作物逆境生理

,*,Nanjing Agricultural University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,作物逆境生理,一、逆境生理的一般概念,1.逆境（stress, adversity）,自然界中作物（植物）所需要的某种物理的、化学的或生物的环境因子发生亏缺或超过其本身所需的正常需要水平而对植物的生理、生长发育及生物化学过程产生危害的环境因子总称。,旱害：干旱胁迫、水分胁迫轻微干旱利于光合、改善品质,热害：高温（气温、土温）,盐害：,冷害、冻害,大气污染：,2. 胁迫（stress）与胁变（strain）,Stress: 各种逆境对植物的作用力（影响力）（外力与引起的对抗力合称应力）,Strain: （应变物体受外力后所发生的大小、形状的变化）在胁迫作用下，植物所发生的形态、生理及生化变化,弹性胁变（elastic strain）：胁迫达到一定限度前除去胁迫，植物完全可恢复。,塑性胁变（plastic strain）：胁迫达到一定限度，除去胁迫，植物可部分恢复或完全不能恢复。,胁迫/胁变（stress/strainM）：物体刚性,抗逆性（resistance）：引起单位胁变所需胁强。与种性、锻炼程度相关。,3. 逆境伤害的类型,直接伤害：胁强很大或突然发生时，植物发生的细胞结构上的破坏（生理代谢来不及变化）plastic strain,间接伤害：胁强不太大，发生缓慢，引起细胞代谢变化elastic strain。,持续时间长，可能转变为plastic strain。,派生性伤害：某种胁迫不一定伤害植物，但胁迫引起的其他原因而使植物受害。,如：高温导致干旱等,4. 抗逆性,含义及表示方法：,含义：作物在逆境下能够自存、生长发育，并能获得一定产量的能力。,表示方法：resistance,宏观R=stress/stain单位胁变所需胁强,50%细胞死亡、50%电解质外渗量50%酶活性,50%光合速率下降,K50: killing point致死点,LD50：lethal dose半致死剂量,stress/strainM（module of elasticity，弹性模量）表示物体钢性大小。M越大，弹性越差。,作物对逆境的适应类型,避逆型：作物生长发育过程不与逆境相遇，避免逆境伤害。,御逆型：作物具有一定的防御逆境能力，在逆境下生理过程仍然保持较正常进行。,保持体内水分，与环境不达到热量平衡高w抗旱。,耐逆型：逆境可直接作用于细胞，但细胞可通过代谢， 降低修复逆境的伤害（与环境达到热力学平衡）气孔调节。,抗逆性的特点：,自身修复的重要性：消耗代谢能,弹性胁变：不产生伤害热力学上可逆,塑性胁变：代谢上可修复（一定范围内）,永久性伤害：不可恢复,持续时间的重要性,自身锻炼的重要性：在轻度逆境胁迫条件下，植物体以一种特殊的代谢方式逐步适应逆境或减轻逆境伤害的过程。,条件：遗传基础、环境条件（轻度逆境）。,断裂点,5. 植物抗逆生理机制的根本性问题,（1）生物膜结构与功能,膜脂肪酸饱和度：,低温、冰冻下，不饱和度越高、抗性越强。影响膜的流动性膜固化。,不饱和度越低，越有利于抗旱、抗高温（膜的流动性与膜上酶的功能）。,膜蛋白与抗逆性关系：,(2)渗透调节作用（抗旱、盐、低温等）,渗透调节物质的种类,渗透调节的生理作用（特别与光合作用的关系）,渗透调节作用强度在品种选育中的作用,渗透调节基因工程与渗透调节蛋白,（3）过氧化作用,假环式光合磷酸化：e-O,2,（4）逆境蛋白与基因表达,逆境下产生小分子蛋白，提高抗性（热激蛋白-HSP-heat shock protein）、渗调蛋白。,（5）光合碳代谢类型的转变,C3温和环境,C4干旱、高温,环境不同，代谢类型可能转变。,二、植物在逆境下的水分调节,（一）渗透调节概念,渗透调节（Osmotic adjustment）：植物在水分或盐分胁迫下，主地增加细胞内溶质浓度、降低,s,，从而降低,w,，使植物能从水势降低的介质中继续吸水，以维持,P,等生理过程。,渗透调整（Osmotic regulation）：低等植物和微生物在逆境下或高等植物在盐分胁迫下，通过细胞内溶质的增加或减少来调整,s,，使细胞与环境热能达到平衡，以抵抗环境胁迫的能力。,水结构调节：生物聚合体以疏水键结合，增加生物聚合体亲水能力，细胞质一定水势。,水活度调节：溶质浓度减少，溶质中水热力学变化。,溶质溶剂生物大分子,有人认为渗透调节是膨压调节、膨压维持。,（二）渗透调节的调节方式及原初机理,1.调节方式：,w,= ,s,+ ,P,高,w,低,w,继续维持吸水，保持体内水分平衡。,维持,P,基本不变，保证体内生理生化过程正常运转。,降低,s,的途径：,细胞变小，与生长有关，小细胞利于,P,维持，维持高的溶质浓度。,细胞内水分减少，溶质浓缩。,溶质浓度主动增加（真正意义上的渗透调节范围）,2. 原初机理,膜、电位变化,细胞受到水分胁迫时，细胞,P,迅速改变，引起膜受力部分紧缩或伸展，进一步影响膜厚度的变化，又引起膜原有的电场分布，导致质子泵及离子被动运输途径的改变。,束状法来藻：当细胞,P,增加时（02bar），出现K,+,的流入较稳定地减少，细胞压力增加时，流出稳定地增加，Cl,-,也表现出同样的趋势。,也有人认为是膜电位发生变化。,膜压膜电阻、电位改变转为粒子流或电信号，启动内部的生化反应。,盐分胁迫下，膜上质子泵启动，消解ATP，启动甘油合成。ADP可与水反应产生OH,-,，使细胞碱化（pH），影响到EMP（糖酵解），合成甘油，细胞内甘油大量合成，产生渗透调压。,ATP,ADP+Pi,H,2,O,ADP+H,+,OH,-,(pH),EMP,甘油合成,H,+,3. 渗透调节测定方法,（1）水饱和渗透势法,叶片水饱和5小时以上（最好处于光补偿点，防呼吸消耗过多） 放入塑料袋低温（-30 ）冰冻3小时以上取出室温下融冰40分钟左右压出汁液测定。,优点：根据直接判断渗调能力大小。,缺点：没排除质外体水，测定值往往高于实际值。,（2）,ln,RWC-,ln,s作图法,如果是直线，则无渗透调节能力（ s下降完全由RWC下降引起）,出现拐点，则有渗透调节能力，调节能力用RWC刚发生变化的s表示,需注意取样严格，最好将叶片一分为二进行测定。,（3） w ,P,作图斜率法,a: ,P,完全维持,b: ,P,部分维持,c: ,P,0,d: 细胞内基态s,P,/,w,越小，,说明渗调能力越大。,lnRWC,ln,s,0,1,P,w,-1,a,b,c,d,（4）有效,S,法,有效,S,：对生长真正起作用的,S,植物细胞,S,土壤或溶液,S,有效渗透势,（5）：PV曲线法,品种,ln,RWC-,ln,sw ,P,山东5870.68 -2.140.39,P-V曲线,借助PV 曲线计算可出每个供试小枝的以下水分参数:,膨压为,0,时的渗透势,(s,0,),、饱和含水时的渗透势,(s,100,）,膨压为,0,时的相对水含量,( RWC,0,),、和相对渗透水含量,(ROW,0,，渗透水是指存在于细胞原生质和液泡中的水分,其在外加压力下可被压出,也称为共质体水,(,Symplastic,water),、束缚水含量,(,Va,),膨压,(,p,),随叶水势,(,w,),下降而降低的速率,b,值,组织细胞总体弹性模量,(),：饱和含水时与膨压为,0,时的相应值求得。,(1) 充分紧张组织中的渗透水含量(RW C,s,) 和非渗透水量(RWCa)。,渗透水是指存在于细胞原生质和液泡中的水分, 其在外加压力下可被压出, 也称为共质体水(Symplastic water)。充分紧张组织中的RWC,s,可由PV 曲线中直线部分的延长线与横坐标轴的交点求得。,其余水分在组织无限加压条件下也不能被挤出,是存在于细胞外的水分, 包括细胞壁、细胞间隙、导管、死亡细胞空腔内的水分, 被称为非渗透水或质外体水(Apoplastic water) , 充分紧张组织中的非渗透水含量RWCa= 1-RWC,s,。,(2) 充分紧张组织中的原初渗透势(s,100,)。PV 曲线的直线部分的延长线与纵坐标轴的交点, 即为充分紧张组织中细胞原初渗透压的倒数, 其负值为s,100,。,(3) 初始质壁分离的渗透势(s,0,，此时膨压为0) 和渗透水含量(RW C,0,)。,在组织从饱和至萎蔫的失水过程中, 细胞液泡内的水分不断被挤出, 细胞也失水收缩, 由于细胞壁与细胞质收缩强度不一致,失水到一定程度时将出现质壁分离现象, 此时对应的组织水势即为初始质壁分离时的渗透势(s,0,) , 对应的相对含水量即为初始质壁分离时的渗透水含量RWC,0,。在PV 曲线上则为曲线转变为直线的转折点, 可以通过图解法或者求解由曲线部分和直线部分方程所组成的方程组的方法求得。,(4) 细胞弹性模量()。细胞弹性模量(Cellelastic modulus):, = dP/dRWC, 即单位相对含水量变化所引起的细胞膨压的变化, 可用于表示细胞壁弹性的好坏。,当组织含水量和水势下降时, 弹性较大的组织比弹性小的能保持较大的膨压。, 可以通过膨压与相对含水量间的关系求出。在植物组织失水过程中, 处于不断变化中,为了分析方便, 一般用植物处于水分饱和状态下的,max,来比较植物的细胞弹性模量。,max, (s,100, s,0,） (RWC,100,- RWC,0,)/RWC,100,PV曲线分析可与凌晨叶水势结合分析（predawn leaf water potential）,4. 影响渗透调节的因素,（1）遗传因素：渗透调节能力的有无、大小,小麦、高粱、棉花有，大豆、豇豆无,不同植物不同：,肉质阴生植物渗调能力5bar左右,旱生植物2030,盐生植物80,一般植物520,（2）器官类型和组织年龄,根系、叶片、下胚轴、花序、茎尖都有,小麦：茎尖、未完全展开叶片最强,玉米：叶片伸长区最强、成熟区很弱,小麦花期旗叶达17bar，倒三叶12bar（高渗品种）,（3）环境因素,水分胁迫程度、持续时间、光强、CO2、田间、温室、水分亏缺速率。,轻度中度水分胁迫较强，小麦则在强胁迫下不强,脱水速度：高粱1.78bar day,-1,，产生同样的渗调能力。,光强、CO,2,：影响光合产物,温度：低温更有利于渗调：利于物质积累,渗调能力与物质代谢有关,5. 渗调物质,(1) 必备的条件：,分子量小，易溶解,生理,pH,值内，不带净电荷,必须能被细胞膜保持住,引起酶结构变化的作用必须最小,酶结构稍有变化时，能使酶构象稳定,生成迅速，能积累至足以调节,s,的作用,(2) 渗透调节物质,无机离子：K,+,、Na,+,、Cl,-,、SO,4,2-,、NO,3,-,、Ca,2,+,、Mg,2+,K,+,（甜土植物）、Na,+,（盐土植物）,小s中K,+,占4868%,K,+,的优点：,以离子状态存在于胞内，不需合成分解,分子量小，相对体积绝对量质点量多，降低,s,作用大,正常时，细胞内大量存在，可随时调用，对细胞无害,促进其他物质（如蛋白质）的合成,水化半径小（,），,对原生质具水合作用，对酶及蛋白质有保护作用,Mg,2+,可调节叶绿体渗透势。,脯氨酸（Proline）,1954Kemble在受干旱的多年生黑麦草中发现,1977Stevart积累Proline积累的生理生化机制，提出是渗调物质,汤章城（19841986），发现外源Proline可解除高等植物的渗透胁迫（高粱），大田下解决干旱胁迫,各种胁迫均引起Proline 增加，具普遍性（如，正常植物Proline含量在0.2-0.7 mg g,-1,DW，干旱胁迫可增至40-50mg g,-1,，增加70200倍）。,但有人认为Proline主要作为细胞质渗调物质，而不是液泡的渗调物质,Leigh（1981）用甜菜根，分离出液泡，分别测定Proline，发现,细胞质/液泡15-98:1,Proline的前体：glu、鸟氨酸,Proline作用渗调物质的作用：,维持细胞与环境渗透平衡,对蛋白质（酶）有保护作用（结构调节）,Proline在70s末、80s初研究较多：,Proline作为抗旱指标，意见不一：,反对：有时不抗旱品种积累Proline多，而有时抗旱品种积累Proline多。,Hason用大麦品种，得出抗旱品种Proline积累多，而有人则作出相反的结论，其原因是用土壤含水量为指标，而未用RWC，即相同含水量下，植株RWC不同。,右图：截距为品种原有的Proline含量（本底含量），斜率代表品种在相同RWC时Proline含量，斜率越大， Proline积累越多。,RWC(%),Pro,结论：,抗旱品种Proline积累多，但必须用RWC为指标， Proline既可作为渗调指标，又可作为一个品种抗旱筛选指标。,甜菜碱,1975,年开始研究，,Storey(1975),发现干旱大麦叶片积累甜菜碱。,Hitz(1980),报道，水稻、谷子、高粱、玉米积累较少，而小麦、大麦等积累较多,Barnum(1981),在盐分胁迫下，盐土和甜土植物均积累甜菜碱,Hason(1978),比较大麦,Proline,和,甜菜碱的积累速率：在正常条件下，二者含量比为,1:11,，水分胁迫下，,Proline,在,10,分钟内积累，而甜菜碱在,24,小时后积累，但二者积累速率相同。复水后，,Proline,立即减少，而甜菜碱基本不减少。,因此，甜菜碱在植物体内稳定，是最好的抗干旱物质。,Laulor(1978),发现，在水分胁迫下，玉米叶片光呼吸增加，,14,C,饲喂叶片，,CH,2,OH(,14,COOH),（,Gly, Ser,），,14,C,很快进入甜菜碱。因此，光呼吸增加部分主要用于合成甜菜碱,胆碱可直接合成甜菜碱,甜菜碱在胞质中远大于液泡中，是胞质渗调物质。,可溶性糖及游离氨基酸,蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖，不同作物起主要作用的糖类不同。如小麦以蔗糖为主。,游离氨基酸：天门冬氨酸（Asn）、Glu、Gly、Ala、Leu等。,从来源上看，是大分子分解产物，属破坏性调节。,来源：,蛋白质、淀粉合成受抑，分解加强,光合直接形成低分子蔗糖与氨基酸,从植物体的其他部分调入,甘油：,主要在低等植物中起作用。,合成途径：光合途径合成、呼吸途径合成,渗透调节机理：,以K,+,等无机离子为主，主要调节液泡渗透势，维持,P,等生理过程。,以Proline等有机溶质为主，维持细胞质、液泡的渗透平衡，且对蛋白质有保护作用。,6. 渗透调节的生理作用,（1）维持,P,，维持其他生理过程，如：,水分胁迫下，水稻,w,下降，而,P,基本不变,苹果7-9月s 下降3bar左右，而,P,基本不变,小麦中午,s,100,下降最多，证明中午前后渗调发挥能力最大，最大调节能力0.35MPa。,P,的维持还可通过胞壁的弹性来维持，但一般表现在幼嫩细胞，且主要发生在双子叶植物。说明,P,的维持主要是渗透调节作用引起的。,中午时间,s,100,（2）保持细胞持续生长,P,与生长呈线性关系,如，恒压培养下， ,P,变化对生长无作用,Greecen(1976)：土壤,w,变动1-8bar，由于小麦根系渗透调节作用，可维持根系生长基本不变。,玉米叶片生长与渗调有一定关系,细胞临界,P,：细胞生长刚好停止时的,P,（3）维持气孔开放，保持光合正常进行,维持保卫细胞,P,，气孔开放，在高CO,2,下，渗调能力强，有利于光合，促进渗调能力。,渗调维持,P,过程：,渗调,P,维持,维持气孔开放,光合机构调节,RuBPCase活性,RuBP再生,光合电子传递,维持PSII活性,提高光能利用率,影响光合作用,PSII对水分胁迫敏感,（4）推迟卷叶（leaf rolling）,Leaf rolling是对逆境的一种适应，有人认为引起光合能力降低，但可短期渡过伤害。,随叶卷增加，w下降，同一叶卷，抗旱品种水势下降幅度大，说明渗调能力强。,胁迫下，渗调能力强的品种，卷叶推迟，利于光合维持和抗旱。,卷叶越快，对沙漠植物越有利，但二者机理不同，后者渗调能力不一定强。,-0.4,-2.0,w,叶卷级,8,7,6,5,4,3,2,1,0,7. 渗透调节在植物抗旱育种中的应用,（1） 渗透调节与植物抗旱性的关系,有人认为无关：如Turner(1978)发现高粱抗旱与不抗旱品种渗调能力相同，主要是根系吸水、传导能力不同,有人认为呈正相关：如玉米、向日葵、小麦、棉花和高粱的大部分品种。,(2)渗调能力与产量,有人认为呈正相关：,如Morgan(1983)发现，同等干旱水平下，渗调差的品种产量仅为1吨/ha，强的产量达2.5吨/ha。软粒小麦渗调强的比弱的产量高11-17%，硬粒高1%。,渗调能力(x)与产量(y)呈正相关y=a + bx,拔节期y=6.0859+169.15x (r=0.9441*),孕穗期y=2.4049+210.96x (r=0.9883*),开花期y=5.3112+256.27x (r=0.9558*),灌浆期y=9.0822+208.24x (r=0.9387*),乳熟期y=8.7883+253.47x (r=0.9456*),平均y=2.5602+84.59x (r=0.9888*),温室中、苗期y=4.9256+129.51x (r=0.9768*),(3)渗透调节作用在抗旱育种中的作用,Songlen(强) Conder(弱),小麦,F4,SC1渗调强,叶片w=-30bar,P,=0 bar,SC渗调弱,叶片w=-18bar,P,=0 bar,F6,渗调强的产量高于弱的,谢谢,