植物抗性生理

1、高盐、低温胁迫的分子调控机理我国的基本国情决定了我国 21 世纪农业可持续发展必将受到由 土地资源严重短缺和环境恶化所造成的粮食安全的严峻挑战。 我国农 作物生产中的淡水、 土地等资源严重匮乏已严重制约着我国农业的可 持续发展， 而愈来愈多的耕地的大面积盐渍化和荒漠化、 淡水资源短 缺问题的加剧等又使作物生产中的环境胁迫问题更加严峻。 我国的可 耕地中有近三分之一面积的土地受到不同程度盐渍化的影响， 而且盐 渍化耕地面积还在逐年增加。此外，我国还有 15 亿亩以上的荒地和 滩涂是盐碱地。土地盐渍化是造成我国西部等许多地区及沿海滩涂 中、低产田和大面积土地资源难以被有效利用的直接原因。 我国北方

2、 大部分地区和南方的早春、 晚秋季节的农作物生产频繁地遭受低温冷 害。据保守估计， 盐碱、低温等环境胁迫造成的我国主要农作物减产 每年高达总产的 15%以上。过去半个多世纪的研究表明，同种作物的 不同基因型品种或不同种类作物的耐盐、耐低温等抗逆性状是不同 的，表明植物的抗逆性状是受遗传基因控制的。 因此，通过培育适宜 于在盐碱、荒漠化、易受低温侵害地区栽培的农作物抗逆新品种将不 仅能够有效增加我国农作物产量， 而且还能通过有效利用部分盐渍化 土地而大大地缓解我国土地资源匮乏的问题。 如何尽快通过利用现代 作物分子育种技术培育 耐盐、耐低温作物品种首先依赖于对植物适 应盐碱、低温胁迫的分子调控机

3、理和抗逆性状表达的分子遗传机制的 认识。因此，尽快开展本项研究是我国农业可持续发展的重大需求。本项目拟围绕作物响应高盐、 低温等环境胁迫的信号转导及基因表达 调控机理和植物耐盐、 耐低温性状重要新基因的克隆与功能分析开展 研究，课题设置和主要研究内容包括：（ 1）模式植物和农作物细胞 感受、传递、响应盐碱、 低温等胁迫的细胞信号转导分子机理，包括 探讨植物激素、受体激酶、钙信使、细胞骨架、蛋白激酶等参与的逆 境信号转导分子调控途径及其相互间的网络调控关系；（ 2）作物响 应盐碱、 低温等胁迫的基因表达调控机理， 包括逆境诱导转录因子及 其作用的启动子调控元件的克隆和功能分析及重要耐逆基因的转录

4、 调控模式和机制；（ 3）作物重要抗逆性状和关键代谢途径相关的重 要新基因的克隆和功能分析；（ 4）重要耐盐、耐低温资源植物的特 殊耐盐、耐低温重要新基因的克隆和功能分析；（ 5）不同作物和模 式植物比较基因组及植物耐盐、 耐低温信号转导与基因表达网络调控 机理研究； （6）作物耐盐、耐低温性状的分子调控技术研究，包括： 逆境特异诱导型和组织特异表达型启动子的分析与构建、 多基因遗传 转化技术体系的建立及转基因作物的生物学效应研究。通过项目实施， 克隆 30 个以上对植物耐盐、 耐低温性状表达有 重要功能的新基因并完成对其功能的解析，初步阐明2、3 个植物适应高盐、 低温、高渗胁迫的信号转导和

5、基因表达分子调控网络 途径， 完成对其中 10 个左右关键调控因子的详尽分析；初步完成 2 3 种主 要农作物的耐盐、耐低温抗逆性状的分子育种技术设计等。本项目拟围绕作物响应高盐、低温等环境胁迫的信号转导及基因表达调 控机理和植物耐盐、耐低温性状重要新基因的克隆与功能分析开展研究。课题设置和主要研究内容包括 ：（1）模式植物和农作物细胞感受、传 递、响应盐碱、低温等胁迫的细胞信号转导分子机理，包括探讨植物激 素、受体激酶、钙信使、细胞骨架、蛋白激酶等参与的逆境信号转导分 子调控途径及其相互间的网络调控关系；（2）作物响应盐碱、低温等 胁迫的基因表达调控机理，包括逆境诱导转录因子及其作用的启动子

6、调 控元件的克隆和功能分析及重要耐逆基因的转录调控模式和机制；（3）作物重要抗逆性状和关键代谢途径相关的重要新基因的克隆和功能分 析（4）重要耐盐、耐低温资源植物的特殊耐盐、耐低温重要新基因的克隆和功能分析；（5）不同作物和模式植物比 较基因组及 植物耐 盐、耐低温信号转导与 基因表达网络调控机理研究；（6）作物耐盐、耐低温性状的分子调控技术研究， 包括：逆境特异诱导型和组织特异表 达型启动子的分析与构建、多基因遗传转化技术体系的建立及转基因作 物的生物学效应研究。 植物的生长发育需要一定的温度条件，当环境温度超出了它们 的适应范围，就对植物形成胁迫；温度胁迫持续一段时间， 就可能对植物造成不

7、同程度的损害（彩版8-5）。温度胁迫包括高温胁迫、低温胁迫和剧烈变温胁迫。（一）高温胁迫当环境温度达到植物生长的最高温度以上即对植物形成高温胁迫。高温胁迫可以引起一些植物开花和结实的异常。在自然界，高温往往与其他环境因素特别是强光照和低湿度相结合对 植物产生胁迫作用。植物幼苗因土面温度过高近地面的幼茎组织被灼伤而表现立枯症状；这种病害在温度变化大的黑土、 砂质土和干旱情况下发生较重。高温危害植物的机制主要是促 进某些酶的活性，钝化另外一些酶的活性，从而导致植物异常的生化反应和细胞的死亡。高温 还可引起蛋白质聚合和变性，细胞质膜的破坏、窒息和某些毒性物质的释放。（二）低温胁迫当环境温度持续低于植

8、物生长的最低温度时即对植物形成低温胁迫，主要是冷害和冻害。冷害也称寒害，是指0 C以上的低温所致的病害。喜温植物如水稻、玉米、菜豆以及热带、亚热带的果树如柑桔、菠萝、香蕉以及盆栽和保护地栽培的植物等较易受冷害。当气温低于10 c时,就会出现冷害，其最常见的症状是变色、坏死和表面斑点等，木本植物上则出现芽枯、顶枯。早稻秧苗期遇低温寒流侵袭易发生青枯死苗。晚稻幼穗分化至扬花期遇到较长时间的低温也会因花粉粒发育异常而影响结实。冻害是0 c以下的低温所致的病害。冻害的症状主要是幼茎或幼叶出现水渍状、暗褐色的病斑，之后组织死亡；严重时整株植物变黑、干枯、死亡。早霜常使未木质化的植物器官受害，而晚霜常使嫩

9、芽、新叶甚至新稍冻死。此外，土温过低往往导致幼苗根系生长不良，容易遭受根际病原物的侵染。水温过低也可以引起植物 的异常，如会引起坏死斑症状。低温危害植物的机制和高温有所不同。低温对植物的伤害主要是由于细胞内或间隙冰的形成细胞内形成的冰晶破坏质膜，引起细胞的伤害或死亡。细胞间隙的水因含有较少的溶质而比 细胞内更容易结冰。细胞内水的结冰点与细胞含水量有关，溶质多，冰点高，一般为-5 c-10 c；某些植物病原细菌和腐生细菌具有催化冰核形成的能力 使植物更容易受到霜冷的危害。（三）剧烈变温胁迫剧烈变温胁迫是指在较短的时间内外界环境温度变化幅度太大， 受的程度。剧烈变温对植物的影响往往比单纯的高温和低

10、温更大。，可以使细胞水的冰点提高，超出了植物正常生长所能忍例如，昼夜温差过大可以使苹果、梨等木本植物的枝干发生灼伤或冻裂，这种症状多见于树干的向阳面；在温室和露地温度差异很大的情况下，温室培养的植物幼苗移栽到露地后容易出现枯死，如龟背竹、喜 林芋、橡皮树和香龙血树等盆栽观赏植物可因快速升温引起新生叶片变黑、腐烂。温度影响植物生长，植物在10度时开始萌动，15度开始生长。低于10度，植物开始进入休眠期。这是植物适应温度变化的自我保护系统。热带植物耐高温，寒带植物耐低温，如雪莲花，只有在寒冷的雪天开花还有特殊情况：植物在生长过程中， 温度突然升高会造成植物，或降低太高温度，植物会叶子枯萎，严重会死

11、亡。植物寒害一般分为两种：冰点以上低温对植物的伤害为冷害；冰点以下低温对植物的伤害为冻害。本文主要讨论前者。低温在一定程度上破坏细胞膜，从而影响膜系统维持的生理功能1,2。研究指出，大部分植物在温度介于01 5C之间时一系列生理功能被破坏3。根据对低温的抗性将植物分为两类：低温敏感型，如玉米（极限温度4C ），香蕉（极限温度1 4C ）;低温非敏感型，这类植物在1 5C以下0C以上时受冷害的迹象不明显4。生活在寒带及温带早春、晚秋的植物一般对冷害的抗性较强，原产在热带和亚热带地区的植物、以及温带夏季生长的短命植物对冷害的抗性一般较弱。同一作物不同品种间对冷害的抗性也有显著差异5。低温冷害是限制

12、物种分布与农业生产的重要因素1,6。黑龙江属高寒地区，玉米是其主要农作物之一，因此研究低温对玉米伤害有重大的实际意义。1材料与方法1 .1材 料东农846号玉米自交系，由东北农业大学农学院育种教研室提供。1 .2 方法1 .2 .1发芽率的测定取1 5 0粒玉米846自交系种子，在75 %乙醇中浸泡1 0 S,继而用温度胁迫是影响作物产量和地理分布的重要环境因子之一，高温热害和低温冷害影响植物生长发育的各个阶段。由于人类主要的食物是由开花植物通过有性生殖过程产生的，因此认识植物在有性生殖发育阶段如何适应温度胁迫的机理，对于应对环境变化对农业生产的影响至关重 要。目前，许多研究结果已经比较详细地

13、阐述了温度胁迫对植物生长发育的影响，但其研究主要集中在植物根、茎、叶等组织，对发育阶段时间比较短且非常复杂的植物生殖器官的研 究非常稀少。虽然如此，但科学家很早就注意到，植物有性生殖对低温冷胁迫高度敏感，最终导致农作物产量大幅降低。在植物有性生殖阶段，温度胁迫可以导致生殖器官结构和功能 的异常，以及受精失败等严重后果。目前认为，在植物整个生命周期中，其雄性生殖器官发育对低温冷胁迫最为敏感。最近，西双版纳热带植物园分子生物学研究组余迪求研究员指导的博士研究生邹长松 同学以模式植物拟南芥花粉为研究材料，通过基因功能分析手段证实了植物成熟花粉粒对低温冷胁迫敏感，是由于花粉粒特异表达的转录调控因子WR

14、KY34卬制低温诱导的 CBF1 CBF2和CBF3等基因表达所致。相关研究结果发表于国际重要期刊实验植物学期刊（Journalof Experime ntal Bota ny）。植物WRKY基因家族是植物独有的转录调控因子超级家族，在调控植物抵抗生物和非生物逆境胁迫反应及其信号转导途径方面发挥非常重要的生物学功能。邹长松等的研究发现，拟南芥转录调控因子 WRKY34基因在植物成熟花粉细胞中特异表达，同时受低温冷胁迫强烈 诱导表达。遗传分析证明，WRKY34基因T-DNA插入突变体（wrky34-1和wrky34-1）的成熟花粉粒对低温冷胁迫的敏感性比野生型显著降低，其花粉活力在低温冷胁迫后显

15、著高于野生型。通过比较分析低温冷胁迫对植物成熟花粉粒的活力、花粉萌发、花粉管伸长以及最终对植株种子产量等方面的影响，也进一步证实wrky34成熟花粉的花粉活力显著地高于野生型；而且，WRKY34高表达转基因植株的成熟花粉粒即使在没有冷处理的条件下也表现出 不育。这说明WRKY34作为一个负转录调控因子参与了成熟花粉粒对低温冷胁迫的响应。在野生型植株的成熟花粉粒中，受低温强烈诱导的CBF1，CBF2和CBF3基因不能被冷诱导，而在wrky34中CBF系列基因及其下游靶基因能够被强烈的诱导，这表明 WRKY34可 能在成熟花粉粒中负调控CBF系列基因的表达，从而参与成熟花粉粒对低温冷胁迫的响应。（

16、来源：中科院西双版纳热带植物园）生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解， 最终生成二氧化碳或其他产物，并且释放出能量的总过程，叫做呼吸作用。呼吸作用，是生物体在细胞内将有机物氧化分解并产生能量的化学过程，是所有的动物和植物都具有一项生命活动。生物的生命活动都需要消耗能量，这些能量来自生物体内糖类、脂类和蛋白质等有机物的氧化分解。生物体内有机物的氧化分解为生物提供了生命所需要的能量，具有十分重要的意义。1.呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。（呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分储存在ATP中。当ATP在酶的作用下分解时，就把储存的能量释放出来，用于生物体的各项生命活

17、动，如细胞的分裂，植株的生长，矿质元素的吸收，肌肉的收缩，神经冲动的传导等。02.呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。（在呼吸过程中所产生的一些中间产物，可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。）对生物体来说，呼吸作用具有非常重要的生理意义第一，呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分储存在ATP 中。当ATP在酶的作用下分解时，就把储存的能量释放出来，用于生物体的各项生命活动， 如细胞的分裂，植株的生长，矿质元素的吸收，肌肉的收缩，神经冲动的传导等。第二，呼吸过程能为体内其他化合物

18、的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物， 可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。植物呼吸作用过程：有机物（储存能量）+氧（通过线粒体） t二氧化碳+水+能量化学式有机物（储存能量）（一般为葡萄糖C6H12O6 ） +02 t （条件：酶）CO2+H2O+大量能量无氧呼吸化学式有机物（C6H12O6 ） t2C2H5OH+2CO2+少量能量（条件：酶）有机物（C6H12O6 ） t2C3H6O3发酵工程：发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接用微生物参与控制某些工业生产过程

19、的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精， 利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物， 使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，利用DNA重组技术有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长素等。（乳酸）+少量能量（条件：酶）吸收 CO2，释放出O2光合作用是叶绿体吸收并利用光能，将CO2和H2O合成有机物并释放 O2，将光能转换为化学

20、能的过程。光合作用形成的糖，可变为蔗糖或淀粉，而淀粉是我们食物的主要来源。所以光合作用又被称作地球上最重要的化学反应 ”对生物体来说，呼吸作用具有非常重要的生理意义第一，呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分储存在ATP 中。当ATP在酶的作用下分解时，就把储存的能量释放出来，用于生物体的各项生命活动， 如细胞的分裂，植株的生长，矿质元素的吸收，肌肉的收缩，神经冲动的传导等。第二，呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物， 可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基

21、酸的原料。植物呼吸作用过程：有机物（储存能量）+氧（通过线粒体） t二氧化碳+水+能量化学式有机物（储存能量）（一般为葡萄糖C6H12O6 ） +O2 t （条件：酶）CO2+H2O+大量能量无氧呼吸化学式有机物（C6H12O6 ） t2C2H5OH+2CO2+少量能量（条件：酶）有机物（C6H12O6 ） t2C3H6O3 发酵工程：发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，现代发酵工程作为现代生物技术的一个DNA重组技术有目的地改造原有的菌种使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。 重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，利用 并且提高其产量；对生