第十二章 抗性生理

第十二章 植物的抗性生理 逆境的概念和种类 逆境 对植物生存与发育不利的各种环境因素的总称 抗逆性 植物对逆境的抵抗和忍耐能力 逆境生理 Stressphysiology 研究逆境对植物伤害以及植物对逆境的适应与抵抗能力的科学 生物因素 感染与竟争 病害 虫害 杂草 逆境种类 理化因素 物理的 雪 雹 冰风 雷 电 磁等 辐射的 离子辐射 射线 可见光射线 过强或过弱 红外 紫外光伤害 化学的 除草剂 化肥的副作用盐碱土危害大气 水体 土壤污染等 温度的 低温 冷害 冻害 高温热害 水分的 淹涝灾害干旱 土壤 大气及生理干旱 抗逆性的方式 植物适应逆境的方式主要表现在二个方面 避逆性 指植物通过各种方式避开逆境的影响 如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 耐逆性 指植物处于不利环境时 通过代谢反应来阻止 降低或修复由逆境造成的损伤 使其仍保持正常的生理活动 抗性是植物在对环境的逐步适应过程中形成的 植物在逆境下 逐渐形成了对逆境的适应与抵抗能力 这一过程称为抗逆锻炼 大豆幼苗耐热性诱导实验 CK 40 诱导后生长在45 条件下 未进行高温诱导直接生长在高温下 第一节植物的抗寒性 抗寒性 植物对低温的适应能力 包括抗冷性和抗冻性 低温对植物危害 冻害 freezinginjury 冰点以下低温对植物造成的伤害 冷害 chillinginjury 冰点以上低温对植物造成的伤害 一 冷害生理 1 冷害症状在中国 冷害经常发生于早春和晚秋 对作物的危害主要表现在苗期与籽粒或果实成熟期 苗期冷害主要表现为叶片失绿和萎蔫 水稻 棉花 玉米等春播后 常遭冷害 造成死苗或僵苗不发 作物在减数分裂期和开花期对低温也十分敏感 如水稻减数分裂期遇低温 16 以下 则花粉不育率增加 且随低温时间的延长而危害加剧 开花期温度在20 以下 则延迟开花 或闭花不开 影响授粉受精 晚稻灌浆期遇到寒流会造成籽粒空瘪 正常植株 在2 条件下处理1天后的植株 2 冷害的生理变化 1 吸收机能减弱低温下根系生长减弱 吸收面积减小 原生质粘度增大 呼吸减弱 供能减少 限制了水分 养料的吸收 植株经冰点以上低温危害后 吸水能力和蒸腾速率都明显下降 其中根系吸水能力下降幅度更显著 叶片萎蔫 2 光合作用降低叶绿素分解大于合成 叶片黄化光合酶活性受抑制 碳同化受影响 3 呼吸作用受阻呼吸速率先上升后下降 初期的上升与淀粉水解 呼吸底物增多有关 后期下降是由于呼吸酶活性的下降 线粒体膜相固化 有氧呼吸抑制 无氧呼吸不抑制 饥饿下有毒物质积累 4 活性氧积累低温下冷敏感植物体内保护酶 SOD POD CAT 活性降低 导致活性氧积累 活性氧积累进一步引起膜脂过氧化和蛋白质的破坏 膜脂过氧化产物丙二醛对细胞内的蛋白质 酶有抑制或破坏作用 5 刺激乙烯 ABA 多胺的合成 3 冷害的机制与植物的抗冷性 冷害对植物的伤害大致分为2个步骤 1 膜脂发生相变 1 膜脂发生相变 在低温冷害下 生物膜的脂类由液晶态变化凝胶态 膜体紧缩不匀而出现断裂 会造成膜的破损渗漏 胞内溶质外流 低温引起与膜相结合的酶解离或使酶亚基分解失去活性 膜脂相变温度随脂肪酸链的加长而增加 随不饱和脂肪酸所占比例的增加而降低 不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的相对比值 可作为衡量植物抗冷性的重要生理指标 2 代谢紊乱 生物膜结构的破坏会引起植物体内新陈代谢的紊乱 代谢紊乱使有毒物质 如乙醇 在细胞内积累 时间过长导致细胞和组织死亡 二 冻害生理 1 冻害的类型冻害一般是由于结冰引起的 由于温度降低的程度与速度不同 结冰的类型不同 造成伤害的方式也不同 1 细胞间结冰及其伤害温度缓慢下降时 细胞间隙中的水分结成冰 即所谓胞间结冰 1 细胞间结冰及其伤害 胞间结冰引起植物受害的主要原因是 a 原生质过度脱水 使蛋白质变性或原生质发生不可逆的凝胶化 由于胞外出现冰晶 于是随冰核的形成 细胞间隙内水蒸汽压降低 但胞内含水量较大 蒸汽压仍然较高 这个压力差的梯度使胞内水分外溢 而到胞间后水分又结冰 使冰晶愈结愈大 细胞内水分不断被冰块夺取 终于使原生质发生严重脱水 1 细胞间结冰及其伤害 b 冰晶体对细胞的机械损伤由于冰晶体的逐渐膨大 它对细胞造成的机械压力会使细胞变形 甚至可能将细胞壁和质膜挤碎 c 解冻过快对细胞的损伤 结冰的植物遇气温缓慢回升 对细胞的影响不会太大 若遇温度骤然回升 冰晶迅速融化 细胞壁易于恢复原状 而原生质尚来不及吸水膨胀 有可能被撕裂损伤 2 胞内结冰伤害 胞内结冰是指温度迅速下降 除了胞间结冰外 细胞内的水分也冻结 一般是原生质内先结冰 紧接着液胞内结冰 产生的冰晶可直接破坏原生质中的各种膜和其它细微结构 胞内结冰往往是致死的 2 冻害的机理 1 膜伤害假说膜对结冰最敏感 低温造成细胞间结冰时 膜受到伤害 透性增大 溶质大量外流 另一方面膜脂相变使得一部分与膜结合的酶游离而失去活性 光合磷酸化和氧化磷酸化解偶联 ATP形成明显下降 引起代谢失调 严重的则使植株死亡 2 硫氢基假说 要点 结冰对细胞伤害主要是破坏蛋白质空间结构 冰冻时 原生质逐渐脱水 蛋白质分子相互靠近 相邻肽链外部的 SH彼此接触 两个 SH经氧化而形成 S S 键 或者一个分子外部的 SH基与另一个分子内部的 SH形成 S S 键 于是蛋白质凝聚 当解冻吸水时 肽链松散 由于 S S 键属共价键 比较稳定 蛋白质空间结构被破坏 导致蛋白质变性失活 三 植物适应低温过程中的生理生化变化 自然界当冬季严寒来前 随日照缩短 气温降低 植物体内会发生一系列适应低温的生理变化 提高了植物的抗寒性 这种逐步提高抗寒能力的过程称为抗寒锻炼 越冬作物 树木 抗寒锻炼要两个信号 光信号 SD 温信号 低温 初秋SD与初冬低温是提高植物抗寒性的诱导因素 抗寒锻炼是植物提高抗寒性的主要途径 其中发生了许多适应低温的生理生化变化 1 植株含水量下降随着温度下降 植株含水量逐渐减少 特别是自由水与束缚水的相对比值减小 2 呼吸减弱植株的呼吸随着温度的下降而逐渐减弱 消耗糖分减少 有利于糖的积累 代谢强度减弱 抗性增强 低温锻炼时光合 生长与贮藏物的变化 3 激素变化随着秋季日照变短 气温降低 许多树木的叶片逐渐形成较多的脱落酸 并将其运到生长点 芽 抑制茎的伸长 而生长素与赤霉素的含量则减少 4 保护物质增多在温度下降的时候 大分子物质水解加剧 可溶性糖 氨基酸 脯氨酸 含量增加 细胞液的浓度增高 减轻细胞的过度脱水 也可降低冰点 保护原生质胶体不致遇冷凝固 四 低温诱导蛋白 低温诱导蛋白 低温可以诱导植物的某些特定基因的激活 并得以表达 合成一组新蛋白 1 抗冻蛋白 AFP 一种能降低细胞间隙体液冰点的糖蛋白 冷水鱼类血液 2 冷调节蛋白 COR 与抗冻蛋白类似 植物体 3 胚胎发育晚期丰富蛋白 LEA 胚胎发育晚期 种子脱水时产生的蛋白质 低温也能诱导其产生 多数是高度亲水 沸水中稳定的可溶性蛋白 五 提高植物抗寒性的措施 抗寒锻炼在植物遭遇低温冷害之前 逐步降低温度 使植物提高抗冻的能力 是一项有效的措施 植株含水量下降 呼吸减弱 脱落酸含量增多 生长停止 进入休眠 保护物质的增多 可溶性糖 氨基酸 右图植株先在 下锻炼 天 和左图植株共同放在 下 天后 再放在室温下 天的生长状况 2 化学控制 一些植物生长物质可以用来提高植物的抗冻性 比如用生长延缓剂Amo1618与B9处理 可提高槭树的抗冻力 用矮壮素与其它生长延缓剂来提高小麦抗冻性已开始应用于实际 脱落酸可提高植物的抗冻性已得到比较肯定的证明 如20 g L 1脱落酸即可保护苹果苗不受冻害 3 农业措施 合理水肥管理 薄膜苗床 地膜覆盖 冬灌熏烟 盖草等 第二节植物的抗旱性 一 干旱的概念及类型干旱是一种气候状况 当植物耗水大于吸水时 就使组织内水分亏缺 导致植物水分过度亏缺的气候状况称为干旱 旱害 droughtinjury 则是指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害 植物抵抗旱害的能力称为抗旱性 droughtresistance 中国西北 华北地区干旱缺水是影响农林生产的重要因子 南方各省虽然雨量充沛 但由于各月分布不均 也时有干旱危害 一 干旱的概念及类型 1 大气干旱是指空气过度干燥 相对湿度过低 常伴随高温和干风 这时植物蒸腾过强 根系吸水补偿不了失水 从而受到危害 中国西北 华北地区常有大气干旱发生 2 土壤干旱是指土壤中没有或只有少量的有效水 这将会影响植物吸水 使其水分亏缺引起永久萎蔫 3 生理干旱土壤水分并不缺乏 只是因为土温过低 土壤溶液浓度过高或积累有毒物质等原因 妨碍根系吸水 造成植物体内水分平衡失调 从而使植物受到的干旱危害 大气干旱如持续时间较长 必然导致土壤干旱 所以这两种干旱常同时发生 二 干旱对植物生理过程的影响 干旱对植株最直观的影响是引起叶片 幼茎的萎蔫 萎蔫可分为暂时萎蔫和永久萎蔫暂时萎焉 蒸腾太大 降低蒸腾能消除水分亏缺 恢复原状 永久萎焉 土壤缺乏可利用水 降低蒸腾不能消除水分亏缺 只有浇水 才能恢复原状 二 干旱对植物生理过程的影响 1 改变膜的结构及透性当植物细胞失水时 原生质膜的透性增加 大量的无机离子和氨基酸 可溶性糖等小分子被动向组织外渗漏 干旱使得细胞严重脱水 膜脂分子结构即发生紊乱 膜因而收缩出现空隙和龟裂 引起膜透性改变 膜内脂类分子排列A 在细胞正常水分状况下双分子分层排列 B 脱水膜内脂类分子成放射的星状排列 2 对生长的影响 细胞分裂和伸长受到抑制 干旱时植物组织间按水势大小竞争水分 一般幼叶向老叶吸水 促使老叶枯萎死亡 幼嫩棉花植株的叶片由于水分胁迫而脱落左侧植株在试验过程中都在浇水 中间的与右侧的植株在重新灌水之前都分别受到适度的和严重的胁迫 在受到严重胁迫的植株上仅仅在其顶部留下一小丛叶片 2 对生长的影响 幼叶向分生组织和其它幼嫩组织夺水 影响这些组织的物质运输 例如禾谷类作物穗分化时遇旱 则小穗和小花数减少 灌浆时缺水 影响到物质运输和积累 籽粒就不饱满 对于其它植物 也常由此造成落花落果 影响产量 3 对光合作用的影响 水分不足使光合作用显著下降 直至趋于停止 干旱使光合作用受抑制的原因是多方面的 主要由于 水分亏缺后造成气孔关闭 CO2扩散的阻力增加 叶绿体片层膜体系结构改变 光系统 活性减弱甚至丧失 光合磷酸化解偶联 叶绿素合成速度减慢 光合酶活性降低 水解加强 糖类积累 这些都是导致光合作用下降的因素 水分胁迫对向日葵的光合效应与叶片扩展的效应这种类型是许多植株的一个典型 其中叶片的扩展对水分胁迫十分敏感 且在几乎不影响光合速率的温和胁迫下便会被完全抑制 4 对内源激素的影响 干旱时细胞分裂素含量降低 脱落酸含量增加 脱落酸含量增加还与干旱时气孔关闭 蒸腾强度下降直接相关 干旱时乙烯含量也提高 从而加快植物部分器官的脱落 5 对氮代谢的影响 干旱时植物体内的蛋白质分解加速 合成减少 这与蛋白质合成酶的钝化和能源 ATP 的减少有关 正常蛋白质合成减少 新合成一些胁迫蛋白 与蛋白质分解相联系的是 干旱时植物体内游离氨基酸特别是脯氨酸含量增高 可增加达数十倍甚至上百倍之多 5 对氮代谢的影响 目前认为脯氨酸含量剧增是植物抗旱性的一种表现 其生理作用 作为渗透调节物质参与渗透调节 可作为NH3的贮存形式 减少由于蛋白质水解产生的NH3对植物的毒害 复水后可作为可利用的氮源 增大细胞内生物大分子对水的亲和力 5 对氮代谢的影响 其它含氮物质的积累甜菜碱 作为一种渗透调节物质 降低渗透势 还能维持生物大分子的结构和完整性 维持其正常的生理功能 多胺 作为渗透调节剂 核酸酶和蛋白酶的抑制剂 6 对保护酶系统的影响 植物体内广泛存在的抗氧化酶系统 超氧化物歧化酶 SOD 过氧化氢酶 CAT 过氧化物酶 POD 等 能有效清除活性氧 保证细胞正常的生理功能 维持其对干旱胁迫的抗性 有研究表明 耐旱植物在逆境条件下能使保护酶活力维持在一个较高水平 有利于清除自由基 降低膜脂过氧化水平 从而减轻膜伤害程度 不耐旱植物在干旱胁迫下保护酶活性降低 三 严重干旱致死的原因 1 机械损伤假说细胞脱水时 细胞壁与原生质粘连在一块收缩 细胞壁韧性有限而形成许多锐利的折叠 原生质体被折叠的壁刺破 如果此时细胞骤然吸水复原 可引起细胞质 壁不协调膨胀把粘在细胞壁上的原生质撕破 导致细胞死亡 细胞脱水时细胞变形状态上 细胞脱水后萎陷状态 下 正常细胞 2 蛋白质凝聚假说 同硫氢基假说 3 膜伤害假说脱水时膜脂分子排列紊乱 膜上出现空隙或龟裂 透性加大 电解质外渗 酶的区域化被破坏 膜上的酶游离下来 影响酶活力 导致代谢失调 干旱引起的伤害 四 植物的抗旱性 1 植物的抗旱类型 避旱性 御旱性 耐旱性 指植物整个生长发育过程不与干旱逆境相遇 逃避干旱的危害 如沙漠中的短命植物 指植物通过形态结构的变化 增强吸水保水能力 在干旱逆境下各种生理生化过程仍保持正常状态 指在干旱逆境下植物可通过代谢反应阻止 降低或者修复由水分亏缺造成的损伤 使其保持较正常的生理状态 如渗透调节 2 耐旱植物的特点 1 形态特征 根系一般长达20米 2 耐旱植物的特点 2 生理特点细胞汁液浓厚 束缚水含量多 原生质具有较大的粘性与弹性 保水力强 抗机械损伤能力强 缺水条件下 气孔关闭程度小 光合作用仍维持较高水平 在干旱条件下各种水解酶活性保持稳定 减少大分子分解 代谢维持稳定 3 提高植物抗旱性的途径 1 抗旱锻炼将植物处于一种致死量以下的干旱条件中 让植物经受干旱磨炼 可提高其对干旱的适应能力 蹲苗 玉米 棉花 烟草 大麦等广泛采用在苗期适当控制水分 抑制地上部分生长 促进根系生长 以锻炼其适应干旱的能力 2 合理使用矿质肥料磷肥和钾肥均能提高植物抗旱性 氮素过多对作物抗旱不利 3 使用生长延缓剂和抗蒸腾剂矮壮素 CCC 等生长延缓剂可提高作物抗旱性 抗蒸腾剂 减少蒸腾失水 五 渗透胁迫与渗透调节 多种逆境都会对植物产生水分胁迫 水分胁迫时植物体内积累各种有机和无机物质 以提高细胞液浓度 降低其渗透势 这样植物就可保持其体内水分 适应水分胁迫环境 渗透调节物质 无机物和有机物a 无机物 K Cl Na 等 积累在液泡中 b 脯氨酸 干旱下的主要渗调物质c 甜菜碱 盐胁迫 水分胁迫时积累d 可溶性糖 多元醇 各种胁迫下都存在 不同植物可能有不同的渗透调节物质 但有机物质做为渗透物质 必须具有几个条件 1 分子量小 可溶性强 2 能为细胞膜保持而不易渗漏 3 在生理PH范围内不带电荷 不影响细胞的酸碱度 pH 4 高浓度下对细胞内酶的结构 活性影响小 5 生物合成迅速 并在细胞内迅速积累 第三节植物的氧胁迫 活性氧指化学性质活泼 氧化能力极强的氧代谢产物及含氧衍生物的总称 如超氧化物阴离子自由基 O2 羟基自由基 OH 过氧化氢 H2O2 脂质过氧化物 ROO 和单线态氧 1O2 植物细胞活性氧的形成电子自旋配对激活了基态氧 随后的电子吸收是放能过程 左下角示基态氧 O2 单线态氧 1O2 和超氧阴离子自由基 O2 的分子轨道和电子构象 羟自由基 OH 和水 H2O 由进一步吸收电子和质子而形成 一 植物体内活性氧的产生 PSI铁氧还蛋白O2还原型铁氧还蛋白O2NADP O2NADPHO2 O2 的产生 1 叶绿体中活性氧的产生 1O2的产生 叶绿素分子 chl 吸收光能后即由基态跃迁到单线态 1chl 1chl再转化成三线态 3chl 在有氧分子参与时 3chl将能量交给基态氧使氧成为1O2 而本身又回到基态叶绿素 chl 1chl 3chl chl hv 系统交叉 1O2 O2 H2O2 O2 OH OH 1O2 还可以由活性氧之间相互转化形成 Haber Weiss反应 H2O2的产生 PSI形成的进入叶绿体间质 通过歧化反应产生H2O2 O2 2O2 6H H2O2 2H2O NADH FMN Fe S UQ Cytb O2O2O2线粒体呼吸链上的电子泄漏产生活性氧 2 线粒体中活性氧的产生 3 羟自由基的产生 通过芬顿 Fenton 反应产生 Fe2 H2O2Fe3 OH OH通过Haber Weiss反应产生 H2O2 O2 OH OH 1O2 二 活性氧对植物的伤害作用 1 抑制生长环境中O2 活性氧 生长 2 损伤细胞的结构与功能活性氧引起细胞结构的损伤 如破坏叶绿体 线粒体的结构 使某些生化功能受损 3 诱发膜脂过氧化作用活性氧可引起膜脂不饱和脂肪酸的链式过氧化分解 使膜中的不饱和脂肪酸含量降低 引起膜的流动性降低 膜透性加大 膜脂有序排列受到破坏 内含物外渗 膜脂过氧化产物丙二醛也对植物细胞有毒害作用 4 对生物大分子的损伤活性氧有强氧化性 对许多生物大分子有破坏作用 活性氧能引起DNA结构的损伤 对大分子量的DNA有剪切 降解 修饰的作用 OH即能破坏蛋白质的一级结构 又能造成二 三级结构的损伤 O2 OH 可导致多种酶失活与MDA一样 使酶分子间发生交联 聚合 导致酶失活 攻击 SH 而 SH是多种酶活性中心的组成基团 因而使酶不可逆失活 通过氧化修饰酶蛋白的不饱和氨基酸或与酶分子中的金属离子反应导致酶失活 O2 三 植物对氧胁迫的抗性 植物体内活性氧清除系统包括酶系统和非酶促的活性氧清除剂 抗氧化剂 1 保护酶系统 1 超氧化物歧化酶 SOD 2O2 2H H2O2 O2植物体中的SOD有Cu Zn SOD Mn SOD Fe SOD三种类型 主要分布于叶绿体 线粒体 细胞质中 SOD 多种逆境如干旱 大气污染 低温胁迫等都有可能降低SOD的活性 从而使活性氧平衡被打破 抗逆性强的植物在逆境下SOD活性降低幅度小或保持相对稳定 避免或减轻了活性氧引起的伤害 1 保护酶系统 2 过氧化物酶 POD H2O2使卡尔文循环中的酶失活 高等植物叶绿体内H2O2的清除是由抗坏血酸过氧化物酶 AsA POD APX 单 脱氢抗坏血酸还原酶 谷胱甘肽还原酶来完成的 2ASA H2O22H2O 2MD ASA APX 单脱氢抗坏血酸 APX 抗坏血酸过氧化物酶MDHAR 单脱氢抗坏血酸还原酶DHAR 脱氢抗坏血酸还原酶GR 谷胱甘肽还原酶 1 保护酶系统 3 过氧化氢酶 CAT 主要存在于过氧化体中 负责过氧化体中H2O2的清除 叶绿体内无CAT 2H2O22H2O O2 CAT 2 抗氧化剂 一些非酶物质也具有清除自由基和活性氧的功能 抗坏血酸 ASA 谷胱甘肽 GSH 维生素E VE 类胡萝卜素 Car 甘露醇等 第四节抗性生理通论 一 逆境下植物的生理代谢变化1 寒冷 冰冻 高温 干旱 盐渍以及病害等逆境都会破坏植物的水分代谢 使细胞脱水 膜系统受损 透性增大 2 逆境会引起光合作用降低 同化物的形成减少 3 逆境下植物呼吸作用的变化高温 冰冻 盐渍等逆境下 植物的呼吸作用逐渐降低 在零上低温 干旱胁迫时 植物的呼吸作用发生先升高后降低 植物发生病害时 呼吸作用显著增强 氧化磷酸化解偶联 大大减少APT的供应 高温 低温 干旱等逆境会导致无氧呼吸增强 产生有毒物质 4 逆境下酶活性的变化高温 低温 干旱 盐渍胁迫下植物的合成酶活性降低 水解酶活性增强 糖类 蛋白质 RNA等的分解大于合成 导致葡萄糖 蔗糖和可溶性氮化物 如氨基酸 含量增加 相应提高了植物对有关逆境的抗性 二 生物膜与抗逆性 生物膜结构和功能的稳定性与抗逆性密切相关 多种逆境都会使植物细胞的膜系统受损 导致膜透性增大 内容物渗漏 膜系统的损伤主要由于膜脂过氧化 膜蛋白变性和膜脂流动性改变 造成膜相改变和膜结构破坏所致 三 逆境蛋白与抗逆性 目前发现许多逆境 包括高温 低温 干旱 病菌感染等 都会引起植物基因表达的变化 使植物体内原来正常的蛋白质合成受阻 同时诱导一些新蛋白质的产生 这些在逆境条件下诱导产生的蛋白质称为逆境蛋白 stressprotein 逆境蛋白 1 热激蛋白是植物经受短时间高温胁迫诱导产生的一类新蛋白 与植物的抗热性有关 2 病程相关蛋白 PRs 植物受病原菌感染或用一些特定的化合物处理后 会产生一种或多种新的蛋白质 即病程相关蛋白 PRs在植物体内的积累与植物局部诱导抗性和系统诱导抗性有关 3 低温诱导蛋白植物经一定时间的低温处理后会合成一些特异性的新蛋白质 如同功蛋白 抗冻蛋白 胚胎发育晚期丰富蛋白等 这些新蛋白质的出现与植物抗寒等的提高相伴随 4 渗调蛋白无论干旱或盐渍都能诱导出一些逆境蛋白 其中研究较多且较重要是26KD蛋白 其合成总是伴随着渗透调节过程的