11第十章植物的抗性生理.ppt
《11第十章植物的抗性生理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《11第十章植物的抗性生理.ppt(171页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1,第十章 植物的抗性生理 Chapter 10 Hardiness Physiology,第一节 抗性生理通论 第二节 植物的抗旱性 第三节 植物的抗寒性 第四节 植物的抗涝性,2,第一节 抗性生理通论 Section 1 Generality of Hardiness,一、逆境及其种类,逆境(Stress):对植物生存与生长发育不利的各种环境因素的总称,又称胁迫,如干旱,低温等。,3,非生物逆境: 物理因素:低温、高温 、干旱、水涝、辐射 、风、雨、雪等。 化学因素:盐类、离子 、气体、除草剂等。,逆境种类 生物逆境: 其它生物的感染或竞争,包括病害,虫害,杂草。,4,Yield Loss
2、es From Biotic and abiotic Stresses,1333kg/mu,5,生 物 胁 迫,6,抗性方式 逆境逃避(Stress avoidance):防止接触胁迫。 逆境忍耐(Stress tolerance):植物抵抗胁迫。,二、抗性及其方式,抗性(Hardiness):植物对逆境的适应性和抵抗力叫抗逆性,简称抗性,如抗旱性,抗寒性等。,7,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。,8,三、逆境对植物的影响 膜结构损坏,膜透性、膜酶活性改变 光合下降 呼吸异常 可溶性物质增加:如糖类,游离氨基酸等. 激素浓度改变:IAA,GA,CTK下
3、降;ABA,Eth升高,9,四、植物抗逆的生理生化基础 1.生物膜与抗逆性 研究表明:膜脂不饱和脂肪酸含量越高,不饱和度越高,抗寒性越强。 有人认为:逆境下,膜蛋白越能维持活性,抗逆性越强。,10,2. 逆境蛋白与抗逆性,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。,非生物胁迫通常引起植物基因表达模式发生改变,11,热激蛋白(heat shock protein):在高于正常生长温度1015 以上的温度即热激( heat shock ,HS) 下, 生物体大部分
4、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(heat shock proteins , HSPs ) ,这种现象叫做热激反应( heat shock response,HSR) 。,12,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。,13,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。 目前已发现几十种热激蛋白,属于5个蛋白质家族。近来发现其中
5、很大一部分为监护蛋白(Chaperone,Cpn),是一种辅助蛋白分子,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。,14,Heat Shock Cognate Protein,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 (heat shock cognate protein) 。HSC 和诱导型HSP 在结构和功能上都很难区分, 统称HSP。,15,热激反应的特点,16,1)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
6、大于65 %。,17,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 %。,18,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 %。,19,20,21,22,2)热激反应的短时性,Northern blots 分析表明,热激时35 min 就可检测到大豆幼苗HSP mRNAs 的积累, 12 h 达到高峰,
7、 6 h 后显著下降, 12 h 就检测不出了。 放射性标记显示, 氨基酸渗入HSPs 在4 h 达到高峰,随后下降。,23,RNA blot hybridization of RNA samples obtained from seedlings subjected to different heat stress treatments to analyze maize HSP101 mRNA levels.,24,25,3)热激蛋白的多样性,HSPs 的种类很多,分子量从15 kD110 kD 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 、92 kD
8、 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。,26,热激蛋白的主要功能,27,1)分子伴侣,分子伴侣(molecular chaperones) 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。,28,低温诱导蛋白: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
9、的适应能力。已发现上百种低温诱导蛋白。如鱼抗冻蛋白能与水分子形成特殊结构,使冰点降低1.5。,许多低温调节蛋白也可以被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。,29,2)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。,30,31,3)在植物种子发育中的作用,In the absence of environmental stresses, synthesis of sHsps in pl
10、ants is restricted to certain stages of development, such as embryogenesis, germination, pollen development, and fruit maturation.,32,In Arabidopsis embryos, cytosolic AtHsp17.4-CI and AtHsp17.6-CI (former name AtHSP17.4 and HSP17.6), and AtHsp17.7-CII begin to accumulate when seeds enter mid-matura
11、tion stage and are abundant through the late maturation stage and in dry seeds,33,In pea and sunflower, both cytosolic class I and class II sHsps appear in embryos during reserve synthesis and increase in abundance in mature seeds.,34,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
12、与种子贮藏蛋白的合成。,35,4)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。,36,抗冻蛋白 Antifreeze proteins(AFP),Overwintering plants produce antifreeze proteins (AFPs) having the ability to adsorb onto t
13、he surface of ice crystals and modify their growth.,37,抗冻蛋白的分离和特性鉴定,自1992 年加拿大Griffith第一次从冬黑麦中获得植物AFP 以来, 已先后从冬大麦、小麦、燕麦、沙冬青和胡萝卜等质外体中获得AFP (antifreeze proteins,AFPs) 。 AFP 在体外水溶液中均表现出典型的热滞效应(降低冰点)和重结晶抑制活性。AFP 主要通过重结晶抑制作用来避免冰晶体对细胞组织的伤害。 植物生理学的研究结果揭示, 植物抵御冻害的途径主要有2 条: 一是避免细胞内冰晶的形成和阻止冰晶的生长, 二是维持细胞膜的结构稳定
14、性和蛋白质核酸的生物活性。抗冻蛋白及其基因的研究是其中的一项重要内容。,38,抗冻蛋白的生化特征,从极区鱼、昆虫到植物,不少具有AFP 特性的蛋白质被发现,它们有糖蛋白,也有非糖基化蛋白,分子量大小不等, 进一步的化学结构只有鱼类研究得比较清楚。总体上来看, 鱼、昆虫和植物3 类生物之间AFP 的化学结构差异很大,同类生物之间的AFP同源性也不高。但在植物AFP 中发现了一种有趣的现象,即AFP 与某些抗病蛋白具有化学结构上的相似性。,39,Cloning and characterization of plant antifreeze protein genes,黑麦、小麦和大麦AFP 中存
15、在着-1,3 葡聚糖酶, 几丁质酶和甜蛋白结构与功能类似的多肽。 胡萝卜AFP 富含亮氨酸, 与多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白 ( polygalacturonase inhibitor proteins, PGIPs) 的不少成员有很高的同源性。,40,植物抗冻蛋白的 基因工程,1998 年10 月英国York 大学的Dawn Worrall 等发表了胡萝卜AFP 及其基因的论文, 标志着第一个植物AFP 基因的发现, 对于植物抗冻基因工程具有非常重要的意义。在此之前, 只有鱼类4 种AFP 的基因结构研究得较为清楚, 昆虫和植物一无所知。因此, 人们从事AFP 基因工程的目的基因只有来源于鱼类。
16、,41,转化郁金香、烟草、油 菜、玉米,1987 年, Davies 等将AFP 基因整合在T i 质粒上, 用叶盘法转化郁金香、烟草、油菜等, 获得了一定的抗冻力。 1990 年Georges 等合成了冬比目鱼AFP 基因, 构建了含35S 启动子、AFP 基因和CAT 基因的表达载体, 将其通过电击导入玉米原生质体, 通过CAT 分析以及用AFP 和CA T 的抗血清做的蛋白质印迹, 检测到了融合肽的产生。,42,转化烟草和番茄,1991年Hightower 等将极区鱼的afa3 AFP 基因由农杆菌介导转入烟草和番茄, 在二者的叶内均检测到了高水平表达的mRNA , 但在组织提取物中未检
17、测到重结晶抑制作用的活性。在另一组试验中, 他们将截短了的葡萄球菌A 蛋白基因与afa3 抗冻基因组成嵌合基因, 结果在转基因番茄的组织中不仅检测到了mRNA , 而且检测到了融合蛋白。在含有融合蛋白的组织提取物中检测到了重结晶抑制作用。据报道这种转基因番茄果实可经受冷冻不坏死。,43,转化马铃薯,1997 年W allis 等按照Winter flounder 成熟AFP 的氨基酸序列人工合成了一段基因, 并接上信号肽, 以使其定向表达于质外体。该基因被转入马铃薯后, 用免疫杂交的方法检测到了表达产物AFP。对马铃薯叶片电解质释放量的分析表明, 转基因蛋白表达水平与冰冻忍耐程度之间存在着相关
18、性。,44,胡萝卜AFP转化烟草,1998年,Daw nWo rrall 等将胡萝卜A FP cDNA 连接在表达载体的双CaMV 35S 启动子之后导入烟草, 让其组成性表达。9 个独立的转基因株系在温室条件下表现正常。用蛋白质免疫杂交法分析这些株系的叶提取物, 有8 个株系表达了36 kD 的多肽。这些含有胡萝卜A FP 的烟草提取物可以抑制冰晶的生长。,45,渗压素(Osmotin):是一组阳离子蛋白。可能是盐适应过程中形成的储藏蛋白,亲水性强。 厌氧多肽:厌氧下形成,有一些是糖酵解酶或与糖代谢有关的酶。,46,植物抗氧化系统,47,Antioxidants,Oxidants,Oxida
19、tive Damage,Enzymatic Defences catalytically remove ROS,Metal Sequestration Proteins,Low MW Antioxidants,Other Protective Compounds e.g. HSPs,(Repair Processes),48,氧胁迫,在温度(高温或低温)、水分、盐碱、UV、臭氧(ozone)等胁迫下, 植物体内会产生一系列有害的活性氧(active oxygen species,AOS;reactive oxygen species, ROS)。,49,活性氧种类,能导致氧化伤害的活性氧种类包
20、括超氧自由基(O2)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH)。,50,Molecular O2 is reduced through four steps, thus generating several O2 radical species,51,活性氧的毒性,活性氧能与酶的巯基或色氨酸残基反应,导致酶失活; 活性氧会破坏核酸结构,攻击核酸碱基,使嘌呤碱和嘧啶碱结构变化,导致变异出现或变异的积累; DNA是蛋白质合成的信息,由于活性氧对DNA复制过程的损伤,从而妨碍蛋白质合成; 启动膜脂过氧化反应,使维持细胞区域化的膜系统受损或瓦解。,52,植物抗氧化系统,植物为保证各部分的正常功能,对潜在
21、的活性氧伤害存在着精细而复杂的防御系统,以清除体内活性氧, 使细胞免受毒害。其中最明显的是合成与清除活性氧有关的酶。 植物抗氧化系包括抗氧化酶(antioxidative enzyme)和抗氧化剂(antioxidant)。,53,抗氧化剂,抗氧化剂主要包括维生素E、维生素C、类胡萝卜素和谷胱甘肽,54,抗氧化酶,超氧化物歧化酶(Superoxidedismutase , SOD) 过氧化氢酶(catalase ,CAT) 抗坏血酸过氧化物酶( Ascorbate peroxidase , APX) 谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase,GR) 过氧化物酶(Peroxid
22、ase , POD) 谷胱甘肽转移酶(Glutathione S-transferase , GST),55,超氧化物歧化酶,超氧化物歧化酶(EC,1.15.1.1)是生物细胞普遍存在的金属酶,催化O2 的歧化反应,生成氧和H2O2。,56,SOD的类型,Cu-Zn-SOD Mn-SOD Fe-SOD 高等植物以Cu-Zn-SOD为主,也有部分的Mn-SOD。 Fe-SOD在5个科的植物,如银杏科、睡莲科、芸香科、十字花科和茄科中被发现。Fe-SOD基因也从水稻、鼠耳芥、大豆和白花丹叶烟草中得到克隆。,57,SOD定位,Cu-Zn-SOD主要定位叶绿体 Mn-SOD主要存在于线粒体 定位于细胞
23、质,58,过氧化氢酶,CAT存在过氧化物体和细胞质中 CAT的主要作用是将不同过氧化过程,如光呼吸和脂肪酸-氧化反应中产生的H2O2分解为H2O和O2。 CAT 2H2O2 2 H2O+ O2,59,植物CAT具有多种同工酶,由一个多基因家族编码。在烟草和玉米,水稻,豌豆,拟南芥分离到CAT基因,cat1,cat2和cat3。 CAT为由4个亚基与Fe()血红素辅基组成的四聚体,分子量在225-269kD之间。不同来源的亚基分子量为60-80kD。血红素连接在酶的活性部位。,60,过氧化物酶,POD和CAT有相似的作用 ,清除生理系统的H2O2。 POD H2O2 +R(OH) 2 H2O+
24、RO2,61,大多数植物中存在大量的过氧化物酶同工酶,如烟草中存在至少12种过氧化物酶同工酶,大豆则有大约20种同工酶,由于过氧化物酶同工酶表达的多样性,因而难于研究其确切的功能。,62,大豆过氧化物酶基因,从大豆中分离到4中过氧化物酶基因,GmEpa1 、GmEpa2 、GmEpb1 和GmEpb2分别编码303,303,292,和292个氨基酸残基 GmEpa1 和GmEpa2的氨基酸同源性达97% GmEpb1和 GmEpb2的氨基酸同源性达93% GmEpa1和GmEpb1的氨基酸同源性仅为47%,63,抗坏血酸过氧化物酶(APX),抗坏血酸过氧化物酶(APX)以过氧化氢为氧化剂催化还
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 11 第十 植物 抗性 生理
链接地址:https://www.31doc.com/p-3008013.html