我国黄瓜耐热性研究进展

孙亚玲，臧传江，姚甜甜，李晓龙，岳林旭

（山东轻工农副原料研究所，山东 高密 261500）

黄瓜（Cucumis sativusL.）是葫芦科甜瓜属一年生蔓生或攀缘草本植物，茎细长，雌雄同株异花。黄瓜广泛分布于世界各地，在蔬菜供应中有着重要的作用。鲜嫩的黄瓜顶花带刺，生食脆嫩爽口；腌渍和酱制的黄瓜，其碳水化合物、矿物盐和抗坏血酸含量丰富。黄瓜除食用外，还具有食用、美容、药用等功效，深受人们的喜爱。

黄瓜起源于喜马拉雅山南麓的热带雨林地区及印度北部地区[1]，属喜温性蔬菜，不耐热，生长最适温度为25～30℃，大于35℃则产生伤害。近年来，随着温室效应的加剧，高温已成为限制黄瓜生长的主要因素之一，严重影响了其产量和品质[2]，是黄瓜夏季和保护地栽培生产中经常遇到和亟待解决的难题之一。本文从黄瓜生物学特性和主要经济性状、生理指标、耐热性遗传规律、耐热性鉴定筛选方法及耐热性分子机制等方面，综述了高温胁迫对我国黄瓜生长的影响。

1 高温胁迫对黄瓜生长的影响

1.1 对黄瓜生物学特性和主要经济性状的影响

1.1.1 对根系生长的影响

1.1.2 对叶片的影响

黄瓜叶分为子叶和真叶。子叶贮藏和制造的养分，是幼苗早期的主要营养来源。真叶为单叶互生，是制造碳水化合物的功能叶。黄瓜幼苗的生长适温为白天25℃左右，夜间15℃。苗期遇到40℃以上高温，叶片萎蔫下垂，叶色变淡，易发生日灼病，病部被烈日晒成灰白色或浅白色革质状，组织坏死发硬，幼苗徒长。马德华等[5]研究发现，42℃/38℃（日/夜）处理黄瓜幼苗2 d后，27.7%的幼苗死亡，未死亡的植株叶片边缘干枯，受害明显。黄瓜成株期受高温胁迫后，除叶片出现褪绿斑点症状外，更重要的是造成生殖障碍。

1.1.3 对生殖生长、产量和品质的影响

黄瓜生殖生长期主要包括花芽分化期、开花期和结果期。高温对黄瓜生殖生长有明显的影响，合适的高温可促进黄瓜提前开花，但在连续5 d或10 d遭遇每天45℃高温3 h时易导致雄花落蕾，不能开花，开花数量显著减少。黄瓜结果期温度在35℃时，不耐热品种的坐果率急剧下降，而耐热品种在45℃时坐果率才略有下降。

苗期高温对黄瓜产量的影响大于结果期，播种后10～50 d，苗龄越小，产量下降就越多。高温使黄瓜花器官的机能下降，特别是夜温较高时，呼吸速率加大，剧烈消耗碳水化合物导致花蕾发育不良，子房发育差而成为小雌花，往往在蕾期及开花后黄化凋萎，进而单性结实率低，坐果不良，产量下降。

高温直接导致黄瓜品质和商品性下降，具体表现为果柄变长，横径变小，瓜长缩短，瓜肩干腐，尖嘴瓜、蜂腰瓜等畸形瓜率增加，果皮变硬，VC含量下降，其中对畸形瓜、瓜皮硬度的影响达极显著水平。孟令波等[2]对多个黄瓜品种进行了品质对照，发现高温下VC含量呈下降趋势，但高温对不同品种可溶性固形物含量的影响不一致，例如653-2等品种可溶性固形物含量增加，631等品种含量下降。各品种品质指标受高温的影响亦不相同，如631高温下畸形瓜率、畸形瓜变化率都很低，但瓜皮硬度及其变化幅度却很大；653-2虽然高温下瓜皮硬度及其变化幅度较小，但畸形瓜率及其增加幅度较大。

1.2 对黄瓜生理指标的影响

1.2.1 对光合作用和呼吸作用的影响

光合作用是产量形成的基础，对温度非常敏感。光合作用包括光反应和暗反应阶段，且二者均会受到温度的影响。高温不仅影响黄瓜叶片的光能利用能力，同时也影响光合效率。早期的研究认为昼间高温使光合速率降低是由于叶片气孔导度的下降，使叶绿体内CO2的供应受阻，属于气孔限制因素引起的。说明高温胁迫抑制光合速率，且胁迫时间越长，光合速率下降越快。黄瓜光合作用的最适温度为25～33℃，温度上限为42～44℃[6]。植物的光合作用在一定温度范围内随着环境温度的升高而增强，但在高温环境中会引起植物净光合作用的降低。高温胁迫下植物发生光抑制的现象在许多植物上都有报道。光抑制有两种情况，一是与叶片光合机构的破坏有关，二是与光合机构的热耗散有关[7，8]。

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呼吸作用为细胞生命活动提供所需能量，从而维持各种生理代谢的正常进行，其中间产物又能转变为其他重要的有机物，是植物代谢中心。呼吸作用是一种酶促氧化反应，温度高时，酶蛋白变性和失活，呼吸代谢减弱。耐热品种的呼吸速率随高温胁迫先上升后下降，而不耐热品种的呼吸速率则持续下降。耐热品种比不耐热品种具有较低的呼吸速率[9]。解除高温胁迫后，耐热品种的呼吸速率回升较快。

1.2.2 对蛋白质含量的影响

高温胁迫直接引起植株体内蛋白质的变性和凝聚，从而使植物体遭受损害。在高温胁迫条件下，构成蛋白质的多肽链被打断，蛋白质分子的空间结构被破坏，蛋白质发生降解，可溶性蛋白质含量增加。高温造成线粒体氧化磷酸化解偶联丧失提供化学能量的功能，使蛋白质合成受阻而相继出现热害。研究表明，耐热品种对高温反应迟钝，热激蛋白诱导温度高，蛋白质降解速率慢，氨基酸增幅较小；解除高温胁迫后，耐热品种的蛋白质合成比不耐热品种恢复得快。而不耐热品种对高温反应敏感，热激蛋白诱导温度低（38℃、36 h），但给予较高的温度（42℃、36 h）后热激蛋白合成受抑制，可溶性蛋白质含量下降[10]。庞金安等[11]研究表明，总蛋白质含量与植物的耐热性之间有密切关系。高温处理后，不耐热品种的自交系T94总蛋白质含量下降，而耐热品种T55上升最多。这可能是由于T94耐高温能力太弱，总蛋白质遭到严重破坏，合成不足所致。

1.2.3 对游离脯氨酸含量的影响

植物中游离脯氨酸含量作为抗逆性指标，具有调节渗透及维持细胞膜结构稳定性的作用[11]。脯氨酸一般以游离状态存在，可以防止植物水分散失和提高原生质胶体的稳定性。在高温胁迫时，许多耐热品种比不耐热品种积累更多的游离脯氨酸，因而游离脯氨酸可以作为鉴定植物耐热性的重要生化指标。郭启芳等[12]在小麦研究中发现，高温胁迫下，植物渗透调节能力差，脯氨酸含量增加，随处理温度的升高而升高。也有研究表明，在低温条件下，番茄、黄瓜、茄子等幼苗的脯氨酸含量呈逐步上升趋势[13]。Mattioli R等[14]发现耐热黄瓜品种Poinsett 97比热敏黄瓜品种Boothbyls Blonde的幼苗叶片具有更高的游离脯氨酸含量。缪珉等[15]发现当遭遇高温时，热敏品种新泰密刺花粉中游离脯氨酸含量锐减至极低水平，而耐热品系华北型的XC-1和华南型的NY-1仍能维持较高的水平。

1.3 高温胁迫对生物膜系统和抗氧化酶系统的影响

细胞膜具有选择透性，各物质跨膜进出细胞是有序、可控的。当植物处于高温胁迫时，对膜造成伤害，使生物膜透性受到不同程度的破坏。细胞膜结构一旦被破坏，会丧失选择透性与主动吸收的特性，膜透性增大，细胞内部的原生质则会外渗。植物中MDA含量、相对电导率、H2O2和O2-含量会影响细胞膜系统，进而影响植物的生长。秦舒浩等[16]研究表明高温强光会造成西葫芦幼苗MDA、H2O2和O2-含量及膜透性的增加，影响植物的正常生长；王芳等[17]通过氯化硝基四氮唑蓝（NBT）和DNB染色证明高温强光会显著增加花生幼苗叶片和根系H2O2和O2-含量，使花生膜脂过氧化的程度加剧。孙克香等[18]也发现，高温强光会造成甜椒叶片MDA含量和相对电导率增加，损伤甜椒的细胞膜系统。

高温胁迫可引起植株体内活性氧积累量的增加，这些活性氧若不及时清除，必然造成氧化胁迫，引起膜脂过氧化，导致膜系统受到破坏。为了避免这些伤害，植物在长期的进化适应过程中，形成了一整套酶促防御系统，它主要由超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）构成。SOD是存在于植物细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，产生H2O2。H2O2可以和O2-相互作用产生更多的氧自由基，对细胞形成危害；而CAT和POD具有分解H2O2的作用，从而减轻对细胞的危害。SOD等膜保护酶在遭受高温之后发生不同的变化。

关于各种抗氧化酶具体发挥作用的效果，试验报道结果并不完全一致。马德华等[19]曾报道高温下SOD活性急剧下降，其中耐热品种下降幅度低；在SOD活性下降后，CAT活性开始下降，分解H2O2的能力降低；而POD活性持续上升且增加幅度较大，说明CAT和POD对高温的反应不同，同时POD活性升高可以弥补CAT活性下降造成的对H2O2清除能力的降低。李建建等[20]研究发现，高温处理后，植株体内POD与CAT活性增加，而SOD活性降低；他认为这是由于高温逆境促进了部分活性氧形成，钝化了SOD的活性；同时也说明，黄瓜植株在受到高温胁迫时，植株体内主要通过提高POD与CAT活性来清除自由基。何晓明等[21]的试验结果则发现耐热品种SOD活性略高于不耐热品种，无论是耐热品种还是不耐热品种，38℃高温胁迫即可以使其SOD活性提高，其中耐热品种SOD活性提高的幅度较大。这与马德华等[19]和李建建等[20]报道的高温胁迫后无论是耐热或不耐热品种SOD活性均下降，但耐热品种的下降幅度小于不耐热品种的结论明显不一致。可见耐热性与SOD活性的关系可能因试验材料、高温程度及胁迫时间的不同而有所差异，有必要进行深入研究。

2 黄瓜耐热性的遗传规律及分子标记研究

2.1 黄瓜耐热性的遗传规律

由于耐热性研究起步较晚，有关耐热性遗传规律的研究很少。研究报道，黄瓜耐热性受基因的控制，不同品种在形态性状、生理性状、个体水平和细胞水平上都存在显著的遗传变异。目前存在耐热的遗传资源，但对其有关耐热性遗传规律研究并不多见。于拴仓等[22]研究表明，黄瓜耐热性符合加性-显性模型，以加性效应为主，显性效应不显著；广义遗传力和狭义遗传力均较高。配合力分析表明：群体一般配合力方差与特殊配合力方差之比较高，群体广义遗传力和狭义遗传力也较高，控制杂交组合耐热性的主要是一般配合力。

黄瓜与其他作物一样，野生种、不同生态型及不同品种间耐热性的遗传存在很高的多态性。近年来，在作物中利用栽培品种和野生种质资源进行耐热性和HSPs表达的遗传变化研究引起了人们高度重视[23,24]，比较作物栽培种、野生种和不同生态型的遗传多态性，对于找寻耐热性的新QTLs位点是十分必要的。

2.2 黄瓜耐热性分子标记的研究

广义的分子标记是指可遗传的并可以检测DNA的序列或蛋白质。然而目前应用最广泛的是狭义的分子标记，即DNA分子标记，它能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段。

目前，黄瓜分子标记的研究多集中在营养生长（如株高、侧枝和叶色）、果实品质（如果形、果色、苦味、果瘤、光泽等）、抗病性（如枯萎病、白粉病、霜霉病等），以及性别决定和单性结实等方面[25,26]，但与黄瓜耐热性相关的分子标记的筛选还很少。杨迪菲[27]用耐热品种631-1、不耐热品种602亲本杂交组合得到的F2分离群体中，检测到3个黄瓜耐热性的QTLs位点，3个位点距离最近标记的图距分别为10.0 cm、12.9 cm和16.0 cm；贡献率分别为6.18%、10.36%和10.56%。杨寅桂等[28]以耐热品种西双版纳和不耐热品种二早子为材料，采用cDNA-AFLP对黄瓜进行热胁迫响应基因的分离和分子标记的筛选，结果得到SSR标记一个，连锁距离为19.3 cm。陈飞雪等[29]用耐高温材料863-7和不耐高温材料863-6构建遗传群体，检测到1个SSR标记和9个SRAP标记与3个耐高温QTLs连锁，对耐高温表型的总贡献率达到32.3%。上述研究所应用的分子标记为AFLP、SRAP和SSR标记，由于标记数量的限制，检测到QTL的贡献率较小，而且与目标基因的连锁距离均较大，其育种利用价值受限。

3 黄瓜耐热性鉴定评价方法

作为蔬菜耐热性的鉴定指标，要求准确可靠，能够真实地显示不同品种对高温胁迫的反应，建立全面准确的黄瓜耐热性鉴定方法和评价指标，对鉴定品种的耐热性强弱、耐热性机制和耐热性育种具有重要意义。研究显示，黄瓜耐热性的鉴定与评价标准可分为四个方面，即外部形态、生理生化、内部结构以及分子生物学。有关黄瓜耐热性的鉴定方法有很多，但还不能相互替代，只能相互补充，主要鉴定方法有田间直接鉴定、间接鉴定。

3.1 田间直接鉴定法

田间直接鉴定法是指在自然高温条件下，以外部形态在高温胁迫下的反常变化或经济性状变化为依据，较为直观地评价黄瓜品种的耐热性。此法的优点是简单直观，无需特殊仪器设备，又有产量结果；缺点是试验结果易受环境因素影响，且重复性较差。为获得可靠的试验结果，必须进行多季节、多年份、多地点的重复鉴定，费工费时。

3.2 间接鉴定法

间接鉴定是在高温条件下根据植物体内生理生化方面的不同反应，选择与耐热性紧密相关的生理或生化指标，借助合适的实验手段，在实验室或田间对植物进行耐热性鉴定[30]。目前电导率法是被普遍承认的鉴定方法，研究表明，电导百分率法测定黄瓜不同品种的耐热性非常有效。作物的耐热程度可用伤害性电解质渗透量为50%的温度（热致死温度）或时间（50℃致死时间）来表示。有研究报道，50℃的致死时间所表达的细胞膜的热稳定性能准确的反映出植物耐热性的大小。

这类方法优点是一般不受季节限制，而且快速准确，因此备受研究者的关注。其中外部形态或经济性状鉴定法较直观，争议较少，目前普遍承认的鉴定指标是商品瓜产量及其变化率；缺点是黄瓜生长周期长、易受环境因素影响。另外，也有研究认为38℃下胁迫60～72 h的胚根长度、SOD、POD等酶活力、脯氨酸及可溶性蛋白质含量、MDA含量、叶绿素含量等都可以作为黄瓜耐热性的鉴定指标。

3.3 人工模拟直接鉴定法

人工模拟直接鉴定法模拟自然高温胁迫，通过观察植株的性状指标变化来评价品种的耐热性，如利用热害指数或热感指数作为评价标准。此方法优点是在实验室内即可观察结果，但缺点是易受设备、空间、性能等限制，这种方法难以实现大批量材料的鉴定。

研究发现，在人工模拟高温条件下，将植株叶片受热害情况分为4个等级，调查叶片的热害指数。杨寅桂等[28]研究表明，在人工气候箱内，42℃高温对黄瓜幼苗处理24 h，观察子叶、幼叶、心叶、下胚轴及整株幼苗的热害症状，提出了较为明确的热害症状分级方法。黄瓜叶片热害等级分为如下级别。0级：无受害症状；1级：子叶变微黄，叶片上有黄色斑点，叶缘微黄，心叶叶缘微黄；2级：子叶变黄，叶片小部分面积出现脱水变黄，心叶叶缘黄化干枯；3级：子叶黄化，边缘坏死干枯，叶片大部分出现脱水变黄，边缘坏死干枯，心叶大部坏死黄化；4级：子叶、幼叶与心叶全部坏死变黄干枯。

4 小结

以上研究说明，我国黄瓜耐热性研究的内容，从植物生理生化水平来看已较为全面。特别是近几十年来，分子生物学研究方法和技术手段得到飞速发展，植物逆境生理学的研究也更为深入。然而，有关黄瓜耐热性品种的选育，仍多集中于传统的育种方法，费时费力，难以实现品质、产量与耐热的高度融合；并且在遗传规律、分子标记与耐热相关基因分离等耐热性遗传和热害分子机理方面的研究较少，在黄瓜优良耐热基因的定位方面尚缺乏系统深入的研究。未来黄瓜耐热性的研究，应把重点放在基因型的表型弹性、热胁迫下同化物分配、调节黄瓜耐热性的因素等方面。这样的研究与遗传学途径相结合，确定耐热性相关的基因图谱或QTL定位，不仅为耐热性分子标记辅助育种提供帮助，也为克隆与鉴定黄瓜耐热性遗传因子铺设道路。