同化物运输与信号转导生态.ppt

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1、第六章 同化物的运输,分配及信号传导,整体自养性,器官高度分化,1.胞内运输 2.胞间运输 3.质外体和共质体间的运输,一、短距离运输系统,第一节 植物体内有机物质的运输系统,（1）木质部（Xylem）（2）韧皮部（Phloem）筛管（Sieve Tube）筛板（Sieve Plate）筛孔（Sieve Pore）伴胞（Companion Cell）,二、长距离运输系统维管束系统,环割试验,同位素示踪法,韧皮部环割,显微注射技术,Confocal,分子生物学技术,长距离运输系统,1.研究物质运输途径和速度的方法：,正常状态下的物质流,蒸汽环割处理,处理后的物质流,蒸汽环割,根部标记32P、35

2、S等盐类以便追踪根系吸收的无机盐类的运输途径；让叶片同化14CO2，可追踪光合同化物的运输方向；将标记的离子或有机物用注射器等器具直接引入特定部位。,图 植物体内运输途径试验的示意图 将韧皮部和木质部剥离后插入蜡纸或胶片等不通透的薄物制造屏障，以防止两通道间物质的侧向运输。,可用几种方法将标记物质引入植物体,同位素示踪法,标记一定时间后，将植株材料迅速冷冻、干燥(以防止标记物移动)，用石蜡或树脂包埋，切成薄片，在薄片上涂一层感光乳胶，置于暗处，经过一段时间后，标记元素的辐射使乳胶片曝光，显定影后，乳胶片上与组织中存在标记元素的部位便会出现银颗粒(底片呈黑色处)。,图 14C 同化物在甜菜叶柄韧

3、皮部中的分布(黑色区),冷冻,干燥,包埋,涂感光乳胶,曝光,显定影,制片,自显影操作过程,先让根系的一半吸收15NO3，随后，将标记的根切除，从未标记的根系中收集木质部汁液。未标记根系中出现的15N一定是从茎经过韧皮部运输来的同化物。,半根试验,无机营养在木质部中向上运输,同化物在韧皮部中向下运输,含氮有机物和激素在木质部和韧皮部中均能运输,侧向运输,2.长距离物质运输的一般规律：,（1）速度快：平均1m/h,（2）韧皮部汁液成分复杂、不均一,（3）筛管具有较高的正压力势-溢泌现象,（4）同时双向运输,（5）韧皮部的运输依赖于细胞的生命活动的需能过程,呼吸强度高；呼吸抑制剂；酶；观察氧化磷酸化

4、作用与运输的关系,韧皮部运输的机理,（三）韧皮部运输的特点,一、研究韧皮部同化物运输的方法二、运输的物质三、韧皮部的装载 四、韧皮部同化物运输的机理五、韧皮部卸出,第二节 韧皮部运输的机理,1.收集韧皮部汁液的方法,2.测定韧皮部运输速度的方法,3.新技术的应用,一、研究韧皮部同化物运输的方法,1.收集伤流液:a.压力室法,b.吻针法,利用染料分子作为示踪物,放射性同位素示踪技术。常用的同位素是14C。,2.测定韧皮部运输速度的方法,显微注射技术将染料分子直接注入筛管分子内,(1)用共聚焦激光扫描显微镜 能对完整植株体内韧皮部同化物(包括韧皮部装卸)基本情况直接进行影像观察,(A)在主脉的表皮

5、上做两个口，激光共焦显微镜的物镜置在基部口的上方，在顶部口中加入可移动的荧光染色。(B)经局部应用主要染色膜的荧光染料（红色）和运输分配荧光染料（绿色）双重染色的韧皮组织，结晶状P-蛋白质体（星号注）被绿色荧光染色。CC：伴胞，SE：筛管,用激光共焦显微镜研究大豆连体叶片中筛管分子的运输分配,3.新技术的应用,(2)空种皮技术 此法适用于豆科植物。,制空种皮杯,同化物在空种皮杯中卸出的途径,实验证明,在短时间内，空种皮杯内韧皮部汁液的收集量与种子实际生长量相仿，用以研究同化物韧皮部卸出机理和调节,图 给大豆种子注射激素的示意图,(3)微注射法：微量进样器将少量激素等物质注入正在生长的种子，观察

6、与测定激素等化学物质对种皮卸出同化物的影响,微量进样器须插入两片子叶之间，左侧种子可作为对照,(4)分子生物学技术 将编码绿色荧光蛋白(GFP)的基因导入病毒基因组内，这样可直接观察病毒蛋白在韧皮部中的运输。,（A）细胞壁横断面中GFP与花叶病毒（CMV）的荧光性的嵌合体。（B）叶肉细胞之间的胞间连丝纹孔中的(GFP）与MP的嵌合体。,显示了几种通过胞间连丝传导的病毒蛋白（MP）用荧光显微镜可能观察绿色荧光蛋白（GFP）与MP的结合,苹果酸,韧皮部运输的机理,二、韧皮部运输的物质,因植物种类、发育阶段、生理生态环境等因素的变化而表现出很大的差异。,主要形式,韧皮部运输的机理,韧皮部中几种糖的结

7、构,糖醇，如甘露醇、山梨醇等,为什么蔗糖等非还原糖是主要的运输形式？,韧皮部运输的机理,烟草木质部与韧皮部汁液成分比较,源端韧皮部装载过程,三、韧皮部的装载(phloem loading)：,a.质外体装载,b.共质体装载,2.韧皮部装载的机理,a.质外体装载机理,b.共质体装载机理,1.韧皮部装载的途径,质外体,韧皮部运输的机理,1.韧皮部装载的途径a.质外体装载(apoplasmic phloem loading),伴胞,筛管,(SE-CC复合体质膜上的蔗糖载体),逆浓度梯度,光合细胞,支持质外体装载的实验证据：,如大豆，玉米小叶脉SE-CC复合体与周围薄壁细胞间无胞间连丝连接；在SE-C

8、C复合体介面上存在大的渗透梯度，SE-CC内的蔗糖浓度可高达8001000mmolL-1，而叶肉细胞的蔗糖浓度只有50mmolL左右；用14C标记的大豆叶片质外体中存在高浓度的14C-蔗糖。质外体中蔗糖含量占细胞总蔗糖含量的7%；用14C蔗糖和14C葡萄糖进行的放射性自显影研究表明，SE-CC复合体可以直接吸收蔗糖，但不吸收葡萄糖等非运输形式的糖分子；代谢抑制剂如DNP及厌氧处理会抑制SE-CC复合体对蔗糖的吸收，这表明质外体装载是一个主动过程；用质外体运输抑制剂PCMBS(对氯汞苯磺酸)处理14CO2标记的叶片，然后进行放射性自显影，发现SE-CC复合体中几乎无14C蔗糖存在。SE-CC复合

9、体上有蔗糖运载体,位于筛管分子质膜上的H-ATP酶分解ATP并利用释放的能量将H转运到质外体。,使质外体中H浓度升高，H顺电化学势梯度经质膜上的特殊载体扩散回筛管分子细胞质。,此载体将H的向内扩散与蔗糖的向内转运偶联起来，称为蔗糖/质子共转运。,蔗糖载体,韧皮部运输的机理,质外体装载机制蔗糖/质子共转运,伴胞,筛分子,细胞壁（质外体）,细胞质（共质体）,质膜,蔗糖,蔗糖,高H浓度,低H浓度,蔗糖-H共运输,韧皮部运输的机理,实验证据：胞间连丝 PCMBS:(对氯汞苯磺酸)质外体运输抑制剂 荧光黄CH:不能透过膜的染料,b.共质体装载(symplastic phloem loading),光合细

10、胞,胞间连丝,顺浓度梯度,伴胞或中间细胞,筛管,胞间连丝是细胞间非特异的运输通道,如何对被运输糖进行选择？,筛分子伴胞复合体通常具有较高的膨压和糖浓度，而向其运输同化物的细胞却具有较低的膨压和糖浓度,细胞如何维持糖通过胞间连丝从低浓度向高浓度逆浓度梯度运输？,韧皮部运输的机理,问题？,非运输糖在伴胞和筛管分子中转变为运输糖的模型，解释通过胞间连丝的共质体韧皮部装卸的选择性和逆浓度梯度运输。,共质体装载机制,韧皮部装载的聚合物陷阱模型,第一种假说称“多聚化截留机理”,第二种假说“内质网络运输机理”,四、有机物运输的动力、运输机制,压力流动学说Pressure flow theory,细胞质泵动学

11、说Cytoplasmic pumping theory,收缩蛋白学说Contractile protein theory,解释有机物质运输机制的假说有三个,渗透动力,代谢动力,代谢动力,压力流动学说,细胞质泵动学说,收缩蛋白学说,解释有机物质运输机制的假说有三个,要点（1930，明希）：在源端（叶片），光合产物不断地装到筛管分子中，浓度增加，水势降低，吸水膨胀，压力势升高，推动物质向库端流动；在库端，同化物不断地卸出到库中去，浓度降低，失水，压力势下降。源库两端便产生了压力势差，这种压力势差推动物质由源到库源源不断地流动。,输导系统两端,同化物的浓度差异,压力差,筛管中的溶液流动,1.只能说明

12、单方向运输,2.源库端的压力势差不能克服 筛板的阻力,3.学说本身没有反映代谢的主 动作用,4.筛管内P蛋白的作用？,压力流动学说不完善的方面,压力流动学说,细胞质泵动学说,收缩蛋白学说,解释有机物质运输机制的假说有三个,要点：筛管分子内腔的细胞质呈几条长丝，形成胞纵连束，纵跨筛管分子，束内呈环状的蛋白质丝反复地、有节奏地收缩和张驰，产生一种蠕动，把细胞质长距离泵走，糖分随之流动。,压力流动学说,细胞质泵动学说,收缩蛋白学说,解释有机物质运输机制的假说有三个,要点：,第一，筛管内存在P蛋白，成束贯穿于筛孔，P蛋白的收缩可以推动集流运动。,第二，P蛋白的空心管壁上有大量的微纤丝（毛），微纤丝一端

13、固定，一端游离于筛管细胞质内，似鞭毛一样的颤动，这种微纤毛驱动空心管内的脉冲状流动。,P蛋白的收缩需要消耗能量（ATP)。,收缩蛋白是将化学能转变为机械能的唯一动力,压力流动学说,细胞质泵动学说,收缩蛋白学说,解释有机物质运输机制的假说有三个,贡献,双向运输；,运输过程所需要的能量供应。,解决了两个方面的问题：,是指光合同化物从SE-CC复合体进入库细胞的过程。,韧皮部运输的机理,五、韧皮部卸出(phloem unloading),蔗糖卸出到库组织的可能途径,蔗糖（S）从质外体进入细胞，或从胞间连丝进入细胞。葡萄糖（G）和果糖（F）,1.共质体卸出,2.质外体卸出,蔗糖从SE-CC复合体跨质膜

14、进入质外体是通过顺浓度梯度的简单扩散作用进行的，而蔗糖跨质膜从质外体进入库细胞是由载体介导并需要消耗能量的质子-蔗糖共运输机制进行的。,(1)通过扩散作用(2)通过集流方式,韧皮部卸出的机理及调节,一、源和库的关系 二、同化物的分配规律和影响因素三、同化物的再分配与再利用,第四节、同化物的分配及控制,源,源-库单位:,同化物的分配及控制,库,指植物制造和输出同化物的 部位或器官，主要指进行光合作用的 叶片。,吸收、消耗、贮存同化物是部位或器官，这些部位生长旺盛、代谢活跃，如生长点，正在发育的幼叶、花、果实等。分为代谢库和贮藏库,1、源和库,一、源和库的关系,源强：,库强：,源器官同化物形成和输

15、出的能力,库器官接纳和转化同化物的能力,同化物的分配及控制,影响源强的因素：,光合速率,丙糖磷酸从叶绿体向细胞质 的输出速率,叶肉细胞中蔗糖的合成速率,去叶、提高CO2浓度、改变光强、供给外源糖,2、源和库的度量,源对库的影响,库对源的反馈作用,源是库的供应者，库对源具有调节作用。,库源相互依赖，又相互制约。,同化物的分配及控制,3、源-库关系,库小源大,库大源小,大小年现象,韧皮部运输的方向“源库”,就近供应,同侧运输,向生长中心运输,韧皮部运输的机理,二、韧皮部运输的规律,途径,细胞内含物先解体后再经质外体、共质体途径撤离、转移，也有不解体而直接穿壁转移的，直至全部细胞撤离一空。,质外体和

16、共质体途径,三、同化物的再分配与再利用,（1）掌握生长中心，促使源库及时形成，防止贪青或早衰。（2）水肥调节根冠比和源库关系；（3）化学调控；整枝修剪、环割、疏花疏果等。,生产上的应用,外界环境刺激因子和胞间信号分子等，作用于细胞表面或胞内受体后，跨膜形成胞内第二信使，及经过其后的信号途径分级联传递、引起细胞生理反应和诱导基因表达的过程。,植物体内的信号传导,细胞信号转导,环境刺激,植物体内的信号传导,外界信号影响植物生长发育,植物体内的信号传导,1.化学信号,指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。植物激素,植物体内的信号传导,激素信号由膜上或细胞其它部位的专一性受体接受

17、，并直接或间接地影响基因表达。,一、胞间信号的传递：,干旱,ABA,CTK,正化学信号,负化学信号,正化学信号(positive chemical signal)。负化学信号(negative chemical signal)。,虫咬,寡聚糖,如果将受害叶的细胞壁水解片段(主要是寡聚糖)加到叶片中，又可模拟伤害反应诱导PIs的产生，,虫咬,不会产生PIs,产生蛋白酶抑制物PIs,产生PIs,是由受伤叶片释放并经维管束转移，继而诱导能使PIs基因活化的化学信号物质。,当植物的一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶和其它叶产生PIs等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害,寡聚糖,2.物理信号,是指细胞感受到刺激

18、后产生的能够起传递信息作用的电信号和水力学信号。,水力信号，即压力势的变化。,电信号传递是植物体内长距离传递信息的一种重要方式。,植物体内的信号传导,一、胞间信号的传递：,受触及的含羞草小叶在1至2 秒钟向下弯，这是由于电波引发叶枕运动细胞中大量的K+和Ca 2+转运，引起膨压改变的结果,增加膨压,小叶,叶枕,叶柄,失去膨压,电信号,植物细胞对水力学信号(压力势的变化)很敏感。玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔的开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。,水力信号,(1)易挥发的化学物质在体内气相的传递茉莉酸甲酯,(2)化学信号的韧皮部传递ABA，JA，SA和寡聚半乳糖,(3)化学

19、信号的木质部传递ABA,(4)电信号传递，短共质体、质外体；长维管束系统,(5)水力学信号传递，含水体系木质部,当环境信号的作用位点与效应位点在植物不同部位时，胞间信号就要作长距离的传递。,植物体内的信号传导,3.信号的传递,植物体内的信号传导,细胞信号转导,1、受体（receptor）,胞质,质膜,细胞壁,激素,受体,接受,转导,反应,植物体内的信号传导,2、G蛋白偶联蛋白或信号转换蛋白,二、跨膜信号转换机制,受体(receptor)是指在细胞质膜上或亚细胞组分中能与信号物质特异性结合，并引发产生胞内次级信号的特殊成分。能与受体结合的特殊信号物质称配体(Ligand)。受体可以是蛋白质，也可

20、以是一个酶系。,受体的主要特性：能与配体特殊结合；高度的亲和力；饱和性。根据受体在细胞中的位置，可将它分为细胞表面受体和胞内受体。,1、受体与信号的感受,动物细胞中质膜上的三种类型的受体,(A)G蛋白偶连受体 活化时 G蛋白连接受体传递信息到G蛋白，其上有GTP。GTP复合体中的-亚基能与、亚基分开，进入细胞质激活其他酶。(B)酶偶连受体 受体通常是蛋白激酶，与信号结合后，随受体活化，内部分子磷酸化，传递信息。(C)离子通道偶连受体 受体可能本身就是细胞表面重要的通道。接受信号时，通道开放。也有些离子通道连接受体是在内部膜上。,信号分子,GTP蛋白,酶,活化的GTP蛋白,活化的酶,(A)G蛋白

21、偶连受体,(B)酶偶连受体,(C)离子通道偶连受体,无催化作用的结构功能域,有催化作用的结构功能域,信号分子,信号二聚物,植物体内的信号传导,G蛋白是细胞膜受体与其所调节的相应生理过程之间的主要信号转导者。,两大类,又称偶联蛋白或信号转换蛋白。G蛋白全称为GTP结合调节蛋白(GTP binding regulatory protein)，此类蛋白由于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷(GTP)的结合以及具有GTP水解酶的活性,吉尔曼(Gilman)与罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖,2、G蛋白,外界信号,受体,激活的受体,G蛋白的亚基与GTP结合而被活化,活化的亚基与亚基复

22、合体分离而呈游离状态,直接或间接的方式调节相应的生理生化活动,亚基所具有的GTP酶活性将与亚基相结合的GTP水解为GDP,亚基恢复到去活化状态并与亚基结合为复合体,植物体内的信号传导,三聚体G蛋白作用模式图,植物体内的信号传导,细胞信号转导,（1）.钙信号系统,（3）.环核苷酸 cAMP信号系统,（2）.肌醇磷脂信号系统,第二信使系统(second messengers),将胞外刺激信号称作第一信使，由胞外信号激活或抑制、具有生理调节活性的细胞内因子称第二信使。,植物体内的信号传导,三、胞内信号的转换,细胞信号转导的主要分子途径,Ca2+在植物细胞中的分布极不平衡。植物细胞质中Ca2+含量一般

23、在10-710-6molL-1，而胞外Ca2+浓度约为10-410-3molL-1；胞壁是细胞最大的Ca2+库，其浓度可达15molL-1；细胞器的Ca2+浓度也是胞质的几百到上千倍。,钙离子 植物细胞内的游离钙离子是细胞信号转导过程中重要的第二信使,1.钙信号系统,细胞质中开放的Ca+2通道附近Ca+2的分配 颜色区表示Ca+2浓度，红的最高，蓝的最低,很多外界因子可以改变膜势，激活电压门控通道，允许Ca2+通过,a.当细胞受到外界信号时，从质外体进入质膜内侧以及从细胞内的钙库（内质网,液泡）流向细胞液，使细胞液中Ca2+量增大。,b.细胞液中的钙受体蛋白与Ca2+结合，Ca2+受体复合体使

24、一些功能蛋白作用引起相应的生理生化反应。,c.当完成信息传递后，Ca2+又迅速被泵出胞外或被胞内钙库吸收，细胞液中Ca2+又回落到受刺激前的水平，Ca2+与受体蛋白分离。,植物体内的信号传导,Ca信号转导途径：,阈值(一般10-mol),胞内Ca2+信号通过其受体-钙调蛋白转导信号。现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：钙调素和钙依赖型蛋白激酶。钙调素(calmodulin,CaM)是最重要的多功能Ca2+信号受体，由148个氨基酸组成的单链的小分子(分子量为17 00019 000)酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。,目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控，如多种蛋白激

25、酶、NAD激酶、H+-ATPase、Ca2+-ATP酶、Ca2+通道等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM的信号系统也起着重要的调节作用。生长素、光、摩擦等都可引起CaM基因活化，使CaM含量增加。,钙调蛋白,A.钙调素呈哑铃形，长为6.5nm，每个哑铃球是有2个Ca2+结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄，无Ca2+结合时，两个球部沿着中心螺旋折叠。B.形成Ca2+-CaM复合体后，结合到靶酶上。Ca2+-CaM复合体的形成使CaM与许多靶酶的亲和力大大提高。,+Ca+2,激酶活性,一般来说，CDPK在其氨基端有一个激酶活性域，在其羧基端有一个类似CaM的结构区域，在两者之间还

26、有一个抑制域。当位于CDPK上类似CaM的结构区域上的钙离子结合位点与Ca2+结合后，抑制被解除，酶就被活化。,钙依赖型蛋白激酶(calciumdependent protein kinase,CDPK),在质膜受体接受胞外信号后，经G蛋白中介，由G-蛋白激活磷酸酶C(PLC)的水解作用形成两种信号分子IP和DAG,IP3作用于液泡膜上的受体后，在膜上形成Ca2+通道，使Ca2+从液泡中释放出来，引起胞内Ca2+水平增加，启动胞内Ca2+信号系统，调节和控制一系列的生理反应。,植物体内的信号传导,蛋白激酶C,双信使系统,2.肌醇磷脂信号系统,植物体内的信号传导,3.环核苷酸 cAMP信号系统？

27、,（a）高等植物细胞中是否普遍存在cAMP;（b）生理浓度的cAMP是否可引起植物细胞的生理生化效应；（c）植物细胞内是否存在合成和降解cAMP的酶；（d）植物细胞内是否存在cAMP的靶蛋白。,是否植物细胞也存在类似于动物细胞中的cAMP第二信使系统?,凡是能在胞外刺激信号下发生改变的胞内因子，如果该因子的变化能引起细胞生理活动的变化，则这种因子就是细胞的第二信使。一些化学物质，如H+、H2O2、Mg2+、氧化还原物质以及胞质pH等，是否是植物的胞内信使，尚在探讨之中。信号网络，多种信号分子相互联系，立体交叉，协同作用，实现生物体中的信号传导过程。,其它第二信使,植物细胞中信号转导网内的相互关

28、系 MAPK，激化细胞分裂的蛋白激酶,植物体内许多功能蛋白转录后需经共价修饰才能发挥其生理功能，蛋白质磷酸化就是进行共价修饰的过程。蛋白质磷酸化以及去磷酸化是分别由一组蛋白激酶(protein kinase)和蛋白磷酸酯酶(protein phosphatase)所催化的，即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号。,蛋白质可逆磷酸化反应式 NTP代表ATP或GTP，NDP代表ADP或GDP，,四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化,蛋白激酶可对其底物蛋白质所特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，从而引起相应的生理反应，以完成信号转导过程。蛋白激酶是个大家族，植物中约有2%-3%的基因

29、编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶有丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等3 类。在植物中，目前已知的蛋白激酶至少有30多种，它们的作用也表现在多个方面，包括向光性、抗寒、抗病、根部的向地性、光合作用、自交不亲和性以及细胞分裂等。,(一)蛋白激酶,蛋白磷酸酯酶逆磷酸化作用，是终止信号或一种逆向调节，与蛋白激酶理论上有同等重要意义，现在植物中鉴定出几种不同的蛋白质磷酸酯酶。如豌豆、胡萝卜中的Type1蛋白磷酸酯酶、豌豆、胡萝卜、小麦中的Type2A和Type2C蛋白磷酸酯酶等。蛋白质磷酸化的可逆性为细胞的信息提供了一种开关作用。有效而经济地调控对内外信息的反映。,(二)蛋白磷酸酯酶,