高 级 植 物 生 理 学,逆境生理.doc

高 级 植 物 生 理 学植物逆境生理一、 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、 交叉适应逆境（environmental stress），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、耐寒植物、阳性植物、阴性植物、生水植物、旱生植物、盐生植物、淡土植物、中生植物（mesophyte）介于湿生植物和旱生植物之间，是种类最多、分布最广、数量最大的陆生植物等。 同一生态型植物，甚至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,植物矮小并常成匍匐状、垫状或莲座状等，减少水分丢失，减轻严寒伤害。(长期）形态特征发生变化是长期逆境影响而进化适应结果。 生理上：自由水/束缚水、可溶性糖、脂肪、游离氨基酸、激素变化、渗透调节、特异抗性蛋白等。例如鹿蹄草（pirola）叶片积累大量五碳糖、粘液等物质来降低冰点（-31） （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。植物的抗逆性(stress resistance)泛指植物对不良环境（逆境）的抵抗能力。植物抗逆性可分为三个方面： 避逆性:(stress escape)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:（stress tolerance）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:(stress avoidance)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生长发育状态。 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（生理生化代谢及分子变化）。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；次生产物变化等） 激素水平（IAA、GA、CTK、ABA及乙烯） 酶活性变化(水解酶、合成酶、转化酶,保护酶系统） 通过研究这些生理过程变化，为了解逆境条件下代谢特点提供理论基础。特别是近年来着重对植物抗逆性的分子生物学和分子遗传学等方面的研究。 植物抗逆性与蛋白质和基因调控的结构和功能的关系， 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（植物品种改良）。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。水分亏缺时，植物器官水分发生异常分配，影响生理代谢，器官生长发育。植物体水分存在状态有两种，自由水和束缚水，可以反映植物体代谢的强弱；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。 研究植物水分关系主要指标： 相对含水量（relative water content, RWC） 自由水和束缚水含量马林契克法。 水势 (water potential) 小液流、压力室、热电偶湿度计法。 渗透势 (osmotic potential) 冰点渗透计、热电偶湿度计法。 气孔导度(stomatal conductance) 稳态气孔计、光合测定系统 蒸腾速率(transpiration rate) 稳态气孔计、光合测定系统 细胞质浓度折光仪或阿贝折射仪、蒸汽压渗透计。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。 膜伤害测定指标： 膜脂的过氧化作用（丙二醛 MDA） 细胞膜透性(电导仪测定，测定组织外渗液的紫外吸收)。 胞内物质向外渗漏原因: 原生质膜上ATP酶和有机物质主动运输酶（载体等）活力有关。 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（膜脂的过氧化作用）。 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。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，植物在逆境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。如干旱、高温、污染（大气、土壤）、除草剂、营养胁迫（CO2、矿质元素）等。 逆境下光合下降主要生理原因是： 气孔调节变化，气孔导度降低或气孔关闭。 光合相关酶变化，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； 叶绿素含量、光化学活性及光能转化率降低。 测定指标： 叶绿素含量（分光光度法，叶绿素仪）； 净光合速率（光合测定系统）； 叶绿素荧光（叶绿素荧光仪）； 光合生产率（叶片干物质g。m-2.d-1）。（1）不同逆境对光合速率的影响 高温、重金属直接影响光合作用细胞器或光系统复合体等光反应。 干旱、大气污染等引起气孔张开度变化，如气孔导度影响光合作用。 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：丙酮提取植物叶绿素时，对照25%，干旱为20%，盐胁迫为50%。 每种逆境对各种生理过程影响程度不同。（2）光合作用光反应中光能转化的荧光分析 叶绿素荧光分析技术是以光合作用理论、利用植物体内叶绿素作为天然探针研究和探测植物光合状况及各种外界因子对光合作用细微影响的植物活体测定和诊断技术。 叶绿素荧光研究技术：测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面的情况，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点。而气体交换的CO2同化（光合速率）指标则主要反映是 “表观性”的特点。 自然条件下叶绿素荧光和光合速率是相互负关联的,光合速率高,荧光弱;反之,当光合强度下降时,则荧光的发射就增强. 目前,叶绿素荧光分析技术应用于光合作用机理、植物抗逆生理和作物增产潜力预测等方面，研究已取得一定进展。可以快速、灵敏和无损伤地研究和探测完整植株在胁迫下光合作用的真实行为,经常被用于评价光合机构的功能和环境胁迫对其的影响。植物光合过程中荧光特性的探测可以了解植物的生长、及受胁迫等生理状况。 环境因子特别是逆境可以直接或间接反映影响光合作用光能转化过程。荧光产额越大，表明光能转化效率低。一般植物吸收光能化学转化率30%。叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因 叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息 光能的吸收与转换 能量的传递与分配 反应中心的状态 过剩光能及其耗散 光合作用光抑制与光破坏等等 可以对光合器官进行“无损伤探查”，获得 “原位”的（in situ）信息。 测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。荧光动力学技术在逆境生理研究中的应用 叶绿素荧光动力学特性包含着丰富的信息。在理论上，可以用来研究光合作用过程能量吸收、传递与转换的机理。对植物生理生态学研究者而言，主要兴趣集中在 光合作用的能量利用效率； 过剩光能导致的光合作用光抑制、光破坏； 光破坏防御机制等方面。u 光对植物光合作用是一把“双刃剑” 光是绿色植物光合作用的唯一能量来源，是植物赖以生存的基础。在一定范围之内，光照越强，光合速率越高。然而，当植物接收的光能超过其吸收和转化能力时，将出现光能过剩。过剩的激发能在光系统内积累，会导致各种活性氧的产生，引起光合作用的光抑制，甚至光氧化、光破坏。在这种情况下，过强的光照就成为一种逆境。因此，光对于绿色植物既是不可缺少的生存条件，又有可能成为一种破坏性因素，这就是光对植物光合作用的双重作用。u 植物所处的光环境的特点光能变化的幅度大如昼夜差别可从 02000 mol m-2 s-1以上(0100000Lx)冠层内外的差别可从全日照至光补偿点以下 光能变化的频率高冠层内光斑的晃动可使局部光环境在以秒计的时限内发生剧烈变化因此，植物必须建立起一种机制，使其能够： 在弱光下，能最大限度地吸收光能，用于光合作用； 在强光下，通过各种防御机制减少过剩光能对光合机构的潜在危害。u 光能过剩产生的场合（原因） 光照过强 苗期；冠层上部；平展叶片。 同化能力减弱 各种逆境胁迫（干旱、高温、低温、盐碱、矿质营养失调等）。 长期在弱光下生长；或阴生植物。 衰老。植物的发光是植物产生光子的一般过程。发光的类型有三种：荧光（fluorescence）；生物发光（bioluminescence）；化学发光（chemiluminescene）。但不管哪一类型，所产生的光都是分子中电子从激发态恢复到基态而伴随的一种能量释放的方式。 荧光是一种散射光，叶绿素分子吸收光能后成为高能态叶绿素分子，这种激发态的分子极不稳定，它能将大部分能量以共振形式迅速传递给光合作用中心P680和P700，而其中部分能量是通过就发射荧光而散失。当电子传递受阻，荧光发射就增强，这就是植物产生荧光的一种方式。应用植物发射荧光的现象。可以研究和判断植物的光合特性、叶片衰老和对环境的抗逆性。 生物发光是以酶促氧化反应作能源的光，有人称为磷光。生物发光往往产生在活机体或它的排泄物，但至今未发现在有维管束的高等植物中，而真菌、细菌、甲壳动物和昆虫中最常见。如荧光-荧光素酶系统就是最普通的一种生物发光系统。 植物的化学发光是植物体内物质氧化作用产生的光，它的发射波长200nm700nm，量子效率（quantum efficiency）为10-1410-13光子/激发态分子 (光合作用量子效率一般1/81/12光子) 。植物体内物质氧化产生光子比生物发光的量子效率低很多，因而也称为低水平的化学发光。 小麦、豌豆和玉米幼苗所产生的化学发光随幼苗生长而增加。同一植物的不同器官的化学发光也不同，通常根的发光比茎大10倍。大豆化学发光的波谱峰值为580nm，蚕豆、豌豆和小麦550nm，黄瓜为500nm和700nm，南瓜根为530nm，大麦根为500nm，就大多数植物而言，化学发光的最大波谱为绿光。C.叶绿素荧光参数及意义 叶绿素荧光参数：F0、Fm、Fv/Fm、F、qP、qN、NPQ等。 叶绿素荧光参数是评估植物光合机构是否受损和光能转化效率良好指标。 F0：固定荧光，初始荧光。也称基础荧光，是光系统(PS)反应 中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关。 Fm：最大荧光产量，是PS反应中心处于完全关闭时的荧光产量。可反映经过PS的电子传递情况。不能产生电子跃迁，只产生荧光。通常叶片经暗适应20 min后测得。 F：任意时间实际荧光产量。 Fa：稳态荧光产量。 Fm/F0：反映经过PS的电子传递情况。 Fv=Fm-F0：为可变荧光，反映了QA的还原情况。 Fv/F0：是PS潜在的活性。Fv/Fm：是PS最大光化学量子产量，反映PS反应中心内光能转换效率或称最大PS的光能转换效率。非胁迫条件下该参数的变化极小（一般高等植物大都在0.83左右），不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降。荧光淬灭：指荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子相互作用引起荧光强度降低的现象。具体叶绿素荧光淬灭是指叶绿素荧光产量的下降（猝灭）现象。 qP：代表荧光淬灭中的光化学淬灭（photochemical quenching, qP ），由光合作用引起的荧光淬灭，即光能化学能。光化学淬灭系数代表：qP=(Fm-F)/(Fm-F0)。qP反映PS天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额。qP愈大，QA重新氧化形成QA的量愈大，即PS的电子传递活性越大。 qN ：代表荧光淬灭中的非光化学淬灭（non-photochemical quenching, qN或NPQ）。 由热耗散引起的荧光淬灭，即光能热能）。非光化学淬灭，有两种表示方法，NPQ=Fm/Fm-1或qN=1-(Fm-F0)/(Fm-F0)=1-Fv/Fv。 qN反映PS天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分。 光化学淬灭反映了植物光合活性的高低；非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力。 许多研究表明，逆境胁迫的轻重与Fm/F0，Fv/F0，qP，qN的参数值被抑制的程度之间存在着高度相关，可作为植物抗逆的指标。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变化趋势和幅度的不同分为三种类型： 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。 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。如果蔬产品的贮藏。 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。5. 逆境与物质代谢 各逆境条件下，植物体内物质代谢都表现为合成能力降低，分解代谢加强，可溶性物质增加。(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，它是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） 次生产物代谢：环境胁迫对植物次生代谢影响近些年引起国内外学者关注，物理、化学及生物胁迫会增加次生产物合成。其作用防御功能如紫外、生长抑制剂、病原因子，如生物碱、类胡萝卜素、黄酮、萜类、蒽酮、香豆素、木质素等 酶活性：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。 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。（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-shock proteins 简称HSPs）,又称热休克蛋白。 低温下驯化合成的冷驯化蛋白（cold-acclimation protein, CAPs）。 盐胁迫下合成的盐胁迫蛋白，如渗压素或称渗调蛋白(Osmotin)。 缺氧条件下诱导合成的厌氧蛋白（anaerobic proteins, ANP）。 紫外线诱导蛋白（UV-inducrel proteins , UVPs）。 病原相关蛋白(pathogenesis-related proteins,PRPs)。 化学诱导蛋白(chemical induced protein, CIP)如抗重金属蛋白。 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。（2）逆境蛋白在植物中的存在部位及意义 逆境蛋白定位： 逆境蛋白可在植物不同生长阶段或不同器官中产生，也可存在于组织培养条件下的愈伤组织以及单个细胞之中。逆境蛋白在亚细胞的定位也很复杂。可存在于胞间隙(如多种病原相关蛋白)、细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质及各种细胞器中。特别是细胞质膜上的逆境蛋白种类很丰富，而植物的抗性往往与膜系统的结构与功能有关。 逆境蛋白生理意义逆境蛋白是在特定的环境条件下产生的，通常使植物增强对相应逆境的适应性。如热预处理后植物的耐热性往往提高；低温诱导蛋白与植物抗寒性提高相联系；病原相关蛋白的合成增加了植物的抗病能力；植物耐盐性细胞的获得也与盐逆境蛋白的产生相一致。有些逆境蛋白与酶抑制蛋白有同源性。有的逆境蛋白与解毒作用有关。 这些逆境蛋白提高了植物主动适应或抵抗逆境环境的能力，保证植物在处于不良环境时维持正常的代谢，减少逆境的伤害。（3）逆境蛋白的作用 参与代谢的酶或同工酶 酶蛋白结构的多样性与功能专一性，表明对多变环境适应性。 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edh1和edh2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能量供应，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。从光合碳循环讲，C3和C4植物区分不是绝对的，大麦颍片有高PEPCase含量，小麦和大麦不同绿色器官中PEPCese和RUbPCase活性存在显著差异，受环境水分、光强及温度而变化。C3植物大豆叶片存在C4途径关键酶（李卫华，1999）。逆境蛋白与酶抑制蛋白的同源性 在植物受到伤害时、常会产生或增加某些对植物有保护作用的酶蛋白的抑制物,是基于肽类的化合物，广义上指与蛋白酶分子活性中心上的一些基团结合，使蛋白酶活力下降，甚至消失，但不使酶蛋白变性的物质。它们或竞争性抑制蛋白酶活性或作为互补蛋白酶活性点的抑制剂。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”，保护性反应，以提高植物的防卫能力。 这些抑制物有些本身是一些多肽,如小麦中的-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(胰蛋白酶淀粉酶)抑制物等。对逆境诱导蛋白与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，甜蛋白是一种具有多种生物学活性及重要功能的植物防御蛋白，属于病程相关蛋白。类甜蛋白具有葡聚糖酶活性，能结合并降解真菌细胞壁的组成成分-1,3葡聚糖酶。在抗真菌活性起着至关重要的作用。 )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； 渗透调节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。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： 类金属硫蛋白(硼，硅，锗，砷，锑，硫，硒，类金属的电子结构中有较多的空电子轨道，故它们的活性较大，容易与有机物结合生成金属有机物化合物)，它们具有某些动物金属硫蛋白的特征、如紫外吸收、氨基酸组分、相对分子质量等，能与Cu+2和Cd+2相结合。 植物螯合肽，植物螯合肽及其复合物是一类富含半胱氨酸的低分子量化合物,植物螯合肽首先与重金属离子结合形成低分子量(LMW)复合物，以此形态经由细胞质进入液泡后，再与一个分子的植物螯合肽结合，形成对植物组织毒性较小的高分子量(HMW)复合物，从而达到缓解重金属对植物的危害作用。 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。美国宇航局2010年12月3日消息，在地球上发现全新的微生物，它能利用砷进行新陈代谢，砷含有剧毒。新发现的微生物名为菌株GFAJ-1，它是常见细菌(Gammaproteobacteria)的成员，它是湖中成长最好的细菌。 在砷中，这种细胞比在磷中成长要大60%。在放射性环境下，研究者发现砷原子在DNA能占据重要位置，如同其它元素在分子中一样。磷是组成DNA和其化学键的重要元素，尤其对三磷酸腺苷分子来说更是不可缺，因为生物要用它来储存能量。众所周知，在组成生命的最主要最基本的六种元素是碳、氢、氧、氮、磷、硫。至今没有发现这六种基本元素被替代的物种。GFAJ-1菌的DNA中的磷能被砷所代替，这种细菌有可能会被定义成第二种生命形式，像深海的极端微生物一样。说明不同或极端环境可以产生在组成上、结构上不同的生命存在形式。 陈少良2012Plant Physiology接种外生菌根（EM）真菌能够提高盐渍环境中林木的生物量。EM增加矿质营养吸收，减少对Na+的吸收。 Paxillus involutus(卷缘网褶菌)菌株MAJ和NAU是高度耐盐的真菌，增加盐胁迫下K+的吸收。另外，EM增加共生期间根部的Ca2+， Ca2+调节盐胁迫下的K+/Na+平衡，但是植物如何通过EM增加Ca2+影响K+/Na+平衡的相互关系仍不清楚，即EM真菌如何帮助植物耐盐。 发现EM改变植物在盐胁迫下的Ca2+流速，减少K+外流，促进H+吸收和Na+排出，即EM调节盐敏感杨树的K+/Na+平衡，进而提高杨树的抗盐性。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26103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。分子伴侣(molecular chaperone)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、促进捕光色素蛋白复合体插入类囊体膜等。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,命名为“热休克蛋白”(heat-shock proteins )。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。 u 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。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。u 植物对热击反应是很迅速的，热击处理35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。u 水生栖热菌(Thermus aquaticus)是一种生长在温泉、蒸汽管道等处的细菌，它体内的Taq聚合酶可以耐受90以上的高温而不失活，这在需要高温环境的PCR反应中有着重要意义。Taq聚合酶在97.5时的半衰期为9分钟。它的最适温度为75-80，72时能在10秒内复制一段1000bp的DNA片段。所以水生栖热菌的耐高温DNA聚合酶（Taq酶）被广泛应用于聚合酶链式反应(PCR)。 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(cold responsive protein)或冷击蛋白(cold shock protein)。 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20 KD多肽。 Koga等用5冷胁迫诱导水稻叶片离体翻译产生新的14 KD多肽。5低温诱导的玉米幼苗，24，48，96h均能合成新的诱导蛋白。 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（Solanum commerssonii）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。例3.病原相关蛋白 (pathogenesis-related proteins, 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、-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。如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40 KD，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-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，触杀性除草剂。百草枯在阳光下起效，能让与之接触的任何植物绿色部分发生枯萎。百草枯通过阻碍植物的光合作用而起效)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（0.1mmol/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。 各种逆境因子都会诱导.O2的产生，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。例6. Lea蛋白保护 Lea蛋白（晚期胚胎发育丰富蛋白，Late embryogenesis abundant protein）是指胚胎发生后期种子中大量积累的一系列蛋白质，Lea蛋白广泛存在于高等植物中，在植物个体发育的其它阶段，也能因ABA或脱水诱导而在其它组织中高水平表达，一般认为，Lea蛋白在植物细胞中具有保护生物大分子，维持特定细胞结构，缓解干旱、盐、寒等环境胁迫的作用，保护脱水会引起细胞的伤害。 Lea蛋白大多高度亲水，亲水性有利于Lea蛋白在植物受到干旱而失水时，能够部分替代水分子，蛋白质的多羟基能保持细胞处于溶解状态，从而避免细胞结构的塌陷，稳定细胞结构，尤其是膜结构。 在干旱脱水过程中，细胞液的离子浓度会迅速升高，高强度的离子浓度会造成细胞的不可逆伤害，Lea蛋白的螺旋结构中，亲水和疏水氨基酸分处于螺旋的特定位置，形成分子内螺旋束，其表面具有束缚阴离子的能力，因此，也能控制高盐伤害。 植物在受到干旱胁迫时，Lea基因的高水平表达和Lea蛋白的大量积累也表明Lea蛋白基因具有干旱保护功能，有报道将Lea cDNA全序列导入水稻，获得了抗旱的转基因水稻，从而直接证实了Lea基因的干旱保护功能。例7.水通道调节蛋白 水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的帮浦”（cell pump）一样。是水分跨膜运输的重要途径之一。它是指作为跨膜通道的主嵌入蛋白（MIP）家族中具有运输水分功能的一类蛋白质。在植物中发现的第一个水通道蛋白是大豆根瘤细胞中的植物编码蛋白（NOD26）。随后发现了大量水通道蛋白，根据其序列特征可化分为三个亚类: 即分布于液泡膜上的液泡膜嵌入蛋白（TIP）,分布于细胞质膜上的胞质嵌入蛋白（PIP）和根瘤细胞中的NOD26。 干旱诱导豌豆（Pisum sativum）产生编码水通道蛋白的cDNA7a和Trh-31,拟南芥干旱诱导的cDNA，RD28，其编码蛋白也属水通道蛋白。这表明干旱能诱导水通道蛋白基因表达，从而改变膜的水分通透性，使水分更易于透过胞质膜或液泡膜进入细胞，有利于实现渗透调节。二、 细胞超微结构与植物抗逆性 细胞超微结构主要有膜组成，包括各种细胞器。质膜是细胞与生活环境相联系的结构，可以调控一切营养物质的进出；是细胞对外界因子做出反应的最先部位或屏障。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，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。如糖在种质（离体培养材料）低温或超低温保存重要性。 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。 Palta(1978)在小麦叶片冰冻化冻处理中，观察叶肉细胞原生质膜、胞间连丝、核仁和染色质上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；未经低温锻炼的叶片不显示或很少显示活力。 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，然后导致光和磷酸化（ATP酶）失活。冻害使叶绿体膜发生破坏： 使偶联因子(CF)从类囊体外表面解离下来，破坏光诱发电子的吸收。 使叶绿素从膜上解离。 破坏了膜的半透性（脂质双层膜）。 研究发现，叶绿体对冻害最敏感，线粒体则表现出相对稳定的特点。 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，植物体内形成嗜饿体，说明叶绿体层膜结构破坏，以嗜饿体分离出来，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。 细胞壁的防御与抗性 从细胞的超微结构来讲，细胞壁不仅是细胞防御外来病原体入侵的结构屏障，而且在受到感染和创伤时，能积极参与防御反应，包括： 植物细胞壁中的酶水解真菌病原体细胞壁中的多糖成分，其水解碎片中的活性成分诱导植物体基因的表达，如抗毒素合成酶基因的表达。 病原体在入侵植物时，必须水解植物细胞壁中的结构多糖，其降解产物中也有类似的活性成分，调节许多生理生化反应；同时细胞壁中存在的抑制物质可抑制病原体释放的酶。 在没有病原入侵，而植物受到创伤时，自身也会产生一些水解酶降解细胞壁的组成，诱导防御反应以，促进伤口修复和愈合。细胞初生壁多糖降解物碎片中有一种生物活性的分子被称为寡糖素（oligosaccharin）。是一种信号分子，这些寡糖素的功能复杂多样： 诱导植物抗毒素（phytoalexin）的形成，抗毒素（也称植物抗生素或植保素）在植物体防御反应中有重要作用。 诱导细胞产生病原菌蛋白酶的抑制剂，也就是当植物受到伤害时，某些细胞壁碎片可诱导植物合成大量特异蛋白质，这些蛋白质具有抑制病原菌蛋白酶作用，从而在一定程度上减轻外来的侵害。 可使植物产生组织过敏性死亡，使病原物不能进一步扩散。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，各逆境中研究较多的是低温胁迫对生物膜组分、结构和功能的影响，特别是与抗寒性（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。膜性质的差异。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2030%，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。正常条件下，细胞膜是处于一种液晶相的流动状态。随着环境温度的变化，膜脂状态会发生变化，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。一般认为膜的相变或膜的流动性在很大程度上由组成膜的脂有关，特别是膜极性脂的脂肪酸性质所决定。 不同脂肪酸对膜相变温度（流动性）的影响可概括为以下3个方面： 1脂肪酸链长短：长链脂肪酸相变温度短链脂肪酸相变温度。 2脂肪酸饱和度：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。 3脂肪酸空间构型：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。（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,硫脂（SL）等，糖脂如单半乳糖二甘油脂（MGDG）和双半乳糖二甘油脂（DGDG）；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，其特性决定它的存在方式与结构的有序性。磷脂是膜脂主要成分。在植物线粒体中它占总脂的5060%，相对于叶绿体中含有较高的糖脂。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。自然界膜脂的碳原子数相对稳定，而不饱和度受环境变化较大。 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相关。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。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1530范围内含量高，而PG, PI, SL含量含量低;不抗冷的品种则相反。 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：抗冷植物细胞膜脂以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。Lyous（1965）曾用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。不仅与不饱和脂肪酸有关，还与不饱和脂肪酸在膜脂中的比例有关。 John（1976）在棉花幼苗上进行了膜脂肪酸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。表明低温锻炼可以提高膜脂不饱和脂肪酸含量，这是一种适应性。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。（二）膜脂组分对植物抗冻性的影响 1. 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911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，相反磷脂酸（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。 2. 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。（三）膜脂组分对植物抗盐性影响 1.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，糖脂（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