1 植物抗性的生理化基础 2 植物的抗寒性 3 植物的抗旱
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植物生理学：植物的抗性生理
Cellular responses to stress include changes in the cell cycle and cell division, changes in the endomembrane system and vacuolization of cells, and changes in cell wall architecture, all leading to enhanced stress tolerance of cells. At the biochemical level, plants alter metabolism in various ways to accommodate environmental stresses, including producing osmoregulatory compounds such as proline and glycine betaine. The molecular events linking the perception of a stress signal with the genomic responses leading to tolerance have been intensively investigated in recent years.
作用于植物体的活性氧种类的分子结构模型
活性氧清除系统
I酶类（保护酶系统） ：
1)SOD（superoxide dismutase) 2)CAT (Catalase) 3)POD (Ascorbic acid Peroxidase)
Adaptation and acclimation to environmental stresses result from integrated events occurring at all levels of organization, from the anatomical and morphological level to the cellular, biochemical, and molecular level. For example, the wilting of leaves in response to water deficit reduces both water loss from the leaf and exposure to incident light, thereby reducing heat stress on leaves.
《植物的抗性生理》PPT课件
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。
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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。
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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。
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• 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 能参与种子贮藏蛋白的合成。
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4）在植物减数中的作用
• 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。
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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
• 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。
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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。
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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。
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• 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 能参与种子贮藏蛋白的合成。
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4）在植物减数中的作用
• 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。
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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
植物生理学-第十一章-植物抗逆生理
第一节抗逆的生理基础一、逆境和植物的抗逆性（一）逆境的概念和种类逆境(stress)是指对植物生存生长不利的各种环境因素的总称。
逆境种类：1.物理逆境：热害、冷害、干旱、淹水、光辐射、机械损伤、电伤害、磁伤害、风2.化学逆境：养分缺乏、养分过剩、低pH、高pH、盐害、空气污染、农药污染、毒素3.生物逆境：竞争、病害、虫害、动物危害、人类危害、共生微生物缺乏、有害微生物、生化互作（二）抗逆性及方式抗性是植物在对环境的逐步适应过程中形成的。
由于植物没有动物那样的运动机能和神经系统，基本上是生长在固定的位置上，因此常常遭受不良环境的侵袭。
但植物可用多种方式来适应逆境，以求生存与发展。
抗逆性(stress resistance)植物对逆境抵抗和忍耐能力。
抗性的方式： 1.逆境逃避（stress escape）是指植物整个发育过程不与逆境相遇，或指植物在逆境胁迫到来之前，植物已完成其生育周期。
2.逆境忍耐（stress tolerance）是指植物通过自身的生理生化变化来适应环境的能力。
抗环境胁迫涉及到植物体的忍耐胁迫和逃避胁迫二、植物在逆境下的形态变化与代谢特点(一)形态结构变化(二)生理生化变化植物以细胞和整个生物有机体抵抗环境胁迫：植物体可以受到和识别的环境信号组成了应激性反应。
进行环境胁迫识别后信号被传输到细胞内和植物体全部。
典型的环境信号传导导致细胞水平的可变基因的表达，反过来有可以影响植物体的发育和代谢。
三、渗透调节与抗逆性 (一)渗透调节的概念 多种逆境都会对植物产生水分胁迫。
水分胁迫时植物体内积累各种有机和无机物质，提高细胞液浓度，降低其渗透势，保持一定的压力势，这样植物就可保持其体内水分，适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节(osmotic adjustment)。
(二)渗透调节物质:参与渗透调节的可溶性物质称为渗透调节物质。
包括：1.无机离子；2.脯氨酸；3.甜菜碱；4.可溶性糖常见有机渗透调节物氨基酸甜菜碱物（三）渗透调节物质的共性及作用分子量小、易溶于水；生理中性、两性离子；稳定酶结构；合成迅速。
植物生理学ppt课件 植物的抗性生理
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结构上：有扩大根部通气组织以适应淹水 条件；
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生理上：生长停止，进入休眠，以迎接冬 季低温来临，等等。
生化上：以形成胁迫蛋白、增加渗透调节 物质和脱落酸含量的方式，提高细胞对 各种逆境的抵抗能力。
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现将植物对不良环境的生理适应分述 如下：
1. 生物膜
各种细胞器的膜系统在逆境下都会膨胀或 破损，所以生物膜和抗逆性有密切的关系。
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第一节 抗性生理通论
一、逆境对植物的伤害
逆境会伤害植物，严重时会导致死亡。
植物在各种逆境下的生理代谢变化 具相似性，有共性；
但具体到某一种逆境又各有不同，有个性。
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植物在逆境下的生理生化变化
①细胞脱水，膜系统破坏，膜上酶活性紊 乱。
②任何逆境都导致光合速率下降，同化产 物形成减少。
ABA的含量，因 此可提高抗逆性， 目前被广泛应用
treated with paclobutrazol. The treated leaves show
于生产中。 1、2
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higher chlorophyll content. 32
3）ABA提高抗逆性的原因有四
① 减少膜的伤
逆境时生物膜最敏感，最易受伤害， 而ABA可稳定膜，减少逆境带来的伤害。
保护酶系统：SOD、CAT、POD、ASA-POD 非酶保护系统:Ve、GSH、Vc、类胡萝卜素
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正常条件下，自由基的产生和清除处于动 态平衡，细胞内不致于积累过多的活性氧，植 物得以正常生长、发育。但在逆境条件下，细 胞内自由基产生与清除的平衡就会被打破，导 致自由基积累，对植物造成伤害。
13.植物的抗性生理
（一）间接伤害
• 1、饥饿 植株处于温度补偿点以上的温度 时，呼吸大于光合，消耗养料，植株饥饿 或死亡。 2、氨毒害 高温抑制氮化物的合成，积累 氨过多，毒害细胞。肉质植物有机酸含量 高，与氨结合，减轻氨危害，故抗热性强。 3、蛋白质破坏 高温破坏蛋白质，合成减 慢，降解加剧。
第二节 植物的抗冷性
• 零上低温时，虽不结冰，但能引起喜温植 物（热带、亚热带植物）的生理障碍，使 植物受伤甚至死亡。 • 春季寒潮——水稻烂秧； • 冷空气袭击——水稻开花前，多空秕粒； • 冬季不定期寒流侵袭——三叶橡胶树的枝 条干枯或全株受害。
一、冷害过程的生理生化变化
• （一）胞质环流减慢或停止 • 受冷害植物的氧化磷酸化解偶联，ATT含 量明显下降，影响胞质环流和正常代谢。 • （二）水分平衡失调 • 零上低温危害后，秧苗吸水和蒸腾显著下 降，其中根部活力破坏大，而蒸腾仍保持 一定速率，蒸腾大于吸水。 • 寒潮过后，植株的叶尖和叶片干枯。
二、植物对逆境的适应
• • • • • 植物对逆境的适应方式 避逆性：植物对不良环境在时空上躲避开。 沙漠植物雨季生长，阴生植物树荫下生长。 耐逆性：植物能够忍受逆境的作用。 干旱——根系发达，叶小；水淹——通气 组织；低温——生长停止，进入休眠。 • 形成胁迫蛋白、增加渗透调节物质和脱落 酸含量等。
• （二）外界条件 • 低温锻炼对提高喜温植物的抗寒性有一定效果。 • 番茄幼苗：25℃生长，12.5 ℃锻炼几小时至两天， 对1 ℃有抵抗力。 • 黄瓜、香蕉果实，甘薯块根：低温锻炼有抵抗力。 但温度过低或时间过长还是会死亡的。 • 植物生长速率与抗寒性强弱呈负相关。植物稳生 稳长、组织结实，含水量低，呼吸速率适中，抗 寒性强，反之低。 • 措施：合理施用磷钾肥，少施氮肥，不宜灌水， 施生长延缓剂，提高脱落酸水平，提高抗性。
植物的耐旱和耐寒机制
生化机制的比较
植物耐旱机制：植物通过减少水分损失和增加水分吸收来应对干旱环境，例如通过关闭气孔、 增加细胞壁弹性等。
植物耐寒机制：植物通过降低冰点、增加细胞内液体浓度、减少细胞内冰晶形成等方式来应对 寒冷环境。
比较：植物耐旱和耐寒机制在生化方面存在差异，例如在代谢途径、酶活性等方面。
共性：植物耐旱和耐寒机制也存在一些共性，例如在基因表达、信号转导等方面。
低温条件下，植物会合成一系列低温诱导蛋白，这些蛋白能够增强植物的抗寒性。
植物的抗氧化系统在耐寒机制中也起着重要作用，能够清除自由基，减轻氧化应激对植物的伤 害。
植物的基因组学适应
基因组变异：植物在寒冷环境中通过基因组变异来适应低温环境。 基因表达：植物通过调控基因表达来适应低温环境，如增加抗冻蛋白的合成。 细胞结构：植物在低温环境下改变细胞结构，以减少冰晶对细胞的损伤。 信号转导：植物通过信号转导来感知低温信号，并作出相应的适应反应。
生态学机制的比较
植物耐旱机制：减少水分损失和增加水分吸收，例如减少叶片面积、增加 根系深度等。 植物耐寒机制：降低冰点温度、增加膜流动性、增加细胞内糖分和氨基酸 含量等。
比较：耐旱植物更注重减少水分损失，而耐寒植物更注重降低冰点温度。
共性：植物的耐旱和耐寒机制都涉及到对细胞膜的保护和渗透调节等方面。
植物的生化适应
增加糖类物质 的积累，提高 细胞液浓度，
降低冰点
增加细胞膜脂 肪酸的链长度， 降低膜流动性
增加细胞内抗 氧化物质的含 量，减轻氧化
损伤
调节基因表达， 增加抗寒相关 蛋白的表达量
植物的生态学适应
植物的耐寒机制包括细胞膜流动性、低温诱导蛋白和抗氧化系统等。
植物通过增加细胞膜脂肪酸的含量和流动性，以保持膜的稳定性，从而适应低温环境。
植物生理学ppt课件 植物的抗性生理
第十三章 植物的抗性生理
逆境（stress）： 对植物产生伤害的环境称为逆 境（stress），又称胁迫。
地球上适宜于耕作的土地不足10％，其余 为干旱、半干旱、冷土和盐碱土。
我国有48％的耕地为干旱、半干旱地区， 约有465万km2。
图示为2019年 五月第一旬的 干旱指数图, 以百分数表示。
1.冷害发生时的生理生化变化
① 胞质环流减慢或停止
冷害敏感的番茄、玉米、甜瓜在 10℃条件下1～2min时，胞质环流非常缓 慢，甚至完全停止，而胡萝卜等对冷害 不敏感的植物在0℃时仍然有胞质环流。
② 水分平衡失调
低温使水稻苗等植物的吸水能力和蒸腾速 率显著下降，其中吸水力下降更大，因为低温 使根部活力受到破坏，造成吸水困难，而蒸腾 仍能保持一定速率，所以最终造成蒸腾大于吸 水，水分平衡失调。尤其在天转暖后，叶温迅 速升高，地温升高得较慢，吸水跟不上蒸腾， 水分失调更严重。因此，寒潮过后植物叶尖叶 片能见到有干枯的现象。了特殊的方式以 适应冬季的低温。例如在生长习性方面，一年 生植物主要以干燥种子形式越冬，而大多数多 年生草本植物越冬时地上部死亡，而以埋藏于 土壤中的延存器官块茎、鳞茎等度过冬天。
在冬季来临之前，随着气温逐渐降低，植 物体内发生了一系列适应低温的生理生化变化， 抗寒力逐渐加强，这种提高抗寒力的过程称为 抗寒锻炼。
逆境条件下 ABA的增加发生在 细胞受害之前。
2）外施ABA对抗逆性的影响
有 实 验 表 明 ， 外 施 适 当 浓 度 （ 10-6 －
10-4mol/L）的ABA可提高作物抗冷、抗旱
和抗盐能力。
Sugar maple
植物生长延 缓剂可提高内源
leaves from trees untreated (top) and
逆境（stress）： 对植物产生伤害的环境称为逆 境（stress），又称胁迫。
地球上适宜于耕作的土地不足10％，其余 为干旱、半干旱、冷土和盐碱土。
我国有48％的耕地为干旱、半干旱地区， 约有465万km2。
图示为2019年 五月第一旬的 干旱指数图, 以百分数表示。
1.冷害发生时的生理生化变化
① 胞质环流减慢或停止
冷害敏感的番茄、玉米、甜瓜在 10℃条件下1～2min时，胞质环流非常缓 慢，甚至完全停止，而胡萝卜等对冷害 不敏感的植物在0℃时仍然有胞质环流。
② 水分平衡失调
低温使水稻苗等植物的吸水能力和蒸腾速 率显著下降，其中吸水力下降更大，因为低温 使根部活力受到破坏，造成吸水困难，而蒸腾 仍能保持一定速率，所以最终造成蒸腾大于吸 水，水分平衡失调。尤其在天转暖后，叶温迅 速升高，地温升高得较慢，吸水跟不上蒸腾， 水分失调更严重。因此，寒潮过后植物叶尖叶 片能见到有干枯的现象。了特殊的方式以 适应冬季的低温。例如在生长习性方面，一年 生植物主要以干燥种子形式越冬，而大多数多 年生草本植物越冬时地上部死亡，而以埋藏于 土壤中的延存器官块茎、鳞茎等度过冬天。
在冬季来临之前，随着气温逐渐降低，植 物体内发生了一系列适应低温的生理生化变化， 抗寒力逐渐加强，这种提高抗寒力的过程称为 抗寒锻炼。
逆境条件下 ABA的增加发生在 细胞受害之前。
2）外施ABA对抗逆性的影响
有 实 验 表 明 ， 外 施 适 当 浓 度 （ 10-6 －
10-4mol/L）的ABA可提高作物抗冷、抗旱
和抗盐能力。
Sugar maple
植物生长延 缓剂可提高内源
leaves from trees untreated (top) and
植物的抗性生理
（二）抗性的方式 1 . 避逆性
通过对生育周期的调整避开逆境的干扰，在相对适 宜的环境中完成生活史。 2 .耐逆性（逆境忍耐）
指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止、降 低或修复由逆境造成的损伤，使其仍保持正常的生 理活动。 抗性是植物对逆境的适应性反应，逐步适应形成。
对不利与生存的环境逐步适应的过程——锻炼
胞内结冰：原生质内结冰，液泡内结冰 （机械损害）。
（二）冻害的机理
胞间结冰引起植物伤害的原因：
1 原生质过度脱水，使蛋白质变性或 原生质发生不可逆的凝胶化。 2 冰晶体对细胞的机械损伤
3 解冻过快对细胞的损伤（壁易恢复 但原生质不易恢复，细胞膜有可能被撕 破）
（三）植物对冻害的适应性 1 . 含水量下降 自由水与束缚水相对比例减小。 2 . 呼吸减弱 细胞呼吸弱，糖分消耗少。 3 . 激素变化 ABA含量增加 4. 生长停止，进入休眠 5. 保护物质增多 可溶性糖含量增加（提高细胞液浓度，降低冰 点；防止脱水），脂类化合物在细胞质表层集 中（水分不易透过）。
（二）渗透调节物质 1 . 无机离子
依靠细胞内无机离子的积累进行渗透调 节（特别是钾离子）。 无机离子主动吸收，积累在液泡。 2 .脯氨酸（最有效的渗透调节物之一） 积累原因： 1 脯氨酸合成加强 2 脯氨酸氧化受抑 3 蛋白质合成减弱。
大麦 叶子 成活 率和 叶中 脯氨 酸含 量的 关系
3. 甜菜碱
2 .光合速率下降 （1）呼吸速率降低（冻、热 3 .呼吸速率变化盐、淹水）
4.酶活性紊乱 2 呼吸速率先升高后降低
（零上低温、干旱）
3
呼吸速率明显增高（病
菌）
三、渗透调节与抗逆性 （一）渗透调节的概念 水分胁迫时，植物体内积累各种有机和 无机物质，提高细胞液浓度，降低渗透 势保持体内水分，这种调节作用称为渗 透调节。
通过对生育周期的调整避开逆境的干扰，在相对适 宜的环境中完成生活史。 2 .耐逆性（逆境忍耐）
指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止、降 低或修复由逆境造成的损伤，使其仍保持正常的生 理活动。 抗性是植物对逆境的适应性反应，逐步适应形成。
对不利与生存的环境逐步适应的过程——锻炼
胞内结冰：原生质内结冰，液泡内结冰 （机械损害）。
（二）冻害的机理
胞间结冰引起植物伤害的原因：
1 原生质过度脱水，使蛋白质变性或 原生质发生不可逆的凝胶化。 2 冰晶体对细胞的机械损伤
3 解冻过快对细胞的损伤（壁易恢复 但原生质不易恢复，细胞膜有可能被撕 破）
（三）植物对冻害的适应性 1 . 含水量下降 自由水与束缚水相对比例减小。 2 . 呼吸减弱 细胞呼吸弱，糖分消耗少。 3 . 激素变化 ABA含量增加 4. 生长停止，进入休眠 5. 保护物质增多 可溶性糖含量增加（提高细胞液浓度，降低冰 点；防止脱水），脂类化合物在细胞质表层集 中（水分不易透过）。
（二）渗透调节物质 1 . 无机离子
依靠细胞内无机离子的积累进行渗透调 节（特别是钾离子）。 无机离子主动吸收，积累在液泡。 2 .脯氨酸（最有效的渗透调节物之一） 积累原因： 1 脯氨酸合成加强 2 脯氨酸氧化受抑 3 蛋白质合成减弱。
大麦 叶子 成活 率和 叶中 脯氨 酸含 量的 关系
3. 甜菜碱
2 .光合速率下降 （1）呼吸速率降低（冻、热 3 .呼吸速率变化盐、淹水）
4.酶活性紊乱 2 呼吸速率先升高后降低
（零上低温、干旱）
3
呼吸速率明显增高（病
菌）
三、渗透调节与抗逆性 （一）渗透调节的概念 水分胁迫时，植物体内积累各种有机和 无机物质，提高细胞液浓度，降低渗透 势保持体内水分，这种调节作用称为渗 透调节。