植物逆境生理ppt课件.ppt

第十一章 植物的逆境生理 Stress Physiology,芦苇,第一节 抗性生理通论,第十一章 植物的逆境生理,第二节 植物的抗寒性,第三节 植物的抗旱性,第四节 植物的抗盐性,重点,1.植物在逆境下形态结构与生理生化代谢变化,2.高低温对植物伤害及抗寒，耐热机理及途径,3.干旱，湿涝，盐碱对植物伤害及抗旱，抗涝，抗盐碱机理及途径,4.大气污染的种类及对植物伤害特点,5.抗逆生理与农业生产关系，掌握提高作物抗逆性途径,所有对植物生命活动不利的环境条件统称为逆境（Stress）,第一节 抗性生理通论,1、逆境、胁迫（强）与胁变,逆境种类,物理的，如旱、涝、冷、热等；,化学的，如盐、碱、空气污染等；,生物的，如病、虫害等。,逆境生理（Stress physiology）：研究逆境对植物伤害以及植物对逆境的适应与抵抗能力的科学。,一.逆境及植物的抗逆性,沙枣,胁迫（强）与胁变,随胁迫强度不同，胁变程度有差异,弹性胁变：程度轻,解除胁迫以后又能恢复的胁变称弹性胁变；,塑性胁变：程度重,解除胁迫以后不能恢复的胁变称塑性胁变。,塑性胁变严重时会成为永久性伤害，甚至导致死亡。,胁迫（强）,借助物理学上概念，任何一种使植物体产生有害变化的环境因子称为胁迫（Stress），如温度胁迫、水分胁迫、盐分胁迫等。,在胁迫下植物体发生的生理生化变化称为胁变（Strain）。,胁变,Figure 22.23 A flooded maize field.Flooding in the US Midwest in 1993 resulted in an estimated 33%reduction in yield compared with 1992.,图22.1 Many factors determine how plants respond to environmental stress:the genotype and development circumstances of the plant,the duration and severity of the stress,the number of times the plant is subjected to stress,and any additive or synergistic effects of multiple stresses.Plants response to stress through a variety of mechanisms.Failure to compensate for a severe stress can result in plant death.,2.逆境伤害性质,1)直接伤害（direct stress injury）,2)间接伤害（indirect stress injury）,严重的逆境，短时间作用产生的对植物生命结构（蛋白质、膜、核酸等）的不可逆伤害。这时植物还来不及发生代谢上的改变。如高温烫伤、冰冻等。,较弱的逆境，长时间作用，可以把原来的弹性胁变转化为塑性胁变，造成伤害。主要是代谢紊乱。,图22.3.Plants respond to both as collections of cells and as whole organisms.Stress constitute environmental signal is communicated within cells and throughout the plants.Transduction of environmental signals typically results in altered gene expression at in the cellular level,which in turn influence metabolism and development of the whole plant.,3.植物对逆境的适应与抵抗,抗性=胁强/胁变,植物对逆境的适应与抵抗能力，称为抗逆性（hardiness）,植物抗逆性强弱取决于,遗传潜力,抗逆锻炼,指植物在逆境下，逐渐形成了对逆境的适应与抵抗能力。这一过程称为抗逆锻炼。,胡杨,大豆幼苗耐热性诱导实验,CK,40诱导后 生长在45 条件下,未进行高温诱导 直接生长在高温下,图22.2,Stress resistance can involve tolerating the stressful condition or avoiding it.Some resistance mechanisms are constitutive and are active before exposure to stress.In other cases,plants exposed to stress alter their physiology in response,thereby acclimating themselves to an unfavorable environment,Examples of constitutive mechanism of drought resistance include,the succulent,photosynthetic stem of the saguaro catus(Cereus giganteus),a drought-tolerant species;and the wet-season life cycle of the Mohave desert star(Monoptilon bellioides).Examples of acclimation mechanisms include osmotic adjustment in plants such as spinach and freezing tolerance in cold-hardy trees such as black spruce(Picea Mill).,避性（escape）,御性（avoidance）,耐性（tolerance）,但这种耐性有一定的限度。,植物对逆境的适应与抵抗方式,植物整个生长发育过程不与逆境相遇，逃避逆境危害。,植物具有防御逆境的能力，以抵御逆境对植物的有害影响，使植物在逆境下仍维持正常生理状态。(逆境排外),植物可通过代谢反应阻止、降低或修复由逆境造成的损伤，使其在逆境下仍保持正常的生理活动。（逆境存在于细胞内）,二.植物在逆境下的形态变化和代谢特点,形态结构 干旱-叶片和嫩茎萎蔫，气孔开度减小甚至关闭;淹水-叶片黄化，枯干;根系褐变，腐烂 高温-叶片变褐，出现死斑，树皮开裂 病原菌侵染-叶片出现病斑,2 逆境协迫下植物的一般生理变化,1）逆境与植物的水分代谢 吸水能力降低，蒸腾量降低，组织产生萎蔫,3）呼吸作用变化 降低（冻害、热害）PPP途径增强 先升后降（冷害、旱害）增高（病害）,4）物质代谢变化 合成分解,5）原生质膜变化 膜脂双分子层-星状排列，膜蛋白变构，膜透性增加，物质外渗。,6）蛋白质变化 新蛋白质-统称逆境蛋白(stress protein):热击蛋白(HSP)，低温诱导蛋白等,2）光合速率下降,三 渗透调节（osmotic adjustment）与抗逆性,1.渗透调节的概念 胁迫条件下，细胞主动形成渗透调节物质，提高溶质浓度，适应逆境胁迫的现象。,2.渗透调节物质-两大类1）外界进入细胞的无机离子：K+，Na+,Ca 2+，Mg 2+,Cl-,SO4 2-,NO3-等（主动吸收累积在液泡）2）细胞内合成的有机物：a.脯氨酸(proline)：最有效渗透调节物质之一,多种逆境下,植物体内都积累脯氨酸（尤其干旱，比原始含量增加几十几百倍）,作为渗调物,保持膜结构完整性,外施Pro可解除高等植物的渗透胁迫,合成加强,内部脯氨酸氧化受到抑制,逆境下Pro积累原因,蛋白质合成减弱，抑制脯氨酸掺入蛋白质合成过程,b.甜菜碱(betaines)在抗逆性中也有渗透调节作用(季铵化合物N-甲基代氨基酸，R4 N.X)。水分亏缺或NaCI胁迫-积累甜菜碱(小麦、大麦、黑麦)c.可溶性糖 积累大量蔗糖，葡萄糖，果糖，半乳糖等 分子量小，易溶解；有机调节物在生理pH范围不带静电荷；能被细胞膜保持住；能使酶构象稳定；生成迅速,渗透调节物质特点,四.植物激素在抗逆性中的作用,1.ABA,(1)可能使生物膜稳定,减少逆境导致的伤害。(2)减少自由基对膜的破坏.延缓 SOD 和过氧化氢酶等活性下降,阻止体内自由基的过氧化作用,降低丙二醛等有毒物质积累,使质膜受到保护.(3)改变体内代谢.外施ABA,可使植物体增加脯氨酸，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。（4）减少水分丧失.可促进气孔关闭，蒸腾减弱，减少水分丧失，还可提高根对水分的吸收和输导，防止水分亏缺，提高抗旱、抗寒、抗冷和抗盐的能力。,提高抗逆性原因,可归为 3 方面,ETH:增加几倍或几十倍,直接或间接地参与植物对伤害的修复或对逆境的抵抗过程,内源GA:活性迅速下降 CTK:含量减少,2.ETH与其他激素,植物经历某种逆境后，能提高植株对另外一些逆境的抵抗能力,这种与不良环境反应之间的相互适应作用,称植物中的交叉适应。干旱或盐处理-提高水稻幼苗的抗冷性 低温处理-提高水稻幼苗的抗旱性 交叉适应作用物质-脱落酸,脱落酸在交叉适应(cross adaptation)中的作用,沙枣,五、提高作物抗性的生理措施,选育高抗品种是提高作物抗性的基本措施。1、种子锻炼 播种前对种子进行相应的逆境处理。2、巧施肥水 控制土壤水分，少施N肥，多施P、K肥。3、施用生长抑制物质 如CCC、PP333、TIBA、JA等,第二节 植物的抗寒性,低温对植物危害,冻害(freezing injury):冰点以下的低温使植物体内结冰；,冷害(chilling injury)：冰点以上低温对植物造成的伤害。,抗寒性：植物对低温的适应与抵抗能力。,一、冻害与植物的抗冻性,（一）冻害,植物发生结冰的温度并不一定在0。有时温度降低到0以下仍然不结冰，这种现象称为过冷现象。但温度降低到一定程度一定结冰，这一点称为过冷点。,冰点高低与细胞液浓度有关，因此可以用测定冰点的方法来测定细胞液的渗透势。,（1）细胞间结冰及其伤害,冻害一般是由于结冰引起的。由于温度降低的程度与速度不同，结冰的类型不同，造成伤害的方式也不同。,（二）结冰伤害的类型及其原因,1.结冰伤害,结冰类型,细胞间结冰白菜，葱,细胞内结冰,温度缓慢下降时，细胞间隙中的水分结成冰，即所谓胞间结冰。,细胞间结冰伤害的主要原因,原生质发生过渡脱水，造成蛋白质变性和原生质不可逆的凝胶化；,冰晶体过大时对原生质造成机械压力，细胞变形；,当温度回升时，冰晶体迅速融化，细胞壁易恢复原状，而原生质却来不及吸水膨胀，原生质有可能被撕破。,（2）细胞内结冰伤害,胞内结冰伤害的主要原因-机械损伤（往往是致命）,当温度骤然下降时，除细胞间隙结冰以外，细胞内水分也结冰，一般是原生质内先结冰，紧接着液胞内结冰，这就是胞内结冰。,1.硫氢基假说（Levitt,1962）,要点：结冰对细胞伤害主要是破坏蛋白质空间结构。,冰冻时，原生质逐渐脱水，蛋白质分子相互靠近，相邻肽链外部的-SH彼此接触，两个-SH经氧化而形成-S-S-键；或者一个分子外部的-SH基与另一个分子内部的-SH形成-S-S-键，于是蛋白质凝聚。,当解冻吸水时，肽链松散，由于-S-S-键属共价键，比较稳定，蛋白质空间结构被破坏，导致蛋白质变性失活。,通过化学方法，如使用硫醇可以保护-SH不被氧化，起到抗冻剂的作用。,（二）结冰伤害机理,2膜伤害学说,膜对结冰最敏感。,低温对膜的伤害,膜脂相变，酶失活；,透性加大，电解质外渗。,主要破坏膜脂与膜蛋白。,（三）植物对冷冻的适应,1抗冻锻炼,在冬季来临之前，随着气温的降低与日照长度的变短，植物体内发生一系列适应冷冻的生理生化变化，以提高抗冻能力，这一过程称为抗冻锻炼。,3.机械伤害 4.活性氧伤害,2植物在适应冷冻过程中的生理生化变化,抗冻锻炼是植物提高抗冻性的主要途径。其中发生了许多适应低温的生理生化变化。,（1）含水量下降：自由水，束缚水相对增多；,（2）呼吸减弱：消耗糖分减少，有利于糖的积累；,（3）保护性物质增多：如糖、脯氨酸、甜菜碱积累。一方面降低冰点，另一方面保护大分子的结构与功能；,（4）内源激素变化：ABA，GA、IAA,在形态上也发生相应的变化，如形成种子、休眠芽、地下根茎等，进入休眠状态。,3外界条件对植物适应冷冻的影响,（1）温度,（2）日照长度,（3）水分,（4）矿质营养,进入秋季，温度降低-抗寒性增强；春季温度升高时，抗寒性降低,-影响休眠-抗寒性短日照-促进休眠-抗寒性增强；长日照-阻止休眠-抗寒性降低,细胞吸水过多，不利于抗寒性增强,充足，生长健壮，利于越冬，抗寒性增强；不宜偏施氮肥，造成徒长，抗寒性降低,二、冷害与冷害的机理,冷害虽然没有结冰现象，但会引起喜温植物的生理障碍。,三种类型,直接伤害,间接伤害,次生伤害,短时间内发生的伤害。主要特征：质膜透性增大，导致细胞内含物向外渗漏-出现伤斑。,缓慢降温引起的，低温胁迫可持续几天乃至几周。主要特征：代谢失调组织柔软，萎蔫。,某器官因低温胁迫而导致其生理功能减弱或丧失而引起的伤害。如根系吸水变慢。,（一）冷害引起的生理生化变化,2水分平衡失调,3原生质流动受阻,4光合速率减弱,5呼吸代谢失调,6.有机物质分解占优势,蒸腾大于吸水,能量供应减少，原生质粘性增加,叶绿素分解大于合成；暗反应受影响,大起大落。先期升高保护，然后降低（升高放热保护，时间长后，原生质停止流动，无氧呼吸）,1膜透性加大,（二）冷害机理,1膜透性增加引起代谢紊乱,2膜相变引起膜结合酶失活,在低温下，质膜收缩出现裂缝，造成膜破坏，透性增加，细胞内溶质渗漏。如时间过长还可引起酶促反应平衡失调，代谢紊乱。,构成膜的类脂由液相转变为固相，流动镶嵌模型破坏，类脂固化而引起膜结合酶解离或者使酶亚基分解，因而失活。,膜相变温度随不饱和脂肪酸含量增加而降低,抗冷性指标,（三）提高植物抗冷性的途径,1抗冷锻炼,将植物在低温条件下经过一定时间的适应，提高其抗冷能力的过程。,经过锻炼的植物，其膜脂的不饱和脂肪酸含量增加；相变温度降低；膜透性稳定。,2化学诱导,化学药物可诱导植物抗冷性提高CTK,ABA等。,3合理的肥料配比,4.栽培技术-如塑料薄膜覆盖,使植物生长健壮。,第三节 植物的抗旱性,旱害及其类型,旱害（drought injury）,干旱类型,大气干旱：空气相对湿度过低；,土壤干旱：土壤中缺少可利用水。,植物对干旱的适应与抵抗能力称为抗旱性。,土壤水分缺乏或者大气相对湿度过低，植物的耗水大于吸水，造成植物组织脱水，对植物造成的伤害。,生理干旱：土壤水分不缺少，因土壤低温，土壤溶液浓度过高或积累有毒物质，而难以吸收。,伤害：脱水和高温伤害,一、干旱对植物的伤害及其原因,（一）植物各部位间水分重新分布,幼叶向老叶夺水，加速衰老；成熟部位从胚胎夺水。,（二）影响植物各种生理过程,蒸腾减弱，气孔关闭，光合下降，严重时叶绿体解体。呼吸作用的氧化磷酸化解偶联。吸水过程及物质运输受阻。生长抑制。,（三）破坏正常代谢过程,抑制合成代谢，加强分解代谢。促进生长发育植物激素减少，抑制生长发育激素则增加。发生代谢紊乱。,骆驼蓬,（四）干旱的直观影响,叶片，幼茎萎蔫,临时叶肉细胞 失水,永久原生质 脱水,二、干旱伤害的机理,（一）机械损伤学说,细胞脱水时，细胞壁与原生质粘连在一块收缩，细胞壁韧性有限而形成许多锐利的折叠，原生质体被折叠的壁刺破。,细胞复水时，因细胞壁吸水速度快于原生质，原生质可能被撕破，导致细胞死亡。,（二）蛋白质变性学说,（同硫氢基假说）,（三）膜透性的改变,脱水时膜脂分子排列紊乱，膜上出现空隙或龟裂，透性加大，电解质外渗。,（四）活性氧伤害加强,干旱状态下，活性氧的产生增多，而活性氧系统的清除能力减弱。过量的活性氧对膜、蛋白及核酸等造成伤害。,三、植物对干旱的适应方式,植物对干旱的适应,避旱性,御旱性,耐旱性,指植物整个生长发育过程不与干旱逆境相遇，逃避干旱的危害。如沙漠中的短命植物。,指植物在细胞与环境之间形成某种屏障（逆境排外），具有防御干旱的能力，在干旱逆境下各种生理生化过程仍保持正常状态。如形成强大根系、气孔关闭等。,指在干旱逆境下植物可通过代谢反应阻止、降低或者修复由水分亏缺造成的损伤，使其保持较正常的生理状态。如渗透调节、保护大分子等。,作物抗旱性的形态特征和生理特征：,形态特征,生理特征,根系发达而深扎,根/冠比大(更有效地利用土壤水分,特别是土壤深处水分,保持水分平衡),增加叶片表面的蜡面沉积(减少水分蒸腾),叶片细胞小(可减少细胞收缩产生的机械损害),叶脉致密,单位面积气孔数目多(加强蒸腾,有利吸水)。,保持细胞较高的亲水能力，细胞液渗透势低(抗过度脱水-生理性抗旱基础);各种水解酶活性保持稳定，减少大分子分解，保持原生质体质膜不受破坏，具较高弹性与粘性，代谢维持稳定。,作物抗旱性指标：根/冠比（越大,越抗旱,否则不抗旱）保水能力或抗脱水能力 脯氨酸，甜菜碱，脱落酸含量,四、提高植物抗旱性的途径与措施,（一）抗旱锻炼,给予植物以亚致死剂量的干旱条件，使植物经受一定时间的干旱磨炼，提高其抗干旱能力的过程，叫做抗旱锻炼。,如种子萌发时进行反复干旱；“蹲苗”，搁苗，饿苗。,（二）合理使用矿质肥料,磷肥和钾肥均能提高植物抗旱性，氮素过多对作物抗旱不利。,（三）化学控制和使用生长调节剂,矮壮素（CCC）等可提高作物抗旱性。,抗蒸腾剂减少蒸腾失水。,（四）抗旱品种的选育,第四节 植物的抗盐性,盐害（salt injury）：土壤中盐分过多对植物造成的伤害,盐碱土,盐土：含NaCI和Na2SO4为主的土壤,碱土：含Na2CO3和NaHCO3为主的土壤,植物对盐渍的适应与抵抗能力称为抗盐性(salt resistance)。,根据植物对盐分适应能力,盐生植物：肉质化，盐分累积在 液泡，生长盐度1.52.0%,如碱蓬、海蓬子等,淡（甜）土植物：决大多数农作物。耐盐范围 0.2%0.8%,梭梭,一、盐分过多对植物的伤害及其原因,（一）渗透胁迫引起生理干旱,土壤中盐分过多使土壤溶液水势下降，导致植物吸水困难，甚至体内水分有外渗的危险，造成生理干旱。,（二）离子失调导致毒害作用,高浓度 NaCl 可置换细胞膜结合Ca2+,膜结合Na+/Ca2+增加,膜结构破坏,功能也改变,细胞内K+、磷和有机溶质外渗。,（四）胁迫效应破坏正常代谢,光合下降，叶绿体解体；蛋白质合成受抑制，但分解加强，产生有毒产物，对细胞产生毒害。,植物由于过多吸收某种盐类而排斥对另一些矿质盐的吸收，导致营养缺乏或产生毒害作用。,（三）膜透性改变,二、植物对盐渍的适应机理,分避盐与耐盐,（一）避盐的机理,植物通过某种方式将细胞内盐分控制在伤害阈值之下，以避免盐分过多对细胞伤害。,包括泌盐、稀盐和拒盐三种方式。,1泌盐,2稀盐,3拒盐,植物根细胞对某些盐离子透性低，降低地上部盐分浓度-芦苇。,植物通过吸收大量水分和加速生长，稀释细胞内盐分浓度红树。,通过盐腺排泄到茎叶表面，再被冲刷掉。如柽柳、匙叶草等,锁阳,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,柽柳,（二）耐盐机理,指通过生理的或代谢的适应，忍受已进入细胞的盐分。,1通过渗透调节以适应盐分过多而产生的水分胁迫,2能消除盐分对酶或代谢产生的毒害作用,高盐条件下保持一些酶活性稳定。,3通过代谢产物与盐类结合减少盐离子对原生质的破坏作用,如细胞中的清蛋白提高亲水胶体对盐类凝固作用的抵抗力。,4.碳代谢途径的改变,逆境条件:C3 C4 或CAM C4,盐胁迫-诱导PEP羧化酶产生(C3转为CAM途径的重要生理生化标志，盐胁迫引起气孔关闭后植物得以维持碳同化继续运行的适应性表现)。,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(Mesembryanthemum crystallium),一些肉质植物（盐渍或水分胁迫）：C3 CAM 型,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,新疆枸杞,盐胁迫机理,1.生理干旱学说 土壤中盐分过多使土壤溶液水势下降，导致植物吸水困难，甚至体内水分有外渗的危险，造成生理干旱 2.质膜伤害学说 离子胁迫致使植物细胞质膜损伤，胞内大量离子和有机物质外渗，外界有毒离子进入，导致细胞内一系列生理生化反应受到干扰。3.代谢影响学说 胁迫效应破坏正常代谢。光合作用下降，叶绿体解体；蛋白质合成受抑制，但分解加强，产生有毒的产物，对细胞产生毒害,三、提高植物抗盐性的途径,（一）抗盐锻炼,将植物种子按盐分梯度进行一定时间的处理，提高抗盐能力。,1）逐渐提高盐浓度的浸种法 1940(苏)植物生理学家:播种前，用0.30.4%NaCl 或CaCl2浸种，显著提高抗盐性（棉花，玉米高粱有效）2）种子驯化法 将种子播到逐渐变化的环境中 进行驯化（由低盐到高盐，连续 几代培养，使其遗传特性改变，适应新的环境条件）,马兰,3)矿质元素处理种子 一些微量元素可增加植物体内含糖量，提高渗透势；提高细胞原生质胶体的稳定性和水合能力。盐碱土中生长的植物，降低对微量元素Fe,Mn,P,Ca的吸收，造成缺素症，降低抗盐能力。(1)利用Ca盐处理种子 Ca的作用：补充体内钙缺乏，促进生长；阻止根系对Na+吸收，促进对K+的吸收，避免盐离子毒害；对被Na+分散了的团聚结构的土壤有很好的絮凝作用 播种前，510mMCaCl2浸玉米种46h，晾干后播种（降低质膜透性，叶片Na+含量，增大植株干重）(2)利用Mn盐处理种子 MnSO4（苏，1956）:提高小麦抗盐能力,（二）植物生长物质处理,促进植物迅速生长，稀释盐分。,（三）施肥,盐碱土影响植物矿质元素吸收：常表现为缺磷，降低硝酸盐还原和蛋白质合成，产生盐害1）施磷肥 作用多方面：提高细胞结构成分的水化度，细胞质保持胶体-束缚水的能力和原生质的粘性和弹性，降低蒸腾，增加根系发育速度和强度。基肥（秋季深翻，过磷酸钙3040斤/亩）;追肥（0.1%磷酸二氢钾喷叶片35次）2）施钙肥 13mM CaSO4加入50mM NaCl营养液中，NaCl 抑制作用完全消失。机理：Ca作用于根细胞质膜，增大其拒Na+能力，避免其毒害，提高抗盐能力,（高肥力下，抗盐能力更大）,黑果枸杞,（四）选育抗盐品种,生理指标及其测定 1)细胞质膜透性（Plasma membrane permeability）透性小，外渗物质少，抗盐性大；反之，则小。电导率法测定-细胞外渗物质电导率;火焰光度计测定K+含量 处理样品外渗液电导率 电解质外渗率（%）=100 对照样品杀死后外渗液电导率 处理样品外渗液K+含量 K+外渗率（%）=100 对照样品杀死后外渗液K+含量 2)植物体内渗透剂含量 无机离子：有机化合物：脯氨酸，甜菜碱，甘油，草酸，可溶性碳水化合物,四 植物抗盐性的测定,3)叶绿素含量 盐胁迫-叶绿素与叶绿体蛋白间结合松弛，松弛后叶绿素和不松弛时的溶解性不同；松弛叶绿素-60%乙醇提取，不松弛叶绿素-96%乙醇提取 松弛叶绿素/不松弛叶绿素比值大，抗盐弱；反之，则强,4)超氧物岐化酶（superoxide dismustase-SOD）,5)过氧化产物丙二醛（Malon dialdehyde-MDA）,6)植物组织的肉质性 肉质化-抗盐性大小（正相关）:肉质化程度愈高，避盐能力愈强；反之，则弱。肉质化程度测定方法：叶厚度；鲜重和干重比值-大（高）,