柑橘高温热害生理作用机理研究进展（综述）

吴韶辉 朱美红

（ 1.浙江省柑橘研究所 台州黄岩 318026；2.嘉兴纽迪康生物科技有限公司）

柑橘高温热害生理作用机理研究进展（综述）

吴韶辉1朱美红2

（ 1.浙江省柑橘研究所 台州黄岩 318026；2.嘉兴纽迪康生物科技有限公司）

春夏之交，正值柑橘处于花期和生理落果期，在我国柑橘各主栽区尤其长江中下游柑橘产区，地处亚热带气候，常遇突发性高温天气，导致柑橘严重的落花落果、日灼果、不可逆的树体损伤甚至死亡等灾害，称为柑橘热害。柑橘热害在国内外柑橘产区都发生频繁，导致多地柑橘大幅减产甚至失收。如1917年，美国加州发生的37、38℃热害使脐橙几乎绝收。我国曾在1982、1985和1988年曾出现 3次热害，严重影响柑橘的产量，进而引起了各有关部门的高度重视。因此，热带、亚热带地区柑橘栽培及热害防治技术是近年柑橘栽培领域的研究热点之一。目前，国内外已就柑橘热害的影响展开大量的调查研究，对柑橘热害发生的气象因素、高温逆境胁迫下柑橘的生理生态反应研究取得了一定的进展。本文简要综述高温对柑橘产生的生理生化影响及其作用机理的研究进展，以期为避免高温热害的发生提供理论基础。

1 发生高温热害天气的界定

与植物热害有关的温度指针包括植物体温、土壤温度和空气温度，后两者统称环境温度，通常情况下，空气温度占主导地位，但是三者之间是相互联系和相互制约的。高温对柑橘的伤害程度取决于高温强度和作用时间，因此，柑橘高温热害的气象临界指针，尤其是温度临界值，是研究柑橘热害最受关注的焦点[1]。由于发生柑橘热害的地区相当广泛，温度记录的来源不同，应用温度的方式亦不统一，同时，不能完全排除高温外的其它气象因素（如风、湿度、蒸发等）的作用。生物学因素（品种抗性、树势强弱等），其它环境因素（如橘园局部的环境条件等）也同样会起作用，因此，对于柑橘热害发生高温临界值以及高温持续时间临界值，尚存争议。有研究认为，适宜柑橘生长的年平均气温要求在16～23℃，其生长温度范围是：最低（停止生长）12～13℃，最适23～24℃，最高（停止生长）37～39℃[2]。温度过低或过高都会限制柑橘的生长，尤其是对光合作用和抗氧化防御系统产生影响。

2 高温热害对柑橘生理的影响

2.1 高温破坏柑橘的抗氧化防御系统

植物为了抵抗高温胁迫引起活性氧增加所带来的伤害，激起或提高了体内清除活性氧、保护膜系统的抗氧化防御系统的活性。该系统主要由抗氧化酶类和小分子抗氧化剂类组成，前者包括POD（过氧化物酶）、CAT（过氧化氢酶）、SOD（超氧化物歧化酶）、AsA-POD（抗坏血酸过氧化物酶）和谷胱甘肽还原酶等，统称为细胞的保护酶系统。

高温胁迫下柑橘产生热害可以观察到抗氧化防御系统被破坏的过程。以枳幼苗为材料的研究中表明，对高温最敏感的是叶绿体中的SOD，当处理温度由30℃上升到38℃时，它的活性直线下降，而在此段温度内，MDA（丙二醛）的含量与电解质渗漏是缓慢增加的，与此相应，枳幼苗在形态上也没有任何伤害的症状出现，温度提高到40℃,叶绿体中的SOD失活，MDA的含量与电解质渗漏大幅度上升，相应的枳幼苗在形态上也出现热害症状。显然，高温使SOD失活，自由基清除能力下降，防御体系被破坏，生物膜受伤害从而形成热害[3]。高温胁迫使柑橘叶片中的ФPSII/ ФCO2明显升高，超氧自由基产生速率增加，H2O2和MDA含量上升，SOD、CAT、AsAPOD、G-POD（愈创木酚过氧化物酶）和DHAR（脱氢抗坏血酸还原酶）等抗氧化酶活性升高。在柑橘高温处理恢复阶段喷施AsA（抗坏血酸）能促进植株叶片恢复，表明高温胁迫使柑橘叶片光氧化作用加强，活性氧产生增多，叶片的膜脂过氧化作用增加，可能是高温伤害光合作用机构的重要原因[4]。彭昌操等人的研究也表明[5]，柑橘胚性愈伤组织的高温伤害似乎存在着一个阈值（40℃左右），在此阈值以下，温度对细胞膜脂过氧化的影响并不大，一旦温度超过这个界限，MDA含量剧增，标志着细胞膜脂过氧化程度的加快。

2.2 高温对柑橘光合作用的影响

光合作用对温度变化非常敏感，其最敏感的部位是光系统Ⅱ，植物的净光合速率随着温度的升高而降低，这在西南桦[6]、樟树[7]、桑树[8]、美国紫荆[9]、橡树[10]等研究中都有证实。

2.2.1 高温会引起光抑制现象。光照是影响柑橘光合作用强度的重要因素。在低光照条件下，光合速率随光照强度的增加而急剧增加；在高光照条件下，随着光照强度的增加，光合速率增加缓慢，当光照强度增加到某一临界点时，光合速率不再增加。高温天气通常多伴随着强日照，而柑橘的光合作用机构所接受的光能数量超过了光合作用所能利用的光能数量时，光合效率就会下降，这就是光合作用的光抑制（photoinhibition）。C 3植物在午间强光照射下容易发生光合作用的光抑制。

植物叶片吸收光能，进行光化学反应，形成同化力ATP和NADPH，推动光合碳同化。柑橘较其它木本果树来说，光能利用率低，如苹果可达到 2%～ 4%，而柑橘只有 0.2%。柑橘的光饱和点一般为600 μmol· m-2· s-1，且不同品种柑橘的光饱和点差异较大，如大三岛脐橙为1024.7～1077.3 μmol· m-2·s-1，而Fallago橘只有409.0～472.4 μmol·m-2·s-1[11]。柑橘光补偿点也存在一定的差异，如梦脐橙为10.3 μmol· m-2· s-1，罗斯福特脐橙可达66.5 μmol· m-2· s-1[12]。自然条件下，柑橘的光合速率不仅低于小麦、水稻等C 3作物和玉米等C 4作物，而且也低于美洲山核桃、桃、苹果、梨、葡萄、黑莓、无花果等其它果树[13]。

研究表明，温州蜜柑叶片无论经室外中午强光还是室内模拟强光处理，光合作用的表观量子效率(AQY)和光系统Ⅱ的光化学效率(Fv/Fm)均下降[14]。宋丽丽等在温州蜜柑上的研究结果也表明，温州蜜柑叶片叶绿素荧光参数Fm和Fv/Fm在日进程中，随中午光强的增加而下降[15]。一般认为，AQY和Fv/Fm降低是光抑制的两个最明显特征[16]。由此可见，柑橘叶片容易发生光合作用的光抑制。Fm(最大荧光)降低也是光抑制的一个重要指标[17]。研究表明，柑橘叶片经强光照射后，Fm显著下降，进一步说明了柑橘存在光抑制。

2.2.2 高温引起碳同化能力下降。Rubisco是光合碳同化的关键酶，也常被称为光合作用的限速酶，其活性与光饱和点的光合速率之间存在良好的相关关系[18]；而Pn-Ci曲线的初始斜率通常被称为羧化效率，反映了RuBPcase的活性，RuBPcase则被广泛用于分子环境胁迫条件下光合作用的限制部位研究[19]。高温胁迫下，温州蜜柑羧化效率及高CO2浓度下的光合作用速率降低，说明高温胁迫使RuBPcase活性下降，RuBP再生速率降低，碳同化作用受抑制严重。研究表明，当叶片温度达到37℃时，CO2的同化能力下降，尤其是在大气干燥的条件下[20]。当气温高达38～40℃时，在这种环境中生长25 d的温州蜜柑和脐橙，由于高温诱导了PsII反应中心的破坏，导致了净光合速率下降[21]。柑橘果实接近成熟时，由于卡尔文循环活性下降，光合碳同化能力下降，而且对高温胁迫很敏感（Smillie，1992）[22]。

2.3 高温影响叶绿素合成

叶绿素在光化学反应中起着重要作用，叶绿素 a是植物利用日光能的主要色素，叶绿素 b为辅助色素。研究表明[4]，高温胁迫下温州蜜柑和脐橙的叶绿素总量、叶绿素 a和叶绿素b含量均有下降，Chla/Chlb值也下降。高温胁迫会引起叶绿素含量减少。其原因可能有两个：一是高温胁迫影响叶绿素生物合成的中间产物 5-氨基酮戊酸和卟啉IX的生物合成，从而降低了叶绿素的生成量[23,24]；二是高温胁迫下发生光氧化反应，使植物体内的活性氧产生量上升，导致叶绿素含量减少[25]，甚至会引起光对叶绿素的漂白。Kaiser等的研究表明，羟自由基（·OH）、超氧自由基（ O2-）等活性氧破坏DNA、蛋白质、碳水化合物以及膜脂等生物分子结构，引起叶绿素分子的降解是叶绿素漂白的重要原因[26]。在温州蜜柑和脐橙的热害生理研究中发现高温胁迫下植株顶部有部分叶片出现漂白现象，进一步推断高温胁迫下活性氧产生量增多导致叶绿素含量减少，且高温对叶绿素 a集中较多的光系统II反应中心蛋白复合体的伤害较大[4]。

2.4 高温对柑橘内源激素的影响高温会引起柑橘内部生理发生许多变化，包括内源激素含量的变化。高温热害对柑橘内源IAA（吲哚乙酸）、ABA（脱落酸）含量产生影响，影响效果因组织不同而异。童昌华等对兴津温州蜜柑于花期进行高温（30～35℃）处理，结果表明高温处理使叶片IAA含量增加而幼果中IAA含量下降，幼果中ABA含量显著提高[27]。幼果主要通过激素从树体调运养分与水分，而高温使幼果中的IAA含量降低，从而加剧落果。同时，高温胁迫破坏了维持细胞正常代谢的内膜系统，致使膜透性增加和细胞代谢失调，进而引发一系列的次生反应，如乙烯水平的剧增，启动或诱发了与脱落有关酶类如纤维素酶、多聚半乳糖醛酸酶和过氧化物酶等的合成增加，加速了幼果的脱落，而随后ABA的释放高峰也加速了花和幼果的脱落速率[28,29]。

3 柑橘高温热害今后的研究方向

除了上述光合作用、碳同化、激素变化等高温热害对柑橘生理作用外，高温对柑橘树体营养如蛋白质的合成、氨基酸含量及水分循环、矿质营养等都存在影响。同时由于遗传差异性的存在，不同柑橘品种间的耐热性不同，高温对其生理生态影响情况也不同。

柑橘热害研究虽已取得了一定的进展，但针对柑橘类果树的热害作用机理研究远远落后于其他经济作物，今后仍需进一步加强柑橘耐热性的遗传和生理生化研究，为生产上选用耐热品种、砧木提供理论和现实依据。

[ 1]胡安生,管彦良,蒋斌芳等.柑橘高温热害及防护技术[J].农业环境保护，1997,16( 3): 102～107

[ 2]何天富.柑橘学[M].北京:中国农业出版社,1999:532

[ 3]胡安生,管彦良,蒋斌芳等.高温胁迫与枳幼苗超氧化物歧化酶活性和脂质过氧化作用的关系[J].浙江农业科学，1995,8( 2):1～ 6

[ 4]周慧芬.高温胁迫对柑橘光合机构运转的影响[D].杭州:浙江大学.2003

[ 5]彭昌操,孙中海,马湘涛.高温对柑橘超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的影响[J].湖北民族学院学报(自然科学版)，1999,17( 1):27～30

[ 6]陈志刚,谢宗强,郑海水.不同地理种源西南桦苗木的耐热性研究[J].生态学报,2003,23 (11):2327～2332

[ 7]田大伦,罗 勇,项文化等.樟树幼树光合特性及其对CO2浓度和温度升高的响应[J].林业科学, 2004,40（ 5）:88～92

[ 8]Chaitanya K V,SundarD,Reddy A R.Mulberryleafmetabolism underhigh temperature stress[J].Biologia Plantarum, 2001,44：379～384

[ 9]Griffin J G,Ranney T G,Pharr D M.Heat and drought influence photosynthesis, water relations,and soluble carbohydrates of two ecotypes of redbud(cercis Canadensis) [J].J.Amer.Soc.Hort.Sci,2004,129:497～502

[10]Hamerlynck E,Knapp A K.Photosynthetic andstomtalresponsestohightemperature and light in two oaks at the western limit of their range[J].Tree Physiology,1996,16: 557～565

[11]Lea CJD，Syvertsen JP.How nitrogen supply affects growth and nitrogen uptake, useefficiency,andlossfrom Citrus seedlings.J A m Soc Hort Sci,1996.121( 1): 105～114

[12]Keutgen N,Chen K.Responses of citrus leaf photosynthesis chlorophyll fluorescence macronutrient and carbohydrate contents to elevated CO 2[J].J Plant Physiol，2001,158 (10):1307～1316

[13]Andersen PC.Leaf gas exchange of 11 speciesoffruitcropswith referenceto sun-tracking/non-sun-tracking responses[J].Can J Plan t Sci，1991,71( 4):1183～1193

[14]郭延平,张良诚,洪双松等.温州蜜柑叶片光合作用的光抑制[J].园艺学报，1999,26( 5): 281～286

[15]宋丽丽,郭延平,徐凯等.温州蜜柑叶片光合作用光抑制的保护机理[J].应用生态学报，2003,14( 1):47～50

[16]Demmig B,Bj¨orkman O.Comparison of the effect of excessive light on chlorophyll fluorescence(77K)and photon yield of O 2 evolution in leaves of higher plants[J].Planta，1987,171( 2):171～184

[17]Demming B,Winter K,Krüger A,et al.Photoinhibition and zeaxanthin formation in intact leaves[J].Plant Physiol，1987，84 ( 2):218～224

[18]BjorkmanO.Responsestodifferent quantum flux densities[A].In:Lange OL, NobelPS,Osmond CB,ZieglerH(eds).EncyclopediaofplantPhysiology[C],Ns, Vol,12A:Interactionwith thephysical environment.New York:Spring-Verlag，1981, 57～107

[19]FarquarGD，Sharkey TD.Stomatal conductanceandphotosynthesis.Annu Rev Plant Physiol，1982,33:317～345

[20]BrakkeM,Allen LH.Gas-exchangeof citrus seedlings at different temperature, vapor-pressuredeficits，and soil-water contents[J].Journalof theAmerican Society forHorticulturalScience，1995, 120:497～504

[21]GuoYP,GuoDP,Zhou HF,etal.Photoinhibition and xanthophyllsCycle activity in bayberry(Myrica rubra)leaves induced by high irradiance.Photosynthetica，2006,44:439～446

[22]SmillieRM.Calvincycleactivityin fruitand theeffectof heat-stress.Scientia Horticulturae.1992,51:83～95

[23]LiuLP.Effectof temperatureon peroxidasesiozymesinwinterwheat seedlings[J].Acta Agricultureae Boreasle Sinica，1995,10:59～64

[24]ElstnerEF.Oxygenactivationand oxygen toxicity[J].Ann Re Plant Physiol，1982,33:73～96

[25]陈文峻，蒯本科.植物叶绿素的降解[J].植物生理学通讯，2001,37( 4):336～339

[26]KaiserWM.Reversibleinhibitionof theCalvincycleandactivationof oxidativepentosephosphatecyclein isolatedintactchloroplastsbyhydrogen peroxide.Planta.，1979.145:377～382

[27]童昌华,李三玉.温州蜜柑异常高温下内源IAA和ABA含量的变化[J].园艺学进展.，1994: 389～391

[28]1WilliamsMW.Retention of fruit firmness and increase in vegetative growth and fruit set of apples with aminoethoxyviny -lglycine.HortScience，1980,15( 1):76～77

[29]胡安生,管彦良,蒋斌芳等.高温胁迫下温州蜜柑内源乙烯和脱落酸的释放及其与落花落果的关系[J].浙江农业科学，1993,26( 6):12～16

2013-01-07