在全球氣候變暖的大背景下，極端高溫正成為威脅農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。與此同時，尋找可持續(xù)的化石燃料替代品迫在眉睫，高含油量（HLP）煙草因能將30%干重轉(zhuǎn)化為三酰甘油（TAG，生物燃料的核心成分），被視為極具潛力的新一代生物燃料作物。然而，這種經(jīng)過基因工程改造的 “產(chǎn)油能手”，在高溫環(huán)境中的抗逆能力卻一直是個謎：它能否在高溫下維持穩(wěn)定的油脂產(chǎn)量？其獨特的油脂積累特性又會如何影響應(yīng)對高溫脅迫的機制？2025年發(fā)表在The Plant Journal的一項研究，首次系統(tǒng)揭示了HLP煙草的高溫響應(yīng)規(guī)律，為生物燃料作物的抗逆改良提供了全新視角。
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會2014年發(fā)布的評估報告顯示，全球氣溫預(yù)計到2100年將上升0.3-4.8℃，高溫會破壞植物細胞膜穩(wěn)定性、抑制光合作用，甚至導(dǎo)致細胞死亡。對于油用作物而言，高溫不僅影響生長，還可能直接降低油脂產(chǎn)量，畢竟油脂合成需要大量碳源，而高溫恰恰會削弱植物的碳同化能力。它能在葉片葉肉細胞中大量積累TAG，油脂含量是野生型（WT）煙草的300倍。但此前研究發(fā)現(xiàn)，HLP煙草已存在淀粉含量降低、碳同化效率下降的 “副作用”，其在高溫下的表現(xiàn)更令人擔(dān)憂：一方面，油脂可能作為 “保護劑”，幫助植物穩(wěn)定細胞膜或儲存有毒代謝中間產(chǎn)物；另一方面，過量油脂也可能搶占膜修復(fù)所需的脂質(zhì)資源，加劇高溫損傷。這種 “雙刃劍” 效應(yīng)，讓HLP煙草的高溫響應(yīng)成為亟待解開的科學(xué)問題。
為全面評估HLP煙草的高溫適應(yīng)性，研究團隊設(shè)計了 “表型-生理-分子” 三層實驗體系，以WT煙草為對照，重點對比兩種溫度條件下（對照：28℃白天/18℃夜間；高溫：38-42℃白天/28-32℃夜間）的差異：
表型監(jiān)測：用紅外熱成像儀連續(xù)48小時記錄葉片溫度，結(jié)合葉片熱分布；通過硅橡膠印模法觀察氣孔數(shù)量與孔徑，量化氣孔形態(tài)差異。
生理測定：用光合儀測量氣孔導(dǎo)度、CO?同化速率和蒸騰速率；用逆境模擬及植物生長監(jiān)測系統(tǒng)PlantArray（以色列Plant-Ditech）監(jiān)測7天內(nèi)植物總蒸騰量及生物量變化；通過熒光成像分析光合效率相關(guān)指標(biāo)（Fv/Fm、Fq'/Fm'、NPQ）。
分子與細胞觀察：用共聚焦顯微鏡觀察保衛(wèi)細胞中油脂分布；通過氣相色譜測定總脂肪酸及極性（膜脂）、中性（儲存脂）組分含量；用透射電鏡觀察葉綠體結(jié)構(gòu)變化。
葉片溫度升高：氣孔導(dǎo)度降低是 “元兇”
紅外熱成像顯示，HLP煙草的葉片溫度在兩種條件下均顯著高于WT，高溫下差距更達1.5℃。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象源于HLP的 “氣孔缺陷”：其氣孔孔徑和單位葉面積氣孔數(shù)均顯著減少，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度僅為WT的70%-80%。
高含油量（HLP）煙草的葉片溫度高于野生型（WT）。
共聚焦顯微鏡觀察揭示了關(guān)鍵原因：HLP保衛(wèi)細胞中存在大量球形油脂滴，而WT保衛(wèi)細胞僅含少量油脂，且油脂未 “堵塞” 氣孔。研究推測，過量油脂可能通過兩種方式抑制氣孔開放：一是物理阻礙保衛(wèi)細胞形變，二是減少TAG分解，導(dǎo)致保衛(wèi)細胞缺乏能量（ATP）驅(qū)動氣孔張開。
高含油量（HLP）煙草的氣孔開度較小，每片葉子上的氣孔數(shù)量也比野生型少。
光合與蒸騰 “雙降”：碳源不足加劇油脂減產(chǎn)
氣孔導(dǎo)度降低直接引發(fā)連鎖反應(yīng)：HLP的CO?同化速率顯著低于WT，且CO?補償點更高，說明其利用低濃度CO?的能力更弱。同時，HLP的總蒸騰量和歸一化蒸騰量（每克地上部生物量的蒸騰量）均顯著低于WT，且高溫下響應(yīng)更慢：WT在高溫第1天即顯著增加蒸騰，HLP則延遲至第2天。
HLP的同化速率低于WT。在二氧化碳濃度控制條件下的A/Ci曲線。
HLP的蒸騰量低于野生型(WT)。使用PlantArray測定早上和晚上的總盆重變化，每日總蒸騰量。
更關(guān)鍵的是，高溫對HLP油脂產(chǎn)量的打擊遠超預(yù)期：7天高溫處理后，HLP總脂肪酸含量下降54.6%，且減少的幾乎全是中性脂（儲存脂），極性脂（膜脂）含量基本不變。而WT的油脂總量和組成受高溫影響極小，僅膜脂中多不飽和脂肪酸略有下降。這是植物應(yīng)對高溫的經(jīng)典機制，通過減少不飽和脂肪酸維持膜穩(wěn)定性。
光合效率 “先抑后揚”：獨特的應(yīng)激調(diào)節(jié)模式
盡管HLP的基礎(chǔ)光合效率（Fv/Fm）與WT無顯著差異，但高溫下的響應(yīng)更 “劇烈”：高溫第1天，HLP的光合系統(tǒng)II運行效率（Fq'/Fm'）下降15%，非光化學(xué)淬滅（NPQ，反映光能耗散能力）上升64%，而WT僅分別變化7%和32%。但HLP的恢復(fù)速度更快，第6天Fq'/Fm' 和NPQ即恢復(fù)至對照水平，WT則持續(xù)低于對照。
HLP在熱脅迫下的NPQ相比WT有所增加。(A)光系統(tǒng)II的最大光合效率；(B)光系統(tǒng)II的實際光合效率；(C)非光化學(xué)猝滅；(D)葉綠素指數(shù)；(E)花青素指數(shù)。
TEM觀察發(fā)現(xiàn)，對照條件下HLP的葉綠體、淀粉粒和質(zhì)體小球（plastoglobule）更大，但高溫下HLP葉綠體面積和質(zhì)體球數(shù)量顯著減少，而WT僅淀粉粒減少。這種結(jié)構(gòu)差異可能是HLP光合效率 “先降后升” 的原因：初期油脂和葉綠體結(jié)構(gòu)變化加劇光損傷，后期通過快速調(diào)整脂類代謝恢復(fù)功能。
HLP在氣孔保衛(wèi)細胞中出現(xiàn)過多的油滴。
HLP煙草的高溫響應(yīng)是基因工程作物與環(huán)境互作的典型案例：過量葉片油脂通過抑制氣孔開放，導(dǎo)致葉片升溫、光合下降，最終加劇高溫下的油脂減產(chǎn)，但同時也賦予其更快的光合恢復(fù)能力。這一發(fā)現(xiàn)既揭示了 “產(chǎn)油” 與 “抗逆” 之間的權(quán)衡關(guān)系，也為后續(xù)改良指明了方向：通過精準(zhǔn)調(diào)控油脂在保衛(wèi)細胞中的積累，或增強高溫下油脂合成的碳源供給，有望培育出 “高油且耐熱” 的新一代生物燃料作物。
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