植物生理学11.第十章-植物对生物和非生物胁迫的反应.ppt

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第十章植物对生物和非生物胁迫的反应,YieldLossesFromBioticandabioticStresses,非生物胁迫（abioticstress）：

由过度或不足的物理或化学条件引发的对植物生长、发育或繁殖产生不利影响。

胁迫可以引发植物从调节基因表达和细胞代谢到生长速率和产量变化等一系列反应。

Introduction,植物抗胁迫的机制避逆性（stressavoidance）:

防止接触胁迫。

抗逆性（stresstolerance）：

植物可以抵抗胁迫。

Introduction,非生物胁迫通常引起植物基因表达模式发生改变,Introduction,胁迫是可以接受和识别的环境信号；植物识别逆境信号后，该信号就在细胞之间和整株植物中传递；逆境信号的传递通常会导致细胞水平上的基因表达发生变化；它又接着影响到整株植物的代谢和发育。

1缺水胁迫,水资源短缺以及土壤盐渍化是目前制约农业生产的一个全球性问题,全球20%的耕地受到盐害威胁,43%的耕地为干旱、半干旱地区。

引起植物缺水的环境条件干旱盐渍低温,DroughtStress,Droughtstresstreated,untreated,Saltstress,Avarietyofsorghum,sensitivetosalinity,growinginsandcultureandwateredwithanutrientsolutioncontainingincreasingconcentrationsofsodiumchloride.Alltheplantshavegrownforthesamelengthoftime.,1.1渗透保护物质在抗旱耐盐中作用,渗透调节（osmoticadjustment）指耐旱植物可以调节它们的溶质势以抵消暂时或长期的水分胁迫，是植物细胞中溶质颗粒数目净增加的结果。

渗透调节在帮助植物顺应干旱或盐性环境中起到关键作用。

渗透保护物质（Osmoprotectant）为可混溶溶质，许多植物在水分胁迫条件下会积累小分子相溶性溶质或渗压剂，有效地提高植物的渗透调节能力、增强植物的抗逆性。

可混溶溶质（compatiblesolute）是一小类化学性质各异的有机化合物，它们都具有高度可溶，而且在高浓度下也不影响细胞代谢。

二甲基磺基丙酸,甜菜碱,胆碱-磺酸,松醇甘露醇,脯氨酸,重要的渗透保护物质：

脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、甘露醇、松醇,渗透保护物质的生物合成,脯氨酸合成关键酶P5CS吡咯啉-5-羧酸合成酶P5CR吡咯琳-5-羧酸还原酶,L-谷氨酸,L-鸟氨酸,甘氨酸甜菜碱,胆碱,甘氨酸甜菜碱合成关键酶胆碱单加氧酶（Cholinemonooxygenase,CMO）甜菜醛脱氢酶（Betainaldehydedehydragenase,BADH）,甘露醇（mannitol）生物合成途径1-磷酸甘露醇脱氢酶（E.coli）使6-磷酸果糖转化为1-磷酸甘露醇，表达该酶基因的转基因植物可以积累甘露醇，提高耐盐性。

松醇是一种环状的糖醇，是松科、豆科和竹科植物中的主要溶质，对盐胁迫做出反应。

1.2缺水和盐分对跨膜运转的影响,干旱和盐分胁迫都要求植物顺应低水势，对细胞内离子浓度、组分、及其分布的调控是渗透胁迫抗性的基本特征。

Na+/H+反向运转蛋白（Na+/H+antiporter）位于质膜和液泡膜上的Na+/H+反向运转蛋白在植物耐盐机制中起重要作用水通道蛋白（aquaporin）水通道蛋白可使质膜和液泡膜对水的通透性增加，通过水通道蛋白可以迅速调控细胞的水分流动。

植物可以通过调控水通道蛋白等膜蛋白以加强细胞与环境的信息交流和物质交换,增强抗旱、耐盐能力。

拟南芥Na+/H+反向运转蛋白基因:

AtNHX1SOS1（saltoverlysensitive）,SaltStressandtheSOSPathway,RegulationofNa+homeostasisbytheSOSpathwayinArabidopsis,植物水通道蛋白主要膜内蛋白（MIP）液泡膜内蛋白（TIP）质膜内蛋白（PIP）,松叶菊根中MIP基因表达,1.3水分胁迫诱导的LEA基因,LEA蛋白（lateembryogenesisabundantprotein）在种子发育后期和受到水分胁迫的植物营养组织中积累。

LEA蛋白是一种脱水保护剂,能够在水分胁迫下保护生物大分子。

LEA蛋白分为5组，其中第3组LEA基因转化水稻可以提高抗旱耐盐能力。

1.4ABA调控水分胁迫诱导基因的表达,某些水分胁迫诱导基因受ABA调控，这些基因的启动子中存在ABA应答元件（ABRE）和偶联元件（CE）,一起控制ABA应答基因的表达。

DroughtandAbscisicAcidSignaling,Self-regulationandosmoticstressregulationofABAbiosynthesis,2低温胁迫,低温胁迫包括冷胁迫（chilling/coldstress）和冰冻胁迫（freezingstress）。

冰点以上低温对植物的危害叫做冷害。

冷害使植物膜透性增加，膜相由液晶态变为凝胶态，原生质流动减慢，代谢紊乱。

冰点以下低温对植物的危害叫做冻害。

冻害主要是冰晶的伤害，结冰会引起细胞质过度脱水，蛋白质空间结构破坏而使植物受害。

通过低温训化（coldacclimation）措施可提高植物的抗寒性。

2.1冰冻胁迫（freezingstress）,冰冻对细胞水分有显著的影响。

细胞壁结冰时，细胞内的水分外流到胞外的冰上，致使细胞内缺水。

植物抗冻机制1）促进细胞外冰的形成，从而阻止细胞质中形成有破坏作用的冰晶；2）通过使膜脂不饱和度等增加膜稳定性；3）抗冻蛋白在质外体中积累，以减缓结冰，延缓细胞脱水。

植物抗冻蛋白（Antifreezeproteins，AFP）,DiagramofthepublishedcDNAsofplantantifreezeproteins,AFP的本质冬黑麦、小麦和大麦AFP有些是病程相关蛋白（PR）:

包括-1.3葡聚糖酶、几丁质酶和甜蛋白；所以认为具有抗冻和抗病双重功能。

AFP的作用AFP形成寡聚复合体，其表面与冰相互作用，有效抑制冰晶生长和在结晶。

2.1低温胁迫的信号传导,低温诱导一系列基因的表达，这些基因的表达产物可以帮助植物提高对冰冻胁迫的适应能力。

许多低温调节蛋白（cold-regulatedprotein,COR）也可以被ABA或干旱单独诱导合成。

这些蛋白包括第2组和第5组LEA蛋白及其它低温诱导蛋白。

很多低温调节基因启动子中包含有DRE,其转录因子为CBF1.,ColdStressSignalingandTolerance,Cold-activatedtranscriptionalcascadeinArabidopsis.SNOWisapartnerproteinofICE1,DRE（DEHYDRATIONRESPONSIVEELEMENT）/C-repeat（CRT）,whichhasthecoresequenceCCGAC.,CRT-bindingfactors（CBFs）orDRE-BINDINGFACTORS（DREBs）,HeatShockProteins,在高于正常生长温度1015以上的温度即热激（heatshock,HS）下,生物体大部分正常蛋白质的合成和mRNA的转录被抑制,同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋白（heatshockproteins,HSPs）,这种现象叫做热激反应（heatshockresponse,HSR）。

HeatShockResponse,从细菌到人,所有生物都可对热激产生反应,而且除温度外,其它许多因子例如氨基酸类似物、高盐浓度、厌氧、水分胁迫、低温、重金属离子、亚砷酸盐、乙醇、营养饥饿、2,4-D、ABA等都可以诱导热激反应,合成的HSPs参与生物的许多代谢过程。

HSPs的分类,HSP110sHSP90sHSP70sHSP60ssHSPs（smallHSPs）,分子量在1542kD之间的LMWHSPs,热激蛋白定位,热激蛋白定位于细胞的多种细胞器,包括细胞质、叶绿体、线粒体和内膜系统,HeatShockCognateProtein,除热激外,正常生活的细胞中也有HSPs,这类HSPs是组成型表达的,称为HSC（heatshockcognateprotein）。

HSC和诱导型HSP在结构和功能上都很难区分,统称HSP。

热激反应的特点,1）HSPs的保守性,亲缘关系很远的原核生物和真核生物的同种HSP的同源性很高。

真核生物HSP70s和大肠杆菌的HSP70即DnaK蛋白的同源性大于65%。

不同物种相同细胞器之间的同源性比同一物种不同细胞器之间的同源性高。

玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、绿藻等细胞质HSP70氨基酸的同源性达75.0%,但和番茄定位于内质网的HSP70比较,则同源性只有54.9%。

同种植物不同类型的HSPs的同源性较低如豌豆HSP18.1、HSP17.7、HSP22.7和HSP21分别属于不同类型,它们之间的同源性低于50%。

SequencealignmentofthesignaturesequenceIpresentinN-terminalportionofplantHsp100.,At-A.thaliana（U13949）;Gm-G.max（L35272）;Nt-Nicotianatabacum（AF083343）;Os-O.sativa（AF332981）;Ta-A-T.aestivumcloneA（AF083344）;Zm-Z.mays（AF077337）;Ta-B-T.aestivumcloneB（AF097363）andTa-C-T.aestivumcloneC（AF174433）.,SequencealignmentoftheWalkerconsensussequencepresentinNBD1ofplantHsp100,2）热激反应的短时性,Northernblots分析表明,热激时35min就可检测到大豆幼苗HSPmRNAs的积累,12h达到高峰,6h后显著下降,12h就检测不出了。

放射性标记显示,氨基酸渗入HSPs在4h达到高峰,随后下降。

RNAblothybridizationofRNAsamplesobtainedfromseedlingssubjectedtodifferentheatstresstreatmentstoanalyzemaizeHSP101mRNAlevels.,3）热激蛋白的多样性,HSPs的种类很多,分子量从15kD110kD或更高,定位于多种细胞器。

大多数植物常见的大分子HSPs为68、70、83、92kD等。

此外,分子量更大的如番茄的HSP95、大麦的HSP99、小麦的HSP103、棉花的HSP100、烟草的HSP100和120、以及大豆的HSP110等。

植物热激蛋白的显著特点是smHSPs相当多,大多数植物sHSPs在20种左右。

热激蛋白的主要功能,1）分子伴侣,分子伴侣（molecularchaperones）是指与新生肽链的折叠,寡聚蛋白质的组装和蛋白质的跨膜运输有关的一类特殊蛋白质分子。

HSP60、HSP90、HSP70、smHSPs都具有分子伴侣作用。

Severalclassesofmolecularchaperonesexistineukaryotes,includingHsp100/Clpproteins,Hsp90,Hsp70,Hsp60/chaperonins,sHspsandco-chaperonesHsp40/DnaJ,GrpE,andCpn60,whichareaccessoryproteinsmediatingactivityofspecificchaperones.,Membersfromdifferentfamiliesoftencooperateaschaperonemachines,forexampletheHsp70andHsp40.IncontrasttotheHsp60andHsp70,sHspchaperoneactivitiesareATPindependent.,Functionofmt-hsp70,Mitochondrialheatshockprotein70（mt-hsp70）functionsasamolecularchaperoneinmitochondrialbiogenesis.Thechaperoneinco-operationwithitsco-proteinsactsasatranslocationmotorpullingthemitochondrialprecursorintothematrix.,Hsp70proteinscontaintwofunctionaldomains,anN-terminalATP-bindingdomain（44kDa）andaC-terminalsubstrate-bindingdomain（27kDa）.TheATPbindingdomainishighlyconserved（60%）.Thesubstrate-bindingdomaindisplayslessidentitythantheATP-bindingdomain（45%）.,TheN-terminalsubdomainisfoldedintoacompact-sandwich,andtheC-terminalsubdomainiscomposedoffiveextended-helices.TheN-terminalsubdomainisresponsibleforsubstratebinding.,Alignmentofthesubstrate-bindingdomainofDnaK（residues389-607）withfourmitochondrialhsp70sfromkidneybean（HS7MPHAVU）,spinach（AF039084,Genebankaccessnumber）,pea（HS7MPEA）（residues381-599）andpotato（HS7MSOLTU）（residues381-600）.,Mt-hsp70model,Themt-hsp70（green）wasconstructedbyhomologymodelingbasedonthestructuralinformationofDnaK（red）.,2）生物的耐热性,热激条件下,大豆中I类smHSPs的含量可达到总细胞蛋白的1%以上,并且和耐热性的获得一致。

用生物工程技术使拟南芥的热激转录因子表达,并诱导细胞质I类smHSPs组成型表达,同时耐热力提高。

3）在植物种子发育中的作用,Intheabsenceofenvironmentalstresses,synthesisofsHspsinplantsisrestrictedtocertainstagesofdevelopment,suchasembryogenesis,germination,pollendevelopment,andfruitmaturation.,InArabidopsisembryos,cytosolicAtHsp17.4-CIandAtHsp17.6-CI（formernameAtHSP17.4andHSP17.6）,andAtHsp17.7-CIIbegintoaccumulatewhenseedsentermid-maturationstageandareabundantthroughthelatematurationstageandindryseeds,Inpeaandsunflower,bothcytosolicclassIandclassIIsHspsappearinembryosduringreservesynthesisandincreaseinabundanceinmatureseeds.,BiP在所有植物中含量丰富,受热激诱导不明显,主要受营养（葡萄糖饥饿）调节,和内质网上的束缚核糖体合成蛋白质有密切关系,可能参与种子贮藏蛋白的合成。

ThesynthesisofHSPsalongwithseedmaturationsuggeststhatsHspsmightbeimportantforprotectionofcellularcomponentsagainstdesiccation,Hsp70andHsp90changetheirexpressionandsubcellularlocalizationaftermicrosporeembryogenesisinductioninBrassicanapusL.,Astresstreatmentof32Cforatleast8hwasabletochangethegametophyticprogramofthemicrospore,switchingittoembryogenesisinBrassicanapus,aninterestingmodelforstudyingthisprocessinvitro.,Afterinduction,somemicrosporesstartedsymmetricdivisionsandbecamehaploidembryosafterafewdays,whereasothermicrospores,notsensitivetoinduction,followedtheiroriginalgametophyticdevelopment.,BothHspproteinsarerapidlyinduced,localizinginthenucleusandthecytoplasm.Insidethenucleus,Hsp70wasfoundinassociationwithRNPstructuresintheinterchromatinregionandinthenucleolus,whereasnuclearHsp90wasmostlyfoundintheinterchromatinregion.,4）在植物减数分裂中的作用,玉米受精时对热敏感,高温时导致减产,部分原因可能是成熟花粉不能合成HSPs。

玉米花粉的热敏感性可能是从单核到双核花粉粒的转变开始,合成HSPs的能力逐渐下降,花粉成熟时完全丧失。

从单核到双核花粉粒的转变是花粉发育的一个重要阶段,其特征是“早期”花粉基因表达关闭,“晚期”花粉基因开始表达。

sHSPs的分类,C类sHSPs（定位于胞质或细胞核）C类sHSPs（cytosolic/nuclear）质体（P）sHSPs线粒体（MT）sHSPs内质网（ER）sHSPs,StructureofplantsHsp,TheArabidopsisgenomecontains19openreadingframes,whichcodeforsHsp-relatedproteins.ClassesCIandCIIofcytosolic/nuclearsHspsaregenerallyencodedbymultigenefamilies.AllsHspsshareaconserved90-aminoacidC-terminaldomaincalledthea-crystallin（晶体蛋白）domain（ACD）orheatshockdomain.,TheplantsHsps,likethosefromotherorganisms,canformhomo-oligomerswithapparentmolecularmassesof200to350kDaTheC-terminalACDisinvolvedincontactwithsubunitsandmaintenanceofthetertiarystructureoftheoligomericcomplex.,AnalysisofthefirstcrystalstructureofasHspfromMethanococcusjannaschii（Hsp16.5）revealedtheformationofahollowsphericalcomplexcomposedof24subunits.Usually,plantsHspsformhomo-oligomerswith12subunits.,AminoacidsequencealignmentofMTsHSPsfromdiverseplantspecies.,AminoacidsequencealignmentofthewheatMTsHSPswithwheatcytosolicclassIandIIandchloroplast-localizedsHSPs.,热激基因表达的调节,TheHSPgenesareexpressedunderthecontroloftheheatshocktranscriptionfactor（HSF）.HSFactsthroughahighlyconservedupstreamresponseelement,theheatshock-responsiveelement（HSE）,whichconsistsofthreecontiguousandinvertedrepeatsofa5-bpsequence,definedasnGAAn.,热激基因表达的调节模式,K2植物抗寒基因,冷害cold（chilling）:

零上低温冻害freezing：

零下低温,K2.1Coldstresssignaling,Lowtemperaturesinducetheexpressionofadiversearrayofplantgenes.Theproductsofthesegeneshelpplantsadapttosubsequentfreezingstress.,cis-Eleme