高温胁迫对番茄光合影响及缓解机制研究进展

苏春杰，靳亚忠，吴瑕，范博文，宋亚男，杨凤军

（黑龙江八一农垦大学，大庆163319）

番茄（Solanum lycopersicum L.）原产南美洲，是世界性蔬菜种类之一。番茄对温度耐受性较强，最适温度为25～30℃，30～35℃是属于亚高温，超过35℃番茄会受到高温胁迫，其中亚高温指高于最适温度但又不会抑制植物的生长的温度范围[1]。全球变暖导致气温逐年升高，而植物的适应速度跟不上环境气候的变化，夏季高温逐渐成为限制番茄生长和发育的主要因素[2]。高温胁迫会引起植物生长和发育的不可逆损伤，并贯穿植物生长的整个生命周期[3]。光合作用是植物生命的基础，光合系统是一个极为复杂的系统，对温度响应敏感，是高温胁迫最重要的感受器[4]。因此探究高温胁迫对番茄光合作用的影响以及光合系统的保护机制，对提高番茄耐热性，适应全球气候变化有重要的意义。

1 高温胁迫对番茄光合作用的影响

1.1 高温胁迫对气孔的影响

研究表明光合作用高低的主要因素是气孔因素和非气孔因素[5]。植物气孔通过限制气体交换速率降低光合作用，包括气孔大小、密度、叶正面和叶背面的气孔分布等[6-7]。轻度高温胁迫初期，番茄气孔密度及气孔开放程度会增加。可能是由于植物自身应激反应的作用结果，且这种应激反应通过增加蒸腾作用，降低植株温度，缓解了高温胁迫压力；但长期高温胁迫后，植物会对环境产生适应机制，气孔密度和气孔开放程度也会随之降低[8]。前人研究发现，30℃条件下，番茄的气孔导度、蒸腾速率、光合作用与在25℃条件下的结果差异不明显，但是温度达到35℃或40℃时，气孔导度显著下降，光合速率明显降低，这是因为番茄为了降低蒸腾作用，防止蒸腾作用强，水分散失快对植株产生更大的损伤[1]。因此，气孔是番茄感知并响应高温胁迫的最初感受器，其通过限制气体交换速率来调节植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用，以此缓解高温对番茄的伤害。

1.2 高温胁迫对光合色素的影响

植物光合色素功能是捕获光能，包括叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素。高温胁迫下，番茄叶绿素和类胡萝卜素的含量降低[9-11]，是由于高温胁迫降低了叶绿素的合成或者加速了叶绿素的降解，也可能是两者共同作用的结果[12]。叶绿素和类胡萝卜素降低，直接影响光的吸收、传递和转化，进而降低光合速率。进一步分析显示番茄植株受到短期高温胁迫，植株中的叶绿素a/b升高，叶绿素/类胡萝卜素比降低。这是因为植物在受到胁迫后向叶绿素a转变，叶绿素a拥有较少的光捕捉叶绿素蛋白（LHCPs），使光吸收截面减少，降低叶绿素体的LHCPs是叶片叶绿素的基本自我保护机制，使它能在不利的条件下生存。叶绿素总体含量降低为了避免产生光氧化现象，而类胡萝卜素的含量增加是因为它作为辅助光收集色素，同时保护光合系统免受ROS影响[13]。

1.3 高温胁迫对光反应的影响

光反应的发生场所为叶绿体基粒，主要完成光合电子传递和磷酸化，反应中心为光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）。

1.3.1 高温胁迫对光系统Ⅰ的影响

PSⅠ的光采集复合体和内部天线吸收光子将激发能传递给主要的电子供体P700，随后的电荷分离和电子传递使铁氧化还原，产生的强还原剂在叶绿体代谢中起着核心作用[14]。高温胁迫影响PSⅠ结构、组成和功能，降低PSⅠ的活性，导致P700降低[15]。PSⅠ在特定环境胁迫下发生光破坏现象；其中，光照是PSⅠ发生光抑制的根本因素，温度是必要条件；当大量的活性氧无法清除时，PSⅠ受抑制程度会加剧[16]。进一步研究发现PSⅠ中Fe-S或H2O2含量可使反应中心色素分子P700受破坏或核心蛋白受损[17]。

1.3.2 高温胁迫对光系统Ⅱ的影响

PSⅡ是发生光抑制的原初部位，位于类囊体膜内侧。高温胁迫使番茄PSⅡ反应中心对光能的捕获及利用能力降低，单位面积具有活性中心的数量，以及吸收光能用于电子传递的能量比例均有不同程度的下降[17-18]。此时，PSⅡ反应中心吸收光能多以热能形式进行耗散[19]。高等植物的PSⅡ蛋白复合体由捕光天线复合体（LHC）、放氧复合体（OEC）、外周天线蛋白和核心天线蛋白、核心蛋白D1和D2蛋白等25个大亚基构成。高温对番茄的主要作用位点为PSⅡ供体侧放氧复合体（OEC）和PSⅡ受体侧QA向QB的传递过程。D1蛋白是PSⅡ反应中心关键蛋白，不但参与光合电子传递，还是PSⅡ反应中心各种辅因子的结合位点，植物中的D1蛋白处于不断降解与合成中，即D1蛋白周转，热胁迫阻滞D1蛋白重新合成或导致D1蛋白的降解，也可能同时作用[20]。因此，高温对PSⅡ的影响主要是作用于番茄PSⅡ的OEC蛋白和D1蛋白，进而破坏PSⅡ的功能。

1.3.3 高温胁迫对光合电子传递的影响

光合电子传递链（PETC）是将电能转变为活跃化学能的过程，是植物细胞内最主要的能量来源，同时也是光合电子传递和光合磷酸化的重要连接。光合电子传递链分为两种，线性电子传递链（LET）和环式电子传递链（CET）[21]。两种形式的电子传递在高温胁迫下可以改善番茄的光合系统中的能量吸收和分布，维持类囊体膜的完整性和ATP酶的活性[22]。同时高温对PSⅠ和PSⅡ均有破坏，因此阻滞了电子传递的正常进行，导致ROS的爆发，而ROS会进一步抑制光合作用的正常进行[23-24]。其他作物中研究发现，高温胁迫对电子传递QA到PQH2的阶段是最敏感的，但在番茄的研究中还缺乏证据[25]。

1.3.4 高温胁迫对光合磷酸化的影响

光合磷酸化是指光合电子传递过程中，将腺苷二磷酸（ADP）和无机磷合成腺苷三磷酸（ATP）的反应[26]。光合磷酸化与线性电子流耦联的ATP形成过程被称为非循环光合磷酸化，与循环电子流耦联的ATP合成过程则被称为循环式光合磷酸化[27]。高温会降低ATP-ase活性，类囊体膜的完整性，降低番茄叶片的质子动力势及其组分跨膜质子梯度和跨膜电势，从而降低光合磷酸化效率[6]。

1.4 高温胁迫对暗反应的影响

暗反应的发生场所为叶绿体基质，利用活泼化学能将CO2固定和还原成糖的过程，包括羧化阶段、还原阶段、更新阶段。高效的碳水化合物代谢是能量和碳骨架的来源，是植物抵抗环境胁迫的基础[28]。

光合作用羧化阶段是暗反应最初的阶段，其反应关键的酶为二磷酸核酮羧化酶（RUBP）。高温胁迫下番茄RUBP羧化酶活性降低，并且高温对热敏感品种RUBP羧化酶的抑制作用更大[29]。卡尔文循环中的景天庚酮糖二磷酸酶（SBPase），在植物碳同化、生长和抗逆性中也起着重要作用，利用基因敲除技术，敲除该酶的基因后，SBPase酶活性显著降低，RUBP的再生和碳同化率显著受到抑制，植株蔗糖和淀粉积累显著降低，但是该酶与RUBP之间的相互作用关系还有待进一步确定[30]。

蔗糖和淀粉是光合产物的主要形式，淀粉是一种暂时储存的碳水化合物，在叶绿体中积累，而蔗糖可以通过韧皮部从叶子转移到其他器官，提供碳源和能量[31]。植物在叶片中合成和积累蔗糖的能力主要取决于蔗糖代谢酶的协同作用，包括蔗糖磷酸合酶（SPS）、蔗糖合酶（SS）和转化酶（AI酸性转化酶、NI中性转化酶）等。SPS和SS主要催化葡萄糖和果糖在叶片中缩合形成蔗糖，AI和NI催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖。研究表明，高浓度的可溶性糖和淀粉直接反馈抑制光合作用，抑制酶活性[32]。进一步分析显示，高温胁迫下番茄磷、氮水平下降，植株蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性持续上升，蔗糖转化酶活性下降，因此造成受胁迫植株的果糖、葡萄糖和蔗糖含量下降，但淀粉含量增加，植物通过淀粉含量的增加反馈抑制光合作用，抑制酶活性[33]。因此，可溶性糖和淀粉作为信号物质调控光合作用，但其中的调控路径有待深入研究。

2 高温胁迫下番茄光合系统的保护机制

2.1 植物自身保护

当番茄受到高温胁迫时，其自身会启动相应的保护机制，降低高温胁迫对植株生长和发育的影响。从遗传角度分析，耐热型番茄的自身保护机制强于热敏感型，耐热型番茄叶绿素形态稳定，气孔调节能力强，活性氧清除剂含量高，这些可能是耐热番茄的保护机制，但还需要进一步研究调控机制[34]。

植物光敏色素也可以缓解番茄高温胁迫，光敏色素缺失的突变体在高温胁迫下光合有效量子产率和电子传递速度显著低于野生型番茄，而能合成光敏色素的植物受到的热损伤较小，但是光敏色素调节植物耐热胁迫机制还未清楚[35]。

光合电子传递通过平衡和协调线性电子传递链（LET）和循环电子传递链（CET）之间的关系、调控类囊体的动态堆叠保护光合系统。较小的基粒通过缩小移动电子载体质体醌和质体青素的扩散距离，促进了更高效的LET，而较大的基粒增强了颗粒层和基质质体醌池的分割，提高了CET效率，从而通过非光化学猝灭实现了保护光合系统的作用[36]。循环式电子传递链分为NADPH介导和PGR5/PGR1介导的电子传递链，其中PGR5/PGR1介导的电子传递链对高温下番茄光合系统保护起到主要作用[37]。除此之外，PETC中的梅勒（Mehler）反应对PSⅠ也有重要的光保护作用，其主要功能是清除超氧阴离子和过氧化氢从而避免其破坏叶绿体中的反应，消耗PSⅡ激发能和PSⅠ中过剩的电子，从而使PSⅠ保持在一个相对氧化状态，并在PSⅠ还原侧保护其免受破坏[36]。一旦PSⅠ受体侧电子受体受抑，PETC中的过剩电子会严重抑制PSⅠ和PSⅡ。因此，PETC再平衡可有效缓解植株高温逆境胁迫。

植物体内存在热休克蛋白以及其相关的同源蛋白、耐热激酶、热转录因子，在受到高温胁迫时表达强烈，增强了植物抗逆性，保护植株的生长[38-40]。热休克蛋白（sHSPs）在各种生物体的耐热性中发挥着重要作用[41]，这类蛋白质在植物中是一个大的家族，目前在番茄上已经鉴定出33个相关基因，大多数与热胁迫和成熟过程有关[42]。叶绿体热休克蛋白在热胁迫下可以保护PSⅡ。目前为止，已鉴定出的其中4种热休克蛋白（叶绿体Hsp70、Hsp60、Hsp24和胞浆Hsp70）与光合速率（Pn）相关，其中chlp Hsp70的产生与Pn耐热性无统计学意义，胞浆内Hsp70与Pn呈弱正相关，chlp Hsp24和Hsp60的产生与Pn呈显著正相关[43]。番茄体内还存在热休克同源蛋白70-kDa，在植物耐热性中也起到重要作用，对该蛋白的同源基因进行鉴定和表达，发现受到热胁迫时该基因表达量上调，植株中淀粉含量显著增加，耐热性提高，以此表明该基因还参与叶绿素代谢和碳的同化分配[44]。此外，研究表明叶绿体小热休克蛋白基因LeHSP21可以提高番茄的高温和氧化胁迫耐受性，进一步分析发现，尽管这些与基因重复相关的蛋白质存在明显的冗余，但在不同的胁迫条件下，番茄热休克蛋白sHSPs表现出不同的上调和相互作用模式[41]。耐热激酶是番茄在受到胁迫时快速被激活的一类蛋白，在番茄热响应信号传导中有重要的生理作用[45]，研究发现利用拟南芥受体让耐热激酶在番茄和水稻中过表达可以提高品种的耐热性，增加植物的生物量[46]。植物编码多种热胁迫转录因子（Hsfs），其中HsfA1a、HsfA2、HsfB1是番茄热应激（HS）反应的中枢调节因子。HsfA1a调节初始响应，HsfA2控制获得耐热性，HsfB1是一种转录抑制因子，但也可以作为HsfA1a的激活因子，且研究发现HsfB1表达水平升高的植株，生长发育异常，但耐热性增强，而在胁迫前HsfB1表达受到抑制，植株耐热性没有显著的变化[47]。

2.2 外源物质

2.2.1 抗坏血酸

外源抗坏血酸可以诱导番茄幼苗对急性热胁迫的耐热性，通过降低氧化损伤，增加抗坏血酸、脯氨酸、光合色素含量，以及上调叶片热休克蛋白的表达，可显著缓解幼苗的热胁迫，并且推测抗坏血酸可能是提高番茄植株耐热性的关键调节因子，但还需要进一步的研究其中的作用机理[48]。

2.2.2 乙烯

乙烯在植物的许多生长发育过程中起到至关重要的作用，也是植物生物和非生物胁迫反应的重要介质[49]。研究表明乙烯合成和信号转导在高浓度CO2环境下番茄植株的热胁迫反应中起重要作用，乙烯通过调节多种基因的转录水平，进而调控热应激蛋白表达，提高番茄对于高温胁迫的抗性。这篇报道中CO2也是一种信号分子，CO2有可能和乙烯的共同作用调节植株的耐热性，但缺乏直接的证据，需要进一步的研究分析[50]。

2.2.3 油菜素内酯

外源油菜素内酯（EBR）可以提高羧基化效率，即提高RUBP酶的活性和强化叶片抗氧化酶系统[51]。研究还发现，油菜素类固醇类似物可以缓解高温胁迫下细胞核、核仁和细胞质中出现颗粒，调节叶绿体和线粒体中细胞膜系统的紊乱现象，并且在未受到热胁迫的作用时对叶片细胞超微结构也会有影响[52]。进一步研究发现，油菜素类固醇反应的关键调节因子EHR1参与多种油菜素内酯介导的发育过程，通过调控活性氧信号代谢通路来调控番茄的热应激反应[53]。

2.2.4 褪黑素

褪黑素是一种天然的生物刺激分子，存在于多种植物中，在植物应激反应中发挥着关键作用[54]。褪黑素可以提高番茄抗逆境的能力，可能与光合作用、抗氧化系统、脯氨酸和碳水化合物的代谢以及抗坏血酸-谷胱甘肽循环有关[55]。高温胁迫下，番茄内源性褪黑素缺乏加剧了高温诱导的氧化应激，表现为电解质渗漏百分比的增加、丙二醛和不溶性蛋白在番茄叶片中的积累，抗坏血酸过氧化物酶和过氧化氢酶活性的显著降低。因此，内源性褪黑素水平是至关重要的，可提高自身抗氧化能力，维持有效的酶系统和干扰环境条件下的氧化还原平衡[56]。

2.2.5 水杨酸

植物中水杨酸（SA）是调节植物抗逆反应的信号分子，影响植株的系统抗性和抗逆反应，同时也对基础抗性和获得抗性有一定的影响。SA可诱导植物体内热胁迫蛋白的积累，对热胁迫因子的产生有一定的调控作用[57]。研究发现SA可以和另一种信号物质钙离子进行协同作用，高温胁迫下能清除活性氧、提高抗氧化酶活性，从而保护番茄的光合系统[58]。

2.2.6 脱落酸

脱落酸（ABA）是一种参与调节植物发育过程和胁迫反应的植物激素，研究发现ABA可能是对Rubisco激活负效应体，ABA对Rubisco催化活性的抑制作用较弱，对Rubisco活化抑制作用较强，两者之间存在相互作用[59]。在外源ABA的研究中，在高温胁迫短期内ABA可减少光合速率的降低，提高RuBPCase的活性，保护PSⅡ免受光抑制，在严重胁迫时有一定的作用，但不能缓解光抑制和光损伤，同时外源ABA对上游调控ABA生物合成的关键酶和下游响应的MYB转录因子有显著影响[60]。与此对应的内源ABA对高温胁迫下番茄叶片的PSⅠ、PS II和RuBPCase活性具有保护作用，采用野生型和ABA突变体，在高温强光胁迫11 h后，净光合速率和蒸腾速率保持一定的水平，而ABA缺失的突变体净光合速率和蒸腾速率的值几乎为0，内源ABA在逆境胁迫下可减缓叶绿素的降解，缺失ABA会加速叶绿素的降解[61]。因此，植物体内缺乏ABA会对植物会造成更大的损害。

2.2.7 亚精胺

亚精胺是一种小脂肪族胺，是植物体内普遍存在的生长调节物质，主要调节植物的生长发育和抗旱能力[62]。利用多胺合成的关键调节酶腺苷甲硫氨酸脱羧酶（SAMDC）的转基因植物，发现精胺和亚精胺的含量提高后，番茄体内的抗氧化酶活性增强，膜脂过氧化保护作用增强，因此可以提高二氧化碳的同化效率，保护了植株免受高温的胁迫[63-64]。亚精胺可以增强番茄植株色素蛋白的稳定性和PSⅡ的活性，进而提高番茄的耐热性[65]。研究发现高温胁迫下，精胺可以提高番茄体内抗氧化系统活性以及内源性多胺水平，降低活性氧的积累和MDA的含量[66]。进一步分析表明亚精胺还可以通过调控氮代谢关键酶的基因表达和活性来改善碳水化合物和氮的状态，从而赋予番茄幼苗耐高温能力[60]。此外通过蛋白质组学分析，亚精胺能上调大多数与光合作用有关的鉴定蛋白，这意味着光合能力的增强。还可以提高细胞的恢复以及高温胁迫防御蛋白的表达[67]。

2.2.8 钙离子

钙离子（Ca2+）作为植物细胞的第二信使在植物细胞的各种发育过程，以及对植物逆境胁迫的响应中发挥重要作用[68]。外源施用氯化钙可以显著提高番茄叶片中各种形态钙的含量，维持气孔的正常开闭，同时降低了番茄中MDA含量，提高SOD、POD、CAT的活性，保护PSⅡ和PSⅠ活性[69-72]。同时研究还表明，外源钙可显著提高了高温逆境下番茄的光合作用，增加了叶片中功能性钙含量，对于提高其抗高温性具有重要意义，而纳米钙及螯合糖醇钙较氯化钙作用效果更为明显[73]。

2.2.9 茉莉酸

茉莉酸（JA）是植物生长和防御的重要激素调节剂[74]。研究表明番茄编码13-脂氧合酶的基因TomloxD可提高番茄耐热性，该基因的表达受伤害、病原体、茉莉酸等途径激活，且TomloxD参与了内源性JA的合成以及对生物和非生物胁迫的耐受性[75]。关于茉莉酸直接影响番茄抗高温能力，目前为止还未明确，需进一步研究。

2.3 环境因子

2.3.1 二氧化碳

升高CO2可提高叶片光合作用和植物对热胁迫的耐受性。在番茄热胁迫和热恢复期，升高CO2可以提高ASA∶DHA和GSH∶GSSG比率以及诱导NADP+的浓度和NADP+与NADPH的比例，帮助植物维持氧化还原状态，升高CO2还可以提高PSII截面的吸收通量、捕获能量通量、电子传输和能量耗散，降低光抑制对光合系统的损害和活性氧的积累[76]。CO2提高可以产生大量的氧化酶，增加过氧化氢的积累，缩小气孔并诱导气孔关闭，CO2参与维持水分保持和热量损失之间的平衡[77]。这可能是CO2诱导的番茄耐热性的一个因素，还有待进一步研究确定。

2.3.2 湿度

前人[78]试验表明增加温室内空气湿度，可提高作物的耐热性。进一步探究原因发现高湿度不仅可有效缓解高温对植株生长的限制，还可以提高根冠比[79]。此外，高湿度能增加高温胁迫下番茄幼苗的叶绿素含量、净光合速率和最大光化学量产量，但降低了气孔限制值[80-81]。同时增加空气湿度可以提高热胁迫下番茄植株的量子产量和效率，增加天线色素的功能，但降低了部分反应中心的活性[82]。高湿度还可以增强番茄植株的抗氧化酶活性，降低MDA和H2O2含量[83]。因此，高湿减轻光抑制和氧化胁迫，缓解了番茄高温胁迫。

3 总结与展望

为应对全球变暖气候，提高番茄光合系统的耐热性一直是国内外学者研究的热点问题。从高温对番茄光合系统的影响及缓解机制两方面进行总结和论述，发现在番茄光合系统的耐热研究中，还存在以下问题有待进一步的深入研究：

（1）高温胁迫对光合作用的各个阶段均有影响，但是目前的研究多集中在光反应阶段，对于暗反应的研究还有待深入，尤其是可溶性糖和淀粉作为信号分子调控番茄的热应激反应的机制；

（2）研究主要集中在番茄在高温胁迫过程中，但是在高温胁迫后番茄的光合系统还存在一定的恢复期[84]，恢复的能力同样影响番茄的生长，是否可以通过一些外源物质的调节提高番茄高温胁迫后光合系统的恢复能力；

（3）在实际的生产中高温胁迫一般伴随高光胁迫，这两种胁迫对番茄光合系统的影响各不相同，高光对光系统Ⅱ的量子产额和光化学猝灭有较大影响，而高温会显著的降低非光化学猝灭[85]；因此，两种胁迫复合下对番茄光合系统的损伤是否加强，高温胁迫的缓解机制是否适用于两种胁迫的共同作用，需要进一步研究分析。