植物营养的分子生物学：Chapter8 salt stress.ppt

Chapter 5 MOLECULAR PHYSIOLOGY AND ENGINEERING OF PLANT RESISTANCE TO SOIL ENVIRONMENTAL STRESS,Molecular aspects of plant responses to the stresses of water deficit and salinity; Transgenic plants as valuable tools to study stress resistance,Plant cell,盐胁迫对植物的伤害,盐胁迫主要包括渗透胁迫、离子毒害和离子不平衡或营养缺乏，使植物生长受抑制，光合下降，能耗增加，加速衰老，植株最终因碳饥饿而死亡 渗透和离子效应 盐分对膜和酶类的直接伤害 活性氧伤害 光合抑制 能耗增加，加速衰老,盐 害,渗透胁迫,离子胁迫,必需元素缺乏,生长抑制,早 衰,碳 饥 饿,一般地，Na+的毒害大于Cl- 例如：大麦耐Na域值：2.1-2.5mmol/gDW 耐Cl域值：4.2-4.8mmol/gDW,盐渍下的渗透和离子效应,盐分对植物尤其是淡土植物的伤害不仅是渗透效应，更主要是离子效应 离子效应主要表现在两个方面：一是离子过量，二是离子亏缺。

盐敏感植物盐不能有效地从蒸腾流中排除盐分从而在蒸腾时间最长的叶片中迅速累积到毒害水平时，即超出细胞将盐分区域化的能力从而在比液泡体积小的多的胞浆中迅速积累，抑制酶的活力，对K+、Ca2+ 等离子的吸收也会受到抑制；或积累在细胞壁，使细胞脱水, 无论哪种情况，细胞都会很快死亡，导致叶片枯萎或脱落盐分对膜和酶类的直接伤害,盐分直接伤害细胞膜高浓度NaCl可置换质膜和细胞内膜系统所结合的Ca2+，膜所结合的离子中Na+/Ca2+ 增加，膜完整性及膜功能改变，促进细胞内K+、磷和有机溶质的外渗，细胞K+/ Na+下降，抑制液泡膜H+-PPase(焦磷酸酶) 活性和胞质中H+ 跨液泡膜运输，跨液泡膜的pH梯度下降，液泡碱化，不利于Na+ 在液泡内积累，并且还诱导气孔关闭等活性氧伤害,过量Na+、Cl- 抑制植物的光能利用和CO2同化，促进活性氧的生成和膜脂过氧化或脱酰化，并对蛋白质和核酸等造成损伤,光合抑制,盐胁迫降低植物的光合作用 在短期盐胁迫下，大麦叶片叶绿素和叶绿体膜蛋白含量下降，气孔导度下降 在较长期盐胁迫下，叶肉导度和光合面积下降是植物生长受抑的主要原因叶肉阻力增加的主要原因是离子浓度增加 盐胁迫下叶片中Na+、Cl- 浓度过高，虽然K+、Ca2+ 含量下降，但阳离子总量明显升高,植物的耐盐性与耐盐机理,耐盐性(Salt tolerance)是指植物在盐胁迫下维持生长、形成经济产量或完成生活史的能力。

耐盐性,稀盐,泌盐（排盐）,拒盐,促进吸水 （肉质化）,加快 生长速率,盐腺排盐,老叶优先积累盐分并脱落,拒绝盐分进入植物 体,拒绝向地上部运输盐 分,细胞耐盐机理,细胞主动调节离子平衡的途径：细胞对K-Na的选择性吸收，维持高的K/Na, 排Na, 离子在液泡中的积累 渗透调节:无机离子进行的，较经济但大量会毒害细胞 有机物质进行的，造成能耗相容性物质的合成与渗透调节,双子叶盐生植物：无机离子对的贡献：65% 90%，平均80% 单子叶盐生植物：无机离子对的贡献：45% 70%，平均55%Pro,Na+,Pro合成的启动时，Na+具有调控作用 Pro的合成对Na+ 的吸收有阻塞作用，可以调节离子的吸收平衡水/盐胁迫下脯氨酸(Pro)累积主要通过3种不同的途径实现的,效应细胞的从头合成：Glu途径；Orn途径 Pro降解过程的降低 Pro特异性运输系统的参与，实现脯氨酸“源”（效应细胞等）到“库”（靶细胞等）的分配,谷氨酸（Glu) r-谷氨酰半缩醛（GSA) P5C Pro 脯氨酸,P5CS,自发环化,P5CR,P5CS：吡咯啉-5-羧酸合成酶脱水、ABA可激活其活性使其转录水平上升 P5CR：吡咯啉-5-羧酸还原酶。

脱水、ABA可激活其活性其蛋白量、酶活、转录水平均上升,关键酶,脱水、ABA,激活,Pro,抑制,甜菜碱存在于菊科、禾本科、藜科等高等植物中,甜菜碱被认为是最有希望的植物渗透调节剂之一 积累甜菜碱的植物比积累脯氨酸的对胁迫耐受性高 CMO: 胆碱单加氧酶 BADH:甜菜碱醛脱氢酶胆碱,甜菜碱醛,甘氨酰甜菜碱,CMO,BADH,限速步骤,盐渍、干旱,Na+, Cl-，K+,脯氨酸,甜菜碱,K+,Vacuole,许多盐生植物是吸盐型植物，进入体内的盐分通过细胞层次的区隔化分配，积累于液泡中，细胞质中主要以小分子有机溶质如脯氨酸和甜菜碱，以及K+ 等维持渗透势的平衡淡土植物多数为拒盐型植物，对盐分吸收的适度控制，盐分在不同器官、组织和细胞层次上不均一分配的协同作用，以及地上部盐分通过韧皮部向地下部的运输等来维持地上部，特别是光合细胞中相对较低的盐分浓度 + +,- - -,pH6.5,pH7.5,pH5.5,- - -,+ + +,细胞膜正常电位差:-100mV 膜电位超(过)极化:低于-100mV, 如:-120mV膜电位去极化:高于-100mV, 如:-80mV 膜电位脱极化:内正外负,电生理技术： 膜片钳技术（Patch clamp技术）是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜上离子通道分子活动的技术。

离子选择性微电极技术,ATP,ADP,H+,Na+,H+,ATP,K+,Cation+,质膜ATP酶（P型H+-ATPase） 结合在细胞膜上，通过水解ATP产生的能量，把细胞质中的H+ “泵”出质膜, 从而建立跨膜pH梯度和电势差，即质子驱动力（H+），为其它离子和溶质的跨膜运输（次级运输）提供动力NaCl可以调节编码P型ATPase的基因表达，而且在盐生植物体内的反应更快，盐胁迫下植物细胞中由于Na+ 积累，细胞质酸化，促进P型ATPase活性 次级运输系统 由通道和载体组成通道允许离子跨膜的迅速扩散，它受膜势调节；溶质通过载体的运输要慢的多，分别通过单向运输、共运输或逆向运输进行细胞对Na+的吸收机理未完全清楚,ATP,ADP+Pi,H+,H+,Na+,NH4+,氨基酸 H+,H+,ATP,ADP+Pi,K+、Na+ 、Cl- 跨细胞膜运输,低亲和K+ 运输系统（即内整流K+ 通道，inward rectifying K+ channel）0.3mM 内整流阳离子（K+ ）通道 非选择性阳离子通道 高亲和K+ 运输系统（即K+/H+共运输）， K+/Na+共运输? Cl-/2H+ symporter 阴离子（Cl-）通道,内整流K+ 通道,K+,K+,外整流K+ 通道,ATP,ADP+Pi,K+,H+,H+,Na+,Cl-,Cl-,H+,盐分区域化和渗透调节,液泡是植物成熟细胞最大的细胞器，能贮存营养和代谢产物，避免有毒溶质对细胞质的伤害，大大提高细胞质表面积与体积之比，有利于细胞与环境间的物质交换，在细胞化学能利用、信号转导、膨压调节和耐盐性中起重要作用。

盐生植物和耐盐淡土植物细胞所吸收的Na+、Cl- 主要分布在液泡中，可减少高浓度盐离子对生命大分子物质的毒害；同时降低液泡渗透势，减轻细胞的渗透胁迫cytoplasm,vacuole,NO3-: 10-80mM Cl-: 7-40mM Malate:5-100mM,NO3-: 2-10mM Cl-: 3-10mM Malate:1-5mM,盐胁迫下碱蓬叶片细胞质和液泡中Na+ 的浓度分别为109和565mmolL-1, 碱蓬细胞液泡中可积累高达500 mmolL-1 Cl-滨藜细胞中96.5%的Na+ 积累在液泡中，80.3%的Cl- 贮存在液泡内比较大麦原生质体与液泡无机离子浓度时，发现细胞吸收的NO3- 和Na+ 主要积累在液泡，液泡中的NO3- 占细胞的99%. 有些元素如K+ 的细胞质浓度可能与液泡相等或稍高于液泡，但由于液泡体积是原生质体积的10倍左右，因而液泡贮存量远大于细胞质碱蓬叶片,Na+: 109mM Cl-:7-40mM NO3-: 2-10mM,Na+: 565mM Cl-: 500mM NO3-: 10-80mM,离子跨液泡膜运输,液泡膜H+-ATP酶（V型H+-ATPase）和焦磷酸酶（TP-H+ -PPase）分别依赖水解ATP和PPi，将细胞质H+ 传递到液泡内。

建立跨液泡膜pH梯度和电势差，即质子驱动力（H+），为其它离子和溶质的跨液泡膜运输（次级运输）提供动力vacuole,- - - + + +,ATP,ADP,PPi,2Pi,H+,H+,Na+,H+,Cl-,植物能否在盐渍中生存关键在于细胞能否把进入的Na+、Cl- 等离子积累在液泡中盐分积累于液泡中是维持细胞质中高K+/ Na+ 的最有效机理之一许多结果证明，盐胁迫下，依赖液泡膜质子泵所产生的质子驱动力，Na+ 通过液泡膜与H+ 逆向转运（Na+/H+ antiport）进入液泡而液泡膜离子通道则可能是Cl- 进入液泡的主要途径 vacuole,- - - + + +,ATP,ADP,PPi,2Pi,H+,H+,Na+,H+,Cl-,GSH-Ascorbinsure Zyklus,Redox-Puffer GSH/GSSG,From Noctor rRNA was detected after staining with ethidium bromide.,NaCl induction of AtNHX1 or 2 expression requires ABA. Fourteen-day-old seedlings of wild-type (Col-0 gl1) or aba2-1 were cultured into fresh medium without (control) or supplemented with 160 mM NaCl or 100 mM ABA and maintained for 5 h. Northern blot analysis was conducted as described in Experimental Procedures. Ribosomal RNA (rRNA) was detected after ethidium bromide staining.,Tonoplast localization of AtNHX2:GFP. Transient expression in onion epidermal cells of an AtNHX2:GFP translational fusion product was visualized by epiuorescence microscopy. GFP uorescence is concentrated to the vacuolar membrane. (a) The large vacuole (v) of onion epidermal cells occupies most of the cell volume. (b,c) The tonoplast (tp) follows the cell contour except in the nuclear region where the tonoplast detaches from the cell surface. (d,e) Transvacuolar strands of cytoplasm (tvs) spanning the cell body. Note that the transvacuolar strand depicted in (d) is lined by two tonoplast membranes. Bar = 50 mm.,Figure 9. Hyperosmotic and i。