盐胁迫saltstrees及其生理2.ppt

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1、高级植物生理讲座,盐胁迫（salt stress）及其生理,刘洪庆,目次 1. 盐碱土与植物耐盐性 1.1 盐碱土概念及度量指标 1.2 分类及分布 1.3 植物耐盐性 2. 盐胁迫对植物的伤害 2.1 生长抑制 2.2 光合下降、能耗增加 2.3 加速衰老 3. 植物的盐适应及其分子机理 3.1 拒盐机理 3.2 盐分区域化 3.3 渗透调节作用 3.4 碳代谢途径的改变,3.5 钙信使与植物的盐适应 4. 植物盐适应过程中的基因表达 4.1 有机渗透剂合成酶类基因 4.2 渗调蛋白基因 4.3 LEA 基因及 ABA 应答基因 4.4 跨膜运输蛋白及其基因 5. 提高植物抗盐性的途径 5.

2、1 种子处理 5.2 施肥 5.3 抗盐品种的选育 6. 植物抗盐性的测定 6.1 生理指标及其测定 6.2 大田指标及其测定,1.盐碱土（alkaline and salt soil） 与植物耐盐性(salt resistance) 1.1 盐碱土概念及度量指标 盐碱土:地表土层含大量可溶性盐类的土壤 （0.62%） 盐土(salt soil)-NaCl, Na2SO4 占优 盐土 4 ds/m 重盐土 15 ds/m 碱土(alkaline soil)-NaHCO3 ,Na2CO3 占优,电导值,常用度量土壤和水质含盐量指标: ） 25电导值 (EC-electricity conduct

3、ivity) 单位 ds/m, 或 ms/cm 1ds/m = 0.64g/L ,11mmol/L(单价盐NaC1为主土壤) 电导单位 S=1/ 姆欧(西门子)， S太大常用毫或微西门子 1S =103 mS = 106 S （S/cm ） ）盐度: 常用物理量 TDS (ppm) (目前，已用mg/L 或mg/kg 代替ppm) 水电导率（EC值）和总盐度（TDS）间关系： Ecw(dS/m) 640 = TDS ( mg/L),1.2 分类(classification)及分布(distribution) 1978年，中国土壤分类暂行草案-南京 两大类： 滨海盐土：沿海,呈带状分布。 特点

4、：表层和心底含盐量高，表层18%, NaCI为主，矿质化度高 草甸盐土：多在平原和盆地 特点：盐分多在表层1-2%，心底层仅0.10.3%,剖面 分布为上重下轻 沼泽盐土：呈零星分布（半漠境和漠境边缘） 特点：矿质化度更高，表层盐结壳，含盐量3575% 洪积盐土：新疆天山南麓部分洪积扇和阶地上 特点：地面径流带来盐分(NaCI为主)，2个以上积盐层 残余盐土：西北漠境和半漠境地区 碱化盐土：部分平原，盆地内河流冲击形成 特点：碳酸钠量高,盐 土,草甸碱土：干旱和半干旱地区，分两个土属 草甸构造碱土：有明显层次，地面灰白色， 表层富含有机质的淋溶层，下层为 碱化层，块状或核状 瓦碱土：地表呈光板

5、或撂荒地，仅存稀疏耐盐 碱植物，土壤可溶性量低（9 草原碱土：多在内蒙古高原干草原有一定植被， 芨芨草，羊草等,含盐量低于草甸碱土 龟裂碱土： 新疆准葛尔盆地和宁夏银川平原地表仅生长 蓝藻和地衣（季节性），不长高等植物， 土壤表层有龟裂，下面有碱化层,碱 土,千公顷,退化草地，水土流失严重,龟裂的盐碱化土地,马兰,1.3%,1.3 植物耐盐性（salt resistance） 1） 耐盐性 植物在盐胁迫下维持生长、形成经济产量或完成生活史的能力。 分三类 盐生植物(halophyte) -70mmol/L NaCl, 550 种（220 属75 科） 淡(甜)土植物(glycophyte) -

6、 耐盐性（ 0.6 % ）， 绝大多数农作物 过渡类型-对盐敏感植物 (柑橘，某些果树),世界主要国家和地区盐生植物种类,a 盐生代表植物：碱蓬属，滨藜属 海滨碱蓬 (Suaeda maritima): , 随盐浓度增加而下降. 植物形态特征： 肉质化, 液泡积累盐分, 细胞质中通过合成有机渗透溶质以维持与液泡的渗透平衡。 b 单子叶盐生植物（多数）: 70mmol/L NaCl ，生长速率下降 部分： 600800mmol/L，能够生存 盐腺-网茅属植物； 无盐腺-碱茅属植物 （250mmol/L NaCl-不能生存）,形态上,（1）盐腺下陥于表皮细胞层，基细胞較大，卵形，腺体具很強分泌功能

7、(上）,（3）盐腺形态、功能介于二者之间，盐腺在表皮细胞层中半下陥，基细胞较小，帽细胞呈泡状，腺体具較弱分泌功能( a).,（2）盐腺突起于表皮细胞层，基细胞小且细長，帽细胞细長呈長刺状，腺体无分泌功能或只有很弱分泌功能 （b,c,d,e,f,g),c 禾本科植物 盐腺分3类：,c 禾本科植物 盐腺分3类：,植物的泌盐腺现象 五蕊柽柳（A）叶泌盐现象和滨藜（B）叶面泌盐腺体,A,B,2） 盐生植物对盐胁迫的抗性 耐盐性（salt tolerance） + 避盐性（salt avoidance） 3） 抗盐类型植物 耐盐而不避盐植物 耐盐又避盐植物 避盐而不耐盐植物,抗盐性,4）中国盐生植物生理

8、类型 Breckle(1990,德国)分类系统 真盐生植物（euhalopyte）-稀盐植物，聚盐植物 叶肉质化（leaf succulent euhalophyte） 碱蓬属（Suaeda）,滨黎属（Atriplex）植物 茎肉质化（stem succulent euhalophyte） 盐穗木属（Halostachys）,盐爪爪属（Kalidium）， 盐角草属（Salicornia）植物 泌盐盐生植物（recretohalophyte）-盐腺泌盐, 囊泡泌盐 （泌盐植物） 补血草属（Limonium），柽柳属（Tamarix）， 獐毛属（Aeluropus）等植物 假盐生植物（pseud

9、ohalophyte）-选择吸收，根或地上储藏 拒盐植物 芦苇属（Phragmites），蒿属（Artemisia）， 灯心草属（Juncus）,柽柳,梭梭,柽柳,盐分摄取，储存和分泌分类的盐生植物类型,2. 盐胁迫对植物的伤害 渗透胁迫 盐胁迫 离子毒害 离子不平衡或营养缺乏 植物生长受抑制 光合下降,能耗增加,加速衰老 植株死亡（碳饥饿）,2.1 生长抑制 -盐渍响应最敏感的生理过程 盐逆境中 植物 几分钟后,生长速率下降 （下降程度与根际渗透压呈正比） NaC1胁迫-可被 CaC12 缓解 （说明：渗透效应也有离子效应）,研究热点之一： 生长抑制机制 细胞扩展生长过程始于胞壁松弛，膨压及

10、细胞水势下降，水分进入细胞水势上升 , 胞外溶质进入胞内 , 造成渗透势下降及膨压上升 , 当膨压超过屈服阈值膨压 (yield threshold turgor) 后，细胞不可逆扩展。 细胞扩展生长决定三因素： 膨压大小 壁松弛 胞内溶质不断积累,壁松弛基础： 壁多糖裂解,IAA或酸诱导木葡聚糖和果胶多聚体降解,加速生长。 NaCl抑制葡萄糖合成壁多糖，降低胞壁多糖含量,增加壁蛋白和芳香族化合物含量（阿魏酸含量最高-与壁延伸有关）。 阿魏酸单体由细胞壁中的过氧化物酶催化 , 在多糖链间形成二阿魏酸桥交联。 蛋白质束(protein strands)间还形成异二酪氨酸或三酪氨酸桥交联，盐胁迫增

11、强璧多聚体氧化交联潜势,抑制细胞生长。,研究热点之二： 逆境信号传感 干旱-控制小麦叶片的伸展（可能信号植物激素） 如ABA增加，GA,CTK下降 盐胁迫-小麦植物体内 ABA 含量上升 ,外源ABA抑制叶片生长,导管中ABA浓度与叶生长速率呈负相关。 ABA对根系生长影响复杂： 低水势下，根中ABA积累是维持其初生根生长的必 需条件，可能涉及ABA对生长区细胞 玉米 离子运输的调节和诱导基因表达的改变 高水势下，抑制根系生长,盐胁迫抑制种子萌发主要原因 降低水解酶活性（-淀粉酶） -淀粉酶-含Ca2十蛋白, 在糊粉层细胞粗内质网中 合成 ,经高尔基体向胞外分泌。酶活化 至少需结合1原子Ca2

12、十 ,改变酶三级结构 GA促进Ca2十吸收,提高细胞质中Ca2十浓度, 并活化定位于ER的 Ca2十-ATPase,增加CaM 水平, 促进胞质中 Ca2十向ER中运输。 盐胁迫作物种子-淀粉酶活性 -区别植物耐盐性依据之一 外源Ca2十和 GA -增加种子K十积累,减少Na+积累 提高-淀粉酶活性 缓解盐抑制种子萌发的效应,2.2 光合下降、能耗增加 1 ） 光合作用下降 短期盐胁迫-叶片叶绿素和叶绿体膜蛋白含量下降, 气孔导度下降 较长期盐胁迫- 叶肉导度和光合面积下降（主因） 叶肉阻力增加原因-离子浓度增加 盐胁迫下叶片Na+ , Cl-浓度过高,虽K+, Ca2+含量下降,但 阳离子总

13、量明显升高 。 Cl- 浓度与光合抑制相关关系 R2 =0.92427 减少盐离子（Cl-）在光合细胞中积累,有利于提高植物耐盐性 耐盐大麦：Cl-累积在叶鞘，不在叶片（表皮叶肉），Na+分配不均一性没有Cl- 明显 (选择吸收运输Na, K，减轻对地上部伤害),2）能量消耗 逆境生长需额外耗能 盐诱导维持呼吸-maintenance respiration ,Rm 包括合成有机渗透溶质、 离子主动吸收运输、 区域化分配、 以及盐诱导的代谢变化所消耗的能量。 Rm = 非盐胁迫下基础维持呼吸 + 盐诱导维持呼吸 植物盐诱导Rm峰值-出现早晚决定于植物耐盐性 生长于-0.5MPa NaCl苍耳属

14、植物, 盐诱导Rm消耗约占植物干物质积累 25%,2.3 加速衰老 盐分促进衰老机理-可能是对膜系统和酶类的直接伤害、活性氧伤害以及质外体盐分积累导致的渗透效应。 1）对膜和酶类的直接伤害 大豆叶片： 0200mmol/L NaCl处理后,细胞溶质外渗值与处理盐浓度成正比。渗透浓度相同时 ,NaCl处理的溶质外渗率显著大于山梨醇。 细胞质中高浓度阳离子抑制酶蛋白合： mRNA翻译适宜浓度: 100120 mmol/L; 翻译终止: 180 mmol/L,置换质膜和细胞内膜系统所结合的Ca2+，膜所结合离子中 Na+/Ca2+比增加 , 膜结构完整性及膜功能改变 , 促进细胞内K+,磷和有机溶质

15、的外渗 , 细胞K+/Na+下降 , 抑制液泡膜 H十-ppase (焦磷酸酶)活性和胞质中H十跨液泡膜运输, 跨液泡膜的 pH 梯度下降 , 液泡碱化 , 不利Na+在液泡内积累 , 并且还诱导气孔关闭等。 外源 Ca2+-缓解NaCl 胁迫效应,高浓度NaCl,2）活性氧伤害 植物细胞中氧浓度最高,叶绿体和线粒体电子传递链中泄漏电子都可能与 02 反应生成 O2- ，H202 和 OH-. 光下，叶绿素分子可将其激发能传递给02而生成102 ； 盐胁迫下，植物的光能利用和 C02 同化受抑制 , 促进活性氧生成和脂质过氧化 , 并对蛋白质和核酸等造成损伤。 水稻,大麦,小麦幼苗: 盐胁迫下

16、，叶片细胞膜泄漏率增加与脂质过氧化产物-丙二醛(MDA)含量增加呈极显著正相关,且与耐盐性基因型密切相关。 高盐下，植物叶片活性氧大量积累可能与CAT活性下降有关,保持高水平的 SOD 和 POD 活性是自然盐渍生境中盐生植物生存所必需。,3）渗透效应 无排盐结构植物,当根系向叶片输送盐分大于叶肉细胞对离子的吸收时,盐分在细胞壁中积累,细胞失水,加速衰老进程 3.植物的盐适应及其分子机理 植物对渗透胁迫与离子胁迫的耐性相互排斥 吸盐型植物-缓解渗透胁迫,减少能耗；但易破坏 细胞内离子平衡 ,引起离子毒害和必需元素缺乏。 许多盐生植物是吸盐型植物,进入体内盐分经细胞层次的区隔化分配 , 积累于液

17、泡 , 细胞质中主要以小分子有机溶质如甜菜碱，脯氨酸 ,以及 K+等维持渗透势的平衡,拒盐型植物-避免离子效应 , 但易导致渗透胁 迫对细胞伤害（多数淡土植物）。 通过对盐分吸收的适度控制 , 盐分在不同器官、组织和细胞层次上不均一分配的协同作用,以及地上部盐分通过韧皮部向地下部的运输等来维持地上部 ,特别是光合细胞中相对较低盐分浓度。 通常每种植物两种机制共存,3.1 拒盐机理- 降低地上部盐浓度 耐盐品种 水稻-叶中Na+，K+总量较低 ,K+/Na+ 较高 小麦-叶K+/Na+高,与K+向地上部选择性运输较强有关. 大麦-叶Na+，Cl-含量低（根系对Cl-吸收较低,且Na+ 存于根中较

18、多 , 向地上部运输较少）。 耐盐芦苇特点： 限制Na+向地上部运输,即使在 500mmo1/L NaCl 盐度下 ,其叶渗透溶质也主要是 K+,C1-和蔗糖 , Na+还不到10%.,芦苇,1） 根系对离子选择吸收和排盐（selective abosorption） 根系- Na+、Cl- 等离子进入屏障 质外体运输-阻止(内皮层凯氏带木栓化) 共质体运输-受表皮、皮层或内皮层细胞质膜控制 根系的选择吸收 , 使共质体中K+ 浓度比质外体或土壤溶液中高 50200倍 。 质膜H+-ATPase活性、 阳离子通道对不同离子的通透性、 耗能 K+/H+共运输 以及 Na+/H+逆向运输等过程,决

19、定植物根系对离子选择性,质膜 ATPase (高等植物,酵母原生质膜主要成分) 由于在其催化循环中经受磷酸化反应 , 被称为 P-型 ATPase, 最适 pH 6.6 抑制剂-钒酸钠、 DCCD( 二环己基碳二亚胺 ) 等。 功能 ： 驱动质子排出质膜 , 建立跨膜 pH 梯度和电势差（质子驱动力） , 为溶质跨膜运输 ( 次级运输 ) 提供动力。 NaCl 调节编码质膜 ATPase 的基因表达 , 且在盐生植物体内的反应更快。 盐胁迫下植物细胞中由于 Na+ 积累 , 细胞质酸化 , 促进质膜 ATPase 活性。,通道：允许离子跨膜迅速扩散 , 受膜势调节 ; 载体：溶质通过载体的运输

20、要慢得多 单向运输 (uniport) 共运输 (symport) 逆向运输 (antiport) 矿质元素吸收-逆浓度梯度 （通过质膜的运输蛋白进入根细胞）,次 级 运 输 系 统,目前已知两个K+吸收运输系统： K+ l mmol/ L 时 , 低亲和运输系统 K+通道运输 ; 根际 K+ 27mmol/ L 时 , 高亲和 K+运输体系 , 即 K+/H+ 共运输运行 , 维持细胞内 K+ 的生理浓度 ( 约 100mmol/L) 跨质膜Na+/H+逆向运输 膜微囊、离体大麦根、培养细胞和藻类(分离出）， 利用质子驱动力将胞内 Na 排到胞外 , 降低其含量。 K+ 通道-对 K+，Na

21、+通透性不同,盐胁迫下，选择吸收 K+原因,烟草悬浮细胞原生质膜 盐适应 对 K+ 、 Na+透性比较 : 非适应 膜电位： 去极化 ( 从 0mV 正势 ) 将激活 K+外流 过极化至-100mV, 激活K+内流（不如外流激活大） 此通道除 K+ 外流外 , 也有一定量 Na+经其外流 , 二者透性比为 120 。 盐适应细胞 K+ 、Na+ 外流 非适应细胞 -暗示盐胁迫下盐适应细胞通过降低质膜对 K+、Na+ 的透性减少 K+ 的泄漏 , 提高细胞质 K+/Na+ 比。 -但通道对 K+ 、Na+ 选择性及单个通道的导性并没有改变, 因而可能是通道开放频率或质膜中K+通道数下降的结果。,

22、低 K+(l mmol/L) 时,根系吸收Na+ 随外界 Na 浓度增加而增加,但根组织 Na+ 含量基本不变 , 木质部汁液中Na+ 含量直线上升,低NaCl (l2.5 mmol/ L),Na 促进 K+ 的吸收和向木质部的运输,增加 K+ 浓度 , 明显抑制 Na 吸收和向木质部的释放 , 但不改变根组织Na+浓度 , 表明在混合盐溶液中大豆根具一定K+ 选择性吸收和运输能力。,高 NaCl (37.5mmol/L) 下 ,K+ 的这一效应较小,大豆,2) 木质部液流中 Na+ 被重新吸收 根段渗出液浓度分析 （22Na放射自显影和X射线微量分析）： 红花菜豆: Na 量-根近基区域 根

23、尖,叶片 该区域木质部液流中 Na+/K+ 比 0.8,木质部薄壁细胞中却高达 32（木质部液流中 Na+被薄壁细胞重新吸收并大量积累） 玉米根系： 盐胁迫下木质部薄壁细胞中也有Na+积累。,大豆： 12.537.5mmol/L NaCl通过抽气法引入离体根中柱-木质部液流中Na+浓度约为灌注液的一半 , 另一半在木质部液流向上运输过程中被薄壁细胞重新吸收 ,排入根中。 Na+被木质部薄壁细胞重新吸收通过质膜上的 Na+/K+交换进行。 增加根外 K+ 浓度 , 将促进这一过程。,3）通过韧皮部向下运输 中等盐度-白羽扇豆和蓖麻的茎和叶柄 Na+浓度：韧皮部汁液 (茎基含量最高) 木质部 盐胁

24、迫下植株对Na+吸收和运输特点 耐盐芦苇-地上部所含22Na 66% 向根部下运,且茎 基木质部液流中的Na+可横运至韧皮部, 并与地上部下运Na+一同下运至根部 盐敏感水稻-地上部Na+下运量较少(地上部Na+量为 芦苇3.64.5倍)。 3.2 盐分区域化 液泡-植物成熟细胞最大细胞器 , 能贮存营养和代谢产物 , 避免有毒溶质对细胞质伤害 , 大大提高细胞质表面积与体积之比 , 有利于细胞与环境间的物质交换 , 在细胞化学能利用、信号传导、膨压调节和耐盐性中起重要作用。,盐生,较耐盐淡土植物细胞所吸收Na+,Cl-主要分布于液泡中作为渗压剂。 苜蓿悬浮培养: 细胞液泡中 Na+,Cl-分

25、别占原生质体 Na+,Cl-总量73.891.2% 和 7489.4% 。,维持细胞质中高 K+/Na+ 最有效机理之一,盐分积累于液泡,1）离子跨液泡膜运输 (1) 液泡膜 H+-ATPase(TP-H+-ATPase) 组成液泡膜质子泵的两种酶之一 , 在大多数液泡泵H+活性中起主导作用。占液泡膜蛋白68-30%,最适pH7.2。 酶构成：Mr为 400650kD,710个亚基组成 亲水V1亚基组-定位于液泡膜胞质侧的56个外周 亚基组成，如70kD A亚基和60kD B亚基,都有核苷酸结合微区，分 别为催化和调节亚基。 疏水Vo亚基组-34个疏水蛋白脂质亚基组成, 整 合于膜中,主要为1

26、6kD C 亚基,起 质子通道的作用，也是V1亚基聚合 和装配的基点。,抑制剂： NO3- DCCD(二环己基碳二亚胺) DIDS(二硫氰芪二磺盐 ) NEM(N-乙基顺丁烯二酰亚胺) 胞质侧NO3-抑制此酶活性 液泡中NO3-高达200mmol/L-无抑制 该酶活性受阴离子刺激 顺序为 Cl- Br- I- HCO3- SO4 2- 盐诱导冰叶日中花 TP-ATPase 的水解活性,盐适应烟草细胞和大麦根经盐处理后，跨液泡膜质子运输的比活性增加。,(2) 液泡膜焦磷酸酶 (TP-H+-PPase)-高等植物 液泡膜上 , 依赖水解 PPi, 将细胞质H+传递到液泡内。 Mr为64.573kD

27、,最适pH 7.58.5. 被阳离子激活，对阴离子不敏感 （效应顺序 K+ = Rb+ = NH4+ Cs+ Na+ Li+， 但 F-,Ca2+ 抑制酶活性) 液泡膜H+-PPase活性 H+ -ATPase 由于胞质中可溶性 PPase水解 PPi只能以热能形式(15kJ /mol) 耗散 , 而TP-H+-PPase可把水解 PPi 的能量贮于质子驱动力中 能量代谢进化形式 绿豆根系: 盐胁迫下细胞质中Na+增加 ,K+下降,抑制TP-H+-PPase活性 , 使胞质酸化 , 液泡碱化。 Ca2+ 阻止根细胞中Na+增高,可缓解PPase活性下降, 亦降低液泡碱化。,(3) 液泡膜 Na

28、+/H+ 逆向运输 依赖液泡膜质子泵所产生的质子驱动力 , 通过 Na+/H+ 逆向运输 , 把胞质 Na+ 泵入液泡 , 降低胞质 Na+浓度 , 减轻 Na+对酶类和膜系统的伤害 , 同时降低液泡渗透势 , 减轻细胞的渗透胁迫。 Na+在根系、茎基木质部薄壁细胞或叶鞘细胞的液泡中积累也可有效地降低 Na+向地上部的运输 , 提高叶片的 K+/Na+ 比。,细胞盐分区隔化基础 也是整株层次上盐分区域化分配重要组成部分,液泡膜 Na+/H+逆向运输,Na+/H+逆向运输体系组成：(170kD 膜蛋白) 存在 3 种表现形式: 1)本身不耐盐,在NaCl处理和对照植物中都不显示 Na+/H+逆向

29、运输活性. 如中型车前 (Plantago media); 2)无盐下检测不到 Na+/H+ 逆向运输活性,在 NaCl诱导下酶活性才显示出来 如大麦和海滨车前 (Plantgo maritima), 3)无盐下 Na+/H+逆向运输活性较低 ,NaCl 处理下活性明显增加。 如糖甜菜,大麦的这一盐活化效应很快 , 即使蛋白质合成被抑制 , 盐处理 30min 内可被活化。 其原初信号可能是 Na+, 因为 K+ 、 C1- 或渗透休克都不能活化 Na+/H+逆向运输体系 。,渗调物质大致可分三类 氨基酸及其衍生物 如甘氨酸甜菜碱、脯氨酸、甘氨酸、 -丙氨酸、-氨基丁酸、苏氨酸等 、 糖类及其

30、衍生物 如山梨糖醇、甘油、蔗糖、甘露糖醇、 赤藓糖苷、异赤藓糖苷、蒎立醇等 叔磺酰化合物 如 -二甲基硫代丙酸,3.3 渗透调节作用 植物耐盐最基本特征之一: 渗透调节能力。 参与盐渍中植物渗透调节过程的不仅包括小分子有机物 , 还有多种无机盐离子。 1 ) 参与渗透调节的主要有机渗调溶质 特点 Mr小 , 水溶性好 ; 在生理 pH 范围内呈电中性 ; 本身不改变酶结构,且能维持酶结构稳定 ; 合成酶系统对胁迫反应敏感,且能在很短时间内积累到足以降低细胞渗透势的水平,维管植物-主要积累脯氨酸,甘氨酸，甜菜碱 无花果 30mmol/L NaCl处理,植株叶片游离脯氨酸含量 12h 内增10倍有

31、余 48h 内增260倍,占游离氨基酸总量 49.5% 烟草 盐适应细胞中脯氨酸含量占游离氨基酸总量80% 外源脯氨酸 缓解生长于1%NaCl培养基上的冰叶松叶鞘愈伤组织细胞内Ca2+ 、K+含量下降 , 促进内源脯氨酸含量、组织干重和鲜重增加。促进或抑制水稻愈伤组织盐适应细胞在更高盐度下生长 高脯氨酸突变体细胞有更强耐盐性事实表明,脯氨酸积累与植物耐盐性似乎存在某种必然关系,甜菜碱-Storey，Wyn Jones（1975），150 多种代谢物中-最好渗透调节剂。 正常合成甜菜碱 (Bet1/Bet1) 不能合成甜菜碱的近等位基因变异系 (bet1/bet1) 前者干物质积累、叶片扩展速率

32、、植株增高速率受盐胁迫的影响明显小于后者 , 叶片相对含水量、碳同化速率以及细胞膨压等均显著高于后者。 耐盐小麦高冰草(Lophopyum elongatum)双二倍体 幼叶-汁液渗透势下降与甘氨酸，甜菜碱、K+、 Na+及天冬酰胺浓度增加均有关 老叶-渗透势下降主要与 Na+ 和脯氨酸积累有关。,玉米盐渍 表现,盐 诱 导,海韭菜茎组织,2）渗透调节的诱导及其化学调控 藻类植物 渗透调节可分两阶段： 细胞膨压或体积变化（几秒至几小时） 溶质增加（几十分钟至几天） 细胞体积或膨压改变作为接受到的胁迫信号,引 起质膜质子泵活性增加及阴，阳离子(如Ca2+，Cl-) 通道开放,改变细胞代谢过程,促

33、进有机溶质积累。 陆生植物 渗透调节可能也与壁压变化有关,并涉及质膜H+-ATPase 活性增加和胞液pH变化 盐刺激有机溶质积累三种方式： 酶的从头合成，酶活性控制，酶降解,（1）甜菜碱和脯氨酸积累-可能涉及酶的从头合成，而 异赤藓糖 (IF) 积累在于合成酶的激活。 合成IF关键酶-异赤藓糖磷酸合成酶 (IFPS) 预先存在于细胞中 , 但呈钝化状态。当细胞收缩时 , 膜脂成分与功能发生改变 ,Ca/CaM 复合体激活膜结合的丝氨酸蛋白酶 , 后者释放到胞液中 , 水解 IFPS 原 , 形成活化 IFPS 。 IFPS 的活化程度大致与细胞收缩程度成正比,当细胞重新膨胀时 ,IFPS 又

34、被钝化 （2）甘露糖醇积累 合成关键酶-甘露糖醇-1-磷酸脱氢酶，在高盐胁迫下活性增加，同时甘露糖醇降解酶-甘露糖醇脱氢酶活性下降。 （3）甘油合成与降解两个关键酶 磷酸甘油磷酸酶和二羟丙酮激酶对底物的亲合性相差1000 倍 , 且最适 pH 不同。 盐胁迫下质膜H+-ATPase 活性上升,较多质子被泵出细胞,胞液 pH 上升,有利于甘油合成。 解除盐胁迫后 , 胞液 pH 下降 , 甘油逐渐降解,3.4 碳代谢途径的改变 一些肉质植物（盐渍或水分胁迫）：C3 CAM 型 如 豆瓣绿属 (Peperomia) 植物、 马齿苋科植物 (Protulacaria afra) 番杏科植物冰叶日中花

35、 (Mesembryanthemmum crystallium) CAM植物: 夜间气孔开放,PEP羧化酶固定CO2 形成草酸,还原为苹果酸贮于液泡。 白天苹果酸由液泡释放至胞质中,脱羧形成丙酮酸和 CO2, CO2被RuBP羧化酶/加氧酶重新固定 , 进入还原戊糖磷酸途径。 CAM 植物分两类 苹果酸酶型(冰叶日中花属) PEP羧激酸型,NaCl或干旱胁迫下气孔在光下关闭是引起有机酸脱羧 定位于细胞质PEPCase、NADP-苹果酸脱羧酶活性 增加410倍； 定位于线粒体NAD-苹果酸酶活性增加410倍 ； PEP 羧激酶活性明显增加 Saiton等 ,400mmo1/ L NaCl 胁迫冰

36、叶日中花 叶片： 2 天：NADP-苹果酸酶活性明显增加 , 8 天：达12倍 , 并维持恒定水平。 根中：酶活性逐渐下降，6天时下降50%, 以后也基本保持稳定。,诱 导 过 程,C3 CAM信号,盐胁迫下： 酶活动态变化与酶蛋白量变化一致 -表明酶活性上升是酶蛋白的合成而不是酶的活化 PEPCase （Mr 100kD）： 在盐胁迫诱导 CAM 过程中大量积累, 在 CAM 型叶中未检测到 C3 型 NADP-苹果酸酶 , 而 C3 型 PEPCase 活性却略有增加。 除 PEPCase 和 NADP-苹果酸酶外 ,CAM 途径中催化 PEP 再生的磷酸丙酮酸双激酶、 Fd-NADP+

37、还原酶、磷酸甘油酸脱氢酶等在盐胁迫后都发生基因表达的变化。,3.5 钙信使与植物的盐适应 在生理范围内,细胞质中Ca2+比液泡中低4个数量级。 主动运输依赖 定位于质膜和内质网中高亲合 Ca2+ATPase 液泡膜中亲合力较低 Ca2+/H+逆向运输体系 在逆境和/或激素刺激下细胞质游离 Ca2+浓度增加 (原因之一:细胞质膜去极化 , Ca2+通道开放的结果) 液泡膜中Ca2+通道有两种: 1)IP3为门控的Ca2+通道(IR-gated Ca2+ channel), 存在于高度液泡化的组织中 , 如贮藏根。 2)电压为门控的Ca2+通道(voltage-gated Ca2+ channel

38、),被Zn2+所抑制，对Ca2+,K+的选择性20：1。,逆境和/或激素可能激活肌醇磷酸系统 , 促使内膜系统中Ca2+释放 , 也使胞质中游离 Ca2+水平升高。 Ca2+与 CAM 和其他 Ca2+结合蛋白结合 , 调节细胞代谢或基因表达 , 促进植物适应逆境。 然后,细胞质中Ca2+恢复到原来的低水平 , 如果长时间保持高浓度的Ca2+将造成细胞的伤害。 Seals 等验证 依赖 Ca2+的液泡膜结合的42kD蛋白,即VCaB42 根据它与钙结合的特点和顺序相似性 , 判定为一种附加蛋白 (annexin), 定位于液泡的胞质侧 , 可能在钙信使的液泡调节或液泡功能的钙调节中起作用。,4

39、. 植物盐适应过程中的基因表达 植物耐盐性受多基因控制的复合遗传性状 包括： 合成小分子有机渗透剂酶类基因 蛋白质类保护剂基因 涉及盐分吸收、转运和在细胞中区隔化分配的 一系列酶类基因 涉及碳代谢转变 或调节酶类基因 激素调控的基因 或调节生长发育特性基因等,4.1 有机渗透剂合成酶类基因 富含脯氨酸的鼠伤寒沙门氏菌突变菌株: 高浓度 NaCl 培养基上生长得比母株快 , 其渗透调节基因转入非突变株后,后者也呈高耐盐性和高脯氨酸含量。 大肠杆菌中筛选出脯氨酸含量高 100 倍的突变菌株 , 具明显抗渗透胁迫能力。 大肠杆菌中分离出1-磷酸甘露醇脱氢酶基因 (mtlD) 和 6-磷酸山梨醇脱氢酶

40、基因 (gutD), 并转移到烟草中 , 转基因烟草中甘露醇和山梨醇含量明显增加 , 耐盐性也同步增强。 甜菜碱生物合成 胆碱单氧酶 (CMO),甜菜碱醛脱氢酶(BADH) 胆碱(前体) 甜菜碱 盐胁迫下， 甜菜碱含量增加数倍 , BADH 蛋白含量与活性以及编码 BADH 的mRNA 也增加若干倍. 说明盐刺激作用部位可能在转录水平。,脯氨酸生物合成途径（微生物） 谷氨酸激酶 (GK-关键酶) 谷氨酸 谷氨酸磷酸化 -谷氨酰磷酸 （前体） -谷氨酰磷酸还原酶 (GPR) -谷氨酸半醛 二氢-比咯 5-羧酸还原酶 (P5CR) 脯氨酸 抑制,反馈控制生物合成过程 脯氨酸合成三个酶： GK，GP

41、R，P5CR-受proB, proA ,proC 基因编码,大麦： 盐胁迫下 P5CR 蛋白量、酶活及 mRNA 都明显增加 。 乌头叶虹豆 (Vigna aconitifolia) 根瘤中 分离的比咯琳-5-羧酸合成酶（P5CS） P5CS-双功能酶 （具 GK 和 GPR 催化活性 , 受脯氨酸反馈抑制） 盐胁迫下P5CS 的转录水平明显上升 说明反馈抑制在基因转录水平. 将 P5CS 基因转至烟草上 , 脯氨酸含量增加 1018 倍 ( P5CS 是合成关键酶),Polijakoff mayber(1982): 盐胁迫下，植物细胞积累大量脯氨酸，ABA起一定作用（诱导剂？） 脯氨酸：优良

42、渗透剂，作用如下： 1）保护植物细胞中生物聚合物结构的作用，不被NaCI 破坏，维持完整的水合范围 2）具有高度溶解性和无毒性，对各种酶及生化反应无任何抑制作用；同时扩大细胞体积，降低细胞质的盐分，减轻盐胁迫作用。 3）解除NaCI对叶绿素合成的抑制,根系是盐胁迫下基因表达改变的主要部位 用 35S-蛋氨酸饲喂整体小麦植株根系 , 发现耐盐品种经盐处理后根中 pI=6.3和6.5 的 26kD蛋白含量明显增加 , 不耐盐品种则不增加。 在盐适应烟草细胞中 ,26kD 蛋白主要定位于液泡内含体中。大麦根中pI为 6.3 和 6.5 的 26kD 蛋白以可溶态以及与微体、细胞壁结合的形式存在 ,

43、微体部分主要与液泡膜结合 。 番茄-渗调蛋白基因已被分离（编码 24kD 蛋白-NP24, 其克隆定名为pNP24 ） 渗调蛋白的积累是植物生长受抑、适应逆境所产生的一种原初免疫反应 , 可能是一种新型的脱水储存蛋白 , 并具有抗真菌活性 。,4.2 渗调蛋白基因 1） 渗调蛋白及其基因 Hasegawa 等: 生长在含有 NaCl 介质中烟草悬浮细胞积累 26kD 蛋白质。比较盐适应与非适应烟草细胞的蛋白质图谱 , 发现适应含 1% NaCl 培养基的烟草细胞中 3 种主要含羟脯氨酸的 20kD、26kD和32kD蛋白含量增加 , 其中 26kD 蛋白是盐诱导的新蛋白,适应盐和 PEG 的烟

44、草悬浮细胞中 26kD 蛋白含量可占蛋白总量的 1012% 。 26kD蛋白合成总伴随渗透调节的开始,因而被定名为渗调蛋白 (osmotin)。 ABA加速烟草细胞盐适应和26kD蛋白合成 , 但该蛋白的积累必须在 NaCl 存在时才能维持。,2 ) 基因表达的调控 ABA诱导烟草等细胞合成渗调蛋白 , 仅在细胞适应低水势环境后 , 渗调蛋白的积累才能达到高水平。 Singh指出 , 盐适应细胞中渗调蛋白基因表达调控机理主要有两种 : 转录水平调控 ABA 诱导渗调蛋白 mRNA合成或增加其稳定性。 渗透休克非适应细胞不能积累显著水平的 ABA, 也不能积累渗调蛋白和渗调蛋白 mRNA 。 转

45、录后调控 高盐下,渗调蛋白信使比其他信使的翻译占优势 , 在含80mmo1/L NaCl 体外翻译体系中 , 渗调蛋白 mRNA能被翻译 , 这种 NaCl 盐度与适应细胞的胞质中盐浓度相当,而对其他大多数信使的翻译却有抑制作用,环境因素和激素信号调节渗调蛋白基因表达 如损伤、乙烯、NaCl 、 ABA 、脱水、紫外光、烟草花叶病毒和真菌侵害等 chang 等 花生四烯酸 来自黑曲霉的纤维素酶制剂 烟草幼苗中 , 这两种诱导剂活化渗调蛋白启动子与-葡糖苷酸酶（GUS) 报告基因的嵌合 , 诱导渗调蛋白 mRNA 和渗调蛋白的积累。 若两种诱导剂结合使用可增效 , 且乙烯参与这一诱导活化过程,诱

46、导渗调蛋白 基因表达,4.3 LEA 基因及 ABA 应答基因 1） LEA 基因 在种子成熟脱水期开始合成的一系列蛋白质称为后期胚胎发生富集蛋白质 (late embryogenesis abundant proteins ,即LEA 蛋白 ) 。 许多作物的 LEA 已被克隆 , 干旱、盐渍和低温胁迫可诱导这些基因在营养组织中表达。 大多数 LEA： 高度亲水 ,沸水中稳定的可溶性蛋白 缺少半胱氨酸和色氨酸 , 定位于细胞质中。,按氨基酸顺序 ,LEA 蛋白至少可分 5 组： 组1：荷电氨基酸和甘氨酸比例较高 , 亲水性强。 组2： 至少由 30 个不同基因编码 ,C 末端含 1 个保守

47、的 15 个氨基酸的结构域 , 可能起分子伴侣 (chaperone) 或保护蛋白质结构的功能。 组3： 具 11 个氨基酸重复顺序, 形成亲水-螺旋 , 多达 13 次,可能起到避免离子浓度过高所导致 的毒害作用。 组4：可替代水保护膜结构 , N 末端形成保守螺旋 , C末端通常不具保守性 , 但随机盘绕结构是保守。 组5：具有组 3 蛋白类似的 11 个氨基酸重复序列和化 学 性质 , 但不像组 3 蛋白那样每个氨基酸残基的 排列位置具高度专一性 , 其功能与组 3 蛋白类似,2） ABA 应答基因 大量证据表明, 盐胁迫下植物根中ABA可调节基因表达。 三个耐盐性不同水稻品种 , 最耐

48、盐品种- ABA 诱导所产生蛋白量最高 (两类 LEA 蛋白和一种新型富含组氨酸蛋白) ； 耐盐水稻根中脱水蛋白和组3 LEA 水平最高. 耐盐小麦近缘种高冰草、不耐盐小麦 ( 品种 : 中国春 ) 及它们的杂交后代双二倍体 (amphiploid) 对 250mmol/L NaCl 胁迫反应主要发生在胁迫开始后的数小时内, 高冰草根中 ESI(early salt stress induced) mRNA 水平最高 , 小麦最低。,外源 ABA 处理对上述三种基因型植物基因表达的效应与 NaCl 处理相似。 从盐胁迫 6 小时的高冰草根中分离出 11 种 ESI 基因 , 其中 ESI18 和 ESI35 是脱水蛋白基因家族的成员。 盐胁迫早期迅速合成这些亲水蛋白质 -功能可能在于保护细胞结构 , 以防根系失水造成的细胞损伤。 ABA 对 ESI 基因的诱导与其浓度有关 但 ABA 受体或 ABA 结合的调节蛋白水平更可能是限速因子,4.4 跨膜运输蛋白及其基因 1