园艺植物抗旱生理.ppt
园艺植物水分胁迫生理及耐旱机制研究进展,任静,背景与意义水分胁迫的生理反应水分胁迫的生化反应渗透胁迫调节基因耐旱机制结束语,目录,一、背景与意义,干旱是限制植物生长发育、基因表达和产量的重要因子。全球有三分之一的土地面积属于干旱或半干旱地区，干旱对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位，仅次于生物胁迫病虫害造成的损失。因此，研究植物对水分胁迫适应性及其机制，对人类的生存极为重要。在长期进化过程中，园艺植物为了适应干旱胁迫，产生一系列生理生化反应，并逐渐形成了一些耐旱机制。人们曾对苹果、梨、草莓、核桃、板栗等园艺植物在水分胁迫下的形态特征和生理生化变化进行过研究。近年来，随着分子生物学理论、现代生物技术的发展及其广泛应用、人们对园艺植物水分胁迫生理及耐旱机制的研究日益深入。下面就该问题的研究进展作一简要综述。,二、水分胁迫的生理反应,1、膨压的变化 植物的许多生长和生理过程都在一定的膨压条件下完成水分胁迫条件下植物细胞膨压首先发生变化。膨压是细胞生长的驱动力，植物在干旱条件下，细胞维持膨压能力的强弱，是植物适应干旱维持正常生长的关键。较强的膨压维持能力，能够维持气孔开放和较高的光合速率，保证较高的产量。对苹果研究发现，膨压维持能够保护叶绿素免遭破坏，严重水分胁迫时，由于膨压维持能力丧失，影响叶片生长和光合作用。梨树在长期适应干旱的过程中，提高了主动积累溶质的能力，能在低渗透压状态下维持膨压变化，降低质壁分离，增强树体的抗旱能力。,2、光合作用的变化 水分胁迫不仅会降低植物的光合速率，还会抑制光反应中的原初光能转换、电子传递、光合磷酸化和光合作用暗反应的过程。在水分胁迫条件下，叶表面气孔开度变小，阻止CO2进入体内，导致光合作用下降。由于得不到外界CO2，由光能形成的化学能不能象在正常的CO2条件下被碳同化用掉，叶片发生光抑制，导致叶绿体超微结构持续的损伤或不可逆的破坏。研究发现，在土壤严重干旱条件下，苹果一年生幼树叶绿体的形态结构发生明显变化，基粒内囊体膨胀、囊内空间变大、空泡化类囊体排列方向发生改变。说明其光合机构在一定程度上受到破坏性影响。,三、水分胁迫的生化反应,1、ABA的积累自20世纪60年代末期，人们发现外施ABA能引起叶片气孔关闭以后，对ABA在植物抗旱中的作用进行了广泛的研究。发现在水分胁迫下，植物体内ABA水平迅速上升，ABA的积累降低了气孔导度，减少了干旱条件下植物的水分丢失，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，即低浓度促进植物生长，高浓度抑制植物生长。对苹果根系研究得到同样结果。,研究失水对苹果根系ABA和蛋白激酶活性的影响，发现蛋白激酶活性高峰在吸收根和延长根中均出现在ABA浓度快速升高之前，表明蛋白激酶可能作为信号组分启动ABA合成，并且，在水分胁迫诱导ABA积累的细胞信息传递过程中，有可逆蛋白磷酸化参与，进一步说明蛋白激酶的作用。许多研究者先后从拟南芥中分离出促分裂原活化蛋白激酶基因MAP、核糖体蛋白激酶基因ATPK6和ATPK19、受体蛋白激酶基因PPK1和转录调控蛋白激酶基因AtDbf2。这些蛋白激酶基因都是受干旱、高盐或低温等胁迫诱导表达的基因，它们编码的产物（蛋白激酶）分别在信号转导的不同过程中起作用。而ABA与蛋白激酶基因表达之间的关系，尚需进一步研究。,2、小分子物质的积累 干旱和盐渍等逆境在一定意义上都是降低环境渗透势，导致植物细胞失水，生理学上称这类胁迫为渗透胁迫。在渗透胁迫下，植物体内会积累一些具有渗透保护作用的渗透调节（Osmotic Adjustment，OA）物质，如：Pro（脯氨酸）、甜菜碱、胆碱、肌醇、甘露醇和多胺等。2.1 Pro的积累 作为渗透调节物质，Pro在植物细胞中大量积累，一般认为主要是由于胁迫刺激了从头合成。研究证明植物体内存在2条Pro合成途径，即Glu（谷氨酸）途径和Orn（鸟氨酸）途径，在个体发育早期由Orn合成Pro途径在蛋白质合成中起重要作用，而由Glu合成Pro存在于个体发育的整个阶段。在渗透胁迫下，由Glu合成Pro是Pro合成的主要途径。,在逆境中Pro积累有3个原因：Pro合成加强，是Pro积累的主要原因;Pro氧化作用受到抑制，而且蛋白质氧化的中间产物还会转化成Pro;蛋白质合成下降，从而抑制了Pro参入蛋白质的过程，Pro积累。研究发现，在中、轻度土壤干旱时，随着土壤干旱时间的延长，苹果叶片Pro含量增加直至最大值；土壤干旱严重时，Pro含量有所下降。2.2 甜菜碱的积累 近年来，甜菜碱成为人们研究的热点，因为积累甜菜碱的植物比积累Pro的植物对干旱、盐渍等逆境的耐受性更高。甜菜碱是高等植物最主要的代谢积累产物之一，是一种无毒的渗透保护剂，它的积累使植物细胞在渗透胁迫下仍能维持正常功能。在高等植物中，甜菜碱是由胆碱经二步氧化得到，分别由胆碱单氧化酶（CMO）和甜菜碱醛脱氢酶（BADH）催化。已从菠菜、甜菜和山菠菜中克隆了其cDNA。,3、活性氧和自由基的积累 正常情况下,植物体内的自由基和活性氧的产生及其在细胞内的清除，处于一种动态平衡状态。水分胁迫干扰了植物体内活性氧和自由基产生与清除的平衡，植物体内积累大量的活性氧和自由基。蛋白质和膜脂极易受活性氧特别是高反应的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。膜脂的过氧化使膜上的孔隙变大，透性增加，离子大量泄漏，引起叶绿素蛋白质复合体结合松弛，叶绿素含量明显下降，严重时会导致植物死亡。姚允聪等用PEG溶液处理苹果幼根,发现PEG15%的重度水分胁迫下,其活性下降,说明叶绿体光能传递受阻,导致O2-大量产生，这可能是苹果属活性氧和自由基产生的重要来源。,4、小分子蛋白的积累4.1 调渗蛋白（Osmotin，OSM）在水分、盐渍等胁迫下，植物在对渗透胁迫的适应过程中合成一类蛋白质OSM，它可作为蛋白质的保护剂。除水分、盐胁迫外，ABA也能诱导OSM合成，经ABA处理过的烟草细胞中OSM的mRNA含量是对照的15倍以上；而渗透胁迫在引起mRNA积累的同时ABA也随之大量增加。说明OSM 基因表达受转录水平的调控。有人认为OSM对渗透压可能很敏感，植物正是通过OSM对渗透胁迫的敏感性来识别环境胁迫的，然而OSM的作用机理尚不清楚。,4.2 Lea蛋白(胚胎发育后期富集蛋白)1981年Dure等人首先从棉花种子发育晚期胚胎中发现大量积累的一类蛋白质,即Lea蛋白。根据其自身结构的推测，Lea蛋白可能在种子成熟、干燥过程中和渗透胁迫条件下保护细胞免受水势降低的损伤。编码这类蛋白的基因称Lea基因，它虽然是在种子成熟和胚胎发育阶段特异表达的基因，但也可在植物受到干旱、低温和盐渍等胁迫造成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，细胞对渗透胁迫的响应中，会启动或抑制某些基因的表达，这些基因称渗透胁迫调节基因。根据其在渗透调节中的作用包括：渗透调节物质合成基因参与细胞内渗透调节物质的合成，目前已克隆的这类基因主要有1磷酸甘露醇脱氢酶基因、6磷酸山梨醇脱氢酶基因、果聚糖蔗糖酶基因、6磷酸海藻糖合成酶基因、Pro合成酶基因（ProA、ProB）、BAD基因、CMO基因、P5cS基因、Osmotin基因和Lea基因；传递、转导胁迫信号的基因和调控基因表达的转录因子，即蛋白激酶基因、蛋白酶基因，DREB(脱水响应元件结合蛋白)转录因子,双组分系统基因等；抗氧化基因与干旱、盐渍和低温等渗透胁迫对植物的伤害与细胞水平上的氧化胁迫密切相关，植物细胞内这类基因的表达产物如SOD、ASA、GS、维生素等能清除自由基和活性氧造成的氧化胁迫。此外，还有跨膜转运水分子的水通道蛋白基因，Pro和甜菜碱运输系统等。,五、耐旱机制,1、ABA的调节机制 ABA在植物发育的许多重要过程中起着重要的调节作用，同时，又在植物对逆境的反应中起着重要的调节因子的作用。关于ABA诱导气孔关闭，Hurtung（1983），Hornberg（1984）报道，ABA的作用位点在质膜外面，它通过控制质子由质膜流入质外体，进而控制细胞壁酸化或通过降低酸诱导细胞壁松弛的能力，来启动细胞扩张，调节气孔关闭。Assmann（1993）研究认为，ABA对保卫细胞离子运输过程至少有4种效应：抑制向内运输的K+通道、激活向外运输的K+通道、促进Ca2+通道的开放和膜的极化。ABA可诱导保卫细胞内Ca2+浓度提高，同时提高了细胞质的pH值，促进气孔关闭；而Ca2+浓度的提高导致K+从保卫细胞的净流出，降低保卫细胞的膨压，引起气孔关闭。,2、渗透调节机理 自Hsiao（1973）提出渗透调节及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生理机制，便成为抗旱生理研究最活跃的领域。关于耐旱的渗透调节机制有3种解释：一是渗透调节物质作为一种渗压剂，进行渗透调节，稳定体内的渗压平衡，从而增强植物的保水能力；二是渗透调节物质可能作为一种溶剂，代替水参与生化反应，这种情况下渗透调节物质被称为低分子量伴侣；三是渗透调节物质在水分胁迫下与蛋白质疏水表面结合，将疏水表面转化成亲水表面，可使更多的水分子结合在蛋白质原来的疏水区域，稳定了疏水表面保证蛋白质结构的稳定性。,3、抗氧化防御机制 近年来，人们对水分胁迫下植物体内活性氧的产生、活性氧对植物的伤害和植物抗氧化系统的作用进行了大量研究。植物体内的抗氧化系统主要有：酶保护系统，包括SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAD(过氧化氢酶)等；非酶保护系统，包括SOD(抗坏血酸)、GSH(谷胱甘肽)、Ctyf（细胞色素f）、铁氧还蛋白和类胡萝卜素等。抗氧化系统的主要作用是清除植物体内的活性氧和自由基，避免或减轻它们对植物造成的氧化伤害。SOD主要清除O2-，CAT、ASA、POD、GSH或POD清除H2O2。OH-的酶清除系统尚未发现，而水分胁迫下积累的亲水性溶质如甘露醇、Pro等能补偿植物体内源OH清除机制。然而，只有在抗氧化系统的两个系统的协同作用下，才能完成活性氧或自由基的清除，达到保护细胞的目的。如SOD将O2-转化成H2O2，而ASA、GSH或POD再将H2O2转化成O2和H2O。,4、协同作用机制 植物耐旱机制，并非某种机制单独起作用，几种机制间具有协同作用。研究发现，渗透调节是由多基因控制的，用ABA的调节作用来解释渗透调节较为合适：干旱胁迫诱导ABA的合成，随后胁迫诱导基因mRNA的浓度提高，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产生，同时Pro含量也增加，而复水后二者几乎是同时下降。在离体水稻叶片上，外施ABA可诱导Pro含量增加，其原因是干旱胁迫后，由Glu合成Pro这一过程的2个关键酶P5cS和P5cR中，前者基因表达可被ABA促进，但P5cS的表达有2条途径：ABA依赖型和ABA不依赖型。同时，ABA还能诱导细胞内Ca2+大量积累，显然，ABA与渗透调节关系密切。但是ABA是怎样诱导渗透调节物质积累的，尚需进一步研究。,5、Lea蛋白的保护作用 研究认为Lea蛋白是在干旱过程中对植物起保护作用的重要物质，使植物细胞免受伤害，特别是在极端干旱的情况下诱导的Lea蛋白，对植物的保护作用更加重要。推测Lea蛋白可能有三方面作用。作为脱水保护剂，Lea蛋白在结构上富含不带电荷的亲水氨基酸，它一方面与胞内其它蛋白质发生相互作用，使其结构稳定；另一方面，它可能给细胞内的束缚水提供了一个结合衬质，从而使细胞结构在脱水时不致遭受更大的破坏。作为一种调节蛋白而参与植物的OA。通过与核酸结合而调节细胞内其它基因的表达。,6、渗透胁迫调节基因的表达与转录调控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和HaDhn2及基因组HaElip1基因，在耐旱品系R1和对干旱敏感品系S1叶片中，HaElip1基因对土壤脱水的反应是转录水平迅速提高HaDhn1和HaDhn2基因的转录水平有提高，但2个品系无差别。当土壤逐渐干旱时，S1品系这3种基因转录水平提高直至土壤含水量达2g/g干土；在R1中，当土壤含水量达此值时，HaDhn1和HaDhn2基因的转录水平迅速提高，至土壤含水量达1.1g/g干土时，这2个基因的转录水平分别是S1相应基因的3倍和5倍。这种结果表明：R1中，HaDhn1和HaDhn2基因转录水平的提高与这种植物对水分胁迫时的适应性反应结合在一起，但不能排除2种可能性即mRNA在加工时的变化和在观察mRNA水平提高时强调其稳定性；在2个品系中，基因组结构不同，导致转录水平提高不同。因此，假设了这种基因表达差异是由于基因调控的不同所造成的。,6.2 启动子与转录调控 转录调控是通过启动子上的顺式作用元件和反式作用因子（转录因子）实现的。植物体内渗透调节基因是否高效快速表达，受控于顺式作用元件和反式作用因子的相互作用，二者在信号传递过程中起重要作用。研究渗透胁迫调节基因转录调控的一个目的就是鉴定渗透胁迫调节基因的顺式作用元件和反式作用因子。顺式作用元件定位于启动子的5端，由5端到转录起始位点的几千个碱基组成，通过基因组克隆来鉴定启动子，并通过引物延伸来确定转录起始位点，而启动子的活性通常通过5端上游序列与报告基因如GUS或GFP构成的嵌合基因的表达来证明。反式作用因子可利用酵母单杂交或双杂交系统进行鉴定。,6.3 ABA与转录调控 根据外源ABA对基因的调节情况把被渗透调节诱导的基因分成两类：可被ABA诱导表达的基因和不被ABA诱导表达的基因。前者中部分基因可被外源ABA诱导，但是它们的转录表达并不依赖于ABA的存在。在这些基因中，分别存在与ABA相关或无关的顺式作用元件，介导基因对ABA的不同反应，当植物感知渗透胁迫信号后，一方面信号被逐级或直接传递到细胞核内，特定的转录因子被激活，并结合于不依赖ABA作用的顺式作用元件，使相应的基因被诱导表达；另一方面，胁迫信号首先激活ABA合成酶，使ABA在细胞内迅速积累，细胞感知内源ABA，导致特定的转录因子被活化，与ABA相关的作用元件与其偶联元件结合后，使相应基因被诱导表达。而拟南芥的RD29A基因在外源ABA的作用下，虽然能被缓慢诱导表达，但是它们对低温和干旱胁迫的快速应答反应是不依赖于ABA的作用的。分析其启动子，其中至少存在2种与水分胁迫应答有关的顺式作用元件ABRE和DRE，在该基因对干旱和低温胁迫条件的快速应答中起作用。,五、结束语,关于植物的耐旱机制的研究，虽然做了大量工作，总结了一些规律性的结论，但其机制并不完全清楚，还需进一步研究。植物的耐旱机制具有复杂性，单从某个方面研究还远远不够。因为植物的耐旱性是多基因控制的，不同的环境条件、发育时期、营养状况和种类，其耐旱性是不同的。而一个转录因子可以调控多个与植物干旱、高盐及低温耐性有关的功能基因的表达，因此，可利用转录因子来改良植物的抗逆性。相信随着植物分子生物学技术的不断发展，人们将逐渐搞清园艺植物的耐旱机制，为培育耐旱的园艺植物提供理论依据。,
