植物抗旱生理.ppt

第三章 植物抗旱生理,水资源短缺、干旱是一个长期存在的世界性难题，全球干旱、半干旱地区占陆地面积的35，遍及世界60多个国家和地区。作为世界三大粮食产出国的中国、印度和美国，粮食产量占世界的50左右，近几年来出现了严重的水资源危机，从而导致粮食严重减产。干旱是我国粮食生产的首要灾害，在水资源危机日益严重的今天和未来，开展作物抗旱节水理论与技术研究，具有重大的现实和战略意义。正如“绿色革命”的功臣、诺贝尔和平奖获得者Borlaug(2000)所说：“我们如何在有限的水资源下，生产更多的食物来满足日益快速增长的人口需要，不可置疑的结论是：人类在21世纪要开展蓝色革命让每一滴水生产出更多的粮食。”,第一节 干旱胁迫下植物的生理变化及适应途径,一、干旱胁迫下植物的生理变化,1、光合作用速率下降,气孔限制非气孔限制 PSII光化学活性降低 电子传递受阻 Rubisco活性下降 RuBP再生抑制 同化物运输受阻,2、呼吸速率变化：先升后降,原因：氧化磷酸化解偶联结果：能量供应减少,3、碳水化合物代谢与运输变化,代谢：淀粉等大分子物质减少，可溶性糖增多 叶中糖增加，茎中糖减少运输 受抑 加速向繁殖器官运输,4、蛋白质代谢变化,总体变化：分解合成证据 同位素标记证明，氨基酸掺入蛋白质减少 多聚核糖体减少 游离氨基酸积累调节部位 环己亚胺（肽链延长抑制剂）实验证明，翻译水平调节,5、核酸代谢变化,DNA含量较稳定 RNA含量明显减少,6、激素变化,IAA 干旱促进IAAO活力，降低IAA水平 IAA极性运输受阻CTK 根尖向地上部运输减少 活性下降GA 含量减少ABA含量激增ETH合成增加（ACC合成酶活性提高）,7、膜脂过氧化加剧,防御酶活性降低体内抗氧化剂减少活性氧过量积累,二、植物对干旱胁迫的适应途径,形态结构变化渗透调节细胞壁弹性调节气孔调节活性氧代谢调节激素调节,1、叶片大小与厚度2、比叶重3、气孔4、角质层与机械组织5、超微结构,第二节 植物形态结构与抗旱性,一、叶片,1、根系生长、分布与抗旱性2、根系形态结构与抗旱性3、根系伤流与抗旱性,二、根系,第三节 植物在水分胁迫下的渗透调节,水分胁迫：由于干旱缺水对植物正常生理功能 的干扰。渗透胁迫：环境与生物之间由于渗透势的不平 衡而对植物造成的胁迫。渗透调节（osmoregulation or osmotic adjustment)植物在干旱、盐渍等逆境条件下，通过代谢活动增加细胞内的溶质浓度，降低其渗透势，从而降低水势，从外界低水势介质中继续吸水，保持一定膨压，维持正常生理活动。,一、渗透调节的方式和原初机理,1、调节方式 wsp 植物降低s的途径 细胞内水分减少，溶质浓缩 细胞体积变小 通过代谢活动，细胞内溶质主动增加,2、原初机理（Zimmermann 机电模型）,水分胁迫 膨压变化 膜收缩或伸展 膜电位变化 机械力转化为电信号 诱导生化反应 增加溶质 渗透调节,二、渗透调节物质的种类和作用,按来源：外界进入细胞 细胞内合成按性质：有机物 无机离子按积累部位：液泡型 胞质型,1、无机离子,逆境胁迫下植物积累无机离子的种类和数量因植物的种、品种、器官不同而有差异。K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等对渗透调节均有贡献。中度水分胁迫下，高梁叶片主要积累K+、Mg2+；向日葵主要积累K+、Ca2+、Mg2+、NO3-无机离子积累为主动吸收过程 无机离子积累部位：液泡,2、脯氨酸 proline,50年代中期，Kemble等发现，在受旱的黑麦草叶子中，有pro积累，后来发现许多植物都有这种现象：如：barley,wheat,sorghum,soybean,cotton,tobacco,sunflower,cucumber,etc,Stemard后来做了一系列试验，提出了pro作为渗透调节物质的观点，现已被普遍接受。,(1)pro合成的途径,Glu Glu激酶 谷氨酰磷酸 谷氨酰磷酸还原酶 鸟氨酸转氨酶 鸟氨酸转氨酶 谷氨酰半缩醛 鸟氨酸-酮-氨基戊酸 同步环化 环化吡咯啉5羧酸（P5C）吡咯啉羧酸（PC）pro氧化酶 P5C还原酶 PC还原酶 Pro脱氢酶 Proline,(2)Pro积累原因,Pro合成增加：标记glu在植物失水后迅速转化为pro。protein合成受阻：减少pro向蛋白质掺入。pro氧化受抑：干旱时，不仅pro氧化受抑，而且氧化的中间产物发生逆转，再生成pro。这与线粒体膜透性变化有关，其机理是：Pro合成酶位于细胞质，分解酶位于线粒体。在渗透胁迫下，线粒体膜透性发生变化，pro进入线粒体受阻，吡咯啉5羧酸(pro前体)可以从线粒体出来，用于pro合成。,现在已知，在低温、干旱、高温、盐渍、营养不良、微生物感染、大气污染等逆境下，均可引起pro积累，尤其以干旱胁迫下pro积累最为明显，从0.20.7mg/gDW上升到4050mg/gDW,增加了70200倍。此外，K、ABA可使干旱诱导的pro增加更多更快。,特点：分子量小：115 溶解度高：162.3g/100gH2O 是一种偶极含氮化合物，生理pH下不带静电荷 对植物无害，600mol.L-1对酶无抑制作用 主要在细胞质中积累（胞质型渗调物质）作用 保持细胞与环境的渗透平衡，防止水分散失 稳定蛋白质结构（对蛋白质具有稳定其结构的作用）与细胞内的一些化合物形成聚合物，类似亲水胶体，具有保水作用 作为无毒氮源,（3）pro的特点和作用,3、甜菜碱(betaine),甜菜碱最早是在旱生植物枸杞（Lycium brabraum）中发现的。现在已知有12种，其中最简单、研究最多的是甘氨酸甜菜碱(glycinebetaine)，已在28科、78种植物中检测到，根、茎、叶、花均有分布。如，上世纪70年代中期，Storey等发现，在盐分和水分胁迫下，大麦积累甜菜碱的水平与耐旱性呈正比。,（1）积累特点,Pro:水分胁迫10min即可见积累，复水后很快消失；Betaine:水分胁迫24h才见积累，复水后降解也较缓慢。因其稳定，被认为是持久性的渗调物质。由于稳定，很适合于作为抗旱性选择指标。,（2）生物合成,Ser CDP甘油二酯CO2 PS 乙醇胺 P-乙醇胺 CDP-乙醇胺 PECH3 一甲基乙醇胺 P-甲基乙醇胺 CDP-MME P-MMECH3 二甲基乙醇胺 P-DME CDP-DME PDMECH3 胆碱 P-PC CDP-PC PC 胆碱单加氧酶 甜菜醛 甜菜醛脱氢酶 甜菜碱,(3)特点与作用,特点：分子量小：117 溶解度高：157g/100gH2O 生理pH下不带静电荷 对细胞无害。0.51mol.L-1高浓度对苹果酸脱氢酶无抑制作用分布：以细胞质为主（属于胞质型渗调物质）作用：维持细胞与环境的渗透平衡，参与渗透调节 参与稳定生物大分子结构与功能 调节离子在细胞中的分布,3、可溶性糖和多元醇,WSC：Sucrose;glucose;fructose;galactose;游离AA：Asn;Glu;(Pro)糖醇：甘露醇、松醇、山梨醇积累原因：大分子碳水化合物、蛋白质分解加强光合产物转化方向改变，转向产生蔗糖为主,三、渗透调节的生理功能,1、维持细胞膨压,OA的主要作用，就是全部或部分维持膨压，从而有利于其各种生化反应的进行。Rice:在慢速干旱条件下，尽管组织水势下降，但是由于渗调作用，叶片膨压并没变化。,2、保持细胞持续生长,膨压对细胞生长具有关键作用，由于水分胁迫下，通过渗透调节可以维持细胞膨压，因而可以保持细胞在水分胁迫下继续生长。,3、维持气孔开度和光合作用,气孔调节：维持气孔开放，CO2进入细胞非气孔调节：Rubisco活性 RuBP再生能力 电子传递速率 PSII活性 类囊体结构完整性,4、延迟卷叶5、增加干物质积累,四、渗透调节与抗旱育种,1、OA与作物抗旱性呈显著正相关：通过corn,sunflower,wheat,barley等为材料研究证明。2、OA是可遗传性状，由单基因控制 无论是在轻度或严重水分胁迫下，渗调能力强的品种，其产量、收获指数、水分利用效率均高于OA弱的基因型。3、利用杂交方法，可以产生OA强的品系，表明 OA作为选择指标是可行的。,五、渗透调节基因工程和渗调蛋白研究,1、Genetic engineering of osmotic adjustment,寻找目标基因 首先研究确定参与渗调的关键物质，分析控制这些物质变化的基因。基因的分离、导入、整合、表达、遗传渗调基因的应用进展 微生物方面工作较多，也较成功。高等植物：Kuch等利用羟脯氨酸与脯氨酸的拮抗作用原理，在大麦中获得了高产pro的突变体，突变体叶片中pro含量高于亲本，抗旱性也明显增强。,现已搞清的身条基因有：kdp：在渗透胁迫下，诱导K+吸收和运输，促使K+在细胞内积累。基因表达受渗透势控制。proU：促进甜菜碱和脯氨酸在细胞内积累，基因表达受渗透势控制。控制pro合成酶系统的基因：proB:Glu激酶 proA：谷氨酰磷酸还原酶 proC：吡咯啉5羧酸还原酶 bet:编码betaine合成酶系。,2、渗调蛋白（Osmotin）,Osmotin:在渗透胁迫下产生的、具有增强细胞抗渗透胁迫能力的蛋白质，也叫渗调素。Osmotin是一种逆境诱导蛋白，早在1962年，人们从果蝇体内发现了热激蛋白，以后在动物、植物、微生物均发现在逆境下，可以诱导产生新的蛋白质，叫做逆境胁迫蛋白。用NaCl适应的烟草培养细胞系，或受到水分胁迫的番茄培养细胞系，可以新合成一些分子量不同的蛋白质，研究最多的是26kd蛋白。Singh&King分别从番茄、烟草中克隆了26kd蛋白基因，目前已对osmotin的诱导、合成、调控等进行了许多研究。其功能是：防御功能 监护蛋白作用，即防止蛋白质变性、从今变性蛋白的修复。增强OA,六、影响渗透调节的因素,1、遗传因素 2、器官类型和年龄：衰老组织OA低，生育后期OA低。3、环境因素（1）水分胁迫程度 在轻度至中度水分胁迫下，OA作用较大，在严重水分胁迫下，OA消失。（2）水分亏缺速度 快速缺水：OA减小甚至消失 慢速缺水：OA增强,3、光强 通过影响细胞中溶质含量而影响OA，遮光导致OA减弱。4、CO2浓度 同上。5、T：适当低温似乎更有利于溶质积累，利于OA提高。,七、植物渗透调节能力的测定方法,1、饱和渗透势法 植物的渗透调节，实际上是细胞内S的调节，S决定于一定体积溶液的质点数。前已述，植物降低S的途径有3：细胞内水分减少细胞体积减少细胞内溶质主动增加。只有才是渗调。因此，测定细胞渗透势的变化及评估渗透调节能力，必须区别因细胞失水胞液浓缩造成的S变化和胞内溶质主动增加引起的S变化。Morgon指出，当不发生溶质主动积累时，因细胞失水引起S降低与细胞渗透体积（V）成反比：S=S100Vo/V(1)S100：水分饱和时的渗透势 Vo：水分饱和时的渗透体积，常用RWC表示,当细胞发生主动积累时，对应于V值的渗透势比按（1）式计算出的渗透势更低，因此，对应于V时的植物渗透能力（O.A.）应按下式计算O.A.=S(测定值)S（计算值）=S(测定值)S100Vo/V(2)Ludlow利用此原理，研究植物渗调获得良好结果。把对照（正常供水）和干旱处理叶片进行充分水分饱和，使其RWC接近或达到100%，同时测定二者的饱和渗透势，按下式计算：OA=S100S.对照100.(3)干旱处理叶的饱和渗透势对照叶的饱和渗透势 该法的优点：叶片饱和S不需与其它水分参数比较，可直接判断植物的O.A.。,2、LnRWC-LnS作图法,用RWC代替式（1）中的V和Vo,并对式两边取对数，即发现LnRWC与LnS呈线性关系：LnS=Ln(S100Vo)LnVLnS=Ln(S100RWCo)LnRWC(4)以LnRWC为横坐标，LnS为纵坐标作图。如果二者呈一直线关系，表明无渗调能力，此时S的下降全是有细胞失水溶质浓缩的结果；如果二者关系为一折线，则表明有O.A.，其大小可用折点处LnRWC刚开始下降时的S值表示。,对数化的RWC 和对数化的渗透势的关系,3、水势压力势作图斜率法,Turner等提出，以水势（S）为横坐标，以压力势（P）为纵坐标作图（图略），从两者组成的直线斜率来判断O.A的大小。斜率=P/W，斜率越大，O.A越大，反之则O.A小。发现不同植物间或品种间P/W存在显著的差异。,水势与压力势的关系,4、有效渗透法,赵毓橘在研究渗透胁迫下绿豆幼苗上胚轴细胞的S与生长速率之间的关系时，提出此法。有效渗透势：指在渗透胁迫下真正对植物生长起作用的渗透势。有效渗透势=植物组织或细胞总渗透势土壤或渗透胁迫溶液的渗透势这种方法在渗胁迫溶液试验中易做到，而在土壤水分胁迫时不易。测渗透势常用方法：热电偶湿度计法 湿度法 露点法 冰点降低法 蒸汽压计法 压力容积曲线法（P-V曲线）质壁分离法,作物抗旱性是一个综合性状，与根系及地上部分的形态、解剖、生理和生化特性有关,从上节所讲内容可知，渗透调节作用与抗旱性关系十分密切。已有许多研究证实了这种关系。但是，据在大豆等作物上的研究结果，表明其抗旱性除在一定程度上受渗透调节的制约外，还与其细胞壁弹性特点有着更为密切的关系，是除渗透调节之外，作物对干旱适应的另一种重要方式。本节拟根据前人研究结果，将细胞壁弹性与塑性特点及其与抗旱性的关系作一简要介绍。,第四节 植物在水分胁迫下的细胞壁弹性调节,一、水分胁迫与细胞延伸生长的关系,作物受干旱减产的主要原因是水分胁迫首先限制了作物的生长过程，特别是细胞的扩大，从而使个体与群体光合面积大大减小，干旱严重时，还会使光合速率下降，减少了单位同化面积的同化量，并由此进一步影响光合面积的扩展，也影响了根系的扩展，使根系的吸收能力，吸收面积、吸收范围进一步缩小。因此，对植物轻度与中度水分胁迫的适应能力的研究工作，主要集中在植物如何在水分胁迫条件下维持一定的生长速度的问题上，并且成为渗透调节与细胞壁弹性调节研究的出发点。,(一)细胞延伸生长的动力,生长，尤其是细胞的延伸生长(扩大)是对水分胁迫最敏感的生理过程只要轻微的水分胁迫(w下降)，即可使生长速率明显下降，而此时其他生理机能(如光合等)则可能完全没有改变。关于细胞延伸生长的性质，早在60年代即有了较为细致的研究。已肯定细胞扩展的初期完全是一个物理过程，扩展的动力是膨压。Green等用丽藻(Nitella)细胞直接证实了膨压与生长速率之间的密切关系。Lockhart、Green等提出了如下关系式：dV/Vdt=Eg(p-p,th)式中dV/Vdt:细胞体积扩大的瞬时速率 p:细胞的压力势(膨压)，p,th:够引起细胞壁扩张所需的最低膨压值，或称为临界膨压，Eg:常数，称为总体扩张系数(Coefficient of gross extensibility),（二）细胞持续生长的条件,上式所表述的是细胞体积扩大的瞬时速率。细胞能否按一定速率在一定时间内继续扩大，还取决于细胞壁的塑性延伸能力和细胞液渗透势s的维持这两方面的因素。,1、细胞壁的性质,当细胞壁受到膨压的作用向外扩张时，可发生两种不同性质的形变：弹性延伸(Elastic extension)：指外力移去后，细胞又可恢复到原来的大小，是可逆性的延伸；塑性延伸(Plastic extension)：是指外力超过细胞壁的弹性限度时，细胞壁即产生不可逆的形变。弹性限度：形变的屈服点(Yielding point)。,实际上，细胞壁在膨压作用下的伸展既有弹性延伸又有塑性延伸，是两种延伸的混合形式。除去外力后，壁可以回缩，但达不到原来的位置。人们也称这种延伸为粘弹性延伸。植物细胞壁在长时间膨压的作用下，也可经过一定的生化修饰，将原来的弹性延伸逐渐固定化为塑性延伸。所谓“生化修饰”主要是指细胞壁上能够水解糖苷键的一些酶类，能够解除纤维素分子间的交联键(1，3糖苷键)，使壁松弛，在膨压作用下扩张，并且形成新的交联键、填充新的细胞壁构成物质，使弹性延伸固定下来。,IAA、低pH可促进这些酶的合成，或使其活化低pH也有直接使氢键松弛的作用。细胞壁的上述性质影响上式中的Eg和p,th，从而影响到生长。较大的Eg可使细胞在同样的膨压下产生较快的生长速率。较低的p,th则使细胞壁的延伸能被更低的膨压所推动，均有利于植物在低膨压下维持一定的生长速率。已知Eg与p,th的大小因细胞壁的成分，交联程度和性质以及生化修饰的情况而定。抗旱的植物在较轻的水分胁迫下，可以适应性地调整Eg与p,th，以减轻水分胁迫对细胞延伸生长的影响，表现出抗旱特性。然而，在严重干旱条件下，细胞壁上与生化修饰有关的酶类将受到明显抑制，壁上的代谢活动减弱或停止，此时Eg减小，而p,th增大。,（二）膨压的维持,随着水的进入和细胞体积的扩大，s升高，细胞延伸的动力p将迅速下降细胞只有以一定的方式维持较低的s，使p保持适当的大小，才能保证细胞的继续生长。据目前所知，在正常供水条件下膨压的维持主要靠K的摄入，与气孔保卫细胞的调节机理似有共同之处。正在伸长的细胞，有大量产生苹果酸的能力，苹果酸解离产生的H与相邻细胞或细胞外K进行离子交换，使K大量进入伸长的细胞，以苹果酸钾的形式积累在液泡中，使s维持在适当值,二、细胞壁的弹性特征容积弹性模量,成长细胞虽已停止了生长，但膨压的维持仍具有十分重要的意义，一方面叶细胞可借膨压维持一定的紧张度，从而保持叶片的正常姿势，不致发生萎蔫；另一方面，膨压可调节气孔开度，使蒸腾与光合比值处于最佳状态。已知成长细胞的膨压维持也可通过两种方式进行：一是降低细胞液的渗透势，进行渗透调节；二是改善细胞壁的弹性性质，进行弹性调节。下面重点讨论弹性调节问题。植物成长细胞的细胞壁，一般而言，失去了在膨压作用下进行塑性延伸的性质，但仍具有在膨压作用下发生弹性延伸的性质。其弹性的好坏以及可进行弹性伸缩的范围都因细胞壁的性质而不同。,1、弹性模量,对于弹性性质的衡量，可用物理量“弹性模量”表示。对于一个金属弹簧或棒状物体（如图）：,如果沿着其轴向受到外力(如拉力)F的作用，则在外力不超过一定限度的情况下，会产生弹性形变(延长)。外力F即胁强(stress)，物体单位长度产生的形变L/L即胁变（strain）。在弹性限度范围内，胁强与胁变之比为一常数。F L/L这一规律叫虎克定律，常数称为弹性模量或称杨氏模量。,由上式可知，在弹性限度内，胁强与胁变为一直线关系。然而，当胁强或胁变超过某一值后，可发生塑性形变，甚至使材料断裂，胁强与胁变不再符合直线关系，如下图所示。,从图中可见，只有当胁强F大于f时，才能使材料发生弹性形变在胁变由0a的范围内，胁强与胁变呈直线关系。直线的斜率即材料的杨氏模量；当胁变超过a值以后，材料发生塑性形变，直线变弯;胁变b为材料的断裂胁变。对于不同材料，在弹性胁变区内的弹性性质可能有以下三方面的差别：产生弹性胁变所要求的最低胁强(f)不同；弹性模量不同；能产生弹性胁变的范围或在弹性限度内所能产生的形变的大小(即a值的大小)不同。对于植物细胞,以上三 方面的性质均与细胞的紧张度的维持有关。,2、细胞的容积弹性模量,杨氏模量仅适用于材料的线性形变，对于植物细胞，在膨压作用下所产生的形变为体积变化，不能简单地套用上式加以处理，于是提出了容积弹性模量(Bulk modulus of elasticity)的概念。并将其定义为:dp dp V V dV/V dv 式中V为容积弹性模量，p为膨压，V为细胞体积，由式中可知，细胞的容积弹性模量就是在膨压作用下细胞每产生单位体积变化所需要的膨压变化。,3、植物组织或器官的容积弹性模量,测量单个细胞的膨压体积关系并由此计算出细胞的V值难度较大。早期工作通过测量在不同浓度溶液中细胞体积的变化间接求得，但很不准确。Green等首次利用压力探针技术实现了大型藻类细胞的膨压测量，但对一般小型细胞则难以实现。Tyree曾对两者关系进行过理论推导，认为植物器官的容积弹性模量近似地等于各个细胞容积弹性模量的平均值。从植物水分关系与抗旱性的实际应用角度考虑，测量整个叶片的容积弹性模量(v)意义较大，可利用压力室技术进行测量（P-V曲线测定，略）。,三、容积弹性模量的生理意义,v大小可以：表示植物材料弹性的好坏反映细胞壁在膨压作用下可进行伸缩范围的大小 不同的植物品种，其细胞壁弹性存在差异。v较小的材料，其弹性较好，在干旱胁迫下相对含水量降低时，膨压下降较慢，可在相当长时间内维持膨压，从而维持其正常生理功能和生长速率。v大的材料则相反。下图是两个抗旱性不同的大豆品种叶片pRWC关系曲线：,通过比较可见，虽然吸水饱和时小粒豆1号的最大p低于鲁豆4号，但随着RWC下降，小粒豆1号的p下降缓慢，直到RWC降至接近60时膨压才消失；而鲁豆4号的p则随着RWC下降而急剧下降，RWC降至87作用时p即消失。如果将膨压消失点作为萎蔫点，显然，小粒豆1号能在更低的RWC下维持膨压而不至于萎蔫。从pRWC曲线与横轴的交叉点来看，小粒豆1号的细胞壁的弹性伸缩范围明显大于鲁豆4号。大豆叶片的不但因品种而异，也因大豆植株所经受的水分胁迫程度而改变。下表为不同水分胁迫条件下两个大豆品种的v(max)。可以看出：分枝期轻度水分胁迫，均能在一定程度上改善叶片的弹性(v降低)，这可能是细胞壁上的生化过程在轻度水分胁迫下进行的主动适应。但严重水分胁迫则使v(max)加大，这有可能是细胞壁在严重干旱条件下硬化所致。在鼓粒期，两品种均失去了降低v的能力。,表1 水分胁迫对两个大豆品种v(max)的影响品 种 鲁豆4号 小粒豆1号水分处理 分枝期 结荚期 分枝期 结荚期 CK 31.4 11.5 13.4 15.3轻度干旱 17.1 18.7 8.8 18.0中度干旱 20.1 19.7 9.3 17.3严重干旱 28.9 24.9 20.2 19.5,由此可见，研究作物叶片的弹性特征对于阐明其抗旱机理具有重要的作用。作物叶片在干旱条件下的弹性调节很可能是除下渗透调节之外又一种重要的干旱话应方式，这种方式在禾本科作物上是否存在尚待研究，但对大豆而言，则弹性调节至少能发挥一定作用。,早期的观点认为，干旱对生长发育得影响，只是水分亏缺对植物得直接损伤效应，而且正是这种损伤效应抑制了细胞得伸长，气孔开度、光合作用等生理过程，从而导致了产量的下降。但是，近年来越来越多得实验结果显示，在水分亏缺造成各种损伤现象之前，植物就对干旱做出了适应性的调节反应，以便使植物做出最优化选择(optimization)。因此，植物一定具有感知、传递土壤干旱胁迫信号、使之做出快速反应的能力。目前，国际上对植物逆境信号传递的研究引起了普遍关注。本届简单介绍干旱胁迫下植物如何感知和传递胁迫信号、以及信号的种类、性质和作用机理。,第四节 干旱胁迫下植物根与地上部的信号传递,一、植物根冠通讯信号,（一）信号种类,1、水力信号（hydraulic signals）,hydraulic signal:由于土壤水分含量的下降引起叶片水分状况（w,s,p,RWC等）变化，进而影响植物的生理功能。叶片水势是最常用的植物水分状况指标，人们常把w与胁迫程度相联系。Kramer等把土壤干旱对植物的影响解释为：土壤干旱，水分减少根系吸水减少蒸腾作用存在叶片w下降膨压下降激素合成与运输变化生理功能变化。可见，这种类型的根冠通讯是靠水的传递来实现的，即水信号传递。然而，目前又有许多实验证明，在叶片水分状况还没有表现出可检测的变化之前，地上部对土壤干旱的反应已经发生了，从而避免了或推迟了叶片和枝条脱水，以维持正常生长发育。这说明植物根系和地上部之间出了水信号以外，还有其他信号存在。,2、化学信号(chemical signals),chemical signal:指能够感知和传递土壤干旱信息到地上部反应部位，进而影响植物生长发育的激素或除水以外的其他化学物质。Bates&Hall等（1982）最早指出土壤干旱的初期的气孔导度、叶片生长和叶片水分状况并无关系，而与土壤含水量直接相关。后经Davies等加以完善，提出了根冠间通信的化学信号的假说。,试验依据：（1）Blackman%Davies的分根实验 用玉米为材料进行分根实验，一半根浇水，一半干旱处理。实验发现，与CK相比，处理对叶片水分状况没有明显影响，但气孔导度却明显下降。后来又有许多实验证明，叶片气孔导度和生长速率下降，水分状况不变。因此，推论处理的处于干旱那一部分根产生了化学信号。（2）Gopwing等（1990）的切根实验 苹果苗：根系分成两半，分别置于2个容器，一半给予干旱处理，叶片水分没有发生可检测的变化之前，叶片的生长和水导已经下降。重新浇水，则叶片的生长和水导恢复。重要的是：把干旱土壤中的半边根切除，与重新浇水得到用羊的结果，即叶片生长和水导恢复原状。一种合乎逻辑的解释是：干旱土壤中的根产生了某种化学信号，阻止了叶片生长，降低了水导。因此，除去这部分根，也就除去了产生的化学信号，使叶片无法对干旱作出反应。（3）Passiowra等的根系加压实验 干旱时，给小麦、向日葵等植物的根系加压，来平衡干旱时土壤部分付压力的增加，使不浇水的植株在土壤干旱时地上部水分状况维持在干旱前水平。结果发现，加压植株在干旱时，虽然地上部水分状况没有变化，但气孔导性明显下降。后来，Passiowra指出，生长在干旱土壤中的植物，根中可以产生化学信号，来控制地上部生长（如叶片伸长）。,3、电信号(electrical signals),娄成后等提出高等植物体内信号传递中电波作用的假说，认为传递组织中局部电流可激发邻近细胞兴奋，同时引起细胞中激素或某种化学物质的释放。反过来，激素或化学物质的释放又会引起邻近细胞的局部电流（不管是动作电波或变异电波传递，都会有电流或化学物质的介入。）观点：认为电波传递是植物体内信息传递的一种重要方式。现已发现，各种各样的刺激，如光、热、冷、化学物质、机械、电、伤害性刺激（如烧伤）等，都可以引起植物体的电波传递反应。电波传递可对不同植物引起不同的生理活动变化。如：含羞草小叶闭合下垂，捕蝇草捕虫器的关闭，胞质环流停止，呼吸、蒸腾改变，伸长生长停止等。北京农大研究成果发现：烧伤刺激，引起气孔运动和叶片伸展的抑制。刺激后，发生这种生理反应之前，必须有电波传递参与。如果阻断电波传递，则生理反应不会发生。研究水分胁迫、盐渍胁迫时发现，这两种胁迫引起电波的传递，抑制气孔的导性。所以电波传递可能是植物感应外界刺激的最初信号。,（二）信息传递的途径维管系统,植物体内虽然不象动物那样有神经系统来感知、传递信号，但也具有信号传递的功能。信息传递的主要通道是维管系统。如：沼生植物水菠菜（Nasturtium sp.）的叶序是2/5，即要有5个叶片围绕茎两圈完成一个叶序。第一叶与第六叶是在同一直线上，两者的维管束是直接相连通的。用烧伤法来刺激第一片叶，AP（动作电波）和VP（变异电波）的复合电波优先传递到第6叶，而距离第一叶较近的部位（如第二叶、第三叶）反而没有传到或传递电波极微弱。,水菠菜维管束系统中的电波传递A、2/5叶序的纵向排列 B、叶片间的电波传递,二 根冠通讯中化学信号的性质,1、正信号,正信号是指随着土壤含水量的下降，某些生理活性物质供应量增加。如 ABA等抑制性物质。上面提到的苹果苗的分根、去根实验指出：切除干旱土壤中的半边根会导致气孔重新开放，导性增大，与重新浇水有同样的作用。这一实验有力地说明了根冠间的通讯是一种正信号（抑制因子增加）。因为，如果说是负信号，即某种物质向地上部的运输减少，则除去脱水部分的根，会使这种物质更少，不会除去干旱诱导的生长抑制（反而加重）。不少人研究过的水分状况与根中ABA含量的关系，推测ABA积累增多可能是植物灵敏感知土壤水分状况的一种方式。分析干旱对木质部汁液中阳离子、阴离子、PH、aa、激素的影响，发现大部分在根际土壤干旱时减少，只有ABA的浓度在土壤轻微干旱时，就大幅度增加，甚至在叶片水分状况还没有因受干旱影响而变化时，木质部汁液中的ABA浓度就增加了25-35倍。因此认为，根中合成的ABA可以通过木质部运向地上部分，从而改变或修饰地上部的生理功能。（ABA是主要的正信号）,2、负信号,负信号是指在土壤干旱时某些物质运向地上部分的量减少，如水体积、CTK、蒸腾流中的营养物质。很多早期的研究工作表明，木质部汁液中有许多CTK活性，此后证明，干旱胁迫可导致根中CTK合成和运输减少。（属于负信号）外施CTK可以增加气孔的开度和蒸腾速率，但很难证明负信号会在土壤干旱时根冠通讯中占主导地位（如分根实验去根试验）。但CTK可起到某些非主导性的作用。有人推测：正信号在较湿的土壤中（轻微胁迫）中起作用，而当土壤进一步变干时，负信号的作用增加。,3、其它信号,(1)pH变化作为信号,Hartung等（1988）提出pH的变化从根向地上部传递，可以使ABA在叶内重新分布。即：当pH升高时，ABA从叶绿体中释放到质外体，进而在叶片水分状况发生变化之前，就可以影响气孔的开闭行为。Schurr等发现：供水植株的木质部汁液中阴离子过量（占优势），干旱处理的植株木质部汁液中阳离子过量，因此提出：干旱木质部汁液阳离子过量PH升高（碱化）作为信号叶片中分隔的ABA重新出现释放 质外体气孔关闭,（2）未知抗蒸腾因子,Munns和King（1988）用免疫亲和层析技术，把小麦木质部汁液中的ABA除去，然后把汁液喂给供水良好的植株，发现并没有除去其抗蒸腾的作用，即仍具有蒸腾作用，故推测，小麦木质部汁液中还有某种除ABA以外的抗蒸腾因子存在。,三、ABA在土壤干旱信号的感知与传递中的作用,植物具有对环境做出最优化反应的能力。因此，当土壤变干时，植物必定具有感知、传递土壤胁迫信号，从而调节其生长发育的机制。可以设想：当少数根在变干的土壤中脱水时，产生化学信号，这些信号在总的水流量和叶片水分状况还没有发生改变之前，就移动到地上部分发挥作用。随着土壤继续变干，脱水的根量增多，脱水程度增大。信号的强度也增大，植物地上部分的生长发育就随着发生相应的修饰和调整。,1、根中ABA浓度与根周围土壤含水量显著负相关,Davies等（1990）把玉米种在1m长的土柱中，停止浇水后，使土壤自上而下逐渐变干，在变干的21天期间，未浇水植株与浇水植株（CK）维持相当的叶片水势，而干旱处理的叶片气孔导性却在第6天就明显下降了。不同深度的根中的ABA含量与相应土层的含水量密切相关。表明根尖可以通过形成ABA来感知土壤中的可利用水分状况。,2、导管汁液中ABA浓度与土壤含水量显著负相关,Davies等用玉米、向日葵等进行实验，表明导管汁液中ABA的浓度与土壤中的含水量显著负相关。因此，导管汁液中ABA浓度可以作为土壤水分状况的动态指标因子。而叶片中的ABA直到干旱循环后期才明显增加。同时也证明，根中ABA是通过木质部液流到达地上部的。,3、叶片导性、生长速率与导管汁液中ABA浓度显著负相关,未浇水植株的叶片导性、生长速率与导管汁液中的ABA浓度显著相关。为了检验其因果关系，把外源的ABA注射到木质部导管，叶片导性和生长速率也与外抗ABA的使用量高度相关。表明导管中ABA浓度变化是叶片生长和气孔导性下降的较直接的原因（而并非结果）。上述一系列试验结果，说明土壤干旱时，根可以通过合成ABA来感知土壤干旱程度，并作为根与地上部分通讯的化学信号，通过木质部传递到地上部，使地上部茎叶做出反应。,四、根冠通讯中ABA的作用机制,1、ABA对叶片生长的作用,一般认为，ABA可以抑制叶片的生长，但人们又发现那些幼嫩的、快速生长的叶片中比老叶中含有更多的ABA。Cowan等（1982）发现：叶片的ABA大部分存在叶绿体中，除非在叶片膨压下降的情况下，叶源的ABA与蒸腾流运来的ABA保持分离。Meidner(1975)曾指出：蒸腾流可直接到达与保卫细胞相邻的表皮细胞的壁上，而该部位正是ABA作用于保卫细胞的部位。因此推测：干旱处理，根系合成ABA 木质部 叶片质外体 与ABA受体作用 传递干旱信号 调节地上部生长发育。而叶片叶绿体中存的大量ABA只是在叶片膨压下降（干旱后期）的后期反应才起作用。,2、ABA对气孔运动的作用机理,ABA引起气孔关闭是人所共知的事实，但其机理却很不清楚。目前认为（如上所述），根中合成的ABA随蒸腾流能直接到达保卫细胞质膜的作用部位，而这时叶片的膨压尚未降低，叶肉细胞和保卫细胞叶绿体中的ABA还不会转移出来，而来自根的ABA就可以单独起作用，进行从根到地上部的信息传递。保卫细胞对ABA的反应机制虽不清楚，但McAinsh等提出的Ca2+-ABA第二信号模型，给出了一个轮廓性的解释：,ABA 保卫细胞质模上的Ca2+内向通道打开 细胞内的Ca2+和IP3(肌醇三磷酸)增加 抑制质模K+内向通道 促进质模上K+外向通道 K+外流 气孔关闭,ABA诱导气孔关闭机理,近几年来，对于根与地上部间的信息传递的研究取得了较大的进展，但仍有许多关键性问题未提清楚。如：根对传递信号感受的细胞学机制，逆境引起叶片气孔、叶片生长变化的确切机理，逆境下电波传递等，都有待进一步研究。,与动物相比,植物的移动性很差,绝大多数营养体的植物都是固定在土壤中,但这也使它们在长期的进化过程中获得了惊人的环境适应性,特别是针对环境中的逆境因子,发展了非常完善和强大的防御机制。水分胁迫是各种胁迫环境中最常见、最普遍的逆境因子之一,陆生植物不仅在干旱和高盐浓度下遭受水分胁迫,低温也会因造成根系对叶片水分供应减少而使叶片膨压下降,进而使植物遭受脱水或水分胁迫。为了响应水分胁迫,不同植物除了体内产生一系列生理和生化变化外,其基因表达也受到深刻影响,并诱导产生许多特异基因产物。通过对这些基因编码的蛋白质与已知蛋白进行序列同源性比对后,可将之大致分为两大类型:,第四节 水分胁迫诱导蛋白与植物抗旱,调节蛋白：它们在水分胁迫信号的感受、转导及抗性基因表达调控等不同过程中起关键作用,如参与不同环节响应调节的各种蛋白激酶类,调控不同基因表达的各类转录因子,以及参与信号转导第二信使生成的磷脂酶等;,功能蛋白：它们在植物抗逆机制中发挥重要作用。,这些水分胁迫诱导基因产物不仅通过重要代谢保护细胞结构,而且起调节信号转导和基因表达作用：通过水分通道蛋白、ATP酶、跨膜受体蛋白、离子通道、有机小分子运载体等膜蛋白加强了细胞与环境的信息交流和物质交换;通过酶蛋白的作用合成各种渗透保护剂，提高细胞渗透吸水能力;通过LEA蛋白、渗调蛋白、抗冰冻蛋白、分子伴侣、蛋白酶、热激蛋白等逆境诱导蛋白提高细胞抗脱水能力;通过SOD.CAT,APX、POD等提高细胞排毒、抗氧化防御能力;通过蛋白激酶、转录因子、磷脂酶C等调控蛋白提高细胞内信息传递和基因表达能力。,一、水分胁迫诱导蛋白的种类和诱导机制,（一）水分胁迫诱导蛋白的种类和特性,由于分类依据的不同,水分胁迫诱导蛋白被分成不同的类别。根据对ABA的依赖性,可以将其分为ABA依赖蛋白(RAB)和非ABA依赖蛋白。根据水分胁迫诱导蛋白在诱导时间上的差别将拟南芥中的水分胁迫诱导蛋白分成两大类:ERD(脱水反应早期蛋白)和RD(脱水反应蛋白)。这是由于拟南芥在遭受干旱胁迫大约2小时后ABA开始大量合成,10小时后达到最高水平,所以将遭受干旱胁迫1小时内诱导的蛋白质称为ERD,10小时后检测出的诱导蛋白称为RD。一般来说,RD多为RAB蛋白,ERD多为非RAB蛋白。,按其功能不同,又可将水分胁迫诱导蛋白分成两大类:第一类：在细胞内直接发挥保护作用的功能蛋白。第二类：参与水分胁迫的信号转导或基因的表达调控,间接对植物起保护作用的调节蛋白。,第一类水分胁迫诱导蛋白主要包括:(功能蛋白）,1、渗调素,这是最早发现的一种水分胁迫诱导蛋白,它们在细胞质中调节和维持细胞的渗透势。其中多数与LEA蛋白,尤其是脱水素(dehydrin)有很大的同源性，一般作为脱水保护剂,帮助细胞保持最小水势并稳定胞质结构。另外Velaseo(1994)等还从更苏植物中鉴定出了一组特性类似干LEA蛋白、对脱水敏感的基因家族CdeTll24。,2、膜蛋白,在非生物胁迫下首先引起膜透性的改变、膜结构的变化