易科泰植物熱耐受研究技術-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，從而篩選優良的抗高溫脅迫品種，成為農業應對氣候變化的重要課題。

易科泰生態技術公司長期致力于農業-生態-健康研究檢測技術的研發推廣與技術服務，其新一代農業傳感器技術——葉綠素熒光成像技術是檢測植物（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/數字化等優勢，先后獲得國家發改委宏觀經濟雜志社“千城百企"新質生產力優秀案例、中國楊凌農業高新科技成果博覽會“重大農業成果新技術"、中國農學會“中國農業重大科技新成果——新技術"等殊榮。易科泰生態技術公司推出的模塊式葉綠素熒光成像技術方案，同時具備 Thermo-RGB 成像融合分析技術，可以檢測植物隨溫度升高光合熒光生理參數的動態變化，進而確定熱耐受臨界溫度Tcrit。在達到Tcrit前，溫度僅對光系統II造成光合能力輕度降低及有限的光合電子傳遞結構可逆損傷；而達到Tcrit后，則意味著光系統II的電子傳遞結構開始受到嚴重破壞，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

全球半數人口依賴水稻為主食，但升溫與高溫事件嚴重威脅水稻生產。光系統II（PSII）是光合作用中熱穩定性最敏感的組分，其效率下降會直接限制營養生長期的光合速率、可溶性碳水化合物積累，最終影響產量。英國諾丁漢大學測試了一套基于葉綠素熒光成像的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葉綠素熒光成像系統。采集4周齡水稻第3片葉，置于加熱器上。PID控制器調控加熱器從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，實現了水稻樣品的高通量檢測。

根據測量結果分別計算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-溫度響應斜率）。結果表明，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℃。基于熒光數據的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存在分化。在亞洲稻QTL區間內經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、活性氧穩態、鈣信號轉導、PSII修復通路相關，符合光合耐熱的生理機制。

這一研究證明基于FluorCam葉綠素熒光成像系統開發的高通量熱耐受性篩選平臺無需大型控溫設施，可快速獲得高質量表型數據，適合育種場景應用，為其他作物熱耐受性研究提供了范式。

案例二、豇豆光合作用關鍵酶異構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。Rca（Rubisco活化酶） 是維持 Rubisco光合活性的關鍵分子伴侶，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。這一研究成果發表于2025年《New Phytologist》。

豇豆基因組中存在 3 個 Rca 編碼基因，共產生 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葉綠素熒光成像系統，通過控制溫度測量Fv/Fm來計算臨界溫度Tcrit、m1和m2。

實驗數據分析發現，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 熱耐受性與穩定性有一定程度加強，顯示一定熱適應能力。基因表達響應結果表明Rca10 亞型的基礎表達量遠低于 Rca1β 和 Rca8α。Rca10α 和 Rca10β 是豇豆中天然存在的優異耐熱 Rca 亞型，在本研究的熱浪處理下植株未出現嚴重損傷。但未來更的熱浪，尤其是伴隨水分脅迫導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.