易科泰植物热耐受研究技术-作物临界温度测量与高通量热耐受评估

目前，我国北方正经历今年第一轮大范围高温天气——在全球气候变暖背景下，高温天气已成为作物生产的重要威胁因素。如何对作物品种热耐受性进行精确评估，从而筛选优良的抗高温胁迫品种，成为农业应对气候变化的重要课题。

易科泰生态技术公司长期致力于农业-生态-健康研究检测技术的研发推广与技术服务，其新一代农业传感器技术——叶绿素荧光成像技术是检测植物（包括藻类）生物与非生物胁迫及抗性筛选的重要利器，具备高灵敏度、高通量、非损伤、可视化/数字化等优势，先后获得国家发改委宏观经济杂志社“千城百企"新质生产力优秀案例、中国杨凌农业高新科技成果博览会“重大农业成果新技术"、中国农学会“中国农业重大科技新成果——新技术"等殊荣。易科泰生态技术公司推出的模块式叶绿素荧光成像技术方案，同时具备 Thermo-RGB 成像融合分析技术，可以检测植物随温度升高光合荧光生理参数的动态变化，进而确定热耐受临界温度Tcrit。在达到Tcrit前，温度仅对光系统II造成光合能力轻度降低及有限的光合电子传递结构可逆损伤；而达到Tcrit后，则意味着光系统II的电子传递结构开始受到严重破坏，Tcrit可作为植物热耐受性的阈值而对其进行定量评估。

案例一、非洲稻和亚洲稻光合热耐受性高通量表型与遗传分析

全球半数人口依赖水稻为主食，但升温与高温事件严重威胁水稻生产。光系统II（PSII）是光合作用中热稳定性最敏感的组分，其效率下降会直接限制营养生长期的光合速率、可溶性碳水化合物积累，最终影响产量。英国诺丁汉大学测试了一套基于叶绿素荧光成像的高通量光合热耐受性筛选平台，解析非洲栽培稻（Oryza glaberrima）和亚洲栽培稻（Oryza sativa）的光合热耐受性遗传变异。

高通量光合热耐受性筛选平台为一套配置精确控温加热器的FluorCam叶绿素荧光成像系统。采集4周龄水稻第3片叶，置于加热器上。PID控制器调控加热器从25℃开始以1℃为梯度升温至55℃，FluorCam则同步检测各温度点的PSII最大量子效率Fv/Fm。单批次可检测100-120份材料，每日可完成2批次检测，实现了水稻样品的高通量检测。

根据测量结果分别计算Tcrit（Fv/Fm从缓慢下降至快速下降的临界点温度）、T50（Fv/Fm降至最大值50%时的温度）、m1和m2（Tcrit前后的Fv/Fm-温度响应斜率）。结果表明，亚洲栽培稻整体耐热性更高，亚洲稻Tcrit均值46.4℃，非洲稻Tcrit均值44.7℃；亚洲稻T50均值48.8℃，非洲稻T50均值46.8℃。基于荧光数据的GWAS定位共鉴定出15个光合耐热性QTL，两个物种无重叠QTL，说明其耐热遗传基础存在分化。在亚洲稻QTL区间内经功能富集和验证筛选出30个高置信候选基因，与水杨酸生物合成、活性氧稳态、钙信号转导、PSII修复通路相关，符合光合耐热的生理机制。

这一研究证明基于FluorCam叶绿素荧光成像系统开发的高通量热耐受性筛选平台无需大型控温设施，可快速获得高质量表型数据，适合育种场景应用，为其他作物热耐受性研究提供了范式。

案例二、豇豆光合作用关键酶异构体对作物耐热性的影响

豇豆是撒哈拉以南非洲重要的蛋白质来源，但对热胁迫非常敏感，夜间温度仅升高 1°C 即可显著减产。Rca（Rubisco活化酶） 是维持 Rubisco光合活性的关键分子伴侣，且自身热敏感性较高，是改良作物耐热性的重要靶点。英国兰卡斯特大学研究鉴定豇豆 Rca 亚型，明确其在热胁迫下的功能差异，为耐热作物育种提供依据。这一研究成果发表于2025年《New Phytologist》。

豇豆基因组中存在 3 个 Rca 编码基因，共产生 4 种功能性 Rca 亚型。研究人员对豇豆样品进行了昼/夜 38°C/28°C（+10°C）的5天热浪处理（无水分胁迫），使用红外热成像检测叶温的变化。同时，他们使用了一套定制的FluorCam叶绿素荧光成像系统，通过控制温度测量Fv/Fm来计算临界温度Tcrit、m1和m2。

实验数据分析发现，5天的热浪处理使叶温上升到32℃，由于该温度低于每种Rca亚型活性降至最大值70%以下的温度，因此这种热浪对Rubisco功能和生物量生产的影响只是轻微的。而Tcrit 反而有所提升，表明PSII 热耐受性与稳定性有一定程度加强，显示一定热适应能力。基因表达响应结果表明Rca10 亚型的基础表达量远低于 Rca1β 和 Rca8α。Rca10α 和 Rca10β 是豇豆中天然存在的优异耐热 Rca 亚型，在本研究的热浪处理下植株未出现严重损伤。但未来更的热浪，尤其是伴随水分胁迫导致叶温进一步升高时，这两个亚型的低丰度会限制耐热潜力。通过基因工程提高其表达量，有望显著提升豇豆及其他作物的热耐受性，应对未来气候变化下的高温胁迫。

参考文献：

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.