高温对植物的伤害及耐热性.ppt

闵雄,高温对植物的伤害及耐热机制,第一节：高温伤害及植物耐热性概述 第二节：高温对植物生理生化过程的影响 第三节：高温对植物伤害的生理及分子机制 第四节：植物耐热性的生理及分子机制 第五节：植物热激蛋白及其分子作用,目录,高温胁迫引起植物的伤害称热害（heat injury）。一般是由于高温超过植物生长发育上限温度造成的，主要包括高温害和果树树木日灼伤害两类。,第一节： 高温伤害及植物耐热性的概述,1.高温害,高温害是高温天气对开花至成熟期作物产生的热害，多发生在我国南方早稻和中稻抽穗、开花到成熟期之间，尤其进入盛夏酷热较早的年份。,2.果树树木日灼伤,果树日灼是由强烈的太阳辐射增温所引起的果树枝干伤害，也称灼伤。分为夏季日灼和冬季日灼两类。,柑橙日灼病,冬瓜日灼病,冬季涂白的树,植物对高温胁迫（high temperature stress）的适应和抵抗能力称为耐热性（heat resistance）。,3.耐热性,温度,植株的存活率,最低温度,最高温度,最适温度,1.喜冷植物：生长温度为在零上低温(0-20)，当温度在15-20以上即受高温伤害。例如某些藻类、细菌和真菌.,二.植物体的温度状况,发财树 喜冷植物,嗜冷细菌,2.中生植物：生长温度为10-30，超35就会受伤。例如水生和阴生的高等植物，地衣和苔藓等。,水稻,棉花 喜温植物,3.喜温植物：其中有些植物在45以上就受伤害，称为适度喜温植物，例如陆生高等植物，某些隐花植物。有些植物则在65-100才受害，称为极度喜温植物，例如蓝绿藻、真菌和细菌等。,海栖热袍菌,一些作物的临界温度,本节小结,1.高温对植物的热害可分为：高温害和日灼伤害 2.植物对温度状况的分类可分为： （1）喜冷植物 （2）中生植物 （3）喜温植物 3.农作物的临界温度,第一节:高温伤害及植物耐热性的概述 第二节:高温对植物生理生化过程的影响 第三节:高温对植物伤害的生理及分子机制 第四节:植物耐热性的生理及分子机制 第五节:植物热激蛋白及其分子作用,目录,第二节：,1.高温胁迫对光合作用的影响 2.高温胁迫对呼吸作用的影响 3.高温胁迫对蒸腾作用的影响 4.高温胁迫对植物体内渗透调节物质含量的影响 5.高温胁迫对植物体内抗氧化系统的影响 6.高温胁迫对植物激素的影响 7.高温胁迫对细胞超微结构的影响,高温对植物生理生化过程的影响,1.高温胁迫对光合作用的影响,(1)气孔 ：叶片是植物进行光合作用的主要器官，在高温胁迫下，光合作用普遍受到抑制。,(2)叶绿素：叶片叶绿素含量变化是叶片生理活性变化的重要指标之一，与光合速率大小具有密切关系。在高温胁迫下，通常呈现出随着时间的延长叶绿素含量下降的趋势，胁迫开始时叶绿素含量下降幅度较小，后期下降的幅度较大,(3)光合系统II： PS 位 于 类 囊 体 膜 内 侧 , 是 光 合 电 子 传 递 链 上第 一 个 多 亚 基 色 素 蛋 白 复 合 体 , 它 能 利 用 光 能 推 动一 系 列 的 电 子 传 递 反 应 。 在高等 植物体内 , 捕 光 色 素 蛋白复合 体 (LHC)是 一 类 捕 获 光 能 , 并 把 能 量 迅 速 传 递 到 反 应 中 心 引起 光 化 学 反 应 的 色 素 蛋 白 复 合 体 。PS的LHC占光合膜中近50% 的 色 素 和 大 约 1 /3 的蛋白质 , 生 理功 能 复 杂 且 易 被大量提取。,高 温 对 PS 影 响 的 主 要 部 位,1.天 线 系统 2. 放 氧 复 合 物 3.反 应 中 心,(1)高 温 对 PS 天 线 系 统 的 影 响,已有实 验显示 , 高温导致豌豆捕光天线构象的变 化 。Mohanty 等研究 发 现 , 高 温引起豌豆磷酸化的 LHC数量增加 ,并且磷酸化的 LHC从堆垛区向 非堆垛区迁移 , 高温还会影响与基粒区 相 连 的 LHC 的 捕 光 机 制 。另 有 实 验 表 明 热 胁 迫 导 致 LHC 从 PS 反 应中 心 脱 落。 但 Pospisil 和 Tyystjarvi用 77K 发 射光 谱 揭 示 热 胁 迫 不 会 引 起 PS的 LHC 分 离 。,(2)高 温 对 放 氧 复 合 体 的 影 响,光合放氧是高等植物和藻类PS特有的功能, 锰原子形成锰簇催 化放氧反应 , 高温处理后锰簇从 PS反应中心复合体中释放 , 引起 PS放氧活性的丧失。 一旦高温导致PS放氧复合物失活 , 光合线性电子传递势必会受 到抑制 。 线 性电子传递降低不仅导致光合速率 降 , 而且还可能 导致跨类囊体膜质子梯度的降低 , 而跨类囊体膜质子梯度与植物的光破坏防御机制密切相关,放氧复合体中Mn簇的结构，4个锰原子依次连接于PSII的D1蛋白的氨基酸残基上，O和Cl也参与Mn簇的形成。,光合放氧是由锰簇完成的，其根本原因在于锰簇的催化放氧反应，高温处理后锰簇从OEC中释放，导致PSII放氧活性的丧失。,组氨酸,(3)高温对PS反应中心复合物的影响,一 些 研究 表 明 高 温 胁 迫 可 导 致 PS 反 应 中 心 的 破 坏 , 抑制 激 发 能 从 天 线 色 素 蛋 白 到 PS 反 应 中 心 的 传递 , 并 可 导 致 激 发 能 更 多 的 由 PS 向 PSI 的 满 溢 等。Cao 和 Govinjee提 出 高 温 胁 迫 可 导 致 PS 有活 性 中 心 向 无 活 性 中 心 的 转 化 。,2.高温对呼吸作用的影响,温度对呼吸作用的影响程度取决于呼吸作用的温度系数（Q10）。高温下光呼吸的升高很快（快于暗呼吸的升高），而光呼吸中乙醇酸氧化酶的Q10大于过氧化氢酶的Q10，于是造成H2O2的积累。,1、在叶绿体中： RuBP（1,5-二磷酸核酮糖） + O2 PGA（三磷酸甘油酸） + 磷酸乙醇酸 乙醇酸 2、在过氧化物酶体中： 乙醇酸H2O2+乙醛酸 谷氨酸甘氨酸 3、在线粒体中： 2甘氨酸丝氨酸CO2,3.高温胁迫对蒸腾作用的影响,在一定温度范围内，温度升高叶片的气孔开度逐渐增大，加大了水分子从细胞表面蒸发和通过气孔的扩散速率，温度的增加蒸腾速率会加快达到降温的作用，防止叶片被高温灼伤。 当温度升高到对植物造成胁迫时，气孔开度开始减小，蒸腾作用随之下降，影响了植物对矿质离子的运输和水分的需求。但时当达到胁迫温度时，气孔关闭，蒸腾能力随之下降，叶温上升，植物正常的生理代谢活动会被扰乱。,植物在面对高温胁迫时，出现蒸腾速率下降的情况较多，与植物的耐热性相关。 蒸腾作用在植物对水分、矿质离子的吸收、运输和降低叶片温度方面具有重要作用。,4. 植物体内渗透调节物质的含量 渗透调节是植物在胁迫下降低渗透势、抵抗逆境胁迫的一种重要方式，由渗透调节物质来实现。这类物质主要有氨基酸、可溶性糖、可溶性蛋白质、可溶性酚类。在高温环境下，植物主动积累这些物质，抵抗热胁迫的伤害。,接下来简单地介绍两种渗透调节物质：,（1）脯氨酸,（2）可溶性糖,植物体内脯氨酸是一种理想的有机溶质渗透调节物，正常情况 , 植物体内脯氨酸合成酶类有反馈抑制作用 , 故游离脯氨酸含量不高 ; 当植物处于逆境胁迫下 , 脯氨酸合成酶类对脯氨酸的反馈抑制的敏感性降低 , 导致体内游离脯氨酸含量增加 。,（1）脯氨酸,脯氨酸含量的大幅增加有利于水分的保持 ,从而减轻由于高温引起蒸腾作用 加剧而产生的伤害 。,耐热性不同的两种玉米幼苗在热激过程中都可以诱导Pro的迅速积累，并且随着时间的推移而增加，恢复6h达到最高峰，而后略有下降。另一方面，无论是热激还是恢复过程中，耐热性较强的晴3玉米幼苗Pro积累水平始终高于耐热性较弱的鲁玉13。说明玉米幼苗耐热性的强弱与热激过程中Pro积累水平呈正相关。,热激过程中Pro的的水平和耐热性强弱的关系,可溶性糖是植物体内一种重要的的渗透调节物质，对植物提高抗性具有重要的作用。一般在高温胁迫下植物体内可溶性糖会累积。,大量试验也表明 , 热胁迫下可溶性糖在细胞质中大量积累 , 但是在高温下茄子的可溶性糖 含量下降 , 而黄姜的可溶性糖含量表现出 低高低趋势。 可溶性糖降低的现象可能是植物处在难以承受的温度胁迫下 , 呼吸作用大于光合作用消耗了 贮存的糖类所致。,（2）可溶性糖,为降低高温造成的伤害，保护酶活性会减轻膜脂过氧化的伤害。CAT和SOD活性在高温胁迫下通常表现为先提高后下降。,5. 高温胁迫对植物体内抗氧化系统的影响,一般认为，尽管SOD可清除O-2，负责催化O-2转变为H2O2，减轻膜脂过氧化对细胞内其他部位的伤害，但这种保护作用是有限的，胁迫后期，当胁迫压力超过植物所能承受的极限时，高温会破坏酶的活性中心，通过改变酶的结构或抑制酶的表达，使得酶活性下降。在高温胁迫下水稻叶片中的SOD活性一直下降。,高温胁迫下植物中POD 活性变化主要有三种趋势:一是POD活性先升高后下降。在45高温胁迫下O-2的迅速产生，使POD活性明显增加，在胁迫3h左右达到高峰，而后迅速下降；并认为随着处理时间的延长，POD的结构可能受到破坏，导致活性下降。二是一些植物中POD活性先下降后上升，三是某些植物经高温胁迫POD活性下降。,6.高温胁迫对植物激素的影响,植物在生长发育过程中，自身产生一类能调节生长发育的植物激素，在正常环境下这类激素维持在某一恒定的范围内调节着植物的生长。在遭受环境胁迫后植物体内往往迅速积累大量的脱落酸和乙烯，伴随胁迫的解除，它们的含量也回落。,胁迫条件下脱落酸（ABA）的积累最为普遍， ABA可以诱导热激蛋白的产生，从而提高植物的抗高温能力，并且ABA含量增加有利于提高植物的抗逆性。,7.高温胁迫对细胞超微结构的影响,（1）.叶绿体 （）.线粒体,chl：叶绿体 M：线粒体 GL：基粒片层 P：脂质球体 CW：细胞壁 N：细胞核 C：线粒体上的脊,高温胁迫处理后的线粒体,chl：叶绿体 M：线粒体 GL：基粒片层 P：脂质球体 CW：细胞壁 N：细胞核 C：线粒体上的脊,高温胁迫对超微结构影响的结论,.伤害较轻的叶绿体的类囊体片层膨胀, 叶绿体体积增大, 形状变圆并移向细胞中央; 伤害较重的叶绿体的基粒片层膨胀、溶解或空泡化、破裂, 基粒垛叠程度下降, 脂质球体数量增加、 聚合、体积增大; 伤害严重的叶绿体的被膜破裂甚至完全解体, 基粒外流, 仅剩排列紊乱的片层结构 , 最终导致细胞的不可逆死亡。,.叶绿体形状变圆、 体积变大及移向细胞中央, 或许是为了 减少光线的直接穿透量和受光面积, 尽量避免高温灼伤, 这是叶绿体对逆境胁迫的生理适应性反应。 另 外, 由于叶绿体类囊体受热降解, 降解产物脂质发生集结,故在受伤害较重的叶绿体内部, 出 现脂质球体数目 增多和体积增大现象。,本节小结,高温胁迫对植物的生理生化的影响大致可分为7类：,7对细胞超微结构的影响,1植物光合作用的影响,2呼吸作用的影响,3对蒸腾作用的影响,4对渗透调节物质的影响,5对抗氧化系统的影响,6对植物激素的影响,第一节：植物体的温度状况与热害 第二节：高温对植物生理生化过程的影响 第三节：高温对植物伤害的生理及分子机制 第四节：植物耐热性的生理及分子机制 第五节：植物热激蛋白及其分子作用,目录,根据高温的强度和植物出现热害的速度和症状，把热害分为三种： 直接伤害，间接伤害和次生水分胁迫伤害,第三节： 高温对植物伤害的生理及分子机制,直接伤害 是指植物在短时间（几秒到几十秒）接触高温后立即表现出来的一种伤害，并可从受热部位向非受热部位传递蔓延。 又分为：1.蛋白质变性 2.脂类液化 间接伤害间 高温引起植物体内一系列变化，这些变化比较缓慢，在高温下经过一段较长的时间才会表现出来。 又分为 1.代谢性饥饿 2.有毒物质积累3.蛋白质合成受阻4.生理活性物质缺乏,（1）蛋白质变性,1.直接伤害,蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。为什么强调空间结构呢，因为只有形成了空间结构 蛋白质才能具有其生物学活性，而高温破坏了蛋白质的空间构型，使蛋白质二级结构和三级结构中起重要作用的氢键因高温断裂，一些维持三级结构的疏水键也遭破坏。这样，蛋白质空间构型被破坏，肽链展开、疏松起来，发生蛋白质变性，失去其原有的生物学特性。,高温胁迫对细胞膜稳定性的影响,大量研究表明，高温下细胞膜系统的稳定性同抗性成正相关。,1.细胞膜损伤导致膜透性增大是高温胁迫的一种普遍现象，膜损伤的分子基础可以是膜蛋变性或膜脂过氧化，也可以是膜结构状态的改变。,2.膜蛋白变性或膜脂过氧化与高温胁迫大量活性氧累积导致的氧化损伤有关，而膜结构状态的改变可引起膜脂类流动性的增加或膜脂液化，导致形成非双层脂膜的脂类结构。,高温胁迫条件下，处于细胞最外层的细胞膜系统仅次于细胞壁感受到胁迫信号，并通过信号传递途径将胁迫信号传递到细胞内，引起植物体内酶活性的变化，进而影响重要的生理生化反应及逆境诱导基因的表达和调控。但随着胁迫程度的不断增强，胁迫所造成的伤害超过生物体自身的调控能力时，植物就开始表现外观形态的热害症状。,由此认为这些脂类变化的主要后果之一是脂类与蛋白质交互作用的紊乱，从而扰乱了膜的正常结构与功能，使质膜的电解质渗透率增加，膜的热稳定性变差，并进一步影响细胞结构的稳定及植物体正常生长与发育。,高温胁迫引起植物体细胞的受害症状反映在多个方面 , 其中细胞膜完整性丢失是受到的主要伤害之一 。 这种伤害直接导致细胞渗透性增加和电解质的泄漏 , 表现在可直接测量的相对电导率的增加上 品种的耐热性越强 , 相对电导率越低,耐热性 豫麦18中国春周麦19,（2）脂类液化 生物膜主要由蛋白质和脂类组成，它们之间靠静电或疏水键相联系。高温能打断这些键，把膜中的脂类释放出来，形成一些液化的小囊泡，从而破坏了膜的结构，使膜失去半透性和主动吸收的特性。脂类液化程度决定了脂肪酸的饱和程度，饱和脂肪酸愈多愈不易液化，耐热性愈强。,用耐热的小青藻 (蓝藻纲)实验发现，当温度升高到55时，它的脂肪酸含量比中等温度时的脂类含量低一半，不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸之比亦减少三倍(即饱和脂肪酸增多)，说明耐热的植物随温度升高脂肪酸饱和度增高，这是由于脂肪酸被过氧化酶氧化，可能是过氧化酶的血红素基被高温钝化，在高温下脂肪酸不易被氧化(去饱和)，故饱和脂肪酸增多。有人曾比较过多种耐热的和中生藻类的各种脂肪酸含量，也证明耐热植物脂肪酸比中生植物的脂肪酸饱和程度高得多。由此可见，抗热性与抗寒性类似，都要求组成原生质(膜)的脂类饱和程度要高。,1. 代谢性饥饿,如果植物处于温度补偿点以上较高温度，呼吸作用大于光合作用，即消耗多于合成，若高温时间长，植物体就会出现饥饿甚至死亡。所以当温度高于补偿点时，就会消耗体内贮藏的养料，使淀粉与蛋白质等的含量显著减少。因为光合作用的最适温度一般都低于呼吸作用的最适温度，如马铃薯的光合适温为30，而呼吸适温接近50,2.间接伤害,高温下呼吸作用大于光合作用,Response of two C4 species frosted orache(滨藜属 ) (A. sabulosa) and Arizona honeysweet(柳蜜柑) (T. obligifolia) to heat stress. At beginning of experiment, control rates were measured at 30C. Attached leaves were then exposed to the indicated temperatures for 15 min and returned to initial control conditions before rates were recorded. Arrows indicate the temperature thresholds for inhibition of photosynthesis in each of the two species.,At high temperature, photosynthesis is inhibited before respiration,2.有毒物质积累,高温使氧气的溶解度减小，抑制植物的有氧呼吸，同时积累无氧呼吸所产生的有毒物质，如乙醇、乙醛等。如果提高高温时的氧分压，则可显著减轻热害。主要是由于高温破坏了有氧呼吸，使无氧呼吸比例增大，长时间的无氧呼吸会产生一些有毒性的中间产物，如产生乙醇、乙醛、丙酮等有毒物质。,氨(NH3)毒也是高温的常见现象。高温抑制含氮化合物的合成，促进蛋白质的降解，使体内氨过度积累而毒害细胞。有人发现向植物体内输入有机酸增强呼吸就可以降低NH3的毒害，这表明有机酸与抗热性密切相关，其实质在于有机酸与高温下生成的NH3结合成酰胺，解除了NH3的毒害。肉质植物抗热性强，其原因就是它具有旺盛的有机酸代谢。对抗热植物如用呼吸抑制剂氰化钾、氟化钠、亚钾酸盐等，可减少体内有机酸含量，明显降低这些植物的抗热性。凡是在高温下呼吸系数降低，有机酸含量增加的植物，其抗热性较强。,3.蛋白质合成受阻,高温下细胞产生水解酶类或溶酶体破裂释放水解酶类，加速蛋白质分解。高温下破坏了氧化磷酸化的偶联作用，不能产生ATP，使蛋白质无法合成。高温下破坏了核糖体与核酸的生物活性，从根本上降低了蛋白质的合成能力,一方面，高温使蛋白质水解加强，主要由于高温下细胞产生了自溶的水解酶类或溶酶体破裂释放水解酶促使蛋白质分解。如黄花烟叶片经受49-50高温1-2Min后，蛋白质水解加快，叶绿素分解，叶片易衰老，叶色转黄较快。如果对叶片喷施激动素，则抑制蛋白质分解，叶色不变黄，不易衰老，所以激动素有使轻度受热的叶片恢复正常的作用。 另一方面是蛋白质合成减弱，首先是由于高温破坏了氧化磷酸化的偶联，使呼吸作用不能形成有效的能量ATP，ATP缺乏必然限制需能很高的蛋白质合成。 其次，蛋白质合成降低是由于核糖体被破坏，在一些微生物的试验中发现，在高温下RNA分解与核糖核酸酶活性增加，同时发现41高温可产生同蛋白质与RNA合成的抑制剂放线菌素D类似的效果。,4.生理活性物质缺乏,高温抑制某些生化环节，致使植物生长所必需的某些生理活性物质（维生素、核苷酸、生物素）不足，引起代谢紊乱。许多报道认为：腺嘌呤、维生素、核酸、生长素、麦角固醇和油酸等，有提高某些植物抗热性的效果。例如，子囊菌粗糙链孢霉)的一个突变型，在标准培养基中生长时，只能忍受25-28的温度，如果在培养基中添加核黄素（维生素B2），就像野生型一样可在35-40的高温中生长。,3.次生水分胁迫伤害,许多植物遭受热害的最初症状是叶片的卷曲和萎蔫，这意味着低高温温能诱发植物的水分亏缺，而后者本身就能对植物造成严重的损伤而导致次级水分胁迫伤害。高温造成植物水分胁迫的主要原因是： 1、高温温造成根细胞膜的水导性下降，使根系吸水不足而对植物地上部造成水分胁迫。 2、高温下植物气孔快速关闭。二氧化碳分压降低。,30 根温时 , 叶片的水导最高 , 为 1 29. 4m molH2Om - 2 s - 1 。 根温升高 , 叶片水导下降 , 40 根 温 时 , 叶 片 水 导 最 低 , 根 温 降 低 时 , 叶 片 水 导 也 下 降 , 15 根 温 时 为 53. 6m molH2Om - 2s - 1 。,叶内 CO 2 分压随根温变化不大 。 根温为 25 时 , 叶片内 CO 2 分压最高 , 为 25. 311Pa,根温降低或升高 , 叶内 CO 2 分压均降低 , 40 根温时最低 , 为 20. 1 67Pa,根温对叶片水导和叶内CO2分压的影响,高温胁迫对小麦叶片相对含水量的影响,1.耐热性品种较强保水能力，以维持正常的生理活动, 2.热敏感品种在热胁迫条件的保水能力较差,高温胁迫对小麦幼苗叶片中 RWC 的影响,热害,突然且短暂,渐进而持久,蛋白质变性,脂类液化,代谢扰乱,细胞根部渗透减弱,水分吸收小于蒸腾,呼吸作用大于光合作用,无氧呼吸大于有氧呼吸,生理活性物质缺乏,巴斯德效应,有毒物质的积累,蛋白质合成受阻,萎蔫,直接伤害,间接伤害,次生水分 胁迫伤害,本节小结,第一节：植物体的温度状况与热害 第二节：高温对植物生理生化过程的影响 第三节：高温对植物伤害的生理及分子机制 第四节：植物耐热性的生理及分子机制 第五节：植物热激蛋白及其分子作用,目录,1.避热性（heat resistance） 2.耐热性（heat tolerance） 3.提高植物耐热性的途径 4.选育抗热植物品种,第四节： 植物耐热性的生理及分子机制,植物一般不能建立某种屏障以防止吸热和组织温度升高，而只能以某种方式减缓高温造成的伤害,(1)隔离： 有些植物尤其是多年生树木，其树干上都有一些很厚的树皮，能使外表皮的热量向内层传导的能力大大降低；树皮的颜色也影响树干和树枝的温度。 植物的果皮有蜡纸层和茸毛，可大大减少太阳辐射的吸收量。 （）蒸腾的冷却作用： 水的汽化热很大，在30下可达580cal/g，通过蒸腾作用可带走约20%的热量,避热性:,红毛丹,通过反射和折射来减少对辐射的吸收。 对于光合作用有效光，反射和折射的量减低，约在5%；而对于无效光，反射和折射率高达15%，对于热效应显著的远红光和红外线，反射和折射率高达50%以上。 一般光滑的、具白色茸毛和鳞片的，蜡质的叶子反射率高。可大大减少太阳辐射的吸收量，降低温度。浅色叶子的透光率高。,橄榄树叶,避热性在形态上的适应,耐热性强的植物叶片一般很薄，能进行高速蒸腾作用，在阳光下降低叶温，从而减少热害。叶片多为“垂直”排列，这样比平展排列少受阳光照射。叶片表面发白，可以反射光线，降低热能避免叶片灼烧。大多数耐热性强的植物体外被覆茸毛或鳞片，有的植物有厚厚的栓皮，可以保护活细胞，为它们遮阴。,向日葵叶子,仙人掌可以在灼热达 60的沙漠中生存,香蕉树的叶片薄而大,白天保持气孔关闭，因而不能进行蒸腾冷却，通过发射长波（红外）辐射和热传导的方式散热。,如果叶片温度高于空气温度的话，空气循环能将热量带离叶片,耐热性,高温下光合作用的四碳途径和景天酸途径，有利于光合作用大于呼吸作用，使植物免于饥饿；细胞内还原力和酶蛋白质的修复能力强，能防止蛋白质变性；饱和脂肪酸含量高，有利于高温下膜系统的稳定，以免因膜丧失膜脂而影响正常的生理活动。蛋白质的热稳定性和膜流动性在植物抗热性中起重要作用。,（）内部因素 （）外部因素,尽管胁迫能进入植物体内, 但植物能通过某些生理生化机制来减轻或消除胁迫引起的胁变而减轻胁迫导致的伤害, 最终形成对环境胁迫的抵抗能力，这种抗逆性称为耐逆性。,.不同生长习性的高等植物的耐热性是不同的。一般说来，生长在干燥炎热环境下的植物耐热性高于生长在潮湿冷凉环境下的植物。 . 植物不同的生育时期、部位，其耐热性也有差异。成长叶片的耐热性大于嫩叶，更大于衰老叶。种子休眠的耐热性最强，随种子吸水胀大，耐热性逐渐下降。开花期耐热性较差。果实成熟时，越成熟，耐热性越强。油料种子对高温的抵抗力大于淀粉种子；细胞汁液含水量(自由水)越少，蛋白质分子越变性，耐热性越强。 .肉质植物细胞质粘性大，束缚水含量高，蛋白质不易变性，耐热性强。,（）内部因素,（）外部因素 温度 温度对植物耐热性有直接影响。如在干旱环境下生长的藓类，在夏天高温时，耐热性强，冬天低温时，耐热性差。 高温锻炼有可能提高植物的抗热性。研究发现高温处理植物后，会诱导形成一些新的蛋白质（酶）分子，即热激蛋白（HSP） 热击蛋白有稳定细胞膜结构与保护线粒体的功能,.湿度 湿度与抗热性也有关。通常湿度高时，细胞含水量高，而抗热性降低。细胞含水量低，耐热性强。干燥种子抗热性强，随含水量增加，抗热性下降。栽培作物时控制淋水或充分灌溉，可使细胞含水量不同，抗热性有很大差别。,耐热性？,耐热性在生理生化上的适应,如比较耐热的蓝绿藻在温度升高时，呼吸作用虽在增加，但增长很慢，50左右时其光合速率比呼吸速率高，它的温度补偿点在55以上。C3植物与C4植物比较，C4植物起源于热带或亚热带的环境，故耐热性一般高于C3植物，两者光合作用最适温度不同，C3植物光合最适温度在20-25，而C4植物光合最适温度可达40-45。因此，两者温度补偿点不同，C4植物温度补偿点高，在45高温下仍有净光合产物生产，而C3植物温度补偿点低，当温度升高到30以上时已无净光合产物生产。凡是温度补偿点高，或者在高温下光合速度下降缓慢的都比较适热耐高温。,(1)有较高的温度补偿点 有些耐热植物在45或更高的温度下还能进行光合作用，生产光合产物。,温度,净光合速率,0,（2）形成较多的有机酸 在高温下植物体内产生较多的有机酸，有机酸与NH3结合从而消除NH3的毒害，以增加植物耐热性。试验发现，凡是RNA含量多的作物品种，抗热性也较强，这是因为RNA与蛋白质的合成有密切关系，RNA越多，蛋白质的消耗相对较少。,（3）有稳定的蛋白质结构 植物是否具有抗热性，最重要的生理基础就是它的蛋白质是否具有热稳定性。一般耐热植物，它们的蛋白质都能忍受高温，蛋白质热稳定性主要取决于内键的牢固程度和键能大小，凡是疏水键、二硫键越多的蛋白质其抗热性就越强，这种蛋白质在较高温度下不会发生不可逆的变性与凝聚。同时，耐热植物体内合成蛋白质的速度很快，可以及时补偿因热害造成的蛋白质损耗。,3.提高植物抗热性的途径 高温锻炼 一般是将萌动的种子，在适当高温下锻炼一定时间再播种。高温时植物体内蛋白质合成发生变化，诱发一些热稳定蛋白质合成，提高植物的抗热性。,改善栽培措施,4.选育抗热植物品种,栽培作物时充分合理灌溉，增加小气候湿度，促进蒸腾有利于降温；采用高杆与矮杆、耐热作物与不耐热作物间作套种，合理密植。人工遮荫、覆草保湿、供水降温等。,喷洒CaCl2,ZnSO4,KH2PO4等可增加生物膜的热稳定性；施用生长素、激动素等的生理活性物质，能够防止高温造成伤害。,化学制剂处理,外源Pro对处理和植物耐热性关系,外源Pro预处理对玉米幼苗内源Pro含量（A）和高温胁迫下存活率（B）的影响,与未经Pro处理的对照相比，都显著提高了玉米幼苗中Pro水平，以10和40mmoI/L Pro处理尤为明显，并且经不同浓度的Pro预处理的耐热性比较强的晴3玉米幼苗Pro积累的速度始终高于相应的耐热性较弱的鲁玉13,玉米幼苗用不同浓度的Pro预处理后，5mmoI/L以上的Pro预处理可不同程度地提高玉米幼苗的高温胁迫下的存活率，与图3：A中的Pro积累相类似，其存活率一10和40mmoI/LPro为明显。,本节小结,植物耐热的生理及分子机制,1.避热性，避热性在形态学上的适应 2.耐热， 耐热性在生理生化上的适应 3.改善植物耐热性的途径 4。选育抗热植物品种,第一节：植物体的温度状况与热害 第二节：高温对植物生理生化过程的影响 第三节：高温对植物伤害的生理及分子机制 第四节：植物耐热性的生理及分子机制 第五节：植物热激蛋白及其分子作用,目录,第五节： 植物热激蛋白及其分子作用,1. HSP的概述及其发现历史,2.HSP的种类及分布,3.HSP的诱导合成,4.HSP基因表达调控,5.HSP的特点,6.HSP的功能,1. HSP的概述及其发现历史,5.HSP的特点,1. HSP的概述及其发现历史,HSP：英文全称为：heat shock protein，中文名为：热休克蛋白，属于应激反应性蛋白，高温应激可诱导该蛋白质形成。HSP是分子伴侣的一种，在蛋白质翻译后修饰过程中，起到促进需要折叠的多肽链折叠为天然空间构象的蛋白质 。,在美国的冷泉港召开了第一届 HSP的国际会议。大豆热激蛋白发现于1982年，经高温处理后，大豆胚中出现某些热激mRNA，在种子中出现 15-16KDa、21KDa、75KDa热激蛋白，在40 时15-18KD组HSP合成量达到最大，占总蛋白0.76%-0.78%,发展进程,Riotossa在果蝇上最早发现。他把 25下培育的果蝇幼虫置于 32热环境中，30min后发现果蝇唾液腺染色体上出现了很大的“膨突 ”，提示该区域的基因转录增强，表现为“热激反应 ” 。,Alfred Tisseres热激果蝇幼虫的唾液腺等部位分离到了6种HSP，这是首次有关热激蛋白的报道。,Miltion J.schlesinger在鸟类和哺乳类动物的组织培养细胞中都发现了类似的热激反应。,Sanger阐明编码热激蛋白的序列、基因结构及位点。目前，研究HSP所用的材料涉及到所有生物种类，研究水平已进入了分子水平。,Horwit提出小分子量热激蛋白HSP时一种分子伴侣理论，在植物中广泛存在。从研究内容来看，涉及到对HSP产生的条件、合成的途径、种类、分布、基因调控和生物学功能等。,1962,1974,1978,1982,1987,1992,年,2.HSP的种类及分布,（1）HSP的种类 根据其分子量（目前描述的热激蛋白主要是在SDS凝胶电泳上表现的分子量）的大小可将HSP分为高分子量热激蛋白（HMW-HSP）和低分子量热激蛋白（LMW-HSP）。HMW-HSP主要合成于哺乳动物、昆虫和酵母等细胞中。LMW-HSP主要合成于植物中。 真核生物中的热激蛋白根据同源程度和分子量大小分为6个家族：HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、小分子量HSP（smHSPs）以及泛素。每一类 HSP在结构上都具有不同程度的保守性，它们在生物体正常的生理代谢或胁迫响应中担负不同的功能。 smHSPs包括细胞质I类smHSPs、细胞质II类smHSPs、叶绿体smHSPs、线粒体smHSPs、和内膜smHSPs等。smHSPs在植物中含量丰富，它可以与mRNA结合形成热激颗粒，可以保护这些mRNA在热激胁迫下不受伤害。,（2）HSP的分布：,植物热激蛋白可在种子、 幼苗、 根、 茎、 叶等不同器官中产生，也可存在于组织培养条件下的愈伤组织以及单个细胞之间。 它们在亚细胞的定位很复杂，可定位于多种细胞器 ，包括细胞核、 细胞质、 叶绿体、 线粒体和内膜系统等各个部分，还可存在于胞间隙和细胞壁中。 不少热激蛋白可与生物膜相结合 ，很可能担当了防止膜蛋白变性和生物膜受热破解的功能。 不同的热激蛋白在细胞中有不同的定位，如 HSP90定位于高尔基体和液泡中，HSP70定位于细胞质和细胞骨架中。,3. HSP的形成的诱导合成,合成条件及规律： 植物在热激35min内HSPmRNA的量增加，在20min时可以检测到新和成的HSP。如果植物一直处于热激状态，HSP的合成可以持续几个小时。不同生物诱导 HSP合成的温度是不同的，有些生物体的HSP在正常温度时就存在，而升温只是增强了该种蛋白的合成量。热激后的恢复间，也因生物种类而异。,sudden introduce,1.HSP基因的表达 2.HSP基因的调控 （1）HSP在转录水平上的调控 Hsps的基本机构 Hsps的进化 Hsps对 HSP一般调控 （2）HSP在翻译水平上的调控,4.HSP基因的表达调控,1.HSP基因的表达,基因表达(gene expression)是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。,（1）拟南芥热休克蛋白基因pfhsp21.4过度表达增强 耐热性,Semi-quantitative RT-PCR and western blot analysis of PfHSP24.1 expression in WT and PfHSP24.1 transgenic plants.,Photograph of WT and transformants which were subjected to 22 (control) and 42 (heat stress) for 2 h and3-day recovery at 22 .,Photograph of 3-week-old WT and transgenic plants exposed to22 (control) and 42 (heat stress) for 6 h.,Effect of heat stress on hypocotyl elongation of WT and PfHSP24.1-overexpression plants.,survival rates of WT and transformants which were subjected to 22 (control) and 42 (heat stress) for 2 h and3-day recovery at 22 .,fresh weight of 3-week-old WT and transgenic plants exposed to 22 (control) and 42 (heat stress) for 6 h.,（1）HSP在转录水平上的调控 在植物DNA中有对HSP基因转录中起调控作用的DNA序列，称之为热激元件（Heat shock element，HSE）。热激蛋白基因在热胁迫条件下的表达是受一类专门的转录因子 热激 转录因子 ( heat stress transcription factors, Hsfs)调控的, 它们在 HSP基因转录时可与其启 动子区热激元件 ( heat shock element ，HSE)这一保守基序特异性结合, 从而调控热激蛋白基因的开启与关闭, 完成其相应的生物学功能。, Hsfs的基本结构, Hsfs的进化,Hsfs对 HSP的一般调控,2.HSP基因的调控,.Hsps基本结构,植物 Hsfs作为一类转录因子, 具有转录因子的一般结构 DNA 结合域 ( DBD )、 寡聚 域 ( OD )、核定位信号域 ( NLS) , 但只有一些具有 C 末端的激活域 ( CTAD ), 并且有的植物 Hsfs还具有核输出信号 ( NES) 。,DBD位于 Hsfs的 N 端, 其内部存在一个螺旋 - 转角 - 螺旋的疏水结构 , 它是识别并结合HSE的保守基序 ( 5 - nGAA nnTTC nnGAA n- 3)所必需的。,OD 通过一个连接体与 DBD相连, 它是由 两个疏水七肽重复区域 A 和 B ( H R- A /B )组成, 在空间上形成 coiled- coil的结构,Hsfs可通过该结构形成同源三聚体。,NLS位于Hsfs的 C 端附近, 富集了一些精氨酸和赖氨酸残基, 它与Hsf的亚细胞定位有关。,Hsfs的进化,（2）即使采用不同的分类标准, 大部分的 Hsfs在系统进化树中也处于相同的位置. 对拟南芥、 水稻、 番茄、 烟草、玉米等不同植物 Hsfs的氨基酸序列, 分别采用 DBD 的 N 端部分、DBD 的 C 端部分以及HR - A /B 作为分类标准进行系统进化分析, Hsfs可以得到近乎一致的系统进化关系。,对植物 Hsfs的 N 端保守氨 基酸序列分析,( 1 )DBD和 HR - A 之间的连接体以及 HR - A 和 H R- B 之间的插入序列是高度可变的;,Hsfs对 HSP的一般调控,正常情况下，HSF （热激因子）以单体的形式存在，不具与DNA结合和直接转录的功能。HSF介导，转录HSPmRNA，当热胁迫使HSF单体在核内组装成HSF三聚体，与DNA的特殊系列原件（热激元件HSE）结合，刺激HSP的mRNA转录、翻译成HSP。热激回复后，HSF的三聚体又发生解聚，重新回到钝化的单体状态。,（2）HSP在翻译水平上的调控,热激可以改变受刺激细胞的翻译机器 , 从而使细胞倾向选择 HSP mRNA 而不选择非 HSPmRNA 进行翻译。 植物的不同发育阶段对 HSPmRNA也表现出选择作用 。,Kaliask发现, 大豆中HSP70的mRNA量在不同组织、不同发育阶段以及每天中不同时间内变化很大, 但反映在蛋白质水平上的波动则很小。在持续转录酵母 Bip 基因的转基因烟草中, Bip 蛋白水平只提高了两倍。胡萝卜球形胚时期对 HSP mRNA具有较强的选择性, 此时选择大部分的 HSP mRNA 进行翻译。虽然愈伤组织中 HSPmRNA 的量多于球形胚中的HSP mRNA 的量, 但由于这种选择性的存在导致愈伤组织和球形胚二者的 HSP量没有多大的差别。 所以, HSP 的合成在某种情况下受到翻译水平的调控。,结合免疫球蛋白,（1）细胞内不连续分布 (2) 诱导表达的方式不同 (3) 诱导温度不同 (4) 热激蛋白的多样性 (5) 交叉耐受性 (6）保守性 （7）短时性 （8）热激蛋白诱导的多因子性,5.HSP的特点,(1)细胞内不连续分布 不同的热激蛋白存在于细胞的不同部位，如细胞质、线粒体、叶绿体和质膜等。 (2)HSP诱导表达的方式不同 可分为组成型表达、诱导型表达但在逆境中或逆境后表达增高以及仅诱导表达。 (3)诱导温度不同 不同生物所需的诱导温度各异，与其自然生长的环境温度有关。一般来说，生活环境温度范围较宽的物种，最适的诱导温度高于其自然生境温度10-15；相反，生活环境温度范围较窄的物种，最适的诱导温度高于其自然生境温度 5。,(4) 热激蛋白的多样性 HSPs的种类很多，定位于多种细胞器。,（5）交叉耐受性,即一种应激刺激诱导细胞产生HSP70，不仅使细胞对该刺激的耐受性增加，也增加了细胞对其他应激原刺激的耐受性。,（6）保守性,首先, 亲缘关系很远的原核生物和真核生物, 它们的 HSP有很高的 同源性, 例如真核生 物HSP 70和大 肠杆菌的 HSP 70的同源 性大于65 % 。,其次, 不同物种相同细胞器, 如细胞质 HSP70之间的同源性比同一物种不 同细胞器的 HSP70之间的同源性高, 玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、绿藻 等细胞质HSP70氨基酸的同源性达75 % 。,第三,同 物 种 不 同类 型 的 HSP 同 源 性 较 低 , 例 如 豌 豆HSP1 8. 1 , HSP1 7. 7 , HSP22. 7 和 HSP 21 分别 属 于不同类型, 它们之间的同源性低于 50 % 。,Plant Small Heat-shock Protein,conservative,（7）短时性,Northernblots 分析表明 , 热激时 3 min 5 min就可检测到大豆幼苗HSP m RNA的积累 , 1 h 2 h达到高峰, 6 h后显著下降, 12 h就检测不出了 。 放射性标记显示, 氨基酸渗入HSP在4 h达到高峰, 随后下降; 但 28 和 40 时加入 A ze ( azetidine-2-car bo xylic acid A z e 三甲 叉亚胺甲 酸, 氨基酸 类似物)12 h后HSP 合成仍不变, 似乎Aze和高温诱导 HSP合成的 机理不同 。植物 HSP110比其他HSP合成 的时间更短, 主要在热激的第 1 小时。,（8）热激蛋白诱导的多因子性 热激并不是唯一诱导热激蛋白表达的因子，其他胁迫如乙醇、重金属