园艺植物抗旱生理.ppt

1、园艺植物水分胁迫大姨妈和耐旱性反应历程的研究进展，任意静、背景和意义水分胁迫的大姨妈反应水分胁迫的生化反应渗透胁迫调节基因耐旱性反应历程的结束语，目录、背景和意义、干旱是限制植物生长发育、基因表达和产量的重要因素。 世界约三分之一的土地面积属于干旱区或半干旱区，干旱对农作物的危害在所有非生物胁迫中占首位，仅次于生物胁迫病虫害。 因此，研究植物对水分胁迫的适应性及其反应历程，对人类生存至关重要。 在长期进化过程中，园艺植物为了适应干旱胁迫，发生了一系列的大姨妈生化反应，逐渐形成了抗旱性强的反应历程。 研究了苹果、梨、草莓、核桃、栗子等园艺植物在水分胁迫下的形态特征和大姨妈生化变化. 近年来，随着

2、分子生物学理论、现代生物技术的发展及其广泛应用，对园艺植物水分胁迫大姨妈和耐旱性反应历程的研究越来越深入。 对该问题的研究进展作一简要综述。 二、水分胁迫的大姨妈反应，一、膨胀压力的变化植物的许多生长和大姨妈过程是在一定的膨胀压力条件下完成水分胁迫的条件下植物细胞球膨胀压力首先发生变化。 膨压是细胞球生长的驱动力，植物在干燥条件下保持细胞球膨压能力的强弱，是植物适应干燥保持正常生长的关键。 强大的膨胀维持能力，可以维持气孔开放和高光合速率，保证高产量。 苹果研究表明，维持膨压能保护绿色素免受破坏，严重水分胁迫时，会丧失维持膨压的能力，影响叶片的生长和光合作用。 梨树在长期抗旱过程中，积极提高了

3、溶质积累能力，在低渗透压状态下保持了膨胀压力变化，降低了质壁分离，增强了树体的抗旱性。 2、光合用变化水分胁迫不仅降低植物的光合速率，而且抑制光反应中原始光能量转化、电子传递、光合磷酸化和光合暗反应过程。 在水分胁迫下，叶表面的气孔开度变小，阻止CO2进入体内，光合作用下降。 由于得不到外界的CO2，光能的化学能在正常的CO2条件下被用于碳同化，叶子受到光抑制，叶子的超微结构持续损伤和不可逆破坏。 研究表明，在土壤严重干旱条件下，苹果一年来幼树叶绿体形态结构发生明显变化，化学基粒内包裹体膨胀，囊内空间增大，空泡化类囊体排列方向发生变化. 说明了其光合作用机构在某种程度上受到破坏性的影响。 三、

4、水分胁迫的生化反应，一、ABA的积累从六零年代末期开始，对外施ABA发现叶片气孔关闭后ABA对植物抗旱作用进行了广泛研究。 发现水分胁迫下，植物体内ABA水平迅速上升，ABA的积累使气孔导度降低，干燥条件下植物水分损失减少，抑制茎叶生长，促进根系生长，增加根/冠比。 但是，ABA对植物有双重作用，即以低浓度促进植物的生长，以高浓度抑制植物的生长。 对于苹果的根系也得到了同样的结果。 研究了脱水对苹果根系ABA和酪氨酸蛋白激酶活性的影响，发现酪氨酸蛋白激酶活性的高峰出现在吸收根和延长根ABA浓度迅速上升之前，酪氨酸蛋白激酶可能作为信号成分开始ABA合成，且水分胁迫下ABA积累的细胞球信息传递过程

5、中参与了可逆的酪氨酸蛋白激酶磷酸化，进一步发挥了酪氨酸蛋白激酶作用许多研究者从拟南芥中分离到了分裂原激活的酪氨酸蛋白激酶基因MAP、核糖体酪氨酸蛋白激酶基因ATPK6和ATPK19、受体酪氨酸蛋白激酶基因PPK1和转录控制酪氨酸蛋白激酶基因AtDbf2中. 这些个的酪氨酸蛋白激酶基因都是在干旱、高盐或低温等胁迫下诱导表达的基因，它们查询密码的产物(酪氨酸蛋白激酶)分别在细胞信号不同的过程中发挥作用。 ABA与酪氨酸蛋白激酶基因表达的关系有待进一步研究。2、小分子物质的积累、干燥和盐渍等逆境在一定程度上降低了环境渗透，导致植物细胞球脱水，生理学上称这种胁迫为渗透胁迫。 在渗透胁迫下，植物体内积累

6、了具有渗透保护作用的渗透调节(Osmotic Adjustment，OA )物质，如脯氨酸(Pro )、甜菜碱、胆碱、肌醇、甘露醇、多胺等。 2.1 Pro的积累作为渗透调节物质，Pro大量积累在植物细胞球中，主要是由于胁迫的原因从一开始就合成的。 研究证明，植物体内存在Glu (谷氨酸)通路和Orn (鸟氨酸)通路两种Pro合成路线，在个体发育初期，Orn合成Pro通路对蛋白质合成起着重要作用，而Glu合成Pro存在于个体发育的整个阶段。 在渗透胁迫下，从Glu合成Pro是Pro合成的主要方法。 逆境中Pro积累有三个原因： Pro的合成得到加强，Pro积累的主要原因Pro的酸化作用得到抑制

7、，蛋白质氧化的中间产物转化为Pro的蛋白质合成降低，从而抑制Pro参与蛋白质的过程，Pro积累。 研究表明，中、轻度土壤干旱时，随着土壤干旱时间的延长，苹果叶片Pro含量增加到最大值土壤干旱严重时，Pro含量减少。 2.2甜菜碱的积累近年来，甜菜碱成为研究的热点。 蓄积甜菜碱的植物比蓄积Pro的植物对干燥、盐渍等逆境的耐受力高。 甜菜碱是高等植物最主要的代谢蓄积产物之一，无毒的渗透保护剂，其蓄积可使植物细胞球在渗透胁迫下维持正常的功能。 在高等植物，甜菜碱被胆碱两步氧化，并被胆碱单氧化酶(CMO )和甜菜碱黄素脱氢酶(BADH )催化。 从菠菜、甜菜、菠菜中爱沙尼亚克朗cDNA。 3、当氧化活

8、性物质和自由基的积累正常时，植物体内自由基和氧化活性物质的产生及在细胞球内的清除存在于动态平衡态中。 水分胁迫妨害植物体内氧化活性物质和自由基的产生与清除的平衡，使植物体内蓄积大量的氧化活性物质和自由基。 蛋白质和膜脂容易受到氧化活性物质，特别是高反应的OH-的攻击，导致蛋白质的氧化损伤、膜脂不饱和脂肪酸的过氧化和膜脂脱酰化损伤。 膜脂过氧化使膜上空隙增大，通透性增加，络离子大量泄漏，引起绿色素蛋白复合物的结合松弛，绿色素含量显着降低，严重时植物领便当。 姚允聪等人用PEG溶液处理苹果幼根，发现peg 1.5 %重度水分胁迫下活性降低，叶绿体光能量传递受阻，大量产生O2-，苹果可能是氧化活性物

9、质和自由基发生的重要来源。 4、小分子蛋白积累4.1调渗透蛋白(Osmotin，OSM )在水分、盐渍等胁迫下，植物可以通过对渗透胁迫的适应过程合成蛋白质OSM，作为蛋白质保护剂。 除水分、盐胁迫外，ABA也可诱导OSM合成，经ABA处理的烟草细胞球中OSM的mRNA含量高于对照的1.5倍的渗透胁迫下，如果引起mRNA蓄积，则云同步中ABA也大量增加。 表明OSM基因的表达受转录水平的控制。 OSM可能对渗透压敏感，植物被认为能通过OSM对渗透压胁迫的易感性识别环境胁迫，但OSM的作用机制尚不清楚。 4.2 Lea蛋白(胚胎发育后期浓缩蛋白) 1981年Dure等首先从棉籽发育后期胚胎发现了大

10、量蓄积的蛋白Lea蛋白。 其结构推测，Lea蛋白可能在种子成熟、干燥过程和渗透胁迫条件下保护细胞球免受水势减弱的影响。 查询密码这种蛋白质的基因被称为Lea基因，是在种子成熟和胚胎发育阶段中特异性表达的基因，也可以在植物受到干燥、低温和盐渍等胁迫而脱水的营养组织中表达。四、渗透胁迫调节基因，植物在干旱引起的渗透胁迫下，在分子水平上，在细胞球对渗透胁迫的响应中，启动或抑制某些基因的表达，这些个基因被称为渗透胁迫调节基因。 根据其在渗透调节中的作用，渗透调节物质的合成基因参与细胞球内渗透调节物质的合成，目前爱沙尼亚克朗的基因主要有1 -磷酸甘露醇氢化酶基因、6 -磷酸山梨醇氢化酶基因、果糖蔗糖酶基

11、因、6 -磷酸海藻糖合成酶基因， Pro合成酶催化剂基因(ProA，ProB )、BAD基因、CMO基因、P5cS基因、Osmotin基因、Lea基因，即能够传递、传递压力信号的基因和能够调节基因表达的转录因子，即酪氨酸蛋白激酶基因、蛋白酶基因、DREB 抗氧化基因与干旱、盐渍、低温等渗透胁迫对植物的伤害和细胞球水平氧化应激密切相关，植物细胞球内这种基因的表达产物，如SOD、ASA、GS、维生素等，可清除自由基和氧化活性物质所致的氧化应激. 其他还有跨膜输送水分子的水路蛋白质基因、Pro和甜菜碱运输系统等。 五、耐旱性反应历程、一、ABA调节反应历程ABA在植物发育的许多重要过程中发挥着重要的

12、调节作用，对云同步、植物对逆境的反应发挥着重要的调节因子作用。 关于ABA诱导气孔关闭，Hurtung(1983 )、Hornberg(1984 )通过控制ABA的作用部位在质膜外，质子从质膜流入质外体，控制细胞贴壁的氧化，降低酸诱导细胞贴壁的松弛能力，从而开始扩张细胞球，气孔Assmann(1993 )研究表明，ABA对保护细胞球的络离子转运过程至少有4个效果：抑制内向转运的k通道，激活外向转运的k通道，促进Ca2通道的开放和膜的极化。 ABA可诱导细胞球内Ca2浓度上升，提高细胞质的pH值，并促进气孔关闭的Ca2浓度上升，使k从保护细胞球流出，使保护细胞球的膨胀压降低，并引起气孔关闭。 2

13、、渗透调节反应历程自Hsiao(1973 )提出渗透调节与水分胁迫的关系以来，渗透调节作用作为植物适应干旱胁迫的重要大姨妈反应历程，已经成为抗旱性大姨妈研究最活跃的领域。 对于耐旱性的渗透调节机制，一种是以渗透调节物质为渗透压平衡，从而稳定体内的渗透压平衡，增强植物的保水能力，二种是渗透调节物质可能以水代替溶剂参与生化反应，在这种情况下，渗透调节物质被称为低分子量钟点工调色剂，第三种是， 渗透调节物质在水分胁迫下与蛋白质的疏水表面结合，使疏水表面转化为亲水表面，使更多水分子结合在蛋白质的本来疏水区域上，疏水表面保证了蛋白质结构的稳定性。 3、抗氧化防御机制近年来对水分胁迫下植物体内氧化活性物质

14、的产生、氧化活性物质对植物的伤害和植物抗氧化系统的作用进行了许多研究。 植物体内的抗氧化系统主要是酶催化剂保护系统，包括SOD (超氧化物歧化酶)、POD (过氧化酶)、CAD (过氧化氢酶)等非酶保护体系如SOD (抗坏血酸)、GSH (谷胱甘肽)、Ctyf (细胞色素f )、铁氧还蛋白、胡萝卜素等。 抗氧化系统的主要作用是清除植物体内的氧化活性物质和自由基，避免或减轻对植物的氧化损伤。 SOD主要去除O2-、CAT、ASA、POD、GSH、POD以及H2O2。 目前还没有发现OH-的除酶催化剂系统，但在水分胁迫下积累的亲水性溶质，如甘露醇、Pro等，可以补偿植物体内的除OH反应历程。 但只

15、有抗氧化系统两个系统的协同作用才能完成清除氧化活性物质和自由基，达到保护细胞球的目的。 SOD将O2-转换为H2O2，ASA、GSH和POD将H2O2转换为O2和H2O。 4、协同作用机制植物的耐旱性机制，并非某个机制单独作用，而是在一些机制之间具有协同作用。研究表明，渗透调节受多基因调控，用ABA调节作用说明渗透调节是适当的：干旱胁迫诱导ABA合成，然后胁迫提高基因mRNA浓度，基因表达产物(渗透调节物质)积累，产生渗透调节. 许多实验证明，水分胁迫诱导ABA的发生，云同步、Pro含量也增加，复水后两者基本降低到云同步。 离体水稻叶片施用ABA可以诱导Pro含量的增加。 其原因是干旱胁迫后，

16、在Glu合成Pro过程的两个主要酶催化剂P5cS和P5cR中，前者的基因表达被ABA促进，而P5cS的表达有ABA依赖型和ABA不依赖型两种途径。 在云同步中，ABA可以诱导细胞球内Ca2的大量积累，显然ABA与渗透调节有密切的关系。 但是，ABA如何诱导渗透调节物质的积累还需要进一步研究。 5、Lea蛋白保护作用研究表明，Lea蛋白是干燥过程中保护植物的重要物质，保护植物细胞球免受伤害，特别是极端干燥诱导的Lea蛋白，对植物的保护作用更为重要。 据推测，Lea蛋白可能有三种作用。 作为脱水保护剂，Lea蛋白质含有丰富的结构上无电荷的亲水性氨基酸，另一方面与细胞球内的其他蛋白质相互作用，使结构

17、稳定，另一方面，为细胞球内的结合水提供结合基质，有可能使细胞结构在脱水时不受到大的破坏。 作为调节蛋白参与植物的OA。 通过与核酸结合调节细胞球内其他基因的表达。 6、渗透胁迫调节基因的表达和转录控制6.1干旱诱导基因的表达从太阳花cDNA中分离得到的干旱诱导基因HaDhn1、HaDhn2和染色体组HaElip1基因，在耐旱性品种R1和干旱易感性品种S1叶中，HaElip1基因对土壤脱水的反应转录水平很快在土壤干旱时，S1品系的3种基因转录水平上升到土壤含水量达到2g/g干旱土的R1时，土壤含水量达到该值后，HaDhn1和HaDhn2基因的转录水平迅速提高，土壤含水量达到1.1g/g干旱土时，

18、该2基因的转录水平达到该值由该结果可知，R1中HaDhn1和HaDhn2基因的转录水平的提高与该植物对水分胁迫的适应性相结合，但在两种可能性，即在观察mRNA加工时的变化和mRNA水平的提高时不能排除强调其稳定性的两个品系中，染色体组结构不同因此，假设这种基因表达的差异是由于基因调控的差异。 6.2启动子和转录控制转录控制是通过启动子上的顺式作用因子和反式作用因子(转录因子)实现的。 植物体内的渗透调节基因是否能有效、快速地表达，是受顺式作用元件和反式作用因子的相互作用支配的，两者在细胞信号过程中发挥着重要的作用。 研究渗透胁迫调节基因转录控制的一个目的是鉴定渗透胁迫调节基因的顺式作用因素和反式作用因素。 顺式作用元件位于启动子的5端，由5端至转录起始部位的数千盐化学基构成，通过染色体组爱沙尼亚克朗鉴定启动子，通过引物的延伸鉴定转录起始部位，启动子的活性通常通过5端上游序列与GUS或GFP等报告基因的嵌合体基因的表达而证明反式作用因子可以利用酵母的单交种或双杂交系统来鉴定。 根据6.3 ABA和转录控制外源ABA对基因的调节情况，将渗透调节诱导的基因分类ABA诱导的基因和非ABA诱导的基因。 前者中有些基因被外源ABA诱