第十一章 植物的抗逆生理 前面各章主要讨论正常生理,即植物在适宜条件下的生命活动。植物在自然界经常遇到环 境条件的剧烈变化,其幅度超过了适于植物正常生命活动的范围,这些对植物生命活动不利的 环境条件统称为逆境(Stress)。据统计,地球上比较适宜于栽种作物的土地还不足 10%,其余为 干旱,半干旱,冷土和盐碱土。我国有近 465 万 km2,即占国土面积 48%的土地处于干旱,半干 旱地区。因此,研究植物在不良环境下生命活动规律及忍耐或抵抗生理,对于提高农业生产力, 保护环境有现实意义。 逆境生理(Stress physiology)就是研究植物在逆境条件下的生理反应及其适应与抵抗逆 境的机理的科学。 逆境种类很多,包括物理的,化学的和生物的。任何一种使植物体产生有害 变化的环境因子均称胁迫(Stress),如温度胁迫,水分胁迫,盐分胁迫等。在胁迫下植物体发生的 生理生化变化称为胁变(Strain)。胁变的程度不同,程度轻而解除胁迫以后又能恢复的胁变称 弹性胁变;程度重而解除胁迫以后不能恢复的胁变称塑性胁变。植物的抗逆性可用胁迫与胁 变的比值表示,即植物抗逆性的强弱取决于外界的胁迫强度和植物对胁迫的反应程度,同样胁 迫程度下植物胁变的程度取决于遗传潜力和抗性锻炼的程度。抗性锻炼是指植物在逆境下逐 渐形成的对逆境的适应与抵抗能力。例如,越冬植物由于秋季温度越来越低,经受了锻炼,能忍 受严寒而安全越冬。如在夏末秋初突然给予低温处理就会死亡。 植物对逆境的适应与抵抗方式主要有:避性(escape),即植物的整个生长发育过程不与逆境相 遇,逃避逆境危害。例如,生长在沙漠中的"短命植物",利用夏季降雨的有利条件迅速完成生活 史,然后,以种子渡过严酷的干旱逆境。御性(avoidance),即植物具有防御逆境的能力,以抵御逆 境对植物的有害影响,使植物在逆境下仍维持正常生理状态。如植物御旱机理中的根系发达, 叶片变小,蒸腾降低等都具有防御植物失水的作用。耐性(tolerance),即植物可通过代谢反应阻 止,降低或修复由逆境造成的损伤,使其在逆境下仍保持正常的生理活动。一般来说,在可忍耐 范围内,逆境所造成的损伤是可逆的,即植物可恢复其正常生长;如超出可忍耐范围,损伤是不 可逆的,完全丧失自身修复能力,植物受害甚至死亡。 第一节 植物抗逆的生理生化基础 一,逆境信息及逆境信号与植物抗逆性 植物生长发育受遗传信息和环境信息的调控。遗传信息决定个体发育的潜在模式,环境信息 对遗传信息的表达起着重要的调节作用。植物在对逆境胁迫做出主动的适应性反应之前,必 须有感知,传递和处理环境刺激信号的过程。如果能对植物感受和传递逆境信号的生理及分 子机制有深入的了解,显然有助于人们有目的地调控植物的生长发育,以期有效地提高植物的 抗逆性。到目前为止,人类已经对植物感受与传递逆境信息的机理有了一定了解。例如,在植 物对土壤干旱胁迫的逆境信息传递过程中,植物的根尖首先感受干旱信号,并将干旱信息由 ABA 携带从根部传递到地上部;到达地上部的 ABA 作用于叶片气孔保卫细胞而导致气孔关 闭,气孔关闭可使植物蒸腾作用降低而保持体内的水分平衡。又如,植物叶片被虫咬后可引起 全身性的防御反应,这可能是由电波,茉莉酸和寡聚糖来传递信息的。一般来说,当植物体感受 到逆境刺激信号后,就会首先在局部产生携带逆境信息的信号分子,通过这些信号分子,逆境 信息被传递至与植物适应性反应相关的部位。对于由多细胞构成的高等植物而言,其整体水 平上的信息传递过程有赖于细胞水平上的信号转导。对于接受被传递的逆境信号的细胞来讲, 无论是直接来自环境的刺激信号,还是来自其他活细胞所产生的信号,均称为胞外信号。而由 胞外信号经跨膜信号转导过程而在胞内作用所产生的进一步信号(如第二信使等),则属信息 传递过程中的胞内信号。本部分将主要介绍植物逆境信息传递过程中的胞外信号,包括水信 号,化学信号和电信号。 (一)水信号 水信号(hydraulic signal)是指能够传递逆境信息,进而使植物做出适应性反应的植物体内水流
第十一章 植物的抗逆生理 前面各章主要讨论正常生理,即植物在适宜条件下的生命活动。植物在自然界经常遇到环 境条件的剧烈变化,其幅度超过了适于植物正常生命活动的范围,这些对植物生命活动不利的 环境条件统称为逆境(Stress)。据统计,地球上比较适宜于栽种作物的土地还不足 10%,其余为 干旱,半干旱,冷土和盐碱土。我国有近 465 万 km2,即占国土面积 48%的土地处于干旱,半干 旱地区。因此,研究植物在不良环境下生命活动规律及忍耐或抵抗生理,对于提高农业生产力, 保护环境有现实意义。 逆境生理(Stress physiology)就是研究植物在逆境条件下的生理反应及其适应与抵抗逆 境的机理的科学。 逆境种类很多,包括物理的,化学的和生物的。任何一种使植物体产生有害 变化的环境因子均称胁迫(Stress),如温度胁迫,水分胁迫,盐分胁迫等。在胁迫下植物体发生的 生理生化变化称为胁变(Strain)。胁变的程度不同,程度轻而解除胁迫以后又能恢复的胁变称 弹性胁变;程度重而解除胁迫以后不能恢复的胁变称塑性胁变。植物的抗逆性可用胁迫与胁 变的比值表示,即植物抗逆性的强弱取决于外界的胁迫强度和植物对胁迫的反应程度,同样胁 迫程度下植物胁变的程度取决于遗传潜力和抗性锻炼的程度。抗性锻炼是指植物在逆境下逐 渐形成的对逆境的适应与抵抗能力。例如,越冬植物由于秋季温度越来越低,经受了锻炼,能忍 受严寒而安全越冬。如在夏末秋初突然给予低温处理就会死亡。 植物对逆境的适应与抵抗方式主要有:避性(escape),即植物的整个生长发育过程不与逆境相 遇,逃避逆境危害。例如,生长在沙漠中的"短命植物",利用夏季降雨的有利条件迅速完成生活 史,然后,以种子渡过严酷的干旱逆境。御性(avoidance),即植物具有防御逆境的能力,以抵御逆 境对植物的有害影响,使植物在逆境下仍维持正常生理状态。如植物御旱机理中的根系发达, 叶片变小,蒸腾降低等都具有防御植物失水的作用。耐性(tolerance),即植物可通过代谢反应阻 止,降低或修复由逆境造成的损伤,使其在逆境下仍保持正常的生理活动。一般来说,在可忍耐 范围内,逆境所造成的损伤是可逆的,即植物可恢复其正常生长;如超出可忍耐范围,损伤是不 可逆的,完全丧失自身修复能力,植物受害甚至死亡。 第一节 植物抗逆的生理生化基础 一,逆境信息及逆境信号与植物抗逆性 植物生长发育受遗传信息和环境信息的调控。遗传信息决定个体发育的潜在模式,环境信息 对遗传信息的表达起着重要的调节作用。植物在对逆境胁迫做出主动的适应性反应之前,必 须有感知,传递和处理环境刺激信号的过程。如果能对植物感受和传递逆境信号的生理及分 子机制有深入的了解,显然有助于人们有目的地调控植物的生长发育,以期有效地提高植物的 抗逆性。到目前为止,人类已经对植物感受与传递逆境信息的机理有了一定了解。例如,在植 物对土壤干旱胁迫的逆境信息传递过程中,植物的根尖首先感受干旱信号,并将干旱信息由 ABA 携带从根部传递到地上部;到达地上部的 ABA 作用于叶片气孔保卫细胞而导致气孔关 闭,气孔关闭可使植物蒸腾作用降低而保持体内的水分平衡。又如,植物叶片被虫咬后可引起 全身性的防御反应,这可能是由电波,茉莉酸和寡聚糖来传递信息的。一般来说,当植物体感受 到逆境刺激信号后,就会首先在局部产生携带逆境信息的信号分子,通过这些信号分子,逆境 信息被传递至与植物适应性反应相关的部位。对于由多细胞构成的高等植物而言,其整体水 平上的信息传递过程有赖于细胞水平上的信号转导。对于接受被传递的逆境信号的细胞来讲, 无论是直接来自环境的刺激信号,还是来自其他活细胞所产生的信号,均称为胞外信号。而由 胞外信号经跨膜信号转导过程而在胞内作用所产生的进一步信号(如第二信使等),则属信息 传递过程中的胞内信号。本部分将主要介绍植物逆境信息传递过程中的胞外信号,包括水信 号,化学信号和电信号。 (一)水信号 水信号(hydraulic signal)是指能够传递逆境信息,进而使植物做出适应性反应的植物体内水流
(water mass flow)或水压(hydraustatic pressure)的变化。 近年来,人们开始注意植物体内静水压变化在环境信息传递中的作用。由于水的压力波 传播速度特别快,在水中可达每秒 1500m,因此静水压变化的信号比水流变化的信号要快得多, 这有利于解释某些快速反应(如气孔运动,生长运动等)的现象。最近由于在细胞膜上发现有水 孔蛋白(aquaporin)的存在,使人们更关注植物体内水信号的存在和作用。相信随着研究的深入 将使人们对由水流和静水压信号介导的逆境信息传递机制有更清楚的了解。 (二)化学信号 化学信号(chemical signal)是指能够把环境信息从感知位点传递到反应位点,进而影响植物生 长发育进程的某种激素或某些化学物质。根据化学信号作用方式和性质,可分为正化学信号, 负化学信号,积累性化学信号和其他化学信号等。正化学信号是指随着环境刺激的增强,该信 号由感知部位向作用部位输出的量也随之增强;反之则称为负化学信号。积累性化学信号则 是指在正常情况下,作用部位本身就含有该信号物质并不断地向感知部位输出,以保证该物质 维持在一个较低的水平;当感知部位受到环境刺激时,该物质积累相对增加,当其积累达一定 阈值时其调节作用也就明显地表现出来。 1。正化学信号 对水分胁迫下植物木质部汁液的分析表明,随着土壤水分的亏缺,汁液中阴离子,pH,氨基酸,细 胞分裂素的浓度是下降的,但脱落酸的含量却是上升的。大量研究表明 ,水分胁迫下根系可以 合成 ABA。 2。负化学信号 在植物根与冠间的信息传递中是否存在负化学信号,还有不同看法。从上面的讨论可以看出, 只要很少的一部分根系处在胁迫状态,气孔导性便可以受到影响,如果认为这部分根是由于胁 迫而使负信号停止产生,那么这种信号物质的减少也只有正常条件下由根向茎叶运输的百分 之几。人们不清楚植物是否会对如此小的信息量的改变做出反应。此外,Jones 还指出由于根 系体积是不断变化的,那么这种物质也必然会随之发生变化。所以,负信号物质不可能携带土 壤水分状况的信息。大量的有关负信号的研究中,可能性最大的信号物质是由根向茎叶运输 的细胞分裂素。 3。积累性化学信号 Jackson 和 Hall 曾报道了在淹涝情况下,叶片中的 ABA 的浓度增加是一个积累信号。即在正 常情况下,叶片可以产生 ABA 并通过韧皮部向根系运输,当根系淹涝时 ABA 向下运输的量减 少,导致叶中 ABA 浓度增加。但在干旱的情况下,由于根系的活性并未下降多少,甚至有所增 加,所以 ABA 向下运输减少的情况不大可能发生,随着土壤干旱的逐步加重,根生长活性受到 很大抑制,在这种情况下积累信号的作用有可能增加。 4。其他化学信号 Stewart 曾证明溶液中阴阳离子的平衡发生微小变化将可以控制溶液的 pH。Schurr 和 Collan 证明在水分状况良好的植物中,其木质部汁液含有较多的阴离子,而水分亏缺的植物中含有较 多的阳离子。Hartung 认为这种阴阳离子差可使质外体液流碱化,因此可以作为一个信号,此信 号将使叶中的 ABA 重新分配,最终引起气孔关闭。另有人利用免疫亲和层析技术将小麦木质 部汁液中的 ABA 除去后喂给供水良好的植株,结果表明,虽除去 ABA 但并没有除去木质部汁 液对蒸腾的抑制作用,说明必然有一种未知因子在发挥着信息传递的作用。 5。化学信号分子的种类 ① 植物激素类 ② 寡聚糖类 主要包括 1,3-β-D 葡聚糖,半乳糖,聚氨基葡萄糖,富含甘露糖的糖蛋白等。已发现真菌细胞 壁中 β-葡聚糖成分诱导物以激素作用方式与植物细胞膜上受体高度亲和从而影响抗逆基因
(water mass flow)或水压(hydraustatic pressure)的变化。 近年来,人们开始注意植物体内静水压变化在环境信息传递中的作用。由于水的压力波 传播速度特别快,在水中可达每秒 1500m,因此静水压变化的信号比水流变化的信号要快得多, 这有利于解释某些快速反应(如气孔运动,生长运动等)的现象。最近由于在细胞膜上发现有水 孔蛋白(aquaporin)的存在,使人们更关注植物体内水信号的存在和作用。相信随着研究的深入 将使人们对由水流和静水压信号介导的逆境信息传递机制有更清楚的了解。 (二)化学信号 化学信号(chemical signal)是指能够把环境信息从感知位点传递到反应位点,进而影响植物生 长发育进程的某种激素或某些化学物质。根据化学信号作用方式和性质,可分为正化学信号, 负化学信号,积累性化学信号和其他化学信号等。正化学信号是指随着环境刺激的增强,该信 号由感知部位向作用部位输出的量也随之增强;反之则称为负化学信号。积累性化学信号则 是指在正常情况下,作用部位本身就含有该信号物质并不断地向感知部位输出,以保证该物质 维持在一个较低的水平;当感知部位受到环境刺激时,该物质积累相对增加,当其积累达一定 阈值时其调节作用也就明显地表现出来。 1。正化学信号 对水分胁迫下植物木质部汁液的分析表明,随着土壤水分的亏缺,汁液中阴离子,pH,氨基酸,细 胞分裂素的浓度是下降的,但脱落酸的含量却是上升的。大量研究表明 ,水分胁迫下根系可以 合成 ABA。 2。负化学信号 在植物根与冠间的信息传递中是否存在负化学信号,还有不同看法。从上面的讨论可以看出, 只要很少的一部分根系处在胁迫状态,气孔导性便可以受到影响,如果认为这部分根是由于胁 迫而使负信号停止产生,那么这种信号物质的减少也只有正常条件下由根向茎叶运输的百分 之几。人们不清楚植物是否会对如此小的信息量的改变做出反应。此外,Jones 还指出由于根 系体积是不断变化的,那么这种物质也必然会随之发生变化。所以,负信号物质不可能携带土 壤水分状况的信息。大量的有关负信号的研究中,可能性最大的信号物质是由根向茎叶运输 的细胞分裂素。 3。积累性化学信号 Jackson 和 Hall 曾报道了在淹涝情况下,叶片中的 ABA 的浓度增加是一个积累信号。即在正 常情况下,叶片可以产生 ABA 并通过韧皮部向根系运输,当根系淹涝时 ABA 向下运输的量减 少,导致叶中 ABA 浓度增加。但在干旱的情况下,由于根系的活性并未下降多少,甚至有所增 加,所以 ABA 向下运输减少的情况不大可能发生,随着土壤干旱的逐步加重,根生长活性受到 很大抑制,在这种情况下积累信号的作用有可能增加。 4。其他化学信号 Stewart 曾证明溶液中阴阳离子的平衡发生微小变化将可以控制溶液的 pH。Schurr 和 Collan 证明在水分状况良好的植物中,其木质部汁液含有较多的阴离子,而水分亏缺的植物中含有较 多的阳离子。Hartung 认为这种阴阳离子差可使质外体液流碱化,因此可以作为一个信号,此信 号将使叶中的 ABA 重新分配,最终引起气孔关闭。另有人利用免疫亲和层析技术将小麦木质 部汁液中的 ABA 除去后喂给供水良好的植株,结果表明,虽除去 ABA 但并没有除去木质部汁 液对蒸腾的抑制作用,说明必然有一种未知因子在发挥着信息传递的作用。 5。化学信号分子的种类 ① 植物激素类 ② 寡聚糖类 主要包括 1,3-β-D 葡聚糖,半乳糖,聚氨基葡萄糖,富含甘露糖的糖蛋白等。已发现真菌细胞 壁中 β-葡聚糖成分诱导物以激素作用方式与植物细胞膜上受体高度亲和从而影响抗逆基因
的表达。大豆细胞壁上纯化的葡聚糖诱导物可以附着于膜上。这都表明细胞壁中寡聚糖成分 在真菌与植物的相互作用中起重要作用。寡聚糖除了影响抗逆基因表达外还可激活蛋白酶抑 制剂(proteinase inhibitor),此外还参与蛋白质磷酸化,离子流和动作电位等。寡聚糖类化学信号 由于有其作为细胞壁成分和植物与微生物相互作用的特殊一面,已成为植物细胞胞外信号中 最引人注目的信号分子之一。 ③多肽类 当番茄和马铃薯受到虫咬或其他环境刺激时,在叶片中可合成蛋白酶抑制剂的诱 导物,它是一类可以移动的由 18 个氨基酸组成的多肽,称为系统素(systemin)。系统素可低浓 度下诱导抑制其他生物的蛋白酶功能的丝氨酸类蛋白酶抑制剂,这些抑制剂也是植物受到伤 害后产生抗性所必须积累的因子,它们能使叶蛋白的消化性和营养性降低。因此系统素也称 作蛋白酶抑制剂的诱导因子,它可以通过植物韧皮部从受伤部位运输到不受伤部位,这是植物 体内发现的第一种可以传递信号并调节植物生理功能的多肽类胞外信号。另外,目前也有人 认为胞外 Ca2+,H+及其跨膜梯度的变化可能作为胞外信号分子而在逆境信息传递过程中发 挥作用。 (三)电信号 植物体内的电信号(electrical signal)是指植物体内能够传递信息的电位波动。娄成后等人经 过长期的研究后认为,高等植物体内的信息传递可靠电化学波来实现,植物体内电波的传递可 以靠细胞间的局部电流和伤素的释放相互交替来完成,维管束系统是电波传递的主要途径。 二,生物膜与植物抗逆性 (一)膜结构的变化 植物抗逆性与生物膜结构的关系早就引起人们的注意,1912 年马克西莫夫就提出原生质膜是 结冰伤害的主要部位。Lyons 根据生物膜理论和植物抗冷性方面的研究报告,首先提出了植物 冷害的"膜伤害"假说。他指出,生物膜由于其结构特点会随温度的降低而产生物相变化。植 物正常生理状态时,需要液晶态的膜状态。当温度降到一定程度时,某些植物的膜脂由液晶态 变为凝胶态,膜结合酶活力降低和膜透性增大。这些变化又引起胞内离子渗漏,失去平衡,膜结 合酶和游离酶活力失调,进而使细胞代谢失调。膜系统在不同脱水情况下产生不同形式的胁 变,缓慢脱水时细胞塌陷使细胞表面延伸,严重脱水时,双层膜脂转变成六角形结构。上述两种 脱水条件都会使膜蛋白从膜系统中游离下来,导致蛋白质变性聚合和离子泵破坏。 (二)膜脂组分的变化 高等植物膜脂中含有磷脂酰胆碱(PC),磷脂酰乙醇胺(PE),磷脂酰甘油(PG),磷酸肌醇(PI), 磷脂酸(PA)等磷脂和单半乳糖二甘油酯(MGDG),双半乳糖二甘油酯(DGDG),硫脂(SL)等糖 脂。Kuiper 在苜蓿上进行了膜脂组分与抗冷性关系的研究,结果表明抗冷性强的品种叶片中 MGDG,DGDG,PC 和 PE 的含量在任何温度下(15~30℃范围内)均比不抗冷品种的含量高。在 低温胁迫条件下,这两个品种叶片膜脂脂肪酸配比也有明显差别,抗冷品种的 DGDG 中饱和 脂肪酸含量少,不饱和脂肪酸含量多,尤其亚麻酸含量较高;而在不抗冷品种中,亚麻酸等不饱 和脂肪酸的含量较低。 现在一般认为,膜脂种类以及膜脂中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例都与植物抗冷性, 抗冻性,抗旱性,抗盐性等密切相关。根据脂肪酸的物理化学性质分析,不同碳链长度及不同饱 和键数的脂肪酸的固化温度不同。从碳链长度来说,碳链越长固化温度越高;相同碳链长度时, 不饱和键数多,固化温度越低。由于正常活细胞的膜结构需要膜脂有一定的流动性,因此,在细 胞膜脂中含有较多碳链短的,不饱和键多的脂肪酸时,对于提高植物的抗逆性有重要意义。如 适当的逆境锻炼可以使细胞膜组分中脂肪酸的不饱和度增加,从而使植物抗逆性增强。 (三)膜蛋白的变化 逆境胁迫不仅影响膜脂组分的变化,同时也影响膜蛋白组分及活性的变化,进而影响植物 的抗逆性。以低温胁迫与膜蛋白组分或活性变化之间的关系为例,有人曾提出以膜蛋白为核
的表达。大豆细胞壁上纯化的葡聚糖诱导物可以附着于膜上。这都表明细胞壁中寡聚糖成分 在真菌与植物的相互作用中起重要作用。寡聚糖除了影响抗逆基因表达外还可激活蛋白酶抑 制剂(proteinase inhibitor),此外还参与蛋白质磷酸化,离子流和动作电位等。寡聚糖类化学信号 由于有其作为细胞壁成分和植物与微生物相互作用的特殊一面,已成为植物细胞胞外信号中 最引人注目的信号分子之一。 ③多肽类 当番茄和马铃薯受到虫咬或其他环境刺激时,在叶片中可合成蛋白酶抑制剂的诱 导物,它是一类可以移动的由 18 个氨基酸组成的多肽,称为系统素(systemin)。系统素可低浓 度下诱导抑制其他生物的蛋白酶功能的丝氨酸类蛋白酶抑制剂,这些抑制剂也是植物受到伤 害后产生抗性所必须积累的因子,它们能使叶蛋白的消化性和营养性降低。因此系统素也称 作蛋白酶抑制剂的诱导因子,它可以通过植物韧皮部从受伤部位运输到不受伤部位,这是植物 体内发现的第一种可以传递信号并调节植物生理功能的多肽类胞外信号。另外,目前也有人 认为胞外 Ca2+,H+及其跨膜梯度的变化可能作为胞外信号分子而在逆境信息传递过程中发 挥作用。 (三)电信号 植物体内的电信号(electrical signal)是指植物体内能够传递信息的电位波动。娄成后等人经 过长期的研究后认为,高等植物体内的信息传递可靠电化学波来实现,植物体内电波的传递可 以靠细胞间的局部电流和伤素的释放相互交替来完成,维管束系统是电波传递的主要途径。 二,生物膜与植物抗逆性 (一)膜结构的变化 植物抗逆性与生物膜结构的关系早就引起人们的注意,1912 年马克西莫夫就提出原生质膜是 结冰伤害的主要部位。Lyons 根据生物膜理论和植物抗冷性方面的研究报告,首先提出了植物 冷害的"膜伤害"假说。他指出,生物膜由于其结构特点会随温度的降低而产生物相变化。植 物正常生理状态时,需要液晶态的膜状态。当温度降到一定程度时,某些植物的膜脂由液晶态 变为凝胶态,膜结合酶活力降低和膜透性增大。这些变化又引起胞内离子渗漏,失去平衡,膜结 合酶和游离酶活力失调,进而使细胞代谢失调。膜系统在不同脱水情况下产生不同形式的胁 变,缓慢脱水时细胞塌陷使细胞表面延伸,严重脱水时,双层膜脂转变成六角形结构。上述两种 脱水条件都会使膜蛋白从膜系统中游离下来,导致蛋白质变性聚合和离子泵破坏。 (二)膜脂组分的变化 高等植物膜脂中含有磷脂酰胆碱(PC),磷脂酰乙醇胺(PE),磷脂酰甘油(PG),磷酸肌醇(PI), 磷脂酸(PA)等磷脂和单半乳糖二甘油酯(MGDG),双半乳糖二甘油酯(DGDG),硫脂(SL)等糖 脂。Kuiper 在苜蓿上进行了膜脂组分与抗冷性关系的研究,结果表明抗冷性强的品种叶片中 MGDG,DGDG,PC 和 PE 的含量在任何温度下(15~30℃范围内)均比不抗冷品种的含量高。在 低温胁迫条件下,这两个品种叶片膜脂脂肪酸配比也有明显差别,抗冷品种的 DGDG 中饱和 脂肪酸含量少,不饱和脂肪酸含量多,尤其亚麻酸含量较高;而在不抗冷品种中,亚麻酸等不饱 和脂肪酸的含量较低。 现在一般认为,膜脂种类以及膜脂中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例都与植物抗冷性, 抗冻性,抗旱性,抗盐性等密切相关。根据脂肪酸的物理化学性质分析,不同碳链长度及不同饱 和键数的脂肪酸的固化温度不同。从碳链长度来说,碳链越长固化温度越高;相同碳链长度时, 不饱和键数多,固化温度越低。由于正常活细胞的膜结构需要膜脂有一定的流动性,因此,在细 胞膜脂中含有较多碳链短的,不饱和键多的脂肪酸时,对于提高植物的抗逆性有重要意义。如 适当的逆境锻炼可以使细胞膜组分中脂肪酸的不饱和度增加,从而使植物抗逆性增强。 (三)膜蛋白的变化 逆境胁迫不仅影响膜脂组分的变化,同时也影响膜蛋白组分及活性的变化,进而影响植物 的抗逆性。以低温胁迫与膜蛋白组分或活性变化之间的关系为例,有人曾提出以膜蛋白为核
心的膜的冷伤害假说。例如甘薯块茎随着在低温(0℃)下贮藏天数的增加,线粒体膜上的膜蛋 白对磷脂结合力降低,使 PC 和 LPC(脱酰磷脂酰胆碱)从膜上游离下来,进而导致线粒体膜破 坏,组织坏死。最近有人提出,植物的抗逆性不仅与膜上的原有蛋白有关,而且与新产生的膜蛋 白有关,即逆境胁迫可能会造成新的膜蛋白合成或是抑制原有蛋白的合成。 (四)膜脂过氧化作用 膜脂过氧化作用是自由基(如 O2 —,·OH)对类脂中的不饱和脂肪酸的氧化作用过程,结果产生 对细胞有毒性的脂质过氧化物。膜脂过氧化过程中的中间产物——自由基能够引发蛋白质分 子脱去 H+而生成蛋白质自由基(P·),蛋白质自由基与另一蛋白质分子发生加成反应,生成二聚 蛋白质自由基(PP·),依次对蛋白质分子不断地加成而生成蛋白质分子聚合物,这是膜脂过氧 化造成细胞膜损伤的一方面。另一方面膜脂过氧化的产物丙二醛与蛋白质结合使蛋白质分子 内和分子间发生交联,这样细胞膜上的蛋白质和酶由于发生聚合和交联,使其空间构型发生改 变,从而使其功能或活性发生改变。最终使膜的结构与功能发生变化,导致细胞损伤甚至死亡。 三,逆境蛋白与植物抗逆性 (一)渗调蛋白 在盐胁迫下,某些植物的悬浮培养细胞会由于盐诱导而产生一种新的 26kDa 蛋白。由于它 的合成总伴随渗透调节的开始,因此被命名为渗调蛋白(osmotin)。应指出的是,并非所有植物 的培养细胞在盐适应条件下都有新蛋白质出现,或出现的蛋白质中都有 26kDa 蛋白。渗调蛋 白的积累是植物生长受抑,适应逆境所产生的一种原初免疫反应,可能是一种耐脱水蛋白,并 具有抗真菌活性。渗调蛋白是一种阳离子蛋白,在盐适应细胞中可稳定地产生,有可溶性或颗 粒状两种形式存在,总量可达细胞总蛋白量的 12%。渗调蛋白的合成调节发生在转录水 平,ABA 可诱导其合成或增加渗调蛋白 mRNA 的稳定性,盐以某种方式调节渗调蛋白信使翻 译的稳定性。渗调蛋白还具有促进非盐适应细胞对盐的适应能力。 (二)热激蛋白 热激蛋白(heat shock protein, HSP)是一类在有机体受到高温逆境刺激后大量产生的蛋白, 是植物对高温胁迫短期适应的产物,对减轻高温胁迫引起的伤害有重要作用。有机体在受到 热激伤害后,体内变性蛋白急剧增加,热激蛋白可以与变性蛋白结合,维持它们的可溶状态,在 有 Mg2+和 AT P 的存在下使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构象。植物线粒体内的热 激蛋白 Cph60 在热激条件下与二氢叶酸脱氢酶,半乳糖脱氢酶和异丙醇苹果酸脱氢酶等酶结 合形成复合体,使这些酶的热失活温度提高 8~15℃。最近发现多种热激蛋白家族成员都能赋 予有机体对高温的耐受能力,它们具有典型的分子伴侣的生理功能。分子伴侣(chaperone)是一 类辅助蛋白分子,主要参与生物体内新生肽的运输,折叠,组装,定位以及变性蛋白的复性和降 解。通过控制与底物的结合与释放来协助目标蛋白的折叠与组装,向亚细胞器的运输或结合, 稳定目标蛋白质的不稳定构型,但不参与目标蛋白的最终结构组成。 (三)胚胎发生晚期丰富蛋白 在种 子成 熟 脱水 期 开始 合成 的 一系 列蛋 白 质称 为 胚胎 发生 晚 期丰 富 蛋白 (late embryogenesis abundant protein, LEA),简称 LEA 蛋白。它们多数是高度亲水,在沸水中仍保持 稳定的可溶性蛋白,缺少半胱氨酸和色氨酸。干旱,盐胁迫及低温胁迫均可诱导这些蛋白在营 养组织中表达,只是诱导途径不同。按照氨基酸顺序,LEA 蛋白至少可分为 5 组。其中组 1 LEA 蛋白 荷电氨基酸和甘氨酸的比例较高,亲水性强。组 2LEA 蛋白 C 端含有 1 个保守的 15 个 氨基酸的结构域,可能起分子伴侣或保护蛋白质结构的功能。组 3LEA 蛋白具有 11 个氨基酸 的重复顺序,形成亲水的 α 螺旋,多达 13 次,可能起到避免离子浓度过高所导致的毒害作用。 组 4LEA 蛋白可替代水保护膜结构,N 端形成保守的 α 螺旋,C 端通常不具有保守性,但随机盘 绕的结构是保守的。组 5LEA 蛋白具有与组 3 蛋白类似的 11 个氨基酸重复序列和化学性质, 但不像组 3LEA 蛋白那样每个氨基酸残基的排列位置具有高度的专一性,其功能与组 3 蛋白
心的膜的冷伤害假说。例如甘薯块茎随着在低温(0℃)下贮藏天数的增加,线粒体膜上的膜蛋 白对磷脂结合力降低,使 PC 和 LPC(脱酰磷脂酰胆碱)从膜上游离下来,进而导致线粒体膜破 坏,组织坏死。最近有人提出,植物的抗逆性不仅与膜上的原有蛋白有关,而且与新产生的膜蛋 白有关,即逆境胁迫可能会造成新的膜蛋白合成或是抑制原有蛋白的合成。 (四)膜脂过氧化作用 膜脂过氧化作用是自由基(如 O2 —,·OH)对类脂中的不饱和脂肪酸的氧化作用过程,结果产生 对细胞有毒性的脂质过氧化物。膜脂过氧化过程中的中间产物——自由基能够引发蛋白质分 子脱去 H+而生成蛋白质自由基(P·),蛋白质自由基与另一蛋白质分子发生加成反应,生成二聚 蛋白质自由基(PP·),依次对蛋白质分子不断地加成而生成蛋白质分子聚合物,这是膜脂过氧 化造成细胞膜损伤的一方面。另一方面膜脂过氧化的产物丙二醛与蛋白质结合使蛋白质分子 内和分子间发生交联,这样细胞膜上的蛋白质和酶由于发生聚合和交联,使其空间构型发生改 变,从而使其功能或活性发生改变。最终使膜的结构与功能发生变化,导致细胞损伤甚至死亡。 三,逆境蛋白与植物抗逆性 (一)渗调蛋白 在盐胁迫下,某些植物的悬浮培养细胞会由于盐诱导而产生一种新的 26kDa 蛋白。由于它 的合成总伴随渗透调节的开始,因此被命名为渗调蛋白(osmotin)。应指出的是,并非所有植物 的培养细胞在盐适应条件下都有新蛋白质出现,或出现的蛋白质中都有 26kDa 蛋白。渗调蛋 白的积累是植物生长受抑,适应逆境所产生的一种原初免疫反应,可能是一种耐脱水蛋白,并 具有抗真菌活性。渗调蛋白是一种阳离子蛋白,在盐适应细胞中可稳定地产生,有可溶性或颗 粒状两种形式存在,总量可达细胞总蛋白量的 12%。渗调蛋白的合成调节发生在转录水 平,ABA 可诱导其合成或增加渗调蛋白 mRNA 的稳定性,盐以某种方式调节渗调蛋白信使翻 译的稳定性。渗调蛋白还具有促进非盐适应细胞对盐的适应能力。 (二)热激蛋白 热激蛋白(heat shock protein, HSP)是一类在有机体受到高温逆境刺激后大量产生的蛋白, 是植物对高温胁迫短期适应的产物,对减轻高温胁迫引起的伤害有重要作用。有机体在受到 热激伤害后,体内变性蛋白急剧增加,热激蛋白可以与变性蛋白结合,维持它们的可溶状态,在 有 Mg2+和 AT P 的存在下使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构象。植物线粒体内的热 激蛋白 Cph60 在热激条件下与二氢叶酸脱氢酶,半乳糖脱氢酶和异丙醇苹果酸脱氢酶等酶结 合形成复合体,使这些酶的热失活温度提高 8~15℃。最近发现多种热激蛋白家族成员都能赋 予有机体对高温的耐受能力,它们具有典型的分子伴侣的生理功能。分子伴侣(chaperone)是一 类辅助蛋白分子,主要参与生物体内新生肽的运输,折叠,组装,定位以及变性蛋白的复性和降 解。通过控制与底物的结合与释放来协助目标蛋白的折叠与组装,向亚细胞器的运输或结合, 稳定目标蛋白质的不稳定构型,但不参与目标蛋白的最终结构组成。 (三)胚胎发生晚期丰富蛋白 在种 子成 熟 脱水 期 开始 合成 的 一系 列蛋 白 质称 为 胚胎 发生 晚 期丰 富 蛋白 (late embryogenesis abundant protein, LEA),简称 LEA 蛋白。它们多数是高度亲水,在沸水中仍保持 稳定的可溶性蛋白,缺少半胱氨酸和色氨酸。干旱,盐胁迫及低温胁迫均可诱导这些蛋白在营 养组织中表达,只是诱导途径不同。按照氨基酸顺序,LEA 蛋白至少可分为 5 组。其中组 1 LEA 蛋白 荷电氨基酸和甘氨酸的比例较高,亲水性强。组 2LEA 蛋白 C 端含有 1 个保守的 15 个 氨基酸的结构域,可能起分子伴侣或保护蛋白质结构的功能。组 3LEA 蛋白具有 11 个氨基酸 的重复顺序,形成亲水的 α 螺旋,多达 13 次,可能起到避免离子浓度过高所导致的毒害作用。 组 4LEA 蛋白可替代水保护膜结构,N 端形成保守的 α 螺旋,C 端通常不具有保守性,但随机盘 绕的结构是保守的。组 5LEA 蛋白具有与组 3 蛋白类似的 11 个氨基酸重复序列和化学性质, 但不像组 3LEA 蛋白那样每个氨基酸残基的排列位置具有高度的专一性,其功能与组 3 蛋白
类似。 (四)水分胁迫蛋白 早在 20 世纪 30 年代人们就观察到水分胁迫可以影响蛋白质的代谢。近几年,对干旱诱导 植物产生的特异蛋白,即水分胁迫蛋白(water stress protein)的研究不断增多。通常把水分胁迫 蛋白分为两大类,一类是由 ABA 诱导产生的,另一类则仅由干旱诱导。但有些水分胁迫蛋白 既能被 ABA 诱导,也可由干旱胁迫诱导产生。研究表明,水分胁迫引起植物蛋白质合成上的 变化与发育的种子蛋白质合成的变化有一些相似之处。近年来水分胁迫蛋白的研究虽然取得 了一些进展,但到目前为止,多数蛋白质的功能仍不清楚。 (五)类脂转移蛋白 膜类脂的组成与植物抗逆性的关系密切,而高等植物的类脂转移蛋白(lipid transfer proteins, LTP),特别是大麦BLT4基因家庭编码的膜类脂转移蛋白可能与膜脂饱和度的温度适 应有关。同样是大麦,不同组织有不同的类脂转移蛋白,它对低温,干旱,病害和 ABA 有不同的 响应。另外在根系中没有发现类脂转移蛋白,它们在线粒体与脂质体间转移类脂的功能也只 在体外被证实,这类蛋白如何改变膜脂饱和度尚无研究报道。 (六)激酶调节蛋白 激酶调节蛋白(kinase-regulated protein)是参与逆境信号转导的蛋白,它能调节多种功能蛋 白激酶的活性。例如,色氨酸,酪氨酸羟化酶依赖性激酶蛋白(14-3-3 蛋白)是一种动物中的激 酶调节蛋白。在拟南芥中发现的只受低温诱导的 RC114A 和 RC114B 具有与 14-3-3 蛋白相 似的结构特点,因而认为也是激酶调节蛋白。RC114A 和 RC114B 的 N 端区都有亲水和疏水 兼有的两亲性 α 螺旋,具有蛋白激酶 A 和 C 的识别位点。RC114A 和 RC114B 在经低温诱导 后可能通过调节激酶的活性参与低温信号转导。 (七)病程相关蛋白 病害对植物是一种生物逆境(biotic stress)。当植物被病原菌感染或用一些特定化合物处理 后,会产生一种或多种蛋白质。这类蛋白质首先是在烟草花叶病毒感染的烟草植株中检测到 的,目前已在烟草,豇豆,黄瓜,番茄,马铃薯,玉米,大麦和柑桔等 20 余种植物中发现,这些蛋白质 没有病原特异性,而是由寄主反应类型决定的,说明是寄主起源的。因为这些蛋白质都与病原 菌的感染有关,故称之为病程相关蛋白(pathogenesis-related protein, PR)。 (八)重金属结合蛋白 虽然一些重金属元素(如铜,锌等)是植物正常生长发育的必需营养元素,但当植物生长在 含有过高浓度重金属的土壤中时,这些重金属元素会对植物产生毒害作用。有些植物在遭受 重金属胁迫时,体内能迅速合成一类束缚重金属离子的多肽,这类多肽被称为重金属结合蛋白 (heavy metal binding protein)。根据植物重金属结合蛋白的合成和性质的差异,可将其分为类 金属硫蛋白(metallothioneins-like,简称类 MT 蛋白)和植物螯合肽(phytochelatin, PC)。迄今已 从番茄,水稻,玉米,烟草,甘蔗,菠菜等多种植物中分离出镉和铜结合蛋白。这些蛋白分子量很 低,富含半胱氨酸(Cys),几乎无芳香族氨基酸,通过Cys上的-SH基与重金属离子结合形成金属 硫醇盐配位。1981 年 Murashgi 在 Cd2+处理的裂殖酵母中发现两种分子量分别为 1.8kDa 和 4kDa 的镉结合肽,以后又在经 Cd2+处理的蛇根木悬浮培养细胞中分离出相同的多肽,将其称 为植物螯合肽。许多重金属离子,如 Cd2+,Pb2+,Zn2+,Ag+,Ni2+,Hg2+,Cu2+,Au+等都可诱导植 物螯合肽的合成。植物重金属结合蛋白,无论是类 MT 还是 PC,都含有丰富的半胱氨酸残基, 能通过Cys上的—SH与金属离子结合,因此推测它们可能起着解除重金属离子毒害以及调节 体内重金属离子平衡的作用。有人推测重金属结合蛋白可通过结合与释放某些植物必需营养 元素的离子如 Cu2+,Zn2+等,调节细胞内的离子平衡。 (九)冷驯化诱导蛋白 早在 1970 年,Weiser 就提出植物冷驯化导致某些特定基因的激活。后来研究发现,菠菜在
类似。 (四)水分胁迫蛋白 早在 20 世纪 30 年代人们就观察到水分胁迫可以影响蛋白质的代谢。近几年,对干旱诱导 植物产生的特异蛋白,即水分胁迫蛋白(water stress protein)的研究不断增多。通常把水分胁迫 蛋白分为两大类,一类是由 ABA 诱导产生的,另一类则仅由干旱诱导。但有些水分胁迫蛋白 既能被 ABA 诱导,也可由干旱胁迫诱导产生。研究表明,水分胁迫引起植物蛋白质合成上的 变化与发育的种子蛋白质合成的变化有一些相似之处。近年来水分胁迫蛋白的研究虽然取得 了一些进展,但到目前为止,多数蛋白质的功能仍不清楚。 (五)类脂转移蛋白 膜类脂的组成与植物抗逆性的关系密切,而高等植物的类脂转移蛋白(lipid transfer proteins, LTP),特别是大麦BLT4基因家庭编码的膜类脂转移蛋白可能与膜脂饱和度的温度适 应有关。同样是大麦,不同组织有不同的类脂转移蛋白,它对低温,干旱,病害和 ABA 有不同的 响应。另外在根系中没有发现类脂转移蛋白,它们在线粒体与脂质体间转移类脂的功能也只 在体外被证实,这类蛋白如何改变膜脂饱和度尚无研究报道。 (六)激酶调节蛋白 激酶调节蛋白(kinase-regulated protein)是参与逆境信号转导的蛋白,它能调节多种功能蛋 白激酶的活性。例如,色氨酸,酪氨酸羟化酶依赖性激酶蛋白(14-3-3 蛋白)是一种动物中的激 酶调节蛋白。在拟南芥中发现的只受低温诱导的 RC114A 和 RC114B 具有与 14-3-3 蛋白相 似的结构特点,因而认为也是激酶调节蛋白。RC114A 和 RC114B 的 N 端区都有亲水和疏水 兼有的两亲性 α 螺旋,具有蛋白激酶 A 和 C 的识别位点。RC114A 和 RC114B 在经低温诱导 后可能通过调节激酶的活性参与低温信号转导。 (七)病程相关蛋白 病害对植物是一种生物逆境(biotic stress)。当植物被病原菌感染或用一些特定化合物处理 后,会产生一种或多种蛋白质。这类蛋白质首先是在烟草花叶病毒感染的烟草植株中检测到 的,目前已在烟草,豇豆,黄瓜,番茄,马铃薯,玉米,大麦和柑桔等 20 余种植物中发现,这些蛋白质 没有病原特异性,而是由寄主反应类型决定的,说明是寄主起源的。因为这些蛋白质都与病原 菌的感染有关,故称之为病程相关蛋白(pathogenesis-related protein, PR)。 (八)重金属结合蛋白 虽然一些重金属元素(如铜,锌等)是植物正常生长发育的必需营养元素,但当植物生长在 含有过高浓度重金属的土壤中时,这些重金属元素会对植物产生毒害作用。有些植物在遭受 重金属胁迫时,体内能迅速合成一类束缚重金属离子的多肽,这类多肽被称为重金属结合蛋白 (heavy metal binding protein)。根据植物重金属结合蛋白的合成和性质的差异,可将其分为类 金属硫蛋白(metallothioneins-like,简称类 MT 蛋白)和植物螯合肽(phytochelatin, PC)。迄今已 从番茄,水稻,玉米,烟草,甘蔗,菠菜等多种植物中分离出镉和铜结合蛋白。这些蛋白分子量很 低,富含半胱氨酸(Cys),几乎无芳香族氨基酸,通过Cys上的-SH基与重金属离子结合形成金属 硫醇盐配位。1981 年 Murashgi 在 Cd2+处理的裂殖酵母中发现两种分子量分别为 1.8kDa 和 4kDa 的镉结合肽,以后又在经 Cd2+处理的蛇根木悬浮培养细胞中分离出相同的多肽,将其称 为植物螯合肽。许多重金属离子,如 Cd2+,Pb2+,Zn2+,Ag+,Ni2+,Hg2+,Cu2+,Au+等都可诱导植 物螯合肽的合成。植物重金属结合蛋白,无论是类 MT 还是 PC,都含有丰富的半胱氨酸残基, 能通过Cys上的—SH与金属离子结合,因此推测它们可能起着解除重金属离子毒害以及调节 体内重金属离子平衡的作用。有人推测重金属结合蛋白可通过结合与释放某些植物必需营养 元素的离子如 Cu2+,Zn2+等,调节细胞内的离子平衡。 (九)冷驯化诱导蛋白 早在 1970 年,Weiser 就提出植物冷驯化导致某些特定基因的激活。后来研究发现,菠菜在