植物抗旱生理

2植物抗旱生理12水資源短缺、干旱是一個長期存在的世界性難題，全球干旱、半干旱地區(qū)占陸地面積的35％，遍及世界60多個國家和地區(qū)。作為世界三大糧食產出國的中國、印度和美國，糧食產量占世界的50％左右，近幾年來出現了嚴重的水資源危機，從而導致糧食嚴重減產。

干旱是我國糧食生產的首要災害，在水資源危機日益嚴重的今天和未來，開展作物抗旱節(jié)水理論與技術研究，具有重大的現實和戰(zhàn)略意義。正如“綠色革命”的功臣、諾貝爾和平獎獲得者Borlaug(2000)所說：“我們如何在有限的水資源下，生產更多的食物來滿足日益快速增長的人口需要，不可置疑的結論是：人類在21世紀要開展藍色革命——讓每一滴水生產出更多的糧食?！?第一節(jié)干旱脅迫下植物的生理變化及適應途徑

一、干旱脅迫下植物的生理變化1、光合作用速率下降?氣孔限制?非氣孔限制●PSII光化學活性降低●電子傳遞受阻●Rubisco活性下降●RuBP再生抑制●同化物運輸受阻42、呼吸速率變化：先升后降?原因：氧化磷酸化解偶聯(lián)?結果：能量供應減少3、碳水化合物代謝與運輸變化?代謝：●淀粉等大分子物質減少，可溶性糖增多●葉中糖增加，莖中糖減少?運輸●受抑●加速向繁殖器官運輸54、蛋白質代謝變化?總體變化：分解＞合成?證據

●同位素標記證明，氨基酸摻入蛋白質減少

●多聚核糖體減少

●游離氨基酸積累?調節(jié)部位

●環(huán)己亞胺（肽鏈延長抑制劑）實驗證明，翻譯水平調節(jié)5、核酸代謝變化?DNA含量較穩(wěn)定

?RNA含量明顯減少66、激素變化?IAA

●干旱促進IAAO活力，降低IAA水平

●IAA極性運輸受阻?CTK

●根尖向地上部運輸減少

●活性下降?GA含量減少?ABA含量激增?ETH合成增加（ACC合成酶活性提高）77、膜脂過氧化加劇?防御酶活性降低?體內抗氧化劑減少?活性氧過量積累二、植物對干旱脅迫的適應途徑?形態(tài)結構變化?滲透調節(jié)?細胞壁彈性調節(jié)?氣孔調節(jié)?活性氧代謝調節(jié)?激素調節(jié)81、葉片大小與厚度2、比葉重3、氣孔4、角質層與機械組織5、超微結構第二節(jié)植物形態(tài)結構與抗旱性

一、葉片91、根系生長、分布與抗旱性2、根系形態(tài)結構與抗旱性3、根系傷流與抗旱性二、根系10第三節(jié)植物在水分脅迫下的滲透調節(jié)?水分脅迫：由于干旱缺水對職務正常生理功能的干擾。?滲透脅迫：環(huán)境與生物之間由于滲透勢的不平衡二對植物造成的脅迫。?滲透調節(jié)（osmoregulationorosmoticadjustment)植物在干旱、鹽漬等逆境條件下，通過代謝活動增加細胞內的溶質濃度，降低其滲透勢，從而降低水勢，從外界低水勢介質中繼續(xù)吸水，保持一定膨壓，維持正常生理活動。11一、滲透調節(jié)的方式和原初機理1、調節(jié)方式

?Ψw＝Ψs＋Ψp

?植物降低Ψs的途徑

?細胞內水分減少，溶質濃縮

?細胞體積變小

?通過代謝活動，細胞內溶質主動增加122、原初機理（Zimmermann機電模型）水分脅迫→膨壓變化→膜收縮或伸展→膜電位變化

機械力轉化為電信號誘導生化反應增加溶質滲透調節(jié)13二、滲透調節(jié)物質的種類和作用?按來源：

☆外界進入細胞

☆細胞內合成?按性質：

☆有機物

☆無機離子?按積累部位：

☆液泡型

☆胞質型141、無機離子

?逆境脅迫下植物積累無機離子的種類和數量因植物的種、品種、器官不同而有差異。

●K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等對滲透調節(jié)均有貢獻。

●中度水分脅迫下，高梁葉片主要積累K+、Mg2+；向日葵主要積累K+、Ca2+、Mg2+、NO3-

?無機離子積累為主動吸收過程

?無機離子積累部位：液泡152、脯氨酸proline50年代中期，Kemble等發(fā)現，在受旱的黑麥草葉子中，有pro積累，后來發(fā)現許多植物都有這種現象：如：barley,wheat,sorghum,soybean,cotton,tobacco,sunflower,cucumber,etc,Stemard后來做了一系列試驗，提出了pro作為滲透調節(jié)物質的觀點，現已被普遍接受。16(1)pro合成的途徑

Glu↓Glu激酶

γ谷氨酰磷酸

γ谷氨酰磷酸還原酶

鳥氨酸轉氨酶

鳥氨酸轉氨酶

γ谷氨酰半縮醛鳥氨酸α-酮-氨基戊酸↓↑同步環(huán)化環(huán)化↓↑吡咯啉－5－羧酸（P5C）吡咯啉－α－羧酸（PαC）

pro氧化酶P5C還原酶PαC還原酶

Pro脫氫酶

Proline

17(2)Pro積累原因①Pro合成增加：標記glu在植物失水后迅速轉化為pro。②protein合成受阻：減少pro向蛋白質摻入。③pro氧化受抑：

干旱時，不僅pro氧化受抑，而且氧化的中間產物發(fā)生逆轉，編程pro。這與線粒體膜透性變化有關，其機理是：Pro合成酶位于細胞質，分解酶位于線粒體。在滲透脅迫下，線粒體膜透性發(fā)生變化，pro進入線粒體受阻，吡咯啉－5－羧酸(pro前體)可以從線粒體出來，用于pro合成。18現在已知，在低溫、干旱、高溫、鹽漬、營養(yǎng)不良、微生物感染、大氣污染等逆境下，均可引起pro積累，尤其以干旱脅迫下pro積累最為明顯，從0.2～0.7mg/gDW上升到40～50mg/gDW,增加了70～200倍。此外，K＋、ABA可使干旱誘導的pro增加更多更快。19①特點：

●分子量?。?15

●溶解度高：162.3g/100gH2O

●是一種偶極含氮化合物，生理pH下不帶靜電荷

●對植物無害，600mol.L-1對酶無抑制作用

●主要在細胞質中積累（胞質型滲調物質）②作用

●保持細胞與環(huán)境的滲透平衡，防止水分散失

●穩(wěn)定蛋白質結構（對蛋白質具有穩(wěn)定其結構的作用）

●與細胞內的一些化合物形成聚合物，類似親水膠體，具有保水作用

●作為無毒氮源（3）pro的特點和作用203、甜菜堿(betaine)甜菜堿最早是在旱生植物枸杞（Lyciumbrabraum）中發(fā)現的?，F在已知有12種，其中最簡單、研究最多的是甘氨酸甜菜堿(glycinebetaine)，已在28科、78種植物中檢測到，根、莖、葉、花均有分布。如，上世紀70年代中期，Storey等發(fā)現，在鹽分荷水分脅迫下，大麥積累甜菜堿的水平與耐旱性呈正比。21（1）積累特點①Pro:水分脅迫10min即可見積累，復水后很快消失；②Betaine:水分脅迫24h才見積累，復水后降解也較緩慢。因其穩(wěn)定，被認為是持久性的滲調物質。由于穩(wěn)定，很適合于作為抗旱性選擇指標。22（2）生物合成

Ser

CDP－甘油二酯CO2↓PS

乙醇胺P-乙醇胺CDP-乙醇胺PECH3↓↓

一甲基乙醇胺P-甲基乙醇胺CDP-MMEP-MMECH3↓↓

二甲基乙醇胺P-DMECDP-DMEPDMECH3↓↓

膽堿P-PCCDP-PCPC

膽堿單加氧酶

甜菜醛↓甜菜醛脫氫酶

甜菜堿23(3)特點與作用特點：

●分子量小：117

●溶解度高：157g/100gH2O

●生理pH下不帶靜電荷

●對細胞無害。0.5-1mol.L-1高濃度對蘋果酸脫氫酶無抑制作用分布：以細胞質為主（屬于胞質型滲調物質）作用：

●維持細胞與環(huán)境的滲透平衡，參與滲透調節(jié)

●參與穩(wěn)定生物大分子結構與功能

●調節(jié)例子在細胞中的分布243、可溶性糖和多元醇WSC：Sucrose;glucose;fructose;galactose;游離AA：Asn;Glu;(Pro)糖醇：甘露醇、松醇、山梨醇積累原因：

大分子碳水化合物、蛋白質分解加強

光合產物轉化方向改變，轉向產生蔗糖為主25三、滲透調節(jié)的生理作用1、維持細胞膨壓OA的主要作用，就是全部或部分維持膨壓，從而有利于其各種生化反應的進行。Rice:在慢速干旱條件下，盡管組織水勢下降，但是由于滲調作用，葉片膨壓并沒變化。2、保持細胞持續(xù)生長膨壓對細胞生長具有關鍵作用，由于水分脅迫下，通過滲透調節(jié)可以維持細胞膨壓，因而可以保持細胞在水分脅迫下繼續(xù)生長。263、維持氣孔開度和光合作用氣孔調節(jié)：維持氣孔開放，CO2進入細胞非氣孔調節(jié)：Rubisco活性RuBP再生能力電子傳遞速率PSII活性類囊體結構完整性4、延遲卷葉5、增加干物質積累27四、滲透調節(jié)與抗旱育種1、OA與作物抗旱性呈顯著正相關：通過corn,sunflower,wheat,barley等為材料研究證明。2、OA是可遺傳性狀，由單基因控制無論是在輕度或嚴重水分脅迫下，滲調能力強的品種，其產量、收獲指數、水分利用效率均高于OA弱的基因型。3、利用雜交方法，可以產生OA強的品系，表明OA作為選擇指標是可行的。28五、滲透調節(jié)基因工程和滲調蛋白研究1、Geneticengineeringofosmoticadjustment●尋找目標基因首先研究確定參與滲調的關鍵物質，分析控制這些物質變化的基因?！窕虻姆蛛x、導入、整合、表達、遺傳●滲調基因的應用進展微生物方面工作較多，也較成功。高等植物：Kuch等利用羥脯氨酸與脯氨酸的拮抗作用原理，在大麥中獲得了高產pro的突變體，突變體葉片中pro含量高于親本，抗旱性也明顯增強。29現已搞清的身條基因有：kdp：在滲透脅迫下，誘導K+吸收和運輸，促使K+在細胞內積累?；虮磉_受滲透勢控制。proU：促進甜菜堿和脯氨酸在細胞內積累，基因表達受滲透勢控制。控制pro合成酶系統(tǒng)的基因：proB:Glu激酶proA：谷氨酰磷酸還原酶proC：吡咯啉－5－羧酸還原酶bet:編碼betaine合成酶系。302、滲調蛋白（Osmotin）

Osmotin:在滲透脅迫下產生的、具有增強細胞抗?jié)B透脅迫能力的蛋白質，也叫滲調素。Osmotin是一種逆境誘導蛋白，早在1962年，人們從果蠅體內發(fā)現了熱激蛋白，以后在動物、植物、微生物均發(fā)現在逆境下，可以誘導產生新的蛋白質，叫做逆境脅迫蛋白。用NaCl適應的煙草培養(yǎng)細胞系，或受到水分脅迫的番茄培養(yǎng)細胞系，可以新合成一些分子量不同的蛋白質，研究最多的是26kd蛋白。Singh&King分別從番茄、煙草中克隆了26kd蛋白基因，目前已對osmotin的誘導、合成、調控等進行了許多研究。其功能是：

①防御功能

②監(jiān)護蛋白作用，即防止蛋白質變性、從今變性蛋白的修復。

③增強OA31六、影響滲透調節(jié)的因素

1、遺傳因素

2、器官類型和年齡：衰老組織OA低，生育后期OA低。

3、環(huán)境因素（1）水分脅迫程度在輕度至中度水分脅迫下，OA作用較大，在嚴重水分脅迫下，OA消失。（2）水分虧缺速度快速缺水：OA減小甚至消失慢速缺水：OA增強323、光強通過影響細胞中溶質含量而影響OA，遮光導致OA減弱。4、CO2濃度同上。5、T：

適當低溫似乎更有利于溶質積累，利于OA提高。33七、植物滲透調節(jié)能力的測定方法1、飽和滲透勢法植物的滲透調節(jié)，實際上是細胞內ψS的調節(jié)，ψS決定于一定體積溶液的質點數。前已述，植物降低ψS的途徑有3：①細胞內水分減少②細胞體積減少③細胞內溶質主動增加。只有③才是滲調。因此，測定細胞滲透勢的變化及評估滲透調節(jié)能力，必須區(qū)別因細胞失水胞液濃縮造成的ψS變化和胞內溶質主動增加引起的ψS變化。Morgon指出，當不發(fā)生溶質主動積累時，因細胞失水引起ψS降低與細胞滲透體積（V）成反比：ψS=ψS100×Vo/V……(1)ψS100：水分飽和時的滲透勢Vo：水分飽和時的滲透體積，常用RWC表示34當細胞發(fā)生主動積累時，對應于V值的滲透勢比按（1）式計算出的滲透勢更低，因此，對應與V時的植物滲透能力（O.A.）應按下式計算O.A.=ψS(測定值)－ψS（計算值）=ψS(測定值)－ψS100×Vo/V………(2)Ludlow利用此原理，研究植物滲調獲得良好結果。把對照（正常供水）和干旱處理葉片進行充分水分飽和，使其RWC接近或達到100%，同時測定二者的飽和滲透勢，按下式計算：OA=ψS100－ψS.對照100……….(3)干旱處理葉的飽和滲透勢對照葉的飽和滲透勢

該法的優(yōu)點：葉片飽和ψS不需與其它水分參數比較，可直接判斷植物的O.A.。352、LnRWC-LnψS作圖法用RWC代替式（1）中的V和Vo,并對式兩邊取對數，即發(fā)現LnRWC與LnψS呈線性關系：LnψS=Ln(ψS100×Vo)－LnVLnψS=Ln(ψS100×RWCo)－LnRWC………(4)

以LnRWC為橫坐標，LnψS為縱坐標作圖。如果二者呈一直線關系，表明無滲調能力，此時ψS的下降全是有細胞失水溶質濃縮的結果；如果二者關系為一折線，則表明有O.A.，其大小可用折點處LnRWC剛開始下降時的ψS值表示。36對數化的RWC和對數化的滲透勢的關系373、水勢—壓力勢作圖斜率法Turner等提出，以水勢（ψS）為橫坐標，以壓力勢（ψP）為縱坐標作圖（圖略），從兩者組成的直線斜率來判斷O.A的大小。斜率=ΔψP/ΔψW，斜率越大，O.A越大，反之則O.A小。發(fā)現不同植物間或品種間ΔψP/ΔψW存在顯著的差異。水勢與壓力勢的關系384、有效滲透法趙毓橘在研究滲透脅迫下綠豆幼苗上胚軸細胞的ψS與生長速率之間的關系時，提出此法。有效滲透勢：指在滲透脅迫下真正對植物生長起作用的滲透勢。有效滲透勢=植物組織或細胞總滲透勢－土壤或滲透脅迫溶液的滲透勢這種方法在滲脅迫溶液試驗中易做到，而在土壤水分脅迫時不易。測滲透勢常用方法：①熱電偶濕度計法②濕度法③露點法④冰點降低法⑤蒸汽壓計法⑥壓力——容積曲線法（P-V曲線）⑦質壁分離法39作物抗旱性是一個綜合性狀，與根系及地上部分的形態(tài)、解剖、生理和生化特性有關,從上節(jié)所講內容可知，滲透調節(jié)作用與抗旱性關系十分密切。已有許多研究證實了這種關系。但是，據在大豆等作物上的研究結果，表明其抗旱性除在一定程度上受滲透調節(jié)的制約外，還與其細胞壁彈性特點有著更為密切的關系，是除滲透調節(jié)之外，作物對干旱適應的另一種重要方式。本節(jié)擬根據前人研究結果，將細胞壁彈性與塑性特點及其與抗旱性的關系作一簡要介紹。第四節(jié)植物在水分脅迫下的細胞壁彈性調節(jié)40一、水分脅迫與細胞延伸生長的關系作物受干旱減產的主要原因是水分脅迫首先限制了作物的生長過程，特別是細胞的擴大，從而使個體與群體光合面積大大減小，干旱嚴重時，還會使光合速率下降，減少了單位同化面積的同化量，并由此進一步影響光合面積的擴展，也影響了根系的擴展，使根系的吸收能力，吸收面積、吸收范圍進一步縮小。因此，對植物輕度與中度水分脅迫的適應能力的研究工作，主要集中在植物如何在水分脅迫條件下維持一定的生長速度的問題上，并且成為滲透調節(jié)與細胞壁彈性調節(jié)研究的出發(fā)點。41(一)細胞延伸生長的動力生長，尤其是細胞的延伸生長(擴大)是對水分脅迫最敏感的生理過程．只要輕微的水分脅迫(Ψw下降)，即可使生長速率明顯下降，而此時其他生理機能(如光合等)則可能完全沒有改變。關于細胞延伸生長的性質，早在60年代即有了較為細致的研究。已肯定細胞擴展的初期完全是一個物理過程，擴展的動力是膨壓。Green等用麗藻(Nitella)細胞直接證實了膨壓與生長速率之間的密切關系。Lockhart、Green等提出了如下關系式：

dV/Vdt=Eg(Ψp-Ψp,th)式中dV/Vdt:細胞體積擴大的瞬時速率

Ψp:細胞的壓力勢(膨壓)，Ψp,th:夠引起細胞壁擴張所需的最低膨壓值，或稱為臨界膨壓，Eg:常數，稱為總體擴張系數(Coefficientofgrossextensibility)42（二）細胞持續(xù)生長的條件上式所表述的是細胞體積擴大的瞬時速率。細胞能否按一定速率在一定時間內繼續(xù)擴大，還取決于細胞壁的塑性延伸能力和細胞液滲透勢Ψs的維持這兩方面的因素。1、細胞壁的性質當細胞壁受到膨壓的作用向外擴張時，可發(fā)生兩種不同性質的形變：

彈性延伸(Elasticextension)：指外力移去后，細胞又可恢復到原來的大小，是可逆性的延伸；

塑性延伸(Plasticextension)：是指外力超過細胞壁的彈性限度時，細胞壁即產生不可逆的形變。

彈性限度：形變的屈服點(Yieldingpoint)。43實際上，細胞壁在膨壓作用下的伸展既有彈性延伸又有塑性延伸，是兩種延伸的混合形式。除去外力后，壁可以回縮，但達不到原來的位置。人們也稱這種延伸為粘彈性延伸。植物細胞壁在長時間膨壓的作用下，也可經過一定的生化修飾，將原來的彈性延伸逐漸固定化為塑性延伸。所謂“生化修飾”主要是指細胞壁上能夠水解糖苷鍵的一些酶類，能夠解除纖維素分子間的交聯(lián)鍵(1，3－糖苷鍵)，使壁松弛，在膨壓作用下擴張，并且形成新的交聯(lián)鍵、填充新的細胞壁構成物質，使彈性延伸固定下來。44IAA、低pH可促進這些酶的合成，或使其活化．低pH也有直接使氫鍵松弛的作用。細胞壁的上述性質影響上式中的Eg和Ψp,th，從而影響到生長。較大的Eg可使細胞在同樣的膨壓下產生較快的生長速率。較低的Ψp,th則使細胞壁的延伸能被更低的膨壓所推動，均有利于植物在低膨壓下維持一定的生長速率。已知Eg與Ψp,th的大小因細胞壁的成分，交聯(lián)程度和性質以及生化修飾的情況而定?？购档闹参镌谳^輕的水分脅迫下，可以適應性地調整Eg與Ψp,th，以減輕水分脅迫對細胞延伸生長的影響，表現出抗旱特性。然而，在嚴重干旱條件下，細胞壁上與生化修飾有關的酶類將受到明顯抑制，壁上的代謝活動減弱或停止，此時Eg減小，而Ψp,th增大。45（二）膨壓的維持隨著水的進入和細胞體積的擴大，Ψs升高，細胞延伸的動力Ψp將迅速下降．細胞只有以一定的方式維持較低的Ψs，使Ψp保持適當的大小，才能保證細胞的繼續(xù)生長。據目前所知，在正常供水條件下膨壓的維持主要靠K＋的攝入，與氣孔保衛(wèi)細胞的調節(jié)機理似有共同之處。正在伸長的細胞，有大量產生蘋果酸的能力，蘋果酸解離產生的H＋與相鄰細胞或細胞外K＋進行離子交換，使K＋大量進入伸長的細胞，以蘋果酸鉀的形式積累在液泡中，使Ψs維持在適當值．46二、細胞壁的彈性特征——容積彈性模量成長細胞雖已停止了生長，但膨壓的維持仍具有十分重要的意義，一方面葉細胞可借膨壓維持一定的緊張度，從而保持葉片的正常姿勢，不致發(fā)生萎蔫；另一方面，膨壓可調節(jié)氣孔開度，使蒸騰與光合比值處于最佳狀態(tài)。已知成長細胞的膨壓維持也可通過兩種方式進行：一是降低細胞液的滲透勢，進行滲透調節(jié)；二是改善細胞壁的彈性性質，進行彈性調節(jié)。下面重點討論彈性調節(jié)問題。植物成長細胞的細胞壁，一般而言，失去了在膨壓作用下進行塑性延伸的性質，但仍具有在膨壓作用下發(fā)生彈性延伸的性質。其彈性的好壞以及可進行彈性伸縮的范圍都因細胞壁的性質而不同。471、彈性模量對于彈性性質的衡量，可用物理量“彈性模量”表示。對于一個金屬彈簧或棒狀物體（如圖）：48如果沿著其軸向受到外力(如拉力)F的作用，則在外力不超過一定限度的情況下，會產生彈性形變(延長)。外力F即脅強(stress)，物體單位長度產生的形變δL/L即脅變（strain）。在彈性限度范圍內，脅強與脅變之比為一常數ε。Fε＝δL/L這一規(guī)律叫虎克定律，常數ε稱為彈性模量或稱楊氏模量。49由上式可知，在彈性限度內，脅強與脅變?yōu)橐恢本€關系。然而，當脅強或脅變超過某一值后，可發(fā)生塑性形變，甚至使材料斷裂，脅強與脅變不再符合直線關系，如下圖所示。50從圖中可見，只有當脅強F大于f時，才能使材料發(fā)生彈性形變．在脅變由0～a的范圍內，脅強與脅變呈直線關系。直線的斜率即材料的楊氏模量；當脅變超過a值以后，材料發(fā)生塑性形變，直線變彎;脅變b為材料的斷裂脅變。對于不同材料，在彈性脅變區(qū)內的彈性性質可能有以下三方面的差別：

①產生彈性脅變所要求的最低脅強(f)不同；

②彈性模量ε不同；

③能產生彈性脅變的范圍或在彈性限度內所能產生的形變的大小(即a值的大小)不同。對于植物細胞,以上三方面的性質均與細胞的緊張度的維持有關。512、細胞的容積彈性模量楊氏模量僅適用于材料的線性形變，對于植物細胞，在膨壓作用下所產生的形變?yōu)轶w積變化，不能簡單地套用上式加以處理，于是提出了容積彈性模量(Bulkmodulusofelasticity)的概念。并將其定義為:

dpdpεV＝＝

×V

dV/Vdv式中εV為容積彈性模量，p為膨壓，V為細胞體積，由式中可知，細胞的容積彈性模量就是在膨壓作用下細胞每產生單位體積變化所需要的膨壓變化。523、植物組織或器官的容積彈性模量測量單個細胞的膨壓－體積關系并由此計算出細胞的εV值難度較大。早期工作通過測量在不同濃度溶液中細胞體積的變化間接求得，但很不準確。Green等首次利用壓力探針技術實現了大型藻類細胞的膨壓測量，但對一般小型細胞則難以實現。Tyree曾對兩者關系進行過理論推導，認為植物器官的容積彈性模量近似地等于各個細胞容積彈性模量的平均值。從植物水分關系與抗旱性的實際應用角度考慮，測量整個葉片的容積彈性模量(εv)意義較大，可利用壓力室技術進行測量（P-V曲線測定，略）。53三、容積彈性模量的生理意義εv大小可以：●表示植物材料彈性的好壞●反映細胞壁在膨壓作用下可進行伸縮范圍的大小不同的植物品種，其細胞壁彈性存在差異。εv較小的材料，其彈性較好，在干旱脅迫下相對含水量降低時，膨壓下降較慢，可在相當長時間內維持膨壓，從而維持其正常生理功能和生長速率。Εv大的材料則相反。下圖是兩個抗旱性不同的大豆品種葉片Ψp－RWC關系曲線：54通過比較可見，雖然吸水飽和時小粒豆1號的最大Ψp低于魯豆4號，但隨著RWC下降，小粒豆1號的Ψp下降緩慢，直到RWC降至接近60％時膨壓才消失；而魯豆4號的Ψp則隨著RWC下降而急劇下降，RWC降至87％作用時Ψp即消失。如果將膨壓消失點作為萎蔫點，顯然，小粒豆1號能在更低的RWC下維持膨壓而不至于萎蔫。從Ψp－RWC曲線與橫軸的交叉點來看，小粒豆1號的細胞壁的彈性伸縮范圍明顯大于魯豆4號。大豆葉片的不但因品種而異，也因大豆植株所經受的水分脅迫程度而改變。下表為不同水分脅迫條件下兩個大豆品種的εv(max)?？梢钥闯觯悍种ζ谳p度水分脅迫，均能在一定程度上改善葉片的彈性(εv降低)，這可能是細胞壁上的生化過程在輕度水分脅迫下進行的主動適應。但嚴重水分脅迫則使εv(max)加大，這有可能是細胞壁在嚴重干旱條件下硬化所致。在鼓粒期，兩品種均失去了降低εv的能力。55

表1水分脅迫對兩個大豆品種εv(max)的影響品種魯豆4號小粒豆1號水分處理分枝期結莢期分枝期結莢期CK31.411.513.415.3輕度干旱17.118.78.818.0中度干旱20.119.79.317.3嚴重干旱28.924.920.219.5由此可見，研究作物葉片的彈性特征對于闡明其抗旱機理具有重要的作用。作物葉片在干旱條件下的彈性調節(jié)很可能是除下滲透調節(jié)之外又一種重要的干旱話應方式，這種方式在禾本科作物上是否存在尚待研究，但對大豆而言，則彈性調節(jié)至少能發(fā)揮一定作用。56早期得觀點認為，干旱對生長發(fā)育得影響，只是水分虧缺對植物得直接損傷效應，而且正是這種損傷效應抑制了細胞得伸長，氣孔開度、光合作用等生理過程，從而導致了產量得下降。但是，近年來越來越多得實驗結果顯示，在水分虧缺造成各種損傷現象之前，植物就對干旱做出了適應性的調節(jié)反應，以便使植物做出最優(yōu)化選擇(optimization)。因此，植物一定具有感知、傳遞土壤干旱脅迫信號、使之做出快速反應的能力。目前，國際上對植物逆境信號傳遞的研究引起了普遍關注。本屆簡單介紹干旱脅迫下植物如何感知和傳遞脅迫信號、以及信號的種類、性質和作用機理。第四節(jié)干旱脅迫下植物根與地上部的信號傳遞

57一、植物根－冠通訊信號（一）信號種類1、水力信號（hydraulicsignals）

hydraulicsignal:由于土壤水分含量的下降引起葉片水分狀況（Ψw,Ψs,Ψp,RWC等）變化，進而影響植物的生理功能。葉片水勢是最常用的植物水分狀況指標，人們常把Ψw與脅迫程度相聯(lián)系。Kramer等把土壤干旱對植物的影響解釋為：土壤干旱，水分減少→根系吸水減少→蒸騰作用存在→葉片Ψw下降→膨壓下降→激素合成與運輸變化→生理功能變化?？梢?，這種類型的根－冠通訊是靠水的傳遞來實現的，即水信號傳遞。然而，目前又有許多實驗證明，在葉片水分狀況還沒有表現出可檢測的變化之前，地上部對土壤干旱的反應已經發(fā)生了，從而避免了或推遲了葉片和枝條脫水，以維持正常生長發(fā)育。這說明植物根系和地上部之間出了水信號以外，還有其他信號存在。582、化學信號(chemicalsignals)

chemicalsignal:指能夠感知和傳遞土壤干旱信息到地上部反應部位，進而影響植物生長發(fā)育的激素或除水以外的其他化學物質。

Bates&Hall等（1982）最早指出土壤干旱的初期的氣孔導度、葉片生長和葉片水分狀況并無關系，而與土壤含水量直接相關。后經Davies等加以完善，提出了根－冠間通信的化學信號的假說。59試驗依據：

（1）Blackman%Davies的分根實驗用玉米為材料進行分根實驗，一半根澆水，一半干旱處理。實驗發(fā)現，與CK相比，處理對葉片水分狀況沒有明顯影響，但氣孔導度卻明顯下降。后來又有許多實驗證明，葉片氣孔導度和生長速率下降，水分狀況不變。因此，推論處理的處于干旱那一部分根產生了化學信號。

（2）Gopwing等（1990）的切根實驗蘋果苗：根系分成兩半，分別置于2個容器，一半給予干旱處理，葉片水分沒有發(fā)生可檢測的變化之前，葉片的生長和水導已經下降。重新澆水，則葉片的生長和水導恢復。重要的是：把干旱土壤中的半邊根切除，與重新澆水得到用羊的結果，即葉片生長和水導恢復原狀。一種合乎邏輯的解釋是：干旱土壤中的根產生了某種化學信號，阻止了葉片生長，降低了水導。因此，除去這部分根，也就除去了產生的化學信號，使葉片無法對干旱作出反應。

（3）Passiowra等的根系加壓實驗干旱時，給小麥、向日葵等植物的根系加壓，來平衡干旱時土壤部分付壓力的增加，使不澆水的植株在土壤干旱時地上部水分狀況維持在干旱前水平。結果發(fā)現，加壓植株在干旱時，雖然地上部水分狀況沒有變化，但氣孔導性明顯下降。后來，Passiowra指出，生長在干旱土壤中的植物，根中可以產生化學信號，來控制地上部生長（如葉片伸長）。

603、電信號(electricalsignals)婁成后等提出高等植物體內信號傳遞中電波作用的假說，認為傳遞組織中局部電流可激發(fā)鄰近細胞興奮，同時引起細胞中激素或某種化學物質的釋放。反過來，激素或化學物質的釋放又會引起鄰近細胞的局部電流（不管是動作電波或變異電波傳遞，都會有電流或化學物質的介入。）觀點：認為電波傳遞是植物體內信息傳遞的一種重要方式。現已發(fā)現，各種各樣的刺激，如光、熱、冷、化學物質、機械、電、傷害性刺激（如燒傷）等，都可以引起植物體的電波傳遞反應。電波傳遞可對不同植物引起不同的生理活動變化。如：含羞草小葉閉合下垂，捕蠅草捕蟲器的關閉，胞質環(huán)流停止，呼吸、蒸騰改變，伸長生長停止等。北京農大研究成果發(fā)現：燒傷刺激，引起氣孔運動和葉片伸展的抑制。刺激后，發(fā)生這種生理反應之前，必須有電波傳遞參與。如果阻斷電波傳遞，則生理反應不會發(fā)生。研究水分脅迫、鹽漬脅迫時發(fā)現，這兩種脅迫引起電波的傳遞，抑制氣孔的導性。

所以電波傳遞可能是植物感應外界刺激的最初信號。61（二）信息傳遞的途徑——維管系統(tǒng)植物體內雖然不象動物那樣有神經系統(tǒng)來感知、傳遞信號，但也具有信號傳遞的功能。信息傳遞的主要通道是維管系統(tǒng)。如：沼生植物水菠菜（Nasturtiumsp.）的葉序是2/5，即要有5個葉片圍繞莖兩圈完成一個葉序。第一葉與第六葉是在同一直線上，兩者的維管束是直接相連通的。用燒傷法來刺激第一片葉，AP（動作電波）和VP（變異電波）的復合電波優(yōu)先傳遞到第6葉，而距離第一葉較近的部位（如第二葉、第三葉）反而沒有傳到或傳遞電波極微弱。62水菠菜維管束系統(tǒng)中的電波傳遞A、2/5葉序的縱向排列B、葉片間的電波傳遞63二根冠通訊中化學信號的性質1、正信號

正信號是指隨著土壤含水量的下降，某些生理活性物質供應量增加。如ABA等抑制性物質。

上面提到的蘋果苗的分根、去根實驗指出：切除干旱土壤中的半邊根會導致氣孔重新開放，導性增大，與重新澆水有同樣的作用。這一實驗有力地說明了根冠間的通訊是一種正信號（抑制因子增加）。因為，如果說是負信號，即某種物質向地上部的運輸減少，則除去脫水部分的根，會使這種物質更少，不會除去干旱誘導的生長抑制（反而加重）。不少人研究過的水分狀況與根中ABA含量的關系，推測ABA積累增多可能是植物靈敏感知土壤水分狀況的一種方式。分析干旱對木質部汁液中陽離子、陰離子、PH、aa、激素的影響，發(fā)現大部分在根際土壤干旱時減少，只有ABA的濃度在土壤輕微干旱時，就大幅度增加，甚至在葉片水分狀況還沒有因受干旱影響而變化時，木質部汁液中的ABA濃度就增加了25-35倍。

因此認為，根中合成的ABA可以通過木質部運向地上部分，從而改變或修飾地上部的生理功能。（ABA是主要的正信號）642、負信號

負信號是指在土壤干旱時某些物質運向地上部分的量減少，如水體積、CTK、蒸騰流中的營養(yǎng)物質。很多早期的研究工作表明，木質部汁液中有許多CTK活性，此后證明，干旱脅迫可導致根中CTK合成和運輸減少。（屬于負信號）外施CTK可以增加氣孔的開度和蒸騰速率，但很難證明負信號會在土壤干旱時根冠通訊中占主導地位（如分根實驗去根試驗）。但CTK可起到某些非主導性的作用。有人推測：正信號在較濕的土壤中（輕微脅迫）中起作用，而當土壤進一步變干時，負信號的作用增加。653、其它信號(1)pH變化作為信號Hartung等（1988）提出pH的變化從根向地上部傳遞，可以使ABA在葉內重新分布。即：當pH升高時，ABA從葉綠體中釋放到質外體，進而在葉片水分狀況發(fā)生變化之前，就可以影響氣孔的開閉行為。Schurr等發(fā)現：供水植株的木質部汁液中陰離子過量（占優(yōu)勢），干旱處理的植株木質部汁液中陽離子過量，因此提出：

干旱→木質部汁液陽離子過量→PH升高（堿化）作為信號→葉片中分隔的ABA重新出現→釋放→

質外體→氣孔關閉66（2）未知抗蒸騰因子Munns和King（1988）用免疫親和層析技術，把小麥木質部汁液中的ABA除去，然后把汁液喂給供水良好的植株，發(fā)現并沒有除去其抗蒸騰的作用，即仍具有蒸騰作用，故推測，小麥木質部汁液中還有某種除ABA以外的抗蒸騰因子存在。67三、ABA在土壤干旱信號的感知與傳遞中的作用植物具有對環(huán)境做出最優(yōu)化反應的能力。因此，當土壤變干時，植物必定具有感知、傳遞土壤脅迫信號，從而調節(jié)其生長發(fā)育的機制。可以設想：當少數根在變干的土壤中脫水時，產生化學信號，這些信號在總的水流量和葉片水分狀況還沒有發(fā)生改變之前，就移動到地上部分發(fā)揮作用。隨著土壤繼續(xù)變干，脫水的根量增多，脫水程度增大。信號的強度也增大，植物地上部分的生長發(fā)育就隨著發(fā)生相應的修飾和調整。681、根中ABA濃度與根周圍土壤含水量顯著負相關Davies等（1990）把玉米種在1m長的土柱中，停止?jié)菜螅雇寥雷陨隙轮饾u變干，在變干的21天期間，未澆水植株與澆水植株（CK）維持相當的葉片水勢，而干旱處理的葉片氣孔導性卻在第6天就明顯下降了。不同深度的根中的ABA含量與相應土層的含水量密切相關。表明根尖可以通過形成ABA來感知土壤中的可利用水分狀況。692、導管汁液中ABA濃度與土壤含水量顯著負相關Davies等用玉米、向日葵等進行實驗，表明導管汁液中ABA的濃度與土壤中的含水量顯著負相關。因此，導管汁液中ABA濃度可以作為土壤水分狀況的動態(tài)指標因子。而葉片中的ABA直到干旱循環(huán)后期才明顯增加。同時也證明，根中ABA是通過木質部液流到達地上部的。703、葉片導性、生長速率與導管汁液中ABA濃度顯著負相關未澆水植株的葉片導性、生長速率與導管汁液中的ABA濃度顯著相關。為了檢驗其因果關系，把外源的ABA注射到木質部導管，葉片導性和生長速率也與外抗ABA的使用量高度相關。表明導管中ABA濃度變化是葉片生長和氣孔導性下降的較直接的原因（而并非結果）。

上述一系列試驗結果，說明土壤干旱時，根可以通過合成ABA來感知土壤干旱程度，并作為根與地上部分通訊的化學信號，通過木質部傳遞到地上部，使地上部莖葉做出反應。71四、根冠通訊中ABA的作用機制1、ABA對葉片生長的作用

一般認為，ABA可以抑制葉片的生長，但人們又發(fā)現那些幼嫩的、快速生長的葉片中比老葉中含有更多的ABA。Cowan等（1982）發(fā)現：葉片的ABA大部分存在葉綠體中，除非在葉片膨壓下降的情況下，葉源的ABA與蒸騰流運來的ABA保持分離。Meidner(1975)曾指出：蒸騰流可直接到達與保衛(wèi)細胞相鄰的表皮細胞的壁上，而該部位正是ABA作用于保衛(wèi)細胞的部位。因此推測：

干旱處理，根系合成ABA

↓木質部葉片質外體

↓與ABA受體作用

↓傳遞干旱信號調節(jié)地上部生長發(fā)育。

而葉片葉綠體中存的大量ABA只是在葉片膨壓下降（干旱后期）的后期反應才起作用。722、ABA對氣孔運動的作用機理ABA引起氣孔關閉是人所共知的事實，但其機理卻很不清楚。目前認為（如上所述），根中合成的ABA隨蒸騰流能直接到達保衛(wèi)細胞質膜的作用部位，而這時葉片的膨壓尚未降低，葉肉細胞和保衛(wèi)細胞葉綠體中的ABA還不會轉移出來，而來自根的ABA就可以單獨起作用，進行從根到地上部的信息傳遞。保衛(wèi)細胞對ABA的反應機制雖不清楚，但McAinsh等提出的Ca2+--ABA第二信號模型，給出了一個輪廓性的解釋：73ABA

↓保衛(wèi)細胞質模上的Ca2+內向通道打開

↓細胞內的Ca2+和IP3(肌醇三磷酸)增加

↓抑制質模K+內向通道

↓促進質模上K+外向通道

↓K+外流

↓氣孔關閉74近幾年來，對于根與地上部間的信息傳遞的研究取得了較大的進展，但仍有許多關鍵性問題未提清楚。如：根對傳遞信號感受的細胞學機制，逆境引起葉片氣孔、葉片生長變化的確切機理，逆境下電波傳遞等，都有待進一步研究。75與動物相比,植物的移動性很差,絕大多數營養(yǎng)體的植物都是固定在土壤中,但這也使它們在長期的進化過程中獲得了驚人的環(huán)境適應性,特別是針對環(huán)境中的逆境因子,發(fā)展了非常完善和強大的防御機制。水分脅迫是各種脅迫環(huán)境中最常見、最普遍的逆境因子之一,陸生植物不僅在干旱和高鹽濃度下遭受水分脅迫,低溫也會因造成根系對葉片水分供應減少而使葉片膨壓下降,進而使植物遭受脫水或水分脅迫。為了響應水分脅迫,不同植物除了體內產生一系列生理和生化變化外,其基因表達也受到深刻影響,并誘導產生許多特異基因產物。通過對這些基因編碼的蛋白質與已知蛋白進行序列同源性比對后,可將之大致分為兩大類型:第四節(jié)水分脅迫誘導蛋白與植物抗旱76●調節(jié)蛋白：

它們在水分脅迫信號的感受、轉導及抗性基因表達調控等不同過程中起關鍵作用,如參與不同環(huán)節(jié)響應調節(jié)的各種蛋白激酶類,調控不同基因表達的各類轉錄因子,以及參與信號轉導第二信使生成的磷脂酶等;●功能蛋白：它們在植物抗逆機制中發(fā)揮重要作用。77這些水分脅迫誘導基因產物不僅通過重要代謝保護細胞結構,而且起調節(jié)信號轉導和基因表達作用：

◆通過水分通道蛋白、ATP酶、跨膜受體蛋白、離子通道、有機小分子運載體等膜蛋白加強了細胞與環(huán)境的信息交流和物質交換;

◆通過酶蛋白的作用合成各種滲透保護劑，提高細胞滲透吸水能力;

◆通過LEA蛋白、滲調蛋白、抗冰凍蛋白、分子伴侶、蛋白酶、熱激蛋白等逆境誘導蛋白提高細胞抗脫水能力;

◆通過SOD.CAT,APX、POD等提高細胞排毒、抗氧化防御能力;

◆通過蛋白激酶、轉錄因子、磷脂酶C等調控蛋白提高細胞內信息傳遞和基因表達能力。78一、水分脅迫誘導蛋白的種類和誘導機制（一）水分脅迫誘導蛋白的種類和特性由于分類依據的不同,水分脅迫誘導蛋白被分成不同的類別。

根據對ABA的依賴性,可以將其分為ABA依賴蛋白(RAB)和非ABA依賴蛋白。根據水分脅迫誘導蛋白在誘導時間上的差別將擬南芥中的水分脅迫誘導蛋白分成兩大類:ERD(脫水反應早期蛋白)和RD(脫水反應蛋白)。這是由于擬南芥在遭受干旱脅迫大約2小時后ABA開始大量合成,10小時后達到最高水平,所以將遭受干旱脅迫1小時內誘導的蛋白質稱為ERD,10小時后檢測出的誘導蛋白稱為RD。一般來說,RD多為RAB蛋白,ERD多為非RAB蛋白。

79按其功能不同,又可將水分脅迫誘導蛋白分成兩大類:

●第一類：在細胞內直接發(fā)揮保護作用的功能蛋白。

●第二類：參與水分脅迫的信號轉導或基因的表達調控,間接對植物起保護作用的調節(jié)蛋白。80第一類水分脅迫誘導蛋白主要包括:(功能蛋白）1、滲調素

這是最早發(fā)現的一種水分脅迫誘導蛋白,它們在細胞質中調節(jié)和維持細胞的滲透勢。其中多數與LEA蛋白,尤其是脫水素(dehydrin)有很大的同源性，一般作為脫水保護劑,幫助細胞保持最小水勢并穩(wěn)定胞質結構。另外Velaseo(1994)等還從更蘇植物中鑒定出了一組特性類似干LEA蛋白、對脫水敏感的基因家族CdeTll－24。2、膜蛋白

在非生物脅迫下首先引起膜透性的改變、膜結構的變化以及發(fā)生膜脂的過氧化作用,因此逆境條件下植物誘導合成了許多膜蛋白,以維持細胞膜結構和功能的穩(wěn)定性。813、代謝酶類在水分脅迫條件下,活性氧大量產生并發(fā)生異常積累,相應的活性氧清除系統(tǒng),如超氧化物歧化酶,過氧化物酶等酶系統(tǒng)或維生素E、維生素C、谷胱甘肽、半胱氨酸、類胡蘿卜素等非酶系統(tǒng)的活性就會提高,并與自由基反應,清除過量的活性氧,可使機體受到保護以維護細胞的正常結構和代謝。滲透調節(jié)物質合成酶,這些酶的誘導使得滲調物質的合成大大增加。例如脯氨酸合成中的關鍵酶P5C合成酶(P5CS)以及與ABA合成有關的酶。其次就是一些去氧化酶類如SOD、POD、GST及二氫葉酸還原酶(DFR)等。與細胞基礎代謝途徑如糖酵解和卡爾文循環(huán)有關的酶如烯醇化酶和磷酸異構酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶(GPD)、NADP(H)氧化酶以及一個和木質化作用有關的酶也被干旱脅迫所誘導。另外還發(fā)現干旱脅迫誘導各種形式的半胱氨酸蛋白酶,以降解干旱脅迫下失活蛋白質。824、通道蛋白其中水孔蛋白可以促進水分的長距離運輸以及細胞內外的跨膜水運輸,還具有調節(jié)細胞脹縮等功能。植物水孔蛋白根據序列同源性可以分為三類:

●質膜內在蛋白(PIP)

●液泡膜內在蛋白(TIP)

●NLM蛋白(nodulin26likeMIPs,NLM),主要分布于兩個地方:原生質膜和液泡形成體(tonoplast,即液泡膜)。5、分子伴侶在脅迫條件下會導致一些蛋白質變性,而分子伴侶(chaperone)的誘導可以防止蛋白質及膜的進一步變性。836、運輸蛋白如糖運輸蛋白,不僅介導了蔗糖從葉肉細胞外流、韌皮部裝載、韌皮部卸出和進入庫細胞儲藏和利用,據目前的研究結果來看它可能在糖運輸和代謝調節(jié)的信號轉導中還發(fā)揮重要的作用。第二類水分脅迫誘導蛋白主要包括：（調節(jié)蛋白)

磷脂酶C、磷脂酶D、各種蛋白激酶、G蛋白、鈣調素以及轉錄因子、組蛋白等。在環(huán)境脅迫刺激下,體內這些蛋白質合成增加,通過它們將信號不斷傳遞并放大。

84（二）水分脅迫誘導蛋白的誘導機制水分脅迫誘導蛋白的誘導機制包括三個過程,即水分脅迫信號的感受、轉導及最終的基因誘導表達。在這個過程中,ABA合成增加是對水分脅迫的關鍵反應,從9－順式－新黃質(9－cis－neoxanthin)或9－順式－紫黃質(9－cis－violaxanthin)到黃質醛(xanthoxin)的氧化裂解是ABA合成的關鍵步驟,催化該反應的酶是9－順式－環(huán)氧類胡蘿卜素二加氧酶(9—cis-epoxycarotenoid,NCED)。脅迫期間植物體內ABA的濃度以及從根部運輸到地上部的ABA大大增多,對水分脅迫信號的轉導以及干旱水分脅迫誘導蛋白的表達都起到了很大的作用,大多數的水分脅迫誘導蛋白都可以由外源ABA所誘導。85二、LEA蛋白與植物抗旱性胚胎發(fā)育晚期豐富(lateembryogenesisabundant,LEA)蛋白是一種子發(fā)育后期產生的一類小分子特異多肽,它是伴隨著種子成熟過程而產生的。后來研究認為這類蛋白與植物耐脫水性密切相關,受植物的發(fā)育階段、ABA和脫水信號等調節(jié),在植物的許多組織器官中都有表達。因此LEA蛋白產生機制以及與抗旱性的關系是目前植物抗性生理研究的熱點之一。86（一）LEA蛋白的種類、特性與存在部位根據它們氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列,

LEA蛋白可分為6族:

◆D19LEA(第1族)、

◆D11LEA(第2族,又稱脫水素)、

◆D7LEA(第3族)、

◆D113LEA(第4族)、

◆D29LEA(第5族)和

◆D95LEA(第6族)。后2族為附加族。87（1）第1族LEA蛋白這族LEA蛋白具有多拷貝串聯(lián)的20個氨基酸殘基組成的保守序列,該序列富含高比例的帶電荷氨基酸和甘氨酸,這些氨基酸可占全序列的20%～30%。在生理條件下,70%的多肽可形成隨機螺旋、比大多數球蛋白親水性更強。棉花Dl9、小麥Em、水蘿卜P8B6,胡蘿卜EMBl、玉米E564、大麥Bl9,擬南芥LEA等均屬第1族LEA蛋白。

在許多植物的基因組中高度保守的第1族LEA基因常以一個基因家族存在,該家族成員在整個編碼區(qū),幾乎在20個氨基酸殘基組成的基元序列區(qū)是高度保守的。但是,不同成員所含基元序列的數目不同。

許多植物都含第1族LEA基因,它與酵母中的這類基因有一定差別。第1族LEA蛋白對胚乳發(fā)育和植物生長器官的滲透脅迫有保護的作用。88（2）第2族LEA蛋白

這族LEA蛋白也稱脫水素(dehydrin),也是一類親水性蛋白質,其一級結構特征:在C端或附近具有富含賴氨酸的基元序列,也稱K-片段,K-片段在高等和低等植物中是高度保守的。大約由l5個氨基酸殘基(EKKGIMDKIKEKIJPG)組成。K-片段、可磷酸化的絲氨酸殘基片段(S-片段)、N端的一些保守序列(Y-片段),以及其他小而保守的重復區(qū)域(φ-片段),拼接形成脫水素,多肽的長度一般為82－575個氨基酸殘基。脫水素的識別可利用共有Y-片段、S-片段、K-片段,通過PCR技術進行。簡稱為“YSK速記”。在單個多肽內,K-片段的數量在1～11個拷貝之間變化。根據脫水素的結構、第2族LEA蛋白的作用可能有兩點:

①在植物受到干旱失水時,能夠部分替代水分子,保持細胞液處于溶解狀態(tài)、從而避免細胞結構的塌陷,穩(wěn)定細胞結構、尤其是膜結構;

②起分子伴侶和親水性溶質的作用,在水分脅迫時穩(wěn)定和保護蛋白質的結構及功能。89（3）第3族LEA蛋白這族LEA蛋白(D7LEA蛋白)通常含有多拷貝的11個氨基酸組成的基元序列(TAQAAKEKAGE)。該組LEA蛋白大小差異很大,所含基元序列的拷貝數少的只有5個(如棉花LEAD7蛋白),多的則有幾十個(油菜LEA76蛋白有13個重復基元數),大豆cDNApGmPM8和pGmPM10編碼蛋白含有超過30個相連的基元序列。該組蛋白可依其基元序列的羧基端有無特定的氨基酸延伸區(qū)段分為兩種類型：

●一類是11個氨基酸組成的重復基元序列被與之相似的序列所分離,稱第3族LEA蛋白(Ⅰ);

●另一類是在羧基末端被特定氨基酸延伸區(qū)段的出現而分隔,稱第3族LEA蛋白(Ⅱ)。大麥的HVA1與小麥的PMA2005在核苷酸水平和氨基酸水平上均有很高的同源性,分別達91%和95%。這兩個單子葉植物的基因與胡蘿卜的DC3和棉花的D7關系很密切,均屬于第3族LEA蛋白(Ⅰ);小麥的PMAl949,胡蘿卜的DC8和大豆的pGmPM2等屬于第3族LEA蛋白(Ⅱ)。90在干旱脫水過程中細胞液的離子濃度會迅速升高。高強度的離子濃度造成細胞的不可逆?zhèn)Α５?族LEA蛋白中的11個氨基酸殘基組成的基元序列可形成兼性α-螺旋結構,提供一個具疏水區(qū)的親水表面。螺旋的疏水面可形成同型二聚體。處在親水表面的帶電基團可整合細胞脫水過程中濃縮的離子。如Na+和PO3-4。此外,組成該蛋白的大多數氨基酸殘基為堿性。

這些高電荷的氨基酸殘基可以重新定向細胞內的水分,束縛鹽離子、從而避免干旱脅迫時細胞內高濃度離子的累積所引起的損傷、同時也可防止組織過度脫水。91目前,在多種植物中都有關于第3族LEA蛋白或基因的研究報道。有人認為這些基因的表達或蛋白累積與植物的滲透脅迫抗性正相關。例如,在嚴重干旱的小麥幼苗中,第3族LEA蛋白累積量的大小與組織的耐旱能力密切相關。此外。脫水還可造成LeamRNA,包括第3族LeamRNA轉錄水平的增加。在所有已知的第3族LEA蛋白中,對大麥的第3族LEA蛋白HVAl的研究較多。HVAl基因在開花后25天,開始在種子糊粉層和胚中高水平表達、而在淀粉質的胚乳細胞中卻檢測不到HVAlmRNA及相關蛋白。但可被干旱等環(huán)境脅迫和ABA誘導表達。如萌芽3天的大麥幼苗經0.lmmol·L-1ABA或干旱處理后,幼苗的所有器官中均有高水平的HVAlmRNA和蛋白質出現。Duan等(1996)將HVA1cDNA全序列導入水稻,獲得了抗旱、抗鹽的轉基因水稻,直接證實了第3族LEA基因可能具有干旱保護功能。但也有相反報道,如從耐脫水更蘇植物Craterostigmaplantagineunz分離出一個第3族LEA基因PcC3-06,將其轉到煙草中高效表達。但轉基因煙草在抗旱性方面并沒有得到提高。因此對于第3族LEA蛋白的詳細功能及其在細胞中的生理作用還有待進一步的深入研究。92（4）第4族LEA蛋白棉花lea14、D113和更蘇植物CraterostigmaPGC27～45P屬于第4族LEA蛋白,N端氨基酸序列形成兼性α－螺旋,C端序列保守性較差,呈無規(guī)則結構，在膜結構中可能形成一種保護結構,或起束縛離子的作用,植物脫水時可保持膜穩(wěn)定性,以代替水的作用。93（5）第5族LEA蛋白第5族D29LEA蛋白,也含有重復的11個氨基酸序列,與3族D7的序列相比,每個氨基酸化學性質相似,只是每個殘基位置缺乏高度專一性,這一族蛋白在植物缺水期間有富集離子的作用。

LEA蛋白是一類親水性大家族,盡管分為不同的族,但它們有共同的特點,都是由極性氨基酸組成,是親水性的多肽,甘氨酸含量>6%,親水指數>1.03,具有高度的親水性。LEA蛋白除了在干旱脅迫中發(fā)揮作用之外,寒冷、鹽脅迫也同樣誘導LEA基因表達及LEA蛋白積累。如將番茄lea25基因導入釀酒酵母能提高其抗寒能力。小球藻的C27品系在冷鍛煉過程中產生的低溫誘導蛋白HiC6。該蛋白與甘藍型油菜的第3族LEA蛋白lea76具同源性。這些研究表明,LEA蛋白在植物耐寒、耐鹽性方面也發(fā)揮重要作用。94（二）LEA蛋白的功能與抗旱性

LEA蛋白最大的物理化學特性是具有很高的親水性和熱穩(wěn)定性,即使在煮沸條件下也能保持水溶狀態(tài)。研究表明,植物在水分脅迫時面臨的最主要問題是細胞組成成分的晶體化,這將破壞細胞的有序結構。而LEA蛋白具有高度的親水性,能把足夠的水分捕獲到細胞內,從而保護細胞免受水分脅迫的傷害。LEA蛋白的另一個特點是,它們中的有些成員可被ABA和水分脅迫因子誘導產生,有時二者的作用可相互代替。如未發(fā)育成熟的小麥胚在體外培養(yǎng)時并不累積LEA蛋白,但若在培養(yǎng)基中加入ABA或施加滲透脅迫條件,則可誘導LEA蛋白的產生。植物嚴重脫水受害是由于水分損失導致細胞結構凝結,受到細胞膜結構傷害之故,而LEA蛋白則能夠削弱這種傷害。在干旱環(huán)境下,多數植物能誘導LEA蛋白,但LEA蛋白的抗旱機制仍然不清楚。95Swire和Marcotle(1999)用酵母菌試驗模型系統(tǒng),研究小麥第1族LEA蛋白中Em蛋白功能,認為該蛋白在酵母中對細胞膜有滲透保護作用,在正常滲透濃度下,酵母細胞Em蛋白的表達對生長無害,但在高滲透濃度下,能夠抑制或減慢生長,促進各種滲透調節(jié)物質的積累。由于第1族LEA蛋白含有大量極性氨基酸和無序(無盤旋)結構,它能吸附大量束縛水,因而對胚乳和植物生長組織的滲透脅迫有保護作用,這是用酵母表達系統(tǒng)通過結構功能研究第1族LEA蛋白對滲透保護機制的第一個生化證據。Zhang(2000)等用酵母異質表達系統(tǒng)研究水分脅迫下LEA蛋白對細胞代謝的作用,他們先向該系統(tǒng)轉入兩個lea基因,即番茄lea4(2族)和大麥HVAl(3族),在GALl啟動子的作用下進行表達,用特異抗病毒檢測這些基因產物。結杲發(fā)現:當轉入1.2mol·L-1NaCl介質時,HVAl基因在酵母細胞中提前表達,但不促進基因的表達;當轉入1.2mol·L-1KCl介質時,lea4和HVAl基因在細胞中均表達,以致生長減慢;在高山梨糖醇介質中,這兩種基因沒有明顯變化。若細胞含有這兩個lea基因,抗凍性就會增加,而抗熱性則無變化,說明LEA蛋白對保護細胞質脫水有著特殊作用。盡管人們對LEA蛋白作了大量研究,但迄今有關各族LEA蛋白的確切功能還不清楚,只能根據其氨基酸序列和預測的蛋白質結構進行推斷。96(三)LEA蛋白序列結構與其抗旱性根據LEA蛋白序列結構特殊性,Baker(1988)等提出一種假設,認為D29LEA蛋白(也存在于D7LEA中)含有由11個氨基酸組成的重復基元序列,即T/A、A/T、O/E、A/T、A/T、K/R、Q/ED、K/R、A/T、X、ED/Q,此種序列形成的氨基酸鹽橋,可充實蛋白質結構,提高細胞液中的離子強度,從而抵抗或減輕干旱引起的傷害。這類重復元件多數存在于α-螺旋結構中,疏水和親水氨基酸位于此螺旋中的特定部位,在其分子內部可能形成維管束,表層有結合陰陽離子的功能。97

LEA蛋白有較高親水性,不僅有序列特異性,空間結構也有特點。在水分缺乏時,此種蛋白在細胞中像可溶性糖的作用一樣,有增強束縛水的作用。Baker等(1988)報道,缺水條件下,D13和D11LEA蛋白能“溶解”在細胞質的結構中,其結構的卷曲部分,能形成適應其他結構的形狀,此結構與水產生的結合力比糖形成的穩(wěn)定性強,至少在晶體保護上比蔗糖好。McCubbin和Kay(1985)發(fā)現小麥Em蛋白(D19)親水性比多數球蛋白多肽強,在生理條件下,70%以上肽鏈處于無規(guī)則卷曲狀態(tài),植物缺水時,這些特殊結構有束縛水分子的作用。盡管D13LEA蛋白在長螺旋結構N端無親水性,但在無規(guī)則卷曲的尾部則有較強束水作用。98三、水孔蛋白與植物抗旱性所謂水通道即存在于哺乳動物和植物細胞膜及微生物中轉運水的特異孔道,該孔道是由一系列具有同源性的內在膜蛋白家族成員所形成,稱為水通道蛋白或水孔蛋白(aquaporin,AQP)。植物水孔蛋白在植物體內形成水選擇性運輸通道,在植物種子萌發(fā)、細胞伸長、氣孔運動、受精等過程中調節(jié)水分的快速跨膜運輸。有些水孔蛋白還在植物逆境應答中起著重要作用,因此研究水孔蛋白與植物抗旱性的關系引起了廣泛關注。99（一）植物水孔蛋白的發(fā)現水是生命之源,細胞內外水分平衡的穩(wěn)定是維持生命的關鍵因素之一。但水通過細胞膜的機制一直是個謎,所有組織細胞膜都允許水以簡單擴散的方式通過,后來注意到動植物的一些器官、組織具有獨特的水分運轉能力,例如動物的紅細胞和腎上皮細胞,它們運輸水分的速度非?？?人的腎臟細胞平均每晝夜要過濾180L的水,動物的腎小球集合小管在抗利尿激素的作用下,對水的通透性可在幾秒鐘內發(fā)生從低到高的急劇變化;植物在種子萌發(fā)及花粉管伸長時伴隨著由體積增大而發(fā)生的水分快速吸收,這些都不能以水穿越膜脂質雙分子層彌散來解釋,故形成了在某些組織中可能存在功能性水通道的假說。Macey(1984)第一個證明了對氯汞苯磺酸(p-chloromercuribenzenesulfonete,PCMBS)對紅細胞膜水通透性具有強烈抑制作用。進一步研究證明,PCMBS對尿素的通透性無影響。這種水通道與溶質通道明顯相互獨立的狀態(tài)表明,有水選擇性通道蛋白的存在。1001988年Agre等在鑒定人類Rb血型抗原時,偶然在紅細胞膜上發(fā)現了一種新的跨膜蛋白。此種蛋白既可以以非糖基化的28kDa多肽的形式存在,也可以是一條遷移至40～60kDa的N-糖基化帶,兩者的比例大約為3:1。氨基酸測序發(fā)現28kDa蛋白和眼晶狀體主體內在蛋白MIP26是同系物,因此有了暫用名“CHIP”(channel-likeintegralmembraneprotein)。1991～1992年,Agre及其同事又先后完成了該蛋白的分子克隆和功能鑒定,證實該蛋白具有水通道功能,從而確認了細胞膜上存在轉運水的水通道蛋白的理論。1997年被基因組命名委員會重命名為AQPl。AQPl的發(fā)現,掀起了人們分離、鑒定水孔蛋白(亦稱水通道蛋白)的高潮。短短幾年內,人們巳在細菌、酵母、動物、植物中分離出許多水孔蛋白同源基因。在植物中第一個水孔蛋白r-TIP是由Maure等(1993)從擬南芥中分離出來的。r-TIP的cRNA在爪贍卵母細胞中的異源表達,證明它具有水分運輸特性,屬于植物水孔蛋白中的液泡膜內在蛋白(tonoplast-membraneintrinsicprotein,TIP)。植物質膜內在蛋白(plasmamembraneintrinsicprotein,PIP)也是在擬南芥中首次發(fā)現的,Kammerloher等(1994)用擬南芥根質膜內在總蛋白產生的多克隆抗血清來免疫篩選擬南芥根cDNA文庫，得到了幾個陽性克隆，經鑒定為植物質膜水孔蛋白。101水孔蛋白與1984年Gorin等從牛晶體纖維(bovinelensfiber)細胞膜中分離到的跨膜通道主嵌入蛋白(majorintrinsicprotein,MlP)基因具有很高的序列同源性和結構相似性,因此將它們同歸于MIP家族,分子質量在26～29kDa之間,在生物膜中形成水通道并協(xié)助水分跨膜運輸的膜內在蛋白。絕大多數水孔蛋白形成水的選擇性通道,但也有一些水孔蛋白同時也可運輸小分子中性親水溶質。102（二）植物水孔蛋白的種類植物水孔蛋白根據序列同源性可以分為三類:

◆PIP(質膜內在蛋白)

◆TIP(液泡膜內在蛋白)

◆NLM蛋白(nodulin26likeMIPs,NLM)。103PIP主要分布在細胞質膜上,Kammerlober等(1994)以擬南芥質膜內蛋白的抗體為探針,運用哺乳動物眼細胞表達體系,從擬南芥的cDNA文庫中篩選了5個MD相關蛋白。它們普遍存在于根、莖、葉及果實質膜上,因此稱為PIP,PIP可再分為PIP1,PIP2和PIP3三類。Robinson等(1996)運用免疫定位實驗發(fā)現擬南芥葉肉細胞質膜上PD1主要聚集在一種被稱為質膜體(plasmalemmassome)特殊結構域,在這些區(qū)域質膜和液泡膜彼此接觸,從而加快了液泡與質外體之間的水分交換。PIP與TIP之間的氨基酸同源性較低(約50%左右),而且PIP較TIP具有較長的N端。在PIP中,PIP1和PIP2的區(qū)別在于N端和C端的不同,PIP1比PIP2具有較長的N端和較短的C端,而且在序列當中各有相應的保守氨基酸。Daniels等(1994)發(fā)現原先鑒別的干旱脅迫蛋白RD28也具有水通道活性,RD28與PIP2b具有高度同源性,它們的氨基酸序列及cDNA序列有92%同源性。104TIP(tonoplastintrinsicprotein)主要分布在細胞液泡膜上。TIP可再分為α、