植物逆境生理概述抗冷

1、第三讲 植物逆境生理进展,干渴的大地,受旱的稻田,受旱的麦田,受旱严重 作物焦枯,洪水无情,受涝农田,遭受冻害的麦苗,霜冻突降,冻害麦苗 令人痛心,遭受冷害的油菜,第一章 概述,一、植物生活必须的环境因子,植物是一个开放系统，不断地与外界环境进行着物质、能量和信息交流。它从外界环境不断摄取物质、能量和信息，才能生长发育，因此，其生长发育状况必然受到各种环境因子的影响。也就是说，植物生长发育决定于两套因子：,遗传潜力（相对稳定）,环境因子（复杂多变）,代谢,生长发育,（一）物理因子,1、辐射（radiation,light）,光合作用能源：过强过弱都不利。 决定作物形态建成：由几种光受体介导。

2、phytochrome blue/UV-A receptor UV-B receptor,2、温度（temperature）,通过影响植物体内地酶活性而影响各种代谢和生长发育。各生长过程均有温度三基点：最低温度、最适温度、最高温度。 如：适时播种、适时收获、保护地育苗等，都是为了创造良好的温度条件。,（二）化学因子(chemical factors),1、水分（water）,功能：略 过多：涝渍 过少：干旱,2、空气(air),影响较大的是CO2、O2及污染气体成分。（光合、呼吸）,3、土壤因子,很复杂，影响较大的是土壤营养状况、有害物质、盐分含量等。,（三）有机生态因子,病害、虫害、杂草。,

3、二、植物的逆境,（一）概念,凡是不利于植物生长发育和产量形成的环境因子，通称为逆境。 或：凡在自然环境中植物所需要的某种物理的、化学的或生物的环境因子发生亏缺或者超过植物所需的正常水平，并对植物生长发育产生伤害效应的环境因子，叫做逆境（stress environment）. 例如：旱、涝、盐碱、霜冻,（二）植物逆境形成的原因,1、严峻的气候条件所致：如冰冻、水涝,2、地理位置和海拔高度影响： 如沿海、沿黄地区的盐分含量高,3、病虫害大发生,4、工业三废、环境污染,（三）胁迫和胁变（stress and strain）,stress: 任何一种导致植物内部产生有害变化的环境因子，通称为胁迫（S

4、tress）。,温度： 低温（冷害、冻害） 高温（热害） 理化胁迫：水分 过少（旱害） 过多（涝害） 辐射： 遮荫 过强 化学胁迫： 盐碱、杀草剂、杀虫剂 风、压力、电磁波,胁变（strain）：指植物体受到胁迫 后产生的相应变化。 如：水分胁迫下，导致proline积 累，蛋白质水解等。低温导 致原生质环流减慢等。 弹性胁变(elastic strain)：解除胁 迫后能够复原的胁变。 塑性胁变(plastic dtrain)：解除胁 迫后不能够复原的胁变。,(四）环境胁迫对植物产生伤害的种类,1、直接伤害：胁迫程度强，速度快。如冻害结冰，胞膜撕裂。 2、间接伤害：胁迫程度弱，速度慢。如冷害

5、，造成代谢失调。 3、次生性伤害：如：高温干旱伤害（干旱伤害症状）。更慢。,三、植物的抗逆性,从上述可知，生活在自然界的植物随时都可能遇到不同的胁迫因子。植物受到环境胁迫后，有些植物或品种受到伤害较重，甚至死亡；而有些则受害较轻，甚至不受伤害。这就是它们的抗逆性不同所致。 抗逆性(stress resistance)：植物对各种逆境胁迫因子的抵抗和适应能力。 植物可以通过不同途径或机制来实现其抗逆性，使植物表现出不同的抗逆形式： 1、避逆性（stress escape）: 植物通过调节其生长发育周期，躲避逆境的危害。如沙漠上的短命植物。 2、御逆性(stress avoidance): 植物通

6、过特定地形态结构来阻止屏蔽胁迫因子的影响。 3、耐逆性(stress tolerance):植物通过代谢反应来阻止、降低和修复逆境所造成的伤害。,四、作物抗性生理,研究植物对逆境的生理反应及如何提高植物抗逆性的科学，叫做植物抗性生理学。 研究目的：提高作物抗逆性，实现抗逆、优质、高产、高效。 解决逆境问题的途径： 改造逆境：如防风固沙、兴修水利 提高作物抗逆性：改良品种、化学调控、农艺措施、逆境锻炼等。,第二章 植物冷害与抗冷性,一、冷害,是指0以上低温对植物造成的伤害。,热带、亚热带和温带的植物。遇到0以上低温即可造成伤害。这些伤害可以是某种生化反应减慢所导致的可逆伤害，也可以是不可逆伤害。

7、 根据伤害的机理与形式，分为3类： 直接伤害 间接伤害 次生性伤害,二、冷害导致的生理变化,（一）呼吸作用变化,R,TIME,冷敏感品种：低温下呼吸增强早，幅度大， 回暖后不易恢复正常； 抗冷品种：相反,1、呼吸速率异常,2、呼吸途径变化,黄瓜：2低温下，叶子中的EMP途径比例增高，HMP途径下降。,3、线粒体膨胀，功能受损,原因：膜结构破坏，膜磷脂被释放。 结果：氧化磷酸化效率降低，ATP合成减少， 能量供应不足。,（二）细胞结构变化,1、粗糙型内质网囊泡化：影响蛋白质合成。,2、液泡膜瓦解,渗透势失去平衡 水解酶释放，细胞内物质自溶,3、原生质流动减慢或停止,原因：ATP减少、粘滞性增加。

8、,（三）膜系统结构与功能破坏,生物膜是生物体地细胞及细胞器与环境间地界面，它既能接受和传递环境信号，又能对环境胁迫作出反应。因此，有不少研究认为环境胁迫伤害的原初反应发生在膜上。即逆境首先导致膜的结构与功能破坏。主要表现在：,1、膜透性增大，差别透性丧失,许多研究认为，低温使膜的透性增大，大量K+和小分子有机物（如氨基酸、糖类）泄漏。 常用电导法测定电解质外渗率来表示膜透性大小。,2、膜脂相变,Lyons等（1973）根据生物膜的结构、功能与抗冷性的关系，提出一个学说，认为喜温植物在遇到0以上低温时： 膜脂相变：液晶态固相 膜厚度变化、出现孔道、裂隙 膜透性增大 膜结合酶失活 严重时，膜脂发生

9、降解，组织受损甚至死亡 近年来的大量研究，证实了Lyons的观点是正确的。膜脂相变温度与抗冷性密切相关。 如：冷敏感番茄：相变温度为13 冷敏感玉米：相变温度为11 抗冷的豌豆、莴苣：相变温度为0左右,3、膜脂成分变化,（1）脂肪酸不饱和度,许多研究认为，膜脂的相变温度高低，取决于膜脂中脂肪酸的成分。增加不饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸类脂的成分，可以降低相变温度，提高作物的抗冷性。 例如：Miller用4种抗冷性不同的小麦品种在2和24下培养，然后在相同的生长状态下分析其根尖线粒体膜脂脂肪酸成分与相变温度的关系，结果发现2下： 亚油酸：减少20 亚麻酸：增加20 不饱和指数：增加2030 相变温度

10、：下降1.44.8 上述结果证明了不饱和指数与相变温度的关系，即不饱和度越高，相变温度越低，抗冷性越强。,(2)磷脂成分变化,Kaipler以苜蓿叶片为分析结果： 成分 抗冷品种 不抗冷品种 MGDG(单半乳糖甘油二脂) 高 低 DGDG（双半乳糖甘油二脂） 高 低 PC（磷脂酰胆碱） 高 低 PE（磷脂酰乙醇胺） 高 低 PG（磷脂酰甘油） 低 高 PI（磷脂酰肌醇） 低 高 SL（硫脂） 低 高 表明:MGDG、DGDG、PC、PE含量高，有利于抗冷性提高，PG、PI、SL含量高，则不利于抗冷性提高。 因此，如能想法使MGDG、DGDG、PC、PE升高，而PG、PI、SL降低，则可提高抗冷

11、性。,3、膜脂过氧化作用,脂质过氧化：是指在不饱和脂肪酸中发生的一系列自由基反应。（连锁反应） 细胞膜脂中存在大量不饱和脂肪酸，在自由基的引发下，很易发生链式反应，导致过氧化，产生MDA等产物。 胞内自由基：O-2 OH LO P（蛋白质自由基） 其他活性氧：1O2 H2O2 转化为自由基 产生机理回顾：叶绿体、线粒体 清除系统：酶促：SOD、CAT、POD、GR 非酶促：ASA、GSH、VitE 如果自由基的产生与清除之间失去平衡，就会导致大量的自由基积累，引发膜脂过氧化。后果： 1、物质泄漏； 2、膜结合酶失活 3、MDA作为交联剂，破坏DNA、Protein结构与功能.,(四)光合作用变

12、化,1、光合强度降低（Pn下降）,Rubisco活性下降， Carlvin cycle 的其他酶活性下降。,2、叶片光合产物运输受阻,如：水稻倒二叶饲喂14CO2,使该叶处于高温（3335）和低温（160），然后进行放射自显影，结果是：低温下运往穗部的14C少，留在叶片中的量多。高温处理相反。,3、Chloroplast 结构与功能,研究证明，叶绿体对低温极其敏感，烟草、黄瓜、番茄等作物叶片，在0左右温度下，PS放氧活性降低，结构破坏，PS与PS之间的电子传递受阻碍，光化学效率降低。低温+强光损伤更重，很容易发生光合作用的光抑制。Fv/Fm值变小。,（五）物质代谢变化,物质分解合成 淀粉可溶性

13、糖 蛋白质aa 问题是有机物分解过程中还可产生一些有毒的中间产物，如：氨、乙醛、乙醇、丙酮等。,（六）激素的变化,内源激素与抗寒性关系密切，其中以ABA与抗寒性关系较为确定。 研究发现：烟草、水稻、玉米等作物，0以上低温可导致其ABA含量的明显增加。 进一步，用ABA处理烟草、水稻等叶片，可明显提高其抗寒性，表现在膜结构稳定，电解质外渗率下降。 目前一般认为：促进生长的激素IAA、GA可降低作物抗寒性，而抑制生长的激素ABA、乙烯、JA提高抗冷性，而CTK特殊，是既促进生长，又提高抗寒性的激素。 内源激素与抗寒性关系的研究，为人工采用化控技术，调节生长，提高作物抗寒性提供了理论依据，如我们试验

14、认为，PP333处理可提高烟苗的抗寒性及抗旱性。“壮苗素”：河南农业大学报，1992，4期,三、植物对温度逆境的适应机理,（一）生物膜系统对温度逆境的适应,目前的大量研究资料证实，植物对温度逆境的适应，主要在于细胞膜特征，特别是质膜和类囊体膜的特征。,1、降低膜脂相变温度,前已述及，膜脂相变温度高低，取决于膜脂脂肪酸的不饱和度，及磷脂的种类。 目前，在微生物中，用遗传工程的方法，证实了增加膜脂的不饱和脂肪酸与提高抗冷性的关系。但高等植物，包括烟草，这方面无成功事例。 因此，笼统地分析植物的总类脂，来揭示不饱和FA与抗冷性关系是不合适的，这就要求改进研究技术，进一步深入探讨。,2、膜脂不饱和化，

15、维持膜流动性,Murata结合自己的研究结果提出了植物叶片中PG(磷脂酰甘油)分子的合成途径有二： 途经A: 合成的PG有较高的不饱和度；相变T低 途经B: 合成的PG有较低的不饱和度；相变T高 一般：抗冷植物中，途经A活性高于B 冷敏感植物，A、B均活跃 其结果可想而知。,在此基础进行了不饱和脂肪酸基因工程的研究，结果总结为图：,冷敏感植物南瓜 冷中性植物烟草 抗冷植物拟南芥 大肠杆菌 转酰酶1基因 3不饱和化酶基因 转酰酶2基因 转酰酶3基因 转基因烟草 转基因烟草 转基因拟南芥 冷敏感 抗冷 冷敏感,植物抗冷和冷敏感基因转移效果,甘油3磷酸转移酶1：不能区分饱和与不饱 和脂肪酸； 甘油3

16、磷酸转移酶2：有限选择不饱和脂肪 酸； 甘油3磷酸转移酶3：不能区分C16:0 与 C18:0脂肪酸的酰基受体蛋白； 3脂肪酸不饱和化酶：催化C16:2C16:3 C18:2C18:3 上述结果说明： FA不饱和化与抗冷性密切相关； 通过基因工程来提高膜脂FA不饱和度，从而提高植物抗冷性是可行的。,3、自由基与活性氧的清除,低温下，一些自由基、活性氧积累，导致膜脂过氧化、蛋白质、核酸等生物大分子破坏。如果在低温下植物能够增强清除能力，有利于防御低温伤害。 酶促清除系统：SOD,CAT,ASA-POD,GSH-POD,GR 非酶促清除系统：体内抗氧化剂ASA,VitE,GSH,cytf,类胡萝卜

17、素等。 人为提高防御能力的途径：转基因、化学诱导、锻炼、使用抗氧化剂,（二）温度诱导蛋白,顾名思义，植物温度诱导蛋白是由于温度逆境诱导而产生的一系列蛋白质。 这些蛋白质从功能来讲，不一定都是与温度适应相关的，或者说，许多温度诱导蛋白功能尚不清楚。 最早发现植物低温诱导蛋白的是Bridds和Siminovitch(1949)，在越冬期的黑槐树皮中，发现低温下出现2-3条新的蛋白质谱带。近些年来，随着分离、提纯、分析技术的进步，已发现近百种植物低温诱导蛋白，并进行了大量研究。,抗冻蛋白首先是从动物中发现的。在生活在两极冰水中的鱼类血液中，发现一种能降低细胞间隙体液冰点的糖蛋白（也叫糖多肽，glyc

18、opeptide），因而，能使这些鱼类的体液不至于结冰。故称为抗冻蛋白。 有三种类型： 富含Ala重复序列，具有-螺旋结构，其间散布着一些极性AA片断。 富含胱氨酸，具有结构的多肽链 无一定结构的多肽,1、抗冻蛋白（antifreeze protein, ATP）,受到鱼类研究的启发，人们着重在植物中寻找抗冻蛋白，或企图把鱼类的抗冻蛋白基因转入植物。 拟南芥：冷调节蛋白（cold regulated protein），cor6.6蛋白，cor15蛋白。 油菜：BN28蛋白。 它们与鱼类的富含丙氨酸的抗冻蛋白结构非常相似。 拟南芥叶绿体中发现cor15蛋白，能有效地防止低温导致乳酸脱氢酶失活。 总之，植物中可能也具有与动物类似的抗冻蛋白，有待一步研究。,2、类脂转移蛋白（Lipid transfer protein,LTP）,高等植物在低温下，可以诱导产生一些类脂转移蛋白，促进膜脂脂肪酸不饱和化。 已发现：大麦bct4基因家族编码的类脂转移蛋白，即有此功能。,3、激酶调节蛋白,激酶调节蛋白是参与逆境信号转导的蛋白，它能调节蛋白激酶的活性，从而调节蛋白质的可逆磷酸化。 拟南芥：低温诱导产生的RC114A，RC114B蛋白，就是通过调节激酶活性而参与低温信号的传导。,4、Lea蛋白 （late embryogenesis abundant