逆境下植物衰老及活性氧清除机理

逆境下植物衰老及活性氧清除机理 逆境下植物衰老及活性氧清除机理 盐和干旱胁迫对植物生长发育的影响是非常复杂的，它不仅与植物本身的遗传背景相关，还包括植物生理、代谢和细胞结构等多方面的因素重复。干旱缺水会抑制叶片伸展，引起气孔关闭，减少CO2摄取量，降低光合作用过程中有关酶的活性，从而抑制植物的光合作用，使叶片净光合速率降低。在盐胁迫下，由于水分的亏缺，矿质营养不良、能量不足造成植物的生理过程受到干扰，细胞膜系统包括与光合作用相关的膜结构遭到破坏。这些都可能直接或间接地影响到叶绿素含量，造成植物光合强度降低，最终植物因不能从光合作用中获取足够的物质和能量而使生长受到抑制，甚至因饥饿致死。 一 ，干旱对植物衰老的影响 (一)旱害 陆生植物最常遭受的环境协迫是缺水，当植物耗水大于吸水时，就使组织内水分亏缺。过度水分亏缺的现象，称为干旱(drought)。旱害(drought injury)则是指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。植物抵抗旱害的能力称为抗旱性(drought resistance)。中国西北、华北地区干旱缺水是影响农林生产的重要因子，南方各省虽然雨量充沛，但由于各月分布不均，也时有干旱危害。 1.干旱类型 (1)大气干旱 是指空气过度干燥，相对湿度过低，常伴随高温和干风。这时植物蒸腾过强，根系吸水补偿不了失水，从而受到危害。中国西北、华北地区常有大气干旱发生。 (2)土壤干旱 是指土壤中没有或只有少量的有效水，这将会影响植物吸水，使其水分亏缺引起永久萎蔫。 (3)理干旱 土壤水分并不缺乏，只是因为土温过低、土壤溶液浓度过高或积累有毒物质等原因，妨碍根系吸水，造成植物体内水分平衡失调，从而使植物受到的干旱危害。 大气干旱如持续时间较长，必然导致土壤干旱，所以这两种干旱常同时发生。在自然条件下，干旱常伴随着高温，所以，干旱的伤害可能包括脱水伤害(狭义的旱害)和高温伤害(热害)。 (二)干旱伤害植物的机理 干旱对植株最直观的影响是引起叶片、幼茎的萎蔫。萎蔫可分为暂时萎蔫和永久萎蔫，两者根本差别在于前者只是叶肉细胞临时水分失调，而后者原生质发生了脱水。原生质脱水是旱害的核心，由此可带来一系列生理生化变化并危及植物的生命。 1.改变膜的结构及透性 当植物细胞失水时，原生质膜的透性增加，大量的无机离子和氨基酸、可溶性糖等小分子被动向组织外渗漏。细胞溶质渗漏的原因是脱水破坏了原生质膜脂类双分子层的排列所致。正常状态下的膜内脂类分子靠磷脂极性同水分子相互连接，所以膜内必须有一定的束缚水时才能保持这种膜脂分子的双层排列。而干旱使得细胞严重脱水，膜脂分子结构即发生紊乱(图11-12)，膜因而收缩出现空隙和龟裂，引起膜透性改变。 图11-12膜内脂类分子排列 A.在细胞正常水分状况下双分子分层排列; B.脱水膜内脂类分子 成放射的星状排列。 (J.Levitt，1980) 2.破坏了正常代谢过程 细胞脱水对代谢破坏的特点是抑制合成代谢而加强了分解代谢，即干旱使合成酶活性降低或失活而使水解酶活性加强。 (1)对光合作用的影响 水分不足使光合作用显著下降，直至趋于停止。番茄叶片水势低于-0.7MPa时，光合作用开始下降，当水势达到-1.4MPa时，光合作用几乎为零。干旱使光合作用受抑制的原因是多方面的，主要由于:水分亏缺后造成气孔关闭，CO2扩散的阻力增加;叶绿体片层膜体系结构改变，光系统?活性减弱甚至丧失，光合磷酸化解偶联;叶绿素合成速度减慢，光合酶活性降低;水解加强，糖类积累;……这些都是导致光合作用下降的因素。 (2)对呼吸作用的影响干旱对呼吸作用‎‎的影响较复杂，一般呼吸速率随水势的下降而缓慢降 低。有时水分亏缺会使呼吸短时间上升，而后下降，这是因为开始时呼吸基质增多的缘故。若缺水时淀粉酶活性增加，使淀粉水解为糖，可暂时增加呼吸基质。但到水分亏缺严重时，呼吸又会大大降低。如马铃薯叶的水势下降至-1.4MPa时，呼吸速率可下降30%左右。 (3)蛋白质分解，脯氨酸积累 干旱时植物‎‎体内的蛋白质分解加速，合成减少，这与蛋白质合成酶的钝化和能源(ATP)的减少有关。如玉米水分亏缺3小时后，ATP含量减少40%。蛋白质分解则加速了叶片衰老和死亡，当复水后蛋白质合成迅速地恢复。所以植物经干旱后， 在灌溉与降雨时适当增施氮肥有利于蛋白质合成，补偿干旱的有害影响。 与蛋白质分解相联系的是，干旱时植物体内游离氨基酸特别是脯氨酸含量增高，可增加达数十倍甚至上百倍之多。因此脯氨酸含量常用作抗旱的生理指标，也可用于鉴定植物遭受干旱的程度。 (4)破坏核酸代谢 随着细胞脱水，其DNA和RNA含量减少。主要原因是干旱促使RNA酶活性增加，使RNA分解加快，而DNA和RNA的合成代谢则减弱。当玉米芽鞘组织失水时，细胞内多聚核糖体解离成单体，失去了合成蛋白质(酶)的功能。因此有人认为，干旱之所以引起植物衰老甚至死亡，是同核酸代谢受到破坏有直接关系的。 (5)激素的变化干旱时细胞分裂素含量降低，脱落酸含量增加，这两种激素对RNA酶活性有相反的效应，前者降低RNA酶活性，后者提高RNA酶活性。 脱落酸含量增加还与干旱时气孔关闭、蒸腾强度下降直接相关。 干旱时乙烯含量也提高，从而加快植物部分器官的脱落。 (6)水分的分配异常 干旱时植物组织间按水势大小竞争水分。一般幼叶向老叶吸水，促使老叶枯萎死亡。有些蒸腾强烈的幼叶向分生组织和其它幼嫩组织夺水，影响这些组织的物质运输。例如禾谷类作物穗分化时遇旱，则小穗和小花数减少;灌浆时缺水，影响到物质运输和积累，籽粒就不饱满。对于其它植物，也常由此造成落花落果，影响产量。 3.机械性损伤 上述的旱害多属破坏正常代谢，一般不至于造成细胞或器官的立即损伤或死亡。而干旱对细胞的机械性损伤可能会使植株立即死亡。细胞干旱脱水时，液泡收缩，对原生质产生一种向内的拉力，使原生质与其相连的细胞壁同时向内收缩，在细胞壁上形成很多折叠(图11-13)，损伤原生质的结构。如果此时细胞骤然吸水复原，可引起细胞质、壁不协调膨胀把粘在细胞壁上的原生质撕破，导致细胞死亡。干旱引起的伤害可由图11-14表示。 图11-13 团扇提灯苔叶细胞 脱水时的细胞变形状态 上边是正常的细胞，下边是细胞脱水后萎陷状态 二，盐胁迫对植物的影响 土壤盐浸化是现代农业所面临主要问题之一，盐分胁迫影响着植物产量、蛋白质合成和光合作用以及能量代谢。为了抵御盐分胁迫，适应生存环境，植物产生了一系列生物生化的改变以调节水分及离子平衡，维持正常的光合作用。但在盐胁迫下，植物生长发育都无法进行。 盐分可抑制植物组织和器官的生长和分化，提早植物的发育进程。 (一)盐旱胁迫诱导的活性氧、自由基对植物的影响 近年来研究发现有关各种环境胁迫因子对植物的伤害，都证明主要是由于逆境条件下产生大量的活性氧所致。在正常情况下，植物细胞内活性氧的产生和清除是平衡的。但是，当植物体遭受逆境胁迫时，活性氧的产生和代谢则失去平衡，破坏或降低活性氧清除剂的结构活性或含量水平，导致活性氧H2O2、O-2、HO-等的产生量积累增多。这些活性氧具有很强的氧化能力，性质活泼，对不饱和脂、蛋白质、核酸等生物分子具有破坏作用，可引起脂质过氧化、酶失活、色素脱色、蛋白降解等反应。 1956年，英国D Harman提出的自由基衰老理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。目前，人们普遍认为，活性氧与植物细胞的程序性死亡有关。环境胁迫对植物细胞的伤害在很大程度上是由于活性氧浓度上升所致。在低或中等浓度的条件下，能引起细胞的防御和适应反应;而高浓度的条件下则引起细胞死亡。 在盐胁迫下，叶细胞超微结构变化主要表现在细胞膜系统和叶绿体等细胞器上，其中对盐分最敏感的是叶绿体。吴永波等研究表明:盐胁迫对叶绿素的形成造成了破坏。叶绿素是重要的光合作用物质，盐分胁迫对叶绿素的合成与分解之间的平衡产生影响，进而影响到植物的光合作用强度和生长。水分胁迫下苹果属植物幼苗叶片叶绿素的降解与活性损伤直接有关 。活性氧对蛋白质的损伤主要是氧化损伤，它进攻蛋白质氨基酸残基，使蛋白质发生聚合而失活，或进攻蛋白质的巯基，使蛋白质发生交联或使多肽链发生断裂而失活，随即导致蛋白质迅速降解。损伤的蛋白质半衰期延长，而衰老的细胞中蛋白质合成速率下降，导致受损伤的蛋白质更新率下降。 Hruszkewycz首先报道了在生物体系中脂质过氧化可以引起DNA损伤。胡大林等研究认为，自由基(如ROS中的OH")易导致DNA碱基的修饰改变，可以引起DNA复制时碱基的错误配对及编码，导致基因突变[27]。 夏铁骑认为线粒体DNA对线粒体膜的脂质过氧化作用及氧应邀较敏感，易受呼吸链产生的自由基损伤，氧化损伤后可造成碱基片段丢失，碱基修复及突变[28]。 生物体内若不能及时清除活性氧就会造成氧化胁迫。活性氧代谢失调是逆境下需氧生物受害的普遍表现，也是逆境损伤的重要原因之一。 (二)清除活性氧、自由基 植物体内的抗氧化剂主要有两大类化学物质组成，一是抗氧化酶类，主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)及谷胱甘肽还原酶(GR)等;二是非酶类抗氧化剂，主要有维生素E、抗坏血酸(ASA)、谷胱甘肽(GSH)，一氧化氮(N0)，β-胡萝卜素等。在胁迫下抗氧化物质如SOD、POD、CAT等，它们协同抵抗胁迫诱导的氧化伤害，使细胞内的活性氧维持在较低水平，确保植物正常生长和代谢。而单一的抗氧化酶或抗氧化物不足以防御这种氧化胁迫。 在整个氧化防御系统中，SOD是所有植物在氧化作用中起重要作用的抗氧化酶，是活性氧清除反应过程中第一个发挥作用的关键抗氧化酶。它催化反应2O2-+2H+?H2O2+O2，H2O2再被POD和CAT催化除掉，清除多余的超氧根阴离子对植物的伤害作用。POD能够参与多种生理代谢，具有催化多种细胞壁结构成分的合成、控制细胞的生长发育、清除H2O2等作用，也是植物在逆境下抗氧化酶保护系统中的关键酶。CAT可专一清除H2O2，但CAT定位于线粒体、过氧化物体与乙醛酸循环体中，叶绿体中H2O2的清除是通过Halliwell-Asada途径进行的，APX和GR在这一途径中起着重要作用。ASA是广泛存在于植物光合组织中的一种重要的抗氧化剂，在减少膜脂过氧化，保护细胞膜透性方面有重要作用。GSH是生物体内普遍存在的一种三肽，作为清除剂，可以与有害的氧化剂作用，保护含巯基的蛋白。 增强活性氧的清除系统，能对植物起到保护作用。目前很多研究表明，通过导入与氧化胁迫相关的酶的基因，使转基因植物过量表达一些酶(如SOD、CAT等)，以有效地清除活性氧自由基，保护和稳定蛋白复合体和膜结构，从而提高细胞耐脱水的能力。Mckersie认为转Mn-SOD基因的苜蓿抗御旱胁迫的能力提高了。覃鹏等人认为转Mn-SOD基因的烟草抗旱力也得到了提高。这些都说明，抗氧化酶过量表达的转基因植物，确实可以抵抗活性氧伤害。 植物对胁迫的耐受性可能取决于许多因素，包括所施的胁迫条件、过量表达的同功酶、细胞内靶点、过量表达的强度、叶龄和生长条件。