植物逆境生理研究进展

1、第二章 植物逆境生理研究进展,一、基本概念与研究意义,二、植物逆境生理的类型及生理表现,三、应用于植物逆境生理研究中的几个参数,四、高羊茅逆境生理研究进展,一、基本概念与研究意义,逆境（environmental stress）是对植物生长和生存不利的各种环境因素的总称，又称胁迫。植物在逆境下的生理反应称为逆境生理。,二、植物逆境生理的类型及生理表现,1. 干旱胁迫生理,2. 冷害生理,3. 冻害生理,4. 热害生理,5. 涝害生理,6. 盐胁迫生理,7. CO2胁迫生理,1. 干旱胁迫生理,在一定的环境条件下，当植物蒸腾消耗的水分大于吸收的水分时，植物体内就会出现水分亏缺，即发生干旱胁迫（water stress）。在干旱胁迫情况下，植物体内会发生一系列相应的生理生化变化，主要表现在以下方面：,（1） 生长受到抑制,（2） 光合作用减弱,（3）内源激素代谢失调,（4）氮代谢异常,（5）酶系统发生变化,（6）糖代谢发生变化,（1） 生长受到抑制,植物的生长对水分逆境高度敏感，特别是叶子，轻度的水分亏缺就足以使叶生长显著减弱。,不同程度的水分胁迫对玉米株高影响,当叶水势降到-0. 62

2、Mpa时，株高只有对照的 81%; 当叶水势降到-1. 00 Mpa时，株高只有对照的 59%。,水分亏缺对生长的影响有直接的和间接的2 种:,直接影响是缺水时细胞紧涨度降低，使细胞不能增大和正常分裂。 间接影响是通过缺水对光合作用的不利效应而影响生长。,（2） 光合作用减弱,研究发现，随土壤水势的降低，植物的光合速率会显著下降。 在干旱胁迫下植物光合速率受抑制的原因: 对CO2 同化的气孔性限制，指水分胁迫使气孔开度减小，气孔阻力增大，限制了植物对CO2的吸收，致使光合作用减弱。 对CO2 同化的非气孔性限制, 是指水分胁迫使叶绿体的片层结构受损，希尔反应减弱，光系统活力下降，最终表现为叶绿体的光合活性下降。,（3）内源激素代谢失调,干旱胁迫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。如研究发现，小麦萎焉4 h后，其叶片中ABA含量增加了近10 倍。研究还证实，干旱时ABA 累积是一种主要的根源信号物质，经木质部蒸腾流到达叶的保卫细胞，抑制内流K+ 通道和促进苹果酸的渗出，使保卫细胞膨压下降

3、，引起气孔关闭，蒸腾减少。,（4）氮代谢异常,在干旱胁迫下，由于核酸酶活性提高，多聚核糖体解聚及ATP合成减少，使蛋白质合成受阻。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。,（5）酶系统发生变化,在干旱胁迫情况下，植物细胞内酶系统总的变化趋势是: 合成酶类活性下降，水解酶类和某些氧化还原酶类活性增高。 如有研究证实，在水分胁迫下，植物叶绿体中与光合有关的酶类活性下降，而核酸水解酶活性升高。 在水分胁迫下，植物保护酶体系的主要酶类SOD、CAT、POD活性表现出上升和下降2 种不同的变化趋势。 耐旱植物在适度的干旱条件下SOD活性通常增高，清除活性氧的能力增强。 干旱敏感型植物受旱时，SOD活性通常降低。 CAT与POD活性的变化表现出与SOD相同的趋势。,（6） 糖代谢发生变化,在水分胁迫情况下，植物体内的可溶性糖含量通常会增加，这是植物对干旱胁迫的适应性反应。 如对北美短叶松、黑云杉和克里米亚松的研究表明，上述树种苗木遭受水分胁迫后，其针叶内的三糖(如棉子糖) 和双糖(如蔗糖)会分解，而单糖(如葡萄糖和果糖)会聚积。,2. 冷害生理,冷害chilling

4、injury是指 0以上低温对植物所造成的伤害。许多热带和亚热带植物，由于长期在温度较高的环境下生存，不能忍受 0 10的低温，而常常发生冷害。植物对冷害的生理生化反应主要表现在以下几方面：,（1）根系吸收能力下降,（2）膜系统受损,（3）物质代谢失调,（4）呼吸代谢异常,（1）根系吸收能力下降,低温影响植物根系的生命活动，根生长减慢，吸收面积减少，细胞原生质黏性增加，流动性减慢，呼吸作用减弱，供能不足，结果使植物体内矿质元素的吸收与分配受到限制，影响植物正常生长。,（2）膜系统受损,研究表明，在低温胁迫下，植物细胞膜透性增加，细胞内可溶性物质大量外渗，最后引发植物代谢失调。,（3）物质代谢失调,植物遭受冷害后，水解酶类活性常常高于合成酶类活性，酶促反应平衡失调，物质分解加速。表现为蛋白质含量减少，可溶性氮化合物含量增加，淀粉含量降低，可溶性糖含量增加。活性氧清除系统活性下降，活性氧积累，引起膜脂过氧化伤害。如黄瓜、西红柿等喜温植物在 0时，过氧化氢酶活性显著下降，致使过氧化氢积累而使细胞膜系统受到破坏。,（4）呼吸代谢异常,冷害使植物的呼吸速率大起大落，即先升高后降低，冷害初期呼吸作

5、用增强与低温下淀粉水解导致呼吸底物增多有关。但较长时间之后，线粒体发生膜脂相变，氧化磷酸化解偶联，有氧呼吸受到抑制。,3. 冻害生理,冻害freezing injury是指冰点以下的低温使植物组织内结冰引起的伤害。植物遭受冻害的程度与植物种类、器官、生育时期和生理状态等因素有关。不同植物所能忍受的温度不同。在冬季来临之前，植物为适应低温而发生的生理生化变化主要有以下方面:,（1）含水量降低,（2）保护物质积累,（3）脱落酸含量增高，促使植物进入休眠,（1）含水量降低,从秋季开始，随着气温和土温的下降，植物根系的吸水能力减弱，组织的含水量降低，而束缚水的相对含量增高。由于束缚水不易结冰，也不易流失，因此减少了细胞结冰的可能性，同时也可防止细胞间结冰引起的原生质过度脱水。因此，束缚水/自由水的相对含量与植物的抗冻性呈明显的正相关。,（2）保护物质积累,可溶性糖是植物抵御低温的重要保护性物质，能降低冰点，提高原生质保护能力，保护蛋白质胶体不致遇冷变性凝聚。 脂肪也是保护物质之一，它可以集中在细胞质表层，使水分不易透过，代谢降低，细胞内不易结冰，亦能防止细胞过度脱水。,（3）脱落酸含量增高，促

6、使植物进入休眠,随着秋季日照的缩短和气温的降低，植物体内的激素发生了明显变化，主要表现为生长素和赤霉素减少，脱落酸增加并被运输到茎尖，从而抑制细胞分裂与伸长，促使植物停止生长，进入休眠。,4. 热害生理,热害heat injury是指高温胁迫high temperature stress对植物造成的伤害。在高温胁迫下，植物会出现各种热害反应，其中直接的反应有：,（1）蛋白质变性,（2）膜脂液化,（3）植物在高温胁迫下的间接生理反应,（1）蛋白质变性,由于维持蛋白质空间构型的氢键和疏水键的键能较低，因此，高温易使上述键断裂，破坏蛋白质的空间构型，失去二、三级结构，使蛋白质分子展开，失去原有生理活性。,（2）膜脂液化,在高温作用下，构成生物膜的蛋白质与脂类之间大键断裂，使脂类脱离膜而形成一些液化的小囊泡，从而破坏了膜的结构，导致膜丧失选择透性与主动吸收的特性。,42胁迫 36h 的电导率能有效区分品种间耐热性的差异,（3）植物在高温胁迫下的间接生理反应则主要有如下表现:,1)有毒物质积累。在高温胁迫下，植物组织内氧分压降低，使无氧呼吸增强，从而积累乙醛、乙醇等有毒物质。植株在正常条件下，S

7、OD等活性氧清除剂能有效地清除体内破坏力极强的活性氧。但许多逆境能破坏植物体内活性氧代谢系统的平衡，使SOD活性降低。,2)生长受抑制。孟焕文等 2000 研究了黄瓜幼苗对热胁迫的反应，发现黄瓜胚根伸长和侧根发生在 38条件下最快，42受抑制，45完全抑制; 同一温度下，耐热性越强的品种胚根伸长越快。38下胁迫 60 72h ，胚根长度能明显区分品种间耐热性差异，可作为黄瓜耐热性鉴定指标之一。,3) 蛋白质合成受阻。在高温胁迫下，蛋白质不但降解加速，而且合成受阻。孟焕文等2000 的研究发现，遇热胁迫后，黄瓜热激蛋白合成启动，可溶性蛋白含量增加，强耐热品种对高温反应迟钝，热激蛋白诱导温度高，而弱耐热品种对高温反应敏感，热激蛋白诱导温度低，给予较高温度后，热激蛋白合成受抑制，可溶性蛋白含量下降。,5. 涝害生理,涝害flood injury是指土壤水分过多对植物产生的伤害。水分过多的危害并不在于水分本身，而是由于水分过多引起缺氧，从而产生一系列危害。植物对涝害的生理反应主要表现在以下几个方面：,（1）乙烯含量增加,（2）呼吸代谢紊乱,（1）乙烯含量增加,许多研究指出，在淹水条件下，植物体

8、内乙烯含量增加。如水涝时，向日葵根部乙烯含量大增，美国梧桐乙烯含量提高10 倍。现有研究证实，水涝促使植物根系大量合成乙烯的前体物质 ，这些物质上运到茎叶，接触空气后即转ACC变成乙烯。,（2）呼吸代谢紊乱,遭受涝害胁迫后，植物的有氧呼吸受到抑制，无氧呼吸加强， ATP合成减少，同时积累大量的无氧呼吸产物，如丙酮酸、乙醇和乳酸等。研究结果表明，许多植物被淹时，苹果酸脱氢酶(有氧呼吸)含量降低，乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶(无氧呼吸)含量上升。有人建议，可以用乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶活性作为指示植物遭受涝害程度的指标。,6. 盐胁迫生理,土壤中盐分过多对植物生长发育造成的危害叫盐害salt injury 。植物对盐胁迫的生理反应有以下几个方面：,（1）产生渗透胁迫,（2）离子失调,（3）打破植物的能量平衡,（4）有毒物质积累,（1）产生渗透胁迫,土壤中可溶性盐分过多使土壤水势降低，导致植物吸水困难，造成生理干旱。如有证据显示，盐胁迫对树木生长的影响是间接的，它是通过降低水势而起作用的。由于水势的降低，影响了植物对水分和养分的吸收，导致生理干旱和养分亏缺。这种作用是盐害最重要的短期效应,（2）离子

9、失调,土壤中某种离子过多往往排斥植物对其它离子的吸收。例如，小麦生长在Na+ 过多的环境中，其体内缺K+ ，而且对Ca 2+、Mg 2+ 的吸收亦受阻。还有研究认为，盐离子对植物有更直接的毒害方式，即盐离子会打破植物细胞内的离子平衡，从而使植物代谢紊乱。,（3）打破植物的能量平衡,盐胁迫对植物造成伤害的另一个可能的途径是，盐害会打破植物的能量平衡。能量平衡的打破是由于ATP 的减少或碳水化合物转移的减少造成的。能量平衡的打破还可能因为光合作用的产物由生长转向了渗透调节、生长调节物质产生了变化、维持呼吸和离子运输的能量增加等。,（4）有毒物质积累,盐胁迫使植物体内积累有毒物质，如大量氮代谢的中间产物，包括NH3 和某些游离氨基酸(异亮氨酸、鸟氨酸和精氨酸)转化成具有一定毒性的腐胺，它们又可被氧化为NH3和H2O2。所有这些有毒物质都会对植物细胞造成一定的伤害。,7. CO2胁迫生理,CO2是植物光合作用的原料，过低的CO2浓度必定会对植物的光合作用造成不利影响。如果CO2浓度不足，不但不能满足光合作用的需要，还会加速光呼吸作用。,三、应用于植物逆境生理研究中的几个参数,1. 叶绿素荧光,2. 气体交换参数,3. 碳同位素分辨率,4. 糖类化合物含量,1. 叶绿素荧光,在一个有生命的植物体中，被叶绿体吸收用于光合作用的部分光能会以红外长波光的形式反射出去。这一现象被称为Kautsky 效应或简称为FVAR ，也就是叶绿素荧光反应。从叶绿体膜中反射出的红光与光合作用的主要过程有关，包括光的吸收、能量转换的激活和光系统II的光化学反应。叶绿素荧光反应是植物光化学反应的指标，与物种、季节、环境、样品情况和其它影响植物生理作用的因素有关。因此，可测定叶绿素荧光的变化来反映植物对环境胁迫的反应。与其他苗木生理状况评价方法相比，叶绿素荧光测定具有快速、无损、精度高和费用低的特点，特别是用于监测胁迫对光合系统的影响方面。,2. 气体交换参数,气体交换gas exchange参数主要包括气孔导度stomatal conductance to w

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