茄果类蔬菜热胁迫及耐热性研究进展

余楚英 尹延旭 王飞 李 宁 高升华 Juntawong Niran 吴君焦春海姚明华1，*

（1 湖北省农业科学院经济作物研究所，湖北武汉 430064；2 湖北省农业科学院，湖北武汉 430064；3 蔬菜种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，湖北武汉 430064；4 泰国农业大学，泰国曼谷 10900；5 华中农业大学园艺林学学院，湖北武汉 430070）

随着温室效应的加剧，全球气温不断升高，整个种植业面临着热胁迫的威胁，对可持续农业发展构成了重大挑战（Iba，2002；Tubiello et al.，2007；Schiermeier，2018）。茄果类蔬菜是我国蔬菜生产中最重要的果菜类之一，主要包括番茄、辣椒和茄子等，具有喜温但对温度较为敏感的特性，果实营养丰富，适应性较强，全国各地普遍栽培，具有较高的经济价值，在农业生产和人民生活中占有重要地位。晚春及夏季保护地种植、秋延迟设施栽培中茄果类蔬菜常面临着热胁迫的威胁，当温度高于35 ℃时，会扰乱植株细胞内稳态、损害植物细胞膜、产生过量的活性氧（ROS）及代谢紊乱等，出现一系列不正常的生长发育现象，妨碍产量和品质的提升。为了有效防止茄果类蔬菜高温障碍的发生，对其热胁迫下生理生化机制与应答调控途径和耐热性分子机理的研究势在必行，为通过常规育种结合生物技术加快耐热品种的选育及改良高温下种植模式提供理论依据和参考。

1 热胁迫对茄果类蔬菜的影响

根据胁迫强度和胁迫时间两方面共同作用将热胁迫伤害分为两个基本类型：第一种类型是长期处于稍高于适宜温度条件下的热胁迫，对植物造成的伤害多为间接的，扰乱植物的代谢平衡，受害进程缓慢，但随着胁迫时间的延长，伤害程度也会越发严重，引起植物蒸腾失水、光合速率下降、代谢异常等，影响植物正常的生长发育；第二种类型是短期处于致死高温条件下的热胁迫，直接影响细胞的结构，蛋白变性、脂类移动等，导致质膜结构遭到破坏，呈现出特定细胞或组织的程序性死亡。两种类型的热胁迫均可导致叶片脱落、花和果实败育，甚至整个植株的死亡。茄果类蔬菜为喜温作物，最适宜的生长发育温度为20～30 ℃，一旦温度超过35 ℃，其整个生长阶段就会表现出相应的高温伤害症状，对植物形态、生理生化代谢过程等各个方面造成不利影响（Belehradek，1957）。

1.1 对生长发育的影响

温度是种子萌发的主要因素之一，过高或过低均会影响种子活力，导致发芽和出苗不良。金春燕（2011）在研究热胁迫下番茄种子萌发过程中发现，高温导致种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数显著降低，对种子的萌发有明显的抑制作用，温度越高，抑制程度越明显，37 ℃下完全抑制种子的萌发。在辣椒的研究中也得到相似的结果，40 ℃极端高温下，发芽能力及生长速率均受到严重抑制，但因各品种耐热性不同表现出明显的差异（杨寅桂 等，2014）。在营养生长阶段，热胁迫引起茄果类蔬菜不同程度的生长障碍，植株幼苗徒长、新叶失水黄化、生长势变弱、茎叶出现日灼、根系生长受阻、植株早衰和花芽分化延迟等（贾志银 等，2010）。虽然所有的植物组织在整个生长和发育阶段都易受到热胁迫的影响，但生殖组织是最敏感的，开花期温度稍微升高就会导致茄果类蔬菜的花粉数目减少、结构异常、活力下降、萌发率低及花粉管畸形和伸长受阻等现象，引起授粉受精不良和落花落果、畸形果形成及种子发育不良，造成产量锐减和品质下降（彭真，2012；王燕，2015）。最近研究表明，热胁迫下栽培番茄柱头外露的原因是高温引起雄蕊比雌蕊更严重的缩短所致，阻碍了授粉并导致坐果失败，从而减产，与在野生番茄中观察到的柱头外露不同（Pan et al.，2019a）。

1.2 对生理生化的影响

1.2.1 对抗氧化系统的影响 当植物遭受高温胁迫时，会导致细胞内氧化应激的单线态氧（1O2）、超氧阴离子自由基（O2·-）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（OH·）等活性氧（ROS）的积累，主要产生于叶绿体、过氧化物酶体、线粒体和质外体中（Rogers &Munne-Bosch，2016）。当细胞内自由基产生和清除的平衡遭到破坏时，积累的自由基将通过膜脂过氧化和蛋白质变性破坏细胞膜稳定性来诱导氧化应激。丙二醛（MDA）为膜脂过氧化的主要产物之一，对生物膜结构和功能造成严重损伤，引起细胞膜系统的紊乱，质膜透性改变，胞内电解质渗透率增加（张冉 等，2017）。何铁光等（2013）研究辣椒耐热的生理生化机制过程中发现，随着热胁迫时间的延长，不同耐热性材料的相对电导率、丙二醛含量会逐渐增加，热敏材料增幅高于耐热材料。为了抵抗活性氧伤害，植物体内存在清除活性氧的酶促和非酶促两大防御系统，使植物体内活性氧的产生与清除处于动态平衡。其中酶促系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）以及谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等。此外，抗坏血酸（ASA）、谷胱甘肽（GSH）、类胡萝卜素及酚类物质等也参与清除植物体内ROS 的过程。热胁迫初期，茄子幼苗叶片中SOD、CAT、APX 的活性均显著降低，不耐热品种的SOD 和CAT 活性降低幅度大于耐热品种；解除胁迫之后，耐热品种回升幅度大于不耐热品种。说明高温胁迫在一定程度上破坏了茄子的抗氧化系统且对不同品种茄子幼苗影响不同，耐热品种在处理初期下降幅度较低，恢复速度较快，因而有利于过剩活性氧的清除（徐春香，2013）。而马宝鹏等（2013）在辣椒中的研究发现，高温胁迫下SOD 和POD 活性呈现出先升高后降低的趋势，但在耐热品系中酶活性均显著高于热敏品系，说明辣椒在受到热胁迫时，耐热品系能够通过迅速提高SOD 和POD 活性来降低活性氧对细胞膜的伤害，但若胁迫超过一定限度，保护酶系统遭到破坏，其活性就会下降，但耐热品系的酶系统相对稳定。因此，热胁迫下茄果类蔬菜中的ROS 动态平衡涉及一个复杂的网络调控，其机制有待进一步研究。

1.2.2 对光合作用、蒸腾作用的影响 光合作用是植物中最热敏感的生理过程之一，极易受到热胁迫的抑制，几乎影响所有的光合作用过程，包括光系统Ⅱ（PS Ⅱ）、光系统Ⅰ、电子传递链、ATP合成和碳固定（Mathur et al.，2014；Wang et al.，2018）。高等植物叶绿体中有光系统Ⅰ、光系统Ⅱ和一系列电子传递体，而叶绿体是对热胁迫最敏感的细胞器之一，叶绿体中基质的碳代谢和类囊体片层中的光化学反应被认为是高温超导损伤的主要部位。通过观察热胁迫下茄子叶绿体超微结构发现叶肉细胞和叶绿体均发生膨大；叶绿体淀粉颗粒减少；类囊体片层均出现膨胀松散，但解体时间却比叶绿体被膜晚；叶绿体解体的时间早于线粒体。相比之下，热敏品系较耐热品系叶肉细胞更早出现部分细胞质壁分离、叶绿体弯曲或膨大变形现象并出现内部脂质小球，说明耐热品系膜的热稳定性较热敏品系高（李艳艳 等，2018）。光合作用会随着热胁迫下叶绿体结构的损伤而受到影响，35 ℃昼间亚高温条件下，番茄叶片叶绿素含量下降、叶绿体膜受损、基粒数减少、基粒片层结构状态变差等，导致净光合速率（Pn）降低（张洁和李天来，2005）。而在41 ℃/36 ℃（昼/夜）超高温胁迫初期，茄子叶片叶绿素a（Chla）含量、叶绿素b（Chlb）含量、叶绿素总量和总类胡萝卜素（Caro）含量与PS Ⅱ光化学淬灭系数（qP）、光合电子传递量子效率（ΦPS Ⅱ）和非循环电子传递速率（ETR）均表现出降低的趋势，热敏品种下降幅度大于耐热品种，说明热胁迫后茄子幼苗叶片色素含量降低，PS Ⅱ活性受到抑制，热敏品种受伤害程度大于耐热品种且光能分配于光合作用的比例较低（徐春香，2013）。除净光合效率和光系统活性下降外，ROS 大量积累，严重情况下造成D1 蛋白和天线色素破坏，从而降低了植物吸收和利用光能和固碳的能力（Lu et al.，2017；Pan et al.，2018）。

植物在热胁迫下维持叶片气体交换和CO2同化率的能力与耐热性直接相关，高温显著影响叶片水分状况、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）（Greer &Weedon，2012）。研究表明热胁迫能引起植株叶片的净光合速率持续下降，其原因根据胁迫强度和胁迫持续时间的不同分为气孔因素和非气孔因素。潘宝贵等（2006）发现40 ℃高温胁迫下辣椒叶片中Gs 和蒸腾速率（Tr）下降，Ci 上升，12 h 后气孔导度和蒸腾速率有回升趋势，而Ci 基本维持不变，说明在40 ℃高温胁迫下辣椒的光合抑制是由非气孔因素造成的。吴韩英等（2001）发现中度热胁迫下Pn 随Ci 的下降而下降，而在重度热胁迫下，Pn 明显下降，但Ci 变化不大或有所增加，表明在严重的高温胁迫下光合抑制主要是由非气孔限制引起的，而在胁迫较轻时，可能主要是通过气孔限制。

高温下叶片中发生一系列变化，热胁迫初期，植物蒸腾速率加快，以利于降低叶片温度，缓解热胁迫带来的伤害。但随着高温胁迫时间的延长，剧烈的蒸腾作用会使植物因缺水而受害，导致体内水分失衡，出现萎蔫甚至死亡。张志忠（2001）的研究表明，高温胁迫下蒸腾作用加剧，耐热品种上升较慢；叶片含水量下降，但耐热品种下降幅度较小，且有较高的束缚水/自由水比值，同时验证表明脯氨酸使耐热品种在高温下具有较强的持水力，有利于保持细胞原生质胶体结构的稳定性及各种代谢的正常进行。

1.2.3 对代谢作用的影响 Aloni 等（2001）研究表明热胁迫下可能由于花粉的代谢减慢导致辣椒植株的花粉粒中蔗糖和淀粉含量较高。通过增加花粉粒的同化利用率提高的CO2浓度，可以减轻对蔗糖和淀粉代谢的抑制作用，从而增加它们在高温胁迫下对花粉萌发的利用率。高温下茄子花青苷生物合成途径中的大部分基因被诱导且下调表达，导致花色苷积累减少（Zhang et al.，2019a）。Kuo 等（1986）研究发现，高温下番茄花药和雌蕊内的脯氨酸水平要比正常温度下低，而叶片的脯氨酸水平却在高温下有所增加，并进一步证明高温下坐果率与叶片内脯氨酸浓度呈负相关，花粉的萌发率与花粉中脯氨酸浓度呈正相关；高温下花粉中高浓度的脯氨酸能促进花粉的正常生长，提高萌发的花粉对高温的耐受能力。

2 茄果类蔬菜耐热性鉴定方法

精准鉴定茄果类蔬菜的耐热性表型，可以准确地筛选出耐热性强的优异资源，为耐热品种选育提供可靠的抗源；为耐热性QTL 的分析提供精确的表型数据；为茄果类蔬菜应答热胁迫的调控机理研究提供胁迫过程中植物应答表型，也可以明确耐热性与其他生理生化指标的相关性。许多研究使用各种参数评估茄果类蔬菜的耐热性，例如表型指数、生理和生化应激指数等（Zhou et al.，2019）。表型指数可直接反映热害损伤程度，针对种子进行耐热性鉴定的直接指标有热胁迫下的相对发芽率、发芽势、发芽速率指数和生长速率等（杨寅桂 等，2014）；苗期耐热性相关的直接形态鉴定指标主要为生长指标（生长速度、株高、茎粗、根长、鲜质量、干物质积累等）和热害指数（萎蔫等级），其中热害指数（HII）为高温胁迫下幼苗热损伤程度的首选指标（马宝鹏 等，2013）；生殖生长类指标主要针对花和果实，如花粉生活力、花粉萌发率、花粉管生长速度、坐果率、单果种子数、果长、果肩宽及单果质量等（杨寅桂 等，2014）。

而高温胁迫下生理生化指标变化快于形态指标变化，可用来鉴别茄果类蔬菜耐热性，作为选育耐热品种的重要指标。例如，膜损伤是热害的主要症状，相对电导率（REC）是衡量细胞膜透性的重要指标，所以REC 可用于评估耐热性（张冉 等，2017）；高温胁迫导致叶绿素生物合成受到抑制，叶绿素含量（CC）可作为高温胁迫有效的评估指标（Berova et al.，2008）；光系统Ⅱ（PS Ⅱ）是电子传输链中最不耐热的成分，高温胁迫下PS Ⅱ活性的抑制导致可变性叶绿素荧光以及光系统Ⅱ的最大光化学量子效率（Fv/Fm）减少，是高温胁迫下最敏感的植物叶绿素荧光参数之一，可用于耐热性评估（Poudyal et al.，2018）。综合前人研究得到可用于耐热性鉴定的相关指标有：胁迫类指标，如叶片丙二醛含量、电解质渗漏率、热致死时间等；保护类指标，如抗氧化酶（SOD、CAT、APX和POD 等）活性、抗氧化物质含量、脯氨酸含量和可溶性糖含量等；光合作用类指标，如净光合速率、叶绿素含量和叶绿素荧光参数等（潘宝贵 等，2006），单一指标很难全面反映茄果类蔬菜的耐热性，需从多方面进行综合评价。

3 茄果类蔬菜应答热胁迫的分子机制

3.1 热胁迫信号传导

热信号的感知和传导是植物抗逆性的重要环节，启动内向钙通量的质膜通道、细胞核中的组蛋白传感器及内质网和胞浆中的2 个未折叠蛋白传感器参与触发热应激响应（Mittler et al.，2012）。热激应答过程中涉及多个信号传导途径，其中包括蛋白激酶〔如钙依赖蛋白激酶（CDPKs）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK/MPKs）〕、信号分子（如ROS）及植物激素等，与转录因子一起激活应激响应基因。

在植物中，钙依赖蛋白激酶、丝裂原活化蛋白激酶、受体激酶等主要作用于将细胞外刺激传递至细胞内响应来介导各种细胞信号网络途径，在各种逆境下积极调节基因表达和蛋白质功能，最终适应环境胁迫（Sangwan et al.，2002；Pitzschke et al.，2009；Kong et al.，2012；Meng &Zhang，2013；Xu &Zhang，2015；Zhao et al.，2017；Jagodzik et al.，2018）。例如，在番茄中分离得到的CDPK基因SlCPK2能够有效保护植株免受高温胁迫的损害（畅文军 等，2011）。而番茄中SlMAPK3在热胁迫耐受性中起到负调控作用，CRISPR/Cas9 介导的SlMAPK3突变体比野生型植物更耐热，表现出较轻的植株萎蔫程度和膜损伤、较低的活性氧含量、较高的抗氧化酶活性和转录水平，以及上调几种Hsp/Hsfs 基因的表达（Yu et al.，2019）。同样高温诱导的47 kD MBP-磷酸化蛋白SlMPK1 通过介导抗氧化系统防护及氧化还原代谢，负调控番茄的耐热性；丝氨酸脯氨酸的富含蛋白质同源物SlSPRH1 为SlMPK1 的靶蛋白，能够被SlMPK1磷酸化，其中SlSPRH1 的Ser-44 是在高温胁迫下SlMPK1 介导的抗氧化防御机制激活的关键磷酸化位点，超量表达SlSPRH1 可降低植株的耐热性和抗氧化能力且与SlSPRH1 的磷酸化相关。SlMPK1-SlSPRH1 作用模块在高温应答过程中协同参与调节抗氧化防御途径且负向调控番茄植株的耐热性）（Ding et al.，2018）。在植物中，膜锚定受体样激酶（RLK）可以将环境信号传递到细胞质中，应激响应下游调控基因的表达。辣椒中与细胞壁相关的RLK-like（WAKL）基因CaWAKL20转录受热胁迫抑制，而受脱落酸（ABA）和H2O2处理诱导。沉默CaWAKL20可增强辣椒的耐热性，而在拟南芥中超量表达则降低了植物的耐热性及种子发芽和根生长期间对ABA 的敏感性，通过降低ABA 响应基因的表达来负调节植物的耐热性（Wang et al.，2019）。辣椒对高温高湿（HTHH）的响应过程中，编码HAESA-LIKE（HSL）受体蛋白激酶（RLK）的CaHSL1受HTHH 或ABA 诱导且上调表达。CaHSL1沉默降低了植株对HTHH 的耐受性与CaHSP24的转录水平。相反，CaHSL1的瞬时超量表达增强了CaHSP24的转录本水平，提高了植株对HTHH 的耐受性。CaHSL1在转录水平上被CaWRKY40直接调节，在辣椒对HTHH 的应答中起正调节剂的作用（Guan et al.，2018）。

研究表明，热胁迫伴随着一定程度的氧化应激，热和氧化胁迫信号之间相互串扰。据报道，H2O2在热胁迫下经过很短的时间后就会激增，显然是由于NADPH 氧化酶的活性所致（Vacca et al.，2004）。这种激增与热胁迫响应基因的诱导相关，这一过程被认为是通过热休克转录因子（Hsfs）直接感应H2O2介导的（Volkov et al.，2006）。H2O2或甲萘醌预处理也能提高植株耐热性（Larkindale &Huang，2004）。BZR1是油菜素类固醇（BR）反应的关键调节因子，BZR1功能丧失影响了编码NADPH 氧化酶的植物RESPIRATORY BURST OXIDASE 1（RBOH1）的诱导、质外体H2O2的积累和耐热性。BZR1通过RBOH1 依赖的活性氧信号调节番茄的热胁迫反应，至少部分是通过调节FER2和FER3来实现的（Yin et al.，2018）。

除此之外，几个涉及植物激素的信号通路，如乙烯，被认为在植物耐热性中发挥重要作用（Larkindale et al.，2005）。研究表明，番茄花粉粒具有产生乙烯的能力，在转录水平上存在活跃的乙烯生物合成和信号转导途径，并有特定组分的表达。干扰乙烯信号通路或降低乙烯水平增加了番茄花粉对热胁迫的敏感性，而在热胁迫暴露前增加乙烯水平则可提高花粉质量（Firon et al.，2012）。花粉、花药和花都产生乙烯，但与花药和花相比，短期热胁迫对成熟花粉产生乙烯的影响不同，导致乙烯水平升高。此外，几个乙烯合成基因，特别是SlACS3和SlACS11，在花粉乙烯生物合成途径中受热胁迫高度诱导表达。同时在花粉中乙烯信号途径的特定组分和几个乙烯响应因子也被表达，其中SLETR3和SlCTR2受热胁迫诱导（Jegadeesan et al.，2018a）。

各种信号途径之间存在交叉调控，形成了错综复杂的信号调控网络，将信号传递到下游，从而激活下游响应基因的表达或相关离子通道的活性，最终产生特异性逆境响应。

3.2 热胁迫应答转录因子

耐热性通常分为获得性耐热性（即获得对其他致命性热胁迫的耐受性）和基础耐热性（即在高于最佳生长温度的温度下生存的固有能力），获得耐热性的能力可能是通过在热胁迫暴露之前提高“保护性”基因的表达水平来实现的（Larkindale &Vierling，2008）。植物已进化出对温度升高的各种反应，将损伤降至最低，并确保细胞的动态平衡。

3.2.1 热激转录因子 热休克转录因子（Hsfs）在基础耐热性和获得性耐热性中发挥重要作用，调节热休克蛋白（Hsps）的积累（Kotak et al.，2007）。Hsfs 负责热胁迫诱导的基因表达，通过与Hsps 启动子上的热应激元件（HSE：5′-AGAAnnTTCT-3′）结合来调节Hsps 基因，最终诱导下游基因应答热应激（Baniwal et al.，2004；Kotak et al.，2007）。

Hsfs 作为信号转导的末端成分，介导Hsps 和其他热胁迫诱导基因的转录本的表达。根据N 端结合域与寡聚域结构之间螺旋的连接长度及HR-A/B之间插入的氨基酸残基数，将植物Hsfs 分成 A、B和C 3 类成员（Nover et al.，2001）。在番茄中，共鉴定了26 个Hsf 成员，热胁迫响应基因表达的调控网络基本取决于HsfA1a、HsfA2和HsfB1的活性（Baniwal et al.，2004；Hahn et al.，2011）。HsfA1a调节初始反应，HsfA1a和HsfB1以低丰度的mRNA稳态水平组成性表达。在恒温条件下几乎检测不到HsfA2的转录本，但在热胁迫条件下，HsfA2mRNA 和蛋白的积累被强烈诱导。因此，HsfA2在恢复期间或在多次热胁迫之后成为最丰富的Hsf（Mishra et al.，2002；Hahn et al.，2011）。在热胁迫恢复期间，HsfA2 的可用性在蛋白质水平上受到与C Ⅰ类和C Ⅱ类小Hsps（sHsps）的相互作用以及较高分子量的伴侣蛋白（如Hsp70 和Hsp101）的控制（Port et al.，2004）。HsfA2是耐热细胞中的主要Hsf，为HsfA1a的辅助激活因子，调控获得耐热性（Fragkostefanakis et al.，2015）。HsfA1a还起着核保留因子的作用且通过形成HsfA1a-HsfA2 异源寡聚复合物激活HsfA2，这些“超级激活因子”复合体比2 个单独的因子单独激活下游基因的强度更大（Scharf et al.，1998；Chan-Schaminet et al.，2009）。HsfB1是一个转录抑制因子，但也可以作为HsfA1a的共激活因子。在非胁迫条件下，HsfB1过表达可刺激HsfB1的共激活因子功能，从而促进热胁迫相关蛋白的积累，耐热性增强。热胁迫下，其他Hsfs 被诱导活性升高，HsfB1抑制大大增强了热休克蛋白的诱导，从而提高了耐热性。因此，HsfB1在几个Hsps中作为HsfA1a的共同激活因子，但在包括HsfA1b和HsfA2在内的其他Hsfs 中作为转录抑制因子。双重功能解释了伴侣蛋白的激活，以增强保护作用，并在偏离HsfB1的动态平衡水平时调节生长和应激响应之间的平衡（Bharti et al.，2004；Fragkostefanakis et al.，2019）。在辣椒基因组中也鉴定出25 个Hsf 基因，其中大多数都响应热胁迫，通过CaHsfA2响应热应激的时程表达谱揭示了辣椒热敏品系B6 和耐热性品系R9 在表达水平和模式上的差异（Guo et al.，2014，2015a）。辣椒中CaHsfB2a通过涉及CaWRKY6和CaWRKY40的转录级联和正反馈循环，正向调控植物对青枯病接种（RSI）的免疫力和对高温高湿的耐受性（Ashraf et al.，2018）。

3.2.2 其他类转录因子 除Hsfs 外，另外一些植物体内较大的转录因子家族也部分参与热胁迫应答，比如WRKY 转录因子、碱性亮氨酸拉链bZIP（basic leucine zipper）、MYB 转录因子和NAC 转录因子等，其异位表达或抑制可能激活多种耐热机制。

WRKY 转录因子是植物中最大的转录调控因子家族之一，在植物的生长发育和衰老、非生物和生物胁迫等过程中发挥着重要的作用。对辣椒WRKY 转录因子的研究发现，在烟草和拟南芥中，CaWRKY27过表达损害了基础耐热性且植株的存活率较低，并伴随着多个耐热相关基因的表达降低。热胁迫下CaWRKY27沉默的辣椒植株中编码活性氧清除酶的多个基因（如CaCAT1、CaAPX1、CaSOD1等）的表达显著增加，辣椒叶片中H2O2的积累降低，且提高了植株耐热性。因此，CaWRKY27作为H2O2介导的热应激反应的下游负调控因子，阻止了热应激和恢复过程中的不当反应（Dang et al.，2018）。从辣椒中鉴定出CaWRKY40，受热胁迫与应激激素水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）诱导，CaWRKY40的过表达增强了烟草对热胁迫的耐受性，且CaWRKY6转录激活CaWRKY40，赋予辣椒耐高温高湿能力（Dang et al.，2013；Cai et al.，2015）。

bZIP 蛋白包含2 个结构域，即高度保守、与DNA 相结合的碱性区域，以及多样性的亮氨酸拉链。bZIP 转录因子也可通过与其他转录因子或蛋白的互作来间接调控植物的耐热性。已知CaWRKY40在辣椒对青枯雷尔氏菌接种（RSI）或高温高湿（HTHH）的反应中起正调节剂的作用，辣椒中bZIP 家族成员CabZIP63在转录和转录后水平上直接或间接调节CaWRKY40的表达，在辣椒对RSI或HTHH 的应答过程中与CaWRKY40形成正反馈环（Shen et al.，2016）。

植物转录因子MYB 是能与真核基因启动子区域特异性相互作用的DNA 结合蛋白，其成员广泛参与了茄科植物的逆境胁迫应答和激素信号转导等进程。SlAN2是花青素相关的R2R3-MYB 转录因子，在抵制高温胁迫中起到重要作用。超量表达SlAN2诱导了番茄中花青素生物合成途径中几个结构基因的上调表达及花青素的积累。与野生型（WT）植株相比，转基因番茄通过保持较高的鲜质量（FW）、净光合速率（Pn）、最大光系统Ⅱ（PS Ⅱ）光化学效率（Fv/Fm）、更高的非酶抗氧化活性、更低的活性氧（ROS）水平和更高的D1蛋白含量，增强了热胁迫的耐受性（Meng et al.，2015）。

NAC 家族由NAM、ATAF 和CUC 组成，属于植物特有的转录因子家族，番茄中一个NAC 转录因子SlJA2受热胁迫、渗透胁迫和水杨酸等诱导，热胁迫超量表达SlJA2通过调节水杨酸降解基因的表达降低水杨酸的积累。同时可降低活性氧清除、脯氨酸生物合成和热胁迫相关的基因表达，导致转基因株系比野生型植株的气孔开度和失水增加；光合作用结构损伤和叶绿素降解更加严重；积累更多的H2O2和O2.-；限制脯氨酸的合成；氧化损伤更严重。SlJA2可能是植物耐热性的负调节因子（Liu et al.，2017）。

另外，受热胁迫诱导的Whirly1（SlWHY1）基因在番茄中超量表达，转基因植株在热胁迫下显著增加了膜的稳定性和可溶性糖含量，减少了活性氧积累，从而降低了植株的萎蔫程度，提高了耐热性。同时S1HHY1通过结合到S1HSP21.5A的启动子中的激发子响应元件以激活其转录，从而提高番茄的耐热性（Zhuang et al.，2019）。

3.3 热激蛋白

Hsfs 调控下的热休克蛋白的积累在植物的热胁迫应答中起着中心作用。在植物中，热激蛋白（Hsps），包括Hsp100/ClpB、Hsp90/HtpG、Hsp70/DnaK、Hsp60/GroEL 和小分子Hsp（sHsps），通常被认为是维持和/或储存蛋白质稳态的重要分子伴侣，对于在热胁迫下的植物存活率起到至关重要的作用。Hsp100/ClpB 蛋白是ATP 酶的AAA+家族成员，参与分解蛋白质聚集体（Bosl et al.，2006）。该家族的胞浆成员对于植物高温耐受性是必需的，但对正常生长没有必要（Hong &Vierling，2001）。番茄中1 个叶绿体Hsp100/ClpB 同源基因Slhsp100/ClpB的反义转基因系显示出耐热性缺陷，但对生长发育无明显影响（Yang et al.，2006）。Hsp60基因家族可能在辣椒生长发育、热胁迫及其他非生物胁迫方面发挥积极的调节作用，其中CaHsp60-6的敲除增加了对热胁迫的敏感性（Haq et al.，2019）。Hsp70s充当分子伴侣，在辣椒中鉴定了21个CaHsp70基因，参与了辣椒的生长发育和热应激应答。在转基因拟南芥中，胞质基因CaHsp70-2的异位表达调节了胁迫相关基因的表达，并提高了耐热性（Guo et al.，2016）。

sHsps 属于伴侣蛋白超家族，是迄今为止植物中最复杂的一组热休克蛋白，编码针对胞浆、细胞核、内质网、叶绿体、线粒体和过氧化物酶体的蛋白质，意味着这些蛋白质对所有的细胞隔间都有保护作用（Waters &Vierling，2020）。在体外，sHsps 以一种与ATP 无关的方式与部分未折叠的蛋白质结合，防止其不可逆的聚集。在sHsps 存在下变性的底物可被Hsp70/DnaK 重新折叠和激活，在某些情况下，Hsp100/ClpB 和Hsp60/GroEL 也参与其中（Friedrich et al.，2004）。小的热激蛋白Hsp20基因存在于所有植物物种中，并通过防止变性蛋白的不可逆聚集而在缓解热胁迫和增强植物耐热性中发挥重要作用。在辣椒中鉴定了35 个Hsp20基因，大多数CaHsp20基因受热胁迫高度诱导，且多个CaHsp20基因（CaHsp16.4、CaHsp18.2a、CaHsp18.7、CaHsp21.2、CaHsp22.0、CaHsp25.8和CaHsp25.9）在热敏系B6 和耐热系R9 系中均显示较高的表达水平，表明CaHsp20基因家族可能参与辣椒的热应激和防御反应（Guo et al.，2015b）。其中CaHsp16.4的超量表达增强了热胁迫下清除活性氧的能力，从而提高了植株的耐热性（Huang et al.，2019）。CaHsp25.9通过减少活性氧的积累、增强抗氧化酶的活性以及调节胁迫相关基因的表达，提高辣椒耐热性（Feng et al.，2019）。

3.4 转录后调控相关基因

转录后调控，例如前体mRNA 的加工、mRNA 的稳定性、mRNA 从核内的运出和翻译、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO（small ubiquitinrelated modifier）化等在植物生长发育、生物及非生物应答中发挥重要作用。选择性剪接（AS）是影响不同发育阶段和胁迫条件下信号反应级联的关键调控机制（Chaudhary et al.，2019）。Keller 等（2017）通过RNA-seq 分析了2 个番茄品种（Moneymaker和Red Setter）的花粉组织响应热胁迫过程中诱导的AS。与常温对照相比，热胁迫下Red Setter 的内含子保留（IR）或外显子跳跃（ES）的基因增加了76%。此外，这2 个品种中有2 343 个基因在热胁迫条件下积累了至少1 个带有IR 或ES 的转录本，这些基因参与蛋白质折叠、基因表达和热反应等生物过程，大多数选择性剪接转录本都具有截短的编码序列，导致功能结构域的部分或全部丢失。此外，还鉴定了141 个热胁迫特异性转录本和22 个HS抑制转录本。推测AS 作为应激反应层，通过异构体丰度来调控热胁迫条件下组成性表达的基因。番茄小RNA（miRNA）中miR319d 调控叶片发育，同时，超表达SHA-miR319d 能够增强植株的耐热性（Shi et al.，2019）。此外，番茄中SIZ1 是一个功能完善的SUMO E3连接酶，介导SUMO化过程。在热胁迫下，超量表达SLSIZ1减少活性氧的积累，并诱导一些Hsfs 和Hsps 基因的转录，提高Hsp70的表达水平。同时SlSIZ1 与SlHsfA1 相互作用并介导SlHsfA1 的SUMO 基化，从而提高番茄的耐热性（Zhang et al.，2018）。

3.5 耐热相关QTL 定位研究

植物的耐热性受到环境、管理实践，尤其是基因型的影响。因此，解决这一问题最根本的途径是鉴定高温胁迫响应基因和开发耐热品种（Ohama et al.，2017），耐热性QTL 的定位是挖掘耐热性关键基因的有效途径，为耐热品种的开发提供优异基因资源。前人在茄果类蔬菜耐热性遗传规律方面开展了一定的研究，安凤霞等（2007）选择耐热性不同的6 份番茄亲本，采用半轮配法配制双列杂交组合，对P1、P2、F1、F2、B1、B26 个世代进行耐热性遗传模型分析和遗传参数估算，结果显示番茄耐热性符合加性-显性遗传模型，以加性效应为主，兼有显性效应，基因加性效应大于显性效应。在辣椒和茄子的耐热性遗传规律分析中得到相同结果，其耐热性属于数量性状（易金鑫和侯喜林，2002；张洁和刘童光，2011）。

在茄果类蔬菜中，一些与耐热性相关的QTL已被鉴定。Wen 等（2019）采用常规QTL 分析结合QTL-seq 技术，对与耐热性相关的3 种生理指标（相对电导率、叶绿素含量和光系统Ⅱ最大光化学量子效率）以及1 种表型指标（热害指数）进行全面测定，明确番茄幼苗的耐热QTL。共检测到5 个主要QTL：qHII-1-1、qHII-1-2、qHII-1-3、qHII-2-1和qCC-1-5（qREC-1-3）。qHII-1-1、qHII-1-2和qHII-1-3分别位于1 号染色体上的1.43、1.17 Mb 和1.19 Mb 区间中，而qHII-2-1的间隔位于2号染色体上1.87 Mb 的间隔中。叶绿素含量（CC）和相对电导率（REC）的qCC-1-5和qREC-1-3定位在相同位置。通过RNA-seq 分析主效QTL 位点中与耐热相关的基因，同时采用DEG 分析、qRTPCR 筛选和生物学功能分析检测了4 个候选基因（SlCathB2、SlGST、SlUBC5和SlARG1）。茄果类蔬菜耐热性QTL 的研究较少，也是蔬菜育种学家们将来努力的方向，以期利用分子手段培育耐热的茄果类蔬菜。

4 提高茄果类蔬菜耐热性的方法

4.1 热锻炼

植物经过非致死高温一段时间后，其耐热性得到明显提高，这种现象称为热锻炼，也叫耐热性获得，是提高植物耐热性的一个重要途径（Hossain et al.，2018；Ling et al.，2018）。经过热锻炼的植物，在细胞结构、生理代谢方面会受到相应影响，同时耐热性得到相应的提高。采用半致死高温处理有助于植物获得暂时的耐热性，以此保护植株免受致死温度带来的伤害。前人研究表明番茄植株可以通过预先施加中等高温来提高自身的耐热性，这可能与番茄植株在光化学反应与Vcmax和Jmax的重新适应的热稳定性相关。一些同工酶，如铁超氧化物歧化酶（Fe-SODs），也可能通过热锻炼在热激耐受性的发展中发挥作用（Camejo et al.，2007）。经过38 ℃ 2 h 热胁迫后，番茄幼孢期小孢子积累了大量的生物碱和多胺，而成熟花粉则积累了大量黄酮类化合物。热胁迫处理导致小孢子中黄酮类化合物积累，以预防温度升高引起的氧化损伤（Paupiere et al.，2017）。

热锻炼也可改变基因表达模式，诱导热激蛋白和一些热响应基因参与，保护植物细胞免受热胁迫伤害。研究表明适度高温处理下HsfA2的积累增强了幼苗应对随后严重热胁迫的能力，同时也是维持花粉耐热性的启动过程中的一个重要因素，HsfA2在调节获得性耐热性中起着重要作用。（Fragkostefanakis et al.，2016）。Wang 等（2020）研究发现高温诱导了Hsfs 和Hsps 的积累，刺激了褪黑激素生物合成相关基因SlSNAT的转录。同时，Hsp40 在叶绿体中与SlSNAT相互作用，作为伴侣保护SNAT 酶。SlSNAT过表达植株提高了褪黑素水平与热应激下Hsfs 和Hsps 的转录水平，有助于维持番茄热胁迫下活性氧的平衡，避免活性氧诱导的二磷酸核酮糖羧化酶加氧酶（Rubisco）活性下降及二次氧化胁迫，提高植株的耐热性。

4.2 外源化学物质处理

喷施某些外源化学物质可以减少热胁迫对植株细胞功能的影响，从而提高植物的耐热性。研究表明部分离子元素对抵制高温胁迫起到一定的作用。热胁迫下，随着硒（Se）的添加，POD 和SOD 活性增加，MDA 含量降低，同时改善了磷和硫的吸收。通常使用4、6 mg·L-1的Se 可以改善辣椒的生长和生理代谢物质的合成，并减少落花（Haghighi et al.，2019）。热胁迫下根系区域钙含量的增加可以克服高温引起的生长叶片细胞扩张的损害（Kleinhenz &Palta，2002）。

激素在逆境如高温、低温和干旱中起到重要的作用，研究表明抗坏血酸（AsA）、褪黑素、乙烯和茉莉酸等激素能够提高植物的耐热性。Alayafi（2019）研究发现外源抗坏血酸诱导对番茄根部具有引发作用，并且通过减少叶片氧化损伤，增加抗坏血酸、脯氨酸、光合色素的含量以及上调叶片中热激蛋白等显著缓解热胁迫对幼苗的影响。抗坏血酸似乎是增强番茄植株耐热性的关键信号分子。Jahan 等（2019）发现褪黑素预处理改善了番茄幼苗的抗氧化防御机制，诱导抗坏血酸-谷胱甘肽循环，调控多胺PAS 代谢途径和NO 生物合成途径，促进了过量ROS 的清除，增加了细胞膜的稳定性，减轻了热诱导的氧化应激，从而提高了番茄幼苗的耐热性。同时外源褪黑素处理诱导几种抗氧化酶的转录和活性的上调，减轻高温下番茄花药中活性氧的产生，通过增强热激蛋白基因的表达来重折叠未折叠的蛋白、促进自噬相关基因的表达以及自噬小体的形成来降解变性蛋白，从而保护细胞器，有效改善高温下番茄花粉失活和花粉萌发受到抑制的情况（Qi et al.，2018）。研究表明高温胁迫下通过使用乙烯利来增加乙烯水平，使氧化应激保护机制上调，可提高番茄花粉质量（Jegadeesan et al.，2018b）。另外，在热胁迫条件下，果胶、糖、膨胀素和细胞周期素的不同反应致使细胞壁重塑、差异定位细胞分裂和选择性细胞扩大，导致雄蕊和雌蕊长度的差异变化。生长素和茉莉酸（JA）参与调节雄蕊和雌蕊的细胞分裂和细胞扩张，外源JA 代替生长素处理可以通过调节JA/COI1 信号途径有效地挽救高温下番茄柱头外露（Pan et al.，2019a）。

此外，大气中CO2浓度不断提升导致温室效应，提高温度，但在适当的范围内提高CO2浓度会减缓高温胁迫。植物对CO2浓度升高和热胁迫的反应受到一个错综复杂的植物激素网络的严格调控。Zhang 等（2019b）研究表明，一定程度上提高CO2浓度（eCO2）能够使RESPIRATORY BURST OXIDASE 1（RBOH1）转录本增加、质外体H2O2积累，能够减小气孔开度，缓解热胁迫的负面效应。沉默番茄RBOH1和SLOW-TYPE ANION CHANNEL，阻碍了eCO2诱导的气孔关闭，降低了因eCO2调控提高的水分利用效率和耐热性。研究结果表明，依赖于RBOH1 的H2O2积累参与了eCO2诱导的气孔关闭，维持eCO2浓度下水分保持和热量损失之间的平衡。Pan 等（2019b）研究发现在25 ℃恒温下，相比环境CO2浓度（400 μmol ·mol-1），高浓度的CO2（800 μmol·mol-1）更容易诱导与乙烯（ET）合成、信号转导和热休克蛋白（Hsps）相关的多个基因的转录。而高浓度的CO2诱导的热应激反应（42 ℃）与ET 产生、Hsp70 的转录本和蛋白水平上的表达增加密切相关。用抑制ET依赖性反应的ET拮抗剂1-甲基环丙烯预处理，在不影响ET 产生速率的情况下，可消除CO2诱导的应激反应。此外，乙烯反应因子1（ERF1）的沉默抑制了CO2诱导的热胁迫反应，这与热休克因子A2、Hsp70 和Hsp90 的转录减少有关，表明ERF1是CO2诱导热反应所必需的。说明乙烯生物合成和信号转导在eCO2诱导的番茄植株热胁迫响应中起到关键作用。因此，这项研究加深了对eCO2诱导的胁迫反应机制的理解，并可能对在气候变化时代培育耐热番茄有潜在的帮助。

4.3 耐热品种的选育

选育耐热品种是茄果类蔬菜生产中应对热胁迫最有效且根本的途径之一。目前经过育种者的努力，已有一些综合性状优良的耐热茄果类蔬菜品种选育出来，番茄如农1305、越夏红（李自娟 等，2015；齐连芬 等，2017）；辣椒如辛香16 号、绿剑12 号（黄新根 等，2010；杨寅桂 等，2014）；茄子如宁茄5 号、庆丰等（李植良 等，2009；张燕燕等，2011）。虽然茄果类蔬菜的热胁迫应答调控网络越来越明晰，但耐热性的遗传机制及耐热性QTL挖掘还有待进一步研究，在育种中较少使用分子辅助选育技术，一定程度上限制了耐热优良品种的选育进程。

5 展望

热胁迫极大地影响了植物的生长发育和生产力，已成为世界范围内农作物生产的主要问题之一，如何在热胁迫下维持作物高产是重要的农业目标。近年来，人们对植物应答热胁迫的生理及分子机制进行了深入的研究。然而，对茄果类蔬菜应答热胁迫调控网络及耐热遗传机制的全面了解亟需进一步努力。随着现代生物和分子技术不断发展，茄果类蔬菜须从以下几方面进行耐热性提升：深入研究茄果类蔬菜应答、适应和抵制热胁迫过程中植株形态、生理生化及代谢上发生的改变，改良栽培技术以及外源应用渗透保护剂、植物激素、微量元素等保护剂，避免茄果类蔬菜受热胁迫的伤害；分析茄果类蔬菜的耐热性遗传规律、定位耐热性QTL并开发与其紧密连锁的分子标记，进行分子标记辅助选择，加快育种进程；鉴定茄果类蔬菜耐热相关基因，探讨热胁迫应答及调控网络，利用CRISPR/Cas等生物技术对茄果类蔬菜耐热性进行基因改良。