過程又可劃為5 大時期， 包括造孢細(xì)胞時期、花粉母細(xì)胞時期、四分體時期、小孢子單核期和小孢子雙核期[26]。 在這些時期中若持續(xù)受到高溫脅迫，會導(dǎo)致小孢子的異常發(fā)育，并造成花藥內(nèi)空隙增大，外壁排列不整齊，花藥不開裂，花粉粒敗育或畸形，花粉量減少，花粉活力降低等現(xiàn)象。

3.2 高溫對棉花花粉活力及花粉管發(fā)育的影響

可育花粉率、自交結(jié)鈴率和不孕籽率是反映棉花育性的3 個關(guān)鍵指標(biāo)，其中可育花粉率直接影響棉花的成鈴率和產(chǎn)量[27]。 棉花花粉萌發(fā)的適宜溫度為28～30 ℃， 超過32 ℃會抑制花粉的萌發(fā)[28-29]。Burke 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，溫度在20～37 ℃時，花粉萌發(fā)率較高， 當(dāng)溫度達到40 ℃時， 萌發(fā)率則快速降低。 Barrow[31]在恒溫處理15 h 后測定花粉活力，指出43 ℃時所有的花粉將會被殺死。可見，花粉活力對溫度較為敏感，可作為篩選耐高溫棉花品種的重要指標(biāo)之一。

高溫脅迫也會影響到花柱中花粉管的生長，Song 等[32]分別在30 ℃、35 ℃、45 ℃下觀察南抗3號棉花花粉管的生長情況， 發(fā)現(xiàn)35 ℃以上持續(xù)高溫對花粉管生長的不利影響更大。 簡言之，花粉是否完成受精不能以柱頭萌發(fā)作為依據(jù)，只有當(dāng)花粉管前端到達花柱基部及胚珠才能順利完成受精，花粉管生長受阻則會影響受精。 試驗表明35 ℃以上的溫度對花粉管的生長有強烈的抑制作用，導(dǎo)致無法正常完成受精，進而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

3.3 高溫對棉花成鈴的影響

高溫脅迫會影響棉花結(jié)鈴率、 鈴重等指標(biāo)，進而導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降。 當(dāng)盛花期出現(xiàn)高于33 ℃的持續(xù)性高溫脅迫時，棉鈴脫落率會持續(xù)增加，籽棉產(chǎn)量將大幅度降低。 研究表明，自35 ℃起，平均每升高1 ℃，皮棉產(chǎn)量可能減少110 kg·hm－2[33]。徐立華等[34]研究表明，在35 ℃持續(xù)高溫的影響下，棉花胚珠數(shù)降低，不孕籽率相對增加，鈴重則相對減輕。洪繼仁[35]研究指出，若高溫脅迫發(fā)生在盛花期花后5 d 內(nèi)，會增加不孕籽率，導(dǎo)致秕子數(shù)增多，同時棉仁內(nèi)粗脂肪及可溶性糖含量相應(yīng)降低。

以上結(jié)果表明，棉花的生長發(fā)育受高溫脅迫的影響，會導(dǎo)致棉鈴脫落。 究其原因可能存在以下3點：①棉花根系受高溫脅迫影響造成早衰，由此減弱了根系吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的能力；②棉株在高溫下光合速率降低，呼吸作用增強，有機養(yǎng)分消耗過多，蕾鈴缺少充足養(yǎng)分；③高溫環(huán)境下葉片蒸騰作用增強，棉花可能出現(xiàn)生理性缺水[28]。

3.4 高溫對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

龔照龍等[36]以20 份陸地棉作為材料，在高溫脅迫等相同條件下，從光合生理特性、產(chǎn)量性狀、纖維品質(zhì)這3 個指標(biāo)之間的關(guān)系來研究各品種間的相關(guān)性和差異性，得出棉花受高溫脅迫后，蒸騰速率、凈光合速率、胞間CO2濃度等指標(biāo)存在顯著差異，光合特性和產(chǎn)量性狀存在極顯著差異，纖維品質(zhì)指標(biāo)間差異不顯著。 賀新穎[37]以泗棉3 號為研究材料，通過在鈴期進行增溫2～3 ℃（日均溫31.1～35.2 ℃）試驗，測定其產(chǎn)量品質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)皮棉與籽棉產(chǎn)量大幅下降，纖維馬克隆值和斷裂比強度顯著升高，纖維長度縮短，纖維品質(zhì)變化顯著，棉株光合能力、干物質(zhì)積累能力等均受到高溫影響。 表明在增溫2～3 ℃條件下，棉株多處于熱脅迫狀態(tài)。劉少卿等[38]對29 種不同耐熱性棉花種質(zhì)進行離體培養(yǎng)， 分別在30、35、40、45 和50 ℃下測定花粉萌發(fā)率，并結(jié)合田間試驗結(jié)果，將29 份棉花材料區(qū)分成4 種類型，即耐高溫型、較耐高溫型、高溫較敏感型和高溫敏感型。

龔照龍等[36]通過測定5 項生理指標(biāo)——葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、光合水分利用率、胞間CO2濃度，以及單株結(jié)鈴數(shù)、衣分、籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量、纖維長度、馬克隆值、長度整齊度指數(shù)、斷裂伸長率等10 個產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的數(shù)據(jù)，總結(jié)出高溫脅迫對不同棉花品種的光合特性和產(chǎn)量性狀影響顯著，單株結(jié)鈴、鈴重與凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率成正相關(guān)。 通過對以上數(shù)據(jù)進行差異性及相關(guān)性分析，再通過聚類分析可劃分不同品種的耐熱性類型。

4 高溫對棉花主要代謝過程的影響

植物體內(nèi)各種生理過程如光合作用、 呼吸作用、蒸騰作用等在高溫下也會受到影響。 植物受到高溫脅迫時會通過改變自身生理代謝活動，以應(yīng)對高溫的不利影響， 由此產(chǎn)生過量活性氧（Reactive oxygen species，ROS），會加速植物衰老。 高溫亦會影響植物體內(nèi)相關(guān)酶的活性，在分子層面會引起保護植株免受高溫脅迫傷害的基因表達的改變，包括解毒酶、轉(zhuǎn)運蛋白和調(diào)節(jié)蛋白等的編碼基因[39-43]。

棉花生長過程中受到高溫脅迫，并且伴隨表型的改變，其生理生化指標(biāo)必定與正常狀態(tài)值有所區(qū)別，目前已發(fā)現(xiàn)部分生理生化指標(biāo)可有效反映高溫脅迫下植物的損傷程度[44-45]。

4.1 高溫對棉花光合作用的影響

植物的生長發(fā)育離不開光合作用，在細(xì)胞代謝過程中，光合作用被認(rèn)為是對高溫最為敏感的過程之一[46-47]，而葉綠體中光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）和光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ） 的反應(yīng)中心是產(chǎn)生ROS 的主要部位[48]。PSⅡ的最大效率與累積的ROS 間存在線性關(guān)系，研究結(jié)果表明， 高溫脅迫會對光系統(tǒng)造成熱損傷，導(dǎo)致光子吸收減少。 在這樣的應(yīng)力條件下，CO2同化會產(chǎn)生過剩的電子， 它們就是ROS 的來源[49]。 此外， 高溫脅迫會嚴(yán)重抑制作物的光合與呼吸作用，在高溫作用下，葉片氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致水分失衡，造成卡爾文循環(huán)中酶活性下降，從而使作物的光合作用受到影響[50-54]。 研究表明，高溫對植物特別是C3植物光合作用能力的影響比C4植物更大[55]。而棉花作為C3植物， 高溫脅迫可能會抑制葉綠體基質(zhì)中的碳代謝和類囊體片層中的光化學(xué)反應(yīng)，同時會顯著影響葉片水分狀況、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，對凈光合速率也有較大影響。 鄧茳明[56]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種棉花受高溫脅迫后凈光合速率、 氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等均有不同程度的降低，水分利用率有較大幅度的升高，但耐高溫型棉花品種的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度變化不明顯。 因此，這2 個指標(biāo)可以用于棉花耐高溫性的評定。

4.2 高溫對棉花呼吸作用的影響

高溫脅迫通過直接影響呼吸酶活性，從而影響植物的呼吸作用[57]。 相關(guān)研究表明，在三羧酸循環(huán)（Tricarboxylic acid cycle，TCA 循環(huán)）過程中，高溫對其中的酶反應(yīng)影響不大，但會導(dǎo)致位于線粒體膜內(nèi)側(cè)的復(fù)合體解偶聯(lián)或遭受破壞[58]。 植物呼吸作用包括細(xì)胞色素呼吸和交替呼吸，胡文海等[59]以雞爪×吉林、正椒13 號2 個辣椒品種（雜交種）作為供試材料，試驗組在晝夜溫度為（45±2）℃/（35±2）℃下處理10 d， 對照組以28 ℃/18 ℃進行相同處理， 結(jié)果表明2 個辣椒品種的耐高溫性均較強，同時在高溫誘導(dǎo)下，辣椒的總呼吸作用和交替途徑呼吸作用同時增強。 因此在高溫條件下，增強呼吸作用，特別是交替呼吸極有可能成為提高棉花耐高溫能力的方式之一。

4.3 高溫對棉花保護酶活性的影響

高溫脅迫會使對植物有害的ROS 大量積累，如單線態(tài)氧、超氧自由基、過氧化氫和羥基自由基[60]。為清除自由基，防止膜脂過氧化，減少逆境脅迫對植物細(xì)胞及植株的傷害，短時間內(nèi)作物中的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）和抗壞血酸過氧化酶 （Ascorbate peroxidase，ASP）等的含量或活性將有所改變[61-62]。

鄧茳明等[63]分別以耐高溫、中度敏感與敏感型3 個棉花品系（HLY、XYM68 和TS18）為材料，在高溫脅迫下測定其不同發(fā)育時期葉片和花藥中SOD、POD、CAT 活性和丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量的差異。 結(jié)果顯示，花藥保護酶活性隨發(fā)育進程而逐漸增加， 相較于高溫敏感型品種，在花粉粒成熟期，耐高溫棉花花藥的SOD 和POD 活性相對更高； 而在整個發(fā)育時期，CAT 活性和MDA 含量則分別顯著高于和低于敏感型材料。 科研人員可通過測定棉花不同時期相關(guān)保護酶活性，確定不同品種的耐熱性。

5 棉花耐熱的生理生化和分子機理

隨著不同生理生化機理的發(fā)現(xiàn)，越來越多的分子研究方法便利了人們對植物耐熱性的認(rèn)知。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物通過調(diào)節(jié)多種基因和協(xié)調(diào)不同途徑基因的表達來適應(yīng)非生物脅迫[64]。 熱應(yīng)激會導(dǎo)致幾個熱誘導(dǎo)基因上調(diào)表達，這些基因通常被稱為“熱休克基因”， 編碼熱休克蛋白（Heat shock protein，HSP）。HSP 是指生物體在短時間內(nèi)接受高溫（高于其正常生長溫度8～12 ℃）時，停止合成正常蛋白而新合成的或含量增加的一系列蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)主要控制結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白的正確折疊和構(gòu)象， 確保許多細(xì)胞蛋白在高溫條件下的正常功能。HSP 對高溫下植物的生存起著至關(guān)重要的作用[65]。試驗表明，HSP 生成量與植物耐熱性呈正相關(guān)，充當(dāng)保護細(xì)胞免受高溫傷害，同時修補被損傷蛋白質(zhì)的分子伴侶作用[66-67]。 特征良好的HSP 可以分為5個不同的家族：HSP100 （或ClpB）、HSP90、HSP70（或DnaK）、HSP60（或GroE）和HSP20（或小熱休克蛋白，sHSP）[68]。

丁自立等[69]發(fā)現(xiàn)植株體內(nèi)的HSP 受早期高溫脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生，棉株的耐熱性相應(yīng)提高，蕾鈴脫落率也相應(yīng)降低。 由此說明，HSP 與棉花耐熱性緊密關(guān)聯(lián)。 棉花中也存在多種熱激轉(zhuǎn)錄因子，可通過過表達這些轉(zhuǎn)錄因子來顯著提高棉花的耐熱性[70]。 宋桂成[71]對陸地棉HSP基因進行克隆與分析得出，高溫下sHSP2 基因可能在防止蛋白質(zhì)變性及聚集沉淀、減少高溫脅迫對棉花植株的傷害上起重要作用， 而HSP90 基因可能在減輕高溫脅迫對陸地棉雄蕊的傷害上起重要作用， 同時得出35 ℃的培養(yǎng)溫度可作為陸地棉花粉耐熱篩選溫度。

另外，還可以通過基因工程的方法提高棉花植株耐熱性。 Lee 等[72]通過改變擬南芥中熱激轉(zhuǎn)錄因子（AtHSF1）的活性，成功地改變了HSP基因的表達水平， 并獲得了耐高溫脅迫的轉(zhuǎn)基因擬南芥。Katiyar-Agarwal 等[73]成功在水稻中過表達擬南芥hsp101 基因，提高了轉(zhuǎn)基因水稻的耐熱性。

因此，通過測定不同品種棉花熱激轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因表達量和HSP 功能可評價其耐熱性， 通過基因工程方法亦能提高棉花的耐熱性。

6 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段特別是在溫室效應(yīng)加劇的未來，高溫脅迫是絕大多數(shù)作物面臨的主要非生物性脅迫之一，對作物的產(chǎn)量產(chǎn)生直接影響，涉及農(nóng)業(yè)生態(tài)、糧食安全等各個方面。筆者通過分析國內(nèi)外相關(guān)研究進展，從棉花種子的萌發(fā)、植株的營養(yǎng)生長、棉株的生殖生長及產(chǎn)量、棉花的主要代謝過程、棉花的生理生化和分子機理5 個方面探究綜述高溫脅迫對棉花各個生長階段的影響，為篩選適宜長江流域種植的棉花品種提供理論依據(jù)。

通過觀察高溫脅迫后棉花關(guān)鍵生長時期農(nóng)藝性狀， 發(fā)現(xiàn)其具有良好耐熱性的表現(xiàn)主要包括：蕾期果枝數(shù)多，果枝節(jié)位較低，結(jié)蕾較多，落蕾數(shù)較少；花期結(jié)鈴多、落鈴少，散粉率高[74]。 通過測定籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量，計算鈴重、衣分，并測定其纖維長度、斷裂比強度和馬克隆值，根據(jù)這些指標(biāo)與耐熱性的正相關(guān)關(guān)系來評定不同棉花品種的耐高溫性[74]。 最后，可以利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建棉花耐熱性評價模型，根據(jù)耐熱系數(shù)，運用主成分、聚類和逐步回歸分析法進行耐熱性綜合評價[75]，從而篩選出適宜長江流域種植的棉花品種。

還可以通過基因工程方法提高棉花的耐熱性。一是通過調(diào)控特定耐熱基因的表達，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞中相關(guān)HSP 的含量， 這些蛋白可以通過保護在熱脅迫中受損的相關(guān)代謝系統(tǒng)（如光合作用、呼吸作用）來提升棉株的耐熱性[76]。 另外，可以通過轉(zhuǎn)基因使棉株獲得相關(guān)的耐熱功能。 此外，高溫耐受性的組學(xué)研究進展也為探究棉花的耐熱機理提供了思路，通過系統(tǒng)分析基因組、轉(zhuǎn)錄組、微型酶、蛋白質(zhì)組和代謝組的變化與極端溫度下植物的反應(yīng)和變異之間的關(guān)系，來培育優(yōu)良耐高溫棉花品種。

在今后的棉花耐高溫品種選育過程中，應(yīng)篩選優(yōu)良親本[77-78]，探究現(xiàn)代化且多樣化的育種方法，培育核心種質(zhì)和專用種質(zhì)，研究棉花與各種環(huán)境之間的相關(guān)聯(lián)系，培育生態(tài)友好型、環(huán)境集約型的棉花新品種，以應(yīng)對加劇的溫室效應(yīng)，在氣候變化下保證棉花的產(chǎn)量與品質(zhì)。