植物的衰老与器官脱落.ppt

《植物的衰老与器官脱落.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物的衰老与器官脱落.ppt（79页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、Chapter 9 植物的衰老与器官脱落Senescence and Abscission,Section 1 植物的衰老及其进程,1.1 衰老的概念、类型及意义1.1.1 Senescence衰老是指植物的器官或整个植株的生命功能的自然衰退，最终导致自然死亡的一系列恶化过程。,1.1.2 类型1)整株衰老型整个植株衰老，如一年生或二年生一次结实植物，在开花结实后，随即全株衰老死亡。,2)地上部衰老型植株的地上部分器官随季节结束而死亡，由地下器官生长而更新，如许多多年生及球茎类植物。,3)落叶衰老型季节性的夏季或冬季叶子衰老脱落，如许多多年生落叶木本植物。,4)渐进的衰老型,如多年生常绿木本植

2、物，老的器官和组织逐渐衰老和退化，被新的器官和组织逐渐取代。,1.1.3 植物衰老的意义,营养物质-转移。如种子，块茎和球茎等。秋季落叶-春天萌发时，开花、长叶。果实的成熟衰老后脱落，有利于种子传播，便于种的生存。,1.2 植物衰老的进程,植物的衰老进程可以在细胞、器官、整体等不同水平上表现出来，且具有各自的突出特征。1.2.1 细胞衰老Cell senescence细胞衰老是植物组织、器官和个体衰老的基础，主要包括细胞膜衰老和细胞器衰老。,1.2.1.1、细胞膜衰老,1)膜脂相变衰老早期发生的事件。幼嫩细胞的膜为液晶相，流动性大。在衰老过程中，生物膜由液晶相向凝固相转化，结果膜变得刚硬，流动

3、性降低，粘滞性增加。,2）膜脂的降解和过氧化，膜磷脂含量下降磷脂生物合成减少，磷脂酶活性增加造成。在磷脂酶(phospholipase)、脂氧合酶(lipoxygenase)和活性氧的作用下发生膜脂的过氧化。3）膜的完整性丧失导致膜渗漏细胞内外离子等梯度失去平衡，导致代谢紊乱。,4）磷脂酶,磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶B、磷脂酶C、磷脂酶D、溶血磷脂酶和脂解酰基水解酶等。其中,磷脂酶D主要存在于高等植物组织中。,经磷脂酶A，B水解后的游离的多元不饱和脂肪酸，作为脂氧合酶（Lox）的底物进一步氧化产生有机自由基。脂氧合酶还能催化亚麻酸转变为 JA。,1.2.1.2、细胞器衰老,核糖体和粗糙型内

4、质网的数量减少叶绿体类囊体解体线粒体嵴扭曲，褶皱膨胀液泡膜破裂，使细胞发生自溶，加速细胞的衰老解体。,1.2.2 器官衰老,1.2.2.1 叶片衰老光合速率的下降（分缓降和速降）光合关键酶，特别是Rubisco活力和含量下降光合电子传递活力和光合磷酸化活力下降,气孔导度下降叶绿素含量的下降、叶色变黄叶细胞器分解。叶绿体内基粒（脂类小体）内质网核糖体线粒体液泡膜。可溶性碳水化合物，游离氨态氮有所增加。,1.2.2.2 种子衰老,指种子从成熟开始其生活力不断下降直至完全丧失的不可逆变化。,主要表现：膜结构破坏，透性加大。线粒体反应最敏感，内质网出现断裂或肿胀，质膜收缩并与细胞壁脱离，最终导致细胞内

5、含物渗漏。DNA损伤，断裂畸变。酶活性下降，如脱氢酶。贮藏物质耗尽，油料种子的酸败。,1.2.3 整株衰老,一生中只开一次花的植物称单稔植物：一年生植物，二年生植物和某些多年生植物，如龙舌兰和竹类。单稔植物在开花结实后，营养体衰老进程加快。籽粒成熟后，营养体全部衰老死亡。,一生中能多次开花结实的植物称为多稔植物：木本植物，多年生宿根性草本植物。这类植物大多具有营养生长和生殖生长交替的生活周期，有些在花原基分化后能连续形成花蕾并开花。多稔植物的衰老是个缓慢的渐进过程。,Section 2 衰老的机理及调节,2.1 衰老的机理2.1.1 营养亏缺与衰老营养亏缺理论：生殖体剥夺了营养体的养料是导致衰

6、老的根本原因。如番茄根尖组培及不断摘除花试验。龙舌兰不开花-生活几十年，开花-8-10年。相反观点，如向日葵在雄蕊分化前根系已开始衰老，玉米、辣椒摘除花反而加速衰老。,2.1.2 生长调节物质与衰老,IAA、GA和CTK延缓衰老，衰老时这些激素含量下降。ABA、Eth和JA促进衰老，衰老时它们含量增加。,1）CTK下降。,在初始衰老的叶片上喷施CTK，常常显著地延迟（逆转）衰老。离体叶片和茎长根衰老停止（逆转），主要在根尖形成的CTK与延衰作用有关。在向日葵生长后期，衰老开始前，根伤流液中内源CTK含量降低。大豆和水稻生活时间短的品种较生活时间长的品种，叶片细胞分裂素含量下降出现较早。CTK阻

7、止衰老相关基因的表达，阻止生物大分子水解，阻止和清除自由基，改变同化物分配方向等多方面起延缓衰老的作用。,2）Eth,乙烯调节衰老的机理可能是引起呼吸链电子传递转向“抗氰途径”，引起电子转移速率增加46倍，物质消耗多，ATP生成少，造成空耗浪费而促进衰老。乙烯能增加膜透性，刺激O2的吸收并使其活化形成活性氧，过量活性氧使膜脂过氧化，使植物受伤害而衰老。诱导水解酶的合成。,乙烯和多胺的生物合成途径中竞争SAM,3)ABA.ABA是利用关闭气孔的效应，协同其他作用作为衰老促进剂的。诱导水解酶的合成。4)JAJA(Me-JA)抑制植物生长，促进衰老，加快叶绿素的降解，促进乙烯的生成，提高蛋白酶与核糖

8、核酸酶等水解酶的活性，加速生物大分子的降解。JA在许多方面的作用与ABA相似，如抑制种子萌发，抑制花芽分化等等。,2.1.3 自由基损伤假说,内容：植物体内产生过多的自由基，对生物膜、生物大分子及叶绿素有破坏作用，导致植物体的衰老、死亡。与衰老密切相关的E：超氧化物歧化E（SOD）和脂氧合E（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。,2.1.3.1 feed radical 自由基为具有不配对电子的离子、原子或分子。特点：自由基极不稳定，寿命极短，只能瞬时存在 但是化学性质非常活泼，氧化能力很强，并能持续进行连锁反应。自由基的强氧化能力对细胞

9、及许多生物大分子有破坏作用。,叶绿体是光合细胞光下产生自由基的主要场所。,由光化学反应产生自由基,2.1.3.2 自由基的防御系统,1)抗氧化物质非酶保护系统 天然的和人工合成的两大类，统称为抗氧化剂。天然的有细胞色素f、谷胱甘肽、甘露糖醇、抗坏血酸、泛醌、维生素和类胡萝卜素等。,2)保护酶系统,在植物体内，这类酶主要SOD、AAO、谷胱甘肽还原酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶等，被称为细胞的保护酶系统。其中尤以SOD最重要。,SOD的类型(1)Cu和Zn-SOD，分子量为32KD，由两个相同的亚单位构成，每个亚单位含有一个Cu2+和一个Zn+，主要分布于高等植物的细胞质和叶绿体中。(2)Mn

10、-SOD主要分布于细菌等原核生物中，真核生物的线粒体中还存在Mn-SOD。(3)Fe-SOD 为基本酶，主要分布于蓝绿藻中。,2.1.4 DNA损伤假说 内容：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。某些理化因子也使DNA受损。,2.1.5 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

11、非衰老细胞转移和循环利用。,2.2 植物衰老时的生理生化变化,1.蛋白质的变化2.核酸的变化3.光合速率下降4.呼吸速率下降5.生物膜结构变化6.植物内源激素的变化,1.蛋白质的变化叶片衰老时，总的表现是蛋白质含量显著下降，并伴随蛋白质水解的同时，游离氨基酸积累。叶片中可溶性蛋白质主要是Rubisco 的降解，光合功能下降。2.核酸的变化叶片衰老时，RNA含量下降，DNA也下降，但DNA下降速度比RNA缓慢。一般认为叶绿体和线粒体的rRNA对衰老过程最敏感。,3.光合速率下降叶片衰老时光合速率下降，原因：（1）叶绿体的间质破坏，类囊体膨胀、裂解，叶绿素含量迅速下降；（2）Rubisco分解、光

12、合电子传递与光合磷酸化受阻。4.呼吸速率下降叶片衰老时，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。此外，衰老时呼吸过程中的氧化磷酸化逐步解偶联，产生的ATP数量减少，会促进衰老的发展。,5.生物膜结构变化 细胞趋向衰老的过程中，膜脂的脂肪酸饱和程度逐渐增高，脂肪链加长，使膜由液晶态逐渐转变为凝固态，磷脂尾部处于“冻结”状态，完全失去运动能力，膜失去弹性；生物膜结构选择透性功能丧失，透性加大，膜脂过氧化加剧，膜结构逐步解体；一些具有膜结构的细胞器的膜结构发生衰退、破裂甚至解体。,6.植物内源激素的变化在植物衰老过程中，植物内源激素有明显变化。一般情况是，吲哚乙酸（IAA）、赤霉素

13、（GA）和细胞分裂素（CTK）在植株或器官的衰老过程中含量逐步下降，而脱落酸（ABA）和乙烯（Eth）含量逐步增加。,2.4 衰老的遗传调节,2.4.1 DNA、RNA和蛋白质水平的变化衰老是一个遗传基因控制的渐进过程，因为不同的植物种类寿命差异很大。,新近的研究发现在植物衰老期间，基因的表达大致可为2类：一类是在衰老下调(downward)基因，这些大都是与光合作用，及其他合成和产能有关的酶的基因。另一类是衰老上调基因，这些多是水解酶的合成基因，DNase，RNase，Protease，phospholipase。,DNA降低，RNA的质和量都发生，RNA比DNA降低得更多些，尤其是rRNA

14、对衰老过程最敏感。RNase活性增加，DNA-RNA聚合酶活性减少。蛋白质的合成降低，而水解增加。衰老过程中可溶性蛋白和膜结合蛋白同时降解，叶片衰老时降解的可溶性蛋白中85是RuBP羧化酶。随着衰老推进，类囊体膜结合蛋白发生选择性地降解，如细胞色素f b的降解要早于其他光合膜蛋白。膜脂分解，生物膜功能衰退和丧失。,2.4.2 改造基因延缓衰老植物类型、种和品种各自的衰老与否差异及大，生产上利用和选育防衰品种是经济有效的方法。,如把SAG12（与衰老相关的基因）的启动子与IPT的编码区连接后形成嵌合基因PSAG12-IPT，一旦衰老，SAG12启动子将激活IPT的表达，细胞分裂素含量上升，叶片的

15、衰老延缓；衰老进程受阻制后，对衰老敏感的SAG12启动子将关闭，从而有效地阻止了细胞分裂素的过量表达,2.4.3 利用生长调节物质延缓衰老CTK类，BR类，多胺，IAA类等。2.4.4 环境条件如防止光照过强和不足，防止干旱和涝害，保温，合理施肥，防除病虫害等。,2.5 环境因子对衰老的影响,1.温度 低温和高温均能诱发自由基的产生，引起生物膜相变和膜脂过氧化，加速植物衰老。,2.光照 光能延缓植物衰老，暗中加速衰老。光可抑制叶片中RNA的水解，在光下乙烯的前体ACC向ETH的转化受到阻碍。红光可阻止叶绿素和蛋白质含量下降，远红光则能消除红光的作用。蓝光可显著地延缓绿豆幼苗叶绿素和蛋白的减少，

16、延缓叶片衰老。但强光和紫外光促进植物体内产生自由基，诱发植物衰老。长日照促进GA合成，利于生长；短日照促进ABA合成，利于脱落，加速衰老,4.水分 在水分胁迫下促进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，加速植物的衰老。5.矿质营养 氮肥不足，叶片易衰老；增施氮肥，能延缓叶片衰老。Ca处理果实有稳定膜的作用，减少乙烯的释放，能延迟果实成熟。Ag+、Ni2+可延缓水稻叶片的衰老。,Section 3 脱落及机理,脱落指植物细胞、组织或器官与植物体分离的过程，如叶、花、果实、枝条甚至树皮的脱落。正常脱落胁迫脱落生理脱落,正常脱落：衰老或成熟引起的脱落叫正常脱落。

17、如叶片和花朵的衰老脱落，果实和种子的成熟脱落,胁迫脱落：环境胁迫引起的脱落叫胁迫脱落（高温、低温、干旱、水涝、盐渍等和病虫）生理脱落：植物本身生理活动不协调而引起的脱落，比如营养生长与生殖生长的竞争，源与库不协调等，均能引起生理脱落棉花蕾铃的脱落可达70左右，大豆的花荚脱落率也很高（60-70%）。,3.1 外界条件对脱落的影响,1.温度 温度过高或过低对脱落都有促进作用。2.氧气 2浓度过高或过低都会导致脱落。,3.湿度 水分过多或过少都能导致脱落。4.矿质元素 缺乏N、Zn能影响IAA的合成；缺少B会使花粉败育，引起花而不实；Ca是细胞壁中果胶酸钙的重要组分；所以缺乏B、Zn、Ca能导致脱

18、落。,在生产上，可通过水肥供应、适当修剪、外源生长物质调控等措施来延迟或促进植物器官脱落。,3.2 脱落的生理生化,3.2.1 解剖脱落发生在特定的组织部位离区(abscission zone)。叶柄基部一段区域中经横向分裂而形成的几层细胞，其体积小，排列紧密，有浓稠的原生质和较多的淀粉粒，核大而突出，这就是离区。,3.2.2 脱落时的生理生化离层细胞开始发生变化时首先是核仁变得非常明显，RNA含量增加内质网增多，高尔基体和小泡都增多，小泡聚积在质膜，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，其中以中胶层最为明显（图916）。使细胞分离，成为离区。细胞壁会断裂。,3.2.3 与脱落

19、相关的酶,1)、Cellulase菜豆、棉花和柑桔叶片脱落时，纤维素酶活性增加。,2)Pectinase菜豆果胶酶活性增加，脱落增加。果胶酶是作用于果胶复合物的酶的总称。在脱落过程中，离区内的可溶性果胶含量增多，推测果胶酶与脱落有关。,果胶酶有两种：(1)果胶甲酯酶(PEM),PEM催化果胶甲酯形成果胶，所以果胶酶的活性与脱落过程呈反相关性。(2)多聚半乳糖醛酸酶(PG),PG主要作用于多聚半乳糖醛酸的糖醛键，使果胶解聚。3)、Catalase脱落前过氧物酶，活性增加。,3.2.3 激素,1)IAAs1AA对器官脱落的效应与1AA的使用时间、1AA的浓度、处理部位有关。把生长素施于离区的近基一

20、侧，则加速脱落；施于远基一侧，则抑制脱落。当远基（轴）端/近基（轴）端的1AA比值较高时，抑制或延缓脱落当两者比值较低时，会加速脱落。,2)Ethylene,乙烯促进PG产生和分泌，从而使中胶层结构疏松，导致脱落。脱落的一个重要因子是组织对乙烯的敏感性，而且这种敏感性首先受到内源生长素含量的影响。生长素越多，脱落带细胞对乙烯越不敏感。叶片脱落时乙烯作用的最初部位不在离区，而在叶片中，通过增加叶片中乙烯的含量，使生长素转变为束缚态生长素，阻碍叶片中生长素转移到离区，生长素含量降低导致细胞对乙烯更加敏感，并最终引起各种水解酶的产生，促进脱落。,3)ABA,接近脱落时，ABA含量增高。秋天的短日照促

21、进ABA合成，落叶植物落叶。ABA促进脱落的原因，是ABA抑制叶柄内IAA的传导，并且促进分解细胞壁的酶类分泌。但ABA促进脱落的作用低于乙烯，乙烯能提高ABA含量。,1 Temperature温度过高和过低都会加速衰老和器官脱落。2 water 干旱使树木落叶，干旱促使衰老和脱落，是因为干旱引起内源激素的变化，IAA氧化酶活性增加，可扩散的IAA减少；CTK下降；Eth增加；ABA大增。淹水条件也造成叶、花、果的大量脱落，其原因是淹水使土壤中氧分压降低，并产生逆境乙烯。,影响与脱落的环境因子,3 light 光照不足，器官容易脱落。因光照过弱，不仅使光合速率降低，形成的光合产物少，光直接影响

22、碳水化合物的积累与运输，所以光线不足，叶、花、果因营养缺乏而脱落。日照长度对衰老和脱落也有影响，短日照促进衰老和落叶而长日照延迟衰老和落叶。,4 O2 棉花外植体脱落与氧关系时，得到双S曲线，当氧浓度增至10时，器官脱落率急剧增加，1020氧浓度时，脱落率曲线平稳，2530氧浓度时，脱落率又剧增，氧浓度达到30以上，脱落率不再增加，高浓度氧增加脱落的原因可能是由于乙烯的生成。,5 Mineral nutritions 矿质缺乏易引起衰老和脱落。其中N、Zn是IAA合成必需的，Ca是细胞壁中胶层果胶酸钙的重要组分，缺B常使花粉败育，导致不孕或果实退化，也引起脱落。6 Diseases，pests

23、,radiation，other stresses.均引起衰老的脱落。,何谓植物的衰老，衰老的类型可分为哪四种?试述细胞的衰老主要包括什么?试述细胞膜衰老，膜相的变化，流动性的变化，膜流动性与膜脂含量的关系，膜脂含量下降的两方面原因，膜渗漏(膜完整性丧失)的主要原因。膜脂的过氧化是在哪三种物质的作用下产生的?,试述膜脂的过氧化过程。叶片衰老的最明显表现是什么?何谓自由基，植物体内最重要的自由基是什么?氧自由基可分为哪两类?植物体内的自由基清除系统有哪些，保护酶有哪些，以哪种最重要?植物衰老时其体内的DNA、RNA、蛋白质水平有何变化?环境因子如何影响衰老?脱落可分为哪三种?外界因素如何影响脱落?,生长素与脱落有何关系?试述乙烯对脱落的影响。保花保果可采取什么措施?落果通常发生在哪些时期?,