恢复期时长调控冬油菜对反复热胁迫的响应及种子品质形成机制研究

《Environmental and Experimental Botany》：The recovery phase duration shapes plant responses to recurring heat stresses in winter oilseed rape ( Brassica napus L.)

本研究针对气候变暖下热浪频发威胁作物生产的问题，通过设计不同恢复期时长的重复热胁迫序列，探究冬油菜（Brassica napus L.）种子产量与品质的响应机制。结果表明，中等恢复期（约45°Cd）可缓解后续强热胁迫的负面影响，荧光动力学参数可动态反映胁迫记忆效应，为作物抗逆栽培提供理论依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，热浪频率显著增加，对农作物生产构成严峻挑战。冬油菜（Brassica napus L.）作为全球第二大油料作物，其种子产量和品质极易受到高温影响。高温胁迫会干扰花粉形成、受精、种子灌浆和成熟过程，导致结实率下降、种子油分减少、脂肪酸组成改变以及种子贮藏能力降低。尽管已有研究关注单一热胁迫事件的影响，但自然界中作物常面临反复发生的热胁迫，而关于胁迫间隔时间（即恢复期时长）如何调控植物对后续胁迫的响应机制尚不明确。植物具有“胁迫记忆”能力，即首次胁迫经历可通过表观遗传修饰、激素信号、蛋白质构象等机制影响对后续胁迫的响应。这种记忆效应既可能是积极的（priming效应，增强抗性），也可能是消极的（加剧损伤）。因此，解析恢复期时长在胁迫记忆中的作用，对于开发作物抗逆策略具有重要意义。

本研究通过温室实验，在冬油菜生殖生长阶段（GS72）设计了八种热胁迫处理模式，包括对照（自然温度）、单一强热胁迫（HS）、单一轻度预热（分早期EP、中期IP、晚期LP）以及三种“预热+恢复期+强热胁迫”组合（EP+HS、IP+HS、LP+HS）。所有处理在施加强热胁迫前的积温（以5°C为基准温度）保持一致，以确保植物年龄一致。关键实验技术包括：基于温室可控环境模拟不同热序列；按种子发育阶段划分 cohorts（Pods_≥5cm、Pods_<5cm、Pods_flowers）进行分层取样；采用气相色谱（GC-FID）分析脂肪酸组成（FAMEs）；使用紫外分光光度法测定可溶性糖（如蔗糖、棉子糖、水苏糖）和多酚含量；利用元素分析仪测定种子碳（C）、氮（N）浓度；通过便携式叶绿素荧光仪（Pocket PEA）动态监测光合性能参数（如F_v/F_m、S_m）；并统计收获前发芽种子比例以评估种子贮藏能力。

3.1. 种子产量构成

在整体植株水平上，热胁迫处理对总产量、种子数和千粒重（TSW）无显著影响，但趋势显示单一轻度预热（EP、LP）有积极效应，而强热胁迫（HS）导致TSW降低。在cohort水平上，上部果荚（Pods_flowers）的产量受热胁迫显著影响，所有预热处理（EP、IP、LP）和HS均提高产量，但组合处理（EP+HS、IP+HS）却抵消了这种增益，表明恢复期存在干扰作用。中部果荚（Pods_<5cm）的TSW在EP和HS下呈现极端值，而组合处理缓解了HS的负面效应。下部果荚（Pods_≥5cm）因胁迫前已基本成熟，故无显著变化。这些结果说明，热胁迫效应高度依赖于胁迫事件与种子发育阶段的同步性。

3.2. 营养品质指标

种子碳浓度在整体水平受热胁迫显著影响，单一预热（EP、LP）略增碳浓度，而组合处理（如EP+HS）降低碳浓度。氮浓度无整体显著差异，但HS处理倾向于提高氮浓度，可能与生物量减少导致的浓缩效应有关。脂肪酸（FAs）分析表明，热胁迫显著降低不饱和脂肪酸（UFA）、单不饱和脂肪酸（MUFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）浓度，尤其是强热胁迫。单一EP和LP预处理部分抵消了HS的负面效应，而IP处理虽自身略负但能缓解HS伤害，提示IP可能诱发priming效应。ω6:ω3比率在HS下升高，表明去饱和酶活性受损。这些变化主要源于下部果荚（Pods_≥5cm）种子，因其FA合成阶段与热胁迫重叠最长。

3.3. 生理品质相关指标

可溶性糖分析中，只有水苏糖浓度受热胁迫显著影响。组合处理（如LP+HS）显著降低[水苏糖+棉子糖]：蔗糖比率（种子干燥耐受性指标），暗示贮藏能力受损。多酚浓度（抗氧化指标）在整体水平无差异，但cohort分析显示HS处理提高多酚含量，而预热处理减弱该效应。收获前发芽种子比例在IP+HS下最高，LP下最低，表明胁迫时机影响种子休眠打破。

3.4. 光合性能的动态监测

叶绿素荧光参数动态揭示：胁迫初期（HS后2天），F_v/F_m和S_m（植株活力指标）在预热处理下升高，IP处理表现最佳；胁迫结束后，所有处理组参数下降，但HS组降幅最大。IP+HS处理缓解了HS对S_m的抑制，再次支持IP的priming作用。这些参数与最终种子生物量积累相关，可作为胁迫记忆的早期诊断指标。

本研究通过多层面分析证实，恢复期时长是决定热胁迫记忆效应的关键因素：中等恢复期（IP+HS，约45°Cd）能最大程度缓解后续强热胁迫的负面影响，而过长（EP+HS）或过短（LP+HS）的恢复期则效果不佳。这种效应源于胁迫事件与种子发育代谢进程（如脂肪酸合成、糖积累）的同步性，以及光合机构的适应性响应。荧光动力学参数（如S_m、F_v/F_m）可动态捕捉胁迫记忆特异性，为表型筛选提供可靠代理指标。该研究深化了对作物胁迫 acclimation 机制的理解，为通过调控胁迫时序优化抗逆栽培策略提供了理论依据。论文发表于《Environmental and Experimental Botany》，为应对气候变化下作物生产挑战提供了新视角。