植物逆境生理学

植物逆境生理

植物生长的环境并非总是适宜的，在自然界条件下，由于不同的地理位置和气候条件以及人类活动等多方面原因，造成了各种不良环境，超出了植物正常生长、发育所能忍受的范围，致使植物受到伤害甚至死亡，对农业生产来说，各种不良环境是影响产量的最直接、最重要的因素，因此，加强植物逆境生理的研究，探明植物在不良环境下的生命活动规律并加以人为调控，对于夺取农业高产稳产具有重要意义。

第一章植物逆境生理通论

1 逆境的种类与植物的抗逆性

1.1逆境的概念

逆境指对植物生长和生存不利的各种环境因素的总和，又称胁迫。研究植物在逆境下的生理反应称为逆境生理。植物在长期的系统发育中逐渐形成了对逆境的适应和抵抗能力，称之为植物的抗逆性，简称抗性。抗性是植物对环境的适应性反应，是逐步形成的，这种适应性形成的过程，叫做抗性锻炼。通过锻炼可以提高植物对某种逆境的抵抗能力。

1.2逆境的种类

逆境的种类多种多样，包括物理的、化学的和生物因素等（图1），这些因子之间可以相互交叉相互影响。

1.2.1冷害的概念与症状

很多热带和亚热带作物不能忍受0-10℃低温。把0℃以上低温对植物所造成的危害叫冷害。在我国，冷害常发生于早春和晚秋季节，主要危害发生在作物的苗期和籽粒或果实成熟期。如水稻、

棉花、玉米和春播蔬菜的幼苗常遇到冰点以上低温的危害，造成烂籽、死苗或僵苗不发。正在长叶或开花的果树遇冷害时会引起大量落花，使结实率降低。冷害对植物的伤害除与低温的程度和持续时间直接有关外，还与植物组织的生理年龄、生理状况以及对冷害的相对敏感性有关。温度低，持续时间长，植物受害严重，反之则轻。在同等冷害条件下幼嫩组织器官比老的组织器官受害严重。冷敏感植物受害较严重。冷害是很多地区限制农业生产的主要因素之一。

根据植物对冷害的反应速度，可以把冷害分为两类。一为直接伤害，即植物受低温影响几小时，最多在一天之内即出现伤斑及坏死，禾本科植物还会出现芽枯、顶枯等现象，说明这种影响已侵入胞内，直接破坏了原生质活性；另一类是间接伤害，即植物在受到低温危害后，植株形态并无异常表现，至少在几天之后才出现组织柔软、萎蔫，这是因为低温引起代谢失常、生物化学的缓慢变化而造成的细胞伤害。

1.2.2冻害

冰点以下的低温使植物组织内结冰引起的伤害称为冻害。能引起冻害的温度范围与植物种类、器官、生育时期和生理状态有关。大麦、小麦、燕麦、苜蓿等越冬作物可忍耐-7—12℃低温；白桦树可度-45℃左右的低温；种子的抗冻性很强，植物的愈伤组织在液氮中于-196℃保持4个月仍有生活力。此外，植物遭受冻害的程度，还与降温幅度、低温持续时间，解冻速度等有关。当降温幅度大，霜冻时间长，解冻速度快，则植物受害严重；如果缓慢结冻和缓慢解冻时，植物则受害较轻。植物受冻害的一般症状为：叶片犹如烫伤，细胞失去膨压，组织变软，叶色变为褐色，严重时导致死亡。

冻害对植物的危害主要是由于组织或细胞结冰引起的伤害。由于温度下降的程度和速度不同，植物体内结冰的方式不同，受害情况也有所不同。

（1）细胞间隙结冰伤害当环境温度缓慢降低，使植物组织内温度降到冰点以下时，细胞间隙的水开始结冰，即所谓的胞间结冰。胞间结冰对植物造成的伤害是：①使原生质脱水。由于胞间结冰降低了细胞间隙的水势，使细胞内的水分向胞间移动，随着低温的持续，原生质会发生严重脱水，造成蛋白质变性和原增生质不可逆的凝固变性。②机械损伤。随着低温的持续，胞间的冰晶不断大，当其体积大于细胞间隙空间时会对周围的细胞产生机械性的损伤。③融冰伤害。当温度骤然回升时，冰晶迅速融化，细胞壁迅速吸水恢复原状，而原生质会因为来不及吸水膨胀，可能被撕裂损伤。胞间结冰不一定使植物死亡，大多数植物胞间结冰后经缓慢解冻仍能恢复正常生长。

（2）胞内结冰伤害当环境温度骤然降低时，不仅细胞间隙结冰，细胞内也会同时结冰。一般先在原生质内结冰，尔后在液泡内结冰。细胞内冰晶体积小，数量多，它们的形成会对生物膜、细胞器和基质结构造成不可逆的机械伤害。原生质具有高度精细结构，复杂而又有序的生命活动与这些结构密切相关，原生质结构的破坏必然导致代谢紊乱和细胞死亡。细胞内结冰一般在自然条件下不常发生，一旦发生植物就很难存活。

1.2.3 热害

高温胁迫引起植物的伤害称热害。植物对高温胁迫的适应和抵抗能力称为抗热性。

1.2.4 旱害的概念及类型

当植物耗水大于吸水时，植物体内即出现水分亏缺，水分过度亏缺的现象称为干旱。旱害指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。

（1）水分胁迫程度

植物水分亏缺的程度可用水势和相对含水量（RWC）来表示。肖庆德将一般中生植物水分胁迫程度划分为如下三个等级：

轻度胁迫水势略降低零点几个MPa；或相对含水量降低8%-10%左右。

中度胁迫水势下降稍多一些，但一般不超过-1.2—1.5MPa；或相对含水量降低大于10%小于20%。

严重胁迫水势下降超过-1.5MPa或相对含水量降低20%以上。

（2）干旱类型

根据引起水分亏缺的原因，可将干旱分为三种类型：

①大气干旱高温、强光、大气相对湿度过低（10-20%），导致植物的蒸腾强烈，失水量大于根系的吸水量而造成植物体内严重水分亏缺。如我国西北等地就常有大气干旱的发生。

②土壤干旱是指土壤中可利用水的缺乏，使植物根系吸水困难，体内水分亏缺严重，正常的生命活动受到干扰，生长缓慢或完全停止。土壤干旱比大气干旱破坏严重，我国西北、华北、东北等地常有发生。

③生理干旱指由于土壤温度过低、土壤溶液离子浓度过高（如盐碱土或施肥过多）或土壤缺氧（如土壤板结、积水过多等）或土壤存在毒物质等因素的影响，使根系正常的生理活动受到阻碍，不能吸水而使植物受旱的现象。

1.2.5 涝害的定义及类型

土壤水分过多对植物产生的伤害称为涝害。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。在低湿、沼泽地带、河湖边，发生洪水或暴雨过后常有涝害发生，给农业生产造成很大的损失。广义的涝害包括两层含义：①湿害。指土壤过湿，水分处于饱和状态，土壤含水量超过了田间最大持水量时旱田作物所受的影响称为湿害。②涝害。地面积水，淹没了作物的一部分或全部，使其受到伤害，称为涝害。

1.2.6 盐害

土壤中盐分过多对植物生长发育产生的危害叫盐害。

一般说来，钠盐是造成盐分过高的主要盐类，习惯上把含Na2CO3和NaHCO3为主的土壤叫碱土，而把含NaCl和Na2SO4为主的土壤叫盐土，但二者往往同时存在，因此统称为盐碱土。通常，土壤含盐量在0.2-0.5%即不利于植物的生长，而盐碱土的含量却高达0.6-10%，严重地伤害植物。1.2.7 病害

植物在自然界生长和发育过程中经常会遇到一些生物因素的危害，导致植物生病甚至死亡。植物病害是致病生物与寄主（感病植物）之间相互作用的结果。引起植物病害的病原物种类繁多，主要有真菌、细菌、病毒、类菌原体、线虫及寄生性种子植物。在作物病害中，80%以上病害是由真菌寄生引起的。

1.2.8 抗虫性的概念

在农业生产中，虫害造成农作物产量及品质的巨大损失，然而不同的植物种类，同一作物的不同品种对害虫的侵害具有不同的反应能力和适应方式。植物采用不同机制来避免，阻碍或限制昆虫的侵害，或者通过快速再生来忍耐虫害的能力，称为植物的抗虫性。

植物的抗虫性，一般可划分为生态抗性和遗传抗性两大类。

所谓生态抗性是指由于环境条件（特别是非生物因素）变化的影响制约害虫的侵害而表现的抗性。不少害虫有严格的危害物候期，作物的早播或迟播可回避害虫的危害。

所谓遗传抗性是指植物可通过遗传方式将拒虫性、抗虫性、耐虫性传给子代的能力。拒虫性是植物依靠形态解剖结构的特点或生理生化作用，使害虫不降落、不能产卵和取食的特性。耐虫性是由于植物具有迅速再生能力，可以经受住害虫危害。抗虫性是由于植物体内有毒的代谢产物，可以抑制害虫的生存、发育及繁殖，直至中毒死亡的特性。

1.2.9 环境污染伤害

随着近代工业的迅速发展，现代交通工具和厂矿居民所排放的废渣、废气和废水愈来愈多，扩散范围愈来愈大，再加上现代农业大量应用化学农药所残留的有害物质，远远超过环境的自然净化能力，造成环境污染。环境污染不仅直接危害人们的健康和安全，也对植物的生长造成损害，给农业生产造成巨大损失。有些未经“三废”处理的大型厂区，往往形成大片“人为沙漠”，致使寸草不生，

污染的大量汇聚，可以造成动植物死亡，甚至破坏整个生态系统。就污染因素而言，可分为大气污染、水体污染和土壤污染。其中，以大气污染与水体污染对植物的影响最大，不仅范围广、面积大，而且易转化为土壤污染。

（1）大气污染

大气污染物主要是燃料燃烧时排放的废气、工业生产中排放的粉尘、废气及汽车尾气等。大气中污染物种类很多，主要包括硫化物、氧化物、氯化物、氮氧化物、粉尘和带有金属元素的气体。

（2）水体污染

随着工农业生产的发展和城镇人口的集中，含有各种污染物质的工业废水和生产污水大量排入水系，再加上大气污染物质、矿山残渣、残留化肥农药等被雨水淋浴，以致各种水体受到不同程度的污染，超过了水的自净能力，水质显著变劣，即为水体污染。

我国目前水体污染十分严重，据调查，全国27条河流，其中有15条被严重污染。污染水体的物质主要包括：重金属、洗涤剂、氰化物、有机酸、含氮化合物、漂白粉、酚类、油脂、染料等。水体污染不仅危害人类的健康，而且危害水生生物资源，影响植物的生长发育。一般讲，环境污染中的五毒是指酚、氰、汞、铬、砷。

1.3植物抵抗逆境的方式

植物对逆境的抵抗方式总体上可分为两类，即避逆性和耐逆性。前者是指植物通过各种方式避开或部分避开逆境的影响，如沙漠中的植物在雨季快速生长，通过生育期的调整来避开不良气候对它的影响；或者通过特殊的形态结构如仙人掌肉质茎贮存大量水分，一些植物叶表面覆盖茸毛、蜡质，强光下叶片卷缩等避免干旱的伤害。耐逆性指植物在不良环境中，通过代谢的变化来阻止、降低甚至修复由逆境造成的损伤，从而保证正常的生理活动。例如有些北方针叶树种在冬季可以忍受-40—70℃的低温，而某些温泉细菌能在70-80℃，甚至沸腾的水中存活。这两类抗逆性有时并不能截然分开，同一植物也可以同时表现出两种抗性。一般来说，避逆性多来源于植物的形态和解剖学特点，而耐逆性往往与原生质特性和内部生理机制有关。

2 逆境对植物生理代谢的影响

2.1逆境对水分代谢的影响

实验证明，多种不同的环境胁迫作用于植物体时均能对植物造成水分胁迫如干旱能导致直接的水分胁迫；低温和冰冻通过胞间结冰形成间接的水分胁迫；盐渍使土壤水势下降，植物难以吸水也间接造成水分胁迫；高温与辐射使植物与大气间水势差增大，叶片蒸腾强烈，亦间接形成水分胁迫。一旦出现水分胁迫，植物就会脱水，对膜系统的结构与功能产生不同程度的影响。

2.2逆境对光合作用的影响

在各种逆境胁迫下，植物的光合作用都呈现出下降的趋势，同化产物供应减少，如干旱、寒害、高温、盐渍、涝害等均可使光合酶活性下降、气孔关闭，造成CO2供应不足而使光合下降。

2.3逆境对呼吸作用的影响

逆境下植物的呼吸速率不稳，如冻害、热害、盐渍和涝害时，植物的呼吸速率明显下降；而冷害、旱害时，植物的呼吸速率先升后降；植物发生病害时，植物呼吸显著增强。同时，植物的呼吸代谢途径亦发生变化，如在干旱、感病、机械损伤时PPP所占比例会有所增强。

2.4逆境对物质代谢的影响

许多资料表明，在各种逆境下，植物体内的物质分解大于物质合成，水解酶活性高于合成酶活性，大量大分子物质被降解，淀粉水解为葡萄糖；蛋白质水解加强，可溶性氮增加。

3 植物对逆境的生理适应

3.1生物膜与抗逆性

由于膜在结构物质成分及分布上各有不同，或由于蛋白和脂类的比例不同，使膜产生某些特殊性质。腹属于溶胶和固胶之间的物质，因而内外环境的变化可影响其特性，从而影响其对抗性的作用。膜有以下几种主要特性：

3.1.1膜系结构的不对称性

由电镜观察已明确，膜的内外层不仅成分比例有所差别，在结构上也是不对称的，同时其成分也是可变的。正由于膜结构的不对称和可变性，自然引起膜功能的正常性和可变性。这又是抗型可变的物质基础。

1) 蛋白质的不对称性：蛋白质在膜内外表面分布是不一致的，同时还有嵌入蛋白、穿过蛋由、变构蛋白及特殊酶蛋白、离子泵蛋白等。这是位蛋白质形成不对称的原因。至于蛋白质组成中氨基酸端群性质的不同，以及高级蛋白空间结构的不同，这是促成蛋白质不对称的又一原因。蛋白质结构和性质，又可随胁迫类别和深度而引起新的变化。这在干旱和抗寒的过程中都有这类报导证明。

2) 脂类的不对称性：脂层排列有极性和顺序性。多数人(过去)认为脂层应多显对称性。但根据近些年对膜指的研究发现，膜中类脂的结构和排列亦显出多方的不对称性。例如已看到膜脂排列中有突起区段、膜脂还有一定流动性，这都足以说明它的不对称性。具体有以下几点：(1)外层多糖脂，多磷脂，而内层糖脂少，磷脂酰较多。(2)外层多中性磷脂．内层则多酸性磷脂。(3)中、外脂层的脂酰C—H链长短不一致。(4)内、外脂中的饱和及不饱和脂酸数量不等。(5)脂层中可分为流动区和固定区。以上足以证明膜脂层有明显的不对称性。

3.1.2膜的液晶性

物质在常温常压下表现为三态，这就是固态、液态和气态。而在由固态向液态变化中出现一种中间“相”态叫作“液晶态”。液晶态的特点是既有液态的流动性，同时又有晶液分子固定排列的顺序性。液晶态有上、下限。上限是清亮点，高于它为液态；下限是熔点，低于熔点为晶态。液晶态只有一维或二维结构；而晶态则有三维结构。液晶又可分为热致液晶——它是由固体加热到一定范围所形成的；另外也可由两种液体混合而形成溶致液晶。如病毒液晶等。膜的液晶态对膜的流动和相变都给予有利条件。

3.1.3膜的运动性(流动性)

由于结构变型或组成物质改变，可使膜产生主动或被动的运动或流动。现在可通过光谱分析、相差分析、核磁共震、冰冻蚀刻、人工膜的拆离重组等实验，已证明胞膜确有一定程度的运动性。这种流动是生理活动改变的结果，同时它对整体代谢也有重要影响。蛋白质的运动较易理解，如膜蛋白的变构酶、周边蛋白及穿过蛋白都有运动表现。另外，蛋白还可向膜平面、垂直方向转动或旋转，其速度为3um／s。

膜脂分子在膜内也可产生不同的运动方式。脂肪酸的构型可产生旋转型运动。速度可达10-10s。脂酸又可沿膜的平面垂直方向进行振荡运动，其速度可达lo-9。膜脂又能进行旋转运动，速度约在10-6—10-9s之间。脂双分子层间也能进行翻转运动，每半寿期约需20-30s。膜脂中不饱和脂酸多，

活动性较强，抗性也加强；反之则弱。膜的流动性对膜适应环境、物质进出、能量转变和膜的变构、融合、转化以及信息传递、物质分解、合成都有一定的作用。因而对抗性有重要影响。

3.1.4膜的相变性

1) 相变的含义：物质在常温常下分数个相。相的转变，如气——液——固，叫相变。而膜的相变主要是液晶态——固晶态和液态——液晶态。膜在常温常压下为液晶态。但它是随环境(内外)的条件改变而发生相变的。

2) 相变的温度：膜脂的相变和分相是生物膜的一个基本特性。就是说膜的全部中出现流态区和固态区是较为普通的，叫作分相。相变和温度有极重要的相关性。至于pH和M2也可引起相变，但不如温度影响明显。另外，膜脂本身的C一链长短、不饱和脂酸比例也影响相变温度。例如固晶——液晶、二油酰卵磷脂(18：1)相变温度-22℃(有不饱和脂酸)；二硬脂酰卵磷脂(C—18)相变温度58℃(饱和脂酸)。再如炭链长——相变温度高；炭链短——相变温度相对较低。

3) 相变的生理作用：相变的难易和膜的性质、运动有关、同时对膜及细胞的抗逆力有直接的相关性。凡植物(高、低等)不能适应环境条件而发生相变的品种，它们的抗逆力相对较低，在自然环境中，易受自然淘汰。所以在育种中也应注意品种适应“相变”能力的特点。

在正常条件下，生物膜呈液晶相，当温度下降到相变温度时膜脂发生相变，即由液晶相转变为凝胶相。膜脂相变会导致原生质停止流动，膜结合酶活性降低，膜透性增大，电解质及某些小分子有机物大量渗漏，细胞物质交换平衡破坏，代谢紊乱，有毒物质积累，细胞受损。试验证实，植物的抗冷性与膜脂的种类、碳链的长度和不饱和程度有关。膜脂中脂肪酸碳链越长，膜脂相变温度越高；碳链长度相同时不饱和脂肪酸越多，膜脂相变温度越低。因此膜脂中碳链相对短、不饱和脂肪酸多时，植物的抗冷性强。低温锻炼能提高幼苗的抗寒性，与在这种锻炼过程中IUFA的提高有关。

膜脂中磷脂酰胆碱（PC）等磷脂和单半乳糖二甘油脂（MGDG）等糖脂与植物的抗逆性有关。杨树、黑槐、苹果等在进入越冬期间，树皮抗冻性增强时，膜脂中的磷脂含量显著增高。MGDG与植物的抗盐有关，MGDG含量高的葡萄品种吸收盐分多，运输快，不抗盐；MGDG含量低的品种则吸收盐分少，抗盐。

膜脂中饱和脂肪酸相对含量与植物的抗旱、抗热性有关。小麦在灌浆期间受干旱及干热风影响时，抗性品种叶麦皮细胞的饱和脂肪酸较多，不抗旱品种的脂肪酸比例（或组成）正好相反。此外，膜脂饱和脂肪酸含量与叶片抗脱水能力和根系吸水力密切相关。氧伤害诱发的膜脂过氧化作用能造成膜相分离，破坏膜正常功能，而且其过氧化产物MDA及类似物对细胞起直接毒害作用。活性氧消除体系活性高且稳定的植物品种抗逆性强。

膜蛋白与植物抗逆性也有关系，如甘薯块根线粒在下0℃下几天，线粒体膜蛋白对磷脂的结合能力明显降低，继而磷脂（PC等）从膜上游离出来，随后膜解体，组织坏死。这就是以膜蛋白为核心的冷害膜伤害假说。

3.2逆境蛋白与抗逆性

近年来随着分子生物学的发展，人们对植物抗逆性的研究不断深入。现已发现多种因素刺激（如高温、低温、干旱、病原菌、化学物质、缺氧、紫外线等）都会抑制原来正常蛋白的合成，同时诱导形成新的蛋白质（或酶），这些在逆境条件下诱导产生的蛋白质可统称为逆境蛋白。植物在逆境下合成逆境蛋白具有广泛性和普遍性。

1.热激蛋白在高于植物正常生长温度刺激下诱导合成的新蛋白称热激蛋白又称为热休克蛋白。一般认为高于其生长最适温度的10-15℃时HSP即迅速合成。根据HSP分子量命名为HSP90,HSP70,HSP60等。研究发现，HSP家族中很大一部分属于侣伴蛋白,所以将HSP改写为Cpn，命名为Cpn60，Cpn70，Cpn90，Cpn100和小分子Cpn蛋白。HSP的产生在植物界具有普遍性，从低等的酵母到农业生产中常见的粮食作物（如大麦、小麦）、油料作物（如大豆、油菜）、蔬菜（如

胡萝卜、番茄）以及棉花、烟草等都有。

侣伴蛋白是一类辅助蛋白分子，主要参与植物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位，以及变性蛋白质的复性和降解。生物体受热激伤害后体内蛋白质变性剧增，热激蛋白可与这些变性蛋白质结合，维持它们的可溶状态或使其恢复原有的空间构象和生物活性。热激蛋白也可以与一些酶结合成复合体，使这些酶的热失活温度明显提高。高温驯化过的植物，在高温下的存活能力与热激蛋白的存在有关。所以热激蛋白与植物的抗热性有关。

植物对热激反应是很迅速的，热激处理3-5min就能发现HSPmRNA含量增加，20min可检测到新合成的HSP。处理30min时大豆黄化苗HSP合成已占主导地位，正常蛋白合成则受阻抑。

2.低温诱导蛋白植物经一段时间的低温处理后会合成一些特异性的新蛋白质，称为低温诱导蛋白，也称冷响应蛋白、冷击蛋白，如同工蛋白、抗冻蛋白、胚胎发育晚期丰富蛋白等，这些新蛋白质的出现与植物抗寒性的提高有关，例如同工蛋白，它能代替“原来”的酶蛋白（低温不能合成）行使功能；抗冻蛋白具有减少冻融过程对类囊体膜等生物膜的伤害、防止某些酶因冰冻而失活的功能；胚胎发育晚期丰富蛋白是一类低温诱导、水分胁迫、胚胎发育晚期以及外源处理都能丰富表达的蛋白质。它们多数是高度亲水的，因此这类蛋白质的大量表达具有减少细胞失水和防止细胞脱水的作用，有助于提高植物对冰冻逆境的抗性。

低温诱导蛋白的出现还与温度的高低及植物种类有关。水稻在5℃、冬油菜在0℃处理均能形成新的蛋白。

3.渗调蛋白无论干旱或盐渍都能诱导出一些逆境蛋白，其中研究较多且较为重要是相对分子质量26000蛋白，该蛋白在盐适应细胞中的含量相当高，可达总蛋白的10-12%。该蛋白质的合成和积累是发生在细胞对盐或干旱胁迫进行逐级渗透调整过程，故将其定名为渗调蛋白或渗压素，它的产生有利于降低细胞的渗透势和防止细胞脱水，有助于提高植物对盐和干旱胁迫的抗性。

4.病程相关蛋白病程相关蛋白是植物受到病原菌侵染后合成的一种蛋白或多种蛋白质，PRs在植物体内的积累与植物局部诱导抗性和系统诱导抗性有关。近年来的研究证实，许多PRs具有几丁酶和β-1，3- 葡聚糖酶活性，能够抑制病原真菌孢子的萌发，降解病原菌细胞壁，抑制菌丝生长。β-1，3-葡聚糖酶分解细胞壁的产物还能诱导与其他防卫系统有关的酶系，从而提高植物抗病能力。

5.其他逆境蛋白缺氧环境下植物体内会产生厌氧蛋白；紫外线照射会产生紫外线诱导蛋白；施用化学试剂会产生化学试剂诱导蛋白等等。比较不同逆境下植物的逆境蛋白，可以发现不同逆境条件下有时能诱导出一些相同或相似的逆境蛋白，如缺氧、干旱、盐渍和ABA处理等都能诱导产生一些热激蛋白，病程相关蛋白也可由某些化学物质，如高温、水杨酸、乙烯诱导合成。这些现象暗示植物对逆境的适应对逆境的适应可能存在着某些共同的机制，一种抗性基因有可能同时抗几种不同的逆境。

3.3渗透调节与抗逆性

多种逆境都会对植物产生直接或间接的水分胁迫。水分胁迫时植物体内主动积累各种有机和无机物质来提高细胞液浓度，降低渗透势，提高细胞保水力，从而适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节。渗透调节是在细胞水平上进行，即由细胞通过合成和吸收积累对细胞无害的溶质来完成，其主要功能在于维持膨压，从而维持原有的生理过程，如气孔开放、细胞伸长、植株生长以及其他一些生理生化过程，是植物抵抗逆境的一种重要机制。

3.3.1渗透调节物质的种类与作用

渗透调节物质的种类很多，大致可分为两大类：一是由外界引入细胞中的无机离子，二是在细胞内合成的有机溶质，主要是蔗糖、甘露醇、山梨醇等和偶极含氮合物（如脯氨酸和甜菜碱等）。

1.无机离子逆境下细胞内常常累积无机离子来降低渗透势，特别是盐生植物常依靠这种方式来调节渗透势，这些离子包括：K、Na、Ca、Mg、Cl、NO3、SO4。无机离子累积量、种类与植物种、品种和器官有关。例如K常是高等淡土植物的，Na、Cl常是盐生植物的渗透调节物质。无机离子进入细胞后，主要累积在液泡中，因此无机离子主要是作为液泡的渗透调节物质。但应该指出，高浓度的无机离子往往引起代谢紊乱。

2.有机溶质作为有机渗透调节物质必须具备以下一些特征：相对分子质量小；易溶于水（溶解度大）；在生理PH范围内必须不带电荷；必须能为细胞膜所保持；在很高浓度时对细胞内酶的结构和活性无影响或影响最小；它们的生成必须迅速，且能积累到足以引起渗透调节的量。

(1)脯氨酸脯氨酸是多种植物体内最有效的一种亲和性渗透调节物质，先由Kemble 等发现，在受干旱的多年生黑麦草叶子中有游离脯氨酸累积，随后在许多植物中都观察到这一现象。脯氨酸的累积是由脯氨酸合成酶的活化、生物降解的抑制以及参与合成蛋白的减少而产生的。

几乎所有的逆境，无论干旱、低温、高温、冰冻、盐渍、营养不良、病害、大气污染等都在植物体内累积脯氨酸，尤其干旱胁迫时脯氨酸累积最多，可比原始含量高几十倍甚至几百倍。脯氨酸存在于细胞质中，其在抗逆中的作用是：①作为渗透物质，保持原生质与环境的渗透平衡，防止失水；②脯氨酸与蛋白质结合能增强蛋白质的水合作用，增加蛋白质的可溶性和减少可溶性蛋白质的沉淀，保护这些生物大分子结构和功能的稳定。

有人用甜菜贮藏根组织为材料研究发现，脯氨酸在细胞质和液泡中的分布是不均等的，细胞质中脯氨酸含量与液泡中含量的比值为15-98。故脯氨酸主要是细胞质中的渗透调节物质，即细胞质渗透物质。

（2）甜菜碱甜菜碱是植物体内另一类理想的亲和性渗透物质。20世纪70年代中期Storey 等首先发现盐分和水分胁迫可引起大麦累积甜菜碱，以后发现多种植物在逆境下都有甜菜碱的积累。甜碱化学名称为N-甲基代氨基酸。植物中的甜菜碱主要有10种，其中甘氨酸甜菜碱是最简单也是最早发现、研究最多的一种。植物在干旱、盐渍条件下会发生甜菜碱的积累，抗性品种尤为显著，其在抗逆中具有渗透调节和稳定生物大分子的作用。在正常植株中甜菜碱比脯氨酸高10倍左右；遇水分胁迫时，甜菜碱积累比脯氨酸慢，解除胁迫时，甜菜碱基本保持稳定，而脯氨酸则迅速减少。

甜菜碱也是细胞质渗透物质，主要分布于细胞质中。其他如丙氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱对降低渗透势均有一定的作用。

（3）可溶性糖和游离氨基酸作为渗透调节物质的可溶性糖主要有：蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等；游离氨基酸包括脯氨酸和其他氨基酸及酰胺类物质，例如水分胁迫下小麦叶片中的渗透调节物质主要为糖类、天冬酰胺、谷氨酸和脯氨酸。渗透胁迫下绿豆幼苗根中的主要渗透调节物质为K、Cl、氨基酸和蔗糖、葡萄糖、果糖。

逆境下植物体内可溶性糖和游离氨基酸增加的原因可能包括：大分子糖类和蛋白质的分解加强而合成受抑，蔗糖的合成加快；光合产物形成过程中直接转向低分子量的物质蔗糖等，而不是高分子的淀粉；从植物体其他部分输入有机溶质糖和氨基酸等。

3.3.2渗透调节的主要生理功能

植物在逆境下产生渗透调节是对逆境的一种适应性反应，其主要的生理功能包括：

1.维持细胞膨压渗透调节的主要生理功能就是完全或部分地维持细胞膨压，膨压对细胞生长具有关键性作用，从而有利于其他生理生化过程的进行。例如，水稻在慢速干旱条件下，尽管植物组织的水势下降，但由于渗透调节的结果，叶片膨压变化不大。

2.维持植株光合作用渗透调节可在水分胁迫下维持气孔开放。由于气孔开放，有利于气体交换，从而维持光合作用的较正常进行。渗透调节能力强的植物，在低叶水势条件下能维持较高的光合速率。

此外，渗透调节还具有保持细胞持续生长、延迟卷叶以维持叶片较好的气体交换、保护酶活性、维持细胞膜稳定性等重要的生理功能。

3.4脱落酸与抗逆性

逆境通过促使植物体内激素的含量和活性发生变化，从而影响植物生理过程。实验发现，在逆境条件下，ABA和乙烯含量增加，IAA、GA、CTK含量降低，其中以ABA的变化最为显著。

3.4.1逆境下脱落酸的产生与功能

一般认为，ABA是一种胁迫激素，它调节植物对胁迫环境的适应性。在低温、高温、干旱和盐害等多种胁迫下，体内ABA含量大幅度升高，这种现象的产生，是由于逆境胁迫增加了叶绿体膜对ABA的通透性，并加快根系合成的ABA向叶片的运输及积累所致。ABA增多后可调节气孔的开度，减少蒸腾失水，抑制生长，并能增加根细胞的透性和水的通导性。实验证明，多种植物增加的内源ABA含量与其抗性能力呈正相关。抗冷性强的水稻品种“单生一号”在低温5天时，体内脱落酸与植物体鲜重质量比达18.5ng/g，而抗冷性弱的品种“汕优二号”质量比只有6.8 ng/g。

近年来，研究干旱对植物的胁迫时提出了根冠通讯理论，至今，已对根源信号的产生、传递及其作用有了较为清晰的认识：植物气孔具有对变化的环境做出最优化反应的能力。当土壤逐渐变干时，处于干旱中的根系脱水，产生某种信号，这些信号随木质部水流移动到地上部发挥作用，信号强度增加使生长速率与气孔导度降低，以防止细胞的进一步失水，而这一信号物质主要为ABA。外施适当浓度的ABA溶液可以提高作物的抗寒、抗旱和抗盐性，其原因可能是：ABA可延缓SOD、CA T等酶活性的下降；提高膜脂不饱和度；促进渗透调节物质的增加及促进气孔关闭等机制。

3.4.2脱落酸与交叉适应性

生长在自然环境中的植物，常常会遭受逆境，任何一种逆境都会影响或干扰植物的正常生理过程，而且各种逆境对植物的危害往往是相互关联的，如干旱往往伴随着高温，反过来高温也会引起干旱；又如盐分胁迫同时也会引起水分胁迫等。植物对各种逆境的适应也是相互联系的，如抗旱锻炼不仅能提高植物的抗旱性，而且也能提高植物的抗冷性。

植物与动物一样，也存在着交叉适应现象，即植物经历了某种逆境后，能提高对另一些逆境的抵抗能力，这种对不良环境间的相互适应作用称为交叉适应。如低温、高温等逆境能刺激提高植物对水分胁迫的抗性；缺水、盐渍等预处理可提高植物对低温和缺氧的抗性；低温锻炼和轻度干旱可增加某些植物的抗冻性等。这些交叉适应现象，表明植物对不同逆境的适应存在着某些共同的生理基础。经研究证明这些生理基础与ABA的出现密切相关，因此

有人认为交叉适应的作用物质就是ABA。植物在逆境条件下会导致ABA含量增加，ABA作为逆境的信号激素诱导植物发生某些适应性的生理代谢变化，增强植物的抗逆性，因此就可以抵抗其他逆境，即形成了交叉适应性。实验证实，外施ABA能提高植物对多种逆境的抗性。由此可知，ABA在植物的抗逆生理中具有很重要的适应作用。

第二章植物氧化胁迫与活性氧代谢

2.1地球大气层中氧的来源

地球大气层中的氧来自绿色植物的光合作用。没有氧，不会进化出需氧的高等生物，也就谈不上自由基生物学。

光合作用的简略化学反应式如下：

nCO2+nH2O+光 （CH2O）n+nO2

即绿色植物利用太阳光为能源，以水和二氧化碳为原料，制造出碳水化合物，成为整个地球生物圈进一步发育的物质基础，同时裂解水而放出的氧气是地球大气中氧气的基本来源，也是所有高等生物呼吸所不可或缺的。在最初的能进行光合作用的兰细菌出现以前，大气层中氧的唯一来源是太阳辐射中所含的紫外线对水的裂解产生的。那时大气层中氧的浓度只有现在的万分之一。随大气层中氧的新来源的出现而来的是臭氧层的形成，使太阳辐射中到达地球表面的紫外线大大减少。更多的氧为高等动植物的进化创造了条件，同时也就出现了有氧代谢带来的潜在危险。此后，植物方面自由基生物学的研究也在很大程度上和光合作用的研究进展密切有关。

2.2氧化助迫与活性氧代谢

干旱、盐碱、高温、冷(冻)害和涝害等胁迫条件是严重影响栽培植物生长发育的非生物胁迫因子，在胁迫下，如果植物细胞产生并积累大量的活性氧ROS，当ROS的产生与清除无法达到平衡，并且ROS的积累超出一定的负荷时，植物将发生氧化胁迫(oxidative stress)，ROS攻击生物分子，不可避免的造成膜系统、蛋白质、脂类、DNA及其他细胞组分的严重损伤，植物个体的生长、发育将受到危害。

2.3活性氧种类

植物细胞在正常代谢中，可由多种途径产生活性氧，几乎所有的需氧反应都可以产生。在植物的光合作用、呼吸作用、氧化还原反应与许多酶反应系统中，当分子氧在还原过程中产生的未完全还原的中间产物时，如叶绿体、线粒体、过氧化物体和质膜上的电子传递给分子氧时，则产生活跃的、具有毒性的称为活性氧。活性氧毒性是由它们的结构、电子状态决定的，它是体内较活泼的氧的代谢中间产物，活性氧主要包括基线态氧、超氧阴离子自由基HO2·、H2O2、羟自由基（·OH）、LO· (L为烃基或脂质基等有机部分)、LO·2、ONOO-、LOOH等。H2O2是基态氧3O2的双电子还原产物，具有较强的氧化性，但在较强的氧化剂存在时，也具有一定的还原性。H2O2能够很容易地穿过生物膜而与细胞质中的成分发生反应。尽管活性氧的反应活性差别较大，但都比基态氧3O2和H2O2稳定性差，这就给细胞造成了潜在的威胁。

2.4活性氧积极作用及危害

细胞在正常代谢条件下，活性氧的产生与清除是处于动态的平衡。如果失去平衡，由于活性氧的高活性．势必给细胞造成破坏，细胞受害甚至死亡。当环境胁迫长期作用于植物体，其产生的活性氧浓度如果超出活性氧解毒系统的能力时，细胞就会受到氧化损伤。细胞质膜、细胞器膜等生物膜中多不饱和脂肪酸易被氧化，变硬变脆，致使膜功能改变，膜结构受破坏。同时，活性氧攻击蛋白质的氨基酸残基，尤其是Tyr、Phe、Trp、Met和Cys，形成羰基衍生物。另外，活性氧可以促进分子内(间)的交联，如二硫键的形成和蛋白质的断裂，超氧化物可使一些含金属的酶类失活，或产生经自由基，引发磷脂的过氧化。10umol/L的H2O2可以抑制碳固定，在1umol/L的低浓度下，它可使卡尔文循环中的一些巯基酶类失活。

活性氧最主要的危害是H2O2产生的活性更强、更有毒性的羟自由基·OH，造成膜脂类过氧化、碱基突变、DNA链的断裂和蛋白质的损伤。OH-可以修饰一些蛋白质使它们对蛋白水解酶的作用更敏感，一旦被破坏，蛋白质就会进一步被肽链内切面酶降解，已发现在类囊体的膜上存在这样的酶。此外，一种具有多种催化功能的蛋白酶复合体已在哺乳动物和植物中被证实其具有选择性地降解活性氧所破坏的蛋白质。

高浓度活性氧对植物细胞有很强的毒害作用，但在低浓度下，活性氧在代谢过程中却有其积极作用的一面：

①几类活性氧是植物细胞的信号传导分子，在低浓度下，诱导与植物胁迫耐性相关的基因表达和生化反应。

②活性氧参与细胞壁中富含羟脯酸的糖蛋白交联过程，这有利于抵御病原体侵入细胞。

③活性氧作为第二信使，调控抗病相关基因的表达并启动植物抗毒素合成基因的转录。

④当病原体侵染植物后，细胞内的活性氧水平迅速提高，从而引起过敏细胞死亡。

2.5植物活性氧清除

活性氧对细胞具有潜在的毒害作用，因此必须得到有效的控制，保持其产生与清除之间动态平衡。有氧生物体在生物进化过程当中，相应地进化成一套行之有效的清除活性氧的保护网络。植物体内有效清除活性氧的系统分为酶促和非酶促两类。非酶类抗氧化剂主要是一些小分子量的有机物，包括抗坏血酸、谷胱甘肽、甘露醇、脯氨酸、山梨醇、肌醇、生育酚和类黄酮等。酶促解毒系统包括超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸酶(DHAR)等。

2.5.1非酶类抗氧化剂

非酶类抗氧化剂包括抗坏血酸、谷胱甘肽、甘露醇、α-生育酚、类黄酮和胡萝卜素。它们分布于不同亚细胞结构区域中，清除不同种类的活性氧；这些物质既可直接同ROS反应将其还原，又可参加酶反应，作为底物在SOD的清除中发挥重要作用。

2.5.1.1 抗坏血酸和谷胱甘肽

抗坏血酸和谷胱甘肽在活性氧脱毒过程中起重要作用，它们可直接同ROS反应，将其还原，又可作为酶的底物在活性氧的清除过程中扮演重要角色。抗坏血酸、还原型谷胱甘肽及APX、GR、SOD和MDHAR都参与了植物细胞中抗氧化剂的再生过程。此外，抗坏血酸在α-生育酚和玉米黄质的再生循坏中充当还原剂。抗坏血酸的第三种功能是中叶绿体类囊体表面作为还原剂参与抗坏血酸过氧化物酶介入的过氧化氢的清除，在这一过程中，抗坏血酸被氧化成单脱氢抗坏血酸。在完全氧化的脱氢抗坏血酸产生的情况下，还原型谷胱甘肽可以通过谷胱甘肽还原酶得到还原。由于抗坏血酸在清除活性氧的过程中发挥了重要作用，故而在叶绿体中，这一与氧的摄入、APX的功能及分子氧还原相关的过程最近被称为“米勒-抗坏血酸过氧化物酶光呼吸”[20]。

2.5.1.2 甘露醇

甘露醇是已知的氢氧根离子清除剂。在氧化胁迫下，甘露醇可以保护巯基酶类或其他巯基调控的叶绿体组分，如黄素蛋白、硫氧还原蛋白和谷胱甘肽。这可通过离体类囊体实验证明：在适当浓度的还原态金属离子存在下，离体类囊体可以产生OH-，磷酸核酮糖激酶（PRK）作为卡尔文循环中巯基酶类的代表可与产生的OH-发生作用，然后分别加入甘露醇、甲酸内、过氧化氢酶，通过检测PRK的活性来验证它们对OH-的清除能力。实验发现，甘露醇和甲酸钠及过氧化氢酶能够保护PRK，使之不被氧化失活，这说明H2O2的毒性可能是由OH-引起的，而且巯基酶的失活也不是H2O2的直接作用[25]。将细菌编码甘露醇-1-磷酸脱氢酶的基因（Mt1D）转入烟草中，使之在叶绿体中表达积累甘露醇，分离转基因植株的类囊体进行体外实验表明，叶绿体中甘露醇含量至少为100mmol/L，并且在H2O2处理下较对照植株具有较高的PRK活性[24]。尽管甘露醇对巯基酶具有保护作用，但体内的直接证据仍未获得，故仍需进一步研究以阐明甘露醇对细胞保护的重要性。

2.5.1.3 类黄酮

最近研究发现类黄酮与抗坏血酸和α-生育酚一样，是主要的活性氧清除剂。体外研究表明类黄酮可以直接清除活性氧，如超氧化物（O2-）、氧化氢（H2O2）、氢氧根离子（OH-）或单氧（O2）[34]。但在体内却未必如此，因为类黄酮主要定位于液泡，而活性氧离子并不能从叶绿体扩散至液泡中，因而在植物细胞中，类黄酮只能在活性氧的产生部位或附近部位进行清除，如液泡或细胞壁。而H2O2却比较稳定而且能够穿过生物膜，故而类黄酮在H2O2的清除中扮演极为重要的角色。

食品化学研究表明，类黄酮与过氧化物酶反应时作为电子供体。Takahama(1989)提出类黄酮过氧化物酶反应可能在体内外一样起清除H2O2的作用。由于活性氧的产生和清除是持续进行的，所以类黄酮过氧化物酶反应不可能作为一个主要的脱毒系统而起作用。然而当细胞中的H2O2水平在植物快速生长或受到胁迫、或在幼年叶片中抗坏血酸不足、或在抗坏血酸缺失突变体中升高时，有可能是类黄酮作为一个替补的防护措施[8,33]。应该指出的是抗氧化功能不是类黄酮的自身特征，而是植物酚类的一个总的特征[7]。

2.5.2抗氧化解毒酶

活性氧解毒酶具有高效性与专一性，解毒系统主要包括超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、脱氢抗坏血酸酶等。在活性氧的产生与代谢过程中，抗氧化解毒酶催化不同的反应，终止活性氧的级联反应，并且与抗氧化剂物质协同起来，形成抗氧化系统(图3-4)。

解毒酶在细胞中的定位区域不同，分布也不均衡，有水溶性酶，也有结合在膜上的，并且多数酶具有多种同工酶，因而在细胞的不同部位，不同的生理与代谢过程，活性氧清除酶也不同。

图植物活性氧解毒系统作用示意图

活性氧解毒酶和抗氧化剂在各自独立行使功能的同时，又相互补充，相互作用，彼此构成一个复杂的抗氧化网络，如抗坏血酸——谷胱甘肽循环(GSH—ASA)存在于细胞的不同区域，几类解毒酶、抗氧化剂结合起来，共同清除细胞内的活性氧。在电子传递链上，交替氧化酶(AOX)也具有清除活性氧的重要功能。AOX引导电子传递路径，使O2获得电子后生成水。结果，不仅限制了O2还原形成超氧化物，同时也降低了活性氧产生的反应底物O2的水平，从而降低了活性氧的产生。

2.5.2.1抗坏血酸过氧化物酶

抗坏血酸过氧化物酶（APX）是清除H2O2的主要酶类，与还原抗坏血酸为反应底物，催化H2O2还原为H2O的反应，对抗坏血酸具有很高的特异性和亲和性，消耗H2O2产生单脱氢抗坏血酸，单

脱氢抗坏血酸可通过不同的途径还原抗坏血酸。

植物的APX具有特性各异的同功酶家族，根据APX在植物细胞中的定位分为5类：类囊体APX、基质APX、微体APX、细胞质APX、和线粒体APX。APX同功酶对底物的特异性存在差异，尤其以叶绿体和线粒体型APX的特异性最高，愈创木酚也可作为微体型APX与细胞质APX的还原型底物。同时，APX的酶活性被巯基保护剂物质所抑制。APX酶学特性的最大特点之一，是在无抗坏血酸存在的条件下极易失活，当抗坏血酸浓度低于20mmol/L时；叶绿体型和线粒体型APX的半失活期在30s内，而微体型APX与细胞质APX的半失活期在1h左右。活性APX同工酶的分子量存在差异，细胞质APX是28ku的二聚体的形式，类囊体APX和基质APX是以单体存在的，分别为37.7ku、33.2ku；线粒体型、微体型APX相对分子质量约为31 ku。

编码APX同工酶的cDNA S已从多种植物中分离出来。

由于APX同工酶在无抗坏血酸存在的条件下极易失活，从植物体直接纯化出大量的、具有活性的同工酶具有很大难度；同时在体内又难于将同工酶严格的单独分离开来。利用蛋白质重组技术，为解决这一难题提供了有效的方法。目前，已经在体外获得了菠菜、豌豆、拟南芥等植物的大量的、具有活性的APX同工酶的重组蛋白，对其结构、酶动力学特性进行相关的比较研究。研究结果表明，获得的菠菜叶绿体型、胞质型APX重组蛋白与活性蛋白相比具有一致的酶学特性，与反应底物抗坏血酸具有更高的特异性，但在缺乏底物时更易于失活。另外，高纯度、高活性重组蛋白的获得，可以用于抗体蛋白的制备，可以在植物体内对同工酶的各自特性及相互联系，进行更系统的研究。

在表达特性研究方面，目前取得了一定的研究结果，在各种环境胁迫条件下，包括高温、低温、强光、甲基紫稻、高盆、干旱、臭氧、紫外照射等，拟南芥、豌豆cAPX转录表达稳定增加。然而，在相同的胁迫条件下，发现菠菜APX的表达存在差异。其同工酶基因胁迫下，APX同功酶的表达分析，只有经强光及紫外线处理的菠菜叶片，其cAPX的转录水平显著升高，而叶绿体及微体APX 的表达却不受影响；将生长在弱光中的拟南芥移于强光下，能在15min内引起核编码的2种APX基因的迅速表达，且伴随还原型与氧化型谷胱甘肽比率的降低。

APX同工酶基因的转录表达受到胁迫刺激及生长发育阶段的调控，H2O2作为信号分子，它在细胞内的水平也起到了对APX调控的功能，同时电子传递链中氧化还原状态的变化也参与了调控。APX同功酶与其他抗氧化解毒酶一起组成了细胞的保护网络，在细胞组分的调控下，对器官保护和减缓组织损伤中起协调作用。

2.5.2.2过氧化氢酶

过氧化氢酶是一种四聚体血红素酶，主要存在于过氧化物酶体与乙醛酸循环体及相关细胞区域内。其中，目前发现CATl、CAT2和CAT33种主要同工酶。CAT与APX一样都是清除H2O2的主要酶类。过氧化氢酶可催化如下反应：2H2O2—O2+2H2O。它与APX的不同之处在于：前者不需要还原力且具有较高的酶活速率，但对H2O2的亲和力较弱，后者需要还原性底物，并对H2O2具有较高的亲和力。这些酶的亚细胞分布表明：叶绿体APX主要清除米勒反应产生的H2O2，而过氧化氢酶主要清除光呼吸中产生的H2O2。然而情况并非如此简单，这不但因为两种酶的催化活性不同，而且因为H2O2可以穿过膜扩散，而非严格的区域化。研究表明过氧化氢酶是C3植物中H2O2清除的关键酶，C3植物耐受胁迫所必需的。

CAT与APX具有不同的转录表达特性：在烟草、玉米、大麦与拟南芥中，CAT基因表达受强光抑制；同时基因表达具有时钟调控性。CAT的酶功能与活性易受环境因子如光、温的影响，减低酶活性或导致酶失活。

烟草中三种过氧化氢酶基因产物的功能均已得到确定：Cat1基因产物主要清除光呼吸过程中产生的H2O2；Cat2基因产物可能特异地清除氧化胁迫过程中产生的H2O2；Cat3基因产物的主要作用是清除乙醛酸循环体中由于脂肪酸β氧化而产生的H2O2。

作为与SOD互作的CA T与APX，具有不同的解毒特性。光胁迫下，CAT对维持氧化还原平衡，增加还原态GSH和ASA是必不可少的。CA T是细胞内产生的H2O2的一种接收器，是植物在细胞内、

细胞器内等不同区域内抗氧化防御的重要物质。

2.5.2.3 超氧化物歧化酶（SOD）

SOD作为植物抗氧化系统的第一道防线，清除细胞中多余的超氧根阴离子。在高等植物中，SOD 根据其辅基部位结合的不同金属离子分为3类：Mn-SOD、Fe-SOD、Cu/Zn-SOD[5]。对SOD基因家族的深入研究是在玉米中进行的。已得到的序列分析表明，广泛存在于真核生物中的Cu/Zn-SOD与Fe-SOD和Mn-SOD不同源。

现已从多种材料中分离纯化了Cu/Zn-SOD，该酶由两个亚基组成，每个亚基各含一个铜离子及一个锌离子。在植物中，Cu/Zn-SOD是3种超氧化物歧化酶中含量最丰富的一类，主要存在于叶绿林、胞质和过氧化物酶活体[2]。Mn-SOD和Fe-SOD每个亚基都只含一个金属离子，Mn-SOD主要存在于线粒体中，从Fe-SOD的一些生化指标及前导序列推测，该酶存在于叶绿体中。Mn-SOD与Fe-SOD具有序列相似性，并且含有完全相同的特征结构域，将存在于线粒体中的Mn-SOD导入烟草、苜蓿的叶绿体后，转基因植物对臭氧及干旱胁迫的抗性增强[29]。但将Fe-SOD过量表达的植株与Mn-SOD过量表达的植株同时用Paraquat处理时，前者比后者具有更强的抗氧化性。为了解释这一实验结果，Van Camp等（1996）提出了一个假说：一方面可能是由于这两种蛋白分子本身的特性所决定；另一方面可能是由于它们在叶绿体中具有不同的亚细胞定位所造成。

2.6活性氧产生及相互转化

生物体在正常生长发育与代谢过程中，活性氧可以由体内一系列的化学反应相伴而生；在生物和非生物胁迫条件下，导致代谢紊乱，酶和电子传递链功能失调，进而活性氧大量产生，使细胞内活性氧的水平升高。最初的活性氧的产生与代谢研究，主要集中在叶绿体的光合过程中进行的。叶绿体光合成系统中存在大量的自动氧化酶类，能够通过米勒反应将氧还原成超氧化物．这些超氧化物或参与PSI电子循环，或从类囊体腔扩散直到基质膜表面，那里超氧根阴离子可自发地或通过酶促反应歧化成H2O2和O2；在Fe或Cu的存在下通过Fenton或Haber Weiss反应产生OH-和O2。另外，超氧化物和H2O2同样可在细胞的其他区域中产生。

超氧阴离子是氧进行单电子还原的首要生成物，在自发或超氧化物歧化酶存在的情况下，超氧阴离子进而歧化成H2O2，·OH。其间转化过程：

①O2→（H）·O2-

②2·O2+2H+→H2O2+O2 即O2→（H）·O2-→H2O2→·OH+H2O

H2O2性质较超氧阴离子更为稳定，存活时间较长，并且具有穿透性，能够跨越质膜，在细胞内移动。如果H2O2不能得到及时清除，在金属离子还原物存在的情况下，将进一步转化成氧化性最强的一类活性氧分子—羟自由基·OH，对有机物分子发生氧化作用。

①Fe2++·O2-→Fe3++O2（Fe2+存在）

②Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-（Cu2+可替代Fe2+）（Fenton反应）

Haber-Weiss总反应，可归纳为H2O2+·O2-→·OH+OH-+O2

2.7活性氧产生的场所

植物细胞由于光合作用，细胞中氧气的浓度最高，容易产生活性氧。就活性氧产生部位而言，有叶绿体、线粒体、过氧化物体、细胞质、质膜等。其中，叶绿体、线粒体、过氧化物体是活性氧产生的主要场所。

2.7.1 叶绿体中的活性氧和活性氧清除系统

2.7.1.1 叶绿体中的活性氧

光合作用的原初反应在绿色植物叶绿体的类囊体膜上进行,涉及许多单电子传递过程，因而包含着一系列自由基反应。在一篇关于光合作用中自由基研究的早期综述（Loach and Hales 1971）中认为自由基在光合原初反应研究中起着核心作用，而ESR技术则是对光合原初反应研究做出贡献的两大技术之一（另一项为差分光谱技术）。让我们和太阳光的光量子一起访问一下植物的叶绿体：光量

子首先到达叶绿体类囊体上一个天线叶绿素分子，使之由基态的单线态变为激发态的三线态。激发能在正常情况下以感应共振的形式通过一系列叶绿素分子最终传递到光化学反应中心而引起光化学反应。当光照过强而超过反应中心的处理能力时，则可能传递给基态（三线态）氧分子而产生单线态氧（1O2）。当激发能最终传递到（例如光系统II）反应中心时，就引发了光合作用中原初反应的第一步-电荷分离而产生一个自由基对：一个特殊的被称为P680的叶绿素分子受到激发后被打出一个电子而成为阳离子自由基，这时它的氧化能力足以使它把水分子裂解，放出氧气，并从水分子中吸收一个电子使自己还原。这一反应需时极短，叶绿素的激发态维持时间不到10-9秒。从P680被打出的电子被一个脱镁叶绿素分子接受而成为一个阴离子自由基。电子依次再传给一个叫做Q A和一个叫做Q B的质醌分子，使之成为一个较稳定的半醌自由基Q B-。当Q B接受了第二个电子（双价还原）以后，就变得不稳定而迅速质子化而变成对苯二酚，移动到另一处将电子传给PS I 并释放出质子，再回到原处准备接受下一轮的电子传递。电子最终经由光系统I而传给NADP，形成作为光合作用中还原力基础的NADPH。当电子传递和H+的跨膜转移相偶合时，则同时发生光合磷酸化而从ADP 和H2PO4-形成ATP。它和NADPH一起为随后的不再需要光的暗反应-糖代谢提供化学能。而当光过强或因其它原因发生光合光抑制，使光合电子传递发生阻塞时，PS II也可能在其还原侧的某处将单个电子传给O2而产生O2-（Kyle 1987），但目前这一途径尚存有疑问。

光合作用原初反应所涉及的电荷分离及电子传递过程极其短暂。在正常情况下，尽管每一步单电子传递都形成一个自由基对，但其存在时间都非常短暂。从自由基生物学的角度来看，更重要的也许是和Mehler反应有关的超氧的产生。Mehler反应是最早由Mehler等（1952）报告的离体叶绿体在照光条件下的一种耗氧而产生H2O2的反应。后来Asada等（1974）证明在Mehler反应过程的第一步是氧被单价还原而产生O2-，同时偶合假循环光合磷酸化。H2O2是随后O2-被SOD歧化而产生的。氧的单价还原是一个耗能过程。从正面意义上来看，O2-的产生在叶绿体中起着耗散过剩激发能和调节ATP/NADPH比例的生理作用。

照光叶绿体中不乏O2-，H2O2，ASA以及Fe2+,因而不乏通过Fenten反应形成HO。的可能性。这一点将在后面光合光抑制部分进一步讨论。

2.7.1.2 叶绿体中的自由基清除系统

叶绿体中存在着一整套活性氧和自由基的清除系统。这里主要介绍叶绿体色素系统中的1O2清除系统，叶绿体中的O2-清除系统和与H2O2的清除有关的抗坏血酸-谷胱甘肽循环。

2.7.1.2.1 1O2清除系统

在叶绿体类囊体膜上和叶绿素在一起的另一类色素是类胡萝卜素，大致以每5个叶绿素分子就有一个类胡萝卜素分子的比例存在。早就知道类胡萝卜素可以淬灭1O2或通过解除三线态叶绿素（3Chl）的激发态而防止1O2的产生。类胡萝卜素从1O2或激发态叶绿素那里接受的激发能随后以热的形式而消散。β胡萝卜素就以2-3?1010M-1sec-1的高反应速度淬灭1O2。所有其烃链上所含双键在9个或9个以上的类胡萝卜素在淬灭1O2上都几乎同等有效。缺少类胡萝卜素的一种玉米突变体可以在弱光下正常地合成叶绿素，但将之暴露在强光下叶绿素将迅速降解(Knox JP & Dodge AD 1985)。近年来，对类胡萝卜素的一种-玉米黄质的保护作用的研究取得了很大进展。当光照过剩时，紫黄质(V)经过两步脱环氧化，经中间产物花药黄质（环氧玉米黄质，简称A）而变为玉米黄质(Z)。这一反应由抗坏血酸的氧化所驱动。而当光变弱时或在黑暗中则发生相反的变化。这三种类胡萝卜素统称叶黄素，这一代谢途径被称为叶黄素循环。叶绿素荧光研究表明荧光的淬灭和玉米黄质的含量之间有很好的相关( Damig-Adams 1990)。国内在银杏方面的最新研究表明在自然条件下，叶片的F V/F M 比值（叶绿素可变荧光与最大荧光之比，指示叶片的光化学效率）清晨、傍晚高而中午低，而玉米黄质含量的日变进程与此恰好相反，中午高而早、晚低（Meng et al. 1999)。在小麦方面的研究更清楚地显示了V和Z此消彼长的关系（Xu et al. 1999）。叶黄素循环对叶绿体的保护作用的机制还不完全清楚，其作用途径之一是有助于在强光下积累的叶绿素单线激发态的解激（Demig-Adams and Adams III 1992）。此外，另一种结合在类囊体膜上的脂溶性1O2淬灭剂是α生育酚（维生素E）。缺失

生育酚的植物突变体对光化学伤害特别敏感。在叶绿体内以2-3mM浓度存在的水溶性自由基清除剂抗坏血酸（ASA）也可能或直接或间接地参与1O2的淬灭。

2.7.1.2.2 O2-和H2O2清除系统--SOD和ASA-GSH途径

SOD是O2-的专化清除剂。高等植物叶绿体内至少有两种同工酶：CuZnSOD和MnSOD。前者是主要的，既存在于类囊体膜上，也存在于类囊体腔中；后者只存在于类囊体膜上。在正常情况下，由Mehler反应所产生的O2-可以被SOD及时清除；ASA也可以直接清除O2-。由于叶绿体中不含过氧化氢酶，O2-被歧化所产生的H2O2是由一种特定的代谢途径来清除的。H2O2可直接被ASA还原为H2O，这一反应被一种特殊的过氧化物酶--抗坏血酸过氧化酶（ASAPOD）所催化。这种过氧化物酶不同于一般的以愈疮木酚为底物的植物源过氧化物酶，它对ASA的亲和力远超过愈疮木酚。在叶绿体中的ASAPOD至少存在着两种同工酶，一个在基质区，另一个在类囊体膜上而且其活性有赖于还原态ASA来维持。如ASA被耗尽，它就要失活（Miyake & Asada 1992）。ASA本身分两步被氧化为单脱氢抗坏血酸自由基（MDA），和脱氢抗坏血酸（DHA）。前者大部分以NAD（P）H为电子供体直接被单脱氢抗坏血酸自由基还原酶（MDAR）催化还原为ASA。在照光条件下，PS I 的铁氧还蛋白（Fd）也可直接还原MDA。如NAD（P）H供应不足，MDA可自动歧化为ASA和DHA。DHA 由脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）催化，以还原态谷胱甘肽（GSH）为电子供体还原为ASA。被氧化的GSH（GSSG）再由谷胱甘肽还原酶以NAD（P）H为电子供体还原为GSH。由于Halliwell和Asada两人对发现这一代谢途经的贡献，有的文献也称之为Halliwell-Asada途经（Bowler等1992）。这一途径最早发现于叶绿体，后来知道实际上这一途径也存在于植物细胞叶绿体以外的其它处所，甚至在非绿色组织中。因而这一代谢途径的意义已经远超出了叶绿体和光合作用。目前国内对这一途径的研究还很不够。尤其值得指出的是MDAR是目前唯一已知的存在于生物界的催化一种有机自由基的清除的酶。据Miyake等（1998）报告，当离体的菠菜类囊体膜制备物在没有MDA存在的条件下照光时，MDAR将把电子传给O2而产生O2-。他们认为原则上MDAR、GR、铁氧还蛋白-NADP 还原酶及乙醇酸氧化酶这类酶含有的FAD辅基都可以在PS I 反应中心附近被光还原，然后再把电子传给分子氧从而媒介O2-的产生，但MDAR的可能性最大。看来这一代谢途径的运作方式及其价值仍有待于进一步研究。

光合作用的电子传递链是光合细胞活性氧产生的最主要场所。在光合电子传递过程中，活性氧主要在3个部位产生(图3-1)：①光系统II(PSII)的光吸收蛋白复合物；②PSII的还原侧反应中心；③光系统I的还原侧是产生活性氧的注意部位。

图叶绿体中ROS产生图解（引自Dat, et al.Cell Mol Life Sci., 2000）

2.7.2质膜及其附近产生的自由基

在植物中可能产生自由基的另一个重要处所是质膜及其附近。质膜产生氧自由基的可能性最早是和跨膜电子传递及营养离子的吸收相联系的。早在1940年代，就有人试图把植物对离子的吸收和跨细胞质膜的电子传递相联系。但当时还没有直接测定这种电子传递的技术。1972年Chaney等介

绍了大豆吸收铁必然伴随着细胞外螯合铁离子还原的研究结果。1977年Polevoi and Salamatova表明细胞表面铁氰化物通过竞争吸收电子而阻碍氧的吸收。1981年Ivankina等确定了用细胞外铁氰化物或膜结合四唑盐的还原作为跨质膜电子传递的测定方法。1987年Morre等用电子显微镜细胞化学的方法确定了植物质膜上氧化还原系统的存在。双水相法质膜提纯技术的出现，刺激了质膜上氧化还原酶系统研究的复兴。Crane等1991年就总结了质膜上常见的7种酶系统和偶见的6种酶系统。例如能还原细胞外具高氧还电位电子受体的“标准”系统可能以氧为最终电子受体而产生O2-。岳才军和陈珈（1997）用从大豆下胚轴制备的内载有GSH的原生质膜泡囊进行的实验证明GSH也可以作为电子供体而还原质膜外面的FeCN和细胞色素C。“外部”氧化酶则在有氧条件下氧化外源NADH或NADPH而产生O2-。早就知道存在于细胞壁，和细胞壁的木质化及抗菌作用密切有关的过氧化物酶也是和质膜密切结合的。它氧化NADH而产生O2-和H2O2。

2.7.3线粒体

在呼吸作用中，线粒体在进行电子传递时发生自我氧化产生超氧阴离子。线粒体复合体I的铁硫中心、复合体Ⅲ、还原型泛醌及细胞色素C是产生活性氧的主要位点。

2.7.4过氧物酶体

过氧物酶体是光呼吸过程的重要细胞器之一。在过氧物酶体基质与过氧物酶体膜上，通过乙醇酸氧化酶、脂肪酸β-氧化酶、黄素氧化酶等氧化产生过氧化氢及超氧阴离子等活性氧，并且由细胞器内的抗氧化酶清除。

图线粒体及过氧化物体中ROS产生图解（引自Dat, et al.Cell Mol Life Sci., 2000）

2.5活性氧检测

活性氧化学性质活泼，寿命短，信号弱，一般很难捕获其信息。到目前为止，准确检测植物内源活性氧水平的技术难度很大。检测·O2-的方法主要有电子顺磁共振波谱分析法和酶学分析法。由于·O2-是SOD反应的底物，主要通过检测SOD来估计·O2-的含量，如化学发光、羟胺氧化法、NBT 还原、细胞色素C、连苯三酚法等。

羟自由基·OH的检测，主要是根据SOD和CA T对其产生的抑制作用以及·OH清除剂(如乙醇、甘露醇等)对其产生的清除作用等来估测·OH水平。此外，也可以利用电子顺磁共振测定·OH。

H2O2是较稳定的活性氧分子。测定H2O2的方祛较多，有碘滴定法、分光光度法、化学发光法、荧光法等测定方法。由于过氧化氢酶和过氧化物酶可以清除H2O2，故还可以通过测定这两类酶的活性来估测H2O2的水平。这些方法受到多种因素影响，如样品杂质、人为因素、灵敏度等。

细胞内脂类过氧化物(MDA)产量的多少，可以表示所受过氧化程度的高低，因此MDA作为膜脂过氧化的指标。检测方法有酶法、碘释放法、共扼双键检测法、烃类气体测定法等。酶法专一性强，操作简便、可准确定量。目前，使用较多的是丙二醛测定法，此法是测定脂类过氧化最终产物丙二醛(MDA)。

第三章植物抗盐生理

3.1引言

植物的抗盐性是植物耐逆性之一，和其他耐逆性（例如抗旱性、抗寒性等）一样，也是植物长期生活在特定生境（盐渍生境）中逐渐产生适应而形成的。所谓盐渍生境，其主要特点是盐离子（主要是Na和Cl）含量比较高，这对植物可以产生两种胁迫，一是土壤高离子浓度造成的渗透胁迫，二是离子本身产生的离子毒害——离子胁迫。前者导致土壤水势下降，使植物吸水困难，甚至迫使细胞脱水，后者影响植物的正常生理代谢，干扰植物代谢过程，从而抑制植物的生长发育，严重时可以导致植物死亡。显然，要使植物在盐渍生境中不受干扰，正常生长和发育，植物必须具备克服这两种胁迫的手段，才可能适应盐渍生境，这就是植物的抗盐性。

当今地球上生长着两类对盐反应不同的植物，一类能在盐渍生境中正常生长和发育，并且可以完成其生活史，这类植物称为盐生植物，另一类则不能在盐渍生境中正常生长和发育，其生长发育很容易受到盐分胁迫的伤害，开始生长发育迟缓，后来则走向死亡，这类植物称为非盐生植物或甜土植物。现有的农作物基本上都是非盐生植物。如何能使现有的非盐生植物的农作物正常生长在盐渍生境中并能获得一定的产量，这是长期以来人们向往的一件事。当今世界人口急剧增长，耕地不断减少，急需开发利用世界上现存的大面积盐碱土地，提高人们的生活，这是摆在人们面前的头等大事。

3.1.1盐土、碱土和盐碱土

盐碱土是盐土、盐化土壤以及碱土、碱化土壤的总称，又称盐渍土壤。

我国的盐碱土，除新疆的哈密、吐鄯、塔里木河沿岸以及松花江一带小面积的硝酸盐盐土外，主要是由三种阳离子及四种阴离子组成的12种盐土：

根据上述盐类在水溶液中水解后所呈现的酸性和碱性反应，把它们分为中性盐和碱性盐两大类，其中中性盐有氯化物和硫酸盐，碱性盐包括碳酸盐和重碳酸盐。

盐土是指地表土层中含有大量可溶性盐类的土壤。目前国内计算盐土含盐量的指标及计算平均含盐量的土层深度，还没有完全统一的标准。暂用表层土壤含盐量在0.6-2%范围内的为盐土。中性盐中的氯化物对植物的危害大于硫酸盐，在表层土壤氯化物含量超过0.6%和硫酸盐超过2%时，对植物都会造成极大的危害，甚至使多数植物死亡（主要指非盐生植物）。当表层土壤中性盐含量超过0.2%时，对大部分农作物均可产生不同程度的危害，这种土壤称为盐化土壤，或盐渍化土壤。盐土和盐化土壤总称为盐土类土壤。关于计算平均含盐量的土层深度，目前国内意见还不一致，不同地区有不同的标准。新疆地区多以0-30cm深土层中的平均含盐量为计算盐土的土层深度；滨海地区多用1m深的土层平均含盐量；一般情况下，多用0-20cm深耕作层土壤含盐量为标准。

碱土是指表层土壤中含碱性盐为主的土壤。这种土壤的溶液呈强碱性，PH≥8.5，一般含可溶性盐很少，土壤胶体吸附一定数量的交换性钠。关于碱土的分级标准问题，当今国内尚无统一的标准，

一般多用土壤的碱化度作为指标，即土壤胶体吸附的交换性钠占交换性阳离子总数的百分数。碱化度超过5%时，这种土壤称为碱化土壤；碱化度大于20%时，此种土壤称为碱土，碱化土壤和碱土合称为碱土类土壤。

3.1.2盐生植物和非盐生植物

根据植物的耐盐能力，将植物分成盐生植物和非盐生植物或甜土植物。但给盐生植物下一个确切的定义是十分困难的。主要原因是：①盐生植物类型繁多，有的是专性的，只能生长在盐碱土上，有的是兼性的，在盐碱土和甜土中都可以生长，并完成其生活周期。②盐生植物的耐盐范围很大，有的可以耐高浓度盐，2-7倍于海水，有的盐生植物只能耐很低浓度的盐，其耐盐水平很接近一些耐盐的甜土植物，是盐生植物和甜土植物的过渡类型。③盐生植物的抗盐机理不一，有的泌盐，有的拒盐，有的稀盐，有的兼而有之。另外，泌盐、拒盐和稀盐的方式也多种多样，所以也很难从其生理特点上给盐生植物下一个定义。④盐生植物在形态构造上也十分复杂，有的有盐腺，有的肉质化，有的兼而有之，有的既没有盐腺也不肉质化，所以从形态构造的特点上也很难给盐生植物下一个定义。此事虽有困难，但仍有一些科学家们企图探索盐生植物的特点，给盐生植物一个恰当的定义。早在1972年，Waisel在他编著的“Biology of Halophytes”一书中写道：“在高含盐量的生境中生长并完成其生活史的植物称之为盐生植物。”这个定义不够明确，没有规定生境的含盐量。Jennings于1976年提出，盐生植物是“盐渍生境中的天然植物区系”。他也没有规定生境的含盐量。1980年Greenway 等给盐生植物一个比较科学的定义，他在首先同意Jennings的定义的基础上，将盐渍生境的含盐量加以规定，认为盐生植物的盐渍生境是含有渗透压大于3.3×105Pa（等于70mmol/L单价盐）盐水的生境，在此生境中生长的自然植物区系就是盐生植物。这个定义，将一些甜土植物和盐生植物的中间过渡类型大多排除在外了，在这个定义中的盐生植物都是比较典型的，我们认为，暂时可以采用这个定义。

明确了盐生植物的概念后，非盐生植物的定义也就容易规定了，凡在上述生境中不能正常生长的植物区系就是非盐生植物。

3.2盐度对植物的伤害

3.2.1盐害

土壤或水域中的盐分，显著偏离于植物最适生活条件的浓度时，它就会引发植物有机体在所有功能水平上产生变化和反应，即发生胁变。如果盐分浓度不太大，则产生的胁变不大，而且是可逆的；如果浓度很高，或作用时间较长，则产生的胁变较大，胁迫往往即变成不可逆的，时间长了则会导致植物死亡。这种由盐分胁迫对植物产生的胁变，即植物的盐害。

3.2.2盐害和离子害

盐害实际上也是盐离子导致的，但盐害和离子害是不同的。根据Levitt的定义，如果盐浓度足以降低植物的水势（0.5-1）×105Pa时，由此而对植物产生的伤害作用称之为盐害。如果盐（或者酸或者碱）的浓度不足以降低植物水势，但对植物体同样可以产生伤害作用，此种伤害称之为离子害。盐害多指Na盐、Mg盐和Ca盐离解后生成的Na、Mg、Ca、Cl、SO4、CO3等离子毒害，这些离子要在浓度相当高的情况下才会致害，由于浓度高，除了产生离子的直接伤害外，还会产生次生伤害作用，即由渗透胁迫产生的伤害作用。离子伤害主要是指一些在低浓度下就能产生伤害作用的离子，如铜、汞、锌、镉、钴、铅等。一般的离子伤害浓度常在10-3mol/L以下，所以不会产生渗透胁迫。

3.2.3原初盐害

3.2.3.1概念

盐分胁迫的原初伤害，是盐离子本身对植物产生的伤害，即离子胁迫导致的伤害。当生境中离子浓度增大以后，对植物细胞的生理功能即产生伤害，最明显的伤害之一就是质膜选择透性的破坏，即透性增大，胞内的部分溶质，例如K及小分子有机物质大量外渗，外界盐离子大量进入细胞，导致代谢紊乱，离子稳态破坏，产生一系列异常反应，甚至导致植物体死亡。

3.2.3.2原初伤害产生的机理

关于盐分胁迫对植物的原初直接伤害，归纳起来有三种观点。

（1）认为盐分胁迫对植物的原初效应发生在根部，是根系的水分状况造成的，而不是盐分本身。当植物受到盐分胁迫时，木质部水势会突然上升，运入生长区的水分就会减少，因而抑制生长。通过渗透调节和细胞壁松弛增大水分的摄取，这种抑制效应即可停止。

（2）认为植物地上部分叶延长是不依靠根的，根仅是盐毒性的传感器，限制叶片延长生长的因子可能存在于地上部分。另外，认为盐分胁迫的初期地上部分顶端分生组织的营养被破坏，因而影响正在扩展的叶片，因为地上部分分生组织是正在扩展的叶片的信号源。

（3）认为是细胞Ca的自动动态平衡遭到破坏造成的。盐胁迫对叶片延长生长的抑制作用是快速产生的。叶片延长是不依靠根的以及第二信使Ca在植物生长发育中的重要作用和Na和K之间关系，因此盐分胁迫对植物的原初效应是，在影响水分供应的同时，也降低Ca的供应，从而破坏细胞的Ca稳态。已经证明，在NaCl胁迫下细胞中的Ca可以被Na置换出来，从而降低细胞Ca水平。另外，在细胞Ca降低的同时，Na大量进入细胞，这样可以导致木质部汁液中Ca水平增大，结果会进一步导致叶片和茎顶部分生组织Ca水平降低，如此则降低Ca的第二信使的作用，进而降低钙调素所调控的各种代谢活动，抑制植物的生长和发育。

关于盐分胁迫对植物的原初效应并没有完全了解清楚，看来原初效应不是单一的，很可能是综合效应。植物生长在盐渍环境中，由于质膜是有机体与外界环境的界面，所以植物细胞质膜首先接触盐分，盐分胁迫首先并直接影响细胞质膜。

3.2.3.3原初伤害导致的一些代谢破坏

光合作用、呼吸作用、氮素代谢、蛋白质代谢、核酸代谢、硫代谢、生物固氮、内源激素