田间便携式热室系统揭示甘蓝型油菜日间热胁迫响应与水分互作机制及其在耐热育种中的应用

本文推荐一种新型田间便携式热室系统，该系统通过聚碳酸酯板材、风扇加热器和恒温控制器精准模拟33°C热胁迫（HS），成功在甘蓝型油菜（Brassica napus L.）关键生殖期（开花初期、盛花期、开花末期和结荚后期）实现5小时/天的热浪模拟。研究证实热胁迫导致单株荚果数、可育荚数、种子数和小区产量（GYPlot）显著降低（盛花期减产39.9%，开花末期达56.2%），并首次系统解析了水分条件（干/湿处理）与热胁迫的互作效应，为作物耐热育种提供了可靠的田间评价技术体系。

　　

摘要

为应对未来气候变化，培育耐热种质并开发可靠的田间热胁迫评价方法对作物育种至关重要。针对甘蓝型油菜在最佳生长期内日间热胁迫的田间研究匮乏问题，本研究开发了一套基于便携式热室的田间热模拟系统。该系统采用透明聚碳酸酯板材构建，配备两台风扇加热器和顶置循环风扇，通过商用恒温器（Carel IR33）精准控制温度。在油菜关键生殖阶段（开花始期、盛花期、开花末期和结荚后期）成功模拟了持续8天、每日5小时（12:00–17:00）的33°C热浪胁迫。该系统在不同水分条件下均能稳定维持高温，有效实现了热胁迫的精准施加。热胁迫导致小区籽粒产量（GY_Plot）显著下降，并与总荚果数、可育荚数和种子数的减少直接相关。在不同水分处理下，生殖后期热胁迫造成的产量损失最为严重（盛花期减产39.9%，开花末期达56.2%）。本研究开发的系统不仅适用于油菜耐热育种项目，还具有推广至其他作物的潜力。

1 引言

高温和水分短缺等非生物胁迫尤其在生殖发育期导致油菜严重减产。热胁迫可能源于突发性热浪或长期气温升高，而气候变化预计将增加极端气候事件频率。全球地表温度预计上升1.5°C以上，造成重大经济损失。油菜对超过30°C的高温特别敏感，尤其在配子发生、胚胎发生和开花期，导致结荚数、产量和油品质下降。因此培育耐热品种并开发可靠的田间评价方法至关重要。

传统热耐受性研究方法多在控温生长室或通过多播期田间试验进行。多数油菜热胁迫研究在控温条件下的盆栽实验中进行，存在温度施加方式与自然环境不符的问题。田间播期试验则受温度、水分、辐射、光周期和汽压差（VPD）等多因素干扰。近期研究尝试使用塑料袋模拟热胁迫，但温度控制受限且水分条件混杂。因此，亟需开发不干扰其他环境变量的田间热胁迫模拟方法。

目前仅有少数作物（小麦、小扁豆）的田间日间热胁迫模拟系统报道，但多针对短期热激且设备规模较小。夜间高温胁迫在水稻、小麦和油菜中已有研究，但针对油菜最佳生长期的日间热胁迫田间系统仍属空白。本研究主要目标是开发并测试一套不干扰夜间温度的田间日间热胁迫系统，并探究热胁迫与水分互作对主茎、侧枝、单株产量和小区产量的影响。

2 材料与方法

2.1 便携式热室

热室采用钢管框架（2.5 m长×1.8 m宽×1.2–2 m可调高度），配备伸缩腿以适应不同株高品种。顶部覆盖Suntuf Sunlite双层透明聚碳酸酯板（透光率90%），侧板通过滑轨系统实现开合。底部采用橡胶裙边防止热量散失，四轮设计便于单人移动。每个热室覆盖4.5 m2面积（6行种植区），内部中间4行用于采样以避免边缘效应。

2.2 加热系统

每室配备两台2000 W低剖面风扇加热器（位于两端顶部），从室外通过管道进气以保持湿度与气体环境稳定。中央安装顶扇（仅保留两片扇叶）确保热空气均匀分布。整个系统由8台6 kVA柴油发电机供电。

2.3 温度控制

采用Carel IR33恒温控制器配合1.5 m热电偶温度传感器，传感器置于冠层高度的史蒂文森屏内。控制系统由专业电工安装，确保安全运行。

2.4 温度监测

使用TinyTag Plus2（TGP4500）温湿度记录仪以5分钟间隔持续监测热室内外温湿度，室外参考数据通过附近气象站获取。

2.5 劳动力与成本

单热室重约110 kg，一人即可在平整地面移动。构建成本约5000澳元/室（详见表S1）。

2.6 试验地与栽培管理

试验位于澳大利亚新南威尔士州Wagga Wagga农业研究所（南纬35.01379°，东经147.1940°）。土壤为红棕色铬溶土（pH_Ca 5.3，氮含量75 kg/ha）。2018年5月7日播种品种Nuseed ATR-Stingray，行距0.25 m。生长季降雨93.4 mm，另通过滴灌设立两种水分处理：湿区（300 mm）和干区（115 mm）。

2.7 试验设计

采用随机区组设计，包含热处理（非胁迫NS vs. 热胁迫HS）、热胁迫时机（开花始期、盛花期、开花末期、结荚后期）和水分处理（干 vs. 湿）三因素，4次重复。共使用8个热室。

2.8 热处理

每日12:00–17:00施加5小时33°C热胁迫。每个时机采用8天热浪循环（热胁迫4天后间隔2天恢复），模拟自然热浪模式。处理前对10株样本的主茎和两个侧枝进行标记。

2.9 热胁迫时机

根据油菜生殖期特性（首花后30–40天），热处理分别于开花始期（10%植株开花）、盛花期、开花末期和结荚后期实施，各期间隔2周。

2.10 测定指标

从每小区中间1.5 m2区域（排除边行）采集数据，包括主茎、第3和第5侧枝的总荚数、可育荚数、主茎种子产量（SY_M）、侧枝种子产量（SY_B）、单株种子产量（SY_P）、单株种子数（SN_P）和小区产量（GY_Plot）。

2.11 统计分析

采用Genstat 19进行ANOVA分析，以热处理×水分处理为处理结构，区组/重复为阻塞结构。各热胁迫时机分别与对照比较（Fisher最小显著差法）。

3 结果与讨论

3.1 温度

热室内温度在加热1小时后稳定于33°C（13:00–17:00），夜间降至环境温度。不同水分处理间热室温度无显著差异，但干区对照温度高于湿区对照（图3a）。

3.2 相对湿度（RH）

温度升高导致RH下降，HS与NS的RH差异在12:00–18:00最大，夜间恢复一致。干区RH显著低于湿区，干区内HS与NS的RH无差异，而湿区HS的RH高于NS（图3b）。系统设计确保外部空气持续输入，避免了RH剧烈波动。

3.3 汽压差（VPD）

干区VPD显著高于湿区。干区HS的VPD高于NS，湿区HS的VPD也高于NS（图3c）。热室内VPD受温湿度变化影响难以全天控制。

3.4 产量对热胁迫的响应

热胁迫导致主茎和侧枝（第3、5枝）的总荚数和可育荚数显著减少（图4）。盛花期和开花末期热胁迫对总荚数影响最大，而可育荚数在所有生殖期均下降。主茎种子产量（SY_M）在所有时期均下降（盛花期最甚），而侧枝产量（SY_B）、单株产量（SY_P）和种子数（SN_P）在开花末期受损最大（图5）。小区产量（GY_Plot）在开花末期减产56.2%（表1），且干区胁迫效应更显著。热胁迫时机与水分的互作仅对SN_P有显著影响（表1），但两种水分条件下产量下降峰值时期一致（图6）。

侧枝贡献油菜67%产量，其热敏感性在开花后3–5周最高。热胁迫影响取决于开放花朵数、发育荚果和种子所处发育阶段，其中幼嫩胚珠和后期花朵不足阶段受害最重。适期播种避免了晚播的高VPD干扰，凉爽夜晚可能缓解32°C中等胁迫（但35°C以上无效）。水分充足可通过后期花朵补充缓解早期热胁迫损伤。

多数盆栽研究集中于单株响应，而本研究首次在田间规模系统解析了生殖器官热敏感性差异及水分互作效应。小区产量变化趋势与侧枝产量一致，表明生殖后期热胁迫具有不可逆性。

本系统已应用于"甘蓝型油菜耐热性多学科联合攻关"育种项目，并具备向其他作物推广的潜力。该技术将助力量化作物热胁迫响应、鉴定品种耐热性，为育种计划提供支持。

4 结论

本研究成功构建了一套基于透明聚碳酸酯板材、风扇加热器和商用恒温控制的田间日间热胁迫模拟系统，能够在油菜6行小区内有效施加33°C热胁迫。系统具备结构坚固、高度可调、移动便捷和温控精准的特点，可在作物适播期内（而非传统晚播）真实模拟热浪胁迫。该系统可针对不同作物和环境进行优化改装，为育种项目改善作物气候适应性提供可靠技术支撑，提升耐热研究的可靠性并优化基因型测试流程。

作者贡献

R.U.、M.R.、R.B.、J.B.共同构思方法与方案；J.B.和R.B.设计构建热室结构；R.U.和J.B.执行试验；M.R.和R.U.分析数据；所有作者阅读并认可终稿。

致谢

感谢新南威尔士第一产业部、地区发展部和谷物研究与开发公司（GRDC BLG108项目）支持，以及Warren Bartlett、Sophie Brill和Dylan Male的技术协助。

伦理声明

无内容可申报。

利益冲突

作者声明无利益冲突。