Heat stress tolerance is a major challenge in many crops, especially C₃ crops, given the threat of recent global warming. Turf grasses as perennial crops are expected to suffer from summer damage under anticipated climate warming and thus genetic improvement of tolerance to summer high temperature is an important target. In this study, six experiments were conducted to clarify the physiological mechanisms of tolerance to high temperature (heat) stress by comparing between genotypes, populations and different species including C3 and C4 photosynthetic types.

　Firstly, two cultivars of perennial ryegrass (Lolium perenne L., which are tolerant and sensitive to summer stress in the field, were exposed to moderately high temperature stress (36/30℃) for 60 days or high temperature stress (40/36℃) for 14 days. The physiological damages were monitored by chlorophyll fluorescence (Fv/Fm), malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H₂O₂) content. The tolerant population showed significantly lower degree of physiological damage (higher Fv/Fm and lower MDA content and ion leakage) than the sensitive one only at moderate levels of stress (36/30℃); the tolerant population had significantly lower amounts of H₂O₂ in leaves. The accumulated H₂O₂ content showed a linear relationship with the extent of physiological damage. The results suggest that population difference in heat tolerance is associated with tolerance to oxidative stress and the difference in sensitivity is due to accumulation of H₂O₂ rather than tolerance to H₂O₂. Plants exposed to the 40/36℃ treatment showed physiological damage on the seventh day of exposure to the stress. However, leaf temperatures under field conditions rarely remain at 40℃ for long. These results demonstrate that summer damage under field conditions can be simulated by the prolonged exposure to moderately high temperature rather than short-term extremely high temperature.

　The next experiment was conducted to clarify the physiological mechanisms of heat tolerance in relation to oxidative stress in this species. Twenty-five cultivars of L. perenne with different degrees of field tolerance to high summer temperatures were exposed to moderately high temperatures (36/30℃) for 40 days in a growth chamber. Cultivars with low field tolerance had higher H₂O₂ content and higher degree of lipid peroxidation in leaves after 40 days of exposure to stress than those with high tolerance. The H₂O₂ content was positively correlated with electron transport rate and negatively correlated with leaf thickness. Tetraploid cultivars, because of their thicker leaves, had higher field tolerance and lower H₂O₂ content than diploid cultivars. Structural equation modeling showed that both reactive oxygen species (ROS) production and ROS scavenging contribute to field summer tolerance. These results demonstrate that heat tolerance under field conditions is mainly determined by the ability to suppress the production of ROS and using the system of defense to protect against oxidative damages.

　Responses to heat stress (36/30℃ for 40 days) were compared among fifteen C₃ grass species belonging to different genus (the fifth experiment) and between C₃ and C₄ species with special reference to the relationship between heat tolerance and oxidative tolerance. The fifteen C₃ species showed significantly decreases in Fv/Fm and increases in MDA content at 40 days of the stress, suggesting that the difference in heat tolerance is closely associated with the ability to suppress oxidative stress. In contrast, H₂O₂ content showed significant differences among species even under unstressed condition and H₂O₂ did not show any significant correlations with Fv/Fm and MDA content at 40 days of the stress.

　On the other hand, C₄ species had higher tolerance to prolonged heat stress than C₃ species. Both MDA and H₂O₂ content increased significantly in the C₃ species, but not clear change in the C₄ species. This is consistent with our previous finding that heat tolerance is associated with the ability to suppress oxidative stress. Specific leaf area (SLA) showed a significantly negative correlation with Fv/Fm and significantly positive correlation with MDA at 40 day of the stress. The C₄ species had thicker leaves with higher leaf density and lower SLA than that in the C₃ species. These results suggest that leaf properties play an important role in the difference between C3 and C4 species in terms of coping with oxidative damage.

Overall, although the complexity of heat tolerance was revealed by the involvement of various mechanisms such as suppression of ROS, scavenging of toxic ROS, and leaf functions, this study showed that the oxidative stress resulting from the excessive production of ROS is the main cause of damages under heat stress.

（和訳）

　近年の気候温暖化は,作物の生育や収量などに様々な影響を与えることが予想される。 特に，芝草のような多年生作物は暑さによる夏枯れの影響を受けやすく，温暖化に耐性をもつ品種の育成が求められている。 本研究は，このような観点から，芝草として広範に利用されているペレニアルライグラス( Lolium perenne L.)を中心に， 夏の高温に由来するストレス（熱ストレス）により生理的障害が引き起こされるメカニズムを解明しようと試みたものである。 得られた結果は，下記の通りである。

(1)野外での耐暑性の異なるペレニアルライグラス2品種を用い， 36℃/30℃で60日間処理と40℃/36℃で14日間処理を行い， クロロフィル蛍光によるPSII活性(Fv/Fm)を調べたところ， 36℃/30℃では40日後に明確な品種間差異が見られた。 このPSII活性の低下は葉の過酸化水素濃度や脂質の過酸化度と関連しており，酸化ストレスに起因する障害であることが示された。 40℃処理区でのPSII活性は10日間高い値を維持できることから， 高温自体はペレニアルライグラスの夏枯れ障害とは関係していないことが推察された。

(2)野外での耐暑性の異なる25品種を用いて40日間36℃/30℃処理し， PSII活性と葉のH2O2濃度，脂質の過酸化度，アスコルビン酸濃度，アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性などを測定し， 耐暑性の品種間差異がどのような特性に起因しているかを調査した。 その結果，野外で測定した耐暑性と実験室内での36℃処理40日目のPSII活性が高い相関関係を示し， 熱ストレス耐性の指標として使えることが確認できた。 PSII活性の低下は過酸化濃度と密接に関係しており，酸化ストレスがPSII活性の低下の原因であることが示された。 また，4倍体品種が有意に高い耐暑性を示したが，これは，4倍体品種では葉が厚くなることで， 面積当たりに当たる光に対してルビスコなどのCO2還元機能が相対的に高くなり， ストレス下での明反応と暗反応のバランスを維持し， 活性酸素の生成による酸化ストレスによる障害を軽減するためと考えられた。

(3) C3型イネ科草15種の熱ストレス耐性を評価したところ，PSII活性は脂質の過酸化度と高い相関関係を示し， 酸化ストレスが種間の熱ストレス耐性に関係していることが示された。 しかし，葉の過酸化水素濃度とPSII活性には明確な相関は見られず，高温処理後にかえって過酸化水素濃度が減少する種も見られた。 このことは，種間では過酸化水素は酸化ストレスの原因物質以外にストレスに対するシグナル物質としても作用することを示しており， 種間には過酸化水素の役割に大きな差があることを示している。 また，C3型とC4型の種をそれぞれ3種用いて比較したところ， 熱耐性の高いと言われているC4種はPSII活性を高く維持し，脂質の過酸化度も低かった。 また，C4型種は葉が厚く，活性酸素種を生成させにくい葉の構造をもっていることもその高い熱ストレス耐性に関係していると思われる。

　これらの結果をまとめると，イネ科の芝草草種の熱ストレス耐性には活性酸素種の生成抑制やその消去， 葉の構造な様々な特性が関与しているが，すべての実験結果は， 熱ストレスによる障害には活性酸素種の生成に伴う酸化ストレスが関係していることが明らかとなった。