《Discover Plants》：Evaluation of molecular and physiological mechanisms underpinning heat stress tolerance in barley (Hordeum vulgare L.): an approach towards heat resilient barley production
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温度升高显著降低了作物的生产力和品质。热胁迫是大麦供应的重要非生物威胁，诱导膜不稳定性、蛋白质变性和过量活性氧（ROS）的积累。这些效应破坏了光合作用和生殖成功，导致大麦生产和生长的重大损失。本综述批判性地研究了大麦热胁迫耐受性背后的生理和分子机制。一些关键的
温度升高显著降低了作物的生产力和品质。热胁迫是大麦供应的重要非生物威胁，诱导膜不稳定性、蛋白质变性和过量活性氧（ROS）的积累。这些效应破坏了光合作用和生殖成功，导致大麦生产和生长的重大损失。本综述批判性地研究了大麦热胁迫耐受性背后的生理和分子机制。一些关键的生理机制，如播种时间优化、热引发、适当灌溉管理、施肥以及真菌和细菌接种，可以减轻热对大麦的影响，在本综述中进行了讨论。此外，分子机制包括来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的机制见解、分子育种技术、数量性状位点（QTLs）定位、基因组选择（GS）以及通过CRISPR/CAs9技术的基因编辑，被发现对于增强耐热性和开发热弹性大麦品种最为有效。据报道，来自120个不同基因型的大麦群体中有3个QTLs区域与热胁迫相关。另外还有10个与胁迫和籽粒品质相关的QTLs区域已被鉴定。来自野生大麦（Hordeum spontaneum）的HvGST4基因已在拟南芥中过表达，来自小麦的TaHsfA6b基因通过基因编辑技术在大麦中过表达，表现出改善的耐热性。进一步研究转录因子（TFs）基因、小麦的TaHsfA6b和野生大麦的酶编码基因HvGST4，可以增强和开发耐热大麦品种。然而，将这些分子和生理机制在大规模田间整合是一个巨大的挑战。通过进一步适当的研究，可以在减少热胁迫和提高大麦可持续产量方面取得重大进展。
**1 引言**
全球变暖对植被构成严重威胁，高温限制作物正常生产力。持续高温引发作物生化、形态、分子和生理变化，尤其在30°C以上时影响花粉育性、花序、减数分裂和籽粒建成。大麦（Hordeum vulgare L.）属于禾本科（Poaceae），在世界谷类生产中位居第四，主要用于动物饲料和酿造工业。热胁迫分为持续性和终期性，终期热胁迫通过形态、生理、生化和分子变化降低产量，损害小穗形成、开花和灌浆阶段。植物固有耐热性涉及离子转运体、抗氧化剂、植物激素和信号转导元件，以及晚期胚胎发生丰富蛋白。温度升高导致全球大麦减产，如西欧损失15%、丹麦56%、澳大利亚15%等。热胁迫影响光合速率、气孔导度和叶面积，耐热基因型维持较高叶绿素含量，而敏感型出现早衰和产量损失。本综述旨在阐明缓解大麦热胁迫的生理和分子机制，涵盖生理机制（播种时间优化、灌溉管理、施肥、热引发、真菌和细菌接种）和分子机制（拟南芥机制见解、分子育种通过QTLs定位、基因组选择、基因编辑）。
**1.1 生理机制**
**1.1.1 热引发——早期热适应反应**
先期轻度热暴露建立应激记忆，激活防御系统包括应激响应基因表达、抗氧化剂产生和转录因子（TFs）活化。TFs调控热休克蛋白（HSPs）和抗氧化酶基因的组装。热引发在水稻、小麦和玉米中已报道改善防御机制。在小麦中，热引发改善花后和早期生殖阶段。通过在大麦营养期暴露于32–35°C 48–72小时，植物形成应激记忆，提高后续发育阶段耐热性。此方法诱导HSP17和HSP70（热休克蛋白）及抗氧化酶（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX）的产生，在热胁迫下保护细胞结构。HSP70在维持蛋白质质量和调控降解中起关键作用。热引发植物在热胁迫下表现出更优光合性能、减少膜损伤和延迟叶片衰老。转基因过表达研究表明，热引发大麦在热胁迫条件下保持10–15%更高的籽粒产量。此低成本技术与其他农艺实践结合，在易受热胁迫环境中维持大麦生产力潜力显著。
**1.1.2 真菌和细菌接种**
真菌和细菌内生菌与植物结合，存活于组织内而不造成损害，可提高宿主对生物和非生物胁迫的耐受力，包括热胁迫。内生菌增强固氮、植物激素分泌和养分吸收，通过侵入种子、根、叶和茎促进正常生长。在非生物胁迫下，内生微生物通过渗透调节物质积累、诱导系统耐受性和植物激素产生刺激植物生长。热和干旱胁迫提高谷类作物酶活性。热胁迫下过量活性氧（ROS）造成离子失衡，植物利用抗氧化剂中和ROS。多种内生菌如芽孢杆菌属（Bacillus paramycoides、Bacillus subtilis等）和假单胞菌属（Pseudomonas koreensis）在小麦、玉米和水稻中缓解干旱、热胁迫、养分缺乏和盐胁迫。持续热导致细胞膜去极化，最终细胞死亡。
**1.1.3 播种时间优化**
调整播种期是减轻热胁迫影响的常用策略，使作物完成生殖阶段并逃避热浪，减少损害。它避免热风对开花和灌浆期的不利影响。延迟播种导致每穗粒数、籽粒饱满度和收获指数降低。小麦早播（10月）可使成熟期提前至3月，利用有效水分抵抗热胁迫。在中国，调整播种期减少水稻开花期热害。在澳大利亚东部，高粱早播提高大麦籽粒产量和品质。研究表明调整开花时间对增强不同谷类品种耐热性的重要性。大麦基因型在晚播条件下表现出籽粒重、冠层温度、籽粒生长速率和每穗粒数的显著遗传变异。
**1.1.4 灌溉和施肥管理**
灌溉和施肥对作物健康生长和发育至关重要。施肥帮助植物从导致产量损失的热胁迫中恢复。热胁迫严重影响根部养分吸收和利用，降低生长速率。温度升高增加蒸腾速率。合理的水分效率和施肥可加速植物从热胁迫的有害影响中恢复。最佳水分和养分管理显著增强大麦对盐、干旱和热等非生物因素的耐受性。研究表明，叶片温度低于10°C时蒸腾速率下降。在小麦中，钾肥显著维持光合速率和减少细胞膜损伤。补充磷酸二氢钾营养减轻热效应并提高大麦籽粒品质。氮肥施用也获得类似效果。适当施肥与准确水分效率是减轻谷类作物热胁迫的主要物理方法。合理灌溉水平下小麦、大麦和黑小麦株高增加。
**1.2 分子机制**
**1.2.1 来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的机制见解**
拟南芥因其全基因组测序、短生命周期、关键调控基因、转录网络和信号通路，成为理解胁迫耐受机制和基因的宝贵资源。已鉴定许多耐热基因，为胁迫响应通路提供全面见解。拟南芥作为模式系统，可生成假说和候选基因。热胁迫下，热休克反应（HSR）通过蛋白质错误折叠起始，保护细胞功能。不同转录调控网络参与热休克蛋白表达。近期研究证实大麦中存在多个保守热响应基因和通路，与拟南芥机制部分重叠。科学家鉴定拟南芥中关键胁迫响应基因如HsfA2（热休克TF）和DREB2A（干旱响应元件结合蛋白），调控热损伤保护机制。这些基因在大麦中有类似对应物（HvHSFs和HvDREBs），使研究者能通过CRISPR/Cas9基因编辑技术在拟南芥中快速测试基因功能后再应用于大麦。例如，修饰大麦HvHSP17基因（与拟南芥热休克蛋白类似）显示增强耐热性。另一研究报道，野生大麦（Hordeum spontaneum）1H染色体上的HvGST4基因在拟南芥中过表达，通过提高谷胱甘肽（天然抗氧化剂）含量清除ROS，增强对热、盐、干旱、淹水和寒冷等非生物胁迫的耐受性。然而，该野生大麦基因的功能研究仍需验证其在热胁迫中的作用。
**1.2.2 分子育种——QTLs区域**
测序技术和基因分型育种（标记辅助选择MAS、基因组选择GS、基因组编辑）与传统育种相结合，扩展了对热胁迫耐受性遗传控制的理解。热胁迫触发大麦分子响应，影响多个与耐热性相关的QTLs区域表达和调控。耐性基因型中编码热休克蛋白（HSPs）、抗氧化酶和胁迫相关TFs（如DREB、HSF、NAC）的基因常上调，保护细胞结构并维持生理平衡。基于DNA的标记（简单重复序列SSR、单核苷酸多态性SNP）已用于识别与膜稳定性和叶绿素保留相关的QTLs区域。已有小规模QTL定位研究控制开花和结实期热胁迫。在大麦中，25个QTLs区域与代谢物生物合成相关，其中3个已在热和干旱胁迫下定位。Gous等报道6个QTLs位于染色体3H、4H、5H和6H响应热胁迫。已知QTLs区域可通过全基因组关联研究（GWAS）识别，并用于MAS结合GS方法培育耐热谷类品种。
**1.2.3 基因组选择**
基因组选择（GS）可轻松应对不同环境因子对作物性状的影响，提高识别稳定遗传区域的概率。GS已开发大量标记用于提高产量和改善对干旱及热胁迫的耐受性。通过表型和基因型评估每个标记效应，将标记效应值加总获得基因组估计育种值（GEBV）。利用GS工具，增强温度升高对表现最大潜力的性状（如生理参数、分子机制、籽粒产量和营养价值）中遗传片段识别效率。GS有助于改善小麦和玉米在热胁迫下与生理参数、分子机制、产量和营养品质相关的性状。Juliana等报道，GS与表型性状结合可减少干旱和热胁迫下籽粒产量育种面临的挑战。在玉米中，QTLs定位与GS方法整合已鉴定提高遗传增益和选择效率的基因。将GS整合到QTLs定位中对受环境因素影响大的性状（如大麦中的一些特性）有用。进一步应用GS改良不同大麦基因型群体，有助于更快开发耐热大麦品种。
**1.2.4 通过CRISPR/Cas9进行基因编辑**
植物耐热机制由信号通路调控，包括胁迫感知、信号转导和转录激活，最终激活与热胁迫响应相关的基因。已识别出改善植物高温耐受性的酶、胁迫响应基因、转录因子（TFs）和代谢物。基因编辑技术（CRISPR/Cas9）可用于改变多种TFs和胁迫响应基因以减轻大麦热胁迫。Poonia等报道，小麦中与热胁迫相关的TFs（TaHsfA6b）在大麦中过表达，未观察到负面表型变化，转基因大麦表现出耐热性。脱靶突变的直接影响可能通过改变非靶区域影响植物性能。多种育种方法（MAS、分子辅助育种MAB、GS、QTLs定位）已应用于开发大麦热胁迫耐受性。先进进展推动了耐热性品种的新型基因组实践开发，但仍面临基因组多基因复杂性质等困难。需要进一步研究基因编辑技术以开发耐热大麦品种。
**2 结论**
热胁迫是大麦高产的主要限制因素。在当前全球气候变化条件下，迫切需要识别减轻热对大麦影响的方法。本综述全面理解了大麦耐热性背后的生理和分子机制。生理机制（播种时间调整、适当灌溉、施肥、热引发、细菌和真菌接种）和分子机制（QTLs区域分子育种、CRISPR/Cas9基因编辑、拟南芥机制见解、基因组选择）被认为在开发热弹性大麦品种中较为便捷。从小麦引入并深入研究TaHsfA6b（抗性基因）以及将野生大麦HvGST4基因引入栽培大麦，可为耐热品种提供宝贵见解。生理筛选和基因组辅助选择可实现抗性品种开发。大规模田间热胁迫下高通量表型分析缺失、分子标记与生理性状关联研究有限以及候选基因鉴定不足是主要限制。通过解决这些问题，研究人员可在全球升温背景下为大麦可持续生产做出贡献，增强耐热性。
