高级植物生理学逆境生理

高级植物生理学逆境生理 高 级 植 物 生 理 学 植物逆境生理 一、 逆境下植物生理过程的变化 二、 细胞超微结构与植物抗逆性 三 、生物膜结构与植物抗逆性 四、 逆境下植物的自由基伤害与保护系统 五、 渗透调节与植物抗逆性 六、 植物抗逆的分子生物学研究进展 七、 植物激素与抗逆性 八、 交叉适应 逆境(environmental stress)，就是对植物生长不利的各种环境因子的总称. 植物在长期进化过程中、不同环境下生长的植物形成了对某些环境的适应能力，产生了不同生态类型的植物: 喜温植物、耐寒植物、阳性植物、阴性植物、生水植物、旱生植物、盐生植物、淡土植物、中生植物(mesophyte)介于湿生植物和旱生植物之间，是种类最多、分布最广、数量最大的陆生植物等。 同一生态型植物，甚至不同品种对某些不良环境条件的抗御能力也有程度上的差别。植物逆境的抵抗及适应性，可以从形态和生理两方面 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出来。 形态上:叶片大小、角质和蜡质层、表皮毛、微管束分化程度和根系分化差别等,植物矮小并常成匍匐状、垫状或莲座状等，减少水分丢失，减轻严寒伤害。(长期)形态特征发生变化是长期逆境影响而进化适应结果。 生理上:自由水/束缚水、可溶性糖、脂肪、游离氨基酸、激素变化、渗透调节、特异抗性蛋白等。例如鹿蹄草(pirola)叶片积累大量五碳糖、粘液等物质来降低冰点(-31?) (短期)。 为了充分认识不良环境条件对植物生命活动的影响，以及植物对它们的抵御能力，在植物生理研究中形成了逆境生理这样一个研究领域。特别注意植物的抗逆性。 植物的抗逆性(stress resistance)泛指植物对不良环境(逆境)的抵抗能力。植 物抗逆性可分为三个方面: 避逆性:(stress escape)指植物通过对生育周期的调整来避开逆境的干扰，在相对适宜的环境中完成其生活史。 例如夏季生长的短命植物，且能随环境而改变自己的生育期。沙漠中某些植物只在雨季生长，如短命菊、小果崧(30天)、瓦松等。 耐逆性:(stress tolerance)指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止、降低或修复逆境造成的损伤，即通过自身生理变化来适应环境能力。 例如植物遇到干旱或低温时，细胞内的渗透物质会增加，防止细胞脱水，以提高植物的抗逆性。 御逆性:(stress avoidance)指植物具有一定的防御环境胁迫的能力，且在胁迫下仍然保持正常的生长发育状态。 这类植物通常具有根系及输导系统发达，吸水、吸肥能力强，物质运输阻力小，角质层较厚，还原性物质含量高，有机物质的合成快等特点。 植物受到胁迫后产生的相应的变化称为胁变(strain)。胁变可以发生在不同水平上，如整体、器官、组织、细胞和分子水平上(生理生化代谢及分子变化)。 植物抗逆性的研究，着重于一些重要的生理过程变化。 • 光合作用 • 呼吸作用 • 水分 • 物质代谢变化(碳水化合物、氮代谢;次生产物变化等) • 激素水平(IAA、GA、CTK、ABA及乙烯) • 酶活性变化(水解酶、合成酶、转化酶,保护酶系统) 通过研究这些生理过程变化，为了解逆境条件下代谢特点提供理论基础。特别是近年来着重对植物抗逆性的分子生物学和分子遗传学等方面的研究。 , 植物抗逆性与蛋白质和基因调控的结构和功能的关系， , 抗逆与生物膜结构和功能的关系， , 抗逆基因和基因工程的研究(植物品种改良)。 一、逆境下植物生理过程的变化 1. 逆境与植物水分状况 各种逆境首先普遍会影响到植物体水分状况的变化，在冰冻、低温、高温、干旱、盐渍、病害发生时，植物的水分状况均有相似的变化。水分亏缺时，植物器官水分发生异常分配，影响生理代谢，器官生长发育。植物体水分存在状态有两种，自由水和束缚水，可以反映植物体代谢的强弱;在遇到这些不良环境后，二者的相对高低与植物的抗逆性密切相关。也把它作为植物抗逆性的一个水分指标。 研究植物水分关系主要指标: 相对含水量(relative water content, RWC) 自由水和束缚水含量—马林契克法。 水势 (water potential) —小液流、压力室、热电偶湿度计法。 渗透势 (osmotic potential) —冰点渗透计、热电偶湿度计法。 气孔导度(stomatal conductance) —稳态气孔计、光合测定系统 稳态气孔计、光合测定系统 蒸腾速率(transpiration rate) — 细胞质浓度—折光仪或阿贝折射仪、蒸汽压渗透计。 2. 逆境与原生质膜透性 细胞膜的透性在反映植物抗性的差异上是比较敏感的，在冷、冻、旱、热、涝及SO2伤害等方面都表现原生质膜透性增强。大量的电解质和非电解质物质被动的向细胞外渗漏。 膜伤害测定指标: 膜脂的过氧化作用(丙二醛 MDA) 细胞膜透性(电导仪测定，测定组织外渗液的紫外吸收)。 胞内物质向外渗漏原因: ? 原生质膜上ATP酶和有机物质主动运输酶(载体等)活力有关。 ? 而且还与逆境下，细胞失水，原生质膜出现不连续的状态有关(膜脂的 过氧化作用)。 ? 也有认为以外渗物质反映原生质膜透性变化时，可能在逆境条件下胞内可溶性物质随水的外流而引起物质外渗。 3. 逆境与光合作用 在任何一种逆境下，植物都表现为光合速率下降，同化产物供应减少，植物在逆境条件下叶片因失水而造成组织含水量减少。逆境引起气孔导度降低，蒸腾减弱，CO2吸收和同化阻力增加，导致光合速率降低。如干旱、高温、污染(大气、土壤)、除草剂、营养胁迫(CO2、矿质元素)等。 逆境下光合下降主要生理原因是: ?气孔调节变化，气孔导度降低或气孔关闭。 ?光合相关酶变化，失水造成光合作用有关酶(Rubisco)活力的降低和角质层细胞壁对CO2的透性降低; ?叶绿素含量、光化学活性及光能转化率降低。 测定指标: , 叶绿素含量(分光光度法，叶绿素仪); , 净光合速率(光合测定系统); , 叶绿素荧光(叶绿素荧光仪); , 光合生产率(叶片干物质g。m-2.d-1)。 (1)不同逆境对光合速率的影响 , 高温、重金属直接影响光合作用细胞器或光系统复合体等光反应。 , 干旱、大气污染等引起气孔张开度变化，如气孔导度影响光合作用。 , 盐渍化条件下生长的小麦，叶片光合速率比对照降低30-50%。下降的原 因主要是蛋白质分解大于合成。叶绿素分解加强，叶绿素含量下降，致 使光和强度降低。盐胁迫对叶绿素含量影响大于其它胁迫条件。 例如:丙酮提取植物叶绿素时，对照25%，干旱为20%，盐胁迫为50%。 每种逆境对各种生理过程影响程度不同。 (2)光合作用光反应中光能转化的荧光 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 叶绿素荧光分析技术是以光合作用理论、利用植物体内叶绿素作为天然探针研究和探测植物光合状况及各种外界因子对光合作用细微影响的植物活体测定和诊断技术。 叶绿素荧光研究技术:测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面的情况，叶绿素荧光参数更具有反映―内在性‖特点。而气体交换的CO2同化(光合速率)指标则主要反映是 ―表观性‖的特点。 自然条件下叶绿素荧光和光合速率是相互负关联的,光合速率高,荧光弱;反之,当光合强度下降时,则荧光的发射就增强. 目前,叶绿素荧光分析技术应用于光合作用机理、植物抗逆生理和作物增产潜力预测等方面，研究已取得一定进展。可以快速、灵敏和无损伤地研究和探测完整植株在胁迫下光合作用的真实行为,经常被用于评价光合机构的功能和环境胁迫对其的影响。植物光合过程中荧光特性的探测可以了解植物的生长、及受胁迫等生理状况。 环境因子特别是逆境可以直接或间接反映影响光合作用光能转化过程。荧光产额越大，表明光能转化效率低。一般植物吸收光能化学转化率30%。 ?叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因 , 叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息 光能的吸收与转换 能量的传递与分配 反应中心的状态 过剩光能及其耗散 光合作用光抑制与光破坏……等等 , 可以对光合器官进行―无损伤探查‖，获得 ―原位‖的(in situ)信息。 , 测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。 ?荧光动力学技术在逆境生理研究中的应用 叶绿素荧光动力学特性包含着丰富的信息。在理论上，可以用来研究光 合作用过程能量吸收、传递与转换的机理。对植物生理生态学研究者而言，主要兴趣集中在 , 光合作用的能量利用效率; , 过剩光能导致的光合作用光抑制、光破坏; , 光破坏防御机制等方面。 , 光对植物光合作用是一把―双刃剑‖ 光是绿色植物光合作用的唯一能量来源，是植物赖以生存的基础。在一定范围之内，光照越强，光合速率越高。然而，当植物接收的光能超过其吸收和转化能力时，将出现光能过剩。过剩的激发能在光系统内积累，会导致各种活性氧的产生，引起光合作用的光抑制，甚至光氧化、光破坏。在这种情况下，过强的光照就成为一种逆境。因此，光对于绿色植物既是不可缺少的生存条件，又有可能成为一种破坏性因素，这就是光对植物光合作用的双重作用。 , 植物所处的光环境的特点 ?光能变化的幅度大 如昼夜差别可从 0,2000 µmol m-2 s-1以上(0,100000Lx) 冠层内外的差别可从全日照至光补偿点以下 ?光能变化的频率高 冠层内光斑的晃动可使局部光环境在以秒计的时限内发生剧烈变化 因此，植物必须建立起一种机制，使其能够: 在弱光下，能最大限度地吸收光能，用于光合作用; 在强光下，通过各种防御机制减少过剩光能对光合机构的潜在危害。 , 光能过剩产生的场合(原因) 光照过强 苗期;冠层上部;平展叶片。 同化能力减弱 ?各种逆境胁迫(干旱、高温、低温、盐碱、矿质营养失调等)。 ?长期在弱光下生长;或阴生植物。 ?衰老。 植物的发光是植物产生光子的一般过程。发光的类型有三种: ?荧光(fluorescence); ?生物发光(bioluminescence); ?化学发光(chemiluminescene)。但不管哪一类型，所产生的光都是分子中电子从激发态恢复到基态而伴随的一种能量释放的方式。 , 荧光是一种散射光，叶绿素分子吸收光能后成为高能态叶绿素分子，这 种激发态的分子极不稳定，它能将大部分能量以共振形式迅速传递给光 合作用中心P680和P700，而其中部分能量是通过就发射荧光而散失。 当电子传递受阻，荧光发射就增强，这就是植物产生荧光的一种方式。 应用植物发射荧光的现象。可以研究和判断植物的光合特性、叶片衰老 和对环境的抗逆性。 , 生物发光是以酶促氧化反应作能源的光，有人称为磷光。生物发光往往 产生在活机体或它的排泄物，但至今未发现在有维管束的高等植物中， 而真菌、细菌、甲壳动物和昆虫中最常见。如荧光-荧光素酶系统就是最 普通的一种生物发光系统。 它的发射波长200n, 植物的化学发光是植物体内物质氧化作用产生的光， m,700nm，量子效率(quantum efficiency)为10-14,10-13光子/激发态 分子 (光合作用量子效率一般1/8,1/12光子) 。植物体内物质氧化产生 光子比生物发光的量子效率低很多，因而也称为低水平的化学发光。 , 小麦、豌豆和玉米幼苗所产生的化学发光随幼苗生长而增加。同一植物 的不同器官的化学发光也不同，通常根的发光比茎大10倍。大豆化学发 光的波谱峰值为580nm，蚕豆、豌豆和小麦550nm，黄瓜为500nm和7 00nm，南瓜根为530nm，大麦根为500nm，就大多数植物而言，化学发 光的最大波谱为绿光。 C.叶绿素荧光参数及意义 叶绿素荧光参数:F0、Fm、Fv/Fm、F、qP、qN、NPQ等。 叶绿素荧光参数是评估植物光合机构是否受损和光能转化效率良好指标。 F0:固定荧光，初始荧光。也称基础荧光，是光系统?(PS?)反应 中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关。 Fm:最大荧光产量，是PS?反应中心处于完全关闭时的荧光产量。可反映经过PS?的电子传递情况。不能产生电子跃迁，只产生荧光。通常叶片经暗适应20 min后测得。 F:任意时间实际荧光产量。 Fa:稳态荧光产量。 Fm/F0:反映经过PS?的电子传递情况。 Fv=Fm-F0:为可变荧光，反映了QA的还原情况。 Fv/F0:是PS?潜在的活性。 Fv/Fm:是PS?最大光化学量子产量，反映PS?反应中心内光能转换效率或称最大PS?的光能转换效率。非胁迫条件下该参数的变化极小(一般高等植物大都在0.83左右)，不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降。 荧光淬灭:指荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子相互作用引起荧光强度 具体叶绿素荧光淬灭是指叶绿素荧光产量的下降(猝灭)现象。 降低的现象。 qP:代表荧光淬灭中的光化学淬灭(photochemical quenching, qP )，由光合作用引起的荧光淬灭，即光能?化学能。光化学淬灭系数代表:qP=(Fm’-F)/(Fm’-F0’)。qP反映PS?天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额。qP愈大，QA重新氧化形成QA的量愈大，即PS?的电子传递活性越大。 qN :代表荧光淬灭中的非光化学淬灭(non-photochemical quenching, qN或NPQ)。 由热耗散引起的荧光淬灭，即光能?热能)。非光化学淬灭，有两种表示 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，NPQ=Fm/Fm’-1或qN=1-(Fm’-F0’)/(Fm-F0)=1-Fv’/Fv。 qN反映PS?天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分。 光化学淬灭反映了植物光合活性的高低;非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力。 许多研究表明，逆境胁迫的轻重与Fm/F0，Fv/F0，qP，qN的参数值被抑制的程 度之间存在着高度相关，可作为植物抗逆的指标。 4. 逆境与呼吸作用 呼吸作用植物生命活动的中心，植物抗性生理研究资料中，可将逆境下呼吸作用变化趋势和幅度的不同分为三种类型: ?当植物受环境胁迫时，呼吸强度降低。冰冻、高温、盐渍和淹水胁迫时，植物呼吸作用都是逐渐降低。小麦在–7?处理时，叶片呼吸速率仅为对照的1/5。 ?当植物受逆境时，植物呼吸作用先升高后降低，如冷害和干旱胁迫时，水稻花期冷害发生时，气呼吸作用先升高后降低，(呼吸途径改变，抗氰呼吸增加)。植物受旱时，随着水量降低，植物体内可溶性物质和呼吸基质增加。如果蔬产品的贮藏。 ?当植物受环境胁迫时，呼吸作用明显增加，并能维持相当长的时间，接近植物死亡时呼吸作用才下降。植物发生病害时，呼吸作用极显著的增加，有时比对照植株增加10倍以上。这种呼吸作用增强与菌丝体呼吸无关。抗病呼吸，末端氧化系统活跃。 5. 逆境与物质代谢 各逆境条件下，植物体内物质代谢都表现为合成能力降低，分解代谢加强，可溶性物质增加。(可溶性物质在低温或干旱下积累作用不同) 碳代谢:例如，山芋、马铃薯等低温下贮藏时会变甜，它是淀粉水解为可溶性糖有关，与磷酸化酶水解活性增强有关。(可溶性糖) 氮代谢:在蛋白质代谢中看到，低温、高温、干旱、盐渍胁迫下蛋白质降解，可溶性氮增加。(游离氨基酸，脯氨酸) 次生产物代谢:环境胁迫对植物次生代谢影响近些年引起国内外学者关注，物理、化学及生物胁迫会增加次生产物合成。其作用防御功能如紫外、生长抑制剂、病原因子，如生物碱、类胡萝卜素、黄酮、萜类、蒽酮、香豆素、木质素等 酶活性:Chaken在研究小麦抗旱性与蔗糖合成酶和蛋白质合成酶活性关系 的研究中指出，抗旱和不抗旱品种中，这两种酶活性下降速率不同。不抗旱小麦叶片失水20%时，酶合成力已完全停止，抗旱小麦叶片失水50%时，仍由40%的合成能力，说明抗旱品种具有缓解水解，保持合成的能力。 在逆境胁迫下，植物体内正常的蛋白质合成被抑制，而常常诱导出一些新的蛋白质，这是植物为了提高对不良环境适应和抵抗的方式。逆境蛋白。 (1)逆境蛋白的类型 , 高温胁迫下诱导产生一种称为热激蛋白。(heat-shock proteins 简称HSP s),又称热休克蛋白。 , 低温下驯化合成的冷驯化蛋白(cold-acclimation protein, CAPs)。 , 盐胁迫下合成的盐胁迫蛋白，如渗压素或称渗调蛋白(Osmotin)。 , 缺氧条件下诱导合成的厌氧蛋白(anaerobic proteins, ANP)。 , 紫外线诱导蛋白(UV-inducrel proteins , UVPs)。 , 病原相关蛋白(pathogenesis-related proteins,PRPs)。 , 化学诱导蛋白(chemical induced protein, CIP)如抗重金属蛋白。 、化学的、还是生物的环境因子，在一定情况下 由此可见，无论是物理的 都有可能在植物体内诱导出某种逆境蛋白。各种不良环境下，植物体内诱导一些新蛋白合成，这表明逆境条件使植物基因表达发生了改变，一些正常表达的基因被关闭，而一些与适应性有关的基因被启动表达。 (2)逆境蛋白在植物中的存在部位及意义 , 逆境蛋白定位: 逆境蛋白可在植物不同生长阶段或不同器官中产生，也可存在于组织培养条件下的愈伤组织以及单个细胞之中。 逆境蛋白在亚细胞的定位也很复杂。可存在于胞间隙(如多种病原相关蛋白)、细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质及各种细胞器中。特别是细胞质膜上的逆境蛋白种类很丰富，而植物的抗性往往与膜系统的结构与功能有关。 , 逆境蛋白生理意义 逆境蛋白是在特定的环境条件下产生的，通常使植物增强对相应逆境 的适应性。如热预处理后植物的耐热性往往提高;低温诱导蛋白与植物 抗寒性提高相联系;病原相关蛋白的合成增加了植物的抗病能力;植物 耐盐性细胞的获得也与盐逆境蛋白的产生相一致。有些逆境蛋白与酶抑 制蛋白有同源性。有的逆境蛋白与解毒作用有关。 这些逆境蛋白提高了植物主动适应或抵抗逆境环境的能力，保证植物在处于不良环境时维持正常的代谢，减少逆境的伤害。 (3)逆境蛋白的作用 ?参与代谢的酶或同工酶 酶蛋白结构的多样性与功能专一性，表明对多变环境适应性。 玉米苗研究发现，在厌氧或水淹条件下，新合成的蛋白质厌氧多肽，深入研究表明，厌氧多肽中有一些就是与糖酵解或糖代谢有关的酶，如由edh1和edh2基因编码的醇脱氢酶同工酶;葡萄糖-6-磷酸异构酶、果糖-1，6-二磷酸醛缩酶和蔗糖合成酶的同工酶等。这些酶的出现或活力的提高对保证植物能量供应，并可促进乙醇发酵以避免酸中毒。 研究发现冰叶松叶菊在NaCl、PEG和干旱诱导下，可使C4光合作用转变为CAM途径，其标志为诱导产生PEPcase，它是光合作用CAM途径的关键酶。从光合碳循环讲，C3和C4植物区分不是绝对的，大麦颍片有高PEPCase含量，小麦和大麦不同绿色器官中PEPCese和RUbPCase活性存在显著差异，受环境水分、光强及温度而变化。C3植物大豆叶片存在C4途径关键酶(李卫华，1999)。 ?逆境蛋白与酶抑制蛋白的同源性 在植物受到伤害时、常会产生或增加某些对植物有保护作用的酶蛋白的抑制物,是基于肽类的化合物，广义上指与蛋白酶分子活性中心上的一些基团结合，使蛋白酶活力下降，甚至消失，但不使酶蛋白变性的物质。它们或竞争性抑制蛋白酶活性或作为互补蛋白酶活性点的抑制剂。它们在伤害情况下的诱导增加可看作为是一种―原初免疫反应‖，保护性反应，以提高植物的防卫能力。 这些抑制物有些本身是一些多肽,如小麦中的α-淀粉酶抑制物、玉米和 大麦中的抑制物、大麦和小麦中的双功能酶(胰蛋白酶,淀粉酶)抑制物等。对逆境诱导蛋白与一些酶蛋白抑制物进行氨基酸或核苷酸的同源性分析，结果表明:逆境蛋白与酶蛋白抑制物有同源性。 , 番茄盐诱导蛋白NP24与甜蛋白(thaumatin，甜蛋白是一种具有多种生物 学活性及重要功能的植物防御蛋白，属于病程相关蛋白。类甜蛋白具有 葡聚糖酶活性，能结合并降解真菌细胞壁的组成成分—β-1,3葡聚糖酶。 在抗真菌活性起着至关重要的作用。 )的同源性达58,; , 烟草致病相关蛋白(TPR)与玉米蛋白酶抑制物的同源性为57,; , 渗透调节蛋白与玉米双功能酶(淀粉酶,胰蛋白酶)抑制物在氨基酸水平 上的同源性达62,。 不同逆境下诱导蛋白与蛋白抑制物在分子水平上的同源性，表明逆境蛋白同样具有提高植物在逆境下防卫能力及保护作用。 ?逆境蛋白与解毒作用 在植物对有毒害作用的重金属的反应中，植物被重金属诱导会产生某些蛋白质，主要有两种蛋白质: 类金属硫蛋白(硼，硅，锗，砷，锑，硫，硒，类金属的电子结构中有较多的空电子轨道，故它们的活性较大，容易与有机物结合生成金属有机物化合物)，它们具有某些动物金属硫蛋白的特征、如紫外吸收、氨基酸组分、相对分子质量等，能与Cu+2和Cd+2相结合。 植物螯合肽，植物螯合肽及其复合物是一类富含半胱氨酸的低分子量化合物,植物螯合肽首先与重金属离子结合形成低分子量(LMW)复合物，以此形态经由细胞质进入液泡后，再与一个分子的植物螯合肽结合，形成对植物组织毒性较小的高分子量(HMW)复合物，从而达到缓解重金属对植物的危害作用。 这两种蛋白质虽有不同之处，但都为金属离子所诱导，都富含有半胱氨酸残基，都可通过它们的巯基与至金属离子结合，降低细胞内可扩散的重金届离子浓度，起到解毒作用。 美国宇航局2010年12月3日消息，在地球上发现全新的微生物，它能利用砷进行新陈代谢，砷含有剧毒。新发现的微生物名为菌株GFAJ-1，它是常见细菌 (Gammaproteobacteria)的成员，它是湖中成长最好的细菌。 在砷中，这种细胞比在磷中成长要大60%。在放射性环境下，研究者发现砷原子在DNA能占据重要位置，如同其它元素在分子中一样。磷是组成DNA和其化学键的重要元素，尤其对三磷酸腺苷分子来说更是不可缺，因为生物要用它来储存能量。 众所周知，在组成生命的最主要最基本的六种元素是碳、氢、氧、氮、磷、硫。至今没有发现这六种基本元素被替代的物种。 GFAJ-1菌的DNA中的磷能被砷所代替，这种细菌有可能会被定义成第二种生命形式，像深海的极端微生物一样。说明不同或极端环境可以产生在组成上、结构上不同的生命存在形式。 • 陈少良2012《Plant Physiology》接种外生菌根(EM)真菌能够提高盐渍 环境中林木的生物量。EM增加矿质营养吸收，减少对Na+的吸收。 • Paxillus involutus(卷缘网褶菌)菌株MAJ和NAU是高度耐盐的真菌，增 加盐胁迫下K+的吸收。另外，EM增加共生期间根部的Ca2+， Ca2+调 但是植物如何通过EM增加Ca2+影响节盐胁迫下的K+/Na+平衡， K+/Na+平衡的相互关系仍不清楚，即EM真菌如何帮助植物耐盐。 • 发现EM改变植物在盐胁迫下的Ca2+流速，减少K+外流，促进H+吸收 和Na+排出，即EM调节盐敏感杨树的K+/Na+平衡，进而提高杨树的抗 盐性。 ?逆境适应过程中形成的稳定蛋白或贮藏蛋白 通过对烟草悬浮细胞盐适应研究渗调蛋白。渗调蛋白是一组碱性蛋白质，把相对分子质量约26×103的蛋白质定名为渗调蛋白，在盐适应细胞中它的含量随环境水势下降而升高，甚至可达到细胞总蛋白量的12,。在盐适应细胞的整个生长周期都有渗调蛋白的合成。 脱落酸(ABA)作为一种逆境激素能诱导渗调蛋白的合成。盐可能涉及ABA诱导的渗调蛋白mRNA的转录或渗调蛋白翻译后的修饰，使它更加稳定。盐胁迫?ABA ?mRNA ?渗调蛋白。 盐适应细胞中产生的渗调蛋白是稳定的，在无盐培养基中生长若干代后(80代)，它们仍能合成渗调蛋白，表明在盐适应后发生了某些渗调蛋白累积调节机制的永久性变化。 在盐适应细胞中40,的渗调蛋白是可溶性的，结合在叶绿体和线粒体以外的颗粒上。许多渗调蛋白集中在液泡中，液泡含有高水平的渗调蛋白。渗调蛋白可能是一种盐适应过程中形成的贮藏蛋白。 ?分子伴侣(molecular chaperone)蛋白 分子伴侣蛋白是参与其他多肽的正确装配(但是本身最后并不成为功能结构的一部分。后来发现分子伴侣中的许多蛋白质就是所谓的热激蛋白(HSP)。现在研究较多的分子伴侣蛋白有Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60。 近年来，分子伴侣蛋白已成为细胞生物学中一个重要的话题，研究大多集中于它们在正常条件下和在胁迫条件下的功能，特别是在蛋白质折叠方面的功能。 HSP90对细胞的存活，特别在真核生物细胞中的作用倍受关注。 分子伴侣蛋白的主要作用可能有: A、在正常生理条件下功能帮助蛋白正确折叠、装配、运转及降解; 稳定新形成的蛋白质。 B、在胁迫条件下能够稳定蛋白和膜的结构，防止变性蛋白聚合等。 例如使热失活的RNA聚合酶再活化，控制热激反应。 C、促进捕光色素蛋白复合体插入类囊体膜等。 例1.热休克蛋白 Ritossa(1962)在研究果蝇唾液腺染色体时发现了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋白质,命名为―热休克蛋白‖(heat-shock proteins )。最初只认为HSP在高温下可有效保护蛋白质折叠结构,真核细胞和原核细胞在高温时均可产生HSP。 , 由高温诱导合成的热击蛋白(热休克蛋白)现象广泛存在于植物界。热 击处理诱导HSPs形成的所需温度因植物种类而有差异。豌豆37?，胡萝 卜38?、番茄39?、棉花40?、大豆41?、谷子46?均为比较适合的诱 导温度。 , 植物对热击反应是很迅速的，热击处理3,5分钟就能发现HSPmRNA含 量增加，20分钟可 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到新合成的HSPs。细胞内各区室(内质网、线粒 体、叶绿体、胞室等)都有HSP70对应物的存在,表明它对这些细胞器是 必需的。 , 水生栖热菌(Thermus aquaticus)是一种生长在温泉、蒸汽管道等处的细 菌，它体内的Taq聚合酶可以耐受90?以上的高温而不失活，这在需要 高温环境的PCR反应中有着重要意义。Taq聚合酶在97.5?时的半衰期 为9分钟。它的最适温度为75-80?，72?时能在10秒内复制一段1000 bp的DNA片段。所以水生栖热菌的耐高温DNA聚合酶(Taq酶)被广 泛应用于聚合酶链式反应(PCR)。 例2. 低温诱导蛋白 植物不但高温处理可诱导新的蛋白成，低温下也会形成新的蛋白，称冷响应蛋白(cold responsive protein)或冷击蛋白(cold shock protein)。 用低温锻炼方法使冬油菜用0?处理均能形成新的蛋白,油菜细胞产生20 KD多肽。 Koga等用5?冷胁迫诱导水稻叶片离体翻译产生新的14 KD多肽。5?低温诱导的玉米幼苗，24，48，96h均能合成新的诱导蛋白。 低温诱导蛋白的出现还与温度的高低及植物种类有关。 一种茄科植物(Solanum commerssonii)的茎愈伤组织在5?下第一天就诱导三种蛋白合成，但若回到20?，则一天后便停止合成。 例3.病原相关蛋白 (pathogenesis-related proteins, PRPs) 也称病程相关蛋白，这是植物被病原菌感染后植物细胞合成并分泌到细胞间隙一类低分子量蛋白质，与抗病性有关的一类蛋白。 真菌、细菌、病毒和类病毒可以诱导病原相关蛋白产生，而且与病原菌有关的物质也可诱导这类蛋白质产生。如几丁质、β-1,3-葡聚糖以至高压灭菌杀死的病原菌及其细胞壁、病原菌滤液等也有诱导作用，即诱导基因表达，病原蛋 白合成。 自从在烟草中首次发现病原相关蛋白以来，至少有20多种植物中发现了病原相关蛋白的存在。如大麦被白粉病侵染后产生过敏反应，可诱导10种新的蛋白形成。 病原相关蛋白的分子量往往较小，一般不超过40 KD，且主要存在于细胞间隙，病原相关蛋白常具有水解酶活性，它可以水解入侵病原菌细胞壁，几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶就是常见的代表，这两种酶对病原真菌的生长有抑制作用 例4. 盐逆境蛋白 植物在受到盐胁迫时会新形成一些蛋白质或使某些蛋白合成增强，称为盐逆境蛋白。 自1983年以来，已从几十种植物中测出盐逆境蛋白。 在向烟草悬浮培养细胞的培养基中逐代加氯化钠的情况下，可获得盐适应细胞，这些细胞能合成26KD的盐逆境蛋白(渗压素)。 例5.活性氧胁迫蛋白 百草枯(Paraquat，触杀性除草剂。百草枯在阳光下起效，能让与之接触的任何植物绿色部分发生枯萎。百草枯通过阻碍植物的光合作用而起效)除草剂能诱发大量超氧自由基(.O2,)杀死植物。但在亚致死剂量(0.1mmol/L)时，百草枯诱发一定量.O2–的产生，而.O2–诱导合成SOD的同功酶，这种变化发生在转录水平诱导该酶mRNA形成，SOD可以清除过量的.O2–，维持其平衡，保证植物行使正常生理功能。 各种逆境因子都会诱导.O2–的产生，任何能诱到植物产生.O2–的不良环境因子，都会使SOD活性提高，清除.O2–伤害，提高植物适应不良环境的能力。 例6. Lea蛋白保护 Lea蛋白(晚期胚胎发育丰富蛋白，Late embryogenesis abundant protein)是指胚胎发生后期种子中大量积累的一系列蛋白质，Lea蛋白广泛存在于高等植物中，在植物个体发育的其它阶段，也能因ABA或脱水诱导而在其它组织 中高水平表达，一般认为，Lea蛋白在植物细胞中具有保护生物大分子，维持特定细胞结构，缓解干旱、盐、寒等环境胁迫的作用，保护脱水会引起细胞的伤害。 Lea蛋白大多高度亲水，亲水性有利于Lea蛋白在植物受到干旱而失水时，能够部分替代水分子，蛋白质的多羟基能保持细胞处于溶解状态，从而避免细胞结构的塌陷，稳定细胞结构，尤其是膜结构。 在干旱脱水过程中，细胞液的离子浓度会迅速升高，高强度的离子浓度会造成细胞的不可逆伤害，Lea蛋白的α—螺旋结构中，亲水和疏水氨基酸分处于螺旋的特定位置，形成分子内螺旋束，其表面具有束缚阴离子的能力，因此，也能控制高盐伤害。 植物在受到干旱胁迫时，Lea基因的高水平表达和Lea蛋白的大量积累也表明Lea蛋白基因具有干旱保护功能，有报道将Lea cDNA全序列导入水稻，获得了抗旱的转基因水稻，从而直接证实了Lea基因的干旱保护功能。 例7.水通道调节蛋白 ，是一种位于细胞膜上的蛋白 水通道蛋白(Aquaporin)，又名水孔蛋白 质(内在膜蛋白)，在细胞膜上‎‎组成―孔道‖，可控制水在细胞的进出，就像是―细胞的帮浦‖(cell pump)一样。是水分跨膜运输的重要途径之一。它是指作为跨膜通道的主嵌入蛋白(MIP)家族中具有运输水分功能的一类蛋白质。在植物中发现的第一个水通道蛋白是大豆根瘤细胞中的植物编码蛋白(NOD26)。随后发现了大量水通道蛋白，根据其序列特征可化分为三个亚类: 即分布于液泡膜上的液泡膜嵌入蛋白(TIP),分布于细胞质膜上的胞质嵌入蛋白(PIP)和根瘤细胞中的NOD26。 干旱诱导豌豆(Pisum sativum)产生编码水通道蛋白的cDNA7a和Trh-31,拟南芥干旱诱导的cDNA，RD28，其编码蛋白也属水通道蛋白。这表明干旱能诱导水通道蛋白基因表达，从而改变膜的水分通透性，使水分更易于透过胞质膜或液泡膜进入细胞，有利于实现渗透调节。 二、 细胞超微结构与植物抗逆性 细胞超微结构主要有膜组成，包括各种细胞器。质膜是细胞与生活环境相联系的结构，可以调控一切营养物质的进出;是细胞对外界因子做出反应的最先部位或屏障。植物抗寒性研究中，质膜是反应最敏感的部位，冻害损伤的普遍现象，离子和分子的外流、膨压丢失、植物萎焉。因此人们很早认为，冻害可能首先损伤质膜的半透性。 马克西莫夫早在1921年就已指出这一问题，并研究了糖在细胞结冻时的保护作用，蔗糖能渗入细胞作保护剂对原生质体起保护作用。越冬植物细胞中会积累糖分，减少低温危害。如糖在种质(离体培养材料)低温或超低温保存重要性。 各种细胞器对冻害反应的敏感程度不同,小麦不抗寒品种冰冻后亚显微结构破坏更严重，叶绿体膜破裂，类囊体严重空泡化，核质凝集。冻害引起超微结构变化及破坏程度决定与植物品种的抗寒性，抗寒品种其细胞和膜结构稳定性高，不抗寒品种超微结构稳定性低。 , Palta(1978)在小麦叶片冰冻—化冻处理中，观察叶肉细胞原生质膜、胞 间连丝、核仁和染色质上Mg2+—ATP酶活力。经过低温锻炼的叶肉细胞 中上述结构和细胞器上有明显的Mg2+—ATP酶活力，证明低温锻炼增 加抗冻性，与质膜Mg2+—ATP酶活性的提高有关，减少离子外渗;未经 低温锻炼的叶片不显示或很少显示活力。 , Heber(1968)通过对菠菜分离叶绿体的冰冻实验指出，冻害首先是破坏叶 绿体膜结构，然后导致光和磷酸化(ATP酶)失活。冻害使叶绿体膜发 生破坏: ?使偶联因子(CF)从类囊体外表面解离下来，破坏光诱发电子的吸收。 ?使叶绿素从膜上解离。 ?破坏了膜的半透性(脂质双层膜)。 研究发现，叶绿体对冻害最敏感，线粒体则表现出相对稳定的特点。 , 简令成(1980)鉴定小麦抗寒性，通过对小麦分离的原生质体在冰冻— 化冻后存活率测定(荧光素二乙酸法、伊凡蓝染色法)，指出质膜稳定 性与小麦品种的抗寒性成正相关。农科1号，抗寒力强，存活率96%。中 等抗寒的郑州741，存活率51.8%，不耐寒京红8号，存活率2%。 , Giles等(1974)在玉米叶片叶肉细胞于-1.3MPa时叶绿体膜膨胀，原生质 中出现空泡，到-1.9MPa时，25%叶绿体破坏。干旱条件下，植物体内形 成嗜饿体，说明叶绿体层膜结构破坏，以嗜饿体分离出来，复水后，嗜 饿体变小，叶绿体片层恢复。 , Paljakoff-Meyber(1981)苔藓抗旱性，当严重失水时，叶绿体出现不规则 的变形和膨胀，被膜皱叠并与类囊体分离，这时类囊体发生膨胀而排列 松散，复水24小时，这些形态上的变化和生理功能均可恢复。 细胞壁的防御与抗性 从细胞的超微结构来讲，细胞壁不仅是细胞防御外来病原体入侵的结构屏障，而且在受到感染和创伤时，能积极参与防御反应，包括: ? 植物细胞壁中的酶水解真菌病原体细胞壁中的多糖成分，其水解碎片中的活性成分诱导植物体基因的表达，如抗毒素合成酶基因的表达。 ? 病原体在入侵植物时，必须水解植物细胞壁中的结构多糖，其降解产物中也有类似的活性成分，调节许多生理生化反应;同时细胞壁中存在的抑制物质可抑制病原体释放的酶。 ? 在没有病原入侵，而植物受到创伤时，自身也会产生一些水解酶降解细胞壁的组成，诱导防御反应以，促进伤口修复和愈合。 细胞初生壁多糖降解物碎片中有一种生物活性的分子被称为寡糖素(oligosaccharin)。是一种信号分子，这些寡糖素的功能复杂多样: , 诱导植物抗毒素(phytoalexin)的形成，抗毒素(也称植物抗生素或植 保素)在植物体防御反应中有重要作用。 , 诱导细胞产生病原菌蛋白酶的抑制剂，也就是当植物受到伤害时，某些 细胞壁碎片可诱导植物合成大量特异蛋白质，这些蛋白质具有抑制病原 菌蛋白酶作用，从而在一定程度上减轻外来的侵害。 , 可使植物产生组织过敏性死亡，使病原物不能进一步扩散。 三、生物膜结构与植物抗逆性 作为生命活动与其环境的一个界面，任何一个刺激首先为细胞膜所接受，然后经过传导、放大等一系列过程才由细胞做出反应。因此，在研究植物抗逆性中，生物膜的作用越来越为研究者们所关注，各逆境中研究较多的是低温胁迫对生物膜组分、结构和功能的影响，特别是与抗寒性(冷胁迫、冻胁迫)的关系。 生物膜的一般概念:提出了约50种生物膜的模式，代表性: , Gorter等(1925)―双层膜模式‖即生物膜由内外两层类膜组成。 , Muhlether等人(1965)―冰山‖模式即膜组分中的蛋白质成球状，如同一 座冰山漂在类脂的海洋中。 , Singer等(1972)―流动镶嵌‖模式，即生物膜有类脂和蛋白质镶嵌而成， 并处于一种流动的液晶态。 , Jain(1977)根据某些膜成分在膜上的不对称分布，类脂和蛋白质在膜上 的专一性的分子间相互作用，进一步提出了―板块‖模式。膜性质的差 异。 尽管模式不断发展和完善，但有一点基本上相同的，即生物膜主要由类脂和蛋白质构成。类脂在膜组分中一般占重量的20—30%，膜蛋白质占膜重量的多少因膜具酶活性大小而异，有高功能活性的膜含有70%重量的蛋白质。膜脂包括磷脂和糖脂， 磷酯基本组成:三元醇(甘油)、磷酸。不同饱和程度脂肪酸，通常带一个N原子的碱基。 正常条件下，细胞膜是处于一种液晶相的流动状态。随着环境温度的变化，膜脂状态会发生变化，温度下降时它可向晶态方向变化，温度上升时也可向液态 方向变化，随之而来的是功能的变化，膜的相状态(液态 ? 固态)的变化称为相变。一般认为膜的相变或膜的流动性在很大程度上由组成膜的脂有关，特别是膜极性脂的脂肪酸性质所决定。 不同脂肪酸对膜相变温度(流动性)的影响可概括为以下3个方面: 1(脂肪酸链长短:长链脂肪酸相变温度>短链脂肪酸相变温度。 2(脂肪酸饱和度:饱和脂肪酸相变温度>单双键脂肪酸相变温度>双双键脂肪酸相变温度>三双键脂肪酸相变温度。 3(脂肪酸空间构型:反式不饱和脂肪酸相变温度>同类顺式不饱和脂肪酸相变温度。 结论:膜脂肪酸不饱和度越高,膜相变温度越低(液态变为固态温度低)就意味着植物细胞抗冷性越强。 (一) 膜脂组分对植物抗冷性的影响 高等植物膜脂中含有磷脂、糖脂,硫脂(SL)等，糖脂如单半乳糖二甘油脂(MGDG)和双半乳糖二甘油脂(DGDG);磷脂:磷脂酰胆碱(PC 卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰丝氨酸(PS 脑磷脂)、磷脂酰甘油(PG)。磷酸与碱基为亲水基团，脂肪酸碳链为疏水基团，其特性决定它的存在方式与结构的有序性。磷脂是膜脂主要成分。在植物线粒体中它占总脂的50—60%，相对于叶绿体中含有较高的糖脂。 物理学中，不同碳链长度及不饱和键数的脂肪酸，其固化强度不同: 从键长来说，碳链越长，固化温度越高，碳链越短，固化温度越低。 相同碳链长度时，不饱和键越多(膜的液化程度高，流动性越大)，固化温度越低。自然界膜脂的碳原子数相对稳定，而不饱和度受环境变化较大。 含有不同脂肪酸链的PC，其固化温度与碳链长度和不饱和键数相关。由于不同脂肪酸的固化温度不同，这就将膜脂脂肪酸与膜相变联系起来。 Kuiper(1970)苜蓿上进行膜脂组分与抗冷性关系研究，抗冷性强的品种中MGDG、DGDG、PC和PE含量在15,30?范围内含量高，而PG, PI, SL含量含 量低;不抗冷的品种则相反。 两品种的膜质的脂肪酸有很大差别，以叶片的DGDG的脂肪酸为例，抗冷品种DGDG中饱和脂肪酸含量少，不饱和脂肪酸含量多。尤其亚麻酸含量超过70%，不抗冷品种亚麻酸含量只有57%。 总结:抗冷植物细胞膜脂以MGDG、DGDG、PC和PE为主;膜脂中的脂肪酸主要以亚麻酸、亚油酸等不饱和脂肪酸为主。 Lyous(1965)曾用16:0、18:0、18:2、18:3不同浓度组成的混合脂肪酸中测定它们的固化温度，发现18:2、18:3不饱和脂肪酸含量增加到60%以下，混合脂肪酸的固化温度缓慢下降。当不饱和脂肪酸含量超过60%以上时，固化温度明显降低。不仅与不饱和脂肪酸有关，还与不饱和脂肪酸在膜脂中的比例有关。 John(1976)在棉花幼苗上进行了膜脂肪酸与抗冷性的关系研究，经低温锻炼的幼苗，其抗冷性增强，叶片膜脂不饱和度增加。表明低温锻炼可以提高膜脂不饱和脂肪酸含量，这是一种适应性。利用抑制不饱和脂肪酸形成的物质Sandoz9785处理棉花幼苗后，膜脂不饱和度减少，而幼苗抗冷性明显降低。 王洪春(1982)在206个水稻品种中膜脂不饱和脂肪酸抗冷的关系，几乎都是正相关。 (二)膜脂组分对植物抗冻性的影响 1. 磷脂含量与抗冻性:Yoshida等(1976)利用植物树皮进行自然越冬和人工低温处理试验，发现低温能促进膜脂中磷脂含量增加，从9,11月自然越冬情况下，抗冻能力逐渐增加，磷脂含量增加最明显，主要是磷脂酰胆碱(PC);不抗冻的材料PC明显减少，相反磷脂酸(PA)显著增加，PA是磷脂的降解产物。研究发现磷脂降解与存在于线粒体内的磷脂酶的活力有关。抗冻性强的树皮，在结冰时，磷脂酶的活力低。不抗冻的树皮在结冰温度下，磷脂酶活性高，认为此酶活性大，发生磷脂降解致使膜受害。 2. 膜脂肪酸与抗冻性:Deyee(1979)白皮松叶片片层膜上看到膜脂脂肪酸配比与抗冻性有关，片层膜中的脂类糖脂增加( MGDG、DGDG)，冬季气温降低后，片层膜中亚油酸含量增加11%，亚麻酸含量增加了24%，而棕榈酸、硬脂酸和油酸含量降低。叶绿体片层膜中增加不饱和脂肪酸可增加膜的稳定性，有利于越冬抗寒。在葡萄越冬枝条材料中均有相同的结果。 孙中海等(1985)在柑桔越冬抗冻研究中，证明抗冻性与柑桔叶片、种子、韧皮部膜脂不饱和脂肪酸含量成正相关。秋末到仲冬时期膜脂不饱和脂肪酸逐渐增加达到最大。 (三)膜脂组分对植物抗盐性影响 1.膜脂种类与抗盐性: Kuiper (1968)在研究葡萄品种抗盐性中，葡萄根茎组织的脂类与抗盐性关系，糖脂(MGDG)含量与品种抗盐性、盐分的吸收和运输有密切的关系。凡是根茎组分含MGDG多的品种吸收NaCl能力强,盐分体内运输快，对盐分比较敏感，易受害。而含根茎中磷脂即PC和PE含量高的品种，吸收NaCl能力低，对盐敏感性低。 进一步研究，用戊醇代替生物膜人工试验中，戊醇膜对NaCl透性低;但在戊醇层中加入MGDG时，NaCl通过戊醇层膜速度增加，他认为MGDG有利于盐分跨膜，因此增加氯化物穿膜的能力。 Müller(1978)在一定浓度NaCl处理大麦幼苗，证明叶绿体被膜、类囊体膜组分发生变化。当有NaCl存在进行培养，叶绿体被膜、类囊体膜脂中MGDG、DGDG和PC含量逐渐下降，其中以MGDG下降值较大，比对照降低1/3。当除去NaCl一天后，膜组分可恢复到对照水平。因此盐胁迫下MGDG的降低是对盐分的一种适应性，可阻止盐分进入细胞。 2.膜脂脂肪酸与抗盐性: Stuiver等(1978)发现不抗盐甜菜根中含有较多的亚油酸和亚麻酸，抗 盐的菜豆根中正相反。他们认为膜脂不饱和脂肪酸多时，利于盐离子跨膜进入植物体，意味着抗盐能力弱。 王洪春(1981)利用不同浓度的NaCl和Na2CO3溶液处理玉米幼苗，研究植物抗盐性与膜脂脂肪酸组分和质膜透性的关系。随盐分浓度增加处理时间加长，叶片含水量下降，膜脂脂肪酸中亚麻酸含量降低。棕榈酸和油酸含量增加，膜脂不饱和度降低，膜透性也逐渐降低。可能膜脂脂肪酸饱和程度与离子穿膜有关。 赵可夫等(1982)在积盐植物盐角草中看到，随NaCl浓度增加，叶片MGDG、DGDG、含量下降，盐浓度越高，它们下降越明显，同时膜脂中亚麻酸含量也随盐分浓度增加而减少。 所以:膜脂中糖脂增加及不饱和脂肪酸增加不利于抗盐。 (四)膜脂组分对植物抗旱性影响 Willemot(1979)在小麦抗冻性研究中进行了土壤干旱处理。观察干旱对小麦膜脂脂肪酸与抗旱的关系。结果看到当土壤湿度维持在萎焉系数附近时，小麦叶片膜脂中亚麻酸含量明显减少。其它饱和脂肪酸含量增加，水分胁迫影响膜脂脂肪酸组分。 杨景峰等(1984)小麦灌浆期的干热风研究中，抗旱强的小麦品种的叶表皮细胞极性脂和中性脂中，含饱和脂肪酸较多，不抗旱小麦品种相反。另外，还看到膜脂饱和脂肪酸含量与叶片抗脱水和根系吸水力密切相关。膜脂饱和脂肪酸含量与抗旱性成正相关。 玉米幼苗经受不同浓度的PEG处理后，看到随处理浓度和时间增加，叶片含水量下降，质膜透性增大，膜脂中亚麻酸和亚油酸明显减少，而饱和的棕榈酸大量增加，这种变化对干旱的一种适应性。当玉米叶片失水速率过快，膜脂透性发生极为明显的增加，但膜脂脂肪酸组分没有发生变化。这说明膜脂脂肪酸变化需通过代谢过程才能实现，产生适应性。 (五)膜脂对膜结合酶活性的影响 过去认为膜磷脂参与膜的结构，结构的改变，引起了透性的变化，从而导致了离子外渗或有毒物质的积累，进而影响正常的生理活动过程。进一步研究发现膜脂还参与对酶活性调节,即膜与膜的关系结合酶: 1962年第一次发现磷脂作为一种非底物形式而直接参与酶的功能，膜结合酶需要磷脂存在才有活性，从而进一步扩大了人们对磷脂作用的认识，并开始了这方面的研究。现在一般把磷脂对膜结合酶的作用分为两种，非专一性和专一性。 , 膜脂对酶非专一性作用: 任何一种酶都需要在膜脂上才能表现它的生理 活性，对膜脂的性质没有要求。主要指膜脂对膜结合酶创造了一个必要 的疏水环境，使活化的酶和底物都处于适宜的生化反应状态，有利于酶 的催化作用。代谢过程中的许多底物、中间产物都是脂溶性的，需要一 个疏水的环境。这种非专一性作用表现为膜结合酶对磷酸脂的要求在种 类上并不严格。所以不同的磷脂对这些酶活化都有效。 , 膜脂对酶专一性作用: 指磷脂类型对酶活性的影响，主要指膜结合酶对 磷脂的极性基团(碱基)有特殊的要求，碱基的性质决定了酶的活力。 不同的酶需要特定碱基活化。 如线粒体β-羟基丁酸脱氢酶系统，该酶需要磷脂中的专一的磷脂酰胆碱(PC)的含氮碱基活化。在这种酶功能中，磷脂的作用在于酶必须与磷脂碱基结合成一个活化的复合体，然后才能同辅酶结合，催化特定的反应。(Ca2++Mg2+)+ATP酶和(Na++K+)—ATP酶，这两种酶需要磷脂酰丝氨酸(PS)。 Kuiper(1972)曾以大豆为材料，研究了ATP酶活性对磷脂的要求，他发现用丙酮提取从膜上溶解下来的ATP酶，活性几乎为零，但通过加入磷脂，酶活性可以部分恢复，特别是磷脂酰胆碱，酶的活性进一步提高。 膜相变对膜结合酶活性影响 逆境下膜发生相变，膜相变会引起膜结合酶的变化，故通过温度下降时酶 活化能变化，可反映出膜相变对膜结合酶影响，进一步了解植物抗逆性。温度?膜相变?膜结合酶活性?抗逆性。 阿雷尼斯(Arrhenius)图，可以反映膜结合酶活性与膜性质或状态的关系。在温度逐渐降低条件下，酶活化能的变化。在特定的温度下酶发生活化能的转折，这种转折往往与膜相变有关，即由膜相变引起。因而磷脂的组成影响了膜的流动性，间接地影响了酶的活性。从低温下酶活化能变化反映植物抗冷性强弱。 苏维埃等(1983,―膜流动性在植物抗冷中的作用机理及其应用‖)用差示扫描热量法和荧光分析法研究了水稻膜脂的热致相变和流动性与脂肪酸组成的关系。从水稻不同的品种干胚膜脂升温图谱中显示出两品种在低温峰终点温度上存在差异。抗冷品种的低温峰终点温度为4?，不抗冷为5.7?。折点膜脂由液相变为固相所产生热量变化。反映植物抗冷性。(液相变为固相会能量的突然变化，有额外热能释放。) 四 、逆境下植物的自由基伤害与保护系统 需氧生物的正常生命活动离不开氧，氧在植物体内存在方式对生命活动有很大影响。没有氧，植物生命就不能存在;尽管氧对植物的生活是必需的，但氧也会在植物体内被活化形成对细胞有伤害的活性氧。这种植物的需氧性和氧对植物潜在的危害性，就被称为氧对生命过程的―双重性‖ 。 , 高浓度氧对幼苗生长的毒害，随环境氧浓度的增加，水稻幼苗生长量受 抑制逐渐加剧。若以空气培养的水稻幼苗作对照(生长量100%)，分别培 养水稻苗在氧浓度比对照高40%、60%和80%的条件下，其生长量只是 对照的83%、66%和25%，而且水稻苗的根比芽对氧伤害更敏感。 , 吸胀过的水稻种子培养在氧气中，前三天能缓慢地生长胚芽和胚根，但 第五天根变褐、芽软化，第七天幼苗凋萎致死。这种死亡并非缺乏CO2 或光照而即饥饿所致，因为在同样条件下加入正常量的CO2 及光照， 幼苗同样死亡。表明了在一定时间内的高浓度氧能使水稻幼苗致死。其 实质氧自由基危害即活性氧。 一般把生物体内直接或间接由氧转化而成的某些代谢产物及其衍生的含氧物质,包括氧的自由基或非自由基，统称为活性氧。 自由基是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。 1. 活性氧、自由基类型及性质 超氧化物自由基(?O?2 ) 羟基自由基(?OH) 过氧化氢(H2O2) 脂类过氧化物(ROO) 单线志氧(1O2) 它们都含有氧，并且有着比氧更加活泼的化学反应性。在活性氧中，许多属生物自由基，泛指通过生物体自身代谢产生的一些不稳定的、带有多余电子的、化学活性很高的基团或分子。 自然界中氧分子外层有未配对的电子，可以得到电子单价还原或得到能量使电子跃迁到高能态。 在生物体内与上述情况有所不同，由于生物体存在着许多酶类和复杂的电子载体，它们可以使氧绕过电子自旋限制，从而进行单价、双价、三价到四价的还原，所以它很容易参与到各种代谢中去。如: O2+e??O-2 ; O2+2e+2H+?H2O2 O2 +3e+3H+??OH+H2O ; O2+4e+4H+?2H2O 自由基性质: ?这些自由基具有极活泼的化学活性，很强的氧化能力。 ?本身不稳定，只能瞬间存在。 ?能持续地进行连续反应。 生物自由基在植物生命活动中起着重要的作用。 2. 自由基产生的途径 在生物体内活性氧或生物自由基在不断地产生，但也不断地被消除。 O??2 在非酶反应中，可以含铁蛋白(如豆血红蛋白)途径生成或酶系统产生。 生物分子氧化 Fe2++O2? Fe2+-O2? Fe3+-O2? Fe3++ ?O?2 经酶反应途径产生 黄嘌呤+2O2+H2O 尿酸+2 ?O?2 +2H+ 对于单线志氧(1O2)，可以从脂质过氧化过程中形成或在光合色素中形成: ROO?+ROO??ROOR+1O2 Chl ? Chl*? Chl*，O2 ?1O2 光合作用的光反应过程产生 3. 自由基清除系统 ?自由基酶清除系统: 植物细胞中多余自由基可通过有关的酶类或一些能与自由基反应并产生稳定产物的化合物来清除。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)，均属清除活性氧的酶类。近年来对超氧物歧化酶研究较深入。自1969年Mecord首先从牛血红细胞中发现以后，在植物细胞的叶绿体、线粒体和细胞质中均有存在，它的主要功能是清除?O2-。超氧自由基的歧化反应(在反应中，氧化和还原作用发生在同一分子内部，处于同一氧化态的元素上，使该元素的原子一部分被氧化，一部分被还原，这种自身的氧化还原反应) O??2 + O??2 +2H+ H2O2+O2，H2O2 H2O+1/2O2 酚，H2O2 ? 醌，2H2O 目前已知有三种不同形式SOD，即CuZn-SOD，Mn-SOD，Fe-SOD。研究了它们的氨基酸序列分析。 植物SOD的活性水平与类型是植物为了适应环境氧分压不断升高而逐渐演化形成的，低等植物以Fe-SOD或Mn-SOD为主，而高等植物以Cu?Zn-SOD为主， 细胞溶质的SOD以Cu?Zn-SOD为主，它占细胞溶质总SOD的86%。线粒体的SOD主要是Mn-SOD，它占线粒体总SOD的74%,76%。 SOD在细胞器分布及类型，表明对清除自由基的适应性。 ?天然的非酶自由基清除剂:VE、GSH、VC、类胡萝卜等。 ?人工的非酶自由基清除剂:二笨胺、苯甲酸钠、没食子酸丙酯等。 4. 自由基伤害 Fridorich等1969年指出生物自由基伤害学说，在正常条件下，自由基的产生和清除处在平衡状态下，此时体内自由基浓度极低，它们不仅不会损伤机体，而且还可以显示其独特的生理作用。但在胁迫条件下，不良环境条件会影响体内自由基代谢系统的平衡，而增加活性氧的产量，破坏和降低活性氧清除的水平。 植物在长期进化中，形成了一个完善的清除活性氧的防卫系统，使植物体内产生与清除活性氧维持在一个动态平衡。氧代谢失调，氧自由基动态平衡 ，植物的结构与功能就可能受损伤甚至出现死亡。 自由基及活性氧对植被破坏 物的伤害主要表现在: ?膜伤害: 自由基使膜发生过氧化作用，产生丙二醛(MDA)，使细胞膜系统及细胞器破坏解体。通过测定丙二醛含量鉴定膜伤害程度，进一步鉴定膜透性。植物处在逆境下或植物氧代谢失调时，发生膜脂过氧化的自由基链式反应，膜脂由液晶态转变为凝胶态，从而导致膜流动性降低，发生膜相变产生伤害。 不饱和脂肪酸的亚甲基氢原子离解能较低，它在活性氧的作用下容易解脱而形成脂质自由基,脂质自由基不稳定，其双键易重排成共轭二烯结构并在氧参与下进一步形成脂质过氧化物自由基，该自由基一方面可夺取邻近脂分子的氢而形成脂质氢过氧化物和一个新脂质自由基，使反应连续不断发生;另一方面，脂质过氧化物自由基自动转化为脂质内过氧化物，并逐步降解成丙二醛(malondialdehyde，MDA)等类似物的酮、醇、羧酸或低级烷烃。 过氧化产物伤害: • 降低膜流动性而固化,增加膜透性. • 毒性,MDA可攻击蛋白分子氨基酸，导致蛋白质分子内和分子间交联变 性凝聚，积累了有荧光特性的脂褐色素. ?蛋白质破坏: 自由基直接作用于蛋白质，引起蛋白质结构变化: a引起肽链断裂; b氨基酸发生化学变化; c蛋白质交联而生物活性改变。 蛋白中氨基酸发生氧化被认为是生命系统中一个具有潜在危害的重要信号。组成蛋白质的所有氨基酸对O??2特别是?OH 的氧化修饰十分敏感，其中以蛋氨酸、组氨酸、酪氨酸、色氨酸、脯氨酸、半胱氨酸和苯丙氨酸最容易受到氧自由基攻击而氧化。它们之所以容易受氧自由基修饰，其原因是它们具有不饱和性质，如组氨酸有嘧唑基，酪氨酸有酚羟基，色氨酸有吲哚基。 ?OH 既可以攻击蛋白质的一级结构，同样也造成蛋白质二、三级结构的损伤。 正常培养7天的水稻幼苗，总蛋白含量和25KD蛋白质含量与幼苗生长天数呈正相关;但高氧逆境下，幼苗在第三天开始，蛋白质量不在增加，而且逐渐下降，25KD蛋白谱带开始发生扩散与降解现象。可见，植物氧伤害是与蛋白质合成受阻和原有蛋白质受破坏有直接关系。 对酶的伤害 , 使酶分子发生交联聚合。 , 攻击巯基导致酶失活。木瓜蛋白酶是一个结构清楚且含有巯基，其活性 依赖于巯基的酶。 ?O-2和?OH能作用于蛋白酶，破坏酶的巯基，使酶不 可恢复的失活。 , 氧自由基与酶分子对酶的作用也可以通过修饰酶蛋白的不饱和性氨基 酸，从而影响酶活性。 , 氧自由基与酶中心金属反应而导致酶分子失活。 如Cu?Zn-SOD催化?O-2歧化反应而产生H2O2， H2O2使Cu?Zn-SOD中的Cu2+变成Cu+，Cu+与H2O2反应生成破坏力更强的?OH，使Cu?Zn-SOD失活。 ?核酸损伤: 碱基缺失、碱基破坏、核苷酸链断裂。活性氧对DNA结构损伤报道最早在噬菌体、细菌、微生物和哺乳动物方面较多，高等植物方面较少。 有报道，百草枯或黄嘌呤氧化酶系统产生的O??2对花生植物叶片DNA有剪切、降解和修饰作用。在这两种外源O??2系统中分别加入超氧物歧化酶、过氧化物酶、硫脲或甘露醇时，花生叶片中大分子量DNA剪切与降解被抑制;但加入Fe2+则加剧DNA的剪切和降解作用。 研究显示，直接攻击DNA并造成其损伤的氧自由基是?OH，而O??2能驱动Fenton反应或通过Haber-Weiss反应转化成?OH起作用。 Fenton(1894)首次发现H2O2与Fe2反应生成一种氧化能力很强的氧化物，1934年Haber-Weiss证明Fenton反应产物是羟自由基。 Fe2+， H2O2?Fe3+，OH-，?OH，已发现亚铜(Cu+)和亚钛(Ti3+)也能像Fe2+一样与H2O2产生Fenton反应。 Fe2+， H2O2?Fe3+，OH – ，?OH(Fenton) O??2 ， H2O2?O2，OH – ，?OH(Haber-weiss) paraquat+(百草枯)， H2O2?paraquat2+(百草枯) ，OH–，?OH 研究表明，引起DNA损伤的原因?OH， ?OH是由络合于DNA链上的Cu或Fe与H2O2作用产生的，使?OH有可能就在产生的位点上造成DNA的断裂或损伤 ?OH也能启动脱氧核酸降解，其降解产物可发生TBA(硫代巴比妥 酸)显色反应，反应系统?OH产率越高，脱氧核酸的降解和产生TBA显色反应就越强。 干旱能增加植物体内的活性氧含量，促进膜脂过氧化或膜脂脱脂反应。而植物耐脱水能力与自身维持活性代谢平衡能力有关。植物组织在低温伤害初期普遍出现呼吸的提高和氧气摄入量的增加，低温引起线粒体和叶绿体中SOD活性下降，导致O??2，?OH等水平提高，从而促进膜脂过氧化作用，使膜结构和功能破坏。 不同植物在逆境条件下保护酶活性有很大差异，这种差异就作为植物抗逆的重要生理指标。 5. 活性氧在植物生命活动中的必要性 既然活性氧代谢是生物长期进化过程中逐渐形成的，那么活性氧的产生对生命过程就不可能只有消极一面，体内的活性氧也不可能是无用的―副产品‖。氧自由基对生命的必要性在动物研究较多。其中如前列腺素、凝血酶原和胶原蛋白的生物合成。核糖核苷的还原，肝脏对外来毒素的解毒作用，以及吞噬细胞等等都有自由基的参与。高等植物已知一些重要的植物生理生化过程是在活性氧的参与下完成的。 ? 活性氧与细胞内代谢的关系 , 电子传递:植物代谢的许多酶促反应，往往以自由基的形式作为电子转移 的中间产物。黄素单核苷酸(FMN)和黄素嘌呤二核苷酸(FAD)是很多 黄素酶的辅基，在黄素酶的酶促反应中，电子从黄素转移时形成黄素半 醌自由基，它是酶促反应实现电子转移的必要中间物。 , 参与有机物分解与合成: 活性氧在植物代谢中的另一种重要作用是导致某些化合物的合成与分解。如植物细胞壁的形成和木质素的合成与降解过程都与O??2和H2O2有密切关系。木质素是一种羟醛醇多聚物，在它的生物合成的最后一步就是由结合在细胞壁上的过氧化物酶和H2O2使木质素单体发生聚合反应。 细胞壁的松弛与木质素的降解，可分为酶促降解和非酶促降解两种类型， 酶解也是在过氧化物酶和H2O2参与下使聚合的木质素解聚为木质素单体。 非酶降解则是由O??2 、?OH、 H2O2等活性氧作用使聚合的木质素降解为单体，其中以Fenton反应产生的?OH作用最大。研究表明细胞壁中产生的?OH可以通过非酶促的方法移除底物的氢原子来剪切细胞壁多糖，从而使细胞壁松弛，刺激细胞扩张(Fry等2002)。 ? 氧自由基对细胞抗病的作用 植物与病原体相互作用时，会发生与病原体识别作用有关的氧化爆发(oxidativevburst)，并产生了大量的O??2和H2O2。 活性氧O??2和H2O2的氧化还原反应可以是植物抗病性的直接因子，也可以是后来抗性的信号调节因子。 抗病作用: , 活性氧在细胞外可以直接杀死病原体; , 活性氧在细胞壁中能使壁蛋白氧化交联，即加固细胞壁又防止病原体侵 入。 , 在细胞内它可以作为一种抗性的信号分子启动与抗病相关蛋白的基因表 达，进一步主动提高植物抗病性。 ? 氧自由基参与乙烯的形成 乙烯作为一种植物激素，控制植物生长发育和衰老过程。乙烯的形成不但与光、温、CO2和Ca2+有关，而且氧自由基对乙烯合成有重要作用。Lieberman(1979)提出氧自由基参与乙烯形成理论。目前有两种解释: , 一种认为?O?2激发乙烯合成酶(EFE)，促进乙烯释放。在豌豆和苹果 材料上也进一步证明O??2参与乙烯形成，作用部位是从ACC到乙烯这 一反应，?O?2激发乙烯合成酶促进了该反应的增强。 , 另一种观点是羟自由基直接作用于蛋氨酸而产生乙烯，通过Fenton反应 或铁催化的Haber-Weiss反应产生的?OH，可以与蛋氨酸作用形成乙烯， 其过程如下: Fe2+， H2O2 ?Fe3+，OH -，?OH Met-Pyp，?OH?OH- +C2H4+其它产物 从上述反应过程中表明，?OH是乙烯形成的直接作用因子， O??2 、 H2O2其它活性氧是作为产生?OH的一个因素，所以SOD或过氧化氢酶也能抑制乙烯形成。逆境诱发植物产生乙烯，抑制生长，加速老化。 ?活性氧在调节光能耗散中的作用 植物一方面在弱光下最大限度地截获光能用于光合作用，另一方面在强光下减少过剩光能对光合机构的潜在危害。逆境下植物对光(特别是高光强)反应更敏感，危害性更大。光合作用包括光能固定和过剩光能耗散两方面，对于后者，除了先前所熟悉的光呼吸外，最近又报道在光合系统?复合体内也存在着与活性氧产生与猝灭相关的三种光能耗散方式: , 天线热耗散(又称―高能态耗散‖)，与类囊体膜的能量化和叶黄素循环 有关的热耗散为主。早在1962年就证明了叶片中的叶黄素循环，直到199 0年才知道这循环的生理功能与膜能量化一起共同调节过剩光能耗散。 在光照下，叶黄素循环中由紫黄质转化为玉米黄质，利用共轭双键的长 短来调节能量流向的分子机理。 在强光缺氧条件下，活化紫黄素脱环氧化酶催化紫黄素(含9个双键)发生脱氧化作用，生成玉米黄素(含11个双键); 在低光有氧条件下，活化玉米黄素生成紫黄素。叶黄素循环，调节共轭双键以调节能量的流向和耗散对植物有损伤作用的活性氧。 , 反应中心光能耗散，与PS?反应中心异质化及D1蛋白损伤修复有关的能 量耗散机理。 20世纪80年代中期以来，光合作用的一个研究热点，是植物在强光下发生的光合作用下降现象——光抑制。研究证实，植物光抑制是活性氧(较多的指1O2)导致部分PS?的D1、D2蛋白损伤和PS?反应中心异质化(非均一性);在弱光下D1蛋白损伤修复过程(热击蛋白)。所以植物光抑制现象是一种调节过剩光能合理耗散的重要方式。 , 活性氧清除光能耗散。 过剩光能通过以上两道防线仍未被耗散掉的激发能，可能在PS?中将多余的光能转移给O2而形成1O2，或以激发态电子的形式在PSI受体NADP还原酶交给O2而形成氧自由基?O?2，这时便需要通过酶促的或非酶促的途径将活性氧加以清除。 综上所述，活性氧代谢失调是植物在各种逆境胁迫下遭受伤害的共同机理之一，并且由于不同逆境(干旱、低温、盐、病害、强光、环境污染等)对植物活性氧影响十分相似，故活性氧代谢能够反映植物的综合抗逆性。 目前在植物逆境生理研究中， 大多都要测定膜脂过氧化产物丙二醛含量、膜相对透性，以次来说明逆境下膜伤害的程度。 都要测定保护酶系统的活性，以次来说明植物清除活性氧抵抗逆境的能力。 在一定范围之内，逆境下产生活性氧多，如保护酶系统活性高，清除自由基的能力也增强，就减轻了伤害，也就提高植物抗逆能力。 五 、渗透调节与植物抗逆性 (一) 渗透调节现象及影响渗透调节的因素 1.渗透调节概念 渗透调节是指细胞内渗透势的调节(细胞质浓度的调节)。植物在水分胁迫条件下，通过在细胞中积累溶质，提高细胞质浓度，降低渗透势，减少水分丢失方式。 渗透调节:―Osmoregulation‖和―Osmotic adjustment‖。 指的是通过在细胞内溶液中加入或除去溶质，从而达到细胞渗透势与其外界环境的水分(势能)平衡。它既包括细胞内渗透势下降，也包括细胞内渗透势的增加。如藻类生物。 由于干旱或盐渍，细胞内溶质浓度增加而引起细胞渗透势下降，不同于细胞脱水和收缩所形成的溶质浓度增加，渗透调节是每个细胞溶质浓度的净增加，而不是细胞失水体积变小而引起溶质浓度增加。参与渗透调节作用物质有 从外界环境中进入的无机离子，如K+离子，有植物体内合成的有机物。 2.植物渗透调节意义: ?维持细胞的膨压稳定。保持气孔开张，维持生长。 细胞水势ψw=ψs+ψp，而细胞压力势(膨压) ψp =ψw-ψs。当细胞水势下降时，要使ψp保持不变，ψs下降就是极其重要的一种方式。 ?减少水分丢失，提高细胞的保水力。当植物处在高盐浓度或干旱条件下，很容易使植物失水变干旱，与环境吸收水分的平衡失调，植物为了保护水分的吸收，减少水分丢失，可以以调节细胞渗透势的方式，保持与环境的渗透平衡,所以渗透调节在植物受到干旱、盐胁迫等条件下起着重要作用。 3.影响渗透调节的因素: ?不同植物或品种植物的渗透调节能力也有很大的差别。不是所有的植物都具有渗透调节能力。如高粱、玉米渗透调节能力强;其次是麦类植物;而大豆、豌豆类则较弱。相同植物品种间的渗透调节能力也有很大差异，在比较品种间抗逆性较为重要。 植物、品种、器官保持渗透调节的水势范围(MPa) • 高粱叶片(Sorghum bieolor) -1.0,-1.6 MPa • 玉米叶片(Zea mays) -0.9,-18 MPa • 小麦叶片(Triticam aestivum CV Aus) 0,-1.3 MPa • 小麦叶片(Triticam aestivum CV Heron)-1.7,-4.0 MPa • 鸭第叶片(Dactylis glomerata) -1.2,-2.0 MPa • 甜菜叶片(Beta vulgaris) -0.6,-0.8 MPa • 叶苹果叶片(Malus pumila) -1.8,-2.6 MPa • 大豆下胚轴(Glycine max) -0.4,-0.9 MPa • 豌豆根(Pisum sativum CV Heron) -0.3,-0.8 MPa • 小麦花原基(Triticum aestivum CV Heron) -0.8,-4.2 MPa • 小麦小穗(Triticum SP) -0.3,-2.0 MPa ? 环境水分亏缺速度是影响植物渗透调节能力的主要因素，一般来讲，环境缺水速率缓慢，渗透调节能力强;水分亏缺速率发展快，植物渗透调节能力变小。 ? 环境缺水的程度(轻、中、严)也影响植物的渗透调节能力，Jones等(1978)指出受旱的高粱。如果叶片水势为-0.4,1.0 MPa，其渗透调节为0.4 , 0.8Mpa。而叶水势达-1.6MPa时，渗透调节只有0.2MPa，结果表明高粱叶中，缺水不严重，渗透调节可维持膨压不变，但当土壤缺水严重时，这种能力就下降了。 ? 不同年龄及生理状态植物器官渗透调节能力差异。小麦茎段和正展开的叶子的渗透调节能力要比完全展开叶强，是细胞本身代谢能力强特点而表现出的差异，也表明渗透调节是一个主动适应逆境过程。 (二)渗透调节物质及其累积的生理作用 植物发生水分亏缺时，要达到细胞膨压势不变，细胞内渗透势下降是关键，而渗透势下降又以细胞内溶质增加为主要原因。植物往往通过细胞内积累 来调节细胞渗透势而起抗渗透胁迫的作用。 一些对原生质无伤害的物质， 决定细胞渗透势的可溶性物质基本上分为两大类: 一是由外界环境进入细胞的无机离子， K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3- 。如微生物和盐生植物中的钾离子、氯离子，高等植物淡土植物中的有机酸钾盐。 二是细胞内合成的有机溶质。主要是多元醇和偶极的含氮化合物。 蔗糖、甘露糖醇、山梨糖醇。 脯氨酸、甜菜碱、甘氨酸、丙氨酸， 在微管植物中主要是脯氨酸和甜菜碱。 参与渗透调节的有机物质是有限，主要因为作为渗透调节物质需要具备一些特征: ?必须十分容易溶解; ?分子量小; ?在生理PH范围内必须不携带净电荷; ?必须能为细胞膜所保持; ?引起酶结构变化的作用必须最小，在酶结果稍有变化是， 能使酶构象稳定而不致溶解。 ?它们的生成必须是迅速的，而且要有足以引起渗透调节的积累量。 在逆境下脯氨酸累积的原因: 一是脯氨酸合成加强。标记的谷氨酸在植物失水萎蔫能迅速转化为脯氨酸，高粱幼苗饲喂谷氨酸后在渗透胁迫下能迅速形成脯氨酸。 二是脯氨酸氧化作用受抑，而且脯氨酸氧化的中间产物还会逆转为脯氨酸。 三是蛋白质合成减弱，干旱抑制了蛋白质合成，也就抑制了脯氨酸掺入蛋白质的过程，蛋白质水解加快，增加游离脯氨酸含量。 , 盐渍条件下，正常生长小球藻脯氨酸含量20mmolg-1FW，在300%盐浓 度人工海水中，脯氨酸含量达1500-1600mmol.g-1FW。相对增长70-80 倍。 , 草莓叶片1-2?低温处理7天，叶片脯氨酸含量比对照增加120-170%。 , 赵思齐等(1984)小麦越冬前分蘖节以上1?部分脯氨酸含量低，12月下 旬随叶子枯死分蘖节部位脯氨酸直线上升。1-2月上旬达到最大值，以后 又逐渐降低。 正因为脯氨酸含量变化幅度大，敏感，因而在植物抗逆研究中一直为人们所关注。 作为渗透调节物质脯氨酸优点: ? 它有很强的溶解度(162.3g/100g H2O 25?)。 ? 是一种偶极含氧化合物。生理pH范围内不带净电荷，对植物无毒害。 ? 浓度达600nmol/L对酶无抑制作用，显然它在细胞内绝对含量不高，但由于较多地集中在细胞质中，在细胞质中可达很高的浓度，而发挥渗透调节作用。对膜和代谢有保护作用 ? 生成迅速,能被细胞膜所保持住。 脯氨酸生理作用: ?降低渗透势，减少水分的丢失。一是作为渗透调节物质，用来保持原生质与环境的渗透平衡。它可与胞内一些化合物形成聚合物，类似亲水胶体，以防止水分散失。 ?脯氨酸水溶性极强，具有高水合能力，有利维持原生质胶体稳定性。 ?含氮化合物的贮藏和解毒形式。 ?对蛋白质及酶结构保护作用。脯氨酸与蛋白质相互作用能增加蛋白质的可溶性和减少可溶性蛋白的沉淀，增强蛋白质的水合作用。 脯氨酸对细胞水分调节的热力学特点: 有人根据累积有机溶质的作用提出了―水结构调节‖(water structure regulation)和‖水活度调节‖(water activity regulation)。 水结构调节: 脯氨酸能增加细胞中生物大分子水合作用。脯氨酸的作用在于它的疏水部分与生物聚合体的疏水侧键通过氢键相结合。使得生物聚合体疏水侧键通过脯氨酸的羧基和氨基成为亲水部分，增加了对水的亲和力，从而在可用水分减少情况下，仍维持生物聚合体的水分作用(水合作用，水化膜)。脯氨酸如同一个放大器，增加了生物聚合体的亲水性(Schobert 1977)。 水活度调节: 脯氨酸增加引起细胞水分自由能变化较小。强调在溶质浓度变化时，溶剂热力学强度的调节，而不是简单的溶质浓度或渗透压的调节。溶质增加时，自由能下降较小，对细胞生理代谢影响小。这种理论更能合理解释―溶质-溶剂-大分子‖的相互作用系统的自由能变化(Borowitzta 1981)。 0.1M NaCl,:ψs=-0.43Mpa; 0.1M蔗糖:ψs=-0.24Mpa。 甜菜碱: 甜菜碱类化合物主要有甘氨酸甜菜碱、β-丙氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱等13种，其中逆境条件下最受注意的是脯氨酸和甘氨酸甜菜碱。甘氨酸甜菜碱一般简称为甜菜碱。 七十年代中期，Storey等首先看到盐渍和干旱可引起植物体内甜菜碱的积累， Hanson等(1978)在大麦上比较了水分亏缺下甜菜碱和脯氨酸积累的关系，水分亏缺时，两者以相似的速度累积。但水分亏缺程度对它们的诱导速度不同，脯氨酸在水分胁迫10分钟就会积累，甜菜碱在水分亏缺24小时后才有明显增加。 植物体内积累的甜菜碱的降解比脯氨酸慢，当解除水分胁迫后，甜菜碱含量保持不变，脯氨酸则会迅速减少，由于水分胁迫中甜菜碱含量相对稳定，他们认为甜菜碱积累可作为大麦抗水分胁迫的指标。 在盐生植物中甜菜碱积累在原生质中，与液泡中的盐分保持渗透平衡，以保持植物在盐渍条件下的正常生理活动， , Hitz(1980)发现，高粱、玉米在水分胁迫时甜菜碱积累较少，而大麦、 小麦、黑麦中积累相对较多，盐分胁迫下(NaCl、KCl、Na2SO4、MgCl2 )能诱导大麦累积甜菜碱。 , Lawlor等人发现水分亏缺时，植物光呼吸与光合作用的比例增加，用 14CO2标记，大量来自于14CO2的14C存在于光呼吸途径中产生的甘氨 酸和丝氨酸中，这两种都是甜菜碱合成的前体。 作为渗透调节物质，甜菜碱有高溶解度(157g/100gH2O)，生理pH范围不带净电荷，浓度0.5-1.0×103mmolL-1，对苹果酸脱氢酶无抑制作用。同样甜菜碱主要分布于细胞质内，液泡化程度低的组织中含量高，也称为细胞质渗透调节物质。 (三)渗透调节基因及研究 渗透调节基因遗传转化研究包括两个方面: , 渗透调节物质基因转化研究，脯氨酸，甜菜碱，糖类。 , 渗透调节蛋白研究，渗调蛋白，膜上离子转运蛋白等。 渗透调节物质基因的研究主要通过以下几个环节: (1)首先确定与渗透调节有关的代谢物质。 (2)分析控制这些物质变化有关基因，确定这些基因对渗透调节能力的影响。 (3)cDNA文库的建立。包括有基因的分离、载体构建等。 (4)渗透调节基因的转化。 (5)转化株在环境水分胁迫下渗透调节能力的检测。 1. 渗透调节物质的确定 前面已清楚地表明在环境胁迫下，植物体内脯氨酸和甜菜碱的增加极显 系。 著。但是它们的增加与抗逆性有直接的关 Le Rudulier(1982)在培养肠道细菌，如大肠杆菌，沙门氏菌和克雷伯氏菌时，在含盐培养基中加入少量甜菜碱或脯氨酸，看到这些物质有消除和减轻盐渍对细菌生长的抑制作用。 具固氮能力克雷伯氏菌在0.8M NaCl(4.7%)的培养基中生长完全受抑制。如在培养基中加入0.01、0.025、0.05、0.1或0.5mmol/L的甜菜碱，随甜菜碱浓度的增加，克雷伯氏菌生长受抑越来越小，在培养基中生长的菌越来越多，脯氨酸表现出与上述相同的作用。这个实验在微生物中较清楚地证明，在胁迫条件下，外源甜菜碱和脯氨酸对消除和减轻盐渍伤害具有积极的意义。 研究表明脯氨酸的合成涉及三个关键酶，即谷氨酸激酶，谷氨酸磷酸还原酶，吡咯啉-5-羧酸还原酶， 编码这个酶的基因分别为ProB、ProA、ProC。要 得到基因，必须选择proline合成能力强的菌株或植物品种。突变体。 高脯氨酸突变体的选择 离体筛选:脯氨酸可以拮抗它的有毒类似物2-氮奈环丁烷-2羧酸盐(铃兰氨酸)，植物为了适应性，在含有铃兰氨酸条件下产生更多的脯氨酸。据这一原理，在含有抑制生长浓度铃兰氨酸盐的培养基中选择高产脯氨酸的突变株，在这种培养基中，某种菌产生脯氨酸的能力强，就可以减轻或免受高盐而生存。 化学诱变: Kuch等(1981)通过诱变作用，在高等植物大麦中取得了高产脯氨酸的个体。利用4-羟脯氨酸与脯氨酸拮抗作用原理，将NaN3诱变的大麦种子在4-羟脯氨酸(4mmol/L)培养基上进行筛选(定向诱变)，从2000粒诱变种子中得到4个突变体。 这4个突变体均能在4-羟脯氨酸的培养基上正常生长。突变种叶片脯氨酸含量比亲本植株高，同时突变体的抗旱力也明显增强。在4%的PEG渗透溶液中突变体的鲜重和干重均高于亲本。因此人们认为利用人工诱变技术可以取得高产脯氨酸的突变体，它具较高的抗旱性。 2. 渗透调节基因工程 渗透调节为基因所控制，前面提到脯氨酸和甜菜碱于细菌的抗盐性有关，在高等植物中利用,,羟脯氨酸与脯氨酸拮抗的原理，取得了大麦高产脯氨酸的突变种，其抗旱力明显增强。Csanka(1981)做了菌类相关工作: ?突变体选择:他们用含,,浓度的铃兰氨酸培养基进行高产脯氨酸的突变体筛选，他们首先在鼠伤寒沙门氏菌中取得了高产脯氨酸的菌株。 ?脯氨酸基因克隆:再在高产脯氨酸突变菌株中纯化出DNA，用核苷酸顺序内切酶ECoRI进行大量DNA内切，然后将得到的DNA片段(目的基因)插入克隆载体pBR322质粒。 ?遗传转化:随后将克隆载体导入不生产脯氨酸的大肠杆菌中，即遗传转化，这些引入DNA片段质粒的菌株培养在无脯氨酸而含铃兰氨酸的培养基上，只有 生产脯氨酸的菌株才能生长，这样就取得了抗渗透胁迫的克隆菌株。 ?转化株鉴定:他们将克隆得到的107个抗铃兰氨酸的菌株接种在含有葡萄糖、亮氨酸和0.65mol/L NaCl的培养基上培养5天后，得到了6株生长旺盛的菌株，又对这6个菌株进行了脯氨酸的含量和增殖率的测定，结果发现这6个菌株在0.65mol/L NaCl培养基上的增殖速度比野生型快。在正常培养基上它们的脯氨酸含量为野生型7.5-30倍。在0.65mol/L NaCl培养基上Proline含量比野生型提高到几十到几百倍。 渗透调节信号转导 在渗透调节中存在双组分系统，该系统在感受渗透胁迫、调节细胞渗透势等方面起重要作用。如酵母中组蛋白激酶(HPK)和响应调节蛋白(RR)。 HPK具有感受外界信号的输入摸件，参与蛋白激酶催化，在使RR磷酸化，RR-Pi起到转录因子、去甲基化、调节MAPK等作用。达到信号转导目的。 另外水通道蛋白(AQP)具有选择性高效运转水分功能的膜通道蛋白，对于K、Ca离子调节细胞渗透作用。 有关渗透调节信号转导研究热点:渗透调节原初信号识别与传递、双组分系统在植物中存在和作用机理;信号物质与渗透调节物质的交互作用;水通道蛋白的调控方法。 六 、植物抗逆的分子生物学研究进展 1. 来源于动物的抗寒基因-----动物抗冻蛋白(AFP)及其转基因植物 抗冻蛋白(antifreeze protein , AFP) 20世60年代在极区鱼的血清中发现, 是一种能降低细胞间隙体液冰点的糖蛋白(glycopeptide) , 在分子水平上抑制冰晶的形成，从而降低动物体液的冰点，使生物能在低于冰点的环境中生活。 植物AFP 的研究较晚,直到1992 年加拿大Griffith 等才第一次提出从植物中获得内生AFP 。在拟南芥中发现的冷调节蛋白(cold regulated protein) COR616 蛋白、油菜中的BN28 蛋白以及在冬小麦、冬黑麦、燕麦、沙冬青和 胡萝卜中发现的一些低温诱导蛋白与极区鱼的AFP 在氨基酸序列上有很大的同源性。更为有趣的是植物的AFP 与某些抗病蛋白具有化学结构上的相似性。 目前已发现的抗冻肽可分为四类: ?富含丙氨酸重复序列，具有α-螺旋结构的多肽，以美洲拟鲽AFP为代表。 ?富含胱氨酸的具有β-折叠结构的多肽，以绒杜父鱼的AFP为代表。 ? 氨基酸组成没有明显偏向性无一定二级结构的多肽，如美洲大绵的AFP。 ? 抗冻糖肽，简称AFGP(Antifreeze Glycopeptide)，主要代表为南极鳕鱼，产生类似于糖三肽多聚体的AFGP。 尽管抗冻蛋白的氨基酸序列有很大差异，但它们有共同的功能，使体液的冰点降低，使原有冰晶只能单维方向扩展，三维扩展受阻，抑制结冰。这种效应是基于抗冻蛋白分子与水分子有特殊的氢键结合方式。受到鱼类研究的启发，人们着手在植物中寻找抗冻蛋白，或将鱼类抗冻蛋白的基因转入植物。 利用鱼类抗冻蛋白基因对植物进行遗传转化已有报道。 , Davies等(1987年)将抗冻基因AFP整合到Ti质粒上，用叶圆片法转化 郁金香、烟草、油菜等获得了一定的抗冻力。 , Georges等(1990)将人工合成的黄盖鲽鱼抗冻蛋白基因导入玉米原生质 体，在植物细胞中获得了表达。 , Hightower等(1991)利用农杆菌将比目鱼体内的抗冻蛋白(AFP)基因 转入番茄，发现转基因番茄不但稳定转录AFP的mRNA，还产生一种新 的蛋白质，这种转基因番茄的组织提取液在冰冻条件下能有效阻止冰晶 的增长。 , 黄永芬等(1997)将整合到Ti质粒上的美洲拟鲽抗冻基因AFP作为供体 DNA，用花粉管通道和子房注射方法导入番茄中，结果显示转基因植株 在低温下长势优于对照，致死温度也比对照降低2?。说明AFP已整合到 转化番茄基因组，并获得表达。 2.冷诱导基因及其转基因植物 Weiser(1970)首次提出植物在适应低温的过程中，基因表达发生改变的观点。Guy等(1985)也研究发现冷驯化能诱导和增加一些基因的表达，使多种基因表达发生改变。 冷诱导基因表达的产物分为两类:一类是调控性蛋白，调控寒冷信号传导、抗寒基因表达和抗寒蛋白活性;另一类是与植物抗寒性的提高直接相关的功能性蛋白。 Houde等(1992)在苜蓿中已分离和克隆到多种冷驯化特异的cDNA，该转化体对脱水、热休克处理、冰冻耐受性明显正相关。 冷驯化能诱导多种冷诱导蛋白基因表达。Thomashow(1994)发现，拟南芥在受低温、干旱或ABA处理时能诱导蛋白基因表达产生15KD的多肽，与野生型相比，转基因植物提高了叶绿体和原生质体寒冷耐受性，并增强了原生质膜的稳定性，减轻了寒冻所造成的损害。 3. 脂肪酸去饱和酶基因及其转基因植物 通过改变膜脂成分以维持低温条件下膜的流动性，已证明对植物的耐寒性有重要意义。有些酶可催化不饱和脂肪酸和脂肪酸中顺式双键的形成，将编码这些酶的基因导入植物体内，植株可获得抗冷性状。 , Wada等(1990)已从一种抗寒的集胞蓝细菌属(Synechocystis)蓝绿藻 中，克隆了一个与脂肪酸不饱和度有关的基因De，sA并导入另一不耐寒 的蓝绿藻巢状组囊蓝细菌(Anacystisnidulans)，改变了后者膜脂的组成 ，从而使其光合作用在5?下也不受明显抑制。 , Murata等(1992)将甘油3,磷酸酰基转移酶基因导入烟草中，以调节叶 绿体膜脂的不饱和度，使获得的转基因烟草抗寒性增加。 , Kodama等(1995)将拟南芥的编码ω,3脂肪酸去饱和酶的fad基因分别 导入烟草中，都增强了转基因烟草的抗寒性。 , Kodama等(1994)将拟南芥的叶绿体ω,3脂肪酸脱氢酶基因fad7导入烟 草中，转基因植株的抗冷性增强。 4. 渗透调节基因途径 糖类与植物抗寒性关系密切，抗寒性强的植物积累较多可溶性糖: , 对防止脱水后的蛋白质变性具有保护作用; , 胞间糖类通过影响冰晶生长来减轻寒害，保护细胞及内膜系统。 利用转基因技术进行作物定向品种改良已成为一种全新的育种途径。近几年来，植物耐旱耐盐基因工程进展十分迅速。利用转基因技术使植物细胞内积累甘露醇、果聚糖、海澡糖, 脯氨酸、甜菜碱等物质，从而提高植物抗性已有许多研究报道。 Hincha(1990)将细菌焦磷酸酶(phyrophophatase)基因与酵母菌的转化酶(β-呋喃果糖苷酶)基因转化到烟草中发现，可溶性碳水化合物在转基因植株叶片中积累，其表达细菌焦磷酸酶的植株耐霜力比野生型烟草提高1.2?，表达酵母菌转化酶的基因的烟草植株耐霜力也有所提高。 Pilon-Smits(1998)将海澡糖合酶基因转入烟草可使耐旱力提高; Caimi(1996年)将果聚糖合酶基因转入玉米，转基因玉米获得了合成果聚糖的能力; 刘岩(1998年)将6-磷酸山梨醇脱氢酶基因， 郭北海(2000)分别报道将甜菜碱醛脱氢酶基因导入烟草、水稻、草莓，小麦，转基因植株均获得了抗盐性提高。正是由于这些物质参与植物的渗透调节，使植物在渗透胁迫(干旱、低温、盐碱)条件下体内积累这些物质，从而增强对渗透胁迫的抵抗力。在玉米耐旱基因转化研究方面也取得一定进展: 何锶洁(1999年)将甜菜碱醛脱氢酶基因分别转入玉米，转基因再生玉米的耐盐性明显高于非转基因玉米。 5. SOD基因及其转基因植物 在低温逆境下，细胞内活性氧的产生和清除平衡遭到破坏，膜系统的稳定性受到影响，活性氧积累使膜脂发生过氧化和脱脂作用，从而破坏膜结构。SOD(超氧化物歧化酶)可清除?O2,，维护膜系统的稳定性。 Breusegem等于1999年报道，利用质体转入技术将拟南芥的Fe-SOD和Mn-SOD基因导入玉米，获得了抗寒的转基因玉米。 王义华(2002)通过农杆菌的介导获得了转Mn-SOD的拟南芥和烟草.转基 因的拟南芥和烟草的耐盐性提高、在维持细胞内活性氧的平衡、保护细胞免受活性氧的伤害中的作用,为进一步改造植物耐盐品种提供理论依据. 七 、植物激素与抗逆性 近年来，植物激素在不良环境下对基因表达的控制调控进行了许多研究。特别是ABA，ABA是一种植物对各种不良环境做出反应的调节物质，能增强植物对各种环境胁迫的适应性，因此有―胁迫激素‖之称。 ABA在植物抗逆中的生理作用: , 关闭气孔、保持组织内水分平衡。 , 并能增加根系透性，增加水的通导性(hydraulic conductivity)。 , 调节植物对结冰和低温的反应。 ABA与抗冷:Rikim等(1979)在棉花幼苗上进行ABA与抗冷性关系的研究。棉花幼苗经4?处理4天，转到27?条件下，植物不能恢复而死亡。如用ABA(10-5mol/L)处理，再经4?4天，明显提高幼苗的成活率，对照为40%，加ABA为73%，同时ABA处理后4?低温下棉花叶子的电解质渗漏率比对照减低1/3。 ABA与抗寒:植物在低温驯化期间有ABA的累积，ABA可以代替低温驯化过程而提高植物的抗寒性。ABA提高植物的抗寒性过程中，可能涉及到新蛋白质的合成。 在比较ABA诱导和低温驯化诱导的苜蓿耐冻性时发现，ABA处理和低温锻炼都能诱导一些相同的多肽合成，说明低温驯化获得抗冻性，是通过ABA诱导作用。 , 柑桔进入越冬锻炼后叶片中累积ABA，ABA含量出现高峰后，柑桔获得 最大的抗冻能力，没经锻炼的柑桔ABA含量低。 , 外源ABA能在不抑制小麦生长的温度下诱导小麦抗冻力的增强。矮壮素 有同样的效果。这些结果表明，ABA和低温驯化(锻炼)作用往往是一 致的。ABA可能诱导某些特异性基因的表达而间接地提高抗寒性。凡是 能抑制植物生长的调节剂，都能提高植物抗寒性。 ABA与抗旱: , 水分胁迫条件下，植物体内ABA的含量增加。ABA使气孔关闭，蒸腾 减少。 , 增加水分在根中输导速率，这都有利于减少水分丧失，增加水分吸收。 , 干旱时ABA还促进或诱导植物释放乙烯，引起落叶、落果，有利于降低 水分蒸腾，减轻植物的损伤。 ABA与抗盐: 在渗透胁迫中，不同耐盐的苜蓿品种幼苗中，盐诱导ABA含量变化明显不同，耐盐品种ABA含量远远高于不耐盐品种。外源ABA处理可诱导脯氨酸积累并随ABA浓度增加脯氨酸积累量增加，并能缓解渗透胁迫下的萎焉现象。 盐适应过程中产生新蛋白质，26KD盐胁迫蛋白即渗压素(osmotin)，渗压素含量可高达细胞总蛋白量的12%。ABA可诱导渗压素的合成，并能促进细胞对NaCl的适应性，有助于渗透调节。盐胁迫下ABA与渗压素关系可能是: 盐胁迫 ?ABA增加?合成渗压素?渗透调节?抗盐胁迫。 八 交叉适应 Hale H.B(1969)根据动物及人体对环境的抗性反应规律，指出有机体1. 概念 在遭受某种不良环境后，不仅会增加抵抗这种特定不良环境的能力，而且能够产生抵抗其它不良环境的能力。这就是有机体对不良环境的―交叉适应‖(cross adaptation)。植物体也有这种现象。 Boussiba等(1975)，根据他们发现的缺水、缺乏矿质，盐溶液处理后，能够提高烟草植株对零下低温和缺氧的抵抗能力。将植物经受一种逆境作用所表现出的对同种或异种逆境的适应性反应，称为植物对逆境的交叉适应。 目前，已经证实交叉适应广泛存在于许多植物中和不同逆境之间。如适度水分亏缺，提高了柑橘、黑麦、小麦、山茱萸对低温的抗性;热激(heat shock，HS)不仅提高植物的耐热性，且可诱导植物耐冷性、耐盐性、耐旱性和对重金属污染的抗性;盐胁迫预处理，可快速诱导菠菜和马铃薯耐冷性;低温驯化提高冬黑麦的耐热性。 2.交叉适应的生理基础 植物产生交叉适应的原因,植物体内存在的对逆境反应的共同生理和分子基础。主要表现在以下几个方面: ?植物激素介导的交叉适应:多种逆境条件下植物体内的ABA、乙烯含量却会增加，从而提高对多种逆境的抵抗能力。 许多研究表明不同逆境能引起植物ABA的积累。ABA提高植物抗逆性，由此可以设想，植物在原初逆境作用下，刺激ABA的合成代谢，使细胞ABA水平瞬时或持续升高，诱导多种抗性相关基因的异常表达(ectopic expression)，进而调节生理代谢，最终提高植物对继发逆境的抵抗力。 Levit(t1976)，用NaCl处理黄瓜幼苗，子叶中ABA含量提高，此时在幼苗转入低温环境下，幼苗的抗冷性能很大的提高;盐处理引起的内源ABA量愈大，植株的抗冷性愈强。说明在交叉适应中，ABA具有很重要的调节作用。 ABA快速合成，兼作胞内信号和胞间信号诱导大量逆境胁迫相关基因的表达。Shen等在拟南芥中鉴定了245个ABA诱导基因，其中的63%的基因能被干旱诱导，52%的基因能被高盐诱导，10%的基因能被低温诱导;而且发现46%的基因能被干旱和高盐共同诱导。交叉适应的激素基础。 ?多种逆境诱导蛋白质的产生。 如一种茄属(Solanum 一种剌激(逆境)可使植物产生多种逆境蛋白。 commerssonii)茎愈伤组织在低温诱导的第一天产生分子量21KD、22KD和31 KD三种蛋白，第七天则产生分子量均为83KD而等电点不同的另三种蛋白。 多种剌激可使植物产生同样的逆境蛋白。缺氧、水分胁迫、盐、脱落酸、亚砷酸盐和镉等都能诱导HSPs的合成;多种病原菌、乙烯、乙酰水杨酸、几丁质等都能诱导病原相关蛋白的合成。此外，脱落酸在常温下可诱导低温锻炼下才形成分子量为20KD的多肽。植物在逆境下，在转绿水平改变，合成新蛋白质。交叉适应的分子基础。 ?活性氧在交叉适应中的作用。逆境因子刺激植物细胞呼吸氧化酶基因转录，NADPH氧化酶活性增强，引起细胞活性氧的积累。逆境刺激细胞活性氧积累，然后通过信号传导途径，调节抗氧化酶和病程相关蛋白等基因的表达，即各种逆境均导致SOD、POD、CAT、GR、AP等保护酶活性增加，增强植物抗逆性。这种完善的活性氧产生和清除系统成为植物交叉适应反应的生理基础。 交叉适应的保护酶系统基础。 ?渗透调节物质在交叉适应中的作用， 多种逆境条件下，植物都会积累脯氨酸、甜菜碱、糖醇、无机离子等渗透调节物质，植物通过渗透调节作用改善植物在逆境下的水分代谢状况，可提高对逆境的抵抗能力。交叉适应的渗透调节生理基础。 ?膜脂与膜透性在交叉适应中作用， 生物膜在多种逆境条件下有相似的变化，而多种膜保护物质(包括酶和非酶的有机分子)在胁迫下可能发生类似的反应，膜脂性质，膜脂过氧化引起膜透性变化，膜透性作为抗逆的主要指标。交叉适应的生物膜结构功能生理基础。 一种逆境可以产生多种逆境蛋白，多种逆境可以产生同一种蛋白。各种逆境蛋白在氨基酸或核苷酸组成上的同源性成为植物交叉适应的分子生物学基础。 3. 提高抗逆途径 ? 利用外源化学物质，施肥，矿质元素如K、Ca++、微量元素，保护性物质等。 ?逆境锻炼，抗寒锻炼、抗旱锻炼，抗盐锻炼，许多有利于提高抗逆性的栽培 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，使植物产生抗逆性。 ?生长调节剂提高植物的抗逆性，如生长延缓剂CCC、AMO-1618、B9、PP333能抑制体内GA的含量，ABA增强植物抗逆性。(茉莉酸)作用与ABA极为相似。 ?品种改良:常规育种;抗逆基因遗传转化,提高植物本身抗逆性。 综上所述，植物的抗逆性可以再不同水平表现出来，包括形态、细胞、生理代谢、分子生物学水平等。其中提高植物本身抗逆性是最重要的，故目前关于逆境的分子生物学研究成为热点。但必须注意到，高等植物的抗性是一个相当复杂的适应过程，且植物的抗逆性有多种形式。应当综合考虑植物的抗逆性，也包括对环境因素控制。