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高温胁迫导致植物败育的研究进展

作者: 郭涛,刘明星,邹世慧,李玲莉 时间:2023-2-28 阅读次数:5403

自工业革命以来,全球环境发生了巨大的转变,大气温室气体持续增加,地球的气候变暖已成为不可逆的趋势。按照当前温室气的排放速率,使全球气温平均提高2.5℃至8℃。极端高温常导致植物长势衰弱,甚至死亡。植物能否适应全球气候变化取决于植物对气候变化的响应机制,包括对热、干旱和大气CO2升高等反应的遗传调控[1]。在这些响应机制中,气候变暖和大气CO2富集对植物光合作用、呼吸和生长的影响已有深入研究,但这些因素不是对植物生长的最致命威胁,而植物繁殖成为受到影响的最严重的生理因素之一。一般在喜温植物和喜冷植物中,生殖过程在30℃到40℃之间会完全败育;相比之下,喜温植物(尤其是C4植物)光合作用和营养生长的最适温度为30℃-36℃,观察到营养生长和光合作用良好的植物完全不育并不罕见[2]。

重庆地处我国长江上游,属于亚热带季风性气候,夏季局地温度可达40℃或以上,高温持续时间长。在这种情况下,就很有必要深入研究高温对植物败育的影响机制,并通过基因工程进行耐热新品种的培育。在此,通过综述有关高温对植物败育影响的文献,回顾热应激对植物雄性和雌性生殖器官发育的影响,总结热不育反应的细胞和分子机制。

1 / 高温对植物繁殖的影响

1.1 普遍机制

高温对植物生殖生长的不利影响源于发育过程中对生殖器官的损害,生殖器官对热胁迫的响应随持续时间和严重程度而变化。高温可以减少开花的枝条数量,从而减少每株植物花的总量。白天温度低于10℃或高于30℃均可以诱导许多豆科植物的败育,随后引起发育中的花芽和果实脱落[3]。

在花的发育过程中,雄性和雌性生殖器官对大于30℃的温度非常敏感。多年来,高温对植物雄性生殖器官发育的影响一直是植物研究领域的热点[4]。当使用经高温处理的植物花粉进行反交时,雄性生殖过程的敏感性显著提高;而使用相同温度处理雌性的植物作为受体植物时,产量显著降低。此外,对喜温植物的许多研究表明,温度在35℃以上会导致结实量下降,这与花粉量和活力下降高度相关[5]。

虽然通常认为在高温条件下,雄性生殖组织比雌性生殖组织更敏感。但数据表明,雌性组织以及授粉后雌性组织内雄性组织(花粉管)发育的重要过程也对高温敏感[6]。在高温胁迫期间,调节雄性和雌性生殖败育和授粉后直至受精的过程机制尚不清晰。

1.2 高温下花药和花粉的发育

花药是雄性生殖结构中产生花粉的器官。了解花药/花粉结构以及发育时间对于评估高温胁迫导致雄性不育或实现耐热性至关重要。每个物种的花药成熟时间和花粉发育特定阶段的持续时间各不相同,并随环境条件的变化而变化。从细胞和发育生物学角度评估花药/花粉发育以及高温对其影响的研究,需要在鉴定花药长度的背景下进行。Alexander的三染色法可根据花药长度来划分花粉发育的时期,已被证实是一种快速有效的方法;一些研究者也使用花芽长度作为花药/花粉发育的指标。这些研究中最重要的信息是,在不同的物种中,花药的发育时间存在显著差异。花药发育所需的时间以及所有花在植株上达到成熟所需的时间对于管理昼夜温度升高对雄性生殖的影响具有重要意义[7]。

1.2.1 高温和单核小孢子发育

在花粉发育的各个阶段中,单核阶段被认为是对高温最敏感的时期[8]。在温度≥30℃的条件下,通过显微镜观察到真双子叶植物中的单核小孢子败育现象。一些喜冷植物在单核期对30℃以下的低温更为敏感,而喜温植物的敏感温度范围在35℃以上。在寒冷和干旱胁迫条件下,单核小孢子也会败育,因此这一阶段被认为是影响植物繁殖的关键时期。研究人员发现了一种生长在美国西南部沙漠地面上的野生葫芦(Cucurbita palmata),它开花时的白天地表和空气温度通常超过45℃,一般情况下认为该植物可以在高温条件下生存繁衍,可能具有良好的耐热机制。但研究结果恰恰相反,这种野生葫芦在36℃下显示出90%的花粉败育率,这表明它的繁殖与许多在温和气候环境生长的植物一样,容易受到高温的影响。在多种植物中的研究表明,花粉发育的单核小孢子阶段确实对高温十分敏感。 

单核小孢子阶段容易受到高温的影响,很大程度是因为绒毡层细胞和小孢子积极参与易受高温负调控的生物过程,其中包括DNA、碳水化合物、蛋白质和脂质的合成以及代谢物运输。绒毡层细胞和小孢子与其他花药组织分离,具有高度代谢活性,可以为发育中的小孢子提供代谢产物。绒毡层的高代谢和运输活性表现为大量的质体、线粒体、过氧化物酶体以及广泛的内膜和细胞骨架系统参与代谢产物的加工和运输[9]。单核期的花药组织代谢产生大量的活性氧,在绒毡层和小孢子中含量最高。活性氧清除抗氧化剂对于维持发育环境至关重要。涉及碳水化合物同化、蛋白质和脂质的合成和分泌、活性氧稳态和花粉壁合成的编码蛋白基因突变,会导致单核小孢子败育。绒毡层细胞在细胞死亡程序的精细调节下,最终会停止它们在花粉发育中的作用,影响绒毡层细胞死亡时间的基因突变也会导致单核小孢子败育。

碳水化合物代谢的改变、花粉粒淀粉水平的降低和绒毡层的非正常程序性细胞死亡是都与高温诱导的小孢子死亡相关。高温和其他胁迫对绒毡层细胞死亡时间和绒毡层转化酶活性的不利影响,限制了包括己糖在内的化合物对花粉发育的供应,这可能是导致小孢子败育的主要原因。单核小孢子在高温下败育与绒毡层细胞程序性死亡或转化酶基因下调之间并不是绝对相关的[10]。高温处理后,花药中绒毡层的死亡和碳水化合物代谢的改变,可能只是调控网络中复杂反应的一部分,这些调控网络通常感知温度升高并重建细胞内稳态。在营养组织中,热感知和响应过程产生一种新的细胞平衡,使其能够在热胁迫下存活,其中涉及到一个协调的基因表达转录重编程[11]。高温可增强膜流动性和钙离子内流,从而激活质膜ROS产生NADPH氧化酶。细胞膜、胞内钙和活性氧(包括H2O2)的物理变化刺激信号转导途径、热休克蛋白和转录调节器网络,以重建细胞内稳态。高温诱导的代谢途径解偶联,包括参与碳水化合物代谢的途径,导致细胞能量水平降低和活性氧生成增加[12]。ROS清除途径和被ROS刺激产生的分子可防止过量的ROS导致细胞死亡。

在高温下,植物花粉不育可能还与合成花粉壁所需的脂质代谢相关基因被抑制有关,绒毡层细胞核中的高H2O2可能会调节这些基因的表达。最后,绒毡层/花药室边缘区域和发育中的小孢子细胞壁的H2O2水平升高,可能通过直接氧化壁合成所必需的蛋白质和脂质来影响花粉壁的完整性。长期昼夜高温条件下,小孢子先于绒毡层中出现H2O2,这表明发育中的小孢子也可以感知高温并对高温作出反应。因此,绒毡层缺陷可能不是所有物种高温诱导雄性不育的必要条件。这一结论对单核期花粉发育的耐热性工程研究具有重要意义。

1.2.2 高温与减数分裂

与单核发育阶段高温对花药和花粉影响的研究相比,高温在减数分裂期间对花药的影响相对较小。番茄(Solanum lycopersicum)和水稻(Oryza sativa)花药减数分裂期的基因组表达谱分析表明,采用高温(32℃和40℃)对花粉进行短期处理后,导致热感应和反应基因的表达水平发生变化[13],这与单核小孢子花药的高温处理结果相类似。花药中可以发育的花粉粒数量取决于小孢子母细胞的数量。众所周知,高温和其它非生物胁迫对细胞分裂和伸长有负面影响。高温对有丝分裂的负调控使得花药较小,减数分裂细胞减少,这可能导致许多植物物种及其近缘物种的花粉粒数量减少。当花药发育到特定物种的高温阈值上限时,减数分裂就会受到负面影响;当温度高于该阈值时,减数分裂就会失败。在大麦减数分裂过程中,当白天/夜间温度达到30/25℃,花药细胞分裂会在高温持续10天时发生停滞[14]。同时,大麦花药中的细胞分裂停滞与生长素生物合成的改变,编码DNA复制许可因子、DNA聚合酶、组蛋白、60S核糖体蛋白和死亡/死亡盒RNA解旋酶的基因的下调有关。同样的高温机制也会导致小孢子母细胞过早进入减数分裂前期,并导致绒毡层早期死亡。36℃处理48 h可诱导二倍体种间杂种月季形成含有二倍体配子的二、三倍体,从而影响其减数分裂,由此假设高温可能会破坏纺锤体方向。然而,并非所有物种在高温下都会形成二倍体和三倍体。在减数分裂过程中,花药暴露在36/29℃温度下,足以导致雄性不育,但不会诱导水稻多倍体的形成;在减数分裂过程中,这种温度处理通过对细胞骨架的影响对细胞壁的形成产生负面影响。

在正常条件下,自噬在生殖发育中起着核心作用,ROS诱导的自噬在非生物胁迫时(包括高温),导致细胞降解和细胞组分的循环,可以重建细胞内稳态[15]。WRKY33是耐热性的重要转录因子,而WRKY33的沉默可以在植物组织中抑制高温诱导的细胞自噬。有假说认为,应力诱导途径可能共同激活WRKY33诱导细胞自噬。

1.2.3 高温和花粉成熟

当植物在白天温度大于30℃,夜晚温度大于29℃条件下发育成熟时,就会经常出现花药中含有成熟但没有活性的花粉现象[16]。即使在最好的情况下,花粉散播后,活力也会迅速降低,高温加剧了花粉失活的速度。虽然导致成熟花粉活力下降的机制尚不清楚,但有证据表明活性氧的产生与此有关。在高粱和大豆中,高温(日/夜≥38/28 ℃)持续7-10天会使花粉中的活性氧增加,改变卵磷脂并降低花粉膜的完整性。长期暴露于高温会使得这两种作物的花粉活力和膜完整性丧失,这一结果可能是由于活性氧的积累引起的。花粉膜稳定性的变化可能是由于磷脂饱和水平和磷脂种类的改变导致的,从而使膜更容易被渗透,易受到活性氧的攻击,并在萌发期间破坏花粉管的顶端生长。花粉质体在脂肪酸合成、碳平衡和能量供应等方面起着至关重要的作用,高梁(Sorghum bicolor)和大豆(Glycine max)长期暴露于高温后,花粉磷脂含量的变化表明,质体功能(包括脂质生物合成)发生了改变。这一假说得到了很多证据的支持,即在拟南芥(Arabidopsis thaliana)花药长期暴露于32℃环境中,一个可改善花粉质体中ROS负面影响的质体靶向基因对正常脂质合成和花粉活力至关重要。

1.2.4 高温、花药开裂和花粉传播

适宜温度有利于花药和花粉发育的成熟,高温会在花药开裂时阻碍花粉释放。花药开裂前,当空气和组织温度大于30℃时会严重延迟或阻止这一生理过程[16]。由于花粉管在向胚珠生长的过程中磨损,且受精需要最少数量的花粉。因此,抑制花药开裂导致结实率降低,因为它将花粉沉积降低到最低阈值以下。高温诱导的番茄座果率下降主要原因是由于花药内壁发育发生改变,这种影响比高温对花粉发育的负面影响更为显著[10]。花药在高温下的不开裂是一个特别严重的问题,研究人员对影响花药开裂的因素和这一过程的高温敏感性给予了相当多的关注。一项使用冷冻固定技术评估水稻花药发育过程中花粉大小变化的研究表明,组织温度不会影响花粉大小或其与周围花药组织的关系[9]。此外,在32℃的组织温度下,耐高温水稻和不耐高温水稻品种之间的花粉大小没有差异。相反,高温通过影响其他发育过程来损害水稻的花药开裂。值得注意的是,花药开裂的最后阶段取决于分隔相邻花药室的细胞层中细胞壁的溶解。高温阻止或延迟细胞壁溶解,使小室保持闭合,花粉被困在花药内。 

活性氧物质,尤其是H2O2,有助于细胞壁的松动或硬化。当白天温度达到34℃时,耐高温品种在花丝伸长期间没有发生细胞壁裂解时,质外体中存在高浓度的H2O2。细胞壁裂解部位的高H2O2可能会使细胞壁更加坚硬。在对高温中度敏感的水稻品种中,花药不开裂与一种在细胞壁刚性中起作用的酶的较高表达有关。虽然质外体高浓度H2O2可能会影响细胞壁刚性,但对花药开裂重要的各种其他过程也可能受到负面影响,包括细胞壁降解酶的活性和级联信号,其中一种可能是由于蛋白质氧化。同样值得注意的是,在干旱或寒冷胁迫期间,花药的这一相同区域同样不会开裂。寒冷和干旱也会在营养组织中产生大量的活性氧[17]。

1.2.5 高温、花粉萌发、花粉管伸长和胚珠发育以及花粉管穿透胚珠

花粉在柱头上的成功萌发和花粉管向雌配子体的生长以输送精子取决于花粉粒/花粉管和传输组织之间的细胞相互作用。与花药和花粉发育相比,关于高温对传递组织和胚珠发育以及体内授粉后影响的研究很少。虽然目前关于高温影响母本有性生殖的研究较少,但一些研究提供证据表明高温对雌性生殖组织和其中花粉管的生长有负面影响。温度大于30℃时会降低柱头接受能力和柱头花粉萌发[4],以及柱头和花柱内的后续生长和胚珠渗透。柱头上花粉萌发缺失也可能是高温诱导的花粉壁变化所致。花粉壁结构和组成调节着花粉在柱头上的识别、水合和粘附。高温对棉花花柱中花粉管生长的负面影响与碳水化合物的减少和调节花粉管生长所需ROS平衡的被破坏有关。

位于胚珠内的雌配子体产生的最重要的细胞是卵子、中央细胞和助细胞。这些细胞在雌配子体内通过有丝分裂发育。助细胞向珠孔分泌引诱剂,引导花粉管伸长到胚珠和助细胞。助细胞内产生ROS对成功受精至关重要。胚珠暴露于极端高温(90℃ 5分钟)即可抑制花粉管引诱剂的分泌。目前尚不清楚高温胁迫是否会对花粉管引诱剂的分泌和助细胞的ROS环境产生负面影响,从而导致体内花粉管对胚珠的穿透能力下降。然而,高温胁迫对雌配子体发育有直接的影响。秋季高温会导致欧丁香(Syringa vulgaris)大多数胚珠(83%)在胚囊分化完成之前退化,影响了雌配子体的发育;这种胚珠结构退化可能改变了丁香花的激素平衡,从而影响了花序外观。白天的温度从恒定的24℃上升到35℃会导致豆类植物中退化的雌配子体量增加,尽管这种现象可能是由于缺乏可存活的花粉而导致败育。

雄性和雌性生殖发育是协同的。一般情况下,花药开裂后可以准确靠近柱头附近,确保柱头捕获花粉。研究证明,高温会破坏雄性和雌性器官的协调发育,从而改变花药相对于柱头的空间位置或者花药开裂/柱头成熟的时间,这个过程很可能是通过高温对细胞分裂和伸长的负面调控实现的[18]。这些形态变化可以减少或阻止花粉在柱头上的附着。

1.2.6 高温、花芽分化和花器官发育

高温会造成花芽发育过快,且雌、雄蕊及花瓣出现畸形。温度对桃花(Prunus persica)花器官的发育影响研究表明,气温升高导致萌芽开花时间提前;当气温升高到一定阈值时,会很大程度上抑制花芽的正常生长发育,对开花能力产生影响,出现畸形花,甚至不能开花;当温度达到35℃以上时,造成大部分花芽脱落,严重抑制花芽生长发育[19]。同时,高温对甜樱桃(Prunus avium)花芽形态及分化速率的影响研究中发现,畸形花率与温度呈正相关,且不同品种畸形花发生率存在差异性[20]。

研究表明,高温处理会降低雌蕊的重量及纵径,且雌蕊长度和子房直径均有缩短[21]。在植物花器官发育的不同时期进行高温处理,对雌雄蕊发育的影响程度也不尽相同。对甜樱桃花粉母细胞的减数分裂期、单核花粉期和单核花粉有丝分裂期分别进行高温处理,雌蕊柱头枯萎率和花粉变褐率均有上升[22];高温对雄蕊长短和花丝生长都会产生显著抑制作用,处理时间越早对雄蕊发育的抑制作用越强,处理时间越晚则对雌蕊抑制效果越明显。

2 / 结论

通过提高雄性和雌性器官在生殖过程中的耐热性来提高植物结实率,需要在细胞和组织水平上详细了解植物对热胁迫的响应机制[17]。本综述提供了高温胁迫影响植物生殖器官发育过程的最新研究,育种人员可以采用生物工程学手段有针对性的对植物的耐热性进行改造。尽管雄性生殖发育的多个阶段都受到高温影响,但许多植物物种中雄性生殖发育的单核阶段对热应激水平都表现出高度敏感,导致这一发展阶段高温敏感性的机制有待于进一步研究完善。

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