作物逆境生理專家講座

一、逆境生理普通概念1.逆境（stress,adversity）自然界中作物（植物）所需要某種物理、化學(xué)或生物環(huán)境因子發(fā)生虧缺或超出其本身所需正常需要水平而對(duì)植物生理、生長(zhǎng)發(fā)育及生物化學(xué)過程產(chǎn)生危害環(huán)境因子總稱。旱害：干旱脅迫、水分脅迫－輕微干旱利于光合、改進(jìn)品質(zhì)熱害：高溫（氣溫、土溫）鹽害：冷害、凍害大氣污染：作物逆境生理專家講座第1頁(yè)2.脅迫（stress）與脅變（strain）Stress:各種逆境對(duì)植物作用力（影響力）－（外力與引發(fā)反抗力合稱應(yīng)力）Strain:（應(yīng)變－物體受外力后所發(fā)生大小、形狀改變）－在脅迫作用下，植物所發(fā)生形態(tài)、生理及生化改變彈性脅變（elasticstrain）：脅迫到達(dá)一定程度前除去脅迫，植物完全可恢復(fù)。塑性脅變（plasticstrain）：脅迫到達(dá)一定程度，除去脅迫，植物可部分恢復(fù)或完全不能恢復(fù)。脅迫/脅變（stress/strain＝M）：物體剛性抗逆性（resistance）：引發(fā)單位脅變所需脅強(qiáng)。與種性、鍛煉程度相關(guān)。作物逆境生理專家講座第2頁(yè)3.逆境傷害類型直接傷害：脅強(qiáng)很大或突然發(fā)生時(shí)，植物發(fā)生細(xì)胞結(jié)構(gòu)上破壞（生理代謝來不及改變）－－plasticstrain間接傷害：脅強(qiáng)不太大，發(fā)生遲緩，引發(fā)細(xì)胞代謝改變－－elasticstrain。連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可能轉(zhuǎn)變?yōu)閜lasticstrain。派生性傷害：某種脅迫不一定傷害植物，但脅迫引發(fā)其它原因而使植物受害。如：高溫造成干旱等作物逆境生理專家講座第3頁(yè)4.抗逆性含義及表示方法：含義：作物在逆境下能夠自存、生長(zhǎng)發(fā)育，并能取得一定產(chǎn)量能力。表示方法：resistance宏觀R=stress/stain單位脅變所需脅強(qiáng)50%細(xì)胞死亡、50%電解質(zhì)外滲量50%酶活性50%光合速率下降K50:killingpoint致死點(diǎn)LD50：lethaldose半致死劑量stress/strain＝M（moduleofelasticity，彈性模量）表示物體鋼性大小。M越大，彈性越差。作物逆境生理專家講座第4頁(yè)作物對(duì)逆境適應(yīng)類型避逆型：作物生長(zhǎng)發(fā)育過程不與逆境相遇，防止逆境傷害。御逆型：作物含有一定防御逆境能力，在逆境下生理過程依然保持較正常進(jìn)行。

保持體內(nèi)水分，與環(huán)境不到達(dá)熱量平衡－高Ψw抗旱。耐逆型：逆境可直接作用于細(xì)胞，但細(xì)胞可經(jīng)過代謝，降低修復(fù)逆境傷害（與環(huán)境到達(dá)熱力學(xué)平衡）－氣孔調(diào)整。作物逆境生理專家講座第5頁(yè)抗逆性特點(diǎn)：本身修復(fù)主要性：消耗代謝能彈性脅變：不產(chǎn)生傷害熱力學(xué)上可逆塑性脅變：代謝上可修復(fù)（一定范圍內(nèi)）永久性傷害：不可恢復(fù)連續(xù)時(shí)間主要性本身鍛煉主要性：在輕度逆境脅迫條件下，植物體以一個(gè)特殊代謝方式逐步適應(yīng)逆境或減輕逆境傷害過程。條件：遺傳基礎(chǔ)、環(huán)境條件（輕度逆境）。斷裂點(diǎn)作物逆境生理專家講座第6頁(yè)5.植物抗逆生理機(jī)制根本性問題（1）生物膜結(jié)構(gòu)與功效膜脂肪酸飽和度：低溫、冰凍下，不飽和度越高、抗性越強(qiáng)。影響膜流動(dòng)性→膜固化。不飽和度越低，越有利于抗旱、抗高溫（膜流動(dòng)性與膜上酶功效）。膜蛋白與抗逆性關(guān)系：作物逆境生理專家講座第7頁(yè)(2)滲透調(diào)整作用（抗旱、鹽、低溫等）滲透調(diào)整物質(zhì)種類滲透調(diào)整生理作用（尤其與光合作用關(guān)系）滲透調(diào)整作用強(qiáng)度在品種選育中作用滲透調(diào)整基因工程與滲透調(diào)整蛋白（3）過氧化作用假環(huán)式光合磷酸化：e->O2·作物逆境生理專家講座第8頁(yè)（4）逆境蛋白與基因表示逆境下產(chǎn)生小分子蛋白，提升抗性（熱激蛋白-HSP-heatshockprotein）、滲調(diào)蛋白。（5）光合碳代謝類型轉(zhuǎn)變C3－溫和環(huán)境C4－干旱、高溫環(huán)境不一樣，代謝類型可能轉(zhuǎn)變。作物逆境生理專家講座第9頁(yè)二、植物在逆境下水分調(diào)整（一）滲透調(diào)整概念滲透調(diào)整（Osmoticadjustment）：植物在水分或鹽分脅迫下，主地增加細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度、降低Ψs，從而降低Ψw，使植物能從水勢(shì)降低介質(zhì)中繼續(xù)吸水，以維持ΨP等生理過程。滲透調(diào)整（Osmoticregulation）：低等植物和微生物在逆境下或高等植物在鹽分脅迫下，經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)增加或降低來調(diào)整Ψs，使細(xì)胞與環(huán)境熱能到達(dá)平衡，以抵抗環(huán)境脅迫能力。作物逆境生理專家講座第10頁(yè)水結(jié)構(gòu)調(diào)整：生物聚合體以疏水鍵結(jié)合，增加生物聚合體親水能力，細(xì)胞質(zhì)一定水勢(shì)。水活度調(diào)整：溶質(zhì)濃度降低，溶質(zhì)中水熱力學(xué)改變。溶質(zhì)－溶劑－生物大分子有些人認(rèn)為滲透調(diào)整是膨壓調(diào)整、膨壓維持。作物逆境生理專家講座第11頁(yè)（二）滲透調(diào)整調(diào)整方式及原初機(jī)理1.調(diào)整方式：ψw=ψs+ψP高ψw－＞低ψw繼續(xù)維持吸水，保持體內(nèi)水分平衡。維持ψP基本不變，確保體內(nèi)生理生化過程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。降低ψs路徑：細(xì)胞變小，與生長(zhǎng)相關(guān)，小細(xì)胞利于ψP維持，維持高溶質(zhì)濃度。細(xì)胞內(nèi)水分降低，溶質(zhì)濃縮。溶質(zhì)濃度主動(dòng)增加（真正意義上滲透調(diào)整范圍）作物逆境生理專家講座第12頁(yè)2.原初機(jī)理膜、電位改變細(xì)胞受到水分脅迫時(shí)，細(xì)胞ψP快速改變，引發(fā)膜受力部分緊縮或伸展，深入影響膜厚度改變，又引發(fā)膜原有電場(chǎng)分布，造成質(zhì)子泵及離子被動(dòng)運(yùn)輸路徑改變。束狀法來藻：當(dāng)細(xì)胞ψP增加時(shí)（0→2bar），出現(xiàn)K+流入較穩(wěn)定地降低，細(xì)胞壓力增加時(shí)，流出穩(wěn)定地增加，Cl-也表現(xiàn)出一樣趨勢(shì)。作物逆境生理專家講座第13頁(yè)也有些人認(rèn)為是膜電位發(fā)生改變。膜壓→膜電阻、電位改變→轉(zhuǎn)為粒子流或電信號(hào)，開啟內(nèi)部生化反應(yīng)。鹽分脅迫下，膜上質(zhì)子泵開啟，消解ATP，開啟甘油合成。ADP可與水反應(yīng)產(chǎn)生OH-，使細(xì)胞堿化（pH↑），影響到EMP（糖酵解），合成甘油，細(xì)胞內(nèi)甘油大量合成，產(chǎn)生滲透調(diào)壓。ATPADP+PiH2OADP+H+OH-(pH↑)EMP甘油合成H+作物逆境生理專家講座第14頁(yè)3.滲透調(diào)整測(cè)定方法（1）水飽和滲透勢(shì)法葉片→水飽和5小時(shí)以上（最好處于光賠償點(diǎn)，防呼吸消耗過多）→放入塑料袋→低溫（-30℃）冰凍3小時(shí)以上→取出室溫下融冰40分鐘左右→壓出汁液→測(cè)定。優(yōu)點(diǎn)：依據(jù)直接判斷滲調(diào)能力大小。缺點(diǎn)：沒排除質(zhì)外體水，測(cè)定值往往高于實(shí)際值。作物逆境生理專家講座第15頁(yè)（2）lnRWC-lnΨs作圖法假如是直線，則無滲透調(diào)整能力（Ψs下降完全由RWC下降引發(fā)）出現(xiàn)拐點(diǎn)，則有滲透調(diào)整能力，調(diào)整能力用RWC剛發(fā)生改變?chǔ)穝表示需注意取樣嚴(yán)格，最好將葉片一分為二進(jìn)行測(cè)定。（3）

Ψw－ΨP作圖斜率法a:ΨP完全維持b:ΨP部分維持c:ΨP＝0d:細(xì)胞內(nèi)基態(tài)ΨsΔΨP/ΔΨw越小，說明滲調(diào)能力越大。lnRWClnΨs01ΨPΨw→-1abcd作物逆境生理專家講座第16頁(yè)（4）有效ΨS法有效ΨS：對(duì)生長(zhǎng)真正起作用ΨS植物細(xì)胞ΨS－土壤或溶液ΨS＝有效滲透勢(shì)（5）：P－V曲線法品種lnRWC-lnΨsΨw－ΨP秦麥3號(hào)0.78-2.51 0.40昌樂5號(hào)0.74 -2.39 0.41山東5870.68 -2.14 0.39 濟(jì)南130.60 -1.87 0.48煙農(nóng)150.57 -1.73 0.55魯麥5號(hào)0.49 -1.62 0.61作物逆境生理專家講座第17頁(yè)P(yáng)-V曲線作物逆境生理專家講座第18頁(yè)借助PV曲線計(jì)算可出每個(gè)供試小枝以下水分參數(shù):膨壓為0時(shí)滲透勢(shì)(ψs0)、飽和含水時(shí)滲透勢(shì)(ψs100）膨壓為0時(shí)相對(duì)水含量(RWC0)、和相對(duì)滲透水含量(ROW0，滲透水是指存在于細(xì)胞原生質(zhì)和液泡中水分,其在外加壓力下可被壓出,也稱為共質(zhì)體水(Symplasticwater))、束縛水含量(Va)膨壓(ψp)隨葉水勢(shì)(ψw)下降而降低速率b值組織細(xì)胞總體彈性模量(ε)：飽和含水時(shí)與膨壓為0時(shí)對(duì)應(yīng)值求得。作物逆境生理專家講座第19頁(yè)(1)充分擔(dān)心組織中滲透水含量(RWCs)和非滲透水量(RWCa)。滲透水是指存在于細(xì)胞原生質(zhì)和液泡中水分,其在外加壓力下可被壓出,也稱為共質(zhì)體水(Symplasticwater)。充分擔(dān)心組織中RWCs可由PV曲線中直線部分延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)求得。其余水分在組織無限加壓條件下也不能被擠出,是存在于細(xì)胞外水分,包含細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙、導(dǎo)管、死亡細(xì)胞空腔內(nèi)水分,被稱為非滲透水或質(zhì)外體水(Apoplasticwater),充分擔(dān)心組織中非滲透水含量RWCa=1-RWCs。作物逆境生理專家講座第20頁(yè)(2)充分擔(dān)心組織中原初滲透勢(shì)(ψs100)。PV曲線直線部分延長(zhǎng)線與縱坐標(biāo)軸交點(diǎn),即為充分擔(dān)心組織中細(xì)胞原初滲透壓倒數(shù),其負(fù)值為ψs100。(3)初始質(zhì)壁分離滲透勢(shì)(ψs0，此時(shí)膨壓為0)和滲透水含量(RWC0)。在組織從飽和至萎蔫失水過程中,細(xì)胞液泡內(nèi)水分不停被擠出,細(xì)胞也失水收縮,因?yàn)榧?xì)胞壁與細(xì)胞質(zhì)收縮強(qiáng)度不一致,失水到一定程度時(shí)將出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象,此時(shí)對(duì)應(yīng)組織水勢(shì)即為初始質(zhì)壁分離時(shí)滲透勢(shì)(ψs0),對(duì)應(yīng)相對(duì)含水量即為初始質(zhì)壁分離時(shí)滲透水含量RWC0。在PV曲線上則為曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€轉(zhuǎn)折點(diǎn),能夠經(jīng)過圖解法或者求解由曲線部分和直線部分方程所組成方程組方法求得。作物逆境生理專家講座第21頁(yè)(4)細(xì)胞彈性模量(ε)。細(xì)胞彈性模量(Cellelasticmodulus):ε=dψP/dRWC,即單位相對(duì)含水量改變所引發(fā)細(xì)胞膨壓改變,可用于表示細(xì)胞壁彈性好壞。當(dāng)組織含水量和水勢(shì)下降時(shí),彈性較大組織比彈性小能保持較大膨壓。ε能夠經(jīng)過膨壓與相對(duì)含水量間關(guān)系求出。在植物組織失水過程中,ε處于不停改變中,為了分析方便,普通用植物處于水分飽和狀態(tài)下εmax來比較植物細(xì)胞彈性模量。εmax＝(ψs100－ψs0）×(RWC100-RWC0)/RWC100PV曲線分析可與凌晨葉水勢(shì)結(jié)合分析（predawnleafwaterpotential）作物逆境生理專家講座第22頁(yè)4.影響滲透調(diào)整原因（1）遺傳原因：滲透調(diào)整能力有沒有、大小小麥、高粱、棉花有，大豆、豇豆無不一樣植物不一樣：肉質(zhì)陰生植物滲調(diào)能力5bar左右旱生植物20－30鹽生植物80普通植物5－20作物逆境生理專家講座第23頁(yè)（2）器官類型和組織年紀(jì)根系、葉片、下胚軸、花序、莖尖都有小麥：莖尖、未完全展開葉片最強(qiáng)玉米：葉片伸長(zhǎng)區(qū)最強(qiáng)、成熟區(qū)很弱小麥花期旗葉達(dá)17bar，倒三葉12bar（高滲品種）（3）環(huán)境原因水分脅迫程度、連續(xù)時(shí)間、光強(qiáng)、CO2、田間、溫室、水分虧缺速率。輕度－中度水分脅迫較強(qiáng)，小麥則在強(qiáng)脅迫下不強(qiáng)脫水速度：高粱1.7－8barday-1，產(chǎn)生一樣滲調(diào)能力。光強(qiáng)、CO2：影響光合產(chǎn)物溫度：低溫更有利于滲調(diào)：利于物質(zhì)積累＊滲調(diào)能力與物質(zhì)代謝相關(guān)作物逆境生理專家講座第24頁(yè)5.滲調(diào)物質(zhì)(1)必備條件：

分子量小，易溶解生理pH值內(nèi)，不帶凈電荷必須能被細(xì)胞膜保持住引發(fā)酶結(jié)構(gòu)改變作用必須最小酶結(jié)構(gòu)稍有改變時(shí)，能使酶構(gòu)象穩(wěn)定生成快速，能積累至足以調(diào)整Ψs作用作物逆境生理專家講座第25頁(yè)(2)滲透調(diào)整物質(zhì)無機(jī)離子：K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、Ca2+、Mg2+K+（甜土植物）、Na+（鹽土植物） 小Ψs中K+占48－68%K+優(yōu)點(diǎn)：以離子狀態(tài)存在于胞內(nèi)，不需合成份解分子量小，相對(duì)體積絕對(duì)量質(zhì)點(diǎn)量多，降低Ψs作用大正常時(shí)，細(xì)胞內(nèi)大量存在，可隨時(shí)調(diào)用，對(duì)細(xì)胞無害促進(jìn)其它物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）合成水化半徑?。?.66nm），對(duì)原生質(zhì)具水合作用，對(duì)酶及蛋白質(zhì)有保護(hù)作用Mg2+可調(diào)整葉綠體滲透勢(shì)。

作物逆境生理專家講座第26頁(yè)脯氨酸（Proline）1954Kemble在受干旱多年生黑麥草中發(fā)覺1977Stevart積累Proline積累生理生化機(jī)制，提出是滲調(diào)物質(zhì)湯章城（1984－1986），發(fā)覺外源Proline可解除高等植物滲透脅迫（高粱），大田下處理干旱脅迫各種脅迫均引發(fā)Proline增加，具普遍性（如，正常植物Proline含量在0.2-0.7mgg-1DW，干旱脅迫可增至40-50mgg-1，增加70－200倍）。但有些人認(rèn)為Proline主要作為細(xì)胞質(zhì)滲調(diào)物質(zhì)，而不是液泡滲調(diào)物質(zhì)Leigh（1981）用甜菜根，分離出液泡，分別測(cè)定Proline，發(fā)覺細(xì)胞質(zhì)/液泡＝15-98:1Proline前體：glu、鳥氨酸作物逆境生理專家講座第27頁(yè)P(yáng)roline作用滲調(diào)物質(zhì)作用：維持細(xì)胞與環(huán)境滲透平衡對(duì)蛋白質(zhì)（酶）有保護(hù)作用（結(jié)構(gòu)調(diào)整）Proline在70s末、80s初研究較多：Proline作為抗旱指標(biāo)，意見不一：反對(duì)：有時(shí)不抗旱品種積累Proline多，而有時(shí)抗旱品種積累Proline多。Hason用大麥品種，得出抗旱品種Proline積累多，而有些人則作出相反結(jié)論，其原因是用土壤含水量為指標(biāo)，而未用RWC，即相同含水量下，植株RWC不一樣。作物逆境生理專家講座第28頁(yè)右圖：截距為品種原有Proline含量（本底含量），斜率代表品種在相同RWC時(shí)Proline含量，斜率越大，Proline積累越多。RWC(%)Pro結(jié)論：抗旱品種Proline積累多，但必須用RWC為指標(biāo)，Proline既可作為滲調(diào)指標(biāo)，又可作為一個(gè)品種抗旱篩選指標(biāo)。作物逆境生理專家講座第29頁(yè)甜菜堿1975年開始研究，Storey(1975)發(fā)覺干旱大麥葉片積累甜菜堿。Hitz(1980)報(bào)道，水稻、谷子、高粱、玉米積累較少，而小麥、大麥等積累較多Barnum(1981)在鹽分脅迫下，鹽土和甜土植物均積累甜菜堿Hason(1978)比較大麥Proline和甜菜堿積累速率：在正常條件下，二者含量比為1:11，水分脅迫下，Proline在10分鐘內(nèi)積累，而甜菜堿在24小時(shí)后積累，但二者積累速率相同。復(fù)水后，Proline馬上降低，而甜菜堿基本不降低。所以，甜菜堿在植物體內(nèi)穩(wěn)定，是最好抗干旱物質(zhì)。Laulor(1978)發(fā)覺，在水分脅迫下，玉米葉片光呼吸增加，14C飼喂葉片，CH2OH(14COOH)（Gly,Ser），14C很快進(jìn)入甜菜堿。所以，光呼吸增加部分主要用于合成甜菜堿膽堿可直接合成甜菜堿甜菜堿在胞質(zhì)中遠(yuǎn)大于液泡中，是胞質(zhì)滲調(diào)物質(zhì)。作物逆境生理專家講座第30頁(yè)可溶性糖及游離氨基酸蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖，不一樣作物起主要作用糖類不一樣。如小麥以蔗糖為主。游離氨基酸：天門冬氨酸（Asn）、Glu、Gly、Ala、Leu等。從起源上看，是大分子分解產(chǎn)物，屬破壞性調(diào)整。起源：蛋白質(zhì)、淀粉合成受抑，分解加強(qiáng)光合直接形成低分子蔗糖與氨基酸從植物體其它部分調(diào)入作物逆境生理專家講座第31頁(yè)甘油：主要在低等植物中起作用。合成路徑：光合路徑合成、呼吸路徑合成滲透調(diào)整機(jī)理：以K+等無機(jī)離子為主，主要調(diào)整液泡滲透勢(shì)，維持ΨP等生理過程。以Proline等有機(jī)溶質(zhì)為主，維持細(xì)胞質(zhì)、液泡滲透平衡，且對(duì)蛋白質(zhì)有保護(hù)作用。作物逆境生理專家講座第32頁(yè)6.滲透調(diào)整生理作用（1）維持ΨP，維持其它生理過程，如：水分脅迫下，水稻Ψw下降，而ΨP基本不變蘋果7-9月Ψs下降3bar左右，而ΨP基本不變小麥中午Ψs100下降最多，證實(shí)中午前后滲調(diào)發(fā)揮能力最大，最大調(diào)整能力0.35MPa。

ΨP維持還可經(jīng)過胞壁彈性來維持，但普通表現(xiàn)在幼嫩細(xì)胞，且主要發(fā)生在雙子葉植物。說明ΨP維持主要是滲透調(diào)整作用引發(fā)。中午時(shí)間Ψs100作物逆境生理專家講座第33頁(yè)（2）保持細(xì)胞連續(xù)生長(zhǎng)ΨP與生長(zhǎng)呈線性關(guān)系如，恒壓培養(yǎng)下，ΨP改變對(duì)生長(zhǎng)無作用Greecen(1976)：土壤Ψw變動(dòng)1-8bar，因?yàn)樾←湼禎B透調(diào)整作用，可維持根系生長(zhǎng)基本不變。玉米葉片生長(zhǎng)與滲調(diào)有一定關(guān)系細(xì)胞臨界ΨP：細(xì)胞生長(zhǎng)剛好停頓時(shí)ΨP（3）維持氣孔開放，保持光合正常進(jìn)行維持保衛(wèi)細(xì)胞ΨP，氣孔開放，在高CO2下，滲調(diào)能力強(qiáng)，有利于光合，促進(jìn)滲調(diào)能力。作物逆境生理專家講座第34頁(yè)滲調(diào)維持ΨP過程：滲調(diào)ΨP維持維持氣孔開放光合機(jī)構(gòu)調(diào)整RuBPCase活性RuBP再生光合電子傳遞維持PSII活性提升光能利用率影響光合作用PSII對(duì)水分脅迫敏感作物逆境生理專家講座第35頁(yè)（4）推遲卷葉（leafrolling）Leafrolling是對(duì)逆境一個(gè)適應(yīng)，有些人認(rèn)為引發(fā)光合能力