1、園藝植物水分脅迫大姨媽和耐旱性反應(yīng)歷程的研究進(jìn)展，任意靜、背景和意義水分脅迫的大姨媽反應(yīng)水分脅迫的生化反應(yīng)滲透脅迫調(diào)節(jié)基因耐旱性反應(yīng)歷程的結(jié)束語，目錄、背景和意義、干旱是限制植物生長發(fā)育、基因表達(dá)和產(chǎn)量的重要因素。 世界約三分之一的土地面積屬于干旱區(qū)或半干旱區(qū)，干旱對農(nóng)作物的危害在所有非生物脅迫中占首位，僅次于生物脅迫病蟲害。 因此，研究植物對水分脅迫的適應(yīng)性及其反應(yīng)歷程，對人類生存至關(guān)重要。 在長期進(jìn)化過程中，園藝植物為了適應(yīng)干旱脅迫，發(fā)生了一系列的大姨媽生化反應(yīng)，逐漸形成了抗旱性強(qiáng)的反應(yīng)歷程。 研究了蘋果、梨、草莓、核桃、栗子等園藝植物在水分脅迫下的形態(tài)特征和大姨媽生化變化. 近年來，隨著

2、分子生物學(xué)理論、現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，對園藝植物水分脅迫大姨媽和耐旱性反應(yīng)歷程的研究越來越深入。 對該問題的研究進(jìn)展作一簡要綜述。 二、水分脅迫的大姨媽反應(yīng)，一、膨脹壓力的變化植物的許多生長和大姨媽過程是在一定的膨脹壓力條件下完成水分脅迫的條件下植物細(xì)胞球膨脹壓力首先發(fā)生變化。 膨壓是細(xì)胞球生長的驅(qū)動力，植物在干燥條件下保持細(xì)胞球膨壓能力的強(qiáng)弱，是植物適應(yīng)干燥保持正常生長的關(guān)鍵。 強(qiáng)大的膨脹維持能力，可以維持氣孔開放和高光合速率，保證高產(chǎn)量。 蘋果研究表明，維持膨壓能保護(hù)綠色素免受破壞，嚴(yán)重水分脅迫時，會喪失維持膨壓的能力，影響葉片的生長和光合作用。 梨樹在長期抗旱過程中，積極提高了

3、溶質(zhì)積累能力，在低滲透壓狀態(tài)下保持了膨脹壓力變化，降低了質(zhì)壁分離，增強(qiáng)了樹體的抗旱性。 2、光合用變化水分脅迫不僅降低植物的光合速率，而且抑制光反應(yīng)中原始光能量轉(zhuǎn)化、電子傳遞、光合磷酸化和光合暗反應(yīng)過程。 在水分脅迫下，葉表面的氣孔開度變小，阻止CO2進(jìn)入體內(nèi)，光合作用下降。 由于得不到外界的CO2，光能的化學(xué)能在正常的CO2條件下被用于碳同化，葉子受到光抑制，葉子的超微結(jié)構(gòu)持續(xù)損傷和不可逆破壞。 研究表明，在土壤嚴(yán)重干旱條件下，蘋果一年來幼樹葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，化學(xué)基粒內(nèi)包裹體膨脹，囊內(nèi)空間增大，空泡化類囊體排列方向發(fā)生變化. 說明了其光合作用機(jī)構(gòu)在某種程度上受到破壞性的影響。 三、

4、水分脅迫的生化反應(yīng)，一、ABA的積累從六零年代末期開始，對外施ABA發(fā)現(xiàn)葉片氣孔關(guān)閉后ABA對植物抗旱作用進(jìn)行了廣泛研究。 發(fā)現(xiàn)水分脅迫下，植物體內(nèi)ABA水平迅速上升，ABA的積累使氣孔導(dǎo)度降低，干燥條件下植物水分損失減少，抑制莖葉生長，促進(jìn)根系生長，增加根/冠比。 但是，ABA對植物有雙重作用，即以低濃度促進(jìn)植物的生長，以高濃度抑制植物的生長。 對于蘋果的根系也得到了同樣的結(jié)果。 研究了脫水對蘋果根系A(chǔ)BA和酪氨酸蛋白激酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)酪氨酸蛋白激酶活性的高峰出現(xiàn)在吸收根和延長根ABA濃度迅速上升之前，酪氨酸蛋白激酶可能作為信號成分開始ABA合成，且水分脅迫下ABA積累的細(xì)胞球信息傳遞過程

5、中參與了可逆的酪氨酸蛋白激酶磷酸化，進(jìn)一步發(fā)揮了酪氨酸蛋白激酶作用許多研究者從擬南芥中分離到了分裂原激活的酪氨酸蛋白激酶基因MAP、核糖體酪氨酸蛋白激酶基因ATPK6和ATPK19、受體酪氨酸蛋白激酶基因PPK1和轉(zhuǎn)錄控制酪氨酸蛋白激酶基因AtDbf2中. 這些個的酪氨酸蛋白激酶基因都是在干旱、高鹽或低溫等脅迫下誘導(dǎo)表達(dá)的基因，它們查詢密碼的產(chǎn)物(酪氨酸蛋白激酶)分別在細(xì)胞信號不同的過程中發(fā)揮作用。 ABA與酪氨酸蛋白激酶基因表達(dá)的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。2、小分子物質(zhì)的積累、干燥和鹽漬等逆境在一定程度上降低了環(huán)境滲透，導(dǎo)致植物細(xì)胞球脫水，生理學(xué)上稱這種脅迫為滲透脅迫。 在滲透脅迫下，植物體內(nèi)積累

6、了具有滲透保護(hù)作用的滲透調(diào)節(jié)(Osmotic Adjustment，OA )物質(zhì)，如脯氨酸(Pro )、甜菜堿、膽堿、肌醇、甘露醇、多胺等。 2.1 Pro的積累作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，Pro大量積累在植物細(xì)胞球中，主要是由于脅迫的原因從一開始就合成的。 研究證明，植物體內(nèi)存在Glu (谷氨酸)通路和Orn (鳥氨酸)通路兩種Pro合成路線，在個體發(fā)育初期，Orn合成Pro通路對蛋白質(zhì)合成起著重要作用，而Glu合成Pro存在于個體發(fā)育的整個階段。 在滲透脅迫下，從Glu合成Pro是Pro合成的主要方法。 逆境中Pro積累有三個原因： Pro的合成得到加強(qiáng)，Pro積累的主要原因Pro的酸化作用得到抑制

7、，蛋白質(zhì)氧化的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為Pro的蛋白質(zhì)合成降低，從而抑制Pro參與蛋白質(zhì)的過程，Pro積累。 研究表明，中、輕度土壤干旱時，隨著土壤干旱時間的延長，蘋果葉片Pro含量增加到最大值土壤干旱嚴(yán)重時，Pro含量減少。 2.2甜菜堿的積累近年來，甜菜堿成為研究的熱點(diǎn)。 蓄積甜菜堿的植物比蓄積Pro的植物對干燥、鹽漬等逆境的耐受力高。 甜菜堿是高等植物最主要的代謝蓄積產(chǎn)物之一，無毒的滲透保護(hù)劑，其蓄積可使植物細(xì)胞球在滲透脅迫下維持正常的功能。 在高等植物，甜菜堿被膽堿兩步氧化，并被膽堿單氧化酶(CMO )和甜菜堿黃素脫氫酶(BADH )催化。 從菠菜、甜菜、菠菜中愛沙尼亞克朗cDNA。 3、當(dāng)氧化活

8、性物質(zhì)和自由基的積累正常時，植物體內(nèi)自由基和氧化活性物質(zhì)的產(chǎn)生及在細(xì)胞球內(nèi)的清除存在于動態(tài)平衡態(tài)中。 水分脅迫妨害植物體內(nèi)氧化活性物質(zhì)和自由基的產(chǎn)生與清除的平衡，使植物體內(nèi)蓄積大量的氧化活性物質(zhì)和自由基。 蛋白質(zhì)和膜脂容易受到氧化活性物質(zhì)，特別是高反應(yīng)的OH-的攻擊，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的氧化損傷、膜脂不飽和脂肪酸的過氧化和膜脂脫?；瘬p傷。 膜脂過氧化使膜上空隙增大，通透性增加，絡(luò)離子大量泄漏，引起綠色素蛋白復(fù)合物的結(jié)合松弛，綠色素含量顯著降低，嚴(yán)重時植物領(lǐng)便當(dāng)。 姚允聰?shù)热擞肞EG溶液處理蘋果幼根，發(fā)現(xiàn)peg 1.5 %重度水分脅迫下活性降低，葉綠體光能量傳遞受阻，大量產(chǎn)生O2-，蘋果可能是氧化活性物

9、質(zhì)和自由基發(fā)生的重要來源。 4、小分子蛋白積累4.1調(diào)滲透蛋白(Osmotin，OSM )在水分、鹽漬等脅迫下，植物可以通過對滲透脅迫的適應(yīng)過程合成蛋白質(zhì)OSM，作為蛋白質(zhì)保護(hù)劑。 除水分、鹽脅迫外，ABA也可誘導(dǎo)OSM合成，經(jīng)ABA處理的煙草細(xì)胞球中OSM的mRNA含量高于對照的1.5倍的滲透脅迫下，如果引起mRNA蓄積，則云同步中ABA也大量增加。 表明OSM基因的表達(dá)受轉(zhuǎn)錄水平的控制。 OSM可能對滲透壓敏感，植物被認(rèn)為能通過OSM對滲透壓脅迫的易感性識別環(huán)境脅迫，但OSM的作用機(jī)制尚不清楚。 4.2 Lea蛋白(胚胎發(fā)育后期濃縮蛋白) 1981年Dure等首先從棉籽發(fā)育后期胚胎發(fā)現(xiàn)了大

10、量蓄積的蛋白Lea蛋白。 其結(jié)構(gòu)推測，Lea蛋白可能在種子成熟、干燥過程和滲透脅迫條件下保護(hù)細(xì)胞球免受水勢減弱的影響。 查詢密碼這種蛋白質(zhì)的基因被稱為Lea基因，是在種子成熟和胚胎發(fā)育階段中特異性表達(dá)的基因，也可以在植物受到干燥、低溫和鹽漬等脅迫而脫水的營養(yǎng)組織中表達(dá)。四、滲透脅迫調(diào)節(jié)基因，植物在干旱引起的滲透脅迫下，在分子水平上，在細(xì)胞球?qū)B透脅迫的響應(yīng)中，啟動或抑制某些基因的表達(dá)，這些個基因被稱為滲透脅迫調(diào)節(jié)基因。 根據(jù)其在滲透調(diào)節(jié)中的作用，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成基因參與細(xì)胞球內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，目前愛沙尼亞克朗的基因主要有1 -磷酸甘露醇?xì)浠富颉? -磷酸山梨醇?xì)浠富?、果糖蔗糖酶?/p>

11、因、6 -磷酸海藻糖合成酶基因， Pro合成酶催化劑基因(ProA，ProB )、BAD基因、CMO基因、P5cS基因、Osmotin基因、Lea基因，即能夠傳遞、傳遞壓力信號的基因和能夠調(diào)節(jié)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，即酪氨酸蛋白激酶基因、蛋白酶基因、DREB 抗氧化基因與干旱、鹽漬、低溫等滲透脅迫對植物的傷害和細(xì)胞球水平氧化應(yīng)激密切相關(guān)，植物細(xì)胞球內(nèi)這種基因的表達(dá)產(chǎn)物，如SOD、ASA、GS、維生素等，可清除自由基和氧化活性物質(zhì)所致的氧化應(yīng)激. 其他還有跨膜輸送水分子的水路蛋白質(zhì)基因、Pro和甜菜堿運(yùn)輸系統(tǒng)等。 五、耐旱性反應(yīng)歷程、一、ABA調(diào)節(jié)反應(yīng)歷程ABA在植物發(fā)育的許多重要過程中發(fā)揮著重要的

12、調(diào)節(jié)作用，對云同步、植物對逆境的反應(yīng)發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)因子作用。 關(guān)于ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，Hurtung(1983 )、Hornberg(1984 )通過控制ABA的作用部位在質(zhì)膜外，質(zhì)子從質(zhì)膜流入質(zhì)外體，控制細(xì)胞貼壁的氧化，降低酸誘導(dǎo)細(xì)胞貼壁的松弛能力，從而開始擴(kuò)張細(xì)胞球，氣孔Assmann(1993 )研究表明，ABA對保護(hù)細(xì)胞球的絡(luò)離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程至少有4個效果：抑制內(nèi)向轉(zhuǎn)運(yùn)的k通道，激活外向轉(zhuǎn)運(yùn)的k通道，促進(jìn)Ca2通道的開放和膜的極化。 ABA可誘導(dǎo)細(xì)胞球內(nèi)Ca2濃度上升，提高細(xì)胞質(zhì)的pH值，并促進(jìn)氣孔關(guān)閉的Ca2濃度上升，使k從保護(hù)細(xì)胞球流出，使保護(hù)細(xì)胞球的膨脹壓降低，并引起氣孔關(guān)閉。 2

13、、滲透調(diào)節(jié)反應(yīng)歷程自Hsiao(1973 )提出滲透調(diào)節(jié)與水分脅迫的關(guān)系以來，滲透調(diào)節(jié)作用作為植物適應(yīng)干旱脅迫的重要大姨媽反應(yīng)歷程，已經(jīng)成為抗旱性大姨媽研究最活躍的領(lǐng)域。 對于耐旱性的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，一種是以滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)為滲透壓平衡，從而穩(wěn)定體內(nèi)的滲透壓平衡，增強(qiáng)植物的保水能力，二種是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可能以水代替溶劑參與生化反應(yīng)，在這種情況下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)被稱為低分子量鐘點(diǎn)工調(diào)色劑，第三種是， 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在水分脅迫下與蛋白質(zhì)的疏水表面結(jié)合，使疏水表面轉(zhuǎn)化為親水表面，使更多水分子結(jié)合在蛋白質(zhì)的本來疏水區(qū)域上，疏水表面保證了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 3、抗氧化防御機(jī)制近年來對水分脅迫下植物體內(nèi)氧化活性物質(zhì)

14、的產(chǎn)生、氧化活性物質(zhì)對植物的傷害和植物抗氧化系統(tǒng)的作用進(jìn)行了許多研究。 植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)主要是酶催化劑保護(hù)系統(tǒng)，包括SOD (超氧化物歧化酶)、POD (過氧化酶)、CAD (過氧化氫酶)等非酶保護(hù)體系如SOD (抗壞血酸)、GSH (谷胱甘肽)、Ctyf (細(xì)胞色素f )、鐵氧還蛋白、胡蘿卜素等。 抗氧化系統(tǒng)的主要作用是清除植物體內(nèi)的氧化活性物質(zhì)和自由基，避免或減輕對植物的氧化損傷。 SOD主要去除O2-、CAT、ASA、POD、GSH、POD以及H2O2。 目前還沒有發(fā)現(xiàn)OH-的除酶催化劑系統(tǒng)，但在水分脅迫下積累的親水性溶質(zhì)，如甘露醇、Pro等，可以補(bǔ)償植物體內(nèi)的除OH反應(yīng)歷程。 但只

15、有抗氧化系統(tǒng)兩個系統(tǒng)的協(xié)同作用才能完成清除氧化活性物質(zhì)和自由基，達(dá)到保護(hù)細(xì)胞球的目的。 SOD將O2-轉(zhuǎn)換為H2O2，ASA、GSH和POD將H2O2轉(zhuǎn)換為O2和H2O。 4、協(xié)同作用機(jī)制植物的耐旱性機(jī)制，并非某個機(jī)制單獨(dú)作用，而是在一些機(jī)制之間具有協(xié)同作用。研究表明，滲透調(diào)節(jié)受多基因調(diào)控，用ABA調(diào)節(jié)作用說明滲透調(diào)節(jié)是適當(dāng)?shù)模焊珊得{迫誘導(dǎo)ABA合成，然后脅迫提高基因mRNA濃度，基因表達(dá)產(chǎn)物(滲透調(diào)節(jié)物質(zhì))積累，產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié). 許多實驗證明，水分脅迫誘導(dǎo)ABA的發(fā)生，云同步、Pro含量也增加，復(fù)水后兩者基本降低到云同步。 離體水稻葉片施用ABA可以誘導(dǎo)Pro含量的增加。 其原因是干旱脅迫后，

16、在Glu合成Pro過程的兩個主要酶催化劑P5cS和P5cR中，前者的基因表達(dá)被ABA促進(jìn)，而P5cS的表達(dá)有ABA依賴型和ABA不依賴型兩種途徑。 在云同步中，ABA可以誘導(dǎo)細(xì)胞球內(nèi)Ca2的大量積累，顯然ABA與滲透調(diào)節(jié)有密切的關(guān)系。 但是，ABA如何誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累還需要進(jìn)一步研究。 5、Lea蛋白保護(hù)作用研究表明，Lea蛋白是干燥過程中保護(hù)植物的重要物質(zhì)，保護(hù)植物細(xì)胞球免受傷害，特別是極端干燥誘導(dǎo)的Lea蛋白，對植物的保護(hù)作用更為重要。 據(jù)推測，Lea蛋白可能有三種作用。 作為脫水保護(hù)劑，Lea蛋白質(zhì)含有豐富的結(jié)構(gòu)上無電荷的親水性氨基酸，另一方面與細(xì)胞球內(nèi)的其他蛋白質(zhì)相互作用，使結(jié)構(gòu)

17、穩(wěn)定，另一方面，為細(xì)胞球內(nèi)的結(jié)合水提供結(jié)合基質(zhì)，有可能使細(xì)胞結(jié)構(gòu)在脫水時不受到大的破壞。 作為調(diào)節(jié)蛋白參與植物的OA。 通過與核酸結(jié)合調(diào)節(jié)細(xì)胞球內(nèi)其他基因的表達(dá)。 6、滲透脅迫調(diào)節(jié)基因的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄控制6.1干旱誘導(dǎo)基因的表達(dá)從太陽花cDNA中分離得到的干旱誘導(dǎo)基因HaDhn1、HaDhn2和染色體組HaElip1基因，在耐旱性品種R1和干旱易感性品種S1葉中，HaElip1基因?qū)ν寥烂撍姆磻?yīng)轉(zhuǎn)錄水平很快在土壤干旱時，S1品系的3種基因轉(zhuǎn)錄水平上升到土壤含水量達(dá)到2g/g干旱土的R1時，土壤含水量達(dá)到該值后，HaDhn1和HaDhn2基因的轉(zhuǎn)錄水平迅速提高，土壤含水量達(dá)到1.1g/g干旱土?xí)r，

18、該2基因的轉(zhuǎn)錄水平達(dá)到該值由該結(jié)果可知，R1中HaDhn1和HaDhn2基因的轉(zhuǎn)錄水平的提高與該植物對水分脅迫的適應(yīng)性相結(jié)合，但在兩種可能性，即在觀察mRNA加工時的變化和mRNA水平的提高時不能排除強(qiáng)調(diào)其穩(wěn)定性的兩個品系中，染色體組結(jié)構(gòu)不同因此，假設(shè)這種基因表達(dá)的差異是由于基因調(diào)控的差異。 6.2啟動子和轉(zhuǎn)錄控制轉(zhuǎn)錄控制是通過啟動子上的順式作用因子和反式作用因子(轉(zhuǎn)錄因子)實現(xiàn)的。 植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)基因是否能有效、快速地表達(dá)，是受順式作用元件和反式作用因子的相互作用支配的，兩者在細(xì)胞信號過程中發(fā)揮著重要的作用。 研究滲透脅迫調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄控制的一個目的是鑒定滲透脅迫調(diào)節(jié)基因的順式作用因素和反式作用因素。 順式作用元件位于啟動子的5端，由5端至轉(zhuǎn)錄起始部位的數(shù)千鹽化學(xué)基構(gòu)成，通過染色體組愛沙尼亞克朗鑒定啟動子，通過引物的延伸鑒定轉(zhuǎn)錄起始部位，啟動子的活性通常通過5端上游序列與GUS或GFP等報告基因的嵌合體基因的表達(dá)而證明反式作用因子可以利用酵母的單交種或雙雜交系統(tǒng)來鑒定。 根據(jù)6.3 ABA和轉(zhuǎn)錄控制外源ABA對基因的調(diào)節(jié)情況，將滲透調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的基因分類ABA誘導(dǎo)的基因和非ABA誘導(dǎo)的基因。 前者中有些基因被外源ABA誘