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1、第10章 成熟和衰老生理,10.1 种子的成熟生理,一、种子成熟时的生理生化变化种子成熟过程中,植株体内的部分营养成分以可溶性小分子状态由营养器官运到种子,并转化为不溶性大分子化合物储存起来;种子逐渐脱水,胞基质由溶胶态变成凝胶态。(一)呼吸速率的变化(二)主要有机物的变化1、糖类的变化 淀粉含量增加,图9-1 种子成熟过程中干物质积累和呼吸速率的变化,干物质在种子中迅速累积时,呼吸速率也高,种子近成熟时,种子脱水,呼吸速率降低,呼吸速率的变化与有机物积累速率 呈平行关系,图9-2 水稻种子成熟过程中碳水化合物的变化,淀粉型种子成熟过程中，可溶性糖含量迅速降低，伴随淀粉的积累逐渐增加。,水稻种
2、子中淀粉的增加与淀粉磷酸化酶活性的变化相一致。,2、蛋白质含量增加非蛋白N含量不断下降，蛋白N含量不断上升。说明蛋白N是由非蛋白N转化而来。3、脂肪的变化油料种子（油菜、花生、大豆、芝麻）形成初期，先有糖类的积累；随着种子的成熟，糖类含量不断下降，脂肪含量不断上升，说明脂肪由糖类转化而来。,图9-5 蚕豆植株各器官含N量变化,随着种子的成熟，营养器官中的含N量减少，而种子中的含N量增加。蚕豆叶片中合成的含N化合物先运到豆荚中合成蛋白质暂时贮藏，然后再以酰胺形式移送至种子中转变为氨基酸，合成贮藏蛋白质（清蛋白、球蛋白、谷蛋白、和醇溶谷蛋白）。,图9-4 油菜种子成熟过程中主要有机物的动态变化（曹
3、宗巽，1980）,油料种子成熟过程中，糖类不断下降，脂肪含量不断上升,油脂形成的特点：（1）先形成大量游离脂肪酸，随着种子的成熟逐渐合成复杂的油脂。（2）种子成熟时，先形成饱和脂肪酸，再形成不饱和脂肪酸。故芝麻、花生等油料种子随成熟度增加酸值下降，而碘值增高。,（三）内源激素的种类和含量不断变化,种子成熟过程中，内源激素不仅含量发生变化，而且种类也发生演替。,受精前很少，受精末期迅速达最高，然后减少,受精前抽穗期有一个小高峰，受精后迅速增加，到第三周达到最大值，然后减少,胚珠内含量少，受精时稍增加，籽粒生长时再增加，受精后四周达最大值，成熟时近消失,玉米素可能是调节籽粒的细胞分裂；GA和IAA
4、可能是调节有机物向籽粒的运输和积累。种子成熟后期，ZT、GA和IAA含量低，而脱落酸明显增加，可能与休眠有关。,（四）含水量随种子的成熟而逐渐减少,种子成熟时幼胚中具有浓厚的细胞质而无液泡，自由水含量很少。种子成熟时耐脱水性提高。这与胚胎发生晚期富集蛋白（LEA）的合成与积累、ABA水平提高和可溶性糖含量的增加有关。,（五）植酸的积累,淀粉型种子成熟时，Ca、Mg和Pi离子与肌醇形成非丁（phytin，植酸钙镁盐），成为磷酸及钙镁的贮存库与供应源（萌发时）。,三、外界条件对种子成分及成熟过程的影响,1、光照光照强度影响种子内有机物的积累、蛋白质含量和含油率。受精后，光照充足则叶片光合速率高，输
5、入到子粒中的同化物多，产量就高。2、温度温度高，呼吸消耗大；温度低，不利于物质运输与转化。适宜的昼温和较大的昼夜温差有利于物质的积累，促进成熟。,温度还影响种子的化学成分：适当的低温有利于油脂的积累；昼夜温差大有利于不饱和脂肪酸的形成。,不同地区大豆的品质不同地区品种 Pr质量分数/%油脂质量分数/%北方春大豆 39.9 20.8黄淮海流域夏大豆 41.7 18.0长江流域大豆 42.5 16.7,北方油料种子油脂品质较南方好。,3、水分空气相对湿度高，延迟种子成熟；低，加速成熟；大气干旱（干热风），阻碍物质运输，合成酶活性降低，水解酶活性增高，干物质积累减少。“风旱不实”的种子中蛋白质的相对
6、含量较高。可溶性糖来不及转化为淀粉，与糊精胶结在一起，形成玻璃状籽粒，而蛋白质的积累受阻较小。土壤水分太多、太少都不利于种子的成熟。北方小麦成熟时，降雨量及土壤水分比南方少，种子中蛋白质含量较南方的高（面筋多，韧性强，口感好）。,4、矿质元素N肥提高蛋白质含量，N过多，脂肪、糖类含量下降。P、K肥增加淀粉含量和脂肪的合成和积累。,10.2 果实的生长和成熟生理,一、果实的生长特点,1、果实的生长具有生长大周期，生长曲线呈S型（苹果、梨、香蕉、茄子、菠萝等）或双S型（桃、杏、李、樱桃、葡萄等）果实的生长受种子中形成的生长素及赤霉素的刺激。受水肥、光温等环境因素制约。,2、单性结实：不经受精作用而
7、形成无籽果实的现象。,天然型：不经授粉、受精形成果实,植株或枝条突变产生。香蕉、菠萝、无核密桔刺激型：花粉或环境刺激，如短日照或较低的夜温或NAA，2,4-D、GA处理。假性型：胚败育，花托发育成的假果,单 性 结 实,二、果实完熟时的生理生化变化,果实成熟：果实发育到充分大小后达到可摘程度。果实完熟：果实经一系列质变达到可食状态。（一）呼吸跃变和乙烯的释放呼吸跃变：果实在完全成熟之前发生的呼吸速率突然升高现象。是果实中乙烯积累引起的。跃变型果实：苹果、香蕉、桃、梨、杏、芒果、番木瓜、番茄、西瓜、哈密瓜、鳄梨等，含有复杂的贮藏物质，成熟较迅速。非跃变型果实：草莓、葡萄、柠檬、柑橘、黄瓜、凤梨、
8、樱桃等，呼吸速率逐渐下降，成熟较缓慢。,跃变型果实的生长及其呼吸进程图,图9-7 果实完熟过程中的呼吸速率变化（Watada，1984）,乙烯的产生与呼吸跃变有相似的变化曲线。,呼吸跃变是由于果实中产生乙烯的结果,香蕉跃变期乙烯产生与呼吸高峰的关系,图9-8 完熟过程中跃变型果实的呼吸速率变化（Biale，1981）,图9-9 完熟过程中非跃变型果实的呼吸速率变化（Biale，1981）,乙烯诱导呼吸跃变的原因可能是：,1、乙烯通过受体与细胞膜结合，增加膜的透性，气体交换加速，氧化作用加强，促进淀粉、脂肪迅速转化成可溶性糖。2、诱导呼吸酶的mRNA的合成，提高呼吸酶含量和活性，并显著诱导抗氰呼
9、吸，促进呼吸出现高峰，加速成熟。,（二）有机物质的转化,果实成熟全过程可分为在个阶段：成熟前准备阶段：果实充分生长，积累养分。历时较长，从受精果实开始生长到乙烯高峰来临。成熟起始阶段：乙烯促进mRNA、酶、蛋白质合成。果实完熟阶段：出现呼吸跃变，并在酶的作用下发生一系列的物质转化，达到可食用状态。果实成熟过程受光照、温度、温差及雨水的影响。,1、甜味增加 淀粉水解成为为可溶性糖（葡萄糖、果糖、蔗糖等）,2、酸味降低 转化为糖有机酸 呼吸氧化为CO2和H2O 被K+、Ca2+等中和果实中含酸量在0.1-0.5%时口感较好。,苹果成熟期有机物质的变化,3、涩味消失 过氧化物酶 过氧化物 凝结为不溶
10、性的胶状物质4、香味产生产生具有特殊芳香味的挥发性物质脂肪族的酯和芳香族的酯，及一些特殊的醛类。,5、由硬变软果肉细胞壁中层的原果胶 可溶性果胶，导致果肉细胞相互分离；淀粉粒 可溶性糖6、色泽变艳果皮中叶绿素破坏，类胡萝卜素较多存在，呈黄、橙、红色；或者形成花青素，呈蓝、紫色。7、维生素含量增高主要是维生素C，番茄8-33mg/100g,红辣椒128。,果胶酶 原果胶酶,（三）内源激素的变化,10.3 植物的休眠生理,休眠是指植物生长出现暂时停顿的现象。是植物抵抗和对不良环境条件的保护性适应，这种特性被遗传固定下来，成为植物的一种内在规律性。依器官分：种子休眠(一二年生草本)、芽休眠(乔灌木)
11、、变态器官休眠(多年生草本)依性质分：生理休眠和强迫休眠。强迫休眠：得不到生长必需的基本条件，被迫处于静止状态。生理休眠(深休眠)：因本身的原因引起的休眠。如种子还未完全通过生理成熟，即使供给合适的发芽条件仍不能萌发。,种子休眠的原因：（1）种皮限制（种皮不透水、气或太坚硬形成机械阻碍，紫云英、皂荚、椴树、苋菜；可机械磨损、浓硫酸处理）（2）种子胚形态发育未完全（外观上种子成熟，实际胚未发育完成，珙桐、银杏、南方红豆杉、欧洲白蜡树）（3）种子胚生理上未完成后熟（胚已发育完全仍不能萌发，需在休眠期完成生理生化上的变化，如低温层积处理，苹果、桃、梨、樱桃、松柏类、糖槭）（4）抑制物质的存在 果肉、
12、果皮、种皮或胚乳中存在抑制萌发的小分子有机物（HCN、NH3、乙烯、乙醛、芥子油、精油、水杨酸、没食子酸、阿魏酸、香豆素、肉桂醛、咖啡碱、古阿碱、ABA）。清洗种子或GA处理。,10.4 植物的衰老生理,一、衰老的概念与方式衰老:导致植物体自然死亡的一系列恶化过程。普遍表现出蛋白质水平的明显下降。伴随着呼吸的变化和乙烯的产生。衰老的方式衰老是植物生长发育必经的正常生理过程，有其积极意义，可以说没有衰老就没有新生命的开始。,一生只一次开花结实的植物，开花结实后，整株植物衰老、死亡；一、二年生花卉，竹,一生可多次开花结实，每次地上部衰老死亡，地下部存活；球根花卉,秋冬叶片全部脱落；落叶树,渐进衰老
13、。常绿树，老叶为新叶所取代,二、衰老时的生理生化变化,1、蛋白质含量显著下降分解大于合成可溶性蛋白和膜蛋白水解加速，总量下降。如烟草衰老三天，Pr下降15%。2、核酸含量降低分解加快，合成减少RNA、DNA均下降，DNA下降较缓慢，如烟草衰老三天，RNA下降16%，DNA下降3%。3、光合速率下降叶绿体破坏，叶绿素降解，Rubisco分解，光合电子传递和光合磷酸化受阻。4、呼吸速率下降呼吸速率下降较光合速率慢。有些叶片衰老时，有呼吸跃变现象（与乙烯有关）。,RNA,5、生物膜结构变化膜脂不饱和度下降，脂肪酸链加长，膜由液晶态 凝固态选择透性功能丧失，透性加大，膜脂过氧化加剧，细胞自溶，膜结构解
14、体。6、激素变化 激素平衡打破 ABA和ETH增加，IAA、GA、CTK下降。,三、环境条件对植物衰老的影响,1、光照（1）光强 光延缓衰老，黑暗加速衰老。光抑制RNA、蛋白质及叶绿素的降解和乙烯形成，延缓衰老；强光及紫外光加速自由基产生，促进衰老。（2）光质 红光延缓衰老，远红光加速衰老；光敏色素参与衰老过程。（3）光周期 LD促进GA合成，延缓衰老；SD促进ABA合成，加速衰老。,2、温度低温和高温引起生物膜相变，并诱发自由基的产生和膜脂过氧化，加速植物衰老。3、气体O2浓度过高，自由基产生，O3污染环境，加速植物衰老；高浓度(5-10%)CO2抑制呼吸和乙烯生成，延缓衰老。4、水分干旱促
15、进ETH和ABA形成，加速蛋白质和叶绿素的降解，提高呼吸速率；自由基产生增多，加速衰老。5、矿质营养N肥不足，加速叶片衰老；Ca2+有稳定膜的作用，延缓衰老；一定浓度的Ag+、Ni2+也能延缓水稻叶片衰老。,四、植物衰老的机制,（一）营养亏缺理论（二）DNA损伤假说植物衰老是由于基因表达在蛋白质合成过程中引起差误（氨基酸排列顺序错误或多肽链折叠的错误）积累所造成的。当错误的产生超过某一阈值时，机能失常，导致衰老。某些理化因子（紫外线、电离辐射、化学诱变剂等）也使DNA受损。,（三）自由基损伤假说植物体内产生过多的自由基，对生物膜、生物大分子（蛋白质、核酸、膜组分）及叶绿素有破坏作用，引起代谢失
16、调，导致植物体的衰老、死亡。与衰老密切相关的酶：超氧化物歧化酶（SOD）和脂氧合酶（LOX）。SOD参与自由基的清除和膜的保护，而LOX催化膜脂中不饱和脂肪酸的氧化而使膜损伤。,（四）植物激素调节假说认为植物的衰老是由一种或多种激素综合控制的。CTK、GA及生长素类（低浓度）延缓衰老，ABA、ETH促进植物的衰老。ABA含量的增加是引起叶片衰老的重要原因。ABA抑制核酸和蛋白质的合成，加速叶中RNA和蛋白质的降解；而乙烯能增加膜透性、形成自由基、导致膜脂过氧化、抗氰呼吸增强、物质消耗过多，促进衰老。,（五）程序性细胞死亡理论程序性细胞死亡（PCD）：指胚胎发育、细胞分化及许多病理过程中，细胞遵
17、循自身的程序，主动结束其生命的生理性死亡过程。PCD是相关基因表达与调控的结果。如叶片衰老，在核基因控制下，细胞结构有序解体和内含物降解，矿质和有机物有序地向非衰老细胞转移和循环利用。,10.5 器官脱落生理,脱落：指植物组织或器官与植物体分离的过程。树皮、枝叶、花、果实、种子。一、器官脱落的种类正常脱落 由于衰老或成熟引起胁迫脱落 由于逆境条件引起生理脱落 因植物自身的生理活动引起脱落具有适应环境、保存自身和保证后代繁殖的生物学意义，是植物自我调节的一种手段。,二、器官脱落的机理1.离层与脱落,器官脱落发生在离层细胞之间,离层是分布在叶柄、花柄、果柄基部的区域，经横向分裂成几层细胞，体积小、
18、排列紧密、细胞壁薄,2、脱落时细胞及生化的变化(一)脱落时细胞的变化脱落前离层细胞核仁增大,RNA增加,内质网、高尔基体和小泡增多。小泡聚集在质膜，释放出酶到细胞壁和中胶层，最后细胞壁和中胶层分解并膨大，其中以中胶层最明显。,(二)脱落时生化的变化叶片脱落前，离层细胞衰退、变得中空而脆弱，纤维素酶和果胶酶活性增强（乙烯促进），细胞壁中层分解，细胞彼此分离，叶片脱落。促使细胞壁物质（木栓质）的合成和沉积，保护分离的断面，形成保护层。,3、器官脱落与植物激素,1.生长素IAA梯度学说生长素对器官脱落的效应与浓度、时间及处理部位有关。远基端浓度 近基端浓度，抑制脱落两端浓度差小或不存在，器官脱落远基
19、端浓度 近基端浓度，加速脱落,不是离层内生长素的绝对含量，而是离层两端生长素的浓度梯度控制着器官的脱落。生长素含量远基端大于近基端时，离层不能形成，器官不脱落。,图9-11 叶片脱落与叶柄离层两侧生长素相对含量的关系,2、ETH 促进脱落（1）诱导纤维素酶和果胶酶的合成，并提高这两种酶的活性，使离层细胞壁降解，引起器官脱落。（2）促使IAA钝化和抑制IAA向离层输导，使离层IAA含量少。（3）促进ABA的合成，增强膜的透性。3、脱落酸ABA促进分解细胞壁的酶的分泌，抑制叶柄内IAA的传导，促进乙烯的合成，促进器官脱落。GA和CTK能拮抗ABA和乙烯的合成，对器官的脱落有抑制作用。,三、外界条件对脱落的影响,1、温度过高和过低促进脱落2、水分干旱引起器官的脱落；淹水促进乙烯、纤维素酶、果胶酶合成，促进脱落。3、光照光照强或长日照不脱落；弱光或短日照脱落。4、氧气高氧或缺氧都加速脱落；5、矿质营养缺乏N、P、K、S、Ca、Mg、Zn、B、Fe都可导致脱落。,
