2025年大学《化学生物学》专业题库- 植物逆境适应性与生存策略研究

2025年大学《化学生物学》专业题库——植物逆境适应性与生存策略研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、概念填空题（每空2分，共20分）1.植物在干旱胁迫下，叶片气孔关闭，这主要是由于内源激素__________水平升高引起的。2.非生物胁迫下，植物细胞内积累的__________和__________等渗透调节物质可以降低细胞渗透势，帮助维持细胞膨压。3.活性氧（ROS）的产生和清除失衡会导致膜脂过氧化，植物中清除ROS的主要酶系统包括超氧化物歧化酶（SOD）、__________、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）。4.植物在响应病原菌侵染时，除了茉莉酸/乙烯信号通路，另一个重要的防御信号通路是__________信号通路。5.在盐胁迫下，植物通过__________转运蛋白将过量积累的Na+从细胞质泵到液泡中，维持细胞质离子平衡。6.DREB/CBF转录因子通过识别DNA序列中的__________顺式作用元件来调控下游抗寒、抗旱基因的表达。7.植物次生代谢产物中的__________类化合物具有广谱的抗病虫活性，是植物重要的化学防御武器。8.利用CRISPR/Cas9技术对植物基因进行编辑，以提高其抗逆性，这体现了__________在生物性状改良中的应用潜力。9.代谢组学技术可以用来系统研究胁迫条件下植物体内__________的变化。10.能够特异性结合并结合目标分析物（如蛋白质、小分子）的分子探针是化学生物学研究中的重要工具，例如，__________探针可用于检测细胞内Ca2+浓度变化。二、简答题（每题5分，共20分）1.简述植物细胞感知渗透胁迫的初始信号及其传递过程。2.简要说明植物在高温胁迫下，光合作用系统会受到哪些主要伤害，以及植物如何启动防御机制来保护自身。3.什么是系统获得性抗性（SAR）？简述其信号传导的主要途径和特点。4.简述一株植物同时应对干旱和盐胁迫时，其生理生化响应可能存在的协同或拮抗效应。三、论述题（每题10分，共30分）1.深入论述植物体内活性氧的产生来源及其在信号传导中发挥的生理作用和潜在危害。2.结合具体的例子，论述表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）在植物适应性进化中的作用。3.试述化学生物学的方法（如分子探针、药物筛选、代谢组学）如何被应用于研究或改良植物的逆境适应能力，并举例说明。四、综合应用题（15分）某研究团队发现一种模式植物在遭受中度盐胁迫（200mMNaCl）后，其叶片中甜菜碱含量显著升高，同时脯氨酸合成相关基因的表达也上调，植物表现出较强的耐盐性。同时，他们检测到盐胁迫引发了钙离子（Ca2+）内流，并观察到参与茉莉酸信号通路的关键基因也部分上调。请基于以上信息，结合你所学的化学生物学知识，分析这种植物可能采用了哪些主要的耐盐生存策略？并简要阐述这些策略背后的分子机制。试卷答案一、概念填空题（每空2分，共20分）1.脱落酸（或ABA）2.脯氨酸；甜菜碱（或其他有效答案，如甘氨酸甜菜碱、海藻糖等）3.过氧化物酶（或POD）4.水杨酸（或SA）5.质子（或H+）/阴离子共转运（或NHX）6.CRT/DRE7.生物碱（或酚类；或皂苷等，只要属于常见抗病虫次生代谢物即可）8.基因工程（或合成生物学）9.代谢物（或小分子物质）10.光学（或荧光）二、简答题（每题5分，共20分）1.答案：植物细胞通过渗透感受器（如肌动蛋白丝）或离子通道感知细胞内外的渗透势差异。外界高渗导致细胞失水，细胞膜发生质壁分离。细胞质溶质浓度升高产生的渗透势变化，会改变离子通道（如K+通道）的通透性，导致离子内流或外流，进而改变细胞质离子浓度和渗透势。这些变化会激活下游信号分子（如Ca2+、ROS、蛋白磷酸化级联），最终引发基因表达改变和渗透调节物质合成等响应。解析思路：考察对渗透胁迫感受和初始信号传递基本过程的理解。需要回答感知机制、信号转导的关键分子（离子、Ca2+、ROS等）以及初步的响应方向（调节离子、合成渗透物）。2.答案：高温胁迫主要对光系统II（PSII）造成伤害，导致D1蛋白降解，光合色素（如叶绿素）分解，光合效率下降。同时，高温也可能导致叶绿体膜系统稳定性下降，活性氧积累。植物的防御机制包括：光系统II修复机制（D1蛋白的重新合成与插入）；非光化学淬灭（NPQ）增强，耗散过剩光能；增加抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT等），清除过量的ROS；关闭气孔，减少光能吸收和水分蒸腾。解析思路：考察对高温胁迫下光合作用损伤点和植物防御策略的理解。需要明确主要损伤对象（PSII）、具体表现（D1降解、色素分解）以及主要的防御措施（修复机制、能量耗散、抗氧化防御、气孔调节）。3.答案：系统获得性抗性（SAR）是指植物在局部部位受到病原菌侵染后，能够获得对多种不同病原菌的广谱、持久抗性的现象。其主要信号传导途径是水杨酸（SA）信号通路。病原菌相关分子模式（PAMPs）或伤害相关分子模式（HAMPs）被模式识别受体（PRRs）识别后，激活SA合成，SA通过韧皮部运输到未受侵染部位，诱导防御相关基因（如PR基因）的表达，产生病程相关蛋白（PRPs）等效应子，使植物获得系统抗性。解析思路：考察对SAR概念、信号通路（特别是SA通路）及其特点的理解。需要答出定义、核心信号分子（SA）、关键信号传递途径（PRRs、SA运输、PR基因表达）以及最终结果（广谱持久抗性）。4.答案：协同效应：干旱和盐胁迫都会抑制气孔导度，协同加剧植物的水分亏缺。两者都可能导致光合作用受损，协同抑制有机物积累。植物可能协同上调渗透调节物质（如脯氨酸、糖类）和离子区隔化相关蛋白（如NHX）的表达，共同维持细胞内环境稳定。胁迫信号也可能在信号传导层面存在部分共享通路（如Ca2+信号、ROS信号），协同激活下游防御响应。拮抗效应：高盐胁迫导致离子毒害（如Na+进入细胞），可能抑制某些仅在干旱条件下起作用的酶活性。高盐胁迫需要植物投入大量能量进行离子区隔化，可能挤占用于干旱适应相关物质（如脯氨酸）合成或气孔运动调控的能量。不同胁迫信号通路之间可能存在交叉抑制，例如，高盐胁迫可能抑制茉莉酸途径，从而减弱对某些生物胁迫的抗性。解析思路：考察对多胁迫交叉作用的理解，能分析协同和拮抗的可能性及原因。需要结合水分关系、离子平衡、光合作用以及信号网络层面的相互作用进行思考。三、论述题（每题10分，共30分）1.答案：活性氧（ROS）是植物在代谢过程中（如光合作用、呼吸作用、氧化还原反应）产生的含氧中间产物，主要来源包括：光系统II电子传递链、线粒体呼吸链、过氧化酶体中的脂肪酸氧化、金属离子催化等。生理作用：ROS作为重要的信号分子，参与调控多种植物生长发育过程和胁迫响应。例如，低浓度ROS可作为第二信使，激活蛋白激酶或磷酸酶，引发下游信号级联；在病原菌或昆虫攻击下，ROS积累有助于激活防御反应。潜在危害：当ROS产生过多或清除系统失衡时，会攻击细胞膜（引起脂质过氧化）、蛋白质（引起酶失活、聚集）、核酸（引起DNA损伤），导致细胞损伤甚至死亡，对植物生长发育和生存构成威胁。解析思路：考察对ROS产生来源、生理功能和潜在危害的全面理解。需要系统梳理ROS的生成途径，深入分析其在信号传导中的具体作用机制，并阐述其氧化损伤的后果。2.答案：表观遗传修饰是指不改变DNA碱基序列，但能够影响基因表达的可遗传的细胞核结构或功能变化。在植物适应性进化中，表观遗传修饰扮演着重要角色。DNA甲基化可以通过抑制DNA复制和转录，沉默有害基因或维持基因沉默，从而影响适应性性状的形成。组蛋白修饰（如乙酰化、甲基化、磷酸化）能够改变染色质的松紧状态（表观遗传状态），从而调控基因的可及性，影响基因表达谱的动态变化。在环境胁迫下，表观遗传修饰可以快速响应并重新编程基因表达，使植物适应新的环境条件。此外，表观遗传修饰的稳定性使得适应性性状能够在后代中遗传，促进物种的进化适应。例如，经历干旱胁迫的植物后代可能通过表观遗传修饰的改变，继承了父代获得的耐旱性状。解析思路：考察对表观遗传基本概念（不改变DNA序列、影响表达）及其在植物适应性进化中作用的理解。需要明确DNA甲基化、组蛋白修饰等主要类型，阐述它们如何调控基因表达，并解释其在环境适应和遗传中的作用机制。3.答案：化学生物学方法被广泛应用于研究或改良植物逆境适应能力。分子探针可用于检测逆境相关的信号分子（如Ca2+、ROS、激素）或关键蛋白在细胞内的动态变化，帮助解析信号传导网络。药物筛选可以利用已知的抗逆化合物（如渗透调节剂、抗氧化剂）或合成的小分子化合物，通过田间试验或离体实验评估其对植物抗逆性的影响，从中发现具有应用潜力的候选药物或植物生长调节剂。代谢组学技术可以全面分析胁迫条件下植物体内所有代谢物的变化，揭示关键的耐逆代谢通路和生物标志物，为理解耐逆机制和寻找改良靶点提供依据。此外，基因编辑技术（如CRISPR/Cas9）可以直接对植物的抗逆相关基因进行定点修饰，高效、精确地改良植物的逆境适应性。例如，通过CRISPR/Cas9技术敲除抑制抗寒基因表达的表观遗传修饰相关基因，可以提高植物的耐寒性。解析思路：考察对多种化学生物学工具（探针、药物筛选、代谢组学、基因编辑）在植物逆境研究中的应用的理解。需要结合具体例子，说明每种方法如何帮助研究耐逆机制或实现耐逆改良。四、综合应用题（15分）答案：该植物在中度盐胁迫下可能采用了以下主要耐盐生存策略：1.渗透调节：叶片中甜菜碱含量显著升高。甜菜碱是有效的渗透调节物质，可以降低细胞内渗透势，帮助细胞在盐胁迫下维持膨压，防止过度失水。2.渗透调节与氮代谢平衡：脯氨酸合成相关基因上调。脯氨酸不仅是渗透调节剂，也有助于维持细胞内pH稳定和参与氮代谢循环，增强植物对盐胁迫的耐受性。3.离子平衡与防御：盐胁迫引发Ca2+内流。Ca2+是重要的胞内信号分子，参与调节离子平衡（如激活钙调蛋白进而调控离子通道）和激活防御反应。Ca2+积累可能有助于维持细胞膜的稳定性。4.次生代谢防御：茉莉酸信号通路部分上调。这可能意味着植物正在启动或增强防御反应，以应对潜在的生物胁迫（如盐胁迫有时会诱发土传病原菌或害虫）或作为一种广谱胁迫适应策略。背后的分子机制可能包括：*甜菜碱合成途径激活：盐胁迫信号（如渗透胁迫、离子胁迫）激活了甜菜碱合成相关基因的表达和代谢途径，导致甜菜碱积累。*脯氨酸合成途径激活：盐胁迫下，脯氨酸合成酶活性增加或基因表达上调，促进脯氨酸的合成与积累。*Ca2+信号通路激活：盐胁迫引起的Ca2+内流，触发了下游的钙信号级联反应，可能涉及钙调蛋白、磷脂酶