低温预处理提高植物花粉耐热性的方法

本发明涉及植物繁种，具体涉及低温预处理提高植物花粉耐热性的方法。

背景技术：

1、十字花科植物拥有众多的类型，广布于全世界，包括许多经济上重要的农作物，在人类的生产生活中具有十分重要的地位。近些年，温室效应导致极端高温天气频发，大多数十字花科作物，如白菜(brassica campestris l.ssp.chinensis makino,syn.b.rapassp.chinensis)，通常在春季开花，高温是威胁其花粉发育的主要环境因子之一，造成花粉育性下降甚至完全败育，引起种子产量和质量严重下降。此外，白菜是人们餐桌每日不可缺少的蔬菜之一，全国各地都有栽培，在蔬菜周年供应中具有重要地位，热害会严重影响品质。

2、热带和亚热带作物，如水稻、玉米、黄瓜等，由于在进化过程中缺乏冷驯化，对冷胁迫敏感，但是具有一定的耐热性(zhang et al.,2019)。在温带气候下生长的作物，如小麦、油菜、白菜等，在冬季和早春会经历低温，因此，在长期的进化过程中，这些作物通常能忍受一定的冷胁迫，但是对热胁迫非常敏感(ritonga and chen,2020)。有趣的是，高温和低温有一些共同的生理生化反应，比如膜流动性的变化、植物激素水平的改变、ros、钙、一氧化氮(no)信号的产生和积累、丝裂原活化蛋白激酶(mapk)信号、蛋白质酰化和蛋白酶体降解、转录组或代谢组特征的重编程，以及其他应激反应性信号级联(chinnusamy et al.,2007；noctor et al.,2018)。例如，环核苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated ionchannels)14和16既能促进水稻和拟南芥苗期耐热性，也能提高其耐寒性(cui et al.,2020)。

3、植物在其整个生命周期中会受到不同性质、持续时间和强度的多种胁迫。植物遭受非生物胁迫和生物胁迫所引起的生理生化反应大同小异(ding et al.,2020)。近些年来，环境变化异常，能源紧张，使得深入挖掘植物本身的抗性潜能，培育能够适应多种环境胁迫的作物成为了农业科学家们的艰巨任务。随着科学研究水平的提高，关于“植物胁迫记忆”“交叉应激耐受”等概念及相关研究相继浮出水面(liu et al.,2021)。交叉胁迫耐受性是指植物预先暴露于一个主要的胁迫下，可以提高这些个体(甚至它们的后代)在次要胁迫下的效率和表现的现象。交叉胁迫启动的成功是由不同性质的胁迫之间共享的协同胁迫信号通路的层次相互作用所支撑的(liu et al.,2021)。初级温度感应被认为可能通过膜流动性和膜定位通道或受体发生在膜上(murata and los,1997)。感应之后产生次生信使，包括ca2+和活性氧(ros)(yan et al.,2006)。环境信号诱导瞬时ca2+内流进入细胞质(finkaet al.,2012；ma et al.,2015)，反复环境信号可诱导重复ca2+瞬态(krebs et al.,2012)。适量的活性氧可以诱导活性氧清除剂和其他抗胁迫保护机制(prasad et al.,1994)。二次ca2+信号和ros可以触发另一个信号事件级联，根据主要刺激可能产生不同的信号和生理反应(zhang et al.,2019)。例如，短暂的热激处理明显增强了不结球白菜幼苗的耐冷性，降低了膜伤害程度，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性含量增加，而丙二醛含量下降(郑佳秋等，2010)。黄瓜中短暂的热激处理能够提高其苗期耐寒性，具体表现在热激后cshsfa1d的表达量增加，过表达cshsfa1d的黄瓜品系对冷胁迫的耐受性强于野生品系，而rna干扰下敲低cshsfa1d的品系对冷胁迫更敏感。此外，cshsfa1d的过表达和热激预处理均能提高冷处理后黄瓜幼苗内源茉莉酸(ja)含量。外源应用ja恢复了cshsfa1d敲低系的冷敏感表型，ja诱导的csjaz5降解会释放csice1，然后激活ice-cbf-cor通路(qi et al.,2022)。但是目前关于冷激预处理提高植物的耐热性或者其他环境胁迫的研究则甚少。

4、种子植物中，生殖发育是形成种子、完成世代交替的重要过程，已有研究表明，其是植物生命周期中对温度等环境胁迫最为敏感的发育过程，而其中，雄性生殖发育(主要为花药和花粉发育)对环境胁迫的敏感性又高于雌性生殖发育过程(begcy et al.,2019)。由于环境胁迫对花粉发育产生严重影响，进而影响了农作物种子以及以种子为产品的粮食和蔬菜等的正常生产(de storme and geelen,2014；ghadirnezhad and fallah,2014)。植物通过调节各种生理过程以应对热胁迫。可以通过耐热种质创制、新品种培育和化肥施用等途径来提高植物热胁迫耐受性，但这些方法或成本高、耗时，或对环境有不利影响(lamaouiet al.,2018；gebremedhin et al.,2019；wang et al.,2019)。因此，制定出经济、高效、绿色、环保的预防措施，对确保全球粮食安全至关重要。白菜是秋冬季节的耐低温作物，其含有丰富的抗寒基因资源及强大的生理生化反应，比如实际生产过程中的霜降时节，气温极低，白菜通过产生更多的可溶性糖提高其抵抗低温的能力，同时也使得口感更佳。但是目前关于白菜低温预处理来提高其耐热性的作用研究还是空白。在此，本发明将低温预处理应用于白菜耐高温能力的提高上，以白菜对高温胁迫最敏感的时期也即瞬时高温造成的影响最为严重的时期——四分体时期为例，发现低温预处理能够显著减轻高温对花粉发育的影响，提高遭受高温胁迫后发育成熟的花粉的萌发率，从而最终提高植株的结籽率，帮助缓解高温对种子生产的不利影响。本研究的结果为生产上采取经济、高效、绿色、环保的预防措施提高高温环境下白菜的繁种能力及品质提高提供技术指导。

5、参考文献

6、郑佳秋,侯喜林,朱红芳.热激诱导不结球白菜热激蛋白合成与耐冷性分析[j].南京农业大学学报,2010,33(02):30-34.

7、begcy k,nosenko t,zhou lz,fragner l,weckwerth w,dresselhaus t(2019)male sterility in maize after transient heat stress during the tetrad stageof pollen development.plant physiol 181:683-700.

8、chinnusamy v,zhu j,zhu jk(2007)cold stress regulation of geneexpression in plants.trends in plant science 12:444-451.

9、cui y,lu s,li z,cheng j,hu p,zhu t,wang x,jin m,wang x,li l,huang s,zou b,hua j(2020)cyclic nucleotide-gated ion channels 14and 16promotetolerance to heat and chilling in rice.plant physiol 183:1794-1808.

10、de storme n,geelen d(2014)the impact of environmental stress on malereproductive development in plants:biological processes and molecularmechanisms.plant cell environ 37:1-18.

11、ding y,shi y,yang s(2020)molecular regulation of plant responses toenvironmental temperatures.mol plant 13:544-564.

12、finka a,cuendet afh,maathuis fjm,saidi y,goloubinoff p(2012)plasmamembrane cyclic nucleotide gated calcium channels control land plant thermalsensing and acquired thermotolerance.plant cell 24:3333-3348.

13、gebremedhin a,badenhorst pe,wang jp,spangenberg gc,smith kf(2019)prospects for measurement of dry matter yield in forage breeding programsusing sensor technologies.agronomy-basel 9.

14、ghadirnezhad r,fallah a(2014)temperature effect on yield and yieldcomponents of different rice cultivars in flowering stage.intl j agron 2014:1-4.

15、krebs m,held k,binder a,hashimoto k,den herder g,parniske m,kudla j,schumacher k(2012)fret-based genetically encoded sensors allow high-resolution live cell imaging of ca(2)(+)dynamics.plant j 69:181-192.

16、lamaoui m,jemo m,datla r,bekkaoui f(2018)heat and drought stresses incrops and approaches for their mitigation.frontiers in chemistry 6.

17、liu h,able aj,able ja(2021)priming crops for the future:rewiringstress memory.trends in plant science.

18、ma y,dai xy,xu yy,luo w,zheng xm,zeng dl,pan yj,lin xl,liu hh,zhangdj,xiao j,guo xy,xu sj,niu yd,jin jb,zhang h,xu x,li lg,wang w,qian q,ge s,chong k(2015)cold1 confers chilling tolerance in rice.cell 160:1209-1221.

19、murata n,los da(1997)membrane fluidity and temperatureperception.plant physiol 115:875-879.

20、noctor g,reichheld jp,foyer ch(2018)ros-related redox regulation andsignaling in plants.semin cell dev biol 80:3-12.

21、prasad tk,anderson md,martin ba,stewart cr(1994)evidence forchilling-induced oxidative stress in maize seedlings and a regulatory rolefor hydrogen-peroxide.plant cell 6:65-74.

22、qi c,dong d,li y,wang x,guo l,liu l,dong x,li x,yuan x,ren s,zhang n,guo yd(2022)heat shock induced cold acclimation in cucumber throughcshsfa1dactivated ja biosynthesis and signaling.plant j.

23、ritonga fn,chen s(2020)physiological and molecular mechanism involvedin cold stress tolerance in plants.plants(basel)9.

24、wang jw,grandio eg,newkirk gm,demirer gs,butrus s,giraldo jp,landrymp(2019)nanoparticle-mediated genetic engineering of plants.molecular plant12:1037-1040.

25、yan y,wei cl,zhang wr,cheng hp,liu j(2006)cross-talk between calciumand reactive oxygen species signaling.acta pharmacologica sinica 27:821-826.

26、zhang jy,li xm,lin hx,chong k(2019)crop improvement throughtemperature resilience.annual review of plant biology,70:753-780.

技术实现思路

1、本发明的目的是提供低温预处理在提高植物耐热性中的应用，以解决现有技术的不足。

2、本发明采用以下技术方案：

3、低温预处理提高植物花粉耐热性的方法，在植物开花期，高温胁迫前对植物植株进行短暂的低温预处理以提高植物花粉发育期在高温胁迫下植物花粉的抗性。

4、进一步地，所述高温胁迫前对植物植株进行短暂的低温预处理，具体操作为：高温胁迫前2-6h，对植物植株进行0-4℃(模拟生产实践中霜冻季节温度)低温预处理2-6h。

5、进一步地，大田时，所述低温预处理是于植物植株根部连续冰水浇灌或连续喷施冰水雾气，保持田间低温湿润不积水；室内时，所述低温预处理是温度控制系统调控至低温。

6、进一步地，所述植物花粉发育期为植物花粉发育早期。

7、更进一步地，所述植物花粉发育早期为植物花粉发育的四分体时期。

8、进一步地，所述植物为秋冬十字花科作物。

9、更进一步地，所述秋冬十字花科作物包括白菜、甘蓝或油菜。

10、本发明的有益效果：

11、本发明通过在植物开花期，高温胁迫前对植物植株进行短暂的低温预处理以提高植物花粉发育期特别是发育早期在高温胁迫下植物花粉的抗性。本发明获得的结果有助于生产上采取预防措施提高高温环境下植物特别是秋冬作物的繁殖能力和产量。

12、本发明是在高温胁迫前2-6h，对植物植株进行0-4℃低温预处理2-6h，方法施用方便，可操作性强，成本低，绿色环保，安全可靠。