与植物的抗逆性相关蛋白的作用机理.ppt

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1、与植物的抗逆性相关蛋白的作用机理,植物的几种抗性,第一节 植物抗逆的生理基础第二节 植物的抗寒性第三节 植物的抗热性第四节 植物的抗旱性第五节 植物的抗涝性第六节 植物的抗盐性第七节 抗病性与抗虫性第八节 相关蛋白,第一节 植物抗逆的生理基础,一、逆境的概念及种类 逆境(stress):是指对植物生存生长不利的各种环境因素的总称。逆境种类,物理的辐射性的化学的温度的水分的,生物因素,理化因素,病害、虫害、杂草,逆境对植物的伤害:膜系统破坏,透性增加,细胞脱水；酶活性降低,代谢减速；光合速率下降,有机物合成减少；抑制植物的生长发育,甚至导致死亡。,二、抗逆性及方式,1、抗逆性(hardiness

2、)：植物对逆境的抵抗和忍耐能力。2、抗性的方式：避逆性(stress avoidance)指由于植物通过各种方式摒拒逆境的影响，不利因素并未进入组织，故组织本身通常不会产生相应的反应。耐逆性(stress tolerance)指植物组织虽经受逆境影响，但可通过代谢反应阻止、降低或修复由逆境造成的伤害，使其仍保持正常的生理活动。,三、植物对逆境的适应,(一)形态结构变化：以发达的根系，较小的叶片适应干旱；关闭气孔以减少水分散失；扩大根部通气组织以适应淹水条件；停止生长，落叶，进入休眠以渡寒冬。,(二)生理生化变化 1、生物膜：与抗逆性有密切关系；逆境发生时，质膜透性的增大，内膜系统可能膨胀、收缩

3、或破损。在正常条件下，生物膜的膜脂呈液晶态，当温度下降到一定程度时，膜脂变为凝胶态。膜脂相变会导致原生质停止流动，透性加大。膜脂碳链越长，固化温度越高，相同长度的碳链不饱和键数越多，固化温度越低。试验证实，膜脂不饱和脂肪酸越多，不饱和度就越大，固化温度越低，抗冷性越强。膜脂不饱和脂肪酸直接增大膜的流动性，提高抗冷性，同时也直接影响膜结合酶的活性。膜蛋白与植物抗逆性也有关系。因为有些试验说明抗逆性和膜脂脂肪酸无关，但与膜蛋白有关.,2、胁迫蛋白stress proteins,在逆境下植物的基因表达发生改变，关闭一些正常表达的基因，启动或加强一些与逆境相适应的基因。逆境诱导形成新的蛋白质，这些蛋白

4、质可统称为逆境蛋白。高于植物正常生长温度下诱导合成热击蛋白（heat shock protein）。低温下也会形成冷响应蛋白（cold responsive protein）或称冷击蛋白（cold shock protein）。病原相关蛋白（pathogenesis-related protein，PR）是指植物被病原菌感染后也能形成与抗病性有关的一类蛋白。受到盐胁迫时会形成一些新蛋白质或使某些蛋白合成增强，称为盐逆境蛋白（salt-stress protein）。逆境诱导植物产生同工蛋白（protein isoform）或同工酶、厌氧蛋白（anaerobic protein）、渗压素（osm

5、otin）、厌氧多肽(anaeribuc polypeptide)紫外线诱导蛋白（UV-induced protein）、干旱逆境蛋白（drought stress protein）、化学试剂诱导蛋白（chemical-induced protein）。,3、活性氧,活性氧是指性质极为活泼，氧化能力很强的含氧物的总称。活性氧包括含氧自由基和含氧非自由基。主要活性氧有O2-（超氧自由基）、1O2（单线态氧）、OH（羟基自由基）、RO（烷氧自由基）和含氧非自由基(H2O2)等。活性氧的主要危害是引起膜脂过氧化，蛋白质变性，核酸降解。植物有两种系统防止活性氧的危害：酶系统和非酶系统。酶系统包括SOD

6、（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）、POD(过氧化物酶)；非酶系统包括抗坏血酸、类胡萝卜素、谷胱甘肽等。,植 物,活性氧生成量增加,活性氧清除量降低,活性氧（O2，OH，H2O2和1O2等）累积且超过伤害阈值,环境胁迫,膜脂过氧化加剧,膜脂脱酯化增加,叶绿素和核酸等生物功能分子破坏,膜完整性破坏，差别透性丧失，电解质及某些小分子有机物大量渗漏，细胞物质交换平衡破坏。,一系列生理生化代谢紊乱,植株死亡,植物继续生长,长时间胁迫,短期胁迫后解除胁迫,图：活性氧与植物膜伤害机制,4、渗透调节osmoregulation或osmotic adjustment,水分胁迫时植物体内积累各种有机和无机

7、物质，提高细胞液浓度，降低其渗透势，可保持一定的水分和压力势，适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节(osmoregulation)。渗透调节物质的种类很多，大致可分为两大类。一类是由外界进入细胞的无机离子，一类是在细胞内合成的有机物质,有如下共同特点：分子量小、容易溶解；有机调节物在生理pH范围内不带静电荷；能被细胞膜保持住；引起酶结构变化的作用极小；在酶结构稍有变化时，能使酶构象稳定，而不至溶解；生成迅速，并能累积到足以引起调节渗透势的量。无机离子（盐生植物）、脯氨酸（proline）、甜菜碱（betaines）、可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等）,脯氨酸,一、逆境下脯氨酸累积的原因

8、脯氨酸合成加强（Glu-Pro）；脯氨酸氧化作用受抑，而且脯氨酸氧化的中间产物还会 逆转为脯氨酸；蛋白质合成减弱，也就抵制了脯氨酸掺入蛋白质的过程。二、脯氨酸在逆境中的作用作为渗透调节物质，防止原生质体的水分散失；增加蛋白质的可溶性和减少可溶性蛋白质的沉淀，增强蛋白质的水合作用，保持膜结构的完整性。,5、脱落酸：在逆境（如低和高温、干旱和淹涝、盐渍等）下脱落酸含量会增加以提高植物抗逆性，因此被认为是一种胁迫激素。逆境时ABA的变化 逆境下，ABA会增加，以提高抗逆性，因此称之为胁迫激素。外施ABA提高抗逆性的原因；减少膜伤害 减少自由基对膜的破坏 改变体内代谢 减少水分丧失,1、ABA通过关闭

9、气孔，保持 组织内的水分平衡，增强 根的透性，提高水的通导 性等来增加植物的抗性。2、ABA可能使生物膜稳定，减少膜的伤害。3、ABA可延缓SOD、CAT活性 的下降，阻止体内自由基 的过氧化作用，降低丙二 醛等有毒物质的积累，减 少自由基对膜的破坏，保 持质膜的稳定性。4、改变体内代谢，增加脯氨 酸，可溶性糖和可溶性蛋 白质等的含量，从而使植 物产生抗逆能力。,ABA,四、植物的交叉适应,定义：植物经历了某种逆境后，能提高对另一种逆境的抵抗能力，这种对不良环境之间的相互适应作用称为交叉适应（交叉忍耐）。原因：1、多种逆境条件下，植物体内的ABA、ETH含量都会增加，从而 提高其对多种逆境的抵

10、抗能力。2、一种刺激（逆境）可使植物产生多种逆境蛋白；多种刺激（逆境）可使植物产生同样的逆境蛋白；3、多种逆境条件下，植物体会积累脯氨酸等渗透物质，植物通 过渗透调节提高其对逆境的抵抗能力。4、生物膜在多种逆境条件下有相似的变化，而多种膜保护性物质（包括酶和非酶的有机分子）在胁迫下可能发生类似的反应，使 细胞内活性氧的产生和清除达到动态平衡。,第二节 植物的抗寒性,一、冷害（一）概念：冰点(0)以上低温对植物的伤害叫冷害。植物对冰点以上低温的适应叫抗冷性。热带、亚热带植物易受害。,（二）伤害症状与类型：1 类型：直接伤害与间接伤害。2 伤害症状：（1）出现伤斑、凹陷；（2）死苗或僵苗不发；（3

11、）组织柔软、萎蔫；（4）木本芽枯顶枯、破皮流胶；（5）花芽分化受破坏，结实率降低。,(三)冷害机理：1.膜发生相变，由液晶态变为疑胶态；2.膜透性改变，甚至造成破损；3.代谢紊乱，光合与呼吸变化，吸收机能衰退。4.运输受阻，酶促反应失调。(四)植物的适应：1.增加膜不饱和脂肪酸数量，提高不饱和脂肪 酸指数，降低膜相变温度；2.改变某些蛋白(酶)的组分。,二、冻害（一）概念：冰点(0)以下低温对植物的伤害叫冻害。植物对冰点以下低温的适应叫抗冻性。常与霜害伴随发生。（二）冻害伤害症状与类型：类型：胞内结冰与胞间结冰。冻害伤害症状：叶出现烫伤样，组织柔软叶色变褐，终至于枯死。,（三）冻害伤害的机理：

12、1.胞间结冰使原生质严重脱水，蛋白质变性，原生质不可逆凝胶化；2.胞内结冰对膜与细胞器产生直接破坏；解冻时温度回升快，原生质失水，组织干枯；破坏蛋白质空间结构(-SH假说详细)；机械损伤；膜破坏。幻灯片 21,1962年Levitt提出当组织结冰脱水时，硫氢基（-SH）减少，而二硫键（-S-S-）增加。二硫键由蛋白质分子内部失水或相邻蛋白质分子的硫氢基失水而成。当解冻再度吸水时，肽链松散，氢键断裂但-S-S-键还保存，肽链的空间位置发生变化，蛋白质分子的空间构象改变，因而蛋白质结构被破坏，引起伤害和死亡。返回,第三节 植物的抗热性,一、概念：高温对植物的伤害称为热害（heat injury）。

13、抗热性（heat resistance）是植物对热害的一种适应。根据不同植物对温度的反应，可分为：（1）喜冷植物：例如某些藻类、细菌和真菌，在零上低温（020）环境中生长发育，当温度在1520以上即受高温伤害。（2）中生植物：例如水生和阴生的高等植物，地衣和苔藓等，在中等温度1030环境下生长和发育，温度超过35就会受伤。（3）喜温植物：可能 在30100中生长。其中有一些是在45以上就受伤害，称为适度喜温植物，在65100才受害，称为极度喜温植物。二、类型：1.直接伤害 2.间接伤害。,三、症状与危害：1.症状：树干（特别是向阳部分）干燥、裂开；叶片出现死班，叶色变褐、变黄；鲜果（如葡萄、番

14、茄等）灼伤，后来受伤处与健康处之间形成木栓，有时甚至整个果实死亡；出现雄性不育，花序或子房脱落等异常现象。,2.危害：（1）间接伤害：饥饿，因光合低于呼吸，消耗同化物过多；毒性，有氧呼吸被破坏，无氧呼吸产生有毒物质，蛋白分解产生NH3；生化障碍，必须的生物活性物质缺乏；蛋白质破坏，水解酶作用，ATP减少，氧化与磷酸化解偶联。（2）直接伤害：蛋白质变性，空间结构破坏；脂类液化，破坏膜结构。,四、提高抗热性的机理与途径：,诱导产生热激蛋白 不同生态环境生长的植物抗热性有差别。蛋白质(酶)对热的稳定性，如二硫键，Mg，Zn；用生长调节剂，有机酸、盐类有保护作用,热激蛋白(HSP):是生物受高温刺激后

15、大量表达的一类蛋白,它最早是在果蝇中发现的,现已经证明是生物中普遍存在的.HSP的相对分子量为15000104000.存在于胞质溶胶,线粒体,叶绿体和内质网等不同部位.HSP有分子伴侣(molecular chapterone)的作用,阻止错热胁迫后的蛋白质折叠;有交叉保护作用,不仅抗热,还在其余的胁迫时起保护作用.HSF(热激因子)介导,转录HSPmRNA,正常情况下,HSP是单体,当热胁迫是HSP单体在核内组装成HSP三聚体,与DNA的特殊系列元件(热激元件HSE)结合,刺激HSP的mRNA转录,翻译成HSP.,热胁迫诱导热击蛋白mRNAs的合成,第四节 植物的抗旱性,一、概念：土壤缺水或

16、大气相对湿度过低对植物造成的伤害称旱害。植物对干旱的抵抗力称抗旱性。二、干旱种类：1.土壤干旱（是指土壤中没有或只有少量的有效水，严重降低植物吸水，使其水分亏缺引起永久萎蔫）;2.大气干旱（是指空气过度干燥，相对湿度过低，伴随高温和干风，这时植物蒸腾过强，根系吸水补偿不了失水）;3.生理干旱（土壤中的水分并不缺乏，只是因为土温过低、或土壤溶液浓度过高、或积累有毒物质等原因，妨碍根系吸水，造成植物体内水分平衡失调）。,三、植物类型：1.水生植物；2.中生植物；3.旱生植物，旱生植物有避旱型和耐旱型。四、外部干旱表现：1.萎蔫（wilting）：有暂时萎蔫（temporary wilting）与永

17、久萎蔫（permanent wilting）。2.生长减慢。,五、干旱伤害的机理：1.原生质脱水是旱害的核心；2.破坏原生质膜上脂类双分子层的排列，改变了膜透性，使化谢紊乱；3.光合与呼吸失调；4.蛋白质分解加快；DNA、RNA合成减弱，脯氨酸积累；5.激素发生变化，ABA积累，CTK减少，降低CTK/ABA比值，乙烯增加；6.植株各器官水分重新分配；7.造成细胞的机械损伤。,缺水时植物可否调节的差别,干旱胁迫下多种渗透调节物质产生和作用的机理,1.形态：根系发达，而且伸入土层较深，根冠比大，能更有效地利用土壤水分，保持水分平衡。叶片细胞体积小，可减少失水时细胞收缩产生的机械伤害。维管束发达，

18、叶脉致密，单位面积气孔数目多，加强蒸腾作用和水分传导，有利于植物吸水。干旱时叶片卷成筒状，以减少蒸腾损失。不同植物可通过不同形态特征适应干旱环境。角质或蜡质层厚。2.生理：保持细胞有很高的亲水能力，防止细胞严重脱水。在干旱条件下，水解酶类保持稳定，减少生物大分子分解，保持原生质体，尤其是质膜不受破坏。原生质结构的稳定可使细胞代谢不至发生紊乱异常，光合作用与呼吸作用在干旱下仍维持较高水平。脯氨酸、甜菜碱和脱落酸等物质积累变化也是衡量植物抗旱能力的重要特征。,六、植物抗旱特征：,第五节 植物的抗涝性,一、涝害概念：水分过多对植物的伤害称为涝害。抗涝性是植物对水分过多的适应能力。二、类型：1.湿害（

19、waterlogging）2.涝害（flood injury）,三、症状与危害：涝害的核心是液相代替了气相，植物缺氧。生长量降低，根变黑，叶黄化，株植矮小。无氧呼吸代替有氧呼吸，产生有毒物质；代谢损害，光合受抑；营养失调，土壤理化性质改变，吸收困难。,第六节 植物的抗盐性,一、概念：盐类过多对植物的伤害称为盐害（salt injury）。抗盐性（salt resistance）：是植物对盐分过多的适应能力。避盐（salt avoidance）：植物通过被动拒盐，主动排盐和稀释盐分等途径，使周围环境的盐浓度降低到遭受盐害以下的浓度水平的一种抗盐方式。耐盐（salt tolerance）：指植物通

20、过生理或代谢的适应，忍受已进入细胞的盐分。它可通过渗透调节，提高代谢稳定性和忍耐营养缺乏等途径实现。,一般在气候干燥、地势低洼、地下水位高的地区，随着地下水分蒸发把盐分带到土壤表层（耕作层），易造成土壤盐分过多。海滨地区随着土壤蒸发或者咸水灌溉，海水倒灌等因素，可使土壤表层的盐分升高到1%以上。当土壤中盐类以碳酸钠（Na2CO3）和碳酸氢钠（NaHCO3）为主要成分时称碱土（alkaline soil）若以氯化钠（NaCl）和硫酸钠（Na2SO4）等为主时，则称盐土（saline soil）。因盐土和碱土常混合在一起，盐土中常有一定量的碱，故习惯上称为盐碱土（saline and alkali

21、ne soil）。盐分过多使土壤水势下降，严重地阻碍植物生长发育，造成盐碱地区限制作物收成的重要因素。,三、症状与危害：1.生理干旱，土壤水势降低，吸水困难；2.离子的毒害作用，产生单盐毒害，抑制生长；3.生理代谢紊乱，质膜透性增大，蛋白质水解加快，氨基酸与氨积累，光合与呼吸变化。,四、提高抗盐性的机理与途径：1、机理：泌盐，稀盐和拒盐；通过细胞的渗透调节，降低水势；消除盐对酶或代谢产生的毒害作用；与盐结合，减少游离离子对原生质的破坏；2、途径：锻练植株，逐步适应，如稀盐浸种，苗期 处理。选育抗盐品种；有效的栽培措施。,第七节 抗病性与抗虫性,一、抗病性 概念 病菌对植物的侵袭和伤害称为病害。

22、植物抵抗病菌侵袭的能力称抗病性。类型 寄主对病原物的反应可分感病、耐病、抗病和免疫等类型。但植物从完全不发病到严重发病，是一个连续过程，植物的抗病受遗传的控制、代谢的控制及环境的控制。,（三）伤害 病害可引起作物水分平衡失调，呼吸作用加强，光合作用下降，激素发生变化，同化物运输受干扰等。（四）植物抗病的生理基础 植物形态结构屏障，组织局部坏死，抑制物质(含植保素)等。选育抗病品种，改善植物生存环境和营养状况是提高抗病能力的主要途径。,二、抗虫性 植物对害虫危害的反应类型；植物抗虫的机理。,（一）渗调蛋白,盐诱导过程中产生的一种新的26kDa蛋白，它的合成总伴随渗透调节的开始，因此被命名为渗调蛋

23、白（osmotin）。,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。可能是一种耐脱水蛋白，并具有抗真菌活性。,渗调蛋白是一种阳离子蛋白，在盐适应细胞中可稳定地产生，有可溶性或颗粒状两种形式存在,逆境蛋白的多样性,（二）热激蛋白,热激蛋白（heat shock protein,HSP）在有机体受到高温逆境刺激后大量产生的蛋白，是植物对高温胁迫短期适应的产物，对减轻高温胁迫引起的伤害有重要作用。有机体在受到热激伤害后，体内变性蛋白急剧增加，热激蛋白可以与变性蛋白结合，维持它们的可溶状态，在有Mg2+和ATP的存在下使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构象。具有典型的分子伴侣（ch

24、aperone）的生理功能。一类辅助蛋白分子，主要参与生物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白的复性和降解。通过控制与底物的结合与释放来协助目标蛋白的折叠与组装、向亚细胞器的运输或结合、稳定目标蛋白质的不稳定构型，但不参与目标蛋白的最终结构组成。,（三）胚胎发生晚期丰富蛋白,在种子成熟脱水期开始时合成的一系列蛋白质称为胚胎发生晚期丰富蛋白（late embryogenesis abundant protein,LEA），简称LEA蛋白。主要特征：高度亲水沸水中仍保持稳定的可溶性缺少半胱氨酸和色氨酸按氨基酸顺序1组：荷电氨基酸和甘氨酸的比例较高，亲水性强；2组：C端含有1个保守的15个

25、氨基酸的结构域，可能起分子伴侣或保护蛋白质结构的功能；具有11个氨基酸的重复顺序，形成亲水的螺旋，多达13次，可能起到避免离子浓度过高所导致的毒害作用;3组：可替代水保护膜结构，N端形成保守的螺旋，C端通常不具有保守性，但随机盘绕的结构是保守的。4组：具有与组3蛋白类似的11个氨基酸重复序列和化学性质，但不像组3LEA蛋白那样每个氨基酸残基的排列位置具有高度的专一性，其功能与组3蛋白类似。,（四）水分胁迫蛋白（water stress protein）,干旱诱导植物产生的特异蛋白根据对ABA反应的情况ABA诱导蛋白干旱诱导有些水分胁迫蛋白既能被ABA诱导，也可由干旱胁迫诱导产生,（五）类脂转移

26、蛋白类脂转移蛋白（lipid transfer proteins,LTP）可能与膜脂饱和度的温度适应有关，特别是大麦BLT4基因家庭编码的膜类脂转移蛋白。（六）激酶调节蛋白激酶调节蛋白（kinase-regulated protein）参与逆境信号转导的蛋白，它能调节多种功能蛋白激酶的活性。如拟南芥中的RC114A和RC114B在经低温诱导后可能通过调节激酶的活性参与低温信号转导。,（七）病程相关蛋白（pathogenesis-related protein,PR）。这些蛋白质都与病原菌的感染有关。与植物的抗病性有关。,（八）重金属结合蛋白（heavy metal binding protei

27、n）植物在遭受重金属胁迫时，体内能迅速合成一类束缚重金属离子的多肽。特征：分子量很低，富含半胱氨酸（Cys），几乎无芳香族氨基酸，通过Cys上的-SH基与重金属离子结合形成金属硫醇盐配位。可能起着解除重金属离子毒害以及调节体内重金属离子平衡的作用。根据合成和性质分类1.类金属硫蛋白（metallothioneins-like,简称类MT蛋白）2.植物螯合肽（phytochelatin,PC）,（九）冷驯化诱导蛋白冷驯化诱导蛋白（cold-acclimation-induced protein）植物经低温诱导能合成一组新蛋白。（十）厌氧蛋白厌氧蛋白（anaerobic stress protei

28、n,ANP）厌氧处理可引起植物基因表达的变化，合成了一组新的蛋白质。乙醇发酵是厌氧条件下产生ATP的主要代谢途径，已经确定有些ANP是催化糖酵解和乙醇发酵的酶类。,（十一）活性氧胁迫蛋白和紫外线诱导蛋白逆境诱导自由基的产生，而亚致死剂量的自由基可以诱导一些氧化酶的同工酶出现。如诱导植物体内超氧化物歧化酶（SOD）同工酶的出现和活性增强。这些新出现的蛋白叫做活性氧诱导蛋白。在受到紫外线照射时，植物通过合成类黄酮色素吸收紫外线，从而减轻对植物自身的伤害作用，而首先引起合成类黄酮的酶类产生。,逆境的种类是多种多样，但都引起生物膜破坏，细胞脱水，各种代谢无序进行。而植物细胞经过序列变化，有抵御逆境伤害

29、的本领，如形成胁迫蛋白、抗冻蛋白），提高保护酶系统（SODCATPOD)活性，形成渗透物质（脯氨酸、甜菜碱）和增加脱落酸水平。低温胁迫对植物的危害可分为冷害和冻害。冷害使植株水分平衡失调，光合作用下降，呼吸受伤等，冷害的机理是膜相的改变，导致代谢紊乱。植物适应零上低温的方式是提高膜中不饱和脂肪酸含量，降低膜脂的相变温度，维持膜的流动性，使不受伤害。冷害也使活性氧被破坏，自由基积累过多，伤害细胞。零下低温来临前，植物生理生化有适应的变化，如含水量下降，呼吸减弱，脱落酸含量增多等。冻害的机制是膜结构损伤，胞内结冰伤害生物膜、细胞器等。在寒冷时，抗冻植物体内诱发抗冻基因，形成抗冻蛋白以抵御严寒。高温

30、胁迫使生物膜功能键断裂，膜蛋白变性，膜脂液化，正常生理不能进行。植物遇到高温时，体内产生热激蛋白，抵抗热胁迫。水分胁迫时细胞过度脱水，光合作用下降，呼吸解耦联。脯氨酸在抗旱性中起重要作用。淹水胁迫造成植物缺氧。植物适应淹水胁迫主要是通过形成通气组织以获得更多的氧气。缺氧刺激乙烯形成，乙烯促进纤维素酶活性，把皮层细胞壁溶解，形成通气组织。盐胁迫可使植物吸水困难，生物膜破坏，生理紊乱。不同植物对盐胁迫适应方式不同：或排除盐分，或拒吸盐分，或把na+派出或把na+隔离在液泡中等。植物在盐分过多时，生成脯氨酸、甜菜碱等以降低细胞水势，增加耐盐性。病原体胁迫作物后，使作物水分平衡失调，氧化磷酸化解偶联，光合作用下降。作物对病原微生物是有抵抗力的，如加强氧化酶活性；促进组织坏死以防止病菌扩展；产生抑制物质，例如植物防御素、木质素、抗病蛋白（几丁质酶、贝塔-1，3-葡聚糖酶、病原相关蛋白、植物凝集素）、激发子等。,