《Horticulturae》：Impact of Hot-Water Treatment on Male–Female Fertility and Seed Production in Artemisia princeps
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热水杀雄（hot-water emasculation）被用于人工授粉过程中使花粉失活，但其应用仅限于少数植物物种。菊科（Asteraceae）植物生殖器官的热敏感性尚不清楚。本研究探讨了热水处理对艾蒿（Artemisia princeps）花发育及种子生产的
热水杀雄（hot-water emasculation）被用于人工授粉过程中使花粉失活，但其应用仅限于少数植物物种。菊科（Asteraceae）植物生殖器官的热敏感性尚不清楚。本研究探讨了热水处理对艾蒿（Artemisia princeps）花发育及种子生产的影响。在花蕾期将花序置于不同温度（38–50 °C）的水中处理，并评估了处理对雌雄育性、花形态、种子产量及萌发率的影响。生殖表现随处理温度和时间的增加而逐渐下降。温度低于46 °C处理的花朵，无论处理时长如何，以及46 °C下处理短于10 min的花朵，仍保留产生可育瘦果（achenes）的能力。然而，在46 °C下处理10 min或48 °C及以上温度处理，显著降低了生殖成功率，花粉活力下降，仅产生皱缩、不可育的种子。与多种植物中普遍报道的雄性器官对热更为敏感相反，本研究发现雌性功能在Artemisia princeps中似乎比雄性活力更为敏感。这些结果表明，A. princeps的雌雄生殖器官对热水处理均高度敏感，限制了热水杀雄在该物种中的适用性。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
艾蒿（Artemisia princeps）隶属于菊科（Asteraceae），为东亚地区特别是日本原产的多年生草本植物，因其含有倍半萜、黄酮类及挥发油等生物活性成分而具有抗炎、抗菌和抗氧化等药理价值，并因其药用价值和经济作物潜力而受到农业关注。然而，艾蒿的花序结构特殊，花粉粒细小且随风传播，密集的花序簇由众多微小而不显眼的单花组成，这极大阻碍了有效的人工授粉操作，限制了育种进展。与菊科许多物种类似，A. princeps的头状花序（capitula）由大量小花（florets）组成，使得人工去雄和受控授粉在技术上具有高度挑战性。因此，开发高效的去雄方法将极大促进该物种的育种和遗传学研究。
热胁迫是已被充分证实的非生物因素，可深刻影响植物生殖成功，尤其是在配子发生、开花和受精等关键发育阶段。已有研究表明，生殖组织通常比营养组织对热胁迫更敏感，雄性生殖器官尤其脆弱，常导致花粉活力下降和生殖失败。然而，不同物种对热胁迫的响应差异显著，部分物种表现出较强的耐热性，而另一些物种即使在中等热胁迫下也会遭受不可逆的生殖损伤。为探究作物育种中生殖组织的热敏感性，热水杀雄技术被开发出来，通过将特定发育阶段的花器官浸入加热水中，选择性损伤花粉功能同时保留雌蕊功能。该技术已在荞麦和番茄等少数作物中成功应用，但在菊科植物中的信息极为有限。鉴于热胁迫可诱导雄性不育，热水杀雄可能为菊科植物提供一种靶向性的物理育性控制手段。
然而，热水杀雄是否适用于A. princeps尚不清楚，尤其是该物种雌雄生殖组织对热水处理的敏感性是否存在差异，以及是否存在能够选择性损伤花粉功能同时维持雌性生殖功能的温度-时长组合，均属未知。填补这一知识空白对于评估热水杀雄作为该物种人工杂交工具的可实施性至关重要。
二、研究内容与核心发现
研究人员于2023年采用因子设计，设置7个处理温度（38 °C、40 °C、42 °C、44 °C、46 °C、48 °C和50 °C）和5个处理时长（2、4、6、8和10 min），对花蕾期花序进行热水处理，以27 °C水处理和未处理作为对照，所有花序均套袋仅允许自花授粉。2024年作为后续研究，基于2023年筛选实验结果，重点处理46 °C 10 min以及48 °C和50 °C各时长组合，通过人工授粉评估雌性生殖功能，并通过醋酸洋红染色评估花粉活力。
研究结果表明，热水处理的温度和时长均显著影响瘦果形成、种子产量和萌发率。27 °C对照在所有处理时长下均维持较高的瘦果形成和种子产量，但萌发率随处理时间延长从75.7%降至61.3%。38 °C时生殖表现已出现下降，种子产量降至45–49粒，萌发率降至41–44%。40 °C和42 °C时下降更为明显，44 °C时萌发率严重降至17–19%。46 °C时萌发率介于0–44.4%之间，瘦果产量降至0–5个。46 °C处理10 min及48 °C和50 °C的所有时长处理几乎完全抑制了瘦果和种子生产。
2024年实验中，所有自花授粉处理组均仅产生不可育种子。46 °C处理10 min后，30个处理花蕾均形成瘦果，但仅获得缺陷种子。48 °C下瘦果形成仍较高，但所有种子均为缺陷型且萌发率为0%。50 °C下瘦果产量随处理时长增加而下降，8或10 min处理后无瘦果产生。与之形成鲜明对比的是，花粉活力在46 °C 10 min和48 °C处理下仍相对较高，介于67.7%至82.4%之间，仅在50 °C下才出现显著下降。此外，用正常花粉对经46–48 °C处理的花序进行人工授粉，仍仅产生缺陷种子且萌发率为0%，表明雌性生殖功能在花粉完全失活之前已受到严重损害。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：染色体观察（Feulgen染色法结合Schiff试剂）用于物种鉴定，确认2n = 34染色体；形态学鉴定依据《日本植物志》的诊断特征进行；热水处理使用温控水浴锅在花蕾期对花序进行浸没处理；花粉活力评估采用醋酸洋红（acetocarmine）染色法，染色花粉视为可育，未染色视为不可育；人工授粉实验使用未处理花粉手动转移至处理花序的柱头上，随后套袋隔离；种子萌发实验在25 °C恒温条件下于培养皿湿润滤纸上进行，每日监测持续14天。植物材料采集自大阪公立大学中百舌鸟校园的自然栖息地，盆栽栽培于温室中。
四、研究结果
4.1 2023年热水处理结果
瘦果和种子的产量随热水处理温度和时长的变化而不同。27 °C对照维持较高的瘦果形成和种子产量，但萌发率随处理时间延长而下降。38 °C时生殖表现已出现下降，种子产量和萌发率显著降低。40 °C和42 °C时下降更为明显，44 °C时萌发率严重降低。46 °C时萌发率介于0–44.4%之间，种子产量降至27–33粒。46 °C处理10 min及48 °C和50 °C的所有时长处理几乎完全抑制了瘦果和种子生产。
4.2 2024年热水处理结果
在自花授粉组中，所有处理条件仅产生不可育种子。46 °C处理10 min后所有处理花蕾均形成瘦果但仅产生缺陷种子；48 °C下瘦果形成仍较高但所有种子均为缺陷型且萌发率为0%；50 °C下瘦果产量随处理时长增加而下降，8或10 min处理后无瘦果产生。花粉活力在46 °C 10 min和48 °C处理下仍相对较高，仅在50 °C下显著下降。用正常花粉人工授粉后，种子活力完全丧失，所有处理萌发率均为0%。
五、讨论与结论
本研究表明，热水处理的温度和时长对Artemisia princeps的瘦果形成、种子产量和萌发率均产生关键影响。花粉活力评估结果与种子生产失败之间呈现显著分离：46–48 °C下花粉活力仍较高，但无法产生正常种子，且用正常花粉授粉后仍仅产生缺陷种子，表明雌性生殖功能或授粉后发育过程对热水处理更为敏感。这与多种植物中雄性器官对热更敏感的一般模式相反。缺陷种子的普遍出现提示热胁迫可能干扰了受精、胚胎发育、胚乳形成或这些过程的组合。尽管本研究未提供直接证据，但缺陷种子可能反映了胚乳或胚胎发育的异常。研究最终表明，热水杀雄技术不适用于A. princeps，因为雌雄生殖功能均对热水处理高度敏感，生殖响应在不同物种间可能存在差异，热水杀雄的有效性具有物种依赖性。未来研究需结合细胞学和生理学分析，以阐明热胁迫导致生殖失败的具体机制，并在其他菊科物种中进行比较研究，以确定热敏感性差异是否影响热水杀雄的可行性。
结论翻译
总之，在46 °C处理10 min或48 °C及以上温度处理下发生生殖失败，表明生殖存活与不育之间存在狭窄的过渡区间。虽然醋酸洋红染色评估的花粉活力在50 °C时显著下降，但雌性生殖功能在46 °C处理10 min或更高温度下也受到负面影响。种子结实的近乎完全失败表明，热胁迫可能在观察到花粉完全失活之前就已影响雌性生殖功能或受精后发育过程。最终，这些发现为进一步研究Artemisia princeps生殖发育的热敏感性以及雌雄生殖功能对热胁迫的响应提供了基础。
