易科泰植物熱耐受研究技術(shù)-作物臨界溫度測量與高通量熱耐受評估

目前，我國北方正經(jīng)歷今年第一輪大范圍高溫天氣——在全球氣候變暖背景下，高溫天氣已成為作物生產(chǎn)的重要威脅因素。如何對作物品種熱耐受性進行精確評估，從而篩選優(yōu)良的抗高溫脅迫品種，成為農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化的重要課題。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司長期致力于農(nóng)業(yè)-生態(tài)-健康研究檢測技術(shù)的研發(fā)推廣與技術(shù)服務(wù)，其新一代農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)——葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)是檢測植物（包括藻類）生物與非生物脅迫及抗性篩選的重要利器，具備高靈敏度、高通量、非損傷、可視化/數(shù)字化等優(yōu)勢，先后獲得國家發(fā)改委宏觀經(jīng)濟雜志社“千城百企"新質(zhì)生產(chǎn)力優(yōu)秀案例、中國楊凌農(nóng)業(yè)高新科技成果博覽會“重大農(nóng)業(yè)成果新技術(shù)"、中國農(nóng)學(xué)會“中國農(nóng)業(yè)重大科技新成果——新技術(shù)"等殊榮。易科泰生態(tài)技術(shù)公司推出的模塊式葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)方案，同時具備 Thermo-RGB 成像融合分析技術(shù)，可以檢測植物隨溫度升高光合熒光生理參數(shù)的動態(tài)變化，進而確定熱耐受臨界溫度Tcrit。在達到Tcrit前，溫度僅對光系統(tǒng)II造成光合能力輕度降低及有限的光合電子傳遞結(jié)構(gòu)可逆損傷；而達到Tcrit后，則意味著光系統(tǒng)II的電子傳遞結(jié)構(gòu)開始受到嚴(yán)重破壞，Tcrit可作為植物熱耐受性的閾值而對其進行定量評估。

案例一、非洲稻和亞洲稻光合熱耐受性高通量表型與遺傳分析

全球半數(shù)人口依賴水稻為主食，但升溫與高溫事件嚴(yán)重威脅水稻生產(chǎn)。光系統(tǒng)II（PSII）是光合作用中熱穩(wěn)定性最敏感的組分，其效率下降會直接限制營養(yǎng)生長期的光合速率、可溶性碳水化合物積累，最終影響產(chǎn)量。英國諾丁漢大學(xué)測試了一套基于葉綠素?zé)晒獬上竦?/span>高通量光合熱耐受性篩選平臺，解析非洲栽培稻（Oryza glaberrima）和亞洲栽培稻（Oryza sativa）的光合熱耐受性遺傳變異。

高通量光合熱耐受性篩選平臺為一套配置精確控溫加熱器的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。采集4周齡水稻第3片葉，置于加熱器上。PID控制器調(diào)控加熱器從25℃開始以1℃為梯度升溫至55℃，FluorCam則同步檢測各溫度點的PSII最大量子效率Fv/Fm。單批次可檢測100-120份材料，每日可完成2批次檢測，實現(xiàn)了水稻樣品的高通量檢測。

根據(jù)測量結(jié)果分別計算Tcrit（Fv/Fm從緩慢下降至快速下降的臨界點溫度）、T50（Fv/Fm降至最大值50%時的溫度）、m1和m2（Tcrit前后的Fv/Fm-溫度響應(yīng)斜率）。結(jié)果表明，亞洲栽培稻整體耐熱性更高，亞洲稻Tcrit均值46.4℃，非洲稻Tcrit均值44.7℃；亞洲稻T50均值48.8℃，非洲稻T50均值46.8℃。基于熒光數(shù)據(jù)的GWAS定位共鑒定出15個光合耐熱性QTL，兩個物種無重疊QTL，說明其耐熱遺傳基礎(chǔ)存在分化。在亞洲稻QTL區(qū)間內(nèi)經(jīng)功能富集和驗證篩選出30個高置信候選基因，與水楊酸生物合成、活性氧穩(wěn)態(tài)、鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、PSII修復(fù)通路相關(guān)，符合光合耐熱的生理機制。

這一研究證明基于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)開發(fā)的高通量熱耐受性篩選平臺無需大型控溫設(shè)施，可快速獲得高質(zhì)量表型數(shù)據(jù)，適合育種場景應(yīng)用，為其他作物熱耐受性研究提供了范式。

案例二、豇豆光合作用關(guān)鍵酶異構(gòu)體對作物耐熱性的影響

豇豆是撒哈拉以南非洲重要的蛋白質(zhì)來源，但對熱脅迫非常敏感，夜間溫度僅升高 1°C 即可顯著減產(chǎn)。Rca（Rubisco活化酶） 是維持 Rubisco光合活性的關(guān)鍵分子伴侶，且自身熱敏感性較高，是改良作物耐熱性的重要靶點。英國蘭卡斯特大學(xué)研究鑒定豇豆 Rca 亞型，明確其在熱脅迫下的功能差異，為耐熱作物育種提供依據(jù)。這一研究成果發(fā)表于2025年《New Phytologist》。

豇豆基因組中存在 3 個 Rca 編碼基因，共產(chǎn)生 4 種功能性 Rca 亞型。研究人員對豇豆樣品進行了晝/夜 38°C/28°C（+10°C）的5天熱浪處理（無水分脅迫），使用紅外熱成像檢測葉溫的變化。同時，他們使用了一套定制的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，通過控制溫度測量Fv/Fm來計算臨界溫度Tcrit、m1和m2。

實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，5天的熱浪處理使葉溫上升到32℃，由于該溫度低于每種Rca亞型活性降至最大值70%以下的溫度，因此這種熱浪對Rubisco功能和生物量生產(chǎn)的影響只是輕微的。而Tcrit 反而有所提升，表明PSII 熱耐受性與穩(wěn)定性有一定程度加強，顯示一定熱適應(yīng)能力。基因表達響應(yīng)結(jié)果表明Rca10 亞型的基礎(chǔ)表達量遠(yuǎn)低于 Rca1β 和 Rca8α。Rca10α 和 Rca10β 是豇豆中天然存在的優(yōu)異耐熱 Rca 亞型，在本研究的熱浪處理下植株未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。但未來更的熱浪，尤其是伴隨水分脅迫導(dǎo)致葉溫進一步升高時，這兩個亞型的低豐度會限制耐熱潛力。通過基因工程提高其表達量，有望顯著提升豇豆及其他作物的熱耐受性，應(yīng)對未來氣候變化下的高溫脅迫。

參考文獻：

1. Gjindali A, Page R, Ashton C J, et al. Two cowpea Rubisco activase isoforms for crop thermotolerance[J]. New Phytologist, 2025, 247(3): 1199-1217.

2. Robson J K, Ferguson J N, McAusland L, et al. Chlorophyll fluorescence-based high-throughput phenotyping facilitates the genetic dissection of photosynthetic heat tolerance in African (Oryza glaberrima) and Asian (Oryza sativa) rice[J]. Journal of experimental botany, 2023, 74(17): 5181-5197.