黄瓜（Cucumis sativus L.）高温高湿复合胁迫响应机制的生理、生化与转录组学分析

《Plant Stress》：Physiological, biochemical, and transcriptomic analysis characterized high-temperature and high-humidity combined stress response mechanisms in cucumber ( Cucumis sativus L.)

　　

摘要
在保护地栽培系统中，高温高湿（HTHH）条件在春、夏、秋三季频繁共存，严重损害黄瓜的产量和品质。以往大多数研究仅将高温胁迫作为单一因子进行探讨，而温度-湿度复合胁迫的交互效应，尤其是其潜在分子机制，仍鲜有系统阐明。本研究系统探究了黄瓜幼苗对单一及复合温湿度胁迫的生理、生化及分子响应。整合生理学与分子生物学分析揭示，HTHH通过维管束紊乱和叶肉组织塌陷协同损害组织完整性，通过异常保卫细胞动力学扰乱气孔调节，并诱导叶绿体超微结构降解。这些结构改变与加剧的氧化损伤及不可逆的细胞器功能障碍相关联。本研究建立了一个解释黄瓜幼苗对并发HTHH胁迫易感性的生理-结构框架，为在多因子环境约束下增强作物胁迫韧性提供了关键见解。

**论文解读：黄瓜幼苗高温高湿复合胁迫响应的多层级调控机制**

**一、研究背景与科学问题**

黄瓜（*Cucumis sativus* L.）是设施栽培中重要的经济蔬菜作物。然而，在春、夏、秋三季的保护地环境中，高温（常超过35°C）与近饱和空气湿度常同时出现，形成高温高湿（HTHH）复合胁迫，严重偏离黄瓜最适生长温度范围（20–30°C），导致叶片畸形、叶绿素降解、花粉活力下降、坐果率降低及生育期缩短，最终造成显著产量损失。以往研究多聚焦于单一高温胁迫，而对温度与湿度复合胁迫的交互效应及其分子机制认知有限。植物光合作用对环境温湿度高度敏感，HTHH抑制净光合速率（A）、PSII最大光化学效率（Fv/Fm）等核心光合指标，并诱导活性氧（ROS）过量积累，失衡的抗氧化系统进一步加剧氧化损伤。此外，植物激素信号网络，尤其是脱落酸（ABA）与乙烯在气孔调节中的拮抗关系，构成复杂的调控节点，但黄瓜在HTHH下激素信号交互机制仍不清楚。当前研究多停留在表型描述或组学数据的简单堆叠，未能将转录组变化与生理表型及调控机制有效关联。因此，解析黄瓜HTHH响应的关键基因与核心信号通路，对耐HTHH品种选育具有重要意义。该研究发表于《Plant Stress》。

**二、主要技术方法**

研究人员以黄瓜品种‘津春4号’（Jinchun No.4）幼苗为材料（购自天津科润黄瓜研究所），设置四个处理组：高温高湿（HTHH，42°C±0.5°C，95%RH±3%）、高温常湿（HTNH，42°C±0.5°C，80%RH±3%）、常温高湿（NTHH，25°C±0.5°C，95%RH±3%）和常温常湿（NTNH，25°C±0.5°C，80%RH±3%），于两叶期处理6小时。主要技术手段包括：石蜡切片与透射电镜观察茎叶组织结构与叶绿体超微结构、扫描电镜观察气孔形态、组织化学染色（DAB、NBT、台盼蓝）及叶绿素荧光成像评估氧化损伤与细胞死亡、LI-6800光合仪和Dual-PAM-100荧光仪测定气体交换与叶绿素荧光参数、分光光度法测定ROS含量及抗氧化酶活性、超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）测定内源激素含量，以及基于Illumina NovaSeq 6000平台的RNA测序（RNA-seq）进行转录组分析。采用双因素方差分析解析温度与湿度的主效应及交互效应。

**三、主要研究结果**

**3.1 温度-湿度复合胁迫下黄瓜幼苗的表型动态**

HTHH处理在6小时时导致叶片边缘失绿发白，呈现典型“金边”症状，生长点卷曲；而HTNH、NTHH与NTNH处理植株形态基本正常。

**3.2 复合胁迫下黄瓜幼苗的组织与解剖结构变化**

显微观察显示，HTHH导致茎部维管束严重紊乱、髓腔塌陷为狭缝状。叶片中栅栏细胞塌陷、海绵组织疏松、细胞间隙扩大，下表皮大面积脱落。气孔分析表明HTHH诱导气孔关闭并伴随保卫细胞严重变形。叶绿体超微结构在HTHH下呈球形变形，基质片层解体为絮状，淀粉粒近消失，类囊体膜严重崩解，表明发生不可逆细胞器损伤。组织化学染色证实HTHH叶片大量积累H₂O₂与·O₂^?，台盼蓝染色显示广泛坏死，Fv/Fm显著下降。

**3.3 温度、湿度及其交互作用显著影响黄瓜光合作用**

方差分析表明，温度显著影响A、Ci、gsw和E，湿度显著影响A、Ci和E，而温度×湿度（T×H）交互作用显著重塑A、gsw和E。HTHH将A降至所有处理最低水平，E显著低于HTNH，伴随Ci极端积累。叶绿素荧光参数揭示HTHH显著抑制Fv/Fm、qP、Y(II)和ETR，异常升高NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)。色素测定显示仅HTHH处理出现叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素的显著降解。

**3.4 温度、湿度及其交互作用显著影响ROS含量与抗氧化酶活性**

H₂O₂积累受T×H交互协同调控，HTHH处理自2小时起持续爆发并至6小时达峰。·O₂^?积累仅受温度独立调控。HTHH处理诱导SOD活性早期显著升高，但同时抑制POD活性，CAT活性呈早期峰值后持续下降，导致抗氧化酶协同失效，ROS持续累积。

**3.5 温度、湿度及其交互作用显著影响内源激素水平**

高温显著抑制IAA合成，T×H交互在HTHH下进一步加剧IAA降解至最低水平。SA代谢呈现T×H拮抗与协同并存的特征：HTHH处理在2–4小时SA无显著差异，但6小时急剧飙升；HTNH则诱导持续SA积累。ABA代谢不受T×H交互调节，表明ABA介导的胁迫响应是独立于温湿度联合调控的保守通路。

**3.6 高温高湿复合胁迫下黄瓜幼苗转录组图谱**

RNA-seq共鉴定出4,342个差异表达基因（DEGs），其中2,542个上调、1,800个下调。GO富集显示DEGs富集于应激反应、膜功能、囊泡介导转运、蛋白质折叠及光系统通路。KEGG富集显示内质网蛋白质加工通路包含最多DEGs（76个），光合天线蛋白、甘油酯代谢、MAPK信号通路、蛋白酶体和剪接体通路显著富集。上调倍数最高的基因包括bHLH121转录因子（log₂FC=19.29）和5个HSP20家族基因（log₂FC=12.22–15.88）；下调最显著的包括果胶酯酶抑制剂基因（log₂FC=?11.72）和3个光合细胞色素基因。

**3.7 HTHH下核心激素信号、热激与光合DEGs的表达特征**

生长素信号通路19个DEGs中17个显著下调，而ABA信号通路15个DEGs中11个上调，揭示生长素-ABA拮抗形成“生长-防御权衡”机制。45个光合相关DEGs中仅6个上调，其余39个核心光合基因（叶绿素a/b结合蛋白、光系统I/II亚基、铁氧还蛋白、ATP合酶）均显著下调。热激响应分析鉴定出7个HSP70和4个HSF显著上调，HtpG、DnaJ、DnaK等分子伴侣系统占热激响应元件的半数，构成完整的HSF-HSP调控级联。

**3.8 关键HTHH耐受基因在温湿度复合处理下的动态表达**

qPCR验证显示，CsHSP17.8a、CsHSP23.8a在HTHH下于4小时达峰，而上游CsHSFA2与CsHSP70-2在2小时即达峰值，呈时序级联激活特点。所有热激核心基因在常温处理（NTNH、NTHH）中表达极低，证实HSF-HSP通路受高温特异性诱导。叶绿素代谢方面，降解关键基因CsPAO在高温下快速持续激活，而合成限速基因CsHEMA1持续受抑，形成“促降解+抑合成”的双核心调控机制。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，HTHH胁迫通过四条相互关联的通路协同损伤黄瓜幼苗：叶绿体超微结构损伤、气孔限制、光抑制和氧化胁迫。T×H交互作用本质上是系统性重塑胁迫调控网络——首先破坏内源激素稳态以启动胁迫信号响应，继而打破ROS-抗氧化平衡诱导氧化损伤，最终破坏光合色素稳定性与光系统结构，造成不可逆形态与解剖损伤。HSF-HSP伴侣系统作为保护性反馈机制被激活，HSP20s占上调基因前25%，凸显其在多胁迫适应中的核心功能。该模型为理解黄瓜HTHH耐受性提供了综合框架。研究结论指出：温度、湿度及其交互作用显著影响黄瓜幼苗对HTHH胁迫的生理响应。机制上，HTHH通过两条主要途径影响生长与生理：（1）组织与解剖结构损伤降低光合能力，POD与CAT活性受抑导致ROS积累；（2）多基因控制的内在HTHH耐受性，通过光合作用、热激响应和植物激素信号转导相关基因的调控表达实现防御。研究揭示了黄瓜幼苗响应HTHH胁迫的关键生理特征与调控机制，鉴定了调控HTHH耐受性的候选基因，为黄瓜靶向育种与栽培策略提供了重要基础。