植物生理122課件

第十二章植物的成熟和衰老生理

1.種子的成熟生理

2.果實的生長和成熟生理

3.植物的休眠生理

4.植物的衰老生理

5.植物器官脫落生理4植物的衰老4.1衰老的類型、意義4.2衰老時的生理生化變化4.3植物衰老的原因

4.4影響衰老的條件4.5衰老的人工控制4.1植物衰老的概念、類型及意義

植物的衰老（senescence）是指細胞、組織、器官或整個植株生理功能衰退，最終自然死亡的過程。衰老是受植物遺傳控制的、主動和有序的發(fā)育過程。環(huán)境因素可以誘導(dǎo)衰老。

植物衰老可分為四種類型：(1)整株衰老

一生中只開一次花的植物，一年生植物、二年生植物及個別多年生植物，開花后整株衰老死亡。

(2)上部衰老

多年生草本植物，地上部隨著生長季節(jié)的結(jié)束而每年死亡，而根仍可以繼續(xù)生存多年；(3)落葉衰老

多年生落葉木本植物的莖和根能生活多年，而葉子每年衰老死亡和脫落;(4)漸近衰老

多年生常綠木本植物較老的器官和組織隨時間的推移逐漸衰老脫落，并被新的器官所取代。

(2)(3)(4)類為一生中能多次開花的植物

1）生物膜的破壞膜磷脂降解，膜結(jié)構(gòu)逐步解體，透性增加，選擇功能喪失。

2）蛋白質(zhì)顯著下降分解大于合成蛋白質(zhì)含量下降原因有兩種可能：一是蛋白質(zhì)合成能力減弱，一是蛋白質(zhì)分解加快。

3）核酸含量的變化分解大于合成RNA、DNA含量下降，RNA下降更快。4.2衰老時的生理生化變化4）光合速率下降

葉片衰老時，葉綠體被破壞，葉綠素含量迅速下降。伴隨著蛋白水解酶活性增強的過程，Rubisco減少，光合電子傳遞和光合磷酸化受到阻礙，所以光合速率下降。

5）呼吸速率下降

在葉子衰老過程中，線粒體變化不如葉綠體那么大。呼吸速率迅速下降，后來又急劇上升，再迅速下降，似果實一樣，有呼吸驟變。衰老時的呼吸底物有改變，不是糖而是氨基酸。此外，衰老時呼吸過程的氧化磷酸化逐步解耦聯(lián)。

6)激素變化—激素平衡打破

ABA和ETH增加，IAA、GA、CTK下降。

RNA（2）植物激素調(diào)節(jié)假說

一般認為植物的衰老是由一種或多種激素綜合控制的。

CTK、GA及生長素類延緩衰老，ABA、ETH促進植物的衰老。

ABA含量的增加是引起葉片衰老的重要原因。ABA抑制核酸和蛋白質(zhì)的合成，加速葉中RNA和蛋白質(zhì)的降解；而乙烯能增加膜透性、形成自由基、導(dǎo)致膜脂過氧化、抗氰呼吸增強、物質(zhì)消耗過多，促進衰老。

植物營養(yǎng)生長時，根系合成的細胞分裂素運到葉片，促使葉片蛋白質(zhì)合成，推遲植株衰老。

植株開花結(jié)實時，一方面是根系合成細胞分裂素數(shù)量減少，葉片得不到足夠的細胞分裂素；另一方面是，花和果實內(nèi)細胞分裂素含量增大，成為植株代謝旺盛的生長中心，促使葉片的養(yǎng)料運向果實，這就是葉片缺乏細胞分裂素導(dǎo)致葉片衰老的原因。

另一種解釋是花或種子中形成促進衰老的激素（脫落酸和乙烯），運到植株營養(yǎng)器官所致。認為植物的衰老是衰老基因表達的結(jié)果。將葉片衰老定義為基因在環(huán)境條件下順序表達所引起的一系列生理生化代謝的衰退過程。衰老是遺傳因子調(diào)控下主動過程。

在衰老過程中表達上調(diào)或增加的基因稱為衰老相關(guān)基因（SAG）。而表達下調(diào)或減少的基因稱為衰老下調(diào)基因（SDG）。SAG包括降解酶如蛋白酶、核酸酶、脂酶等基因、與物質(zhì)再循環(huán)有關(guān)酶如谷氨酰胺合成酶基因以及與乙烯合成相關(guān)的ACC合酶和ACC氧化酶基因。（3）衰老基因調(diào)控學(xué)說（4）自由基損傷假說

植物體內(nèi)產(chǎn)生過多的自由基，對生物膜、生物大分子及葉綠素有破壞作用，導(dǎo)致植物體的衰老、死亡。與衰老密切相關(guān)的E：超氧化物歧化E（SOD）和脂氧合E（LOX）。

SOD參與自由基的清除和膜的保護，而LOX催化膜脂中不飽和脂肪酸的氧化而使膜損傷。（5）程序性細胞死亡理論

程序性細胞死亡（PCD）：指胚胎發(fā)育、細胞分化及許多病理過程中，細胞遵循自身的程序，主動結(jié)束其生命的生理性死亡過程。

PCD是相關(guān)基因表達與調(diào)控的結(jié)果。

如葉片衰老，在核基因控制下，細胞結(jié)構(gòu)有序解體和內(nèi)含物降解，礦質(zhì)和有機物有序地向非衰老細胞轉(zhuǎn)移和循環(huán)利用。

1)乙烯、脫落酸是促進衰老和成熟的主要激素因子。

2）細胞分裂素和多胺

細胞分裂素是一種能延緩植物衰老的激素。細胞分裂素能刺激多安合成。多胺通過抑制ACC合成酶的合成和清除自由基而抑制乙烯生產(chǎn)。

3）自由基和活性氧自由基和活性氧促進植物衰老。其生理生化反應(yīng)主要有：①加速酶蛋白的降解，如促進Rubisco降解；②促進脂質(zhì)過氧化反應(yīng)；③加速乙烯的生產(chǎn)；④引發(fā)DNA損傷，改變酶的性質(zhì)。

4）光抑制和光氧化

強光（光過剩）引起光合能力下降，稱光抑制；持續(xù)強光照射，會使葉綠素體結(jié)構(gòu)破壞，稱為光氧化。光抑制和光氧化將加速衰老進程。

5）黑暗與氣孔關(guān)閉黑暗加速衰老。氣孔關(guān)閉是導(dǎo)致植物衰老的一個重要原因。（6）植物衰老的主導(dǎo)因子

4.4環(huán)境條件對植物衰老的影響

1）光照

（1）光強

光延緩衰老，暗中加速衰老。光抑制RNA、蛋白質(zhì)及葉綠素的降解和乙烯形成，延緩衰老；強光及紫外光加速自由基產(chǎn)生，促進衰老（光抑制和光氧化）。

（2）光質(zhì)

紅光延緩衰老，遠紅光加速衰老；

（3）光周期

LD促進GA合成，延緩衰老；SD促進ABA合成，加速衰老。2）溫度

低溫和高溫引起生物膜相變，并誘發(fā)自由基的產(chǎn)生和膜脂過氧化，加速植物衰老。

3）氣體

O2濃度過高，自由基產(chǎn)生，O3污染環(huán)境，加速植物衰老；高濃度CO2抑制呼吸和乙烯生成，延緩衰老。4）水分

干旱促進ETH和ABA形成，加速蛋白質(zhì)和葉綠素的降解，提高呼吸速率；自由基產(chǎn)生增多，加速衰老。5）礦質(zhì)營養(yǎng)

N肥不足，加速葉片衰老；Ca2+有穩(wěn)定膜的作用，延緩衰老；一定濃度的Ag+、Ni2+也能延緩水稻葉片衰老。

有試驗報道，將一個包含有擬南芥衰老特異的半胱氨酸蛋白酶啟動子和ipt基因（編碼異戊烯基轉(zhuǎn)移酶）的嵌合基因?qū)霟煵葜仓?，轉(zhuǎn)基因植株在衰老之前，其細胞分裂素水平與野生型的一樣高，植株表現(xiàn)正常。隨著葉齡的增大，半胱氨酸蛋白酶的啟動子活化，與之相連的ipt基因表達，葉片細胞分裂素水平上升，延緩了衰老。高水平細胞分裂素還限制了ipt基因進一步表達，防止細胞分裂素過量產(chǎn)生。這就說明細胞分裂素是葉片衰老的天然調(diào)節(jié)物。

細胞分裂素可以延長蔬菜的貯藏時間，防止果樹生理落果的作用。用6-BA水溶液處理柑橘幼果，可以顯著地防止第一次生理落果。

切花保鮮劑：蔗糖、無機鹽、乙烯合成抑制劑（AVG、AOA）、自由基清除劑與抗氧化劑（Vc)、植物生長調(diào)節(jié)劑（6-BA）。鑒定植物衰老的生理生化指標：

凈光合速率（Pn）、可溶性蛋白質(zhì)（PR）、丙二醛（MDA）、葉綠素(Chl)。研究方向：

(1)一次結(jié)實植物與多次結(jié)實植物衰老差異以及其整體水平上植物衰老原因。

(2)植物與動物PCD是否存在相同途徑或機制。

(3)葉綠體衰老與其蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)降解的機制。

(4)雖然目前從多種植物中獲得許多滯綠突變體,但對其突變表型、生理生化及遺傳特征上差異仍缺乏認識。

(5)對與葉片衰老相關(guān)的基因類群缺乏了解。

脫落（abscission）：指植物組織或器官與植物體分離的過程。如樹皮、葉、枝、花和果實的脫落。植物器官脫落是一種生物學(xué)現(xiàn)象。

5.1器官脫落的種類正常脫落

—由于衰老或成熟引起的脅迫脫落

—由于逆境條件引起的生理脫落

—因植物自身的生理活動引起在正常條件下，適當?shù)拿撀洌蕴粢徊糠炙ト醯臓I養(yǎng)器官或敗育的花果，以保持一定株型或保存部分種子，所以脫落是植物自我調(diào)節(jié)的手段。在干旱、雨澇、營養(yǎng)失調(diào)情況下，葉片、花和幼果也會提早脫落，這是植物對外界環(huán)境的一種適應(yīng)。然而，過量和非適時的脫落，往往會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重的損失。如何減少花果脫落，是生產(chǎn)上需要解決的問題。5.2.2脫落的生化變化葉片脫落前，離層細胞衰退、變得中空而脆弱，纖維素酶和果膠酶活性增強，細胞壁中層分解，細胞彼此分離，葉片脫落。離層近端的幾層細胞發(fā)生木栓化，使斷口愈合，形成保護層。煙草、禾本科植物不形成離層

主要是水解離層的細胞壁和中膠層，脫落是一個需氧過程。與脫落有關(guān)的酶類較多。

(1)纖維素酶（cellulase）纖維素酶定位在離層，菜豆、棉花和柑桔葉片脫落時，纖維素酶活性增加。乙烯和ABA促進該酶活性。

(2)果膠酶（pectinase）果膠是中膠層的主要成分，基本上是多聚半乳糖醛酸。在脫落過程中，離層內(nèi)的可溶性果膠含量增多；脫落期間胞壁喪失的碳水化合物（占總量4%）主要是可溶性果膠。開始時，果膠酶活性與脫落幾乎同步增加。乙烯促進果膠酶活性，也促進脫落。

5.3影響脫落的因素5.3.1植物激素的作用

1）生長素—脫落的抑制劑IAA梯度學(xué)說

遠基端濃度>近基端濃度，抑制脫落兩端濃度差小或不存在，器官脫落遠基端濃度<近基端濃度，加速脫落

葉片中產(chǎn)生的生長素有抑制葉子脫落的作用。在生產(chǎn)上施用NAA或2，4-D之所以使棉花保蕾保鈴，就是因為提高了蕾、鈴內(nèi)生長素的濃度，防止離層的形成。

2）ETH—

促進脫落原因：

（1）誘導(dǎo)纖維素E和果膠E的合成，并提高這兩種E的活性，引起細胞壁分解。棉花子葉在脫落前乙烯生成增加一倍多，柑桔受到霜害后乙烯釋放量增多，促進脫落。CO2、Ag+和AVG抑制乙烯形成，也抑制脫落。（2）促使IAA鈍化和抑制IAA向離層輸導(dǎo)，使離層IAA含量少。3）脫落酸

幼果和幼葉的脫落酸含量低，當接近脫落時，它的含量最高。ABA促進分解細胞壁的E的分泌，抑制葉柄內(nèi)IAA的傳導(dǎo)，促進器官脫落。

短日照有利于脫落酸的合成，這正是說明短日照成為葉片脫落的環(huán)境信號的原因。

4）GA：對完整植株延緩器官脫落；對離體器官反而加速衰老與脫落。

5）細胞分裂素：脫落與細胞分裂素水平低有關(guān)

（IAA+GA+CTK）/（ABA+ETH）總比值的高低去考察器官衰老的程度和脫落的可能更切合實際。

5.3.2外界條件對脫落的影響

1）溫度—過高和過低促進脫落

2）水分—干旱引起器官的脫落

樹木在干旱時落葉，以減少水分的蒸騰損失，否則會萎蔫死亡。是植物對水分脅迫的重要保護反應(yīng)。干旱時，吲哚乙酸氧化酶活性增強，可擴散的生長素相應(yīng)減少，細胞分裂素含量下降，乙烯和脫落酸增多，所有這些變化都促進器官的脫落。

3）光照—光照強或長日照→不脫落；弱光或短日照→脫落。

光照充足時，器官不脫落；光照不足，器官容易脫落。光照過弱，不僅使光合速率降低，形成的光合產(chǎn)物少，而且會阻礙光合產(chǎn)物運送到葉片和花果，導(dǎo)致脫落。凡是糖類含量高的葉片和果實，不易脫落；而糖類含量低的，則容易脫落。日照縮短是落葉樹秋季落葉的信號之一。

4）氧氣—高氧或缺氧都加速脫落；

淹水—促進乙烯、纖維素酶、果膠酶合成，促進脫落。

5）礦質(zhì)元素—缺乏N、B、Zn、Ca

會導(dǎo)致器官脫落。

6）礦質(zhì)元素

缺乏N、P、K、Ca、Mg、S、Zn、B、Mo和Fe都會引起器官脫落

大氣污染、紫外線、鹽害、病蟲等對脫落都有影響5.4脫落的調(diào)控

1）?；ū９?/p>

（1）改善營養(yǎng)條件，使花果得到足夠的光合產(chǎn)物?？梢栽黾铀使?yīng)，使形成較多光合產(chǎn)物，供應(yīng)花果發(fā)育需要；也要適當修剪，甚至抑制營養(yǎng)枝的生長，使養(yǎng)分集中供應(yīng)果枝發(fā)育；

（2）應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)劑，如PP333和S-3307等可以控制營養(yǎng)枝生長，促進花芽分化；赤霉素、萘乙酸、2，4-D和2，4，5-T等可防止落花落果，增加坐果率。

2）合理疏花疏果也是保證年年平衡高產(chǎn)和保證品質(zhì)的重要措施。便于機械收獲，還需要促進器官脫落（乙烯利、氟代乙酸）

種子在成熟期間，有機物主要向合成方向進行，把可溶性的低分子有機物轉(zhuǎn)化為不溶性的高分子有機物，積累在子葉或胚乳中。呼吸速率與有機物積累速率呈平行關(guān)系。小麥成熟中，首先由細胞分裂素調(diào)節(jié)籽粒的細胞分裂，然后由赤霉素和生長素調(diào)節(jié)有機物向籽粒的運輸和積累。種子的化學(xué)成分還受水分、溫度和營養(yǎng)條件等外界環(huán)境的影響。

肉質(zhì)果實在成熟過程中有呼吸驟變的出現(xiàn)，呼吸驟變的出現(xiàn)與果肉內(nèi)乙烯含量明顯增多有關(guān)。呼吸驟變出現(xiàn)標志果實即將進入可食狀態(tài)。在實踐上可控制氣體或外施乙烯利，以調(diào)節(jié)呼吸驟變的來臨，推遲或促進果實的成熟。果實成熟時果肉的有機物經(jīng)過一系列的變化，使果實變甜、酸味減少、澀味消失、香味產(chǎn)生、由硬變軟和色澤變艷。果實成熟時陽光充足，氣溫較高（晝夜溫差較大），果實質(zhì)量就高。