植物抗逆作用Word文档格式.docx

1、多种逆境可诱导植物产生逆境蛋白，如热激蛋白、低温诱导蛋白、渗调蛋白、病程相关蛋白及其它逆境蛋白。渗透调节的主要功能是维持细胞的正常膨压，渗透调节物质包括无机离子及有机溶质。生物膜结构及功能稳定性与植物抗逆性有关。低温、高温、干旱、盐害等多种逆境下，ABA含量都会显著增加，ABA作为一种胁迫激素或信号物质调节植物对逆境的适应性，植物交叉适应的作用物质可能是ABA。超过光饱和点的光强为强光，强光对植物可能造成的危害为强光胁迫。强光对植物的胁迫主要体现在：影响光合速率造成光合“午休”、增加光呼吸、影响植物生长发育和繁殖进程甚至改变其成分等。太阳紫外线增加可以导致：DNA伤害、光合功能受损、膜功能下降

2、。低温逆境包括冷害和冻害。冷害是冰点以上低温对植物的伤害。冷害导致膜相由液晶态转变成凝胶态，膜透性增大，基本代谢紊乱，氧化磷酸化解偶联。冻害指冰点以下低温度使细胞间隙结冰或细胞内结冰引起的伤害。冻害的机理通常有膜伤害假说及巯基假说。结冰导致细胞质过度脱水、蛋白质分子变性，膜遭到破坏，代谢就紊乱。热害是高温胁迫对植物的伤害，可分为直接伤害及间接伤害，植物的抗热性因生态习性、生育期、器官部位、自身代谢不同而不同。干旱可分为大气干旱、土壤干旱及生理干旱。干旱使细胞过度脱水，细胞膜遭到破坏，正常生理生化代谢受阻、细胞受到机械性损伤，光合作用下降，氧化磷酸化解偶联。涝害可分为湿害和涝害。涝害引起伤害并不

3、在于水分本身，而是水涝缺氧后引发的次生胁迫对植物的危害。盐害对植物的主要危害是渗透胁迫并引起生理代谢紊乱，植物适应盐胁迫的机理有避盐及耐盐两种方式。植物病害是致病菌与寄主之间相互作用的结果，植物感病后表现为水分平衡破坏、呼吸升高、光合下降、激素代谢异常，同化物运输受阻。植物抗病性的生理基础包括呼吸氧化酶活性增强，调用原有的抗病物质，发生过敏反应和产生HRGP、胼胝质、SAR、植保素、细胞壁水解酶、病程相关蛋白等抗病性物质，植物体抗病性可诱导发生。植物的抗虫性可分为生态抗性和遗传抗性两大类。形态解剖特性构成了拒虫性的主要方面，抗虫性表现与有毒的植物成分有关。可用生物技术培育抗虫品种。提高植物对各

4、种逆境抗性的途径，一般可以通过抗性育种、抗逆境锻炼、化学调控及改进农业栽培措施来实现。环境污染包括大气污染、水体污染和土壤污染，前二者对植物影响最大；主要大气污染物包括SO2、光化学烟雾、氟化物、氯气；水体污染物有酚类化合物、氰化物、三氯乙醛、重金属及酸雨（雾）；土壤污染主要来自大气及水体污染。植物可以净化环境和作为指示物监测预报污染情况。1 逆境生理概论1.1逆境的种类逆境的种类多种多样，包括物理的、化学的、生物因素等，可分为生物逆境和非生物逆境两大类（如图1）。对植物产生重要影响的非生物逆境主要有光、水分（干旱和淹涝）、温度（高、低温）、盐碱、环境污染等理化逆境，生物逆境主要包括病害、虫害

5、、杂草等。理化逆境之间通常是相互联系的。例如水分亏缺通常伴随着盐碱和高温逆境，水分胁迫、低温胁迫、病虫害和大气污染等都可引起活性氧伤害。逆境对植物生理代谢的影响：（1）逆境对水分代谢的影响。多种不同的环境胁迫作用于植物体均能对植物造成水分胁迫。（2）逆境对光合作用的影响。在逆境下植物的气孔关闭，光合作用都表现出下降的趋势，同化产物供应减少。（3）逆境对呼吸作用的影响。在冻害、热害、盐害、涝渍时植物呼吸速率明显下降；冷害、旱害时植物的呼吸速率先上升后下降；植物发生病害时植物呼吸速率明显增强。另外逆境也会影响各呼吸代谢途径的活性；（4）逆境对物质代谢的影响。在各种逆境下植物体内的物质分解大于合成。

6、图1. 逆境类型1.2植物对逆境的适应植物抗逆境的的方式主要有两种方式，即逆境逃避（stress avoidance）和逆境忍耐（stress tolerance），逆境逃避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。逆境忍耐指植物虽经受逆境影响，但它通过反应而抵抗逆境，在可忍耐的范围内，逆境所造成的损伤是可逆的，即植物可以恢复其正常生长；如果超过植物可忍范围，损伤将变成不可逆的，超出植物自身修复能力，植物将受害甚至死亡。植物有各种各样抵抗或适应逆境的本领，处于逆境下植物在形态上、生理上都可能发生一些适应性变化以适应或抵抗适应。1.2.1形态结

7、构方面的适应逆境条件下植物形态表现出明显的变化。如干旱胁迫导致叶片和嫩茎萎蔫，气孔开度减小甚至关闭。1.2.2生物膜在各种逆境发生时，质膜透性的增大，内膜系统可能膨胀、收缩或破损。在正常条件下，生物膜的膜脂呈液晶态，当温度下降到一定程度时，膜脂变为凝胶态。膜脂相变会导致原生质停止流动，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。试验证实，膜脂不饱和脂肪酸越多，不饱和度就越大，固化温度越低，抗冷性越强。膜脂不饱和脂肪酸直接增大膜的流动性，提高抗冷性，同时也直接影响膜结合酶的活性。膜蛋白与植物抗逆性也有关系。因为有些试验说明抗逆性和膜脂脂肪酸无关，但与膜蛋白有

8、关.1.2.3胁迫蛋白在逆境下植物的基因表达发生改变，关闭一些正常表达的基因，启动或加强一些与逆境相适应的基因。多种逆境诱导形成新的蛋白质（或酶），这些蛋白质可统称为逆境蛋白（stress proteins）。在高于植物正常生长温度下诱导合成热休克蛋白（又叫热击蛋白，heat shock protein，HSP）。低温下也会形成新的蛋白，也称冷响应蛋白（cold responsive protein）或称冷击蛋白（cold shock protein）。病原相关蛋白（pathogenesis-related protein，PR）是指植物被病原菌感染后也能形成与抗病性有关的一类蛋白。植物在受到

9、盐胁迫时会形成一些新蛋白质或使某些蛋白合成增强，称为盐逆境蛋白（salt-stress protein）。逆境还能诱导植物产生同工蛋白（protein isoform）或同工酶、厌氧蛋白（anaerobic protein）、渗压素（osmotin）、厌氧多肽（anaeribuc polypeptide）紫外线诱导蛋白（UV-induced protein）、干旱逆境蛋白（drought stress protein）、化学试剂诱导蛋白（chemical-induced protein）等。1.2.4活性氧活性氧是指性质极为活泼，氧化能力很强的含氧物的总称。活性氧包括含氧自由基和含氧非自由基。

10、主要活性氧有O2（超氧自由基）、1O2（单线态氧）、OH（羟基自由基）、RO（烷氧自由基）和含氧非自由基（H2O2）等。活性氧的主要危害是引起膜脂过氧化，蛋白质变性，核酸降解。植物有两种系统防止活性氧的危害：酶系统和非酶系统。酶系统包括SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）、POD（过氧化物酶）；非酶系统包括抗坏血酸、类胡萝卜素、谷胱甘肽等。1.2.5 渗透调节多种逆境都会对植物产生水分胁迫。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，适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节（osmoregulation或osmo

11、tic adjustment）。渗透调节是在细胞水平上进行的，通过渗透调节可完全或部分维护由膨压直接控制的膜运输和细胞膜的电性质等，在维持部分气孔开放和一定的光合强度及保持细胞继续生长等方面具有重要意义。渗透调节物质的种类很多，大致可分为两大类。一类是由外界进入细胞的无机离子，一类是在细胞内合成的有机物质, 有如下共同特点：分子量小、容易溶解；有机调节物在生理pH范围内不带静电荷；能被细胞膜保持住；引起酶结构变化的作用极小；在酶结构稍有变化时，能使酶构象稳定，而不至溶解；生成迅速，并能累积到足以引起调节渗透势的量。（1）无机离子。逆境下细胞内常常累积无机离子以调节渗透势，特别是盐生植物主要靠细

12、胞内无机离子的累积来进行渗透调节。（2）脯氨酸。脯氨酸（proline）是最重要和有效的渗透调节物质。外源脯氨酸也可以减轻高等植物的渗透胁迫。脯氨酸在抗逆中的作用有两点：一是作为渗透调节物质，保持原生质与环境的渗透平衡；二是保持膜结构的完整性。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。（3）甜菜碱。多种植物在逆境下都有甜菜碱（betaines）的积累。在水分亏缺时，甜菜碱积累比脯氨酸慢，解除水分胁迫时，甜菜碱的降解也比脯氨酸慢。甜菜碱也是细胞质渗透物质， （4）可溶性糖。可溶性糖是另一类渗透调节物质，包括蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等。可溶性糖的积累

13、主要是由于淀粉等大分子碳水化合物的分解，光合产物形成过程中直接转向低分子量的物质蔗糖等，而不是淀粉。1.2.6脱落酸植物对逆境的适应是受遗传性和植物激素两种因素控制的。在逆境（如低和高温、干旱和淹涝、盐渍等）下脱落酸含量会增加以提高植物抗逆性，因此被认为是一种胁迫激素。ABA在植物抗逆性中的作用是关闭气孔，保持组织内的水分平衡，并能增加根的透性，增加水的通导性，也调节植物对结冰和低温的反应。在低温、高温、干旱和盐害等多种胁迫下，体内脱落酸含量大幅度升高，这种现象的产生是由于逆境胁迫增加了叶绿体膜对脱落酸的通透性，并加快根系合成的脱落酸向叶片的运输及积累所致。外施ABA可提高植物抗逆性。其机理包

14、括（1）减少膜的伤害，增加稳定性。ABA可使生物膜稳定，减少自由基对的破坏，从而减少逆境导致的伤害。（2）改变体内代谢。（3）减少水分丧失。植物经历某种逆境（如低温、高温、干旱、或盐渍等）后，能提高对另一些逆境的抵抗能力。这种对不良逆境间的相互适应作用称为植物逆境的交叉适应（cross adaptation）。交叉适应的作用物质是ABA。ABA作为逆境的信号激素能诱导植物发生某些适应性的生理代谢变化，增强植物的抗逆性。因此就可以抵抗其它逆境，即形成了交叉适应。2 强光胁迫和紫外胁迫超出光饱和点的光强为强光（high light 或 high radiation），强光对植物可能造成的危害为强光

15、胁迫（light stress 或 high radiation stress）。强光对植物的影响主要有：对光合特性的影响；对呼吸作用的影响；对植物生物量的影响；对植物形态和内部结构的影响。植物对强光胁迫的适应主要有：改变光合特性以适应强光环境；植物不同部位的叶片对强光胁迫的耐受能力不一样；增加叶片细胞中叶绿素的含量；喜阴植物极易受到光胁迫的影响，喜光植物则不易形成胁迫。光抑制指的是当植物叶片接受的光能超过它所能利用的量时，引起的光合活性的降低。人们观测到的光抑制，主要起源于光合机构破坏和热耗散（thermal dissipation）的增加两个方面。目前，光抑制研究的主要生理生态方法有：气体

16、交换、荧光分析等。紫外辐射对植物的影响如表1。表1 增加UV-B辐射对植物的直接或间接影响影响类型影响结果直接影响1 DNA伤害2光合作用：PS反应中心、Calvin循环酶、类囊体膜、气孔功能3 膜功能：不饱和脂肪酸的过氧化、膜蛋白的伤害间接影响1 植物形态构成：叶片厚度、叶片角度、植物体构型、生物量分配2 植物物候：萌发、衰老、开花、繁殖3 植物体化学组成：单宁、木质素、类黄酮3 植物冷害与抗冷性3.1冷害与抗冷性零度以上低温对植物的危害叫做冷害（chilling injury）。而植物对零度以上低温的适应能力叫抗冷性（chilling resistance）。根据植物对冷害的反应速度，可将

17、冷害分为直接伤害与间接伤害两类。直接伤害是指植物受低温影响后几小时，至多在一天之内即出现症状；间接伤害主要是指引起代谢失调而造成的细胞伤害。这些变化是代谢失常后生物化学的缓慢变化而造成的，并不是低温直接造成的。3.2冷害时植物体内的生理生化变化主要表现为膜透性增加，细胞内可溶性物质大量外渗；原生质流动减慢或停止；根系吸水能力下降，水分代谢失调；叶绿素合成受阻，光合酶活性受抑制，导致光合速率减弱；呼吸代谢失调，呼吸速率大起大落，先上升后下降；有机物分解占优势，可溶性氮化物含量和可溶糖量，物质代谢失调。3.3冷害的机理3.3.1膜脂发生相变在低温冷害下，生物膜的脂类由液晶态变化凝胶态，从而引起与膜

18、相结合的酶解离或使酶亚基分解失去活性。因为酶蛋白质是通过疏水键与膜脂相结合的，而低温使二者结合脆弱，易于分离。相变温度随脂肪酸链的长度而增加，而随不饱和脂肪酸所占比例增加而降低。温带植物比热带植物耐低温的原因之一是构成膜脂不饱和脂肪酸的含量较高。膜不饱和脂肪酸指数，即不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的相对比值，可成为衡量植物抗冷性的重要生理指标。3.3.2.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；在寒流突然来临的情况下，由于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。3.3.3.代谢紊乱低温使得生物膜结构发生显著变化，进而导致植物体内新陈

19、代谢的有序性被打破，特别是光合与呼吸速率改变，植物处于饥饿状态，而且还积累有毒的中间物质。3.4提高植物抗冷性的措施3.4.1低温锻炼 植物对低温的抵抗往往是一个适应锻炼过程。很多植物如预先给予适当的低温锻炼，而后即可抗更低温度的影响，不致受害。否则就会在突然遇到低温时遭到灾难性的损害。3.4.2化学诱导植物生长调节剂及其它化学试剂如细胞分裂素、脱落酸、PP333、2,4D、抗坏血酸、油菜素内酯等可诱导植物抗冷性的提高。3.4.3.合理施肥 调节氮磷钾肥的比例，增加磷、钾肥比重能明显提高植物抗冷性。3.5植物冻害与抗冻性零度以下低温对植物的危害叫冻害（freezing injury）。植物对冰

20、点以下低温逐渐形成的一种适应能力叫抗冻性（freezing resistance）。冻害发生的温度限度，可因植物种类，生育时期、生理状态以及器官的不同，经受低温的时间长短而有很大差异。植物受冻害时，细胞失去膨压，组织柔软、叶色变褐，最终干枯死亡。严格说冻害就是冰晶的伤害。植物组织结冰可分为两种方式：胞外结冰与胞内结冰。胞外结冰（也称胞间结冰）是指在通常温度下降时，细胞间隙和细胞壁附近的水分结成冰。胞内结冰是指温度迅速下降，除了胞间结冰外，细胞内的水分也冻结。一般先在原生质内结冰，后来在液泡内结冰。细胞内的冰晶体数目众多，体积一般比胞间结冰的小。3.6冻害的机理3.6.1结冰伤害结冰会对植物体造

21、成危害，但胞间结冰和胞内结冰的影响各有特点。胞间结冰引起植物受害主要原因是：（1）由于胞外出现冰晶，细胞间隙内水蒸气压降低，但胞内含水量较大，蒸气压仍然较高。这个压力差的梯度使胞内水分迁移到胞间后又结冰，使冰晶愈结愈大，细胞内水分不断被夺取，终于使原生质发生严重脱水。使蛋白质变性或原生质不可逆的凝胶化。（2）冰晶体对细胞的机械损伤。逐渐膨大的冰晶体给细胞造成机械压力，使细胞变形，甚至可能将细胞壁和质膜挤碎，使原生质暴露于胞外而受冻害，同时细胞亚微结构遭受破坏，区域化被打破，酶活动无秩序，影响代谢的正常进行。（3）解冻过快对细胞的损伤。若遇温度骤然回升，冰晶迅速融化，细胞壁吸水膨胀，而原生质尚来

22、不及吸水膨胀，有可能被撕裂损伤。胞内结冰对细胞的危害更为直接。因为原生质是有高度精细结构的组织，冰晶形成以及融化时对质膜与细胞器以及整个细胞质产生破坏作用。胞内结冰常给植物带来致命的损伤。3.6.2硫氢基假说1962年Levitt提出当组织结冰脱水时，硫氢基（-SH）减少，而二硫键（-S-S-）增加。二硫键由蛋白质分子内部失水或相邻蛋白质分子的硫氢基失水而成。当解冻再度吸水时，肽链松散，氢键断裂但-S-S-键还保存，肽链的空间位置发生变化，蛋白质分子的空间构象改变，因而蛋白质结构被破坏，引起伤害和死亡。3.6.3膜的伤害膜对结冰最敏感。低温造成细胞间结冰时，可产生脱水、机械和渗透三种胁迫，这三

23、种胁迫同时作用，使蛋白质变性或改变膜中蛋白和膜脂的排列，膜受到伤害，透性增大，溶质大量外流。膜脂相变使得一部分与膜结合的酶游离而失去活性，光合磷酸化和氧化磷酸化解偶联，ATP形成明显下降，引起代谢失调，严重时则使植株死亡。3.7提高植物抗冻性的措施3.7.1抗冻锻炼在植物遭遇低温冻害之前，逐步降低温度，使植物提高抗冻的能力，是一项有效的措施。通过锻炼之后，植物会发生各种生理生化变化，使植物的抗冻能力显著提高。3.7.2化学调控 人们发现一些植物生长物质如脱落酸、生长延缓剂Amo-1618与B9等可以用来提高植物的抗冻性。3.7.3农业措施 采取有效农业措施，加强田间管理，也能在一定程度上提高植

24、物抗寒性，防止冻害发生。这些农业措施包括：（1）及时播种、培土、控肥、通气，促进幼苗健壮，防止徒长，增强秧苗素质。（2）寒流霜冻来前实行冬灌、熏烟、盖草，以抵御强寒流袭击。（3）实行合理施肥，可提高钾肥比例，也可用厩肥与绿肥压青，提高越冬或早春作物的御寒能力。（4）早春育秧，采用薄膜苗床、地膜覆盖等，对防止寒害都很有效。图2 冷害（左）和冻害（右）的可能机理4 干旱与抗旱性4.1旱害与抗旱性当植物耗水大于吸水时，就使组织内水分亏缺。过度水分亏缺的现象，称为干旱（drought）。旱害（drought injury）则是指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。植物抵抗旱害的能力称为抗旱性（

25、drought resistance）。根据引起水分亏缺的原因，干旱可分为（1）大气干旱，是指空气过度干燥，相对湿度过低，伴随高温和干风，这时植物蒸腾过强，根系吸水补偿不了失水。（2）土壤干旱，是指土壤中没有或只有少量的有效水，严重降低植物吸水，使其水分亏缺引起永久萎蔫。（3）生理干旱，土壤中的水分并不缺乏，只是因为土温过低、或土壤溶液浓度过高、或积累有毒物质等原因，妨碍根系吸水，造成植物体内水分平衡失调。4.2干旱对植物伤害干旱对植株影响的外观表现，最易直接观察到的是萎蔫（wilting），即因水分亏缺，细胞失去紧张度，叶片和茎的幼嫩部分出现下垂的现象。萎蔫可分为两种：暂时萎蔫和永久萎蔫。暂

26、时萎蔫（temporary wilting）指植物根系吸水暂时供应不足，叶片或嫩茎会出现萎蔫，蒸腾下降，而根系供水充足时，植物又恢复成原状的现象。永久萎蔫（permanent wilting）是指土壤中已无植物可利用的水，蒸腾作用降低亦不能使水分亏缺消除，表现为不可恢复的萎蔫。永久萎蔫与暂时萎蔫的根本差别在于前者原生质发生了严重脱水，引起了一系列生理生化变化。原生质脱水是旱害的核心。由此带来的生理生化变化从而伤害植物。（1）改变膜的结构及透性 当植物细胞脱水时，原生质膜的透性增加，大量的无机离子和氨基酸、可溶性糖等小分子被动向组织外渗漏。（2）生长受抑制。发生水分胁迫时分生组织细胞分裂减慢或停

27、止，细胞伸长受到抑制，生长速率下降。（3）光合作用减弱。（4）呼吸作用先升后降。干旱使水解酶活性增强，合成酶活性下降，细胞内积累许多可溶呼吸底物。但同时氧化磷酸化解偶联，ATP产出减少，有机物质消耗过速。（5）内源激素代谢失调。干旱可改变植物内源激素平衡，总趋势为促进生长的激素减少，而延缓或抑制生长的激素增多，主要表现为ABA大量增多，乙烯合成加强，CTK合成受抑制。（6）氮代谢异常。水分亏缺下由于核酸酶活性提高，多聚核体解聚及ATP合成减少，使蛋白质合成受阻。同时一些特定的基因被诱导，合成新的多肽或蛋白质。干旱胁迫引起氮代谢失常的另一个显著变化是游离氨基酸增多，特别是脯氨酸。干旱胁迫下细胞内

28、累积多胺类物质。（7）核酸代谢受到破坏。干旱促使RNA酶活性增加，使RNA分解加快，而DNA和RNA合成代谢则减弱。（8）植物体内水分重分配。水分不足时植物不同器官或不同组织间的水分按各部分水势大小重新分配。（9）酶系统的变化。总体上干旱胁迫下细胞内酶系统的变化趋势为合成酶类活性下降，而水解酶类及某些氧化还原酶类活性提高。水分胁迫下，植物保护酶系的主要酶类超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性表现出上升和下降两种不同的变化趋势。（10）细胞原生质损伤。另外，干旱可对植物生成机械性损伤。细胞干旱脱水时，液泡收缩，对原生质产生一种向内的拉力，使原生质与其相连的细胞壁同时向内收缩，在细胞壁上形成

29、很多锐利的折叠，成为撕破原生质的结构。如果此时细胞骤然吸水复原，可引起细胞质、壁不协调膨胀把粘在细胞壁上的原生质撕破，导致细胞死亡。图3 干旱对植物的危害4.3抗旱性的机理及其提高途径4.3.1抗旱性的机理抗旱性是植物对旱害的一种适应，通过生理生化的适应变化减少干旱对植物所产生的有害作用。植物适应和抵抗干旱的方式有三种，即逃旱性、御旱性、耐旱性。通常农作物在抗旱性方面的特征主要表现在形态与生理两方面。（1）形态结构特征 抗旱性强的种类或品种往往根系发达，而且伸入土层较深，根冠比大，能更有效地利用土壤水分，保持水分平衡。此外抗旱作物叶片细胞体积小，可减少失水时细胞收缩产生的机械伤害。维管束发达，叶脉致密，单位面积气孔数目多，加强蒸腾作用和水分传导，有利于植物吸水。有的作物品种在干旱时叶片卷成筒状，以减少蒸腾损失。不同植物可通过不同形态特征适应干旱环境。（2）生理生化特征 保持细胞有很高的亲水能力，防止细胞严重脱水。在干旱条件下，水解酶类保持稳定，减少生物大分子分解，保持原生质体，尤其是质膜不受破坏。原生质结构的稳定可使细胞代