抗污树种的高温适应性研究

1、福建农林大学生命科学学院植物的高温适应性研究进展专业年级：07级生物科学（基地班）姓 名：陈惠江学 号：070526029指导教师：柯玉琴教授完成时间：2010年12月2007 - 2008学年生物科生系开题报告及综述评分标准总分：评阅人：项 目选题（10 分）综述（40 分）技术路线（20 分）设计可行性（20分）进度安排（10 分）得 分植物的高温适应性研究进展福建农林大学生命科学学院2007级姓名陈惠江摘要：将具有较强抗污染特性的观赏植物应用于城市园林绿化，能吸尘、消音，吸收化解SO2、HF、Cl2、O3等有害有毒气体,分泌挥发性物质杀菌消毒,对改善城市人居环境,使市民免 受环境污染的影

2、响，具有重大意义。但是引进抗污树种的前提条件是引种能够适应引入地的 气候条件。本文希望通过研究高温胁迫对六种抗污树种生理生化的影响，进而对其高温区域的适应性做出合理性的评价。关键词：抗污树种、高温胁迫、耐热性、适应性一、研究背景园林绿化抗污树种的应用现状污染，一般是指空气、土壤、水源等混入对生 物有害或破坏环境卫生的物质的现象。 本文所称抗污染树种，主要是指对城市中 包括SO2、HF、Cl2、O3等在内的空气化学污染物抗性较强的园林绿化树种。 它们在污染较重的环境中，或能长期生长，或在一个生长季节内经受一、二次浓 度较高的有害气体急性危害后，仍能恢复生长，叶片基本上能达到终年常绿，或 虽出现较

3、严重的落叶、落花、芽枯死等现象，但生活能力很强，在较短时间内能 再度萌发新芽、新叶，继续生长发育。有些植物种类，对单种有害气体有较强的 抗性，如棕植I抗HF能力较强，碧桃、石榴对SO2抗性较强，银杏对O3的抗性 较强，山茶、金钱松对C12的抗性较强；而有些植物种类，对多种有害气体都具 有较强的抗性，如桂花SO2和HF气体，夹竹桃、海桐抗SO2、HF、C12、O3等 气体。大气中SO2污染是当前城市面临的日益严重和亟待解决的环境危机之一 ， 它不仅严重危害人类健康，而且已成为城市可持续发展的主要障碍，受到世界各 国普遍关注和重视。因此经济而有效的治理污染的措施势在必行，植物净化大气 的功能得到广

4、泛关注。人们发现，城市中植物分布较多的地方污染物浓度低；尤其 是从2004年开始，酸雨发生频率有逐年加重的趋势，原因就是由于空气SO2等 大气污染物的增加，所以利用植物来净化大气具有重要意义。 但抗污树种在异地 的推广种植上遇到了瓶颈。由于对引入地气候的不适应，具高效的净化能力可能受到抑制。本文希望通过研究高温胁迫对六种抗污树种生理生化的影响，进而对其高温区域的适应性做出合理性的评价。植物耐热研究要以植物形态与生理生化为基础 ，其中生理生化的研究是耐热 性研究的主要内容。在城市特殊的地理气候环境条件下，常规的园林植物的引种 必需经历一个完整的周期，所需要的时间长，见效慢，如果结合植物在不同逆境

5、下 的生理生化指标对引种的植物进行早期的评判和鉴定，则在一定程度上缩短引种的时间，提高引种的效率，而且，引种的目标性还可大大增强。在引种过程中，不同地 域植物的耐热性研究，是抗逆性研究中一个值得深入研究的课题。二、国内外研究现状1热胁迫任何作物生长都有其温度三基点，即最适温度、最高温度和最低温度。不同 作物所能耐受的最高温度不同，一般情况下，喜温作物耐受温度要比喜凉作物高 些。高温胁迫条件下，处于细胞最外层的细胞膜系统仅次于细胞壁感受到胁迫信 号，并通过信号传递途径将胁迫信号传递到细胞内，引起植物体内酶活性的变化 进而影响重要的生理生化反应及逆境诱导基因的表达和调控。但随着胁迫程度的不断增强，

6、胁迫所造成的伤害超过生物体自身的调控能力时，植物就开始表现外 观形态的热害症状1。2高温胁迫对植物解剖结构及细胞微观结构的影响植物叶片是光合作用的主要器官，而高温下植物蒸腾失水也主要通过叶片进 行。耐热性较强的植物叶片具有相应的特征来适应高温胁迫：耐热品种比感热品种气孔密度大，气孔开度和气孔腔小，部分气孔呈关闭状态2；另外,耐热品种的叶 肉细胞排列紧密，叶脉中的维管束特别是木质部导管发达，具有更大的叶片厚度、 栅栏组织厚度、栅栏组织/海绵组织3。在高温胁迫下，耐热品种的叶片气孔较小 且易关闭，这样虽减少了叶片水分的蒸腾，但同时也会由于叶片温度因水分蒸腾过 少而大幅度上升。所以耐热品种一方面具有

7、直接抵御体内水分过度丧失的旱生植 物结构特征，另一方面具有一系列生理生化方面的机制来忍耐和适应热胁迫。高 温胁迫除了影响植物形态和内部的组织器官结构外，还会影响到植物细胞各种细 微结构。耐热品种在高温下叶肉细胞的结构基本保持正常状态和完整性，叶绿体、 线粒体结构正常，而感热品种在高温下叶肉细胞的超微结构发生了明显的变化，叶绿体趋于变圆，叶绿体膜出现不同程度的断裂、解体，类囊体片层松散，严重时完全破裂，基粒类囊体松散，基质外流,核膜、核仁、核质出现不同程度的破坏，特别是核 仁逐渐消失，核内聚集很多染色较深的纤维状颗粒，而线粒体结构没有明显的变化 4,53高温对植物主要生理生化代谢的影响3. 1高

8、温对植物体内生物膜系统的影响高温胁迫引起的植物体细胞的受害症状反映在多个方面，其中对细胞内生物膜系统功能的影响是一个重要方面。细胞膜完整性丢失是受到的主要伤害之一， 这种伤害直接导致细胞渗透性增加和电解质的泄漏，表现在可直接测量的相对电导率的增加上。丙二醛(MDA )是膜脂过氧化的产物，也经常被作为评价植物抗 逆性的一个生理指标。胡安生等6认为高温胁迫与MDA增生是有密切关系的， 随着处理温度的提高,枳幼苗细胞中的MDA含量不断提高,当处理强度升至45 C 以上时，电解质的泄漏率大幅度增加，MDA含量比30c时增加近2倍。在大白 菜中的研究表明，可以将常温下与高温处理以后的内二醛含量的变化量进

9、行比 较，或者利用高温处理以后的内二醛含量作为抗热鉴定指标7。止匕外，在水稻上的研究也表明，随时间的推移，高温对水稻根系膜脂过氧化的影响热敏感型品种 仍显著大于耐热型品种网。3. 2高温对植物体内脯氨酸、蛋白质含量的影响高温逆境下氮素代谢失调是影响植物正常生长的重要原因。耐热种类或品种 在高温下能保持较高的蛋白质合成速率和较低的蛋白质降解速率9 0正常情况下，植物体内的脯氨酸含量很低，但当其处于逆境时其含量可急剧增加。一般来讲，脯 氨酸积累量与植物抗逆性呈正相关。有研究指出，在高温环境中，植物对高温的这种反应，即游离脯氨酸增加，是具体内水分亏缺所引起的。因为脯氨酸的水合能力 较强，水分亏缺时积

10、累的游离脯氨酸可作为一种溶质来调节细胞水分环境的变化 100积累的脯氨酸还可作为胁迫时能量和氨源的贮存库，解除胁迫后，直接参与植 物的代谢11。高温下植物可溶性蛋白质的含量与植物的耐热性有关。热激蛋白 (HSPs)是高温胁迫下植物体内产生的应激蛋白质，具相当一部分属于监护蛋白(chaperone)，主要参与生物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白 的复性和降解12。热胁迫可能诱导热激蛋白的合成。HSPs的出现与细胞的耐热 潜力发挥有关,HSPs可与逆境下解折叠蛋白质结合，防止其自发折叠成不溶状态。 同时HSPs也可利用ATP释放的能量，维持变性蛋白的可溶状态，并进一步使之复 性，从而

11、使植物具有耐热性1303. 3高温对植物保护酶系统的影响环境胁迫可以引起植株整体水平碳和氮代谢的改变 ，从而降低光合和生长 速率。然而在分子水平上,则由于活性氧的产生与清除系统之间的平衡被破坏,植物细胞中积累大量的活性氧，从而对许多重要的细胞组分造成氧化损伤。植物体内有效清除活性氧酶类包括超氧化物歧化酶 (SOD卜过氧化氢酶(POD卜抗坏 血酸过氧化物酶(A PX)和过氧化氢酶(CA T )等14。4. 4高温逆境对植物光合作用和呼吸作用的影响光合作用是植物物质转换和能量代谢的关键，温度逆境对其影响很大。高温处理下，净光合速率有较大幅度的降低。一般来说，耐热性强的植物在高温条件下 可以保持相对

12、正常的生理状态，维持较高的光合速率以保证植物生长或生存需要 150高温胁迫之所以降低光合速率，与高温对光合系统各组份的影响有关。定位 于类囊体膜上的光系统复合体在光合作用中对温度极为敏感，高温胁迫可诱导光合系统(PS)的有活性中心向无活性中心的转化，从而降低净光合速率16。高温可 引起叶绿素的降解，造成CO2溶解度、1 ,52二磷酸核酮糖竣化酶对 CO2的亲和 力以及光合系统中关键组分热稳定性的降低，这些都会影响到植物的光合速率17 细胞的超微结构研究发现，高温下叶绿体被膜出现不同程度的断裂、解体，类囊体 片层松散，排列紊乱,基质片层模糊不清。说明高温胁迫下，叶绿体结构的稳定性与 抗热性密切相

13、关180综上高温胁迫引起植物的光合作用及其相关成分活性或含 量的下降，而耐热品种降低程度比热敏感品种低，因此，净光合速率可以作为检测 植物耐热性的生理指标，并且可作为品种耐热性强弱对比指标。温度影响呼吸速 率主要是影响呼吸酶的活性19。高温胁迫下呼吸作用是一个极其复杂的过程，一方面高温直接影响酶的活力，使呼吸强度降低；另一方面呼吸作用又可以降解、解 除高温胁迫下体内一些有害物质，减轻高温逆境为害。不同植物种类高温逆境胁 迫呼吸强度的变化规律尚待进一步研究。4植物耐高温的分子生物学研究5. 1植物逆境抗性相关转录因子的研究在对植物逆境信号”导的研究中发现，转录因子是一个很关键的因素，在胁 迫刺激

14、下它们不断合成，并将信号传递和放大，调控下游基因的表达，从而引起 植物生理生化的改变。其中和植物逆境抗性相关的主要有4类：bZIP类,WRKY类,A P2?EREBP类和M YB类。虽然每种转录因子有各自主要的功能，但是同一 个胁迫事件可以有多种转录因子的参与 ，同一个转录因子也可以参与多个胁迫 事件。一个转录因子既然可以调控多个与同类性状有关的基因的表达，那么在提高作物对环境胁迫抗性的分子育种中，与导入或改良个别功能基因来提高某种 抗性的方法相比，导入或改良一个转录因子是提高作物抗逆性更为有效的方法 和途径。操纵一个转录因子就可通过它促使多个功能基因发挥作用，从而使植株 性状得到综合改良20

15、。4. 2植物耐高温的遗传规律研究耐热性杂种优势的方向和程度依组合不同而异，有表现部分显性的组合，也 有正的和负的超显性组合，但杂交组合热害后的恢复能力均表现正的超显性，而 且一般配合力和特殊配合力效应，亲本间和组合间差异均达到极显著水平210于 拴仓等22认为，大白菜的耐热性在重复中差异不显著 ，而重组自交系间有着显 著差异。由方差分析获得的广义遗传力为 77122%，证实了耐热性是一类遗传力较 高的数量性状。另外，以小穗育性热敏感指数为指标，检测到2个分别位于第4 和第8染色体上与小穗育性耐热性有关的 Q TL ,可分别解释表型总变异的1618% 和919%。其试验结果还表明，有8条染色体

16、的4对位点存在基因间互作，小穗 育性耐热性除受主效Q TL控制外，还受基因间互作及修饰基因的影响。5植物耐热性鉴定方法的研究进展5. 1外部形态性状鉴定法外部形态性状鉴定法，因其直观现实而为育种工作者所接受。高温胁迫下 ， 植物的外部形态往往发生反常的变化，从而影响其正常生长，进而使其性状发生 变化。高温胁迫时，萝卜耐热品种的叶型为板叶，叶面积大、叶厚、叶色深绿、 功能叶多23。刘进生等24把高温下的座果率作为番茄收获前预测品种耐热性的 重要指标，把产量作为评价番茄耐热性的突出表现因素。 罗少波等25则把高温结 球性作为大白菜耐热性的一个重要指标。而吴国胜等26认为上述方法在温带地区难以适用，

17、提出苗期经32C, 10 d的高温胁迫，叶片皱缩反卷能够稳定准确地鉴别品种的耐热性。此外，研究表明，甘蓝叶片发黄萎焉为热害指标的人工气候 箱高温胁迫鉴定方法可以明显地反映出甘蓝的耐热性差异,而且在3615c恒温下对甘蓝幼苗进行6 d的处理是甘蓝耐热性选择的适宜压力27。5. 2微观结构鉴定法微观结构鉴定虽然较复杂，但较准确、科学，能从细胞学的角度为耐热育种 提供理论依据。研究表明23,高温胁迫下，萝卜耐热品种比感热品种叶表皮气孔 密度大、体积小、开度小，叶肉细胞排列紧密，很少出现质壁分离，叶柄维管束 总面积大，具有发达的形成层及厚壁组织，这些结构特点均是与保持水分、免受 高温失水伤害相适应的。

18、苗琛等29认为，甘蓝在3839c高温胁迫下,耐热品种 叶肉细胞结构、亚细胞结构能保持正常状态和完整性，而热敏品种叶绿体膜断裂、 解体、类囊体片层松散、排列紊乱，基质片层模糊不清。6. 3生理生化指标鉴定法生理生化指标鉴定法主要是通过测定与对照品种间的生理生化指标的差异 来鉴定植物耐热性的方法，鉴定结果较为真实。司家钢等30认为电导百分率、半 致死温度、半致死时间结合高温胁迫后，它们的变化可能更好地反映品种间的耐 热性差异。此外，呼吸强度、脯氨酸含量等均与品种耐热性成正相关，可以作为鉴定品种耐热性的生理生化指标。至于过氧化物酶、MDA等与品种耐热性的关系如何，尚未取得一致结论，其作为耐热指标的鉴

19、定方法，尚待进一步研究。陈 火英等31对萝卜的研究也表明耐热品种在高温胁迫后，其过氧化物酶活性上升，同工酶带数增加。6抗污树种净化能力研究进展城市生态问题日益受到人们的重视320城市化改变了自然的空气环境，导致 粉尘、烟雾、细菌和S O2气体的增加33,这些严重危害了城市居民的身体健康。 近年来，对绿色植物生态效益的研究日益深入 ，在滞尘34、固碳释氧35-37、降温 增湿38、抗污能力因子39、吸收有毒气体40、抗污树种的选择41等方面做了 许多工作。6.1 吸收有毒气体绦柳、旱柳、国槐等树种因其极强的净化能力、抗逆性、生长速度和萌英能 力，是非常优秀的抗污染绿化树种，可以作房山区绿化的基调

20、树种.另外，侧柏、 火炬树、臭椿、刺槐这几个树种对二氧化硫、粉尘的抗性均很强40。6.2 抗污树种选择抗污树种的配置原则。一是抗性强的树种适宜种植在工厂去及街道两侧等长 期存在一定溶度有害气体或常有高溶度有害气体侵袭的环境中。二是抗性中等的树种应种植在有害溶度较低的环境中。三是抗性弱的树种只能种植在居民区等相 对清洁，可遮荫，防尘，隔音的环境中4106.3 影响抗污能力的因素植物抗二氧化硫能力强弱与其经污染后 SOD活性变化方式有关。S OD活性 升高的植物其抗性强于 SOD活性下降的植物，与 S O D本底值没有直接关系 41.三、当前抗污树种高温适应性研究存在的主要问题当前对高温胁迫的研究

21、主要集中农作物上，如蔬菜，玉米，水果，水稻上。而对一些乔木或灌木的研究比较少。 对于热胁迫下树种的研究更是寥寥无几。 另 一方面对抗污树种的研究主要集中于探索一些常见绿化树种对大气中的二氧化 硫，氟化氢，氯气，氯化氢等污染物净化能力。进而根据其对相关污染物的吸附 能力的强弱进行归类排序。这方面的研究成果也已经应用于一些城区及工矿区，对改善空气起到了一定的效果。但是在相关抗污树种的推广种植上研究甚少， 一 些在原产地高效抗污树种，由于对引入地气候的不适应，具高效的净化能力可能 受到抑制。本文希望通过研究高温胁迫对六种抗污树种生理生化的影响，进而对其高温区域的适应性做出合理性的评价。四、本研究的主

22、要内容本研究主要运用生理生化指标鉴定法， 通过测定与六种抗污树种的生理生化 指标的差异来鉴定植物耐热性。测定指标如下：1、叶比重测定2、光合作用强度测定3、植物细胞膜透性测定4、植物硝酸还原酶测定5、植物过氧化氢酶测定6、叶片超氧化物歧化酶测定7、丙二醛含量测定8、淀粉以及糖含量测定9、可溶性蛋白含量测定10、氨基酸总量测定11、脯氨酸含量测定参考文献1李爱国，屈霞，李小科，余筱南.植物耐热性的研究进展J.作物研究，2007,21(5):493-497.2苗琛,利容千，王建波.热胁迫下不结球白菜和甘蓝叶片组织结构的变化J.武汉植物学研究，1994,12 :207- 214.3彭永宏，章文才 狒

23、猴桃叶片耐热性指标研究J.武汉植物学研究,1995, 13 (1) : 70- 74.4苗琛，尚富德.热胁迫下不结球白菜耐热感热品种超微结构的差异J.河南科学，1996, 14(增干U ) : 9- 13.5苗琛,利容千，王建波.甘蓝热胁迫下叶片细胞的超微结构研究J.植物学报，1994,36(9):730-732.6司家钢，孙日飞 吴飞燕，等.高温胁迫对大白菜耐热性相关生指标的影响J.中国蔬菜，1995(4) : 4- 6, 15.7HuangB, Liu X, Fry J D. Shoot physiol ogical res ponses of two begrass cultivars

24、to high temperature and poor s oil eration J . CScience, 1998, 38: 1219- 1224.9ClaudiaPastene.Effect to high temperature on photosynthesis in beansn .CO2,Assimilation and metabolite C ontentsJ.Plant Physiol ,1996 ,112 :1253 -1260.10 Aspinall D,Paleg L G.Proline Acuumulation:Physiological Aspects ,Th

25、eph 2ysi2ology and Biochemistry of Drought Resistance in PlantM.New York : Academic Press ,1981 ,205 - 211.11刘应迪，李和平，肖冬林.高温胁迫下葬类植物游离脯氨酸含量的变化J.吉首大学学报2001 ,22(1) :1 - 3.12VierlingRL.The roles of heatshock proteins in plantsJ.AnnuRev PlantPhysiology ,1991 ,42 :257 - 260.13E lizabeth R W, E lizabeth Vie

26、rling. Ev olution and function o f the small heatshock proteins in plantsJ . Exp Bot ,1996 ,47(296) :325 - 332.,14杜秀敏，殷文璇，张慧，等.超氧化物歧化酶(SOD)研究进展J中国生物工程杂志,2003,23 (1) : 48- 50.15 Michel ,Havaux ,FlorenceT ardy. Loss o f chlorophy ll with limited reduction of photosynthesis as an adaptivere2sponse o f

27、Syrianbarley l and races tohigh 2light and heat stressJ. Australian Journal o f Plant Physiology ,1999 ,26 :569 - 578.16温晓刚，林世青，匡廷云.高温胁迫对光系统异质性的影响J.生物物理学 报,1996 ,12(4) :714 - 718.17Mehdiladjal,DanielEpron,MichelDucrey.Effectsof drought preconditioningonthermotolerance of photosys 2tem and susceptibi

28、lity of photosynthesis to heat stress in cedarseedlingsJ. Tree Physiology ,2000 ,20 :1235 - 1241.18苗琛，利客千，王建波.甘蓝热胁迫叶片细胞的超微结构研究J.植物学报，1994,36(9):730 -732.19潘瑞炽，董愚得.植物生理学M.北京:人民教育出版社,1979.20桑新华，吴忠义，黄丛林，等.植物逆境抗性相关转录因子的研究进展J.植物学通报,2004,21 (6) : 700- 708.21陈火英，张建华.萝卜抗热性的杂种优势及配合力的初步分析J.上海蔬菜,1991, (1) : 2021.22于拴仓，王永健，郑晓鹰.大白菜耐热性 QTL定位与分析J.园艺学报,2003,30 (4) : 417- 420.23韩笑冰，利容千，王建波.热胁迫下萝卜不同耐热性品种组织结构比较J.武汉植物学研究，1997,15 (2) : 173-178.24刘进生，汪隆植，李式军，等.番茄耐热优良品种筛选初