（作物遗传育种专业论文）甘蓝型油菜对湿害胁迫的适应机理研究.pdf

西南人学硕士学位论文 摘要 甘蓝型油菜对湿害胁迫的适应机理研究 作物遗传育种专业研究生陈洁 指导教师张学昆研究员 摘要 将4 4 个不同来源甘蓝型油菜种子发芽6 0 h ，取露自种子进行密闭水淹缺氧处理1 2 h ，转 入沙床继续发芽6 d 后测定发芽相关性状，根据发芽性状差异评价甘蓝型油菜耐湿性。结果表 明，与对照相比，缺氧处理对油菜幼苗生长具有显著的抑制作用，对根系影响最大，其次是 成苗率、摹长和鲜重。相关分析表明，采用活力指数可以全面评估甘蓝型油菜在缺氧胁迫后 的恢复生k ：能力，而电导率可以作为耐湿材料高通量的早期筛选。不同材料对缺氧处理的反 应具有十分明显的差异括力指数呈正态分布，变幅较大，并且大部分甘蓝型油菜属于中等 耐湿材料其中0 3 p 7 9 一l 、0 3 p 6 2 5 、中双8 号、中双9 号等品系( 种) 在缺氧处理后仍旧表 现出较强的生长势，0 3 p 6 3 一l 、0 3 p 1 6 5 - 2 和g h 0 1 等在缺氧处理后生长势较差，可以为耐湿育 种提供基础材料。 随机选取9 个活力指数不周的甘蓝型油菜品种( 系) 在开花期水淹1 0 天，田闯调查湿害 后植株生理、株型、产量和品质变化，研究耐湿油菜对缺氧胁迫的适应机理。结果表明，花 期湿害对不同甘蓝型油菜生理、株型、产量和品质均产生显著影响：叶片的萎蔫指数、膜透 性( e c ) 、丙二醛( m d a ) 含量、不定根数、一次有效枝起点、千粒重和蛋白质含量均有不 同程度增加，而根系活力、株高、茎粗、存活率、地上部干重、地下部干重、一次有效枝数、 单株有效果数、单株籽粒产量、每果粒数番j 含油量降低，最终小区实际产量降低。耐湿型与 湿害敏感型相比，株型、生理、产量和品质各方面具有显著较强的适应能力。湿害l o d 后， 耐湿型的不定根总数迅速增加，株高，莲粗、地上部干重、地一卜部干重、根系活力、存活率 维持较高的水平，而e c 、m d a 和萎焉指数则维持较低的水平，表明耐湿型能对缺氧胁迫具 有更强的株型和生理适应能力；对产量等性状分析发现，耐湿型的一次有效分枝数、单株有 效果数、每角粒数的降低程度显著低于湿害敏感型，而且干粒重显著提高，表明耐湿型油菜 具有更强的生物产量和产量补偿能力；品质分析表明，湿害敏感型的含油量显著降低，蛋白 质含量显著提高，而耐湿型的含油鼍和蛋白质变化不显著。中_ ) 叹8 号、中叔9 号等品系( 种) 具有较强的耐湿性，其单株籽粒产量的减产幅度明显低于其它品种( 系) ，蛋白质和含油量则 无明显变化；g h 0 1 的单株籽粒产量的减产幅度明显高于其它品种( 系) ，可以用于下一步实 i 甘蓝型油菜产量性状与耐湿各性状的相关分析表明，田间单株籽粒产量与耐湿活力指数 和电导率均达到显著或极显著相关，利用芽期筛选可以早期预测甘蓝型油菜的田间耐湿能力。 湿害胁迫后田间单株籽粒产量主要与笨粗、不定根数、地下部干重、萎蔫指数、叶片膜透性、 根系活力、丙_ 二醛含量、千粒重，每果粒数和角果长度有关。 关键词：甘蓝型油菜耐湿性筛选产量适应 i l 西南入学硕十学位论文 摘要 t h e 肼a d u a t es m d e n ti nc r o pg e n e t i c sa n db r e e d i n gw a sc h e n 1 i e t h es u p e r v i s o r sw a s x u e k u nz h a n g ，p m f c s s o r a b s t r a c t t h ef o r t y f o u rr a p e s e e d ( b r a s s i c a n a p u sl ) g e r m p l a s mw e r e l e e t e dr a n d o m l yt ot e s tt h e w a t e r l o g g i n gt o l e r a n c er e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gs e e dg e r m i n a t i o ni nt h ea n o x i ec o n d i t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg e r m i n a t e ds e e di na n o x i cc o n d i t i o nf o r1 2 h ，t h es e e d l i n g sw e r er e d u c e d s i g n i f i c a n t l y i nr o o t ，w e i g h t ，l e n g t h ，s u r v i v o rr a t e t h ea n a l y s i so fc o r r e l a t i o ns h o w e dt h a t v i g o r i n d e xc a l l r o u n d l ye v a l u a t et h ef a c u l t yo fg r o w i n gu pi nw a t e r l o g g i n gt o l e r a n c ea n dt h ee l e c t r i c c o n d u c t i v i t ym a yt h ee a l yf i l t e r i n gi n d e x a m o n g4 4l i n e so f r a p e s e e d ，t h e r ew e r ee x t e n s i v ev a r i a t i o n i nw a t e r l o g g i n gt o l e r a n tr e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dv i g o ri n d e xw a sn o r m a ls c h 0 0 1 t h el i n e so f 0 3 p 7 9 1 ，0 3 p 6 2 5 ，z h o n g s h u a n gn o 8a n dz h o n g s h u a n gn o 9w e r et h ew a t e r l o g g i n gt o l e r a n c e g r o u pw i t hh i g h e rr e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el i n e so f0 3 p 6 3 一l ，0 3 p 1 6 5 - 2a n dg h 0 1w i t hl o w e r r e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e yc o u l db eu s e da sb r e e d i n gr e s o u r c e s n i n er a p e s e e d sk n o w nf o rt h e i rr e a c t i o n st ow a t e r l o g g i n gs t r e s sw e r eu s e di nt h i ss t u d ya n d s o m es t u m p yc h a r a c t e r s ，p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r s ，s e e dy i e l da n dq u a l i t yr e s p o n s e so fd i f f e r e n t w a t e r l o g g i n gt o l e r a n tw e r ei n v e s t i g a t e da f t e rf l o w e r i n gs t a g ew a t a r l o g g i n g ( f w ) f o r1 0 d t h e w a t e r l o g g i n gs t r e s ss e v e r e l ya f f e c t e dg r o w t h ，y i e l dc o m p o n e n t sa n dq u a l i t yi na l lr a p e s e e d st h r o u g h s i g n i f i c a n ti n c r e a s e o fw i t h e r i n gi n d e x 。r e l a t i v ee l e c t r i c a lc o n d u c t a n c e ( e c ) ，m a l n o d i a l d e h y d e ( m d a ) ，n o a d v e n t i t i o u sr o o t ，p o s i t i o no f p r i m a r yb r a n c h e s ，1 0 0 0 - s e e dw e i g h ta n dp r o t e i nc o n t e n t ， s i g n i f i c a n tr e d u c t i o no f f i e l dr o o to x i d i z a b i l i t y , p l a n th e i g h t ，s h o o tw i d t h ，s u r v i v o rr a t e ，h a r v e s ti n d e x a n do i lc o n t e n t w h i l et h et o l e r a n tr a p e s e e d ss h o w e dm a n ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s r e s p o n s e s c o m p a r e dw i t hs u s c e p t i b l er a p e s e e d s a f t e r1 0 dw a t e r l o g g i n gs f f e s s ，t h et o l e r a n tr a p e s e e d sc o u l d e n d u r e da n o x i as t r e s sb ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s em o r ea d v e n t i t i o u sr o o t s ，b u tl e s sr e d u c t i o ni np l a n t h e i g h t ，s h o o tw i d t h ，d r yw e i g h t ，r o o to x i d i z a b i l i t y , e c ，m d a ，w i t h e r i n gi n d e xa n df i e l ds u r v i v o rr a t e t h ey i e l dc o m p o n e n t si n d i c a t e dt h a tt h et o l e r a n t r a p e s e e d si n c r e a s e dt h e 1 0 0 0 - s e e dw e i g h t s i g n i f i c a n t l y , l e s sr e d u c t i o ni nn o p r i m a r yb r a n c h e s ，p l a n tp o d sa n dp o ds e e d ，a n dr e s u l t e di n l i t 伽m 疵砌d 懿 篆 刚n 辩 西南大学硕1 二学位论文摘要 s i g n i f i c a n tl e s sr e d u c t i o ni nb i o m a s s s e e dy i e l dp e rp l a n ta n dp l o ty i e l d t h eo l lc o n t e n to f s u s c e p t i b l er a p e s e e d sd e c r e a s e db u tp r o t e i nc o n t e n ti n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i l et o l e r a n tr a p e s e e d s c o u l dk e e ps i m i l a rq u a l i t yt oc o n t r o l s 1 1 1 el i n e so f z b u n g s h u a n gn o 8a n dz h o n g s h u a n gn o 9 哪 t h eh i g h e rr e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee n t e n to f o u t p u tr e d u c t i o ni ns e e dy i e l dp e rp l a n tw a sl o w e r m a r k e d l y , b u tt h eq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sw e r en oo b v i o u sc h a n g e t h el i n e so fg h o i ，0 3 p 1 4 7 - 1a n d 0 3 p 3 3 - 4w e r et h el o w e rr e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c s t h ea n a l y s i so fc o r r e l a t i o nt h e r ew e r e s i g m f i c a n tc o r r e l a t i o u s h i p b e 佃t o l e r a n t c h a r a c t e r i s t i c so fg e r m i n a t i n gs e e da n ds p r i n gf i e l dw a t e r l o g g i n gs t r e s s ，i n d i c a t e dg e r m i n a t i n gs e e d a n o x i cs t r e s sc o u l dp r e d i c tt h ey i e l dw a t e r l o g g i n gt o l e r a n ti nf i e l ds t r e s s t h es e e dy i e l dp e rp l a n t w a sd e c i d e db ys h o o tw i d t h ，n o a d v e n t i t i o u sr o o t ，r o o td r yw e i g h t ，w i t h e r i n gi n d e x ，e c ，r o o t o x i d i z a b i l i t y , m d a ，1 0 0 0 - s e e dw e i g h t ，n o s e e d sp e rp o da n dp o d sl e n g t h k e y w o r d s ：r a p e s e e d ，w a t e r l o g g i n gt o l e r a n c e , e v a l u a t i o n ，y i d d , m e c h a n i s m 独创性声明 学位论文题目： 盐堇型渔苤盘暹主监垫鲍适廑扭望盟塞 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 “、+ 学位论文作者：陬苊签字日期：2 0 0 7 年5 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名： 陆、汁i z 签字曰期：2 0 0 7 年5 月3 0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 导师签名：? 彦彳- 3 - 彩 签字日期：2 0 0 7 年5 月3 1 日 电话： 邮编： 西南大学硕十学位论文文献综述 第1 章文献综述 油菜是世界范围内广泛种植的油料作物之一，在中国、加拿大、印度及欧盟等都有着广 泛的种植，是世界食用植物油和植物蛋白的主要来源之一，在国际农产品贸易中占有重要地 位。我国地处东弧季风气候活跃区，具有不稳定的气候系统，降雨季节性、年际、区域性变 化大：长期的人口生存和社会、经济发展的压力，加居4 了人与自然的矛盾，人与水争地抢道 的格局使得我国的淹涝灾害环境更加险恶，尤其是我国东部、中部地区。因此我国的湿害分 布广，大约2 3 国十面积上存在不同程度的湿害，而且损失严重。据1 9 5 0 - - 1 9 9 0 年资料统计， 我国平均每年洪涝灾害面积达8 1 4 万公顷( h r n 2 ) ，成灾面积4 4 8 万h m 2 ，损失粮食约2 8 亿公 斤，直接经济损失1 0 0 - 2 0 0 亿元【l l ：在长江流域2 1 4 7 万h i n 2 耕地中易涝易渍耕地有5 4 0 万 h m z ，占2 5 1 5 ；南方1 4 省( 市、区) 有涝渍地近1 0 0 0 万h m 2 占本区各类中低产田的8 6 。 经过不同程度( 大多数为初步治理) 治理的涝渍地仅占涝渍地总数的3 1 1 2 j 。 水分是最重要的生态环境因子之一，水分的过多或过少决定植物的生长、分布及群体结 构。植物在对水分的长期适应过程中逐步演变、分化出了不同的生态类型，如专性永生植物、 兼性水生植物、旱生植物、盐生植物、荒漠植物等，不同的生态类型的植物对过多或过少水 分的适应策略和机制是不同的。油菜是需水较多和比较耐湿的作物，油菜一生中的田间耗水 量受气候、十壤、栽培技术和品种特性等多种因素的影响，变化较大。据科学研究的结果， 酱通灌溉条件f 。油菜一生每亩约耗水2 0 0 平方米3 0 0 平方米。油菜不同生长发育时期的耗 水强度( 每天单位面积上耗水量) 表现为苗期较小，蕾期开始增大，花期最大，直到角果发育后 期才有所下降。油菜适宜的十壤湿度范围是：发芽出苗期为田间最大持水量的6 0 7 0 ，苗 期为7 0 8 0 蕾花期为7 0 8 5 角果发育期为6 0 8 0 ，蕾花期是油菜营养生长和 生殖生长同时旺盛、对水分最敏感的时期”j 。 水分对油菜的生长发育和产量有重要的影响。在土壤水分适宜的条件下，油菜生长发育 良好。出茁快，植株粗壮，干物质重增加，叶片数增多，叶面积加大，后期衰老慢，单株角 果数、每果粒数和千粒重增加，产量高。但如果土壤水分含量过大，也会对油菜产生不利影 响：根系活力减弱，黄叶增多，株高降低，分枝部位提高，主花序变短，一次和二次有效分 枝减少，角果数、粒数均有不同程度降低，花器脱落，结实率降低，其中尤以角果数减少最 多。另外，土壤渍水还会导致田间湿度增大，病原物生殖快，油菜的抵抗力弱，从而诱发病 害。南方的气候条件是冬季湿润多雨，易发生涝灾和湿害，严重影响油菜生产，使生产成本 提高，大大降低了油菜籽产品的国际竞争能力。因此，如何解决油菜的耐湿性就成了一个突 出的问题。 曲南大学硕十学位论文文献综述 1 1 湿害胁迫对植物生长发育的危害 土壤水分过多会对植物的生长、发育和繁殖造成伤害，根据程度有所不同，可以分为湿 害和涝害其中湿害( w a t e r l o g g i n g ) 是指土壤过湿，水分处于饱和状态，土壤含水量超过了 田问最人持水量，根系生长在沼泽化的土壤中。作物遭受湿害时，植株形态会发生很大的变 化。并非单单冈为水分过多而引起的直接效应，而是由淹水诱导的次生胁迫引起的，如图l 所示。由于氧气在水中的扩散速度只有空气中的万分之一淹水后植物根系生长的土壤环境 中的氧气逐步被消耗，而使根际的氧气供应状况由有氧转变成低氧，再到缺氧。 任何高等植物都不能耐受长期的缺氧环境。水淹胁迫引起的缺氧导致植物不仅改变能量 代谢途径和生理过程，并且植物的细胞结构、形态特征也发生一系列变化。例如，水稻遭受 没顶淹水后，叶柄偏上生长节间和胚芽鞘伸长迅速加快，叶片黄化萎蔫，茎节部位长出不 定根；根部气体交换受阻，根系变浅变细，初生根上侧根，根毛显著减少，根部活力减弱。 狠系停止生长，长时间淹水导致根系逐渐变黑，腐烂发臭，整株枯萎死亡。 图1 淹水对植物产生的次级胁迫 f i g , lt h es e c o n ds t r e s so f p l a n ti nw a t e r l o g g i n g 1 1 1 湿害胁迫对呼吸作用的影响 淹水胁迫f 植物根系的能量代谢由有氧呼吸转变成缺氧代谢。在0 2 供应充足时，植物经 三羧酸循环( t c a ) 把褚酵解代谢的末端产物丙酮酸氧化出c 0 2 和水，可以从l m o l 葡萄耱产 生3 6 m o l a t p ；缺氧时，c r a w f o r d | 4 1 等认为三羧酸循环不能顺利进行，植物细胞加强糖酵解、 2 蚂南入学硕十学位论文文献综述 乙醇发酵和乳酸发酵代谢来获得维持其生存所需要的能量，丙酮酸会氧化成乳酸、乙醇、乙 醛等中问产物积累到一定程度可对细胞结构和其它代谢途径都有毒害作用，严重者导致植 物死亡。 缺氧胁迫条件下，许多耐缺氧能力差的早生植物，如玉米、大麦，马铃薯、豌豆等，呼 吸代谢消耗的糖中7 0 形成乙醇和乳酸，只有5 形成丙氯酸，因此存在明显的巴斯德效应， 腺苷酸能荷( a e c ) 迅速降低，蛋白质合成明显受到抑制p 】。而耐缺氧能力强的一些沼泽植物， 如水稻、禾稗等，可能通过其它代谢途径，如乙醇发酵“、磷酸戊糖途径( p p p ) 7 1 、脂类代 谢、弱化的t c a 或不完整的t c a 来获得a t p 5 1 以抵抗水淹胁迫，已经有研究证明，耐缺 氧能力不同的植物可能存在不同的缺氧代谢途径。 1 1 ，2 湿害胁迫对光合特性的影响 许多水淹胁迫环境下。植物的茎秆并不遭受淹没，但植物的地上部分生长和代谢与根系 的代谢是紧密相关的，根系的缺氧环境也会影响叶片的光合特性。植物对水淹胁迫的初期反 应是气孔关闭，c 0 2 的扩散阻力增加：随着水淹时间的延长，与光合作用相关的酶活性逐渐降 低，叶绿素含量下降，叶片早衰。绿叶面积减少，叶片脱落死亡。已有研究表明，对水淹胁 迫敏感的植物而言，水淹胁迫引起气孔关闭和光合作用的f 降之间有着密切的关系。 水淹胁迫也会引起叶绿素含量的降低及c h l a c h l b 的增加，体内所贮存的淀粉急剧下降， 结果组织内糖分迅速耗尽，出现“糖饥饿”现象 9 1 ，并且水淹胁迫阻碍碳水化合物从叶片转移 到根部，根系细胞的糖饥饿将避步加重l l q 。 i ，1 3 湿害胁迫对矿物质营养的影响 水淹胁迫将明显改变植物的营养关系主要表现在：蒸腾强度减弱，矿质营养从根系运输 到地上各组织的数量减少：缺氧降低了根系细胞a t p 浓度，削弱了根系主动吸收矿质营养的 能力：十壤厌氧条件改变了许多矿质元素的可利用状态。 水淹胁迫后七壤中c 0 2 浓度增加并通过降低原生质膜的透水性，阻碍根系的被动吸水； 缺氧导致纲胞a t p 浓度降低，抑信0 根系的主动吸水过程：氧气亏缺，还原状态加强，一些有 益的需氧微生物( 氨化细菌、硝化细菌、硫细菌) 的活动受到抑制，抑制作物根部线粒体的 活性，使根缺乏能量，影响根的吸收l l “，而有害的厌氧微生物( 丁酸细菌) 活跃，无氧呼吸 产物醋酸、乳酸、r 酸等有机酸增加土壤的酸度，影响根系的吸收功能，同时还产生大量的 有毒的还原性产物( 硫化氢，氨、乙醇、f e 2 + m n 2 + ) ，这些物质可以直接对作物的根系产生生 理毒害” ：土壤中矿质元素的理纯性质发生复杂的变化。5 i 起土壤微生态环境发生变化，从 而影响植物根系对有效养分的吸收和积累。 十壤短期淹水后，通常能增加磷，m n ”、f e “、s i 0 2 等在土壤中的浓度，但长期淹水则 会使速效磷、锌的含量极为缺乏，而还原性有毒物质f e ”、m n ”，h 2 s 过量积累对植物造成毒 3 西南入学硕十学能论文 文献综述 害，此外，植物根系细胞的无氧呼吸产生的酸类物质分泌出根外及根际厌氧微生物在根际分 泌大量有机酸类，如甲酸、乙酸、丙酸和j + 酸等，会加速对根系细胞的破坏，产生毒害效应。 1 1 4 湿害胁迫对植物内源激素的影晌 植物根系是植物激素合成、转运的主要场所之一。水淹胁迫下，扶根部向叶片运输的脱 落酸t a b a ) 和乙烯的量增加1 1 ”，并且地上部a b a 的合成量增多；迫使茎尖中生长素的浓 度上升，可能是地上部乙烯和a b a 含量增加后，抑制茎部生长素向根系的转运；地上部的赤 霉素和细胞分裂素的浓度下降，可能是水淹胁迫直接阻断了其合成，并减少从根部向叶片运 输赤霉素和细胞分裂素。乙烯被称为“逆境激素”，是植物对水淹胁迫反应最敏感的植物激素 之一，在厌氧条件f ，由于乙烯生物合成途径的1 氨基环丙烷1 羧酸( a c c ) 氧化酶需要氧 气，但是a c c 合成酶的转录活性增强，再加上根中柱部位a c c 的增加并扩散到根皮层细胞， 导致乙烯生物合成的增加。 1 1 5 湿窖胁迫对植物根系和叶片形态和细胞结构的影响 水淹胁迫下，根系发生形态和细胞结构的改变，如细胞内的淀粉粒消失，形成不定根和 通气组织、细胞液泡化、超微结构和a t p 酶活性的改变，直至细胞破裂死亡。有研究表明【i ”， 正常条件下，玉米幼苗初生根根尖分生细胞细胞核大、细胞质浓密、液泡化程度低、有较丰 富的淀粉粒，各种细胞器丰富且膜结构清晰、完整；淹水6 h 后，初生根根尖分生细胞的超微 结构发生明显改变：局部细胞质开始降解，并分布着大量的内质网断裂片段，细胞内开始液 泡化；淹水1 2 h 后细胞质稀薄，液泡结构模糊，液泡膜发生破坏，线粒体的内嵴的数量明显 减少，质体的淀粉粒开始降解：淹水1 8 h 后细胞质降解、液泡化、形成自体吞噬泡、细胞壁 开始降解，线粒体星伸长状态，内嵴的数量进一步减少，质体发生强烈变形，成为杯状质体、 仅有少量的淀粉粒：淹水2 4 h 后细胞质降解形成多个类似液泡的电子透明区、质模完全破坏 消失、细胞壁明显降解，线粒体变形、内嵴消失，质体变形成杯状质、无淀粉粒分布；淹水 4 8 h 后细胞质已被完全消化，线粒体变形、极度伸长、多个部位发生膨胀、膨大处双层膜发生 破坏，质体呈现明显消化状态：淹水7 2 h 后根尖分生细胞完全死亡解体，仅存尚未完全消化 的细胞壁。 对于玉米等旱生植物而言，部分淹涝就会导致植株生长显著降低，老叶衰老加速、嫩叶 上气孔的开度逐渐减少并最终关闭。完全淹水对植物叶片细胞的伤害给为严重【”】，玉米淹水 6 h 后叶绿体的被膜局部出现明显的破坏。向外凸出一个由单层膜包裹的泡状结构：淹水1 2 h 后，叶绿体被膜呈现更严重的破坏，局部的双层被膜已降解成为单层膜，而且堡松弛状态， 完全与类囊体分离。同时，叶绿体内的部分基质类囊体膜出现明显的空泡化：由原来均匀、 完整的线状结构，断裂成为多个相对独立的空泡：淹水1 8 h 后，叶绿体的被膜完全破坏消失， 内部的基质类囊体膜空泡化加剧，并出现明显的解体；淹水2 4 h 后，叶绿体开始解体，类囊 4 西南大学硕十学位论文 文献综述 体的排列杂乱无序；至淹水4 8 h 时，叶绿体完全解体，基质类囊体膜全部降解消失，只残留 部分散乱的基粒类囊体膜。 1 1 6 湿害胁迫对植物生长发育危害的原因 水淹胁迫对植物生长、发育、繁殖的危害是多方面的，植物受害程度取决于多种因素， 如植物的种类、同一种植物不同基因型、不同的生长发育时期1 1 “，以及淹水的深度、温度、 混浊度、持续时间、流速等。一般说来，生育早期因为根系生长代谢旺盛，抗逆性强，新叶 的生艮具有很大的缓冲性，淹水解除后，根及叶的生长均有很大的恢复，作物受到的影响比 较小。而在后期灌水处理后，由于根及叶的生长均已差不多进入停止衰退阶段。造成根系早 衰腐烂严重。叶丽积指数下降很大。很难恢复。小麦的湿害敏感期是孕穗期，大麦的敏感期 是拔节期和抽穗期，花生对湿涝反应的敏感期被认为是生育前期和后期t ”】，大豆在生殖生长 早期比营养生长早期对湿害更敏感，芝麻在立苗期、开花至结英始期“9 i ，麦类在拔节至灌 浆期，玉米在4 叶期1 。 d a v i e s t z 2 1 等认为，在缺氧条件下，细胞糖酵解代谢的末端产物丙酮酸氧化成乳酸引起细 胞质p h 下降，随之a t p 水平和液泡膜上的h a t p 酶活性下降。不耐湿植物细胞不能有效 调节细胞乳酸发酵，细胞内积累大量的乳酸，导致细胞质进一步酸化；当细胞质p h 下降和液 泡p h 上升到一定程度时，就会发生质子渗漏，破坏液泡一胞质质子梯度浓度，进而导致细胞 死亡。而耐湿植物细胞可调节细胞质p h 平衡状态以阻止细胞质酸化；随着细胞质p hf 降， 乳酸脱氢酶( l d h ) 活性受到抑制，丙酮酸脱羧酶( p d c ) 活性增强，乙醇合成占优势，细 胞质酸化受阻。细胞质p h 得到恢复。r 0 b c f t s 【2 ”4 1 利用”c 与”p 核磁共振( n m r ) 技术。测出 玉米根尖细胞在缺氧处理的2 0 分钟内，细胞质从7 3 降到6 8 ，并且细胞可以通过3 种途径来 阻j r 细胞质的进一步酸化：降低l d h 活性，减少乳酸生成量：促进p d c 和乙醇脱氢酶( a d h ) 活性，使乙醇合成占优势：把乳酸转移到液泡中，平衡液泡与细胞质的p h 值。 在植物体内代谢过程中，许多生化反应和酶的催化作用会生成过氧化物，当这些过氧化 物足够时，h a r b e r - w e i s s 反应就会产生大量的氧自由基随即诱发膜脂过氧化物过氧化反应破 坏细胞膜的结构，造成细胞膜伤害、离子渗漏和细胞死亡。c r a w f o r d 和b m n d l e f 4 1 认为缺氧后 植物细胞抗氧化系统变得脆弱，在恢复供氧后。氧自由基浓度井高，造成细胞膜系统的伤害， 离子渗漏和细胞死亡。 1 2 植物适应湿害胁迫的细胞和生理学基础 植物对水淹胁迫的反应是复杂的，不仅表现出生态上的长期适应性p l ，而且在形态、组 织利细胞结构，甚至是线粒体、内质网、核糖体等哑细胞结构也表现出适应反应口q ，还在基 因表达上迅速作出反应，以调节自身的内环境和代谢途径口”。缺氧条件f 代谢机制的调控也 很复杂它涉及到底物和产物的浓度、酶合成和降解、酶活性和酶表达、转录速率和转录产 5 西南丈学硕士学位论文文献综述 物的稳定性等。系统分析植物适应水淹胁迫的不同方式，归纳起来主要有两类：一是避开缺 氧，即通过植物整体调节，增加氧气在组织、细胞的传导，避开缺氧状态的出现；二是忍耐 缺氧，即植物整体调整基因表达、生理代谢过程、细胞和组织结构的变化，使植物忍耐缺氧 状态。目前。作物耐湿性的研究主要集中在粮食作物上，如玉米、小麦、水稻、大麦，此外 也有少数其他作物如芝麻、大豆、甘薯等领域，而油菜和大麦同样是对湿害非常敏感的作物辟“。 1 2 1 植物避开缺氧的细胞和组织结构的适应性变化 湿害情况发生时，植物根系处于低氧胁迫，浅根植物的根系生长表层化是许多湿生植物 抵御水淹的适应策略口“。伴随根系表面化，根的大小变细，根毛增多；而生长在湿地生态环 境的深根植物适应水淹胁迫的方式是根细胞之闻存在大量的孔隙，有利于氧气的扩散；还有 一些湿生植物的茎和根形成特化的结构变化，以利于气体运送到根部，如黑杉树、水杉在淹 水层形成气生根：淹水也可诱导苇的基节部和茎节长出不定根，不定根大多发生在水体表层 或含氧城丰富的十壤表层，能够从环境中获取氧气，维持植株正常的生理代谢，在淹水严重 的情况f ，不定根还能代替因缺氧窒息丧失功能的原有根系，使植物根系保持一定的活力。 有些水生植物通过改变内部组织解剖结构来促进氧气扩散到根部，甲烷、h 2 s 、c 0 2 等气 体由根部释放到大气中。通气组织是湿生植物皮层组织的一种特化形式。禾本科、莎草科植 物通过溶源机制产生通气组织，即皮层细胞扩大生长，然后自溶死亡，形成从叶、茎、茎的 基部到根系连续的充气通道：而蓼科植物采取离生方式形成通气组织，即皮层细胞相互间分 开，细胞问留f 孔隙。但不产生新细胞。淹水还可导致新生不定根的组织结构发生显著变化， 伸长区内大量的皮层细胞解体，融合形成通气组织，使根内部孔隙度大幅度增加，为氧气在 不定根内的运输提供了一条低阻力通道，有利于植物地上部分( 茎叶) 的氧气向根部运输， 并代替丧失功能的原有根系吸收水分和营养，维持植物正常的生理代谢，从而为植物在湿害 状态f 的存活及生长提供了基础8 许多湿生植物可以通过胞间空隙把地上部分吸收的0 2 输 入根部或缺氧部位，其发达的通气系统可增强植株对缺氧的适应能力。 1 2 2 植物忍耐湿害胁迫的代谢机理 住缺氧环境下一些植物通过调整基因表达、生理代谢过程、细胞和组织结构的变化， 使细胞组织进入忍耐缺氧状态。 1 2 2 1 呼吸代谢调节 植物适应水淹环境的代谢途径之一是用其它糖酵解发酵途径代替乙醇发酵，减少乙醇的 积累，产生乳酸、苹果酸、琥珀酸、乙醇、丙氨酸等。目前发现一些耐湿类型植物在厌氧条 件下还存在其他呼吸代谢途径。如一些耐湿的玉米品种中的琥珀酸( s u e ) 高于非耐湿品种【， 有的谷氨酸( g l u ) 转变成y 一氨基丁酸( g a b a ) 代谢，丙氨酸( a l a ) 转变为苹果酸( m a d 代谢，这些 6 西南大学硕士学位论文文献综述 途径能缓冲细胞质的酸化和避免单一代谢末端产物的积累。 在缺氧时植物重新氧化n a d ( p ) h 的另一条途径可能是利用硝酸盐作为电子受体即 硝酸盐呼吸途径。一般情况r ，湿生植物缺氧呼吸仍旧会优先选择乙醇发酵，为了避免乙醇 积累对根组织的伤害，植物利用其它方式，如乙醇渗漏到细胞外环境、通过木质部输导组织 将乙醇从根部运送到叶片，来减轻根部乙醇的积累；或者细胞通过将缺氧呼吸产物乳酸 转移到液泡中，提高p d c 和a d h 活性，降低l d h 活性口”，维持高的a e c 状态等方式阻止 细胞质进一步酸化。由丁无氧呼吸时植物的能效率显著降低，s a g l i o ”】发现如果植物体内贮备 充足的碳水化合物或补充外源糖分可以刺激糖酵解代谢，使腺苷酸能荷维持较高的水平，从 而延长缺氧状态f 细胞和器官的生存时间。 为清除体内过多的氧自由基，减少对细胞的伤害耐湿强的植物的细胞和组织形成了由 超氧化物歧化酶、过氧化物酶、抗败血酸等组成的活性氧清除系统，减轻细胞膜脂过氧化， 维持细胞膜正常功能。当植物受到缺氧胁迫后不耐湿的种类如i r i sg e n n a n i c a 膜脂过氧化产 物丙一：醛( m d a ) 含量显著提高，而耐湿性强的湿地植物m s p s e u d a c o m s 几乎没有变化【3 3 】； 周广生等报道小麦的旗叶m d a 含量与品种的耐湿能力呈显著相关关系，耐湿性强的湿生植 物s o d 酶在缺氧过程中能保持较高的水平。这一机制能有效抵御自由基对细胞膜系统的伤害 3 3 1 ；宴斌【”1 等向受涝玉米植株加入活性氧清除荆，能明显提高玉米叶片叶绿素的含量，降低 受涝叶片的白由基水平，并推断玉米叶片的涝渍伤害可能是由f 自由基活性被抑制的缘故。 1 2 2 2 线粒体活性及脂类代谢 淹水缺氧胁迫下，对水淹胁迫敏感的植物，线粒体结构发生显著变化，如内膜消失、内 膜嵴肿胀、形状不规则，根系存活时间与线粒体结构的不可逆劣变有高度相关性。线粒体结 构雨l 功能发生异常变化的可能原因是：a t p 和能荷逐渐降低、代谢产生有毒物质和细胞质酸 毒、膜脂不饱和脂肪酸合成受阻。然而在一些耐湿性强的植物中，如禾稗，线粒体仍在发挥 着功能作用”“，但一些细胞色素成分发生了变化，如缺氧条件下生长的植物线粒体内含有较 低的细胞色素a 和幻。 缺氧胁迫还会引起线粒体、叶绿体、脂质体等积累脂类物质。普遍认为缺氧条件下脂类 物质的积累对细胞生存是有害的，但也可能有一些益处，如脂类物质的合成能将n a d h 氧化 成n a d + ，产生n a d + 的过程不经过发酵途径积累乙醇；储存的脂类物质在植物解除缺氧胁迫 时又能作为能源为细胞所利用。 1 2 。2 3 缺氧蛋白 一般植物的根尖细胞核糖体解体，结构蛋白质的合成收到抑制，而耐湿植物却能诱导合 成一系列新的抗性蛋白质。如利用”s 蛋氨酸标记技术结合c d n a 克隆在耐湿玉米材料的 根尖中，缺氧处理能立即诱导合成一类分子量大约为3 3 k u 的转换多肽( t p s ) 。9 0 m i n 后出现 7 西南人学硕十学位论文 文献综述 另外2 0 种新的厌氧多肽( t h ea n a e r o b i cp o l y p e p t i d e ，a n p s ) 1 3 7 , t p s 在缺氧处理5 h 后合成迅 速降低，但a n p s 合成以稳定的速率持续7 2 h ，此后，细胞开始死亡，蛋白质合成下降。 在缺氧条件f 合成的蛋白质根据代谢功能可分为三个功能群，第一为调节糖类化合物进 入糖酵解代谢的酶，如蔗糖合成酶、淀粉酶t ”、己糖激酶1 4 0 l ；第一二为糖酵解代谢途径的酶， 如醛缩酶t 、6 - 磷酸葡萄糖同分异构酶【4 2 】、3 - 磷酸甘油醛脱氢酶阳, 4 4 1 、烯醇化酶”5 1 ：第三为乙 醇发酵途径的酶，如丙酮酸脱氢酶 4 6 1 、乙醇脱氢酶 4 7 1 等。分析水稻和禾稗缺氧胁迫下的蛋白 质类型【4 8 】，表明有五种不同反应类型的蛋白：缺氧胁迫刺激其合成、缺氧特异诱导蛋白、缺 氧和有氧下保持稳定的组成型蛋白、只在有氧下占优势缺氧下受抑制、有氧条件下所特有的 蛋白质。 1 2 3 植物忍耐湿害胁迫的分子机理 随着越来越多的a n p s 被发现，更多的耐缺氧相关基冈被克隆，d e n n i s t 2 8 1 认为植物对缺 氧的响应分为三个阶段，第一阶段( 0 - 4 h ) 主要是快速诱导或激活信号传导物质，并激活第二 阶段；第二阶段( 4 - 2 4 h ) 主要是代谢反应阶段，诱导糖酵解，乙醇发酵和乳酸发酵途径基因 表达，以保障细胞所需的能量。有研究发现在此过程中还包括氮代谢和乙烯合成，o l s o n 等1 4 9 在研究两红柿的根在水淹胁迫下a c c 合成酶会表达；第三阶段( 2 4 - 4 8 h ) 主要是根通气组织 的形成，对丁= 持续的缺氧状态下的植物生存尤其重要。h e t 5 0 l 等认为在此阶段乙烯参与反应， s a c h s l 2 7 1 认为在此阶段诱导合成与细胞壁松散有关的酶如木葡聚糖转葡糖苷酶( x y l o g l u c a n e n d o t r a n s g l y e o s y l a s e ，x e r ) 等，d r e w t s u 认为第一、第二阶段的基因表达和乙烯的形成，将细胞 壁软化形成根部通气组织，m o r r e l la n dg m e n w a y 【”1 认为乙烯并不影响发酵途径基因的表达。 d e n n i s 2 s 在5 0 2 9 5 n 2 的缺氧胁迫4 h ，试图找到拟南芥中与湿害胁迫有关的关键基因。他 认为耐湿基因产物分为四类：一类是多种代谢基因产物，包括a n p s 等；第二类是信号转导因 子，包括一些激酶和转录因子；第三类是与防御有关的蛋白：第四类是涉及到d n a 结构和转 录后调节的蛋白质。 缺氧响应相关基因中，乙醇脱氢酶基因研究十分深入，包括组成型( a d h 2 ) 和缺氧诱导 表达型( a d h l ) 。其中a d h l 已经在玉米( z e am a y s ) 、小麦( t r i t i e u m a e s t i v u m ) 、大麦( h o r d e u m u l g a r e ) ，拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 、水稻( o r y z as a t i v a ) 等作物中被克隆。p a u la n df e d 【5 3 】 崩玉米和拟南芥作研究，认为在缺氧胁迫下a d h l 基因在染色体的结构上发生了改变，并且转 录基因被激活l “i ：f e o ya n db a i l e y s e r r e s i ”】认为转录后的调控也很重要，厌氧胁迫可引起翻 译厌氧蚩白的核糖体分离，厌氧m r n a t 以远小于平均的大小翻译成蛋白质，这就意味着如果 将在此过程中被激活的转录基因分离，那转录机制将会有很大程度的改变。 w a l k e d ”1 发现在d n a 水平上，在转录起始点的上游两个区段( 称为缺氧反应子a r e ) 与 厌氧胁迫有很大的关系，如果破坏a r e 基序，则会破坏厌氧基因的表达：现在已经在玉米5 7 】 的a d h i 、a d h 2 、醛缩酶和拟南芥的a d h l 、l d h l 、p d c l 等基因上找到m 也。o l i v e t 5 7 5 8 , 5 9 1 8 西南人学硕十学位论文文献综述 发现a r e 包含g c - 基序和g t - 基序，这两个基序对厌氧胁迫中基因的激活和诱导都很重要，他 还发现了一个结合在g t