高温对许多作物的产量，如水稻、小麦、玉米和番茄等，产生了显著的负面影响，导致产量可能减少30-50%。植物的有性繁殖被认为是对温度升高最为敏感的环节之一，尤其是高温能够损害花粉粒在花药中的形成、成熟花粉粒的萌发、花粉管的伸长以及胚珠的受精。虽然已有研究表明高温对花粉粒萌发和花粉管伸长等过程有显著影响，但温度如何影响花粉粒性能的其他方面，及这些影响是否与类黄酮水平相关，仍有许多未解之谜。为了解决这些问题，近日，来自美国维克森林大学的研究人员在《The Plant Cell》杂志发表了题为“Flavonols improve tomato pollen thermotolerance during germination and tube elongation by maintaining ROS homeostasis”的文章，探讨了在高温条件下，类黄酮缺乏的番茄突变体（are）与野生型亲本（VF36）之间的花粉粒性能差异，并研究了通过遗传和化学手段补充类黄酮来逆转这些效应的可能性。研究发现，类黄酮的生物合成对于维持活性氧（ROS）的稳态至关重要，并有助于提高花粉粒在高温下的萌发率和花粉管的伸长。此外，研究还发现，通过遗传或化学方法增加类黄酮的合成可以显著提高花粉粒的热耐受性。

首先，are突变体在编码F3H基因的位置存在一个点突变，导致花粉产量的降低，研究者们通过将一个F3H基因的过表达构建体（Pro35S:F3H）转化到are突变体中，成功逆转了are突变体花粉产量的减少。转基因不仅提高了花粉的产量，还改善了花粉的活力。在28°C（最佳温度）下，VF36的花粉活力为70%，而are突变体只有29%。在34°C（热应激温度）下，VF36的花粉活力下降到51%，而are突变体的花粉活力仅为3.5%。转基因are-F3H-T5系在两种温度下的花粉活力都显著高于are突变体，与VF36相当。这些结果表明，F3H基因的过表达不仅能够恢复are突变体花粉的产量和活力，还能够提高花粉的热耐受性。

图1：黄酮类正向调节花粉产量并在热应激期间保护花粉活性

随后，研究人员使用DPBA染料对这些材料花粉管中的黄酮醇物质进行可视化观察，发现转基因株系的花粉管在荧光信号上表现出更强的信号，这与黄酮类化合物在花粉管中的积累增加相一致。这些变化对花粉的性能产生了积极影响，包括提高了花粉的产量、活力和热耐受性，尤其是在高温条件下。这些发现表明，通过转基因技术提高F3H基因的表达水平，可以增强植物对高温等环境压力的适应性。

图2：黄酮醇在不同材料的花粉管中的积累

进一步研究发现，F3H基因对于花粉萌发及花粉管的伸长也具有重要作用。Are突变体在高温应激下表现出花粉萌发受损，并且该表型同样可以被F3H的超表达所逆转。在最佳温度下，只有61%的are花粉粒萌发，相对于其他三个基因型，它们的萌发率约为80%。are的萌发受损在高温下更加明显，萌发率降低到44%。相比之下，are-T5和VF36-T3系在最佳温度下与VF36有相似的萌发率，但在高温下显著高于VF36，这表明通过工程设计植物以增加黄酮类水平可以增强花粉萌发期间的热耐受性（图3A,B）。进一步探究不同材料花粉管的伸长表型发现，与花粉的热耐受性取决于黄酮类水平一致，在are和VF36中花粉管长度减少，而are-T5和VF36-T3转基因系显示出增强的花粉管伸长，特别是在高温下。

图3：高温对番茄花粉萌发和花粉管长的负面影响被F3H基因逆转

为了确定黄酮类对花粉性能的保护作用是否由于它们在花粉内部的ROS清除活性，作者监测了不同材料中，花粉管萌发和花粉管伸长阶段的ROS积累，使用DCF作为化学探针来量化这四个基因型在最佳和升高温度下萌发的花粉粒和伸长的花粉管中相对ROS积累水平，发现花粉粒和花粉管中的ROS水平与黄酮类抗氧化剂水平之间存在关联：在高温条件下，花粉中的黄酮类抗氧化剂水平降低，导致ROS水平相应上升。这表明，黄酮类含量较高的花粉在高温下能够更好地维持ROS的平衡，从而保护花粉免受热应激的损害。

图4：黄酮醇通过清除ROS来抵抗高温胁迫

随后，作者通过向培养基中添加特定的黄酮类化合物，如山柰酚、槲皮素和杨梅素，可以显著改善are突变体在高温下的花粉萌发率，并且也能提高VF36在相同条件下的萌发率。这些外源黄酮类的应用不仅恢复了are突变体花粉在28°C下的正常萌发水平，而且在34°C的高温条件下也显著提高了萌发率。此外，这些黄酮类化合物还能够减少高温对VF36花粉萌发的负面影响，表明它们在提供热保护方面具有潜在的应用价值。

图5：外源添加黄酮醇物质可以提高植物耐热耐受性

最后，作者对上述材料的转录组进行了测定发现，在高温条件下，are突变体的转录组响应比其它基因型（如VF36和VF36-F3H-T3）更为显著。具体来说，are突变体在面对温度升高时，不仅差异表达基因的数量更多，而且这些基因表达水平变化的速率也更快。这种强烈的转录组反应可能与are突变体中黄酮类合成的缺陷有关，导致其在抗氧化能力上存在不足，进而在高温下表现出更为剧烈的应激反应。这些发现进一步强调了黄酮类化合物在植物热耐受性中的重要作用。

图6：热依赖性的转录反应发生更快

这篇研究的结果表明，黄酮类化合物在植物响应高温胁迫中起着关键作用，通过调节黄酮类化合物的合成，可以作为一种策略来提高作物的热耐受性，保护作物免受高温引起的生殖失败

原文连接: https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae222/7727725?login=true

文章来源：植物生物技术Pbj