植物生理學(xué)研究發(fā)展論文

1、植物生理學(xué)研究發(fā)展論文逆境條件下植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累與活性氧代謝摘要：本文介紹逆境脅迫下植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累和作用，及其對活性氧的產(chǎn)生 與清除的影響。闡述以脯氨酸為代表的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對活性氧的直接清除作用，甜菜堿等 對抗氧化酶活性及抗氧化劑含量的影響。近年來人們廣泛利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)合成脯氨酸、甜 菜堿，為提高作物的抗氧化能力及培育抗逆新品種提供了一條有效途徑。關(guān)鍵詞逆境脅迫，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，活性氧代謝白然界諸多環(huán)境因子如低溫、干旱、鹽漬等都會(huì)限制或影響植物的正常生長發(fā)育，尤其 是十旱和鹽潰，是影響最普遍的兩種脅迫因了。在發(fā)生水分脅迫和滲透脅迫時(shí)植物細(xì)胞主 動(dòng)積累溶質(zhì)，降低滲透勢和水勢，

2、維持膨壓，進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。受脅迫的同時(shí)，植物在代謝 過程中通過多種途徑產(chǎn)生的活性氧及其清除系統(tǒng)的平衡遭到破壞。輕屮度脅迫下，清除酶 的活性增加，活性氧造成的傷害得以緩解，植物的抗氧化能力提高。因此，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) 的積累與抗氧化能力的提高，是植物在逆境下得以生存的兩種重要機(jī)制。從最近報(bào)道的資 料來看，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對活性氧的產(chǎn)生及清除有一定的影響，如脯氨酸、甘踞醇有清除活 性氧的能力，能提高清除酶的活性。1、逆境下植物細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累及作用植物積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)基本上分為兩大類：一是外界環(huán)境進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的無機(jī)離了，二 是細(xì)胞內(nèi)合成的冇機(jī)溶質(zhì)，主要是多元醇和含氮化合物。50年代kemble等首先

3、發(fā)現(xiàn)在受 早的多年生黑麥草葉了中有游離脯氨酸積累，此種現(xiàn)象現(xiàn)已在小麥、高粱、玉米等多種植 物中發(fā)現(xiàn)。最近的研究表明，鹽脅迫明顯激活脯氨酸合成的鳥氨酸途徑，該途徑對脯氨酸 含量上升的貢獻(xiàn)是谷氨酸途徑的1.0-1. 5倍。另外，許多植物特別是藜科、禾木科植物在 水分或鹽分脅迫下，細(xì)胞內(nèi)甜菜堿人量積累。在豆科植物屮也有甜菜堿的積累。苜蓿在鹽 脅迫下積累葫蘆巴堿。季胺化合物對t旱、鹽漬條件下的植物生理反應(yīng)起重要作用，鹽脅 迫促進(jìn)了人麥幼苗體內(nèi)多胺的精氨酸合成途徑，使多胺的合成比脯氨酸合成對鹽脅迫更敏 感。但溶質(zhì)的積累在不同的植物中有所不同，如水稻、煙草、草莓體內(nèi)不能介成甜菜堿。 c4植物玉米、高粱積累

4、脯氨酸的數(shù)量低于c3植物小麥。既使是同一物種，不同基因型的 植物積累的溶質(zhì)也不同。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累還可相耳促進(jìn)，防2+對無花果細(xì)胞鹽誘導(dǎo)脯 氨酸的積累有促進(jìn)作用。商振清等觀察到52+處理可提高水分脅迫下小麥體內(nèi)脯氨酸的含 量。植物積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)行使其調(diào)節(jié)、保護(hù)、清除活性氧、促進(jìn)生長等功能。肺氨酸和 甜菜堿在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累時(shí)，可作為滲透調(diào)節(jié)劑或抗冷劑起作川。梁崢指出甜菜堿的積累水 平與植物的抗脅迫能力成止比。甜菜堿在細(xì)胞內(nèi)的積累町提高細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，穩(wěn)定 細(xì)胞內(nèi)人分子蛋門質(zhì)與生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，還可保護(hù)細(xì)胞內(nèi)許多重要代謝活動(dòng)所需酶類 的活性。脯氨酸積累引起的滲透調(diào)節(jié)對低水勢下維持玉米幼根

5、伸長有重要作用。在滲透調(diào) 節(jié)過程中，化合物的積累是-種適應(yīng)性反應(yīng)，枳累的化合物還町以保護(hù)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。根據(jù) 上述脯氨酸所起的作用可以概括為：調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的滲透勢；保護(hù)蛋白質(zhì)分子，增加蛋白質(zhì)分子的水合度；維持光合活性；作為活性氧的清除劑等。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的作用大小，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果不盡一致。flowers認(rèn)為無機(jī)離子對中生植物滲透調(diào)節(jié)作用較小。劉丹認(rèn)為水分脅迫 下小麥幼苗滲透調(diào)節(jié)有機(jī)溶質(zhì)作用較大，而無機(jī)離了則較小。李春香等測定水分脅迫下玉 米幼苗中各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的和對貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋簁+可溶性糖游離氨基酸脯氨 酸，小麥生育中后期則是：k+可溶性糖游離氨基酸ca2+mg2+脯氨酸。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) 相對貢獻(xiàn)率

6、的差杲，對能與植物的種類、生育期、所處環(huán)境、脅迫強(qiáng)度、脅迫時(shí)間等多種 因索有關(guān)，不能一概而論。總z,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對提高植物抗逆能力有重要作用。2、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與活性氧代謝2、1滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與活性氧的產(chǎn)生逆境脅迫下，植物體內(nèi)活性氧人量積累，破壞正常代謝時(shí)活性氧的產(chǎn)生與清除的平衡。 尤其是超氣陰離子白由基的產(chǎn)生可以轉(zhuǎn)化成h202及攻擊性更強(qiáng)的0h,進(jìn)而引發(fā)膜脂的 過氧化和脫?；?，直接攻擊核酸和蛋白質(zhì)等，從而導(dǎo)致核酸結(jié)構(gòu)損傷、蛋白質(zhì)交聯(lián)和聚 合、多肽鏈斷裂，酶蛋門失活等。而有些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)則可以減輕活性氧的傷害。宋純鵬 等用電子順磁共振的方法研究不同濃度02+下葉綠體中超氧陰離子0由基的產(chǎn)生、膜的流

7、 動(dòng)性和acc向乙烯的轉(zhuǎn)化，將高濃度ca2+（0. lmol/l）直接加到葉綠體反應(yīng)體系中，結(jié)果葉 綠體超氧陰離子自由基產(chǎn)量下降，膜的傷害減輕，乙烯生成減少，這似乎是ca2+作為膜的 穩(wěn)定劑的一個(gè)佐證。梅慧生等實(shí)驗(yàn)證明超氧陰離子自由基參與acc轉(zhuǎn)化成乙烯的反應(yīng)。因 此ca2+抑制超氧陰離子自由基的生成也可表示乙烯生成減少的原因0。由于活性氧z間 有相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn),ca2+抑制超氣陰離子自由基的生成，因而h202及0h的生成也相應(yīng)有 所下降。水分脅迫下植物體內(nèi)積累一些相容性溶質(zhì)（如甘露醇、脯氨酸等）能補(bǔ)償植物內(nèi)源的清 除機(jī)制。證實(shí)甘露醇町作為0h的有效清除劑。葉綠體中甘露醇的存在，對以通過清 除

8、0h而使植物免受氧化傷害，甘露醇對植物的保護(hù)作用對能是保護(hù)敏感的疏基調(diào)節(jié)酶， 如磷酸核酮糖激酶、硫氧還蛋白、鐵氧還蛋白等。植物體內(nèi)0h的増加在破壞的組織內(nèi)引 發(fā)植物抗毒素的合成，而一些相溶性溶質(zhì)如山梨醇、廿露醉、肌醉和脯氨酸等均是0h的 高效清除劑，但甜菜堿對-oh的清除無效研究受鋅脅迫的芥菜和綠豆的結(jié)果證實(shí)，鋅含量 高時(shí)，植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)量增加，脯氨酸同時(shí)大量積累，脯氨酸的積累與自由基的非酶 促清除有一定的相關(guān)性，他們發(fā)現(xiàn)離體線粒體屮，脯氨酸對減少高光強(qiáng)誘導(dǎo)下自由基的產(chǎn) 生。蔣明義報(bào)道，水分脅迫下0h可引起水稻幼苗體內(nèi)脯氨酸大量積累，積累的脯氨酸有 明顯的抗氧化作用。在外源0h和超氧陰離子

9、自由基作用下的水稻幼苗體內(nèi)脯氨酸明顯積 累，而超氧陰離子自由基和ii202處理對稻苗體內(nèi)脯氨酸含量無影響，脯氨酸有一定的專 一性，只對011和超氧陰離了自由基有明顯的清除活性。但對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與活性氧的產(chǎn) 生的報(bào)道也不致，如mccune和hanson認(rèn)為 0h的產(chǎn)生不受甘露醇的影響，而隨谷胱甘 肽、半胱氨酸、脫落酸的減少而增加。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果町以看出，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)ca2+、脯氨酸、甘露醇對活性氧特別是超氧陰 離子自由基和0h的產(chǎn)生有抑制作用,而對已生成的0h則有清除作用。因此,在逆境 下這些物質(zhì)的積累可有助丁提高植物抗氧化能力及逆境適應(yīng)性。顯示滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累 對植物抗逆性有雙重作用。2、2

10、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與活性氧清除酶（劑）處于干旱、鹽潰等逆境下的植物木身常形成一些防御機(jī)制，如活性氧的酶促與非酶促兩 大淸除系統(tǒng)，対脅迫造成的活性氧積累作出積極反應(yīng)。其中，超氧化物歧化酶(sod)是抗 氧化系統(tǒng)中一種極為重要和在生物體內(nèi)普遍存在的金屬酶，與酶相連的金屬交替地氧化或 還原，催化快速歧化反應(yīng)，可將屆氧陰離子口由基歧化成h202和02,在保護(hù)酶系中處于 核心地位。許多報(bào)道認(rèn)為水分脅迫卜植物體內(nèi)超氧化物歧化酶活性與植物抗氧化脅迫能力 呈止相關(guān)。另-個(gè)研究較多的活性氧清除系統(tǒng)是抗壞血酸谷胱甘肽循環(huán)?？箟难徇^氧化 物酶(ap)、谷胱甘肽還原酶(gr)是其屮的關(guān)鍵酶，百接清除葉綠體內(nèi)的h2o2。抗

11、壞血酸 (asa)能迅速地超氧陰離子口由基、0h、'02起反應(yīng)，再通過抗壞血酸過氧化物酶清除 ii202o gsh能與 0h和超氧陰離子自由基反應(yīng),從而保護(hù)有關(guān)酶的毓基,維持其活性。另 外一個(gè)重要的抗氧化劑牛育酚可抑制類脂過氧化作用，清除超氧陰離子口由基、 r00、r0、r 猝滅'02。蔣明義等曾報(bào)道，活性氧清除劑a-生育酚、抗壞血酸、甘露 醉可阻抑滲透脅迫下增生的丙二醛，減少葉綠素的氧化損傷。輕中度脅迫下，植物體內(nèi)清除酶活性增加，隨著脅迫時(shí)間的延k,細(xì)胞保護(hù)酶活性均冇 不同程度的f降，sod和過氧化氮酶(cat)活性卜降較早，過氧化物酶(pod)活性卜降較 遲。小麥、大麥和棉

12、花等多種作物中水分脅迫誘導(dǎo)ap、gr活性明顯增加。一般抗旱性品 種在水分脅迫下保護(hù)酶維持較高的活性。鹽脅迫下的抗性克隆植株與敏感克隆植株相比， 其抗氧化酶系的所有酶活性均大幅度上升。sreenivasulu的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明耐鹽晶系幼苗在 鹽脅迫下ap、sod活性增加，而鹽敏感品系兩種酶活性均下降。關(guān)軍鋒的研究表明,52+能捉高金冠蘋果果肉園片中保護(hù)酶活性，不同濃度 ca2+(linmol/l> 10inniol/k loommol/1)對酶活性的影響不同,sod活性、gsh含量均隨 02+濃度增加而增加,cat活性和asa含量則隨52+濃度增加而降低，總的ii202含量降 低，膜結(jié)構(gòu)受到保

13、護(hù)，果實(shí)的衰老延緩，對生理病害的發(fā)生也有一定的抑制作用。張丄功 等以小麥為材料，研究甜菜堿對mci脅迫下小麥幼苗細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)影響的結(jié)呆表明， 外源甜菜堿2. og/l能夠提高鹽脅迫下小麥幼苗sod、cat和pod活性，降低活性氧自由基 對質(zhì)膜的傷害和膜脂過氧化作用水平，維持細(xì)胞質(zhì)脫的穩(wěn)定性和完整性。able等從檸檬胚 胎愈傷組織培養(yǎng)中選出的耐鹽細(xì)胞系積累較多的鈉離子和氯離子，抗氧化酶活性增加，產(chǎn) 生一種新的sod同工酶，pod活性增加，cat活性不變，脯氨酸含量及總糖量(主要為蔗 糖)大量增加。kawk和sun報(bào)道2. 0mol/lca2+可使海藻脂氧合酶(lox)活性升高。楊依 軍研究表明

14、52+能激活水稻體內(nèi)的lox。雖然lox是發(fā)現(xiàn)較早的一種酶，它廣泛地存在于 高等植物體內(nèi)，但其生理功能還不清楚。已知lox專一催化具有順，順-1,4-戊二烯結(jié)構(gòu) 的多元不飽和脂肪酸的加氧反應(yīng)，氧化生成含共轆雙鍵的過氧化物。許多研究表明，lox 在植物的生長、發(fā)育、抗逆及衰老等過程中起調(diào)節(jié)作用。最近又有研究表明干旱脅迫下， 細(xì)胞外存在高濃度ca2+時(shí)，根內(nèi)pod同工酶活性顯箸提高，lox活性變化較小。由此可以看出，以ca2+、甜菜堿為主的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對提高抗氧化酶活性和抗氧化劑 含量。但關(guān)于其它滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如k+、對溶性糖等對植物抗氧化體系的影響尚少報(bào)道。我 們就k+、脯氨酸對水分脅迫下玉米根

15、系活性氧體系的影響進(jìn)行了研究，結(jié)杲(待發(fā)表)表 明相同濃度的k+和脯氨酸對抗氧化酶活性均有促進(jìn)作用，但程度不同，如20mmol/l飼喂 根系后，水分脅迫下sod活性的增加顯著高于脯氨酸飼喂的結(jié)果。關(guān)于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對脅 迫條件下植物抗氧化體系的促進(jìn)機(jī)理，還有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。3、結(jié)語與展望綜上所述，逆境脅迫下植物體內(nèi)枳累的主耍滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對活性氧的產(chǎn)生及清除均有一 定的影響，特別是対自由基的淸除和淸除酶活性的增加有積極作用。以為代表的淸除酶 和以脯氨酸、甜菜堿為代表的滲透調(diào)節(jié)劑在基因工程中得到廣泛的應(yīng)用。這些足以顯示了 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗氧化酶(劑)在抗逆脅迫中的顯耍地位。然而，在該領(lǐng)域內(nèi)的研究

16、，仍有許多問題述未解決，如滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是如何對抗氧化酶(劑)起作用的，二者是否是相互作用，相互影響，共同促進(jìn)的關(guān)系等，有關(guān)滲透調(diào)節(jié)物 質(zhì)的抗氧化機(jī)理及其間涉及的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)問題也有待進(jìn)一步深入研究。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗氧 化酶同工酶z間的關(guān)系，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗氧化酶(劑)在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域化分布對二者關(guān) 系的影響，這方而的研究甚少。因此，在亞細(xì)胞水平上研究二者的關(guān)系十分必要。近年 來，對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗氧化酶在轉(zhuǎn)基因方而的研究引起人們的垂視，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng) 用，為人們研究植物抗逆性捉供了一條新的思路。但轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)該把握住合成反應(yīng)的限 速步驟、關(guān)鍵酶基因的克隆與表達(dá)。關(guān)于轉(zhuǎn)入基因如何人量農(nóng)達(dá)，而冃在遺傳上

17、性狀是否 穩(wěn)左，轉(zhuǎn)基因植株中所轉(zhuǎn)入基因的表達(dá)是怎樣被調(diào)控的等一系列問題尚待解決。普遍認(rèn) 為，植物的抗逆性是由多基因控制的，若將抗氧化酶及滲透調(diào)節(jié)劑的關(guān)鍵基因有機(jī)地結(jié)合 起來，共同應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因技術(shù)中，町能會(huì)對植物抗逆性的提高有重要作丿u。因此，利用植 物交叉抗性的特點(diǎn)，將抗逆過程中起主導(dǎo)作用的因素綜合考慮，對捉高作物抗逆性意義重 大。參考文獻(xiàn)王邦錫、黃久常、王輝，不同植物在水分脅迫條件下脯氨酸的積累與抗旱性的關(guān)系。植物生理學(xué)報(bào)，15(1) : 46-51關(guān)軍鋒，ca2+對蘋果果實(shí)細(xì)胞膜透性保護(hù)酶活性和保護(hù)物質(zhì)含量的影響。植物學(xué)通報(bào)， 16 (1) : 72-74劉丹，水分脅迫卜小麥幼苗呼吸及滲透

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