園藝植物抗旱生理

園藝植物抗旱生理第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五目錄第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五一、背景與意義

干旱是限制植物生長發(fā)育、基因表達和產(chǎn)量的重要因子。全球有三分之一的土地面積屬于干旱或半干旱地區(qū)，干旱對農(nóng)作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位，僅次于生物脅迫——病蟲害造成的損失。因此，研究植物對水分脅迫適應(yīng)性及其機制，對人類的生存極為重要。

在長期進化過程中，園藝植物為了適應(yīng)干旱脅迫，產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)，并逐漸形成了一些耐旱機制。人們曾對蘋果、梨、草莓、核桃、板栗等園藝植物在水分脅迫下的形態(tài)特征和生理生化變化進行過研究。近年來，隨著分子生物學(xué)理論、現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用、人們對園藝植物水分脅迫生理及耐旱機制的研究日益深入。下面就該問題的研究進展作一簡要綜述。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五二、水分脅迫的生理反應(yīng)1、膨壓的變化

植物的許多生長和生理過程都在一定的膨壓條件下完成水分脅迫條件下植物細(xì)胞膨壓首先發(fā)生變化。膨壓是細(xì)胞生長的驅(qū)動力，植物在干旱條件下，細(xì)胞維持膨壓能力的強弱，是植物適應(yīng)干旱維持正常生長的關(guān)鍵。較強的膨壓維持能力，能夠維持氣孔開放和較高的光合速率，保證較高的產(chǎn)量。對蘋果研究發(fā)現(xiàn)，膨壓維持能夠保護葉綠素免遭破壞，嚴(yán)重水分脅迫時，由于膨壓維持能力喪失，影響葉片生長和光合作用。梨樹在長期適應(yīng)干旱的過程中，提高了主動積累溶質(zhì)的能力，能在低滲透壓狀態(tài)下維持膨壓變化，降低質(zhì)壁分離，增強樹體的抗旱能力。第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五2、光合作用的變化水分脅迫不僅會降低植物的光合速率，還會抑制光反應(yīng)中的原初光能轉(zhuǎn)換、電子傳遞、光合磷酸化和光合作用暗反應(yīng)的過程。在水分脅迫條件下，葉表面氣孔開度變小，阻止CO2進入體內(nèi)，導(dǎo)致光合作用下降。由于得不到外界CO2，由光能形成的化學(xué)能不能象在正常的CO2條件下被碳同化用掉，葉片發(fā)生光抑制，導(dǎo)致葉綠體超微結(jié)構(gòu)持續(xù)的損傷或不可逆的破壞。研究發(fā)現(xiàn)，在土壤嚴(yán)重干旱條件下，蘋果一年生幼樹葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，基粒內(nèi)囊體膨脹、囊內(nèi)空間變大、空泡化類囊體排列方向發(fā)生改變。說明其光合機構(gòu)在一定程度上受到破壞性影響。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五三、水分脅迫的生化反應(yīng)1、ABA的積累自20世紀(jì)60年代末期，人們發(fā)現(xiàn)外施ABA能引起葉片氣孔關(guān)閉以后，對ABA在植物抗旱中的作用進行了廣泛的研究。發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下，植物體內(nèi)ABA水平迅速上升，ABA的積累降低了氣孔導(dǎo)度，減少了干旱條件下植物的水分丟失，抑制莖葉生長，促進根系生長增加根/冠比。但是，ABA對植物有雙重作用，即低濃度促進植物生長，高濃度抑制植物生長。對蘋果根系研究得到同樣結(jié)果。第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

研究失水對蘋果根系A(chǔ)BA和蛋白激酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白激酶活性高峰在吸收根和延長根中均出現(xiàn)在ABA濃度快速升高之前，表明蛋白激酶可能作為信號組分啟動ABA合成，并且，在水分脅迫誘導(dǎo)ABA積累的細(xì)胞信息傳遞過程中，有可逆蛋白磷酸化參與，進一步說明蛋白激酶的作用。許多研究者先后從擬南芥中分離出促分裂原活化蛋白激酶基因MAP、核糖體蛋白激酶基因ATPK6和ATPK19、受體蛋白激酶基因PPK1和轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白激酶基因AtDbf2。這些蛋白激酶基因都是受干旱、高鹽或低溫等脅迫誘導(dǎo)表達的基因，它們編碼的產(chǎn)物（蛋白激酶）分別在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的不同過程中起作用。而ABA與蛋白激酶基因表達之間的關(guān)系，尚需進一步研究。第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五2、小分子物質(zhì)的積累

干旱和鹽漬等逆境在一定意義上都是降低環(huán)境滲透勢，導(dǎo)致植物細(xì)胞失水，生理學(xué)上稱這類脅迫為滲透脅迫。在滲透脅迫下，植物體內(nèi)會積累一些具有滲透保護作用的滲透調(diào)節(jié)（OsmoticAdjustment，OA）物質(zhì)，如：Pro（脯氨酸）、甜菜堿、膽堿、肌醇、甘露醇和多胺等。2.1Pro的積累作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，Pro在植物細(xì)胞中大量積累，一般認(rèn)為主要是由于脅迫刺激了從頭合成。研究證明植物體內(nèi)存在2條Pro合成途徑，即Glu（谷氨酸）途徑和Orn（鳥氨酸）途徑，在個體發(fā)育早期由Orn合成Pro途徑在蛋白質(zhì)合成中起重要作用，而由Glu合成Pro存在于個體發(fā)育的整個階段。在滲透脅迫下，由Glu合成Pro是Pro合成的主要途徑。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五在逆境中Pro積累有3個原因：①Pro合成加強，是Pro積累的主要原因;②Pro氧化作用受到抑制，而且蛋白質(zhì)氧化的中間產(chǎn)物還會轉(zhuǎn)化成Pro;③蛋白質(zhì)合成下降，從而抑制了Pro參入蛋白質(zhì)的過程，Pro積累。研究發(fā)現(xiàn)，在中、輕度土壤干旱時，隨著土壤干旱時間的延長，蘋果葉片Pro含量增加直至最大值；土壤干旱嚴(yán)重時，Pro含量有所下降。2.2甜菜堿的積累近年來，甜菜堿成為人們研究的熱點，因為積累甜菜堿的植物比積累Pro的植物對干旱、鹽漬等逆境的耐受性更高。甜菜堿是高等植物最主要的代謝積累產(chǎn)物之一，是一種無毒的滲透保護劑，它的積累使植物細(xì)胞在滲透脅迫下仍能維持正常功能。在高等植物中，甜菜堿是由膽堿經(jīng)二步氧化得到，分別由膽堿單氧化酶（CMO）和甜菜堿醛脫氫酶（BADH）催化。已從菠菜、甜菜和山菠菜中克隆了其cDNA。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五3、活性氧和自由基的積累正常情況下,植物體內(nèi)的自由基和活性氧的產(chǎn)生及其在細(xì)胞內(nèi)的清除，處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。水分脅迫干擾了植物體內(nèi)活性氧和自由基產(chǎn)生與清除的平衡，植物體內(nèi)積累大量的活性氧和自由基。蛋白質(zhì)和膜脂極易受活性氧特別是高反應(yīng)的OH-的攻擊，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的氧化損傷、膜脂不飽和脂肪酸的過氧化和膜脂脫?；瘬p傷。膜脂的過氧化使膜上的孔隙變大，透性增加，離子大量泄漏，引起葉綠素—蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)合松弛，葉綠素含量明顯下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致植物死亡。姚允聰?shù)扔肞EG溶液處理蘋果幼根,發(fā)現(xiàn)PEG<15%的輕度水分脅迫下,葉綠體光合放氧及PSⅡ電子傳遞活性上升PEG>15%的重度水分脅迫下,其活性下降,說明葉綠體光能傳遞受阻,導(dǎo)致O2-大量產(chǎn)生，這可能是蘋果屬活性氧和自由基產(chǎn)生的重要來源。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五4、小分子蛋白的積累4.1調(diào)滲蛋白（Osmotin，OSM）在水分、鹽漬等脅迫下，植物在對滲透脅迫的適應(yīng)過程中合成一類蛋白質(zhì)—OSM，它可作為蛋白質(zhì)的保護劑。除水分、鹽脅迫外，ABA也能誘導(dǎo)OSM合成，經(jīng)ABA處理過的煙草細(xì)胞中OSM的mRNA含量是對照的15倍以上；而滲透脅迫在引起mRNA積累的同時ABA也隨之大量增加。說明OSM基因表達受轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。有人認(rèn)為OSM對滲透壓可能很敏感，植物正是通過OSM對滲透脅迫的敏感性來識別環(huán)境脅迫的，然而OSM的作用機理尚不清楚。第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五4.2Lea蛋白(胚胎發(fā)育后期富集蛋白)1981年Dure等人首先從棉花種子發(fā)育晚期胚胎中發(fā)現(xiàn)大量積累的一類蛋白質(zhì),即Lea蛋白。根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)的推測，Lea蛋白可能在種子成熟、干燥過程中和滲透脅迫條件下保護細(xì)胞免受水勢降低的損傷。編碼這類蛋白的基因稱Lea基因，它雖然是在種子成熟和胚胎發(fā)育階段特異表達的基因，但也可在植物受到干旱、低溫和鹽漬等脅迫造成脫水的營養(yǎng)組織中表達。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五四、滲透脅迫調(diào)節(jié)基因

植物在干旱引起的滲透脅迫下，在分子水平上，細(xì)胞對滲透脅迫的響應(yīng)中，會啟動或抑制某些基因的表達，這些基因稱滲透脅迫調(diào)節(jié)基因。根據(jù)其在滲透調(diào)節(jié)中的作用包括：①滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成基因參與細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，目前已克隆的這類基因主要有1磷酸甘露醇脫氫酶基因、6磷酸山梨醇脫氫酶基因、果聚糖蔗糖酶基因、6磷酸海藻糖合成酶基因、Pro合成酶基因（ProA、ProB）、BADⅡ基因、CMO基因、P5cS基因、Osmotin基因和Lea基因；②傳遞、轉(zhuǎn)導(dǎo)脅迫信號的基因和調(diào)控基因表達的轉(zhuǎn)錄因子，即蛋白激酶基因、蛋白酶基因，DREB(脫水響應(yīng)元件結(jié)合蛋白)轉(zhuǎn)錄因子,雙組分系統(tǒng)基因等；③抗氧化基因與干旱、鹽漬和低溫等滲透脅迫對植物的傷害與細(xì)胞水平上的氧化脅迫密切相關(guān)，植物細(xì)胞內(nèi)這類基因的表達產(chǎn)物如SOD、ASA、GSⅡ、維生素等能清除自由基和活性氧造成的氧化脅迫。此外，還有跨膜轉(zhuǎn)運水分子的水通道蛋白基因，Pro和甜菜堿運輸系統(tǒng)等。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五五、耐旱機制1、ABA的調(diào)節(jié)機制ABA在植物發(fā)育的許多重要過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，同時，又在植物對逆境的反應(yīng)中起著重要的調(diào)節(jié)因子的作用。關(guān)于ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，Hurtung（1983），Hornberg（1984）報道，ABA的作用位點在質(zhì)膜外面，它通過控制質(zhì)子由質(zhì)膜流入質(zhì)外體，進而控制細(xì)胞壁酸化或通過降低酸誘導(dǎo)細(xì)胞壁松弛的能力，來啟動細(xì)胞擴張，調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉。Assmann（1993）研究認(rèn)為，ABA對保衛(wèi)細(xì)胞離子運輸過程至少有4種效應(yīng)：抑制向內(nèi)運輸?shù)腒+通道、激活向外運輸?shù)腒+通道、促進Ca2+通道的開放和膜的極化。ABA可誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度提高，同時提高了細(xì)胞質(zhì)的pH值，促進氣孔關(guān)閉；而Ca2+濃度的提高導(dǎo)致K+從保衛(wèi)細(xì)胞的凈流出，降低保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓，引起氣孔關(guān)閉。第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五2、滲透調(diào)節(jié)機理自Hsiao（1973）提出滲透調(diào)節(jié)及與水分脅迫的關(guān)系以來，滲透調(diào)節(jié)作用作為植物適應(yīng)干旱脅迫的重要生理機制，便成為抗旱生理研究最活躍的領(lǐng)域。關(guān)于耐旱的滲透調(diào)節(jié)機制有3種解釋：一是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)作為一種滲壓劑，進行滲透調(diào)節(jié)，穩(wěn)定體內(nèi)的滲壓平衡，從而增強植物的保水能力；二是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可能作為一種溶劑，代替水參與生化反應(yīng)，這種情況下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)被稱為低分子量伴侶；三是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在水分脅迫下與蛋白質(zhì)疏水表面結(jié)合，將疏水表面轉(zhuǎn)化成親水表面，可使更多的水分子結(jié)合在蛋白質(zhì)原來的疏水區(qū)域，穩(wěn)定了疏水表面保證蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五3、抗氧化防御機制近年來，人們對水分脅迫下植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生、活性氧對植物的傷害和植物抗氧化系統(tǒng)的作用進行了大量研究。植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)主要有：酶保護系統(tǒng)，包括SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過氧化物酶)、CAD(過氧化氫酶)等；非酶保護系統(tǒng)，包括SOD(抗壞血酸)、GSH(谷胱甘肽)、Ctyf（細(xì)胞色素f）、鐵氧還蛋白和類胡蘿卜素等?？寡趸到y(tǒng)的主要作用是清除植物體內(nèi)的活性氧和自由基，避免或減輕它們對植物造成的氧化傷害。SOD主要清除O2-，CAT、ASA、POD、GSH或POD清除H2O2。OH-的酶清除系統(tǒng)尚未發(fā)現(xiàn)，而水分脅迫下積累的親水性溶質(zhì)如甘露醇、Pro等能補償植物體內(nèi)源·OH清除機制。然而，只有在抗氧化系統(tǒng)的兩個系統(tǒng)的協(xié)同作用下，才能完成活性氧或自由基的清除，達到保護細(xì)胞的目的。如SOD將O2-轉(zhuǎn)化成H2O2，而ASA、GSH或POD再將H2O2轉(zhuǎn)化成O2和H2O。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五4、協(xié)同作用機制植物耐旱機制，并非某種機制單獨起作用，幾種機制間具有協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)是由多基因控制的，用ABA的調(diào)節(jié)作用來解釋滲透調(diào)節(jié)較為合適：干旱脅迫誘導(dǎo)ABA的合成，隨后脅迫誘導(dǎo)基因mRNA的濃度提高，基因表達產(chǎn)物（滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)）積累，產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)。許多實驗證明，水分脅迫誘導(dǎo)ABA產(chǎn)生，同時Pro含量也增加，而復(fù)水后二者幾乎是同時下降。在離體水稻葉片上，外施ABA可誘導(dǎo)Pro含量增加，其原因是干旱脅迫后，由Glu合成Pro這一過程的2個關(guān)鍵酶P5cS和P5cR中，前者基因表達可被ABA促進，但P5cS的表達有2條途徑：ABA依賴型和ABA不依賴型。同時，ABA還能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+大量積累，顯然，ABA與滲透調(diào)節(jié)關(guān)系密切。但是ABA是怎樣誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累的，尚需進一步研究。第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五5、Lea蛋白的保護作用研究認(rèn)為Lea蛋白是在干旱過程中對植物起保護作用的重要物質(zhì)，使植物細(xì)胞免受傷害，特別是在極端干旱的情況下誘導(dǎo)的Lea蛋白，對植物的保護作用更加重要。推測Lea蛋白可能有三方面作用。①作為脫水保護劑，Lea蛋白在結(jié)構(gòu)上富含不帶電荷的親水氨基酸，它一方面與胞內(nèi)其它蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；另一方面，它可能給細(xì)胞內(nèi)的束縛水提供了一個結(jié)合襯質(zhì)，從而使細(xì)胞結(jié)構(gòu)在脫水時不致遭受更大的破壞。②作為一種調(diào)節(jié)蛋白而參與植物的OA。③通過與核酸結(jié)合而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)其它基因的表達。第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五6、滲透脅迫調(diào)節(jié)基因的表達與轉(zhuǎn)錄調(diào)控6.1干旱誘導(dǎo)基因的表達從太陽花cDNA中分離得到的干旱誘導(dǎo)基因HaDhn1和HaDhn2及基因組HaElip1基因，在耐旱品系R1和對干旱敏感品系S1葉片中，HaElip1基因?qū)ν寥烂撍姆磻?yīng)是轉(zhuǎn)錄水平迅速提高HaDhn1和HaDhn2基因的轉(zhuǎn)錄水平有提高，但2個品系無差別。當(dāng)土壤逐漸干旱時，S1品系這3種基因轉(zhuǎn)錄水平提高直至土壤含水量達2g/g干土；在R1中，當(dāng)土壤含水量達此值時，HaDhn1和HaDhn2基因的轉(zhuǎn)錄水平迅速提高，至土壤含水量達1.1g/g干土?xí)r，這2個基因的轉(zhuǎn)錄水平分別是S1相應(yīng)基因的3倍和5倍。這種結(jié)果表明：①R1中，HaDhn1和HaDhn2基因轉(zhuǎn)錄水平的提高與這種植物對水分脅迫時的適應(yīng)性反應(yīng)結(jié)合在一起，但不能排除2種可能性即mRNA在加工時的變化和在觀察mRNA水平提高時強調(diào)其穩(wěn)定性；②在2個品系中，基因組結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄水平提高不同。因此，假設(shè)了這種基因表達差異是由于基因調(diào)控的不同所造成的。第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五6.2啟動子與轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控是通過啟動子上的順式作用元件和反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）實現(xiàn)的。植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)基因是否高效快速表達，受控于順式作用元件和反式作用因子的相互作用，二者在信號傳遞過程中起重要作用。研究滲透脅迫調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的一個目的就是鑒定滲透脅迫調(diào)節(jié)基因的順式作用元件和反式作用因子。順式作用元件定位于啟動子的5′端，由5′端到轉(zhuǎn)錄起始位點的幾千個堿基組成，通過基因組克隆來鑒定啟動子，并通過引物延伸來確定轉(zhuǎn)錄起始位點，而啟動子的活性通常通過5′端上游序列與報告基因如GUS或GFP構(gòu)成的嵌合基因的表達來證明。反式作用因子可利用酵母單雜交或雙雜交系統(tǒng)進行鑒定。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五6.3ABA與轉(zhuǎn)錄調(diào)控根據(jù)外源ABA對基因的調(diào)節(jié)情況把被滲透調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的基因分成兩類：可被ABA誘導(dǎo)表達的基因和不被