玉米的熱害及熱響應(yīng)研究進展

曹世攀，胡蓉蓉，柯 珂，沈 藝，陳 銘，張丙林，劉衛(wèi)娟，鄒華文

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025)

玉米(ZeamaysL.)是我國重要的糧食、飼料、經(jīng)濟作物，在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要的地位[1]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示：2021年全國玉米播種面積為 4 332.41萬hm2，產(chǎn)量為27 255.2萬t。全年谷物產(chǎn)量較上年增長2.6%，其中，玉米增幅貢獻率占比高達64.79%，是我國種植面積最廣的糧食作物。

玉米屬于喜溫作物，但是溫度過高又會導(dǎo)致其正常生長發(fā)育受阻、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降。有研究表明，當(dāng)溫度超過32 ℃，喜溫作物生長會明顯受到抑制；當(dāng)溫度超過44 ℃，喜溫作物停止生長[2]。當(dāng)下，大氣中溫室氣體濃度不斷增加，全球氣溫正在上升。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告稱，21世紀(jì)前20年全球平均溫度比1850—1900年的平均值高0.99 ℃，2011—2020年的全球平均溫度較1850—1900年的平均值高 1.09 ℃。其中，陸地的增溫幅度(1.59 ℃)遠高于海洋(0.88 ℃)，人類活動是全球變暖的主因。在植物生長季節(jié)，極端高溫災(zāi)害下平均氣溫每增加1 ℃，其產(chǎn)量估計將損失6%～7%[3]。因此，探索熱脅迫下玉米的生長發(fā)育情況及玉米的熱響應(yīng)機制對于玉米的持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 玉米熱脅迫的界定與等級劃分

熱脅迫通常被定義為在一定時間內(nèi)高于某一閾值的主要溫度條件，足以對植物生長和發(fā)育造成不可逆的損害[4]。一般來說，環(huán)境溫度比通常情況下高10～15 ℃，就可稱之為熱害或熱脅迫。GB/T 21985—2008《主要農(nóng)作物高溫危害溫度指標(biāo)》指出，玉米開花期時的當(dāng)天最高溫度≥30 ℃，空氣相對濕度≤60%時，開花較少；當(dāng)天最高溫度≥35 ℃時，花粉活力下降，授粉不良。在籽粒灌漿結(jié)實期，當(dāng)日平均氣溫≥25 ℃時，灌漿期縮短，成熟期提前，影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。

近年來，許多學(xué)者基于不同方法對玉米熱脅迫的等級劃分展開了研究。其中，李德等通過采用主成分分析法(PCA)構(gòu)建了致災(zāi)的綜合氣候指數(shù)，結(jié)合玉米遭受熱脅迫年份的禿尖率、受害情況和減產(chǎn)率等，利用聚類分析法將玉米熱脅迫劃分為輕、中、重、特重4個等級[5]。王安樂等利用來自國內(nèi)外的816份玉米自交系及其資源材料進行耐熱特性的鑒定和篩選，統(tǒng)計雄花小穗的減少量、花粉敗育率及花絲伸長程度等，將玉米自交系材料分為不耐、中耐、高耐、特耐4個耐脅迫等級[6]。文章等利用2年開花授粉期間的138份玉米自交系材料進行耐熱性試驗，通過對日平均溫度在30 ℃以上自然開放授粉材料的結(jié)實率進行聚類分析，得出自然環(huán)境下授粉結(jié)實率的初步判定標(biāo)準(zhǔn)：不耐熱材料結(jié)實率<12.5%、較弱耐熱材料結(jié)實率為12.5%～46.5%、中等耐熱材料結(jié)實率為46.5%～69.5%、高耐熱材料結(jié)實率≥69.5%[7]。管玥等以不低于35 ℃并持續(xù)3 d以上熱脅迫為指標(biāo)，綜合脅迫持續(xù)影響時間和脅迫頻次，將夏玉米花期熱脅迫等級劃分為輕度熱脅迫、中度熱脅迫及重度熱脅迫[8]。

2 熱脅迫對玉米生長發(fā)育的影響

玉米從出苗至7葉期為幼苗生長階段。熱脅迫會導(dǎo)致玉米幼苗失水增加、葉子枯黃、根生長受損，甚至死亡[9-11]。玉米分蘗期遭受熱脅迫會出現(xiàn)葉片萎蔫、葉片卷曲和變黃、分蘗數(shù)和生物量減少等形態(tài)癥狀[12-13]。

玉米在抽雄、開花、授粉和籽粒灌漿期間對溫度也非常敏感，高溫通過破壞授粉過程或?qū)е绿谴x不足使籽粒敗育[14-15]，這也跟Wang等的研究結(jié)果[16-17]相同。如果脅迫發(fā)生在玉米生殖發(fā)育的關(guān)鍵階段，如雌雄配子體形成、受精、早期種子發(fā)育時，通常會對產(chǎn)量產(chǎn)生較大的影響[12-13]。

籽粒灌漿是玉米生長和發(fā)育的重要組成部分，涉及種子中碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類的合成和運輸[18]。灌漿速度的快慢和灌漿時期的長短直接決定玉米最終的粒質(zhì)量。Kadam等研究了熱脅迫對玉米灌漿速率的影響，結(jié)果表明，雖然熱脅迫剛發(fā)生時能提高籽粒干物質(zhì)的積累速率，但同時卻大大縮短了灌漿周期；加之籽粒的同化效率有限，無法及時同化增加的干物質(zhì)量，導(dǎo)致粒質(zhì)量減小以及最終的玉米總產(chǎn)量下降[19]。研究證明，籽粒灌漿期間的最適溫度為25 ℃，溫度每升高1 ℃，籽粒產(chǎn)量降低3%～4%[20]。

3 熱脅迫對玉米生理生化過程的影響

3.1 熱脅迫導(dǎo)致光合作用、呼吸作用過程紊亂

植物葉片的光合作用對溫度變化非常敏感，基質(zhì)中的碳代謝和類囊體中的光化學(xué)反應(yīng)是主要的敏感點[21]。溫度升高對光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的活性影響很大，高溫對放氧復(fù)合物的不利影響導(dǎo)致不平衡的電子流流向PSⅡ的受體部位。在玉米、小麥和棉花的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其受到熱脅迫時，植株P(guān)SⅡ的不同成分被破壞[22]。此外，熱脅迫還影響玉米葉綠體結(jié)構(gòu)和光合系統(tǒng)組分的熱穩(wěn)定性，降低核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性，減少光合色素的量和減弱碳的固定能力[23-25]。這些因素的綜合作用是玉米遭受熱脅迫時光合效率降低的重要原因。

呼吸作用供給能量以帶動各種生理過程，其中間產(chǎn)物又能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌匾挠袡C物，是植物代謝中心[26]。熱脅迫條件下，玉米的呼吸作用顯著增強，呼吸消耗明顯增多，熱脅迫還可使一些可逆的代謝過程轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡鎇27]?？傊瑹崦{迫下玉米植株呼吸作用增強，同化物合成量減少，導(dǎo)致地上干物質(zhì)的累積量降低，進而嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量[28]。

3.2 熱脅迫導(dǎo)致活性氧過度積累

作物在熱脅迫下，細胞內(nèi)活性氧(ROS)水平顯著增加。細胞內(nèi)ROS的過度積累，導(dǎo)致ROS穩(wěn)態(tài)失衡和氧化損傷，如細胞死亡、生長遲緩、小穗不育，甚至造成幼苗死亡[29-31]。玉米減數(shù)分裂階段受到熱脅迫(38 ℃日/30 ℃夜)時，花藥中的ROS含量是常溫下(28 ℃日/22 ℃夜)的3倍以上[32]。在水稻中，許多ROS相關(guān)合成基因被證明參與響應(yīng)熱脅迫[33]。過量的ROS會通過加重作物的膜脂過氧化與蛋白質(zhì)氧化，進一步破壞生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致細胞內(nèi)的丙二醛(MDA)含量增加，從而損害蛋白質(zhì)和核酸的正常功能[34-35]。事實上，細胞膜的穩(wěn)定性是玉米耐熱和耐旱的關(guān)鍵決定因素[36]。Gong等在玉米中觀察到，升高的溫度可以降低抗氧化酶的活性[37]。同時，Sairam等也研究發(fā)現(xiàn)，耐熱能力與過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性有關(guān)[38-39]。除了這2種關(guān)鍵的保護酶外，抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)等酶協(xié)同作用以維持活性氧的穩(wěn)態(tài)來保護玉米植株免受氧化損傷[40]。

3.3 熱脅迫導(dǎo)致激素失衡

內(nèi)源植物激素與作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成密切相關(guān)，而熱脅迫對植物的激素穩(wěn)態(tài)具有重要影響[41]。非生物脅迫通常會引起脫落酸(ABA)含量的增加，這是作物獲得耐熱性的最快途徑之一[42]。Wu等指出，熱脅迫會降低水稻、玉米等作物發(fā)育籽粒中細胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)和吲哚-3-乙酸(IAA)的活性水平，損害細胞增殖，降低花粉育性，最終影響正常的籽粒建成[43-44]。Wang等的研究表明，耐熱性玉米品種較熱敏性玉米品種中幼穗的水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)含量在熱脅迫下增加顯著[45]。此外，熱敏玉米品種穗部激素含量與總小花數(shù)和小花受精率呈正相關(guān)，與籽粒敗育率呈負相關(guān)。因此，熱脅迫下SA和JA含量的下降可能是熱敏感玉米品種耐熱性差、幼穗發(fā)育不良的重要原因。由此可見，熱脅迫引起幼穗激素水平穩(wěn)態(tài)的失衡，導(dǎo)致其發(fā)育受阻，是熱脅迫下玉米穗粒數(shù)減少的主要原因。

4 玉米對熱脅迫信號的響應(yīng)機制

4.1 玉米對熱脅迫信號的感知及傳遞

熱脅迫可以改變玉米細胞膜的物理狀態(tài)，影響膜蛋白滲透性及結(jié)構(gòu)。Saini等綜合了前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，玉米受到熱脅迫時，ABA作為廣泛的細胞間信號，通過細胞表面的G蛋白連接受體，激活磷脂酰肌醇磷酸激酶(PIPK)、磷脂酶D(PLD)和磷脂酶C(PLC)等靶酶，參與感知脅迫引起的膜變化，并觸發(fā)脂質(zhì)信號分子磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸(PIP2)和三磷酸肌醇(IP3)。通過第二信使Ca2+通道進一步傳遞與放大，啟動Ca2+內(nèi)向流入細胞質(zhì)，進而激活鈣依賴蛋白激酶(CDPKs)和鈣調(diào)素3(CaM3)。這些激活的傳感蛋白開啟多種絲裂原激活蛋白激酶(MAPKs)、單磷酸腺苷(AMP)激活蛋白激酶(AMPKs)和鈣調(diào)素結(jié)合蛋白激酶(CBKs)通路，最后觸發(fā)熱休克反應(yīng)(HSR)相關(guān)的基因表達[46]。

除了HSR響應(yīng)機制外，玉米內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中的未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)也參與響應(yīng)熱脅迫[47]。ER熱傳感器包括堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)和RNA剪接因子。熱脅迫發(fā)生時，bZIP28可以通過與BiP靶蛋白啟動子特異性結(jié)合并增加其表達，以增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蛋白質(zhì)折疊來減輕熱脅迫損傷[48]。同時，肌醇需求酶(IRE1，玉米內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上典型的RNA剪接因子)通過與未折疊蛋白的相互作用而被激活，然后識別并剪接bZIP60，之后剪接產(chǎn)物進入細胞核觸發(fā)UPR基因的表達以減輕玉米植株的熱脅迫程度[47]。

4.2 玉米對熱脅迫信號的響應(yīng)

熱休克因子(HSFs)和熱休克蛋白(HSPs)是植物熱應(yīng)激耐受性的主要參與者[49]。HSFs作為熱激信號通路的末端成分，在接受熱激信號后可以直接調(diào)控下游熱應(yīng)激反應(yīng)基因的表達，而HSPs是受HSFs調(diào)控的最重要的表達蛋白，在玉米熱脅迫反應(yīng)中起著重要的作用[50]。Anckar等的研究結(jié)果表明，HSFs是玉米作物中高度保守的HSR中樞調(diào)節(jié)因子，它可以結(jié)合熱休克元件(HSE)，并誘導(dǎo)熱響應(yīng)基因的表達[51]。玉米中的熱脅迫主要調(diào)節(jié)因子A1類熱休克因子(HSFA1)位于細胞質(zhì)中。在常溫條件下，HSFA1通過與HSP70和HSP90的相互作用處于被抑制狀態(tài)[52]。在熱脅迫下，HSFA1被激活，與另一種在高溫下快速積累并作為共激活劑的B1類熱休克因子(HSFB1)共同誘導(dǎo)熱響應(yīng)基因的表達，進一步激活不同的HSF[53]。在最新發(fā)布的玉米基因組中，通過HMM和Blastp搜索共發(fā)現(xiàn)58種ZmHsf蛋白。大部分ZmHsf位于細胞核，ZmHsf23、ZmHsf10和ZmHsf11則分別位于細胞質(zhì)、葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[54]。

玉米中的HSPs主要定位于線粒體、葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。Subash等通過研究玉米中HSPs作為分子伴侶的活性、分子量、氨基酸序列同源性和功能，鑒定了5種主要類型：HSP100、HSP90、HSP70、HSP60和小熱休克蛋白(sHSP)[55]。HSPs現(xiàn)在被認為是對抗環(huán)境壓力甚至基因變異的強大緩沖劑[58]。已有研究證明，HSP在玉米中的主要功能是限制錯誤折疊和分解聚集物，胞質(zhì)HSP70較其他HSP類在對抗熱脅迫的反應(yīng)中起更為重要的作用[57]。像HSP70一樣，sHSPs也通過保護玉米細胞免受熱脅迫的損害而充當(dāng)分子伴侶，主要負責(zé)維持膜的完整性[58]。

5 生產(chǎn)中降低玉米熱害損失的手段

5.1 選用耐性種質(zhì)資源增強玉米耐脅迫能力

在應(yīng)對熱脅迫的各種方法中，培育耐熱品種是最經(jīng)濟和最可持續(xù)的方法[59-61]。陳朝輝等的研究結(jié)果表明，選用和種植熱脅迫下授粉良好、葉片短厚且直立上沖、光合積累效率高的耐熱品種有助于玉米產(chǎn)量的增加[27]。玉米種質(zhì)對溫度脅迫的耐受程度存在巨大差異，用抗高溫材料組配雜交種，品種審定過程中對玉米耐熱性能進行評價，基于脅迫條件下篩選出耐熱品種進行區(qū)域推廣種植[62]。趙曼絲等的研究結(jié)果表明，目前國內(nèi)公認的大品種如鄭單958、隆平206等，其耐熱性表現(xiàn)突出、結(jié)實性較好、經(jīng)濟效益占優(yōu)，適宜夏季易出現(xiàn)熱害地區(qū)推廣種植[28]。

5.2 優(yōu)化栽培方式增強玉米耐脅迫能力

在選用推廣良種的同時，還要制定綜合配套的高產(chǎn)栽培制度，以提高玉米抗逆能力，有效防御高溫脅迫的發(fā)生，達到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的。

合理密植，保障個體發(fā)育健壯，構(gòu)建個體和群體的協(xié)調(diào)關(guān)系，可提高夏玉米抵御高溫?zé)岷Φ哪芰?，減輕熱脅迫危害。一般對于同一個品種來說，適當(dāng)?shù)亟档兔芏扔欣诮档吞镩g個體之間對肥水條件的競爭，利于提高植株對高溫?zé)岷Φ牡挚鼓芰Α埿慢埖难芯拷Y(jié)果表明對于半緊湊型的夏玉米品種，適合的播種密度為5.25萬～6.00萬株/hm2；對于緊湊型夏玉米品種，適合控制在6.00萬～6.75萬株/hm2，這樣的密植模式的經(jīng)濟效益最佳[63]。

同時，合理耕作有助于改善土壤水肥條件，促進夏玉米生長發(fā)育。深松能促進夏玉米根系生長，增加根質(zhì)量和根長，提高夏玉米對水肥的吸收能力，改善玉米的生長狀態(tài)，進而提高玉米的耐熱能力。

5.3 外源施用植物生長調(diào)節(jié)劑增強玉米耐熱能力

外源施用植物生長調(diào)節(jié)劑，如硫脲、脯氨酸、水楊酸等，可以增強對極端熱害的耐受性[64-65]。當(dāng)植物在生殖和籽粒灌漿階段遭受熱脅迫時，過氧化氫、抗壞血酸和水楊酸等外源植物生長調(diào)節(jié)劑通過改善細胞膜的完整性、增強其葉片抗氧化活性、提高葉綠素含量和葉片含水量來改善玉米的形態(tài)、籽粒產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)[66]。植物生長調(diào)節(jié)劑的影響取決于作物種類、品種、施用劑量，甚至取決于施用時間(作物生長階段)。

6 展望

雖然目前對熱脅迫下作物的生理響應(yīng)及耐熱機制研究取得了較大進展，但作物耐熱分子機制研究以及制定規(guī)避高溫風(fēng)險策略仍有諸多考驗，需要進一步研究。

從玉米優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的方向出發(fā)，今后玉米耐熱性研究應(yīng)著重關(guān)注以下幾個方面：(1)玉米起源于熱帶，本身就具有較強的耐熱潛質(zhì)[67]。育種工作者應(yīng)加強耐熱性種質(zhì)資源的篩選，運用現(xiàn)代分子標(biāo)記輔助育種(MAS)、數(shù)量性狀基因座(QTL)和全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)等技術(shù)，創(chuàng)新培育優(yōu)良的耐熱性玉米品種。(2)深入玉米熱害生理生化和遺傳機制的研究，完善玉米耐熱性評價體系及耐熱性基因的發(fā)掘與功能研究。(3)加快研發(fā)玉米熱害預(yù)警系統(tǒng)，建立玉米高溫?zé)岷β?lián)防聯(lián)控綜合技術(shù)平臺。預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)警機制對玉米生長期內(nèi)可能發(fā)生熱害的時間及頻次做出預(yù)測，農(nóng)戶根據(jù)預(yù)測結(jié)果應(yīng)及時調(diào)整播種期或采取合理的栽培技術(shù)及大田灌溉管理，減輕熱害損傷，提高經(jīng)濟效益。