综述：提高水稻耐热性的分子机制与转化机遇

《The Plant Genome》：Molecular insights and translational opportunities to enhance heat tolerance in rice

　　

热胁迫日益严重地威胁水稻（Oryza sativa L.）生产力，然而耐热性背后的遗传和调控架构在研究中仍不清晰且分散。早期研究聚焦于单一通路或特定发育阶段；然而，近期进展支持对水稻热胁迫适应的整合理解。本综述综合了与耐热性相关的分子生理学、调控信号、表观遗传记忆和基因组尺度变异的新兴见解。研究人员强调了钙-活性氧（ROS）信号、热休克转录因子（HSF）网络、翻译调控和染色质基础胁迫记忆在塑造生殖阶段耐受性和维持高温下籽粒品质中的互联作用。该综述还强调了泛基因组（pangenome）分析和结构变异（SV）发现对于识别单参考基因组中缺失的热响应基因和调控元件的价值。此外，讨论了全基因组关联研究（GWAS）、单倍型育种、基因组选择（GS）和基于CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）的基因组编辑作为功能验证和部署控制多基因热恢复力的有利等位基因的有前景途径。尽管取得了这些进展，若干挑战仍阻碍转化为育种准备成果，包括候选基因的田间验证有限、多组学数据集整合到预测性育种框架中的不足，以及对生殖阶段调控网络的理解不充分。此外，基因型×环境相互作用，以及产量、籽粒品质和胁迫恢复力之间的权衡，强烈影响耐热性性状在不同农业生态环境中的稳定性和可转移性。通过整合机制性见解与基因组尺度多样性和预测性育种工具，本综述概述了一条基因组学驱动的路线图，用于在日益加剧的全球变暖下开发耐热水稻品种，并支持可持续的全球水稻生产。

**1 引言**
全球变暖是影响作物生长、发育和地理分布的主要环境胁迫之一。人口增长和工业化增加了温室气体排放，加速全球变暖并挑战农业系统。预计全球平均温度升高1°C可使水稻产量降低3.4%。水稻生殖期至少面临5天极端热胁迫，温度超过临界生理阈值。水稻（Oryza sativa L.）对水分需求大，高温扰乱光合作用、水分利用效率、生殖发育、花粉活力、结实率和籽粒品质等关键生理过程。生殖期对热特别敏感，高温（白天>35°C，夜间27°C–30°C）损害花粉发育、小穗育性和籽粒形成。热胁迫主要影响雄配子功能，导致花粉活力降低、花药开裂受阻，引起小穗不育。雌配子相对耐热，但受精后灌浆期高度易感，导致籽粒垩白和产量损失。本综述综合了水稻热胁迫耐受机制的理解，并整合了基因组学辅助育种的最新进展，强调全基因组关联研究（GWAS）、泛基因组分析和基因组选择（GS）在识别热胁迫下生殖稳定性和籽粒品质相关的等位基因和结构变异（SV）中的作用。

**2 全球变暖现状及其对粮食安全的影响**
全球变暖使主要水稻产区（南亚、东南亚和撒哈拉以南非洲）的热胁迫加剧。IPCC预测热浪更频繁、更持久、更严重，到本世纪中叶生长季超过35°C的天数显著增加。水稻在生殖期对热高度敏感，短暂暴露于35°C以上可大幅降低产量；1°C升温估计使水稻产量降低3.4%，开花期≥35°C–38°C导致严重胁迫下小穗不育率超过50%。雨养系统因热和水胁迫叠加而尤为脆弱，灌溉系统虽能缓冲部分胁迫，但开花和灌浆期仍高度敏感。研究人员利用美国本土（CONUS）的CMIP6 LOCA2数据集分析每日最高温度（Tmax）预测，并针对主要水稻产区（印度、中国、菲律宾）使用NASA NEX-GDDP-CMIP6数据集。热暴露量化为生长季（4–9月）Tmax ≥ 37°C的年天数。历史基线期（1971–2000）CONUS平均热天数为4.26天/季。到2025–2040年，SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别增加5.40和5.95天；到2040–2055年分别增加7.75和9.62天，热天数约为基线的1.8–2.3倍。主要水稻产区（如加利福尼亚、密西西比、阿肯色等州）热天数大幅增加，如加利福尼亚在SSP5-8.5下到2040–2050年热天数达44.3天/季。印度水稻产区热天数也显著增加，而菲律宾和中国部分省份热暴露相对较少。预测的热天数增加与水稻生殖期重合，说明整合气候预测与基因组学辅助育种对加速开发耐热水稻品种至关重要。

**3 高温对水稻生长发育的影响**
水稻最适生长温度为25°C–28°C。热胁迫响应高度阶段特异性：开花期≥35°C导致小穗不育；孕穗期高温扰乱小孢子发生和花粉发育；灌浆期高温改变淀粉生物合成、增加籽粒垩白。耐热性存在显著基因型变异，传统aus种质（如N22）表现出强生殖期耐热性，indica品种变异较大，japonica品种通常较敏感。高温延迟早期发育阶段损害萌发和幼苗活力，归因于热诱导氧化胁迫抑制超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性。幼苗期持续高温（38°C–45°C）导致过度蒸腾失水、叶片黄化、萎蔫和根系发育受损。分蘖期热胁迫引起叶片卷曲、黄化、分蘖数减少和生物量积累降低。穗分化和小孢子发生期高温减少小穗数、大小，开花期3–5天≥35°C–38°C导致小穗不育率高达80%。花粉母细胞减数分裂尤其脆弱，热胁迫破坏绒毡层发育，导致花粉败育。热胁迫还降低柱头接受性，扰乱胚乳发育，导致粒重和产量下降。灌浆期高温抑制淀粉生物合成关键酶活性（如AGPase、GBSSI、SBE、淀粉合酶IIa），降低直链淀粉含量（从约19.8%降至16.1%），产生松散淀粉颗粒，增加垩白，降低加工品质。此外，高温夜温（HNT）通过扰乱呼吸代谢、碳平衡和源库动态，导致产量损失和品质下降。HNT涉及部分不同的调控通路，包括SnRK1、α-淀粉酶基因、HSP和昼夜节律相关调节因子的差异表达。

**4 高温的生理效应**
**4.1 膜损伤**：高温触发活性氧（ROS）过量产生，损害膜完整性，改变脂质组成，增加饱和脂肪酸比例，降低膜流动性。热胁迫抑制脂肪酸去饱和酶活性，加速膜失稳。不同发育阶段表现特定损伤：萌发期水通道蛋白基因表达降低；分蘖期ROS积累减少钙依赖性调节因子表达；开花期花粉脂质转运基因下调破坏花药角质层形成；灌浆期脂质氧化加剧导致膜过氧化。耐热基因型通过上调热休克蛋白（HSP）和E3连接酶维持膜稳定性。
**4.2 光合损伤**：高温破坏光合机构，光系统II（PSII）尤其脆弱。热胁迫增加类囊体膜通透性，降低叶绿素浓度，导致基粒解堆叠，光捕获效率下降。Fv/Fm比值降低，总光合速率下降。热胁迫损伤放氧复合体（OEC），抑制电子传递。同时，抑制Rubisco活化酶活性，降低碳固定效率。
**4.3 热胁迫下ROS过量产生**：热胁迫打破细胞氧化还原稳态，导致ROS积累。减数分裂期花药ROS水平升高三倍。植物采用酶促和非酶促抗氧化系统解毒。非酶促包括类胡萝卜素、抗坏血酸、谷胱甘肽；酶促包括SOD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等。呼吸爆发氧化酶同源物（RBOH）产生局部ROS脉冲，激活下游防御基因。OsANN1通过调节抗氧化输出保护细胞。当ROS产生超过解毒能力时，导致脂质过氧化、蛋白质变性，丙二醛（MDA）积累。ROS的双重角色取决于胁迫强度和时间。
**4.4 碳水化合物代谢紊乱**：热胁迫抑制糖酵解，降低花药中糖含量，影响花粉发育。细胞壁蔗糖转化酶活性受抑制，降低蔗糖裂解。热胁迫抑制蔗糖合酶（SuSy），减少UDP-葡萄糖供应。耐热品种维持较高的非结构性碳水化合物水平和更强的酶活性，支持碳分配和灌浆。
**4.5 植物激素失衡**：热胁迫扰乱细胞分裂素（CTK）、生长素（IAA）和脱落酸（ABA）稳态。CTK水平降低，导致穗起始和细胞增殖受限。IAA浓度下降，损害花粉萌发和花药开裂。ABA水平升高，抑制花粉管生长，加速绒毡层退化。油菜素内酯（BR）和水杨酸（SA）可部分抵消这些效应。

**5 植物响应热胁迫的机制**
**5.1 响应热胁迫的信号级联**：植物通过钙离子（Ca²⁺）浓度、膜流动性和氧化还原状态快速变化感知热胁迫。细胞壁重构释放质外体Ca²⁺，Ca²⁺通过环核苷酸门控通道（CNGC）内流。Ca²⁺信号由钙调蛋白（CaM）和Ca²⁺依赖性蛋白激酶（CDPK）解码，磷酸化下游组分如HSF。膜流动性变化触发脂质信号和ROS产生。RBOH产生ROS爆发，通过ERF74–RBOH–ROS模块调节。下游HSF和HSP构成核心响应网络。HSFA1在非胁迫下与HSP70/HSP90复合物结合，热胁迫下释放，三聚化，结合热休克元件（HSE），诱导HSP等基因表达。
**5.2 脂质信号**：热胁迫激活磷脂酶D（PLD）和磷脂酰肌醇-4-磷酸5-激酶（PIPK），产生磷脂酸、PIP2和IP3等脂质信使，增强耐热性。IP3通过PLC9和PLC3合成，敲除突变降低耐热性。
**5.3 热胁迫响应的转录调控**：水稻有25个HSF，分为HSFA、B、C三类，22个受热上调。HSFA1亚家族是主调控节点。HSFA2、DREB2A、MBF1c等参与调控。OsCDPK24/28磷酸化OsHSFA4d，连接钙信号与转录调控。其他TF如NAC、MYB、WRKY也参与调控。转录后修饰如磷酸化、SUMO化调节TF活性。
**5.4 维持热胁迫下的蛋白质稳定性**：高温破坏蛋白质稳态，激活未折叠蛋白反应（UPR）。UPR由IRE1–bZIP60和bZIP17/28通路调控。水稻中OsbZIP74和OsbZIP50被热诱导剪接，激活UPR基因。OsNTL3作为上游调控因子启动UPR。
**5.5 热休克蛋白与蛋白质稳态**：HSP作为分子伴侣，稳定、折叠和修复蛋白。sHSP在耐热品种中表达更高。HSP101、HSP90、HSP70显著上调。泛素/26S蛋白酶体途径降解错误折叠蛋白，E3连接酶如OsHIRP1、OsHTAS、OsHCI1、OsTT1参与蛋白清除，提高耐热性。
**5.6 翻译调控与蛋白质稳态**：AET1 tRNA His鸟苷酸转移酶维持tRNA平衡；SLG1 tRNA硫醇化维持蛋白稳态；OsNSUN2 RNA甲基转移酶确保翻译；TOGR1 RNA解旋酶稳定rRNA，增强耐热性。

**6 热胁迫适应的表观遗传调控**
**6.1 热胁迫记忆中的染色质动态与表观遗传调控**：植物具有胁迫记忆机制，组蛋白修饰（如H3K4me3）作为表观遗传标记，维持热响应基因的再激活。HSFA2招募H3K4me2/me3标记。ASF1促进核小体移位和H3K56ac。FGT1与SWI/SNF复合物相互作用，促进核小体位移，实现快速再激活。
**6.2 小RNA和长非编码RNA介导的热胁迫响应与记忆**：miR156通过抑制SPL基因延长胁迫记忆；miR398下调ROS解毒酶基因，增强热响应。TAS1产生ta-siRNA，调节HTT1/HTT2，增强耐热性。长非编码RNA（HRLs）如TCONS_00018499等位于QTLs内，参与热响应调控。
**6.3 热胁迫记忆的跨代遗传**：转座子ONSEN在热胁迫下被HSFA2激活，并在siRNA缺失突变体中产生新插入，赋予邻近基因热响应性。HSFA2–REF6反馈环维持表观遗传记忆，促进后代耐热性和发育变化。
**6.4 热胁迫后的转录重编程**：自噬在热胁迫后清除HSP等蛋白，恢复细胞稳态，作为负调控因子消散胁迫记忆。表观遗传机制与GWAS、GS模型整合可提高育种精度。

**7 增强耐热性的策略**
**7.1 耐热QTL检测与标记辅助育种**：耐热性是多基因数量性状。已鉴定多个阶段特异性QTL，如RLHT5.1（幼苗）、qHTB1-1（孕穗）、qHTSF1.1（生殖期）、qPSLht4.1（开花期）、qHTH5（野生稻源）、qSTIPSS9.1（不育性）、qEMF3（早花）、qPGC5（垩白）、qHAC4（直链淀粉）等。QTL涵盖生殖发育、碳代谢、ROS解毒、钙信号、酚类调控和蛋白稳态等通路。多数QTL尚未克隆，需高分辨率精细定位和等位基因挖掘。
**7.2 全基因组关联研究（GWAS）**：GWAS利用历史重组事件，高分辨率定位耐热性相关位点，如qHTT4.2、籽粒外观QTL簇等。GWAS检测的位点多数在遗传背景和环境间一致，可整合到MAS和GS中。
**7.3 基因组选择（GS）**：GS通过估算全基因组标记效应预测育种值，捕获多基因耐热性。GS模型在N22和Giza178衍生群体中对小穗育性和产量预测精度高。但需解决阶段特异性表型、G×E互作和非线性遗传架构问题。整合高密度SNP、多性状模型和环境信息可提高精度。
**7.4 单倍型育种**：单倍型捕获共遗传的功能等位基因组合，优于单SNP分析。3K水稻基因组项目鉴定了qHTSF4.1、OsHSP101、OsHTAS等单倍型。其他作物（玉米、小麦、鹰嘴豆、高粱）也展示了单倍型在耐热性中的价值。需整合泛基因组、多组学和高通量表型平台。
**7.5 泛基因组辅助发现新SV用于耐热性**：泛基因组涵盖核心和可变基因，捕获单参考基因组遗漏的SV（PAV、CNV、倒位等）。SV影响胁迫响应通路，如HSF–HSP模块、ROS信号等。图基泛基因组支持SV-GWAS和eQTL分析。SV标记在MAS、单倍型育种和GS中具有潜力，但需解决大规模SV分型、计算复杂性和环境依赖性。
**7.6 基因组编辑提高耐热性**：CRISPR/Cas9敲除OsNTL3、OsNAC006导致热敏感，敲除OsRbohB减少ROS积累、增强HSP表达、提高产量。其他作物如番茄SlMAPK3敲除增强耐热性。碱基编辑和先导编辑扩展了精确修饰能力。调控框架因国家而异（美国产品导向，欧盟严格GMO法规）。
**7.7 缓解热诱导损伤的农艺措施**：施用植物生长调节剂（CTK、SA、BR、乙烯释放剂）、多胺、渗透保护剂、抗氧化剂等可缓解热胁迫。营养管理（适度氮、磷、生物炭）和雾灌在开花期降温有效。

**8 结论与未来方向**
高温胁迫是水稻生产的主要限制因素，生殖期尤其脆弱。近年在HSF转录调控、ROS和脂质信号、表观遗传记忆方面取得进展。QTL和关键基因（OsHTAS、SLG1、Sus3、TT1）为功能验证和育种提供靶标。整合GWAS、GS、CRISPR/Cas9、多QTL聚合、农艺措施（如早花、营养管理）和AI高通量表型组学，有望加速开发耐热水稻品种。