植物在逆境中的生理生长

关于植物在逆境中的生理生长

一、逆境下植物生理过程的变化二、细胞超微结构与植物抗逆性三、生物膜结构与植物抗逆性四、逆境下植物的自由基伤害与保护系统

五、渗透调节与植物抗逆性六、植物抗逆的分子生物学研究进展七、植物激素与抗逆性八、交叉适应第2页,共111页，2024年2月25日，星期天

逆境（environmentalstress），就是对植物生长不利的各种环境因子的总称.植物在长期进化过程中、不同环境下生长的植物形成了对某些环境的适应能力，产生了不同生态类型的植物:

喜温植物、水生植物、旱生植物、盐生植物、中生植物、阳性植物、阴性植物等。即使同一生态型植物，甚至是植物的不同品种对某些不良环境条件的抗御能力也有程度上的差别。植物逆境的抵抗及适应性，可以从形态和生理两方面表现出来。形态上：叶片大小、角质和蜡质层、表皮毛、微管束分化程度和根系分化差别等(长期）。生理上：自由水/束缚水、可溶性糖、游离氨基酸、激素变化、渗透调节、特异抗性蛋白等（短期）。

为了充分认识不良环境条件对植物生命活动的影响，以及植物对它们的抵御能力，在植物生理研究中形成了逆境生理这样一个研究领域。特别注意植物的抗逆性。第3页,共111页，2024年2月25日，星期天第4页,共111页，2024年2月25日，星期天干旱冻害冷害盐害第5页,共111页，2024年2月25日，星期天

植物的抗逆性(stressresistance)泛指植物对不良环境（逆境）的抵抗能力。

避逆性:(stressescape)指植物通过对生育周期的调整来避开逆境的干扰，在相对适宜的环境中完成其生活史。例如夏季生长的短命植物，且能随环境而改变自己的生育期。沙漠中某些植物只在雨季生长，如短命菊、小果崧(30天)、瓦松等。

耐逆性:（stresstolerance）指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止、降低或修复逆境造成的损伤，即通过自身生理变化来适应环境能力。例如植物遇到干旱或低温时，细胞内的渗透物质会增加，防止细胞脱水，以提高植物的抗逆性。

御逆性:(stressavoidance)指植物具有一定的防御环境胁迫的能力，且在胁迫下仍然保持正常的状态。这类植物通常具有根系及输导系统发达，吸水、吸肥能力强，物质运输阻力小，角质层较厚，还原性物质含量高，有机物质的合成快等特点。植物受到胁迫后产生的相应的变化称为胁变（strain）。胁变可以发生在不同水平上，如整体、器官、组织、细胞和分子水平上。第6页,共111页，2024年2月25日，星期天

对植物抗逆性的研究，着重于一些重要的生理过程变化。光合作用呼吸作用水分物质代谢变化（碳水化合物、氮代谢）激素水平酶活性变化(水解酶、合成酶、转化酶）大量研究作为这些生理过程变化基础的代谢反应。特别是近年来又深入研究植物抗逆性的分子基础和分子遗传等方面。植物抗逆性与蛋白质和核酸结构和功能的关系，抗逆与生物膜结构和功能的关系，抗逆基因和基因工程的研究。第7页,共111页，2024年2月25日，星期天一、逆境下植物生理过程的变化

1.逆境与植物水分状况

各种逆境首先普遍会影响到植物体水分状况的变化，在冰冻、低温、高温、干旱、盐渍、病害发生时，植物的水分状况均有相似的变化。自由水和束缚水，在遇到这些不良环境后，二者的相对高低与植物的抗逆性密切相关。也把它作为植物抗逆性的一个水分指标。

相对含水量（relativewatercontent,RWC）水势(waterpotential)—小液流、压力室、热电偶湿度计法。渗透势(osmoticpotential)—冰点渗透计、热电偶湿度计法。气孔导度(stomatalconductance)—稳态气孔计、光合测定系统蒸腾速率(transpirationrate)—稳态气孔计、光合测定系统细胞质浓度—自由水和束缚水、折光仪或阿贝折射仪、蒸汽压渗透剂。第8页,共111页，2024年2月25日，星期天

2.逆境与原生质膜透性

细胞膜的透性在反映植物抗性的差异上是比较敏感的，在冷、冻、旱、热、涝及SO2伤害等方面都表现原生质膜透性增强。大量的电解质和非电解质物质被动的向细胞外渗漏。（细胞膜透性可用电导仪测定）。

胞内物质向外渗漏原因:①原生质膜上ATP酶和有机物质主动运输酶（载体等）活力有关。②而且还与逆境下，细胞失水，原生质膜出现不连续的状态有关。③也有认为以外渗物质反映原生质膜透性变化时，可能在逆境条件下胞内可溶性物质随水的外流而引起物质外渗。第9页,共111页，2024年2月25日，星期天

3.逆境与光合作用

在任何一种逆境下，植物都表现为光合速率下降，同化产物供应减少，植物在干旱条件下叶片因失水而造成组织含水量减少。逆境引起气孔导度降低，蒸腾减弱，CO2吸收和同化阻力增加，导致光合速率降低。最直接的是气孔调节、相关酶活性及叶绿素含量。

①气孔导度降低或气孔关闭。②失水造成光合作用有关酶(Rubisco)活力的降低和角质层细胞壁对CO2的透性降低；③叶绿素含量、光化学活性及光能转化率降低。不同逆境引起光合速率下降原因各不相同。第10页,共111页，2024年2月25日，星期天

例如：盐渍化条件下生长的小麦，叶片光合速率比对照降低30-50%。下降的原因主要是蛋白质分解大于合成,叶绿素分解加强，叶绿素含量下降，致使光和强度降低。盐胁迫对叶绿素含量影响大于其它胁迫条件。例如：丙酮酸提取叶绿素，对照25%，干旱为20%，盐胁迫为50%。水稻叶肉细胞在盐胁迫前后的变化第11页,共111页，2024年2月25日，星期天光合作用中苜蓿施铁条件下叶片光合速率（Pn）、气孔导度（Cond）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr）之间的关系。Treatment第12页,共111页，2024年2月25日，星期天

4.逆境与呼吸作用呼吸作用植物生命活动的中心，植物抗性生理研究资料中，可将逆境下呼吸作用的变化分为三种类型：⑴当植物受环境胁迫时，呼吸强度降低。冰冻、高温、盐渍和淹水胁迫时，植物呼吸作用都是逐渐降低。小麦在–7℃处理时，叶片呼吸速率仅为对照的1/5。⑵当植物受逆境时，植物呼吸作用先升高后降低，如冷害和干旱胁迫时，水稻花期冷害发生时，气呼吸作用先升高后降低，（呼吸途径改变，抗氰呼吸增加）。植物受旱时，随着水量降低，植物体内可溶性物质和呼吸基质增加。⑶当植物受环境胁迫时，呼吸作用明显增加，并能维持相当长的时间，接近植物死亡时呼吸作用才下降。植物发生病害时，呼吸作用极显著的增加，有时比对照植株增加10倍以上。这种呼吸作用增强与菌丝体呼吸无关。抗病呼吸，末端氧化系统活跃。第13页,共111页，2024年2月25日，星期天

5.逆境与物质代谢

从碳水化合物和蛋白质代谢来看，各逆境条件下，都表现为合成能力降低，分解代谢加强。(可溶性物质在低温或干旱下积累作用不同)

碳代谢：例如，山芋、马铃薯等低温下贮藏时会变甜，与淀粉水解为可溶性糖有关，与磷酸化酶水解活性增强有关。（可溶性糖）

氮代谢：在蛋白质代谢中看到，低温、高温、干旱、盐渍胁迫下蛋白质降解，可溶性氮增加。（游离氨基酸，脯氨酸）

Chaken在研究小麦抗旱性与蔗糖合成酶和蛋白质合成酶活性关系的研究中指出，抗旱和不抗旱品种中，这两种酶活性下降速率不同。不抗旱小麦叶片失水20%时，酶合成力已完全停止，抗旱小麦叶片失水50%时，仍由40%的合成能力，说明抗旱品种具有缓解水解，保持合成的能力。近年来研究发现，在逆境胁迫下，植物体内正常的蛋白质合成被抑制，而常常诱导出一些新的蛋白质，这是植物为了提高对不良环境适应和抵抗的方式。逆境蛋白。第14页,共111页，2024年2月25日，星期天

（1）逆境蛋白的类型高温胁迫下诱导产生一种称为热激蛋白。（heat-shockproteins简称HSPs）,又称热休克蛋白。低温下驯化合成的冷驯化蛋白（cold-acclimationprotein,CAPs）。盐胁迫下合成的盐胁迫蛋白，如26KD渗透素（Osmotin）。缺氧条件下诱导合成的厌氧蛋白（anaerobicproteins,ANP）。紫外线诱导蛋白（UV-inducrelproteins,UVPs）。病原相关蛋白(pathogenesis-relatedproteins,PRPs)。化学诱导蛋白(chemicalinducedprotein,CIP)。

由此可见，无论是物理的、化学的、还是生物的环境因子，在一定情况下都有可能在植物体内诱导出某种逆境蛋白。各种不良环境下，植物体内诱导一些新蛋白合成，这表明逆境条件使植物基因表达发生了改变，一些正常表达的基因被关闭，而一些与适应性有关的基因被启动表达。第15页,共111页，2024年2月25日，星期天

（2）逆境蛋白的作用①参与代谢的酶或同工酶玉米苗研究发现，在厌氧或水淹条件下，新合成的蛋白质厌氧多肽，深入研究表明，厌氧多肽中有一些就是与糖酵解或糖代谢有关的酶，如由adh1和adh2基因编码的醇脱氢酶同工酶；葡萄糖-6-磷酸异构酶、果糖-1，6-二磷酸醛缩酶和蔗糖合成酶的同工酶等。这些酶的出现或活力的提高对保证植物有必要的能量供应无疑是有益的，并可促进乙醇发酵以避免酸中毒。研究发现冰叶松叶菊在NaCl、PEG和干旱诱导下，可使C4光合作用转变为CAM途径，其标志为诱导产生PEPcase，它是光合作用CAM途径的关键酶。自然条件下，处于干旱生境的CAM植物的气孔白天关闭，晚上开放时从外界进入的二氧化碳通过PEPcase和苹果酸脱氢酶固定于苹果酸，并积累在液泡中。白天，苹果酸从液泡中运出，井脱羧放出二氧化碳，再经RUBP羧化酶固定，将光能转变成化学能。第16页,共111页，2024年2月25日，星期天

②逆境蛋白与酶抑制蛋白的同源性

在植物受到伤害时、常会形成或增加某些对植物有保护作用的酶蛋白的抑制物，这些抑制物有些本身是一些多肽,如小麦中的α-淀粉酶抑制物、玉米和大麦中的抑制物、大麦和小麦中的双功能酶(蛋白酶／淀粉酶)抑制物等。它们在伤害情况下的诱导增加可看作为是一种“原初免疫反应”，以提高植物的防卫能力。通过对逆境诱导蛋白与已知的一些酶蛋白抑制物进行氨基酸或核苷酸的同源性分析，结果表明：逆境蛋白与酶蛋白抑制物有同源性。番茄盐诱导蛋白NP24与甜蛋白(thaumatin)的同源性达58％；烟草致病相关蛋白(TPR)与玉米蛋白酶抑制物的同源性为57％；渗调蛋白与玉米双功能酶(淀粉酶／胰蛋白酶)抑制物在氨基酸水平上的同源性达62％。不同逆境下诱导蛋白与蛋白抑制物在分子水平上的同源性，表明逆境蛋白同样具有提高植物在逆境下防卫能力及保护作用。第17页,共111页，2024年2月25日，星期天

③逆境蛋白与解毒作用

在植物对有毒害作用的重金属的反应中，植物被重金属诱导会产生某些蛋白质，主要有两种蛋白质：

—种称为类金属硫蛋白，它们具有某些动物金属硫蛋白的特征、如紫外吸收峰、氨基酸组分、相对分子质量等，能与Cu+2和Cd+2相结合。另一种称为植物螯合肽，它们的相对分子质量比金属硫蛋白还要小。

这两种蛋白质虽有不同之处，但都为金属离子所诱导，都富含有半胱氨酸残基，都可通过它们的巯基与至金属离子结合，降低细胞内可扩散的重金届离子浓度，起到解毒作用。第18页,共111页，2024年2月25日，星期天

④逆境适应过程中形成的稳定蛋白或贮藏蛋白

通过对烟草悬浮细胞盐适应研究渗调蛋白。渗调蛋白是一组碱性蛋白质，把相对分子质量约26×103的蛋白质定名为渗调蛋白，在盐适应细胞中它的含量随环境水势下降而升高，甚至可达到细胞总蛋白量的12％。在盐适应细胞的整个生长周期都有渗调蛋白的合成。脱落酸(ABA)作为一种逆境激素能诱导渗调蛋白的合成。盐可能涉及ABA诱导的渗调蛋白mRNA的转录或渗调蛋白翻译后的修饰，使它更加稳定。盐胁迫→ABA→mRNA→渗调蛋白。盐适应细胞中产生的渗调蛋白是稳定的，在无盐培养基中生长若干代后(80代)，它们仍能合成渗调蛋白，表明在盐适应后发生了某些渗调蛋白累积调节机制的永久性变化。在盐适应细胞中40％的渗调蛋白是可溶性的，结合在叶绿体和线粒体以外的颗粒上。许多渗调蛋白集中在液泡中，液泡含有高水平的渗调蛋白。渗调蛋白可能是一种盐适应过程中形成的贮藏蛋白。第19页,共111页，2024年2月25日，星期天

⑤分子伴侣(molecularchaperone)蛋白分子伴侣蛋白是参与其他多肽的正确装配．但是本身最后并不成为功能结构的一部分。后来发现分子伴侣中的许多蛋白质就是所谓的热激蛋白(HSP)。现在研究较多的分子伴侣蛋白有Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60。近年来，分子伴侣蛋白已成为细胞生物学中一个重要的话题，研究大多集中于它们在正常条件下和在胁迫条件下的功能，特别是在蛋白质折叠方面的功能。Hsp90对细胞的存活，特别在真核生物细胞中的作用倍受关注。分子伴侣蛋白的主要作用可能有：

A、在正常生理条件下功能帮助蛋白正确折叠、装配、运转及降解；稳定新形成的蛋白质。

B、在胁迫条件下能够稳定蛋白和膜的结构，防止变性蛋白聚合等。例如使热失活的RNA聚合酶再活化，控制热激反应。

C、促进捕光蛋白复合体插入类囊体膜等。第20页,共111页，2024年2月25日，星期天

例1.热休克蛋白

Ritossa(1962)在研究果蝇唾液腺染色体时发现了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋白质,因而命名为“热休克蛋白”。最初只认为HSP在高温下可有效保护蛋白质折叠结构,真核细胞和原核细胞在高温时均可产生HSP。

由高温诱导合成的热击蛋白（热休克蛋白）现象广泛存在于植物界，已发现在酵母、大麦、小麦、谷子、大豆、油菜、胡萝卜、番茄以及棉花、烟草等植物中都有热击蛋白。热击处理诱导HSPs形成的所需温度因植物种类而有差异。豌豆37℃，胡萝卜38℃、番茄39℃、棉花40℃、大豆41℃、谷子46℃均为比较适合的诱导温度。植物对热击反应是很迅速的，热击处理3～5分钟就能发现HSPmRNA含量增加，20分钟可检测到新合成的HSPs。细胞内各区室(内质网、线粒体、叶绿体、胞室等)都有HSP70对应物的存在,表明它对这些细胞器是必需的。第21页,共111页，2024年2月25日，星期天

例2.

低温诱导蛋白

植物不但高温处理可诱导新的蛋白成，低温下也会形成新的蛋白，称冷响应蛋白(coldresponsiveprotein)或冷击蛋白(coldshockprotein)。用低温锻炼方法使冬油菜用0℃处理均能形成新的蛋白,油菜细胞产生20KD多肽。

Koga等用5℃冷胁迫诱导水稻叶片离体翻译产生新的14KD多肽。低温诱导蛋白的出现还与温度的高低及植物种类有关。一种茄科植物Solanumcommerssonii的茎愈伤组织在5℃下第一天就诱导三种蛋白合成，但若回到20℃，则一天后便停止合成。

胚胎发育晚期丰富蛋白(lateembryogenesisabundantprotein,LEA)是一类在植物种子胚胎发育晚期富集合成的一系列蛋白,在干旱、低温和盐渍胁迫下因失水而诱导产生,属于冷凋节蛋白。该蛋白富含甘氨酸和其它亲水氨基酸,疏水氨基酸含量较少,具有高度的亲水性和热稳定性。研究发现植物的许多低温诱导蛋白是LEA蛋白。

第22页,共111页，2024年2月25日，星期天

例3.病原相关蛋白

(pathogenesis-relatedproteins,PRPs）也称病程相关蛋白，这是植物被病原菌感染后植物细胞合成并分泌到细胞间隙一类低分子量蛋白质，与抗病性有关的一类蛋白。真菌、细菌、病毒和类病毒可以诱导病原相关蛋白产生，而且与病原菌有关的物质也可诱导这类蛋白质产生。如几丁质、β-1,3-葡聚糖以至高压灭菌杀死的病原菌及其细胞壁、病原菌滤液等也有诱导作用，即诱导基因表达，病原蛋白合成。自从在烟草中首次发现病原相关蛋白以来，至少有20多种植物中发现了病原相关蛋白的存在。大麦被白粉病侵染后产生过敏反应，可诱导10种新的蛋白形成。病原相关蛋白的分子量往往较小，一般不超过40KD，且主要存在于细胞间隙，病原相关蛋白常具有水解酶活性，它可以水解入侵病原菌细胞壁，几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶就是常见的代表，这两种酶对病原真菌的生长有抑制作用第23页,共111页，2024年2月25日，星期天

例4.盐逆境蛋白植物在受到盐胁迫时会新形成一些蛋白质或使某些蛋白合成增强，称为盐逆境蛋白。自1983年以来，已从几十种植物中测出盐逆境蛋白。在向烟草悬浮培养细胞的培养基中逐代加氯化钠的情况下，可获得盐适应细胞，这些细胞能合成26KD的盐逆境蛋白(渗压素)。

例5.活性氧胁迫蛋白百草枯（Paraquat)除草剂能诱发大量超氧自由基（.O2－）杀死植物。但在亚致死剂量（0.1mol/L）时，百草枯诱发一定量.O2–的产生，而.O2–诱导合成SOD的同功酶，这种变化发生在转录水平诱导该酶mRNA形成，SOD可以清除过量的.O2–，维持其平衡，保证植物行使正常生理功能。任何能诱到植物产生.O2–的不良环境因子，都会使SOD活性提高，清除.O2–伤害，提高植物适应不良环境的能力。第24页,共111页，2024年2月25日，星期天

二、细胞超微结构与植物抗逆性质膜是细胞与生活环境相联系的结构，它不仅调控一切营养物质的进出，而且是细胞对外界因子做出反应的最先部位或屏障。在植物抗寒性研究中，质膜是反应最敏感的部位，冻害损伤的普遍现象就是离子和分子的外流、膨压丢失、植物萎焉。因此人们很早认为，冻害可能首先损伤质膜的半透性。马克西莫夫早在1921年就已指出这一问题，并研究了糖在细胞结冻时的保护作用，蔗糖能渗入细胞作保护剂对原生质体起保护作用。越冬植物细胞中会积累糖分，减少低温危害。

各种细胞器对冻害反应的敏感程度不同,小麦不抗寒品种冰冻后亚显微结构破坏更严重，叶绿体膜破裂，类囊体严重空泡化，核质凝集。冻害引起超微结构变化及破坏程度决定与植物品种的抗寒性，抗寒品种其细胞和膜结构稳定性高，不抗寒品种超微结构稳定性低。第25页,共111页，2024年2月25日，星期天Palta(1978)在小麦叶片冰冻—化冻处理中，未经低温锻炼的叶片叶肉细胞原生质膜、胞间连丝、核仁和染色质上不显示或很少显示Mg2+—ATP酶活力，经过低温锻炼的叶肉细胞中上述结构和细胞器上有明显的Mg2+—ATP酶活力，证明低温锻炼增加抗冻性，与质膜Mg2+—ATP酶活性的提高有关，减少离子外渗。

Heber(1968)通过对菠菜分离叶绿体的冰冻实验指出，冻害首先是破坏叶绿体膜结构，然后导致光合磷酸化（ATP酶）失活。冻害使叶绿体膜发生破坏：①使偶联因子从类囊体的外表面解离下来，破坏光诱发电子的吸收。②使叶绿素从膜上解离，③破坏了膜的半透性。叶绿素对冻害最敏感，与其他细胞器相比,线粒体则表现出相对稳定的特点。第26页,共111页，2024年2月25日，星期天简令成（1980）鉴定小麦抗寒性，通过对小麦分离的原生质体在冰冻—化冻后存活率测定（荧光素二乙酸法、伊凡蓝染色法），指出质膜稳定性与小麦品种的抗寒性成正相关。农科1号，抗寒力强，存活率96%。中等抗寒的郑州741，存活率51.8%，不耐寒京红8号，存活率只有2%。Giles等(1974)在玉米叶片叶肉细胞于-1.3MPa时叶绿体膜膨胀，原生质中出现空泡，到-1.9MPa时，25%叶绿体破坏；干旱条件下叶绿体破坏，嗜饿体增大增多；复水后，嗜饿体变小，叶绿体片层恢复。Paljakoff-Meyber(1981)苔藓抗旱性，当严重失水时，叶绿体出现不规则的变形和膨胀，被膜皱叠并与类囊体分离，这时，类囊体发生膨胀而排列松散，复水24小时，这些形态上的变化和生理功能均可恢复到正常的状态。第27页,共111页，2024年2月25日，星期天低温（－1℃）对转抗冻蛋白基因烟草叶片超微结构的影响细胞膜叶绿体线粒体线粒体叶绿体细胞膜野生型烟草转基因烟草0d1d2d3d第28页,共111页，2024年2月25日，星期天不同感病枣树和茎尖培养的植株叶脉组织的显微结构变化a.枣疯病严重的植株;b.病症较轻的植株;c.病发区尚未表现症状的植株;d.茎尖培养的植株。第29页,共111页，2024年2月25日，星期天

三、生物膜结构与植物抗逆性

作为生命活动与其环境的一个界面，任何一个刺激首先为细胞膜所接受，然后经过传导、放大等一系列过程才由细胞做出反应，因此，在研究植物抗逆性中，生物膜的作用越来越为研究者们所关注，研究较多的是低温胁迫对生物膜组分、结构和功能的影响，特别是与抗低温性（冷胁迫、冻胁迫）的关系。

生物膜的一般概念：提出了约50种生物膜的模式，代表性：Gorter等（1925）“双层膜模式”即生物膜由内外两层类膜组成；Muhlether等人（1965）“冰山”模式即膜组分中的蛋白质成球状，如同一座冰山漂在类脂的海洋中；Singer等（1972）“流动镶嵌”模式，即生物膜有类脂和蛋白质镶嵌而成，并处于一种流动的液晶态。Jain(1977)根据某些膜成分在膜上的不对称分布，类脂和蛋白质在膜上的专一性的分子间相互作用，进一步提出了“板块”模式。第30页,共111页，2024年2月25日，星期天

尽管模式不断发展和完善，但有一点基本上相同的，即生物膜主要由类脂和蛋白质构成。类脂在膜组分中一般占重量的20—30%，膜蛋白质占膜重量的多少因膜具酶活性大小而异，有高功能活性的膜含有70%重量的蛋白质。膜脂包括磷脂和糖脂，磷酯基本组成：三元醇（甘油）、磷酸。不同饱和程度脂肪酸，通常带一个N原子的碱基。第31页,共111页，2024年2月25日，星期天

就目前所知，在正常条件下，细胞膜是处于一种液晶相的流动状态。但这种状态不是一成不变得，随着环境温度的变化，它的相状态会发生变化，温度下降时它可向晶态方向变化，温度上升时也可向液态方向变化，随之而来的是功能的变化，膜的相状态（液态固态）的变化称为相变。一般认为膜的相状态或膜的流动性在很大程度上由组成膜的脂，特别是膜极性脂的脂肪酸性质所决定。

不同脂肪酸对相变温度的影响可概括为：

1．饱和脂肪酸相变温度>单双键脂肪酸相变温度>双双键脂肪酸相变温度>三双键脂肪酸相变温度。

2．长链脂肪酸相变温度>短链脂肪酸相变温度。

3．反式不饱和脂肪酸相变温度>同类顺式不饱和脂肪酸相变温度。结论：膜脂肪酸不饱和度越高,膜相变温度越低（液态变为固态温度低）就意味着植物细胞抗冷性越强。膜脂质变化：包括膜脂类型及其脂肪酸性质第32页,共111页，2024年2月25日，星期天（一）膜脂组分对植物抗冷性的影响

高等植物膜脂中含有磷脂、糖脂,即单半乳糖二甘油脂（MGDG）和双半乳糖二甘油脂（DGDG）、硫脂（SL）等，其中磷脂又是主要成分。在植物线粒体中它占总脂的50—60%，植物主要的磷脂：磷脂酰胆碱（PC卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰丝氨酸（PS脑磷脂）、磷脂酰甘油（PG）。磷酸与碱基为亲水基团，脂肪酸碳链为疏水基团，决定它的存在方式与结构的有序性。

MGDG第33页,共111页，2024年2月25日，星期天

物理学中，不同碳链长度及不饱和键数的脂肪酸，其固化强度不同：从键长来说，碳链越长，固化温度越高，碳链越短，固化温度越低。相同碳链长度时，不饱和键越多（膜的液化程度高，流动性越大），固化温度越低。含有不同脂肪酸链的PC，其固化温度与碳链长度和不饱和键数的关系，和纯脂肪酸间的固化温度关系一致，只是具体温度不同而已。由于不同脂肪酸的固化温度不同，这就将膜脂脂肪酸与膜相变联系起来。

第34页,共111页，2024年2月25日，星期天不同脂肪酸及不同脂肪酰的磷脂酰胆碱的固化温度脂肪酸固化温度磷脂酰胆碱固化温度月桂酸（12：0）44.0二月桂酰-2豆蔻酸（14：0）53.9二豆蔻酰24棕榈酸（16：0）63.1二棕榈酰42硬脂酸（18：0）69.6二硬脂酰58油酸（18：1）13.4二油酸-2亚油酸（18：2）-5.0二亚油酸-50亚麻酸（18：3）-11.0二亚麻酸-----第35页,共111页，2024年2月25日，星期天

Kuiper(1970)苜蓿上进行膜脂组分与抗冷性关系研究，抗冷性强的品种中MGDG、DGDG、PC和PE含量在15—30℃范围内均比不抗冷的品种含量高，而PG,PI,SL含量含量低。两品种的膜质的脂肪酸有很大差别，以叶片的DGDG的脂肪酸为例，抗冷品种DGDG中饱和脂肪酸含量少，不饱和脂肪酸含量多。尤其亚麻酸含量超过70%，不抗冷品种亚麻酸含量只有57%。

总结：抗冷植物细胞脂以MGDG、DGDG、PC和PE为主；膜脂中的脂肪酸主要以亚麻酸、亚油酸等不饱和脂肪酸为主。第36页,共111页，2024年2月25日，星期天

Lyous（1965）曾在16：0、18：0、18：2、18：3不同浓度组成的混合脂肪酸中测定它们的固化温度，发现18：2、18：3不饱和脂肪酸含量增加到60%以下，混合脂肪酸的固化温度缓慢下降。当不饱和脂肪酸含量超过60%以上时，固化温度明显降低。

John（1976）在棉花幼苗上进行了膜脂肪酸配比与抗冷性的关系研究，经低温锻炼的幼苗，其抗冷性增强，叶片膜脂不饱和度增加，利用抑制不饱和脂肪酸形成的物质Sandoz9785处理棉花幼苗后，膜脂不饱和度减少，而幼苗抗冷性明显降低。王洪春（1982）在206个水稻品种中膜脂不饱和脂肪酸抗冷的关系，几乎都是正相关。第37页,共111页，2024年2月25日，星期天

（二）膜脂组分对植物抗冻性的影响

磷脂含量与抗冻性,Yoshida等(1976)利用植物树皮进行自然越冬和人工低温处理试验，发现低温能促进膜脂中磷脂含量增加，从9～11月自然越冬情况下，抗冻能力逐渐增加，磷脂含量增加最明显，主要是磷脂酰胆碱（PC）；不抗冻的材料PC明显减少，磷脂酸（PA）显著增加，PA是磷脂的降解产物。研究发现磷脂降解与存在于线粒体内的磷脂酶的活力有关。抗冻性强的树皮，在结冰时，磷脂酶的活力低。不抗冻的树皮在结冰温度下，磷脂酶活性高，认为此酶活性大，发生磷脂降解致使膜受害。

膜脂肪酸与抗冻性，Deyee(1979)白皮松叶片片层膜上看到膜脂脂肪酸配比与抗冻性有关，片层膜中的脂类糖脂增加(MGDG、DGDG)，冬季气温降低后，片层膜中亚油酸含量增加11%，亚麻酸含量增加了24%，而棕榈酸、硬脂酸和油酸含量降低。叶绿体片层膜中增加不饱和脂肪酸可增加膜的稳定性，有利于越冬抗寒。在葡萄越冬枝条材料中均有相同的结果。孙中海等（1985）在柑桔越冬抗冻研究中，证明抗冻性与柑桔叶片、种子、韧皮部膜脂不饱和脂肪酸含量成正相关。秋末到仲冬时期膜脂不饱和脂肪酸逐渐增加达到最大。第38页,共111页，2024年2月25日，星期天

（三）膜脂组分对植物抗盐性影响

膜脂种类与抗盐性：

Kuiper(1968)在研究葡萄品种抗盐性中，葡萄根茎组织的脂类与抗盐性关系，MGDG含量与品种抗盐性、盐分的吸收和运输有密切的关系。凡是根茎组分含MGDG多的品种吸收NaCl能力强,盐分体内运输快，对盐分比较敏感，易受害。而含根茎中磷脂即PC和PE含量高的品种，吸收NaCl能力低，对盐敏感性低。用戊醇代替生物膜人工试验中，戊醇膜对NaCl透性低，戊醇层中加入MGDG时，能使本不能通过戊醇层运输的盐离子运输，他认为MGDG有利于盐分跨膜，因此增加氯化物穿膜的能力。

Müller(1978)在NaCl处理大麦幼苗，证明叶绿体被膜、类囊体膜发生变化。当有NaCl存在进行培养，类囊体膜脂中MGDG、DGDG和PC含量下降，其中以MGDG下降值较大，比对照降低1/3。叶绿体被膜中两者下降明显。当除去NaCl一天后，膜组分可恢复到对照水平。因此他们认为MGDG的降低是对盐分的一种适应性，正可阻止盐分的进入。第39页,共111页，2024年2月25日，星期天

膜脂脂肪酸与抗盐性：

Stuiver等（1978）发现不抗盐甜菜根中含有较多的亚油酸和亚麻酸，抗盐的菜豆根中正相反。他们认为膜脂不饱和脂肪酸多时，利于盐离子跨膜进入植物体，意味着抗盐能力弱。

王洪春（1981）利用不同浓度的NaCl和Na2CO3溶液处理玉米幼苗，研究植物抗盐性与膜脂脂肪酸组分和质膜透性的关系。随盐分浓度增加处理时间加长，叶片含水量下降，质膜透性增加。膜脂脂肪酸中亚麻酸含量降低。棕榈酸和油酸含量增加，膜脂不饱和度降低，膜透性也逐渐降低。可能膜脂脂肪酸饱和程度与离子穿膜有关。

赵可夫等（1982）在积盐植物盐角草中看到，随NaCl浓度增加，叶片MGDG、DGDG、PC含量下降，盐浓度越高，它们下降越明显，同时膜脂中亚麻酸含量也随盐分浓度增加而减少。第40页,共111页，2024年2月25日，星期天

（四）膜脂组分对植物抗旱性影响

Willemot(1979)在小麦抗冻性研究中进行了土壤干旱处理。观察干旱对小麦膜脂脂肪酸与抗旱的关系。结果看到当土壤湿度维持在萎焉系数附近时，小麦叶片膜脂中亚麻酸含量明显减少。其它饱和脂肪酸含量增加，水分胁迫影响膜脂脂肪酸组分。杨景峰等（1984）小麦灌浆期的干热风研究中，抗旱强的小麦品种的叶表皮细胞极性脂和中性脂中，含饱和脂肪酸较多，不抗旱小麦品种相反。另外，还看到膜脂饱和脂肪酸含量与叶片抗脱水和根系吸水力密切相关。膜脂饱和脂肪酸含量与抗旱性成正相关。玉米幼苗经受不同浓度的PEG处理后，看到随处理浓度和时间增加，叶片含水量下降，质膜透性增大，膜脂中亚麻酸和亚油酸明显减少，而饱和的棕榈酸大量增加，这种变化对干旱的一种适应性。当玉米叶片失水速率过快，膜脂透性发生极为明显的增加，但膜脂脂肪酸组分没有发生变化。这说明膜脂脂肪酸变化需通过代谢过程才能实现，产生适应性。第41页,共111页，2024年2月25日，星期天

（五）膜脂对膜结合酶活性的影响

膜结合酶需要磷脂存在才有活性，这是在20世纪60年代开始认识。过去认为膜磷脂参与膜的结构，结构的改变，引起了透性的变化，从而导致了离子外渗或有毒物质的积累，进而影响正常的生理活动过程。不仅如此，1962年第一次发现磷脂作为一种非底物形式而直接参与酶的功能（酶在磷脂膜上才有活性），从而进一步扩大了人们对磷脂作用的认识，并开始了这方面的研究。现在一般把磷脂对膜结合酶的作用分为两种，非专一性和专一性。非专一性的作用:

主要指磷脂对膜结合酶创造了一个必要的疏水环境，使活化的酶和底物都处于适宜的生化反应状态，有利于酶的催化作用。代谢过程中的许多底物、代谢中间产物都是脂溶性的，需要一个疏水的环境。这种非专一性作用表现为膜结合酶对磷酸脂的要求在种类上并不严格。因而不同种的磷脂对这些酶的活化都有效。第42页,共111页，2024年2月25日，星期天专一性作用:

主要在于许多膜结合酶需要磷脂的专门的极性基团（碱基）提高酶活力。如线粒体β-羟基丁酸脱氢酶系统，纯化的酶需要磷脂中的专一的磷脂酰胆碱（PC）的含氮碱基活化。在这种酶功能中，磷脂的作用在于酶必须与脂结合成一个活化的复合体，然后才能同辅酶结合，（Ca2++Mg2+）+ATP酶和（Na++K+）—ATP酶需要磷脂酰丝氨酸（PS）。

Kuiper(1972)曾以大豆为材料，研究了ATP酶活性对磷脂的要求，他发现用丙酮提取从膜上溶解下来的ATP酶，活性几乎为零，但通过加入磷脂，酶活性可以部分恢复，特别是磷脂酰胆碱。第43页,共111页，2024年2月25日，星期天

何雷尼斯（Arrhenius）图，可以反映膜结合酶活性与膜性质或状态的关系。在温度逐渐降低条件下，酶活化能的变化。在特定的温度下酶发生活化能的转折，这种转折往往与膜相变有关，即由膜相变引起。因而磷脂的组成影响了膜的流动性，间接地影响了酶的活性。从低温下酶活化能变化反映植物抗冷性强弱。

Lyous等（1970）用Arrhenius图，研究不抗冷的甘薯、番茄、黄瓜果实线粒体的苹果酸氧化酶表现活化能在9～12℃间出现一个折点。而抗冷的马铃薯、胡萝卜线粒体的苹果酸氧化酶表现活化能在5～25℃间呈一直线。折点温度是膜发生相变而引起酶活化能化的温度。王育毅等（1981）在水稻上证明抗冷强的品种线粒体含不饱和脂肪酸多，其线粒体α-酮戊二酸氧化酶活性高，表现活化能在Arrhenius图上的低温折点温度较低。不抗冷品种线粒体含不饱和脂肪酸少，其线粒体α-酮戊二酸氧化酶活性低，表现活化能低温折点强度较高。因此他们认为膜脂不饱和度直接影响膜结合酶的活性。第44页,共111页，2024年2月25日，星期天

5.7℃4℃苏维埃等（1983）用差示扫描热量法和荧光分析法研究了粳、籼稻膜脂的热致相变和流动性与脂肪酸组成的关系。从水稻不同的品种干胚膜脂升温图谱中显示出两品种在低温峰终点温度上存在差异。抗冷品种的低温峰终点温度为4℃，不抗冷为5.7℃。折点膜脂由液相变为固相所产生热量变化。反映植物抗冷性。第45页,共111页，2024年2月25日，星期天四、逆境下植物的自由基伤害与保护系统

需氧生物的正常生命活动离不开氧，但近来研究表明，氧在植物体内存在方式对生命活动有很大影响，一般把生物体内直接或间接由氧转化而成的某些代谢产物及其衍生的含氧物质统称为活性氧。

1.活性氧、自由基类型及性质

超氧化物自由基（·O¯2

）羟基自由基（·OH）过氧化氢（H2O2）脂类过氧化物（ROO）单线志氧（1O2）它们都含有氧，并且有着比氧更加活泼的化学反应性。在活性氧中，许多属生物自由基，即是游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。第46页,共111页，2024年2月25日，星期天自由基性质：①这些自由基具有极活泼的化学活性，很强的氧化能力。②本身不稳定，只能瞬间存在。③能持续地进行连续反应。因此，在生命活动中起着重要的作用。.O2－1O2O2ehv第47页,共111页，2024年2月25日，星期天

2.自由基清除系统在生物体内活性氧或生物自由基在不断地产生，但也不断地被消除，O·¯2在非酶反应中，可以含铁蛋白（如豆血红蛋白）途径生成。生物分子氧化

Fe2++O2→Fe2+-O2→Fe3+-O2→Fe3++O·¯2

经酶反应途径产生黄嘌呤+2O2+H2O尿酸+2O·¯2+2H+

对于单线志氧（1O2）可以从脂质过氧化过程中形成或在光合色素中形成：

ROO·+ROO·→ROOR+1O2ChlChl*→Chl*＋O2

→1O2

自由基酶清除系统：植物细胞中多余自由基可通过有关的酶类或一些能与自由基反应并产生稳定产物的化合物来清除。超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX），均属清除活化物氧的酶类。近年来对超氧物歧化酶研究较深入。自1969年Mecord首先从牛血红细胞中发现以后，在植物细胞的叶绿体、线粒体和细胞质中均有存在，它的主要功能是清除·O2-。hv第48页,共111页，2024年2月25日，星期天

O·¯2+O·¯2+2H+H2O2+O2，H2O2H2O+1/2O2

目前已知有三种不同形式SOD，即CuZn-SOD，Mn-SOD，Fe-SOD。研究了它们的氨基酸序列分析。植物SOD的活性水平与类型是植物为了适应环境氧分压不断升高而逐渐演化形成的，低等植物以Fe-SOD或Mn-SOD为主，而高等植物以Cu·Zn-SOD为主，细胞溶质的SOD以Cu·Zn-SOD为主，它占细胞溶质总SOD的86%。线粒体的SOD主要是Mn-SOD，它占线粒体总SOD的74%～76%。在细胞器分布及类型，清除自由基的适应性。

天然的非酶自由基清除剂：VE、GSH、VC、类胡萝卜等。

人工的非酶自由基清除剂：二笨胺、苯甲酸钠、没食子酸丙酯等。第49页,共111页，2024年2月25日，星期天

3.自由基伤害

Fridorich等1969年指出生物自由基伤害学说，在正常条件下，自由基的产生和清除处在平衡状态下，此时体内自由基浓度极低，它们不仅不会损伤机体，而且还可以显示其独特的生理作用。但在胁迫条件下，不良环境条件会影响体内自由基代谢系统的平衡，而增加活性氧的产量和破坏、降低活性氧清除的水平。自由基及活性氧对植物的伤害主要表现在：

①膜伤害:

自由基使膜发生过氧化作用，产生丙二醛（MDA），使细胞膜系统及细胞器破坏解体。通过测定丙二醛含量鉴定膜伤害程度，进一步鉴定膜透性。植物处在逆境下或植物氧代谢失调时，发生膜脂过氧化的自由基链式反应，膜脂由液晶态转变为凝胶态，从而导致膜流动性下降。这种由膜相改变而引起的膜流动性变化称为“膜相变”（phasetransitionofmembrane）。第50页,共111页，2024年2月25日，星期天

多不饱和脂肪酸的亚甲基氢原子离解能较低，它在活性氧的作用下容易解脱而形成脂质自由基,脂质自由基不稳定，其双键易重排成共轭二烯结构并在氧参与下进一步形成脂质过氧化物自由基（lipidperoxyradical），脂质过氧化物自由基一方面可夺取邻近脂分子的氢而形成脂质氢过氧化物和一个新脂质自由基，使反应连续不断发生；另一方面，脂质过氧化物自由基自动转化为脂质内过氧化物，并逐步降解成丙二醛（malondialdehyde，MDA）等类似物的酮、醇、羧酸或低级烷烃。过氧化产物伤害:①降低膜流动性而固化,增加膜透性.②毒性,MDA可攻击蛋白分子氨基酸，导致蛋白质分子内和分子间交联变性凝聚，积累了有荧光特性的脂褐色素.MDA第51页,共111页，2024年2月25日，星期天

②蛋白质破坏：自由基直接作用于蛋白质，引起肽链断裂，氨基酸发生化学变化，蛋白质交联而生物活性改变。蛋白中氨基酸发生氧化被认为是生命系统中一个具有潜在危害的重要信号。组成蛋白质的所有氨基酸对O·¯2特别是·OH的氧化修饰十分敏感，其中以蛋氨酸、组氨酸、酪氨酸、色氨酸、脯氨酸、半胱氨酸和苯丙氨酸最容易受到氧自由基攻击二氧化。它们之所以容易受氧自由基修饰，其原因是它们具有不饱和性质，如组氨酸有嘧唑基，酪氨酸有酚羟基，色氨酸有吲哚基。羟自由基既可以攻击蛋白质的一级结构，同样也造成蛋白质二、三级结构的损伤。正常培养7天的水稻幼苗，总蛋白含量和25KD蛋白质含量与幼苗生长天数呈正相关；但高氧逆境下，幼苗在第三天开始，蛋白质量不在增加，而且有逐渐下降趋势，25KD蛋白谱带开始发生扩散与降解现象。可见，植物氧伤害是与蛋白质合成受阻和原有蛋白质受破坏有直接关系。第52页,共111页，2024年2月25日，星期天

对酶的伤害

使酶分子发生交联聚合。攻击巯基导致酶失活。木瓜蛋白酶是一个结构清楚且含有巯基，其活性依赖于巯基的酶。·O-2和·OH能作用于蛋白酶，破坏酶的巯基，使酶不可恢复的失活。氧自由基与酶分子对酶的作用也可以通过修饰酶蛋白的不饱和性氨基酸，从而影响酶活。氧自由基与酶中心金属例子其反应而导致酶分子失活。如Cu·Zn-SOD催化·O-2歧化反应而产生H2O2，H2O2使Cu·Zn-SOD中的Cu2+变成Cu+，Cu+与H2O2反应生成破坏力更强的·OH，使Cu·Zn-SOD失活。第53页,共111页，2024年2月25日，星期天

③核酸损伤：碱基破坏，断裂缺失。活性氧对DNA结构损伤的报道在噬菌体、细菌、微生物和哺乳动物方面较多，在高等植物材料方面较少。最近已有报道，百草枯或黄嘌呤-黄嘌呤氧化酶系统产生的O·¯2对花生叶片大分子量DNA有剪切（scission）、降解（degradation）和修饰（modification）作用。在这两种外源O·¯2系统中分别加入超氧物歧化酶、过氧化物酶、硫脲或甘露醇时，花生大分子量DNA剪切与降解被抑制；但加入Fe2+则加剧DNA的剪切和降解作用。这些结构显示，直接攻击DNA并造成其损伤的氧自由基是·OH，而O·¯2能驱动Fenton反应或通过Haber-Weiss反应转化成·OH起作用。

1894年，Fenton首次发现H2O2与Fe2反应生成一种氧化能力很强的氧化物，1934年Haber-Weiss证明Fenton反应产物是羟自由基，Fe2+＋H2O2→Fe3+＋OH-＋·OH，已发现亚铜（Cu+）和亚钛（Ti3+）也能像Fe2+一样与H2O2产生Fenton反应。第54页,共111页，2024年2月25日，星期天

Fe2+＋H2O2→Fe3+＋OH－＋·OH（Fenton）

O·¯2＋H2O2→O2＋OH─＋·OH（Haber-weiss）

paraquat+(百草枯)＋H2O2→paraquat2+(百草枯)

＋OH-＋·OH

引起DNA损伤的·OH是由络合于DNA链上的Cu或Fe催化产生的，这样产生的·OH离作用位点最近，浓度较高，使·OH有可能就在产生的位点上造成DNA的断裂或损伤。羟自由基也能启动脱氧核酸降解，其降解产物可发生TBA（硫代巴比妥酸）显色反应，反应系统·OH产率越高，脱氧核酸的降解和产生TBA显色反应就越强。第55页,共111页，2024年2月25日，星期天

高浓度氧对幼苗生长的毒害随环境氧浓度的增加，水稻幼苗生长量受抑制逐渐加剧。若以空气培养的水稻幼苗作对照（生长量100%），分别培养在40%、60%和80%氧浓度的水稻苗生长量只是对照的83%、66%和25%，而且，水稻苗的根比芽对氧伤害更敏感。吸胀过的水稻种子培养在氧气中，前三天能缓慢地生长胚芽和胚根，但第五天根变褐、芽软化，第七天幼苗凋萎致死。这种死亡并非缺乏CO2或光照而即饥饿所致，因为在同样条件下加入正常量的CO2

及光照，幼苗同样死亡。表明了在一定时间内的高浓度氧能使水稻幼苗致死。第56页,共111页，2024年2月25日，星期天

4.活性氧在植物生命活动中的必要性

既然活性氧代谢是生物长期进化过程中逐渐形成的，那么活性氧的产生对生命过程就不可能只有消极一面，体内的活性氧也不可能是无用的“副产品”。氧自由基对生命的必要性在动物研究较多。其中如前列腺素、凝血酶原和胶原蛋白的生物合成。核糖核苷的还原，肝脏对外来毒素的解毒作用，以及吞噬细胞等等都有自由基的参与。高等植物的研究报道较少，但已知一些重要的植物生理生化过程是在活性氧的参与下完成的。

①活性氧与细胞内代谢的关系

电子传递:植物代谢的许多酶促反应，往往以自由基的形式作为电子转移的中间产物。黄素单核苷酸（FMN）和黄素嘌呤二核苷酸（FAD）是很多黄素酶的辅基，在黄素酶的酶促反应中，电子从黄素转移时形成黄素半醌自由基，它是酶促反应实现电子转移的必要中间物。第57页,共111页，2024年2月25日，星期天

参与有机物分解与合成：活性氧在植物代谢中的另一种重要作用是导致某些化合物的合成与分解。如植物细胞壁的形成和木质素的合成与降解过程都与O·¯2和H2O2有密切关系。木质素是一种羟醛醇多聚物，在它的生物合成的最后一步就是由结合在细胞壁上的过氧化物酶和H2O2使木质素单体发生聚合反应。

木质素的降解可分为酶促降解和非酶促降解两种类型，酶解也是在过氧化物酶和H2O2参与下使聚合的木质素解聚为木质素单体。非酶降解则是由O·¯2

、·OH、H2O2等活性氧作用使聚合的木质素降解为单体，其中以Fenton反应产生的·OH作用最大。第58页,共111页，2024年2月25日，星期天

②氧自由基对细胞抗病的作用

植物与病原体相互作用时，发生了与病原体识别作用有关的氧化爆发（oxidativevburst），并产生了大量的O·¯2和H2O2。活性氧O·¯2和H2O2的氧化还原反应可以是植物抗病性的直接因子，也可以是后来抗性的信号调节因子。抗病作用：活性氧在细胞外可以直接杀死病原体；在细胞壁能使壁蛋白氧化交联，既加固细胞壁又防止病原体侵入；在细胞内它可以作为一种抗性的信号分子启动与抗病相关蛋白的基因表达。

第59页,共111页，2024年2月25日，星期天图24.8是植物与病原体相互作用中活性氧的产生与功能的模式。诱导物（elicitor）受体启动G蛋白，G蛋白打开细胞膜上的钙通道，使细胞内Ca2+，Ca2+浓度升高可激活蛋白激酶，蛋白激酶通过磷酸化作用进一步激发NAD（P）H氧化酶，NAD（P）H氧化酶自氧化产生·

O-2和·

O-2的歧化反应产物H2O2。第60页,共111页，2024年2月25日，星期天植物对病原体产生的激发与抑制物的反应A.抗性寄主的抗病反应。抗性寄主能识别病原体产生的激发子，识别反应后激活信号转导系统引起Ca2+的释放和蛋白酶的磷酸化，诱导抗病基因活化，导致植保素、病原相关蛋白等抗病因子的生物合成，从而抗御病原体的侵染。B.寄主的感病机理。病原体产生的抑制物如寄主特异毒素HST，能抑制质膜上ATP酶的活性，使质膜中信号转导系统丧失功能，不能对病原体的侵染及时作出反应，即抗病基因不活化，细胞不合成抗病因子；也可能病原体产生的抑制物直接抑制抗病的基因的表达，从而使寄主感病。第61页,共111页，2024年2月25日，星期天

③

氧自由基参与乙烯的形成乙烯作为一种植物激素，在植物生长发育和衰老过程所起的作用已被人们广泛地关注。植物乙烯的形成不但与光、温、CO2和Ca2+有关，而且氧自由基对乙烯合成的重要性也逐渐被人们所认识。1979年Lieberman提出氧自由基参与乙烯的形成。目前有两种解释：一种认为超氧物自由基（O·¯2

）激发乙烯合成酶（EFE）从而促进乙烯释放。在豌豆和苹果材料上也进一步证明O·¯2参与乙烯形成的作用部位是在ACC到乙烯这一步，O·¯2激发乙烯合成酶促进了这一步反应的加强。另一种观点是羟自由基直接作用于蛋氨酸而产生乙烯，随后又从已知的Fenton反应或铁催化的Habeir-Weiss反应产生的·OH也可以与蛋氨酸作用形成乙烯，其过程如下：

Fe2+＋H2O2→Fe3+＋OH-＋·OHMet-Pyp＋·OH→OH-+C2H4+其它产物从上述反应过程中表明，·OH是乙烯形成的直接作用因子，O·¯2

、H2O2其它活性氧是作为产生·OH的一个因素，所以SOD或过氧化氢酶也能抑制乙烯形成。逆境诱发植物产生乙烯，抑制生长，加速老化。第62页,共111页，2024年2月25日，星期天

④活性氧在调节光能耗散中的作用光合作用包括光能固定和过剩光能耗散两方面，对于后者，除了先前人们所熟悉的光呼吸外，最近又报道在光合系统II复合体内也存在着与活性氧产生与猝灭相关的三种光能耗散方式：围绕PSII的电子循环与类囊体膜的能量化和叶黄素循环有关的热耗散与PSII反应中心异质化及D1蛋白损伤修复有关的能量耗散机理

早在1962年就证明了叶片中的叶黄素循环，但直到1990年才知道这循环的生理功能与膜能量化一起共同调节过剩光能耗散。在光照下，叶黄素循环中由紫黄质转化为玉米黄质，共轭双键数由9个增加到11个，这就是利用共轭双键的长短来调节能量流向的分子机理。在PSII复合蛋白中，由紫黄质转化为玉米黄质时伴随着抗坏血酸转化为脱氢抗坏血酸，以及O·¯2→H2O2，H2O2→O2的过程。可见，活性氧的转化对过剩光能的合理耗散有着一定的联系。

第63页,共111页，2024年2月25日，星期天在强光缺氧条件下，活化紫黄素脱环氧化酶催化紫黄素（含9个双键）发生脱氧化作用，生成玉米黄素（含11个双键），在低光有氧条件下，活化玉米黄素生成紫黄素。叶黄素循环，调节共轭双键以调节能量的流向和耗散对植物有损伤作用的活性氧。（紫黄素）（环氧玉米黄素）（玉米黄素）第64页,共111页，2024年2月25日，星期天

80年代中期以来，光合作用的一个研究热点，是植物在强光下发生的光合作用下降现象——光抑制。众多的研究证实，植物光抑制是活性氧（较多的指1O2）导致部分PSII的D1、D2蛋白损伤和PSII反应中心异质化（非均一性）所引起的；同时又阐明，植物光抑制现象是一种调节过剩光能合理耗散的重要方式。植物在光胁迫下外源化学法产生的单线态氧激发光抑制现象，而外源组氨酸（1O2清除剂）又能抑制光抑制。通过化学修饰法测定PSII反应中心的His残疾含量，发现强光下His残基少，与暗中有单线态氧作用时所发生的His残基减少相一致。可见，植物的光抑制与单线态氧作用直接相关。

第65页,共111页，2024年2月25日，星期天第66页,共111页，2024年2月25日，星期天第67页,共111页，2024年2月25日，星期天

一般认为，干旱能增加植物体内的活性氧含量，从而促进膜脂过氧化或膜脂脱脂反应。而植物耐脱水能力与自身维持活性代谢平衡能力有关。如较抗旱的一种地衣在干旱时，SOD活性迅速上升，而相应不耐旱的地衣遇干旱时SOD活性下降。植物组织在低温伤害初期普遍出现呼吸的提高和氧气摄入量的增加，低温引起线粒体和叶绿体中SOD活性下降，导致O·¯2，·OH等水平提高，从而促进膜脂过氧化作用，使膜结构和功能破坏。其它胁迫如强光、盐渍、病害、大气污染都会引起植物体内活性氧化代谢失调而引起伤害。综上所述，活性氧代谢失调是植物在各种逆境胁迫下遭受伤害的共同机理之一，并且由于不同逆境对植物活性氧影响十分相似，故活性氧代谢能够反映植物的综合抗逆性。目前在植物逆境生理研究中，大多都要测定膜脂过氧化产物丙二醛含量、膜相对透性，以次来说明逆境下膜伤害的程度。都要测定保护酶系统的活性，以次来说明植物清除活性氧抵抗逆境的能力。在一定范围之内，逆境下产生活性氧多，如保护酶系统活性高，清除自由基的能力也增强，就减轻了伤害，也就提高植物抗逆能力。第68页,共111页，2024年2月25日，星期天五、渗透调节与植物抗逆性

(一)渗透调节现象及影响渗透调节的因素

渗透调节是指细胞内渗透势的调节（细胞质浓度的调节）。当植物处在高盐浓度或干旱条件下，很容易使植物失水变干旱，与环境吸收水分的平衡失调，植物为了保护水分的吸收，减少水分丢失，可以以调节细胞渗透势的方式，保持与环境的渗透平衡。渗透调节术语有两种表示：“Osmoregulation”和“Osmoticadjustment”。指的是通过在细胞内溶液中加入或除去溶质，从而达到细胞渗透势与其外界环境的势能平衡（当外界环境水势增高，细胞的水势也增高；当环境水势降低，细胞的水势也会降低）。它既包括细胞内渗透势下降（溶质增加），也包括细胞内渗透势的增加（溶质减少）。如藻类生物。由于干旱或盐渍，细胞内溶质浓度增加而引起细胞渗透势的下降。不同于细胞脱水和收缩所形成的溶质浓度增加，也就是说渗透调节是每个细胞溶质浓度的净增加，而不是细胞失水体积变小而引起的溶质浓度增加，参与渗透调节作用的物质既有从外界环境中进入的无机离子，如K+离子，也有植物体内合成的有机物。第69页,共111页，2024年2月25日，星期天第70页,共111页，2024年2月25日，星期天

植物渗透调节意义:

①维持细胞的膨压稳定。保持气孔开张，维持生长。我们知道，细胞水势。ψw=ψs+ψp，而细胞压力势（膨压）ψp=ψw-ψs。当细胞水势下降时，要使ψp保持不变，ψs下降就是极其重要的一种方式。②减少水分丢失，提高细胞的保水力。

影响渗透调节的因素：

①环境水分亏缺发展的速度是影响植物渗透调节能力的主要因素，一般来讲，环境缺水发展快，植物渗透调节能力变小。第71页,共111页，2024年2月25日，星期天②环境缺水的程度（轻、中、严）也影响植物的渗透调节能力，Jones等（1978）指出受旱的高粱。如果叶子水势在黎明前为-0.4MPa，其渗透调节可有4巴。而中午叶水势达-1.6MPa时，其渗透调节只有0.7MPa，结果表明高粱叶中，缺水不严重，渗透调节可维持膨压不变，但当土壤缺水严重时，这种能力就下降了。其它环境条件，如光照强度、温度也可通过对植物细胞内溶质含量变化的影响，而直接影响植物的渗透调节能力。③不同品种植物或植物不同部位的渗透调节能力也有很大的差别。不是所有的品种都具有渗透调节能力。如某些品种或栽培种（Sionwit等1971.Turner等1978）番茄、小麦（Gavanda等1976.Morgan等1977）就没有渗透调节能力。④小麦茎段和正展开的叶子的渗透调节能力要比完全展开叶强，可能时原生质本身代谢能力强特点而表现出的差异。第72页,共111页，2024年2月25日，星期天

（二）渗透调节物质及其累积的生理作用植物发生水分亏缺时，要达到细胞膨压势不变，细胞内渗透势下降是关键，而渗透势下降又以细胞内溶质增加为主要原因。植物往往通过细胞内积累一些对原生质无伤害的物质，来调节细胞渗透势而起抗渗透胁迫的作用。

决定细胞渗透势的可溶性物质基本上分为两大类：一是由外界环境进入细胞的无机离子，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-

。如微生物和盐生植物中的钾离子、氯离子，高等植物淡土植物中的有机酸钾盐。二是在细胞内合成的有机溶质。在有机溶质中真正与之有关的化合物范围是很窄的、有限的。主要是多元醇和偶极的含氮化合物。脯氨酸、甜菜碱、甘氨酸、丙氨酸，蔗糖、甘露糖醇、山梨糖醇。在微管植物中主要是脯氨酸和甜菜碱。第73页,共111页，2024年2月25日，星期天

参与渗透调节的有机物质为什么是有限的？主要因为作为渗透调节物质需要具备一些特征：①必须十分容易溶解；②分子量小；③在生理PH范围内必须不携带净电荷；④必须能为细胞膜所保持；⑤引起酶结构变化的作用必须最小，在酶结果稍有变化是，能使酶构象稳定而不致溶解。⑥它们的生成必须是迅速的，不但能从主要的生化途径的某个中间体，经过若干酶反应就产生出来；而且要积累到足以引起调节渗透势的作用量。第74页,共111页，2024年2月25日，星期天脯氨酸山梨(糖)醇甜菜碱第75页,共111页，2024年2月25日，星期天脯氨酸:

PEG水分胁迫下高粱叶片脯氨酸含量变化(汤章城1984)溶液水势(MPa)-0.25-0.50-0.75-1.0叶片水势(MPa)-0.25-0.60-0.95-1.45脯氨酸含量(mg·g-1DW)

19175110764535第76页,共111页，2024年2月25日，星期天

盐渍条件下，正常生长小球藻脯氨酸含量20mmolL-1-g-1FW，在300%浓度人工海水中，脯氨酸的含量达1500-1600mmolL-1-g-1FW。相对增长70-80倍。草莓叶片1-2℃处理7天，叶片脯氨酸含量比对照增加120-170%。赵思齐等（1984）小麦越冬前分蘖节以上1㎝部分脯氨酸含量低，12月下旬随叶子枯死分蘖节部位脯氨酸直线上升。1-2月上旬达到最大值，以后又逐渐降低。正因为脯