高级植物生理学：植物水分与抗旱生理(1)

植物水分与抗旱生理专题 任课教师 王渭玲所在单位 生命学院学历职称 博士 教授 博士生导师联系方式 ylwwl 诸言 没有水就没有生命 从进化观点来看 水是生命的的发源地 地球上的一切生物都有是从水中发生 演变进化而来的 陆生植物 农作物也是从水生植物逐步进化而来的 这一时间大约是在4 5亿年前 是根与输导系统的进化的结果 水是植物体最重要的组成成分 植物的生长发育 细胞的新陈代谢只有在水分相当于饱和和状态下才能正常进行 也就是说水溶液的液体环境是大多数生理反应绝对必需的条件 植物从环境中不断地吸收水分 以满足正常生命活动的需要 但是植物又不可避免地要丢失大量水分到环境中去 植物水分代谢 watermetabolism 吸收 运输与利用 散失的过程 因干旱而龟裂的河道 由于干旱 人畜饮水困难 由于干旱 作物减产或绝收 随着植物激素类物质的不断发现及水分传输与蒸腾原理的深入阐明 利用抗蒸腾剂代谢抑制剂或生长促进剂等 在一定条件下可减轻干旱对农作物和经济植物造成的危害 依据于不同水分条件对植物生长和生理过程影响的量化研究 提出了若干可用于品种抗旱性鉴定及田间适宜灌溉时间的生理指标 根据对不同植物抗旱性和需水量系统比较研究结果 为旱区或缺水区的农业合理布局与建立节水型农业结构提供科学依据 由于对植物耐旱性生理与分子机制的逐步深入阐明 为应用基因工程分离 鉴定 利用与耐旱有关基因 获取具有显著耐旱性状的转基因植物打下了基础 使培育出耐旱性与丰产性兼备的品种成为可能 植物水分生理学 植物生理是研究植物生命活动规律的科学 植物水分生理研究水分与植物生命活动规律的关系 它应包括植物细胞水分关系 植物个体水分关系 环境水分与植物的关系三大方面 植物水分生理研究内容 植物细胞水分关系 细胞水势细胞吸水细胞间水分移动水分跨膜运输 植物个体水分关系 根系对水分吸收植物体内水分运输水分散失水分平衡 吸水 运输 失水 植物环境水分关系 植物对环境水分变化的感知干旱下植物生理生化过程植物的抗旱适应性涝害下植物生理生化过程植物对环境水分条件适应 植物水分生理应用 作物水分利用效率与节水农业 植物水分生理学研究的范围 分子 细胞器 细胞 器官 单个植物 种群 群落 流域生态系统 区域经济 景观生态系统 第一章植物水分生理基础 1水在植物生活中的作用 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 1 水是极好的溶剂参与生命活动的无机物和有机物都易溶于水 而植物体的代谢活动都是在水溶液中进行的 土壤中的无机和有机营养只有溶于水才能被植物吸收 植物与环境间的气体交换 氧或二氧化碳均必须呈水溶状态才能出入细胞 植物体内物质的输送也要呈水溶状态 可见 水是最理想的生命介质 一 水的理化特性 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 在植物生理学中很少涉及纯水 因为植物体内和它们根系环境中的水含有多种溶质 在这里水的性质可用它的依数性 即和溶解在其中的溶质浓度有联系的性质 二 水溶液性质 蒸汽压 Raoult定律 稀溶液平衡的溶剂蒸气压和溶液中的溶剂摩尔数成正比 e 溶液蒸汽压 e0 纯水蒸汽压 nw是溶剂的摩尔数 ns是溶质的摩尔数 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 沸点 1mol L 1水溶液沸点为100 518 冰点 1mol L 1水溶液冰点为 1 86 渗透压 icRT1mol L 1水溶液渗透压为2 27Mpa 二 水溶液性质 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 溶液水势 二 水溶液性质 从公式中可知 当体系中的水的蒸汽压与纯水的相同时 等于零 势差也等零 所以纯水水势定义为零 一般体系水势为负值 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 三 水的生理作用 l 水是组成原生质的重要成分 三 水的生理作用 2 水分维持了植物细胞及组织的紧张度 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 三 水的生理作用 3 水是进行代谢活动的最好介质 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 三 水的生理作用 5 水可以调节植物的体温6 水分与植物生长有关 四 植物组织的含水量 四 植物组织的含水量 四 植物组织的含水量 2 植物组织中水分存在状态 自由水 freewater 与束缚水 boundwater 细胞质是一个胶体系统 colloidalsystem 细胞质胶体微粒有显著亲水性 hydrophilicnature 水分子距离胶粒越近 吸附力越强 被吸附束缚不易自由流动 不能起溶剂作用的水称束缚水 boundwater 未被吸附 可自由移动 并起溶剂作用的称自由水 freewater 四 植物组织的含水量 2 植物组织中水分存在状态 自由水参与代谢 制约代谢强度 自由水越多代谢越强 束缚水不参与代谢 与抗性有关 比例越大 抗性越强 常用束缚水 自由水值的变化来表示植物抗逆能力的变化 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 四 植物组织的含水量 2 植物组织中水分存在状态 组织自由水 束缚水测定用马林契克法 将植物组织浸入较浓的糖液中脱水 一定时间后仍未被夺取的水分作为束缚水 而进入蔗糖溶液 60 65 重量 的水则作为自由水 自由水的量可根据定量糖液的浓度变化而测知 由植物组织的总含水量减去自由水量 即可求出束缚水量 四 植物组织的含水量 2 植物组织中水分存在状态 其中糖液浓度用折射仪测定 水势的概念有助于我们评估植物的水分状况 水势概念的引入有两个主要作用 水势控制着水分的跨膜运输 可用来衡量植物的水分状况 植物水分生理基础 水在植物生活中的作用 二 植物细胞的水分关系 2 细胞吸水分方式 2 1 渗透性吸水 主要方式2 2 吸胀吸水 因衬质的存在2 3 代谢性吸水 3 细胞水分运移 相邻细胞 或组织 间水流动方向决定于水势的高低 总是 由高向低 4水势测定的常用方法依据原理 找等渗液 找平衡压 表面水蒸汽分压测定 常见方法 小液流法 压力室法 热电偶法等 三 植物细胞对水分的吸收与水孔蛋白 水在细胞和组织的进出是生命代谢的基本过程 长久以来 传统的认为水分进出细胞的主要方式是通过扩散和渗透作用 然而扩散和渗透作用运输水分的速度是非常有限的 这使一些重要的生理现象无法得到合理解释 将红细胞移入低渗溶液后 很快吸水膨胀而溶血 而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀 在研究人的内脏细胞过滤水 植物种子萌发及花粉管伸长等问题的过程中发现 存在着水分大量快速的进出细胞 生物膜的水通透系数远大于扩散水通透系数 这些现象是用水分自由扩散跨膜所不能解释的 因此 人们猜测水分跨膜应不仅只有自由扩散这一种方式 因此 人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外 还存在某种特殊的机制 并提出了 水通道 的概念 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 一样 水通道是高效运输水的通道 虽然水分子可以通过膜分子间隙自由扩散 但是这种运输效率不高 打个比方 细胞膜是墙 膜分子间隙是墙上的裂缝 水通道是穿墙的水管 在细胞代谢活动中需要的水是相当可观的 仅靠墙上的裂缝怎么够呢 所以大部分的水还是要由水通道来运输的 1 植物水分跨膜移动 有2种途径 扩散 单个水分子通过膜脂双分子层的间隙进入细胞 水集流 通过质膜上水孔蛋白 Aquaporins AQP 中水通道 waterchannel 进入细胞 2 水孔蛋白的发现 Agre等 1988 在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时 发现了一个28kD的疏水性跨膜蛋白 称为形成通道的整合膜蛋白28 channel forminginte gralmembraneprotein CHIP28 在进行功能鉴定时 将体外转录合成的CHIP28eDNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中 发现在低渗溶液中 卵母细胞迅速膨胀 并于5min内破裂 为进一步确定其功能 又将其构于蛋白磷脂体内 通过活化能及渗透系数的测定及后来的抑制剂敏感性等研究 证实其为水通道蛋白 从此确定了细胞膜上存在一种分子量为28KD转运水的特异性通道蛋白 是水专一性通道蛋白 PeterAgre教授因发现水通道蛋白获得2003年诺贝尔化学奖 其后 科学家陆续从哺乳动物 植物 微生物中鉴定出多种水通道蛋白 统称为 Aquaporins AQPs 从此水跨细胞膜转运的生物学研究进入了一个崭新阶段 3 植物AQP的结构特征 与动物AQP一样 植物的AQP同属于一个古老的跨膜通道蛋白MIP membraneintrinsicprotein 超家族 分子量约为23 30KD 由6个跨膜结构通过五个亲水环相连和两端短的N C 端组成 由5个短环相连 N末端 C末端以及B D环位于细胞内 A环 C环及E环在细胞外 C环和D环只是起连接作用的 而B环和E环才具有运输水分的作用 水通道蛋白的具体化学结构图 形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式 由多个两性 螺旋组成亲水通道 由两性 折叠组成亲水通道 一些氨基酸残基在不同的AQP中很保守 例如位于第1 4个跨膜结构域中的一个谷氨酸 E 残基 位于第3 6个跨膜结构域中的一个甘氨酸 G 残基等 这些保守残基可能对其结构和功能具有重要意义 4 植物AQP的分类及其多样性 近年来在拟南芥 烟草 玉米 豌豆 水稻 向日葵 油菜等多种植物中都发现了AQPs的存在 AQPs属于古老的通道蛋白MIP majorintrinsicproteins 成员 与动物和微生物相比 植物AQPs的类型显得更为丰富 并具有更大的多样性 植物AQP根据其氨基酸序列的同源性以及其他结构特征可以分为4类 质膜膜内蛋白 plasmamembraneintrinsicproteins PIPs 液泡膜膜内蛋白 tonoplastmembraneintrinsicproteins TIPs 类Nodulin26 NOD26 膜内蛋白 Nodulin26一likeMIPs NIPs 小的基本膜内蛋白 smallandbasicintrinsicproteins SIPs 基因组和转录组分析显示 拟南芥约有35个MIP类似蛋白 玉米有33个 然而脊椎动物仅有11 13类不同的AQPs基因存在 由此可见 AQPs在植物生命活动中肩负着很多重要的生理功能 5 植物水通道蛋白的功能 5 1促进水分的跨膜快速运输植物体内的水分运输有3种不同的途径 质外体途径 共质体途径和跨细胞途径 1 质外体途径 是指水分在木质部 韧皮部维管组织中的长距离运输 2 共质体途径 是指水分的运输通过由胞间连丝相连的细胞质连续体进行 3 跨细胞运输途径 是指水分跨过细胞膜的运输 根据植物种类 生长状况 发育阶段的不同 不同的途径对整体各个部分的水分运输的贡献也不一样 AQPs参与共质体和跨细胞途径运输 负责水分的快速跨膜转运 水孔蛋白通过减小水分在跨膜运输时的阻力而使细胞间的水分顺水势梯度迁移的速率加快 促进细胞内外的水分跨膜运输 调节细胞内外的水分平衡 如流经根中的水有70 90 是通过细胞膜上的水孔蛋自来传输的 5 2促进水分在植物体内的长距离运输 水分在植物体内的大量运输是通过维管系统长距离运输实现的 根吸收的水分经凯氏带进入根的导管 茎的导管 叶脉导管及叶肉细胞 都有水孔蛋白的参与 如烟草和拟南芥的水孔蛋白优先在维管束中表达 便于水分的长距离运输 大量研究人员观察到PIPs TIPs在维管组织及其周围的细胞中表达积累 表明AQPs参与质外体途径 调节细胞间长距离的水分流动 5 3调节细胞的渗透压及细胞的胀缩 植物细胞都有一个体积较大的液泡 细胞质被挤压在质膜与液泡膜之间 在整个细胞中只占很小的体积 这种结构很容易使细胞质处于急剧的渗透变化之中 但液泡膜上TIP的存在 其导水性是质膜上PIP的上千倍 利于水分的快速转移 可以使植物细胞利用巨大的液泡空间来缓冲细胞质内的渗透波动及细胞质的稳态 对于调节细胞的渗透压具有关键的作用 液泡膜上的TIP使水分快速出入液泡 也保证了细胞能迅速膨胀和紧缩 PIPs和TIPs的存在 有利于水分大量快速运输 所以对调节细胞质渗透压具有关键的作用 为细胞的各种代谢活动提供最佳条件 5 4运输其他小分子物质 水孔蛋白对水具有高度选择性 一般不允许其他物质通过 但目前发现少量的水孔蛋白可同时运输其他小分子物质 AQPs可运输一些小的中性溶质分子和气体 如大豆与细菌共生体膜上的Nodulin 26可能有运输甘油和氨气的作用 此外 植物AQPs还具有对亚锑酸盐 过氧化氢 醇类小分子 重金属 乳酸等的通透性 还有许多研究认为水孔蛋白能促进C02的跨膜转运 5 5参与气孔运动 AQPs可能参与气孔的运动 拟南芥PIPI6在子叶及幼嫩叶中的保卫细胞及其附近的表皮细胞中有很强的表达活性 向日葵SunTIP7和sunTIP20在气孔细胞表达 这些研究都暗示 水孔蛋白BBAQl在蚕豆保卫细胞中专一表达 而在其他表皮细胞中几乎没有表达 证实保卫细胞中存在水孔蛋白 水孔蛋白抑制剂HgCl2能显著抑制光下关闭气孔的张开和暗中张开气孔的关闭 而B 巯基乙醇则几乎可以完全解除这种抑制作用 表明保卫细胞膜上的水孔蛋白参与了气孔的开闭运动 烟草叶片的偏上性运动也与AQP NtAQPl 介导的水分运输有关 5 6在植物逆境应答中的作用 植物通过控制AQPs通道蛋白的活性来抵御各种逆境胁迫 在逆境条件下 转录水平及蛋白质水平上大多数AQPs表达下降 AQPs通道活性下降甚至消失 AQPs的关闭能限制植物体内水分流失 维持水分平衡 因而可以增加植物对胁迫因子的耐受能力 逆境条件下植物细胞的水孔蛋白活性会有较大的变化 如 在干旱时 根系细胞的水孔蛋白活性消失 以限制水分流失到土壤中 增强植物对干早的耐受能力 冷害时 叶片水孔蛋白的表达受到了抑制 说明水孔蛋白基因表达的变化对耐冷反应很重要 冻害处理时 耐冷玉米的水孔蛋白对根系的水导贡献率很大 维持了体内的水分运输 使得植物不至于结冻 植物受盐胁迫时 光合碳同化途径从卡尔文循环 CalvinCycle 转变为CAM途径此时叶细胞膜中水孔蛋白的含量下降 而根中基本保持不变 这一差异反映了逆境下叶中水孔蛋白含量的变化与光合作用类型的变化相关 生产实践中 可通过研究和筛选具有特异性水孔蛋白基因的作物 了解它们在不同的逆境中的适应性 以达到使作物在逆境中实现稳产高产的目的 也可对作物喷施能调节水孔蛋白活性的药物 加强水孔蛋白运动的能力 改善作物的抗逆性 5 7在种子成熟 萌发及开花中的作用 在种子萌发及幼苗初期 TIP消失 与幼苗初期细胞伸长生长有关的 TIP却大量积累 种子成熟晚期则有大量 TIP积累 说明 TIP与 TIP在种子萌发 成熟过程中协同调控细胞的渗透 雌蕊 花药等生殖器官中的水孔蛋白与植物的生