植物的抗逆生理.

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1、,第十三章 植物的抗逆生理,重点和难点,1. 植物在逆境下的生理生化代谢的变化 2. 冷害、冻害和旱害机理 3. 膜脂发生相变与抗寒性的关系 4. 抗逆生理与农业生产的关系，提高作物抗逆性的途径,第一节 植物抗逆生理概论,一、逆境的概念及种类 逆境(stress)是指对植物生存生长不利的各种环境因素的总称。,二、植物抗逆的方式 抗逆性(hardiness/stress resistance):植物对逆境抵抗和忍耐能力，简称抗性。 抗性的方式： 逆境逃避(stress avoidance):指由于植物通过各种方式摒拒逆境的影响，不利因素并未进入组织，故组织本身通常不会产生相应的反应。(避逆性和御

2、逆性） 逆境忍耐(stress tolerance): 指植物组织虽经受逆境对它的影响，但它可通过代谢反应阻止、降低或者修复由逆境造成的伤害，使其仍保持正常的生理活动。（耐逆性）,（一)逆境逃避(stress avoidance): 1.避逆性 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。 如植物的休眠 2.御逆性 指植物处于逆境时，其生理过程不受或少受逆境的影响，仍能保持正常的生理活性。 如仙人掌,(二)逆境忍耐(stress tolerance): 即:耐逆性 指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止、降低或修复由逆境造成的损伤，使其仍保持正常的生理活动。

3、例：植物遇到干旱时，细胞内的渗透物质会增加，以提高细胞抗性。,图 防御干旱的植物种类-深根系甜豆科植物和肉质汁光合茎的巨天轮柱；避旱种类植物-湿季生命周期沙漠之星（Monoptilon bellioides）。再如，植物体改变适应机制提高抗性的包括渗透调节机制的菠菜和耐冻机制的寒带植物黑云杉。,植物以细胞和整个生物有机体抵抗环境胁迫。,三、逆境下植物的形态与生理变化 (一)形态结构的变化 干旱 叶片萎蔫，气孔关闭 导度下降，生长缓慢； 植物以发达的根系，较小的叶片适应干旱。 洪涝 叶片黄化，枯萎，根系褐变甚至腐烂； 植物扩大根部通气组织以适应淹水条件。 高温 叶片变褐，出现死斑，树皮开裂等。

4、病虫 病斑或啃食状。 植物形态结构的变化与代谢和功能的变化是相一致的。,(二)逆境胁迫下植物的生理变化,1. 水分代谢,2. 光合速率下降,3. 呼吸作用的变化,含水量降低,降低（冻害、热害等） 先升后降（冷害、旱害） 增高（病害）,4. 物质代谢的变化 合成分解,5. 质膜的变化 干旱条件下，膜脂双分子层星状排列，膜蛋白变构，膜透性增加，物质外渗。,6. 蛋白质的变化 逆境蛋白：热击蛋白(HSP),四、渗透调节与抗逆性 (一)渗透调节的概念（Levitt，1980） 水分胁迫时植物体内积累各种有机和无机物质，提高细胞液浓度，降低其渗透势，保持一定的压力势，这样植物就可保持其体内水分，适应水分

5、胁迫环境。 这种由于提高细胞液浓度，降低渗透势而表现出的调节作用称为渗透调节(osmotic adjustment)。,(二)渗透调节物质 1.无机离子：盐生植物主要靠细胞内无机离子（ K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-）的累积来进行渗透调节。 2.脯氨酸：脯氨酸是最重要和有效的有机渗透调节物质。几乎所有的逆境，如干旱、低温、高温、冰冻、盐渍 、低pH、营养不良、病害、大气污染等都会造成植物体内脯氨酸的累积。 3.甜菜碱：一类季铵化合物，化学名称为N-甲基代氨基酸，通式为R4NX。 4.可溶性糖：如蔗糖、葡萄糖、果糖等。,图 一些重要的细胞渗透调节物质的化学结构。,

6、植物细胞内溶液浓度增加到维持细胞内正压力时会发生渗透调节。活细胞积累溶质，结果溶质势下降促进水流向细胞内。失去渗透调节作用的细胞，溶质浓度被动浓缩但压力消失。,渗透调节参与的溶质浓度的增加与通过细胞脱水和收缩所引起的溶质浓度的增加不同，渗透调节是细胞溶质浓度的净增加，而不是由于细胞失水、体积变化而引起的溶质相对浓度的增加。 虽然后者也可以达到降低渗透势的目的，但是只有前者才是真正的渗透调节。 在生产实践中，可用外施渗透调节物的方法来提高植物的抗性。,(三)渗透调节物的共性及作用 (1)分子量小、易溶解； (2)有机调节物在生理pH范围内不带静电荷； (3)能被细胞膜保持住； (4)引起酶结构变

7、化的作用极小；在酶结构稍有变化时，能使酶构象稳定，而不至溶解； (5)生成迅速，并能累积到足以引起渗透势调节的量。,五. 植物激素在抗逆性中的作用,调节气孔开闭 减少水分丧失 增强根的吸水性,1. ABA：胁迫激素,2. ETH与其他激素,ETH:（逆境乙烯）增加几倍或几十倍, 直接或间接地参与植物对伤害的修复或对逆境的抵抗过程,GA活性迅速下降 CTK含量的减少 IAA含量下降,各种激素在逆境中的反应速度有差异。 如植物在缓慢缺水时乙烯生成先于ABA，小麦叶片水势在-0.7-0.8MPa时乙烯含量开始增加，而ABA含量在叶水势为-0.8-0.9MPa时才开始增加。 如果植株失水迅速，叶水势降

8、至-1.2MPa，这时ABA的积累则快于乙烯。,多种激素的相对含量对植物的抗逆性更为重要。 抗冷性较强的柑橘品种“国庆1号” 和抗冷性弱的“锦橙”在抗冷锻炼期间，前者体内ABA含量高于后者，而赤霉素含量低于后者。 同一品种在抗冷锻炼期间，随着ABA/GA的比值升高，抗冷性逐渐增强，而在脱锻炼期间，随着ABA/GA的比值降低，抗冷性也逐渐减弱。 植物激素是抗逆基因表达的启动因素，逆境条件改变了植物体内源激素的平衡状况，从而导致代谢途径发生变化，这些变化很可能是抗逆基因活化表达的结果。,六、膜保护物质与活性氧平衡 (一)逆境下膜的变化 生物膜对逆境的反应是比较敏感的。 膜脂相变会导致质膜流动停止，

9、透性加大。 膜脂碳链越长，固化温度越高，相同长度的碳链不饱和键数越多，固化温度越低,抗冷性也越强。 例:粳稻抗冷性大于籼稻，因为在相同温度下形成的粳稻胚的膜脂脂肪酸不饱和度要大于籼稻。,膜脂中的磷脂和抗冻性有密切关系。 例:苹果“元帅”和“金冠”越冬性的研究表明，树皮的抗冻力增强时，膜脂中的磷脂含量显著增加。 膜脂饱和脂肪酸和抗旱力密切有关。 膜脂饱和脂肪酸含量与叶片抗脱水力和根系吸水力密切相关。 例：抗旱性强的小麦品种在灌浆期如遇干旱，其叶表皮细胞的饱和脂肪酸较多，而不抗旱的小麦品种则较少。,（二）活性氧平衡,多种逆境如干旱、大气污染、低温胁迫等都有可能降低SOD等酶的活性，从而使活性氧平衡

10、被打破。 干旱胁迫下不同抗旱性小麦叶片中SOD、CAT、POD活性与膜透性、膜脂过氧化水平之间都存在着负相关。 一些植物生长调节剂和人工合成的活性氧清除剂在胁迫下也有提高保护酶活性、对膜系统起保护作用的效果。,七、植物的交叉适应,1975年，布斯巴(Boussiba)等就指出，植物也象动物一样，存在着“交叉适应”现象(cross adaptation)，即植物经历了某种逆境后，能提高对另一些逆境的抵抗能力，这种对不良环境之间的相互适应作用，称为交叉适应。 莱维特(Levitt)认为低温、高温等八种剌激都可提高植物对水分胁迫的抵抗力。,交叉适应或交叉忍耐(cross-tolerances)往往包

11、括了多种保护酶的参与(见表)。,逆境蛋白的产生也是交叉适应的表现。 一种剌激(逆境)可使植物产生多种逆境蛋白。 如一种马铃薯(Solanum commersonii)茎愈伤组织在低温诱导的第一天产生分子量21 000、22 000和31 000三种蛋白，第七天则产生分子量均为83 000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。 多种逆境条件下，植物都会积累脯氨酸等渗透调节物质，植物通过渗透调节作用可提高对逆境的抵抗能力。

12、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，使细胞内活性氧的产生和清除达到动态平衡。,第二节 植物的抗寒性 植物生长对温度的反应有三基点，即最低温度、最适温度和最高温度。 温度胁迫即是指温度过低或过高对植物的影响。 超过最高温度，植物就会遭受热害。低于最低温度，植物将会受到寒害(包括冷害和冻害)。,一、冷害,(一) 概念： 冰点(0)以上低温对植物的伤害叫冷害。 植物对冰点以上低温的适应叫抗冷性。 热带、亚热带植物易受害。,冷害的类型 延迟型冷害：作物在营养生长期遇到低 温，使生育期延迟的一种冷害。 障碍型冷害：作物在生殖生长期间，

13、遭 受短时间的异常低温，使生殖器官 的生理功能受到破坏，造成完全不 育或部分不育而减产的冷害。 混合型冷害：在同一年度里同时发生延 迟型冷害与障碍型冷害，导致产量 大幅度下降。,延迟型冷害：秧苗期受低温为害后，全株叶色转黄，植株下部产生黄叶，有的叶片呈现褐色，部分叶片现白色或黄色至黄白色横条斑，俗称“节节黄”或“节节白”。在2-3叶苗期遇有日均气温持续低于12，易产生烂秧。,障碍型冷害：孕穗期冷害 降低颖花数，幼穗发育受抑制。开花期冷害常导致不育，即出现受精障碍。成熟期冷害 谷粒伸长变慢，千粒重下降，造成水稻大面积减产。,(二) 伤害类型与症状： 1、类型： 直接伤害：是指植物受低温影响后几小

14、时，至多在1d之内即出现伤斑，说明这种影响已侵入胞内，直接破坏原生质活性。 间接伤害：是指由于引起代谢失调而造成的伤害。 低温后植株形态上表现正常，至少要在五、六天后才出现组织柔软、萎蔫，而这些变化是代谢失常后生理生化的缓慢变化而造成的，并不是低温直接造成的。,烟草幼苗低温伤害症状,2、伤害症状： （1）出现伤斑、凹陷； （2）死苗或僵苗不发； （3）组织柔软、萎蔫； （5）木本植物芽枯顶枯、破皮流胶； （6）花芽分化受破坏，结实率降低。,(三) 冷害引起的生理生化变化,生化反应失调： 水解酶类活性合成酶类 氧化磷酸化解偶联，ATP含量减少,呼吸代谢失调：大起大落,光合作用受阻：叶绿素叶绿体光

15、合酶,原生质流动受阻：ATP减少，原生质粘性增加,膜透性增加 ：,水分代谢失调 ：吸水能力和蒸腾速率都明显下降，其中根系吸水能力下降幅度更显著。,(四) 冷害机理,1、膜发生相变，由液晶态变为凝胶态；,图 由低温引起的相分离 随着温度的下降，高熔点的脂质分子从流动性高的液晶态移动到凝胶态，液晶相和凝胶相间出现了裂缝。,膜脂相变温度随脂肪酸链的加长而增加，随不饱和脂肪酸如油酸(oleic acid)、亚油酸(linoleic acid)、亚麻酸(linolenic acid)等所占比例的增加而降低。 温带植物比热带植物耐低温的原因之一，就是构成膜脂不饱和脂肪酸的含量较高。 同一种植物，抗寒性强的

16、品种其不饱和脂肪酸的含量也高于抗寒性弱的品种。 经过抗冷锻炼后，植物不饱和脂肪酸的含量能明显提高，随之膜相变温度降低，抗冷性加强。 膜不饱和脂肪酸指数(unsaturated fatty acid index，UFAI)，即不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的相对比值，可作为衡量植物抗冷性的重要生理指标。,膜的结构改变 在缓慢降温条件下，由于膜脂的固化使得膜结构紧缩，降低了膜对水和溶质的透性；透性降低，阻碍了细胞，尤其是根细胞对水分的吸收，破坏了植物体内的水分平衡。 在寒流突然来临的情况下，膜体紧缩不匀而出现断裂，因而会造成膜的破损渗漏，胞内溶质外流。透性增加，使得胞内溶质外渗，必然引起代谢失调。 低温下，植物细胞内电解质外渗与否已成为鉴定植物耐冷性的一项重要指标。,代谢紊乱 生物膜结构的破坏会引起植物体内新陈代谢的紊乱。 如低温下光合与呼吸速率改变不但使植物处于饥饿状态，而且还使有毒物质(如乙醇)在细胞内积累，导致细胞和组织受伤或死亡。,冷害机理,不饱和脂肪酸含量越高，膜脂相变温度越低，越耐低