11第十章植物的抗性生理.ppt

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1、1,第十章 植物的抗性生理Chapter 10 Hardiness Physiology,第一节 抗性生理通论 第二节 植物的抗旱性 第三节 植物的抗寒性第四节 植物的抗涝性,2,第一节 抗性生理通论 Section 1 Generality of Hardiness,一、逆境及其种类,逆境(Stress)：对植物生存与生长发育不利的各种环境因素的总称，又称胁迫，如干旱,低温等。,3,非生物逆境:物理因素：低温、高温、干旱、水涝、辐射、风、雨、雪等。化学因素：盐类、离子、气体、除草剂等。,逆境种类生物逆境:其它生物的感染或竞争，包括病害，虫害，杂草。,4,Yield Losses From B

2、iotic and abiotic Stresses,1333kg/mu,5,生物胁迫,6,抗性方式逆境逃避(Stress avoidance)：防止接触胁迫。逆境忍耐(Stress tolerance)：植物抵抗胁迫。,二、抗性及其方式,抗性(Hardiness)：植物对逆境的适应性和抵抗力叫抗逆性，简称抗性，如抗旱性，抗寒性等。,7,胁迫可以引发植物从调节基因表达和细胞代谢到生长速率和产量变化等一系列反应。,8,三、逆境对植物的影响膜结构损坏，膜透性、膜酶活性改变光合下降 呼吸异常可溶性物质增加：如糖类,游离氨基酸等.激素浓度改变：IAA,GA,CTK下降;ABA,Eth升高,9,四、植物

3、抗逆的生理生化基础1.生物膜与抗逆性 研究表明：膜脂不饱和脂肪酸含量越高，不饱和度越高，抗寒性越强。有人认为：逆境下，膜蛋白越能维持活性，抗逆性越强。,10,2.逆境蛋白与抗逆性,胁迫是可以接受和识别的环境信号；植物识别逆境信号后，该信号就在细胞之间和整株植物中传递；逆境信号的传递通常会导致细胞水平上的基因表达发生变化；它又接着影响到整株植物的代谢和发育。,非生物胁迫通常引起植物基因表达模式发生改变,11,热激蛋白（heat shock protein）：在高于正常生长温度1015 以上的温度即热激(heat shock，HS)下，生物体大部分正常蛋白质的合成和mRNA 的转录被抑制，同时迅速

4、合成一些新的蛋白质称之为热激蛋白(heat shock proteins,HSPs)，这种现象叫做热激反应(heat shock response，HSR)。,12,从细菌到人，所有生物都可对热激产生反应，而且除温度外，其它许多因子如氨基酸类似物、高盐浓度、厌氧、水分胁迫、低温、重金属离子、亚砷酸盐、乙醇、营养饥饿、2,4-D、ABA 等都可以诱导热激反应，合成的HSPs 参与生物的许多代谢过程。,13,热激蛋白定位于细胞的多种细胞器,包括细胞质、叶绿体、线粒体和内膜系统。目前已发现几十种热激蛋白，属于5个蛋白质家族。近来发现其中很大一部分为监护蛋白(Chaperone，Cpn)，是一种辅助蛋

5、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。,14,Heat Shock Cognate Protein,除热激外,正常生活的细胞中也有HSPs,这类HSPs 是组成型表达的,称为HSC(heat shock cognate protein)。HSC 和诱导型HSP 在结构和功能上都很难区分,统称HSP。,15,热激反应的特点,16,1）HSPs 的保守性,亲缘关系很远的原核生物和真核生物的同种HSP 的同源性很高。真核生物HSP70s 和大肠杆菌的HSP70 即DnaK蛋白的同源性大于65%。,17,不同物种相同细胞器之间的同源性比同一物种不同细胞器之间的

6、同源性高。玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、绿藻等细胞质HSP70 氨基酸的同源性达75.0%,但和番茄定位于内质网的HSP70 比较,则同源性只有54.9%。,18,同种植物不同类型的HSPs 的同源性较低 如豌豆HSP18.1、HSP17.7、HSP22.7 和HSP21 分别属于不同类型,它们之间的同源性低于50%。,19,20,21,22,2）热激反应的短时性,Northern blots 分析表明,热激时35 min 就可检测到大豆幼苗HSP mRNAs 的积累,12 h 达到高峰,6 h 后显著下降,12 h 就检测不出了。放射性标记显示,氨基酸渗入HSPs 在4 h 达到高峰,随

7、后下降。,23,RNA blot hybridization of RNA samples obtained from seedlings subjected to different heat stress treatments to analyze maize HSP101mRNA levels.,24,25,3）热激蛋白的多样性,HSPs 的种类很多,分子量从15 kD110 kD 或更高,定位于多种细胞器。大多数植物常见的大分子HSPs 为68、70、83、92 kD 等。此外,分子量更大的如番茄的HSP95、大麦的HSP99、小麦的HSP103、棉花的HSP100、烟草的HSP100

8、 和120、以及大豆的HSP110 等。植物热激蛋白的显著特点是smHSPs 相当多,大多数植物sHSPs 在20 种左右。,26,热激蛋白的主要功能,27,1）分子伴侣,分子伴侣(molecular chaperones)是指与新生肽链的折叠,寡聚蛋白质的组装和蛋白质的跨膜运输有关的一类特殊蛋白质分子。HSP60、HSP90、HSP70、smHSPs 都具有分子伴侣作用。,28,低温诱导蛋白：低温诱导一系列基因的表达，这些基因的表达产物可以帮助植物提高对冰冻胁迫的适应能力。已发现上百种低温诱导蛋白。如鱼抗冻蛋白能与水分子形成特殊结构，使冰点降低1.5。,许多低温调节蛋白也可以被ABA或干旱单

9、独诱导合成。这些蛋白包括第2组和第5组LEA蛋白及其它低温诱导蛋白。,29,2）生物的耐热性,热激条件下,大豆中I 类smHSPs 的含量可达到总细胞蛋白的1%以上,并且和耐热性的获得一致。用生物工程技术使拟南芥的热激转录因子表达,并诱导细胞质I 类smHSPs 组成型表达,同时耐热力提高。,30,31,3）在植物种子发育中的作用,In the absence of environmental stresses,synthesis of sHsps in plants is restricted to certain stages of development,such as embryoge

10、nesis,germination,pollen development,and fruit maturation.,32,In Arabidopsis embryos,cytosolic AtHsp17.4-CI and AtHsp17.6-CI(former name AtHSP17.4 and HSP17.6),and AtHsp17.7-CII begin to accumulate when seeds enter mid-maturation stage and are abundant through the late maturation stage and in dry se

11、eds,33,In pea and sunflower,both cytosolic class I and class II sHsps appear in embryos during reserve synthesis and increase in abundance in mature seeds.,34,BiP 在所有植物中含量丰富,受热激诱导不明显,主要受营养(葡萄糖饥饿)调节,和内质网上的束缚核糖体合成蛋白质有密切关系,可能参与种子贮藏蛋白的合成。,35,4）在植物减数分裂中的作用,玉米受精时对热敏感,高温时导致减产,部分原因可能是成熟花粉不能合成HSPs。玉米花粉的热敏感性可

12、能是从单核到双核花粉粒的转变开始,合成HSPs 的能力逐渐下降,花粉成熟时完全丧失。从单核到双核花粉粒的转变是花粉发育的一个重要阶段,其特征是“早期”花粉基因表达关闭,“晚期”花粉基因开始表达。,36,抗冻蛋白 Antifreeze proteins(AFP),Overwintering plants produce antifreeze proteins(AFPs)having the ability to adsorb onto the surface of ice crystals and modify their growth.,37,抗冻蛋白的分离和特性鉴定,自1992 年加拿大Gr

13、iffith第一次从冬黑麦中获得植物AFP 以来,已先后从冬大麦、小麦、燕麦、沙冬青和胡萝卜等质外体中获得AFP(antifreeze proteins,AFPs)。AFP 在体外水溶液中均表现出典型的热滞效应(降低冰点)和重结晶抑制活性。AFP 主要通过重结晶抑制作用来避免冰晶体对细胞组织的伤害。植物生理学的研究结果揭示,植物抵御冻害的途径主要有2 条:一是避免细胞内冰晶的形成和阻止冰晶的生长,二是维持细胞膜的结构稳定性和蛋白质核酸的生物活性。抗冻蛋白及其基因的研究是其中的一项重要内容。,38,抗冻蛋白的生化特征,从极区鱼、昆虫到植物，不少具有AFP 特性的蛋白质被发现，它们有糖蛋白，也有非

14、糖基化蛋白，分子量大小不等,进一步的化学结构只有鱼类研究得比较清楚。总体上来看，鱼、昆虫和植物3 类生物之间AFP 的化学结构差异很大，同类生物之间的AFP同源性也不高。但在植物AFP 中发现了一种有趣的现象，即AFP 与某些抗病蛋白具有化学结构上的相似性。,39,Cloning and characterization of plant antifreeze protein genes,黑麦、小麦和大麦AFP 中存在着-1,3 葡聚糖酶,几丁质酶和甜蛋白结构与功能类似的多肽。胡萝卜AFP 富含亮氨酸,与多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(polygalacturonase inhibitor prot

15、eins,PGIPs)的不少成员有很高的同源性。,40,植物抗冻蛋白的基因工程,1998 年10 月英国York 大学的Dawn Worrall 等发表了胡萝卜AFP 及其基因的论文,标志着第一个植物AFP 基因的发现,对于植物抗冻基因工程具有非常重要的意义。在此之前,只有鱼类4 种AFP 的基因结构研究得较为清楚,昆虫和植物一无所知。因此,人们从事AFP 基因工程的目的基因只有来源于鱼类。,41,转化郁金香、烟草、油 菜、玉米,1987 年,Davies 等将AFP 基因整合在T i 质粒上,用叶盘法转化郁金香、烟草、油菜等,获得了一定的抗冻力。1990 年Georges 等合成了冬比目鱼A

16、FP 基因,构建了含35S 启动子、AFP 基因和CAT 基因的表达载体,将其通过电击导入玉米原生质体,通过CAT 分析以及用AFP 和CA T 的抗血清做的蛋白质印迹,检测到了融合肽的产生。,42,转化烟草和番茄,1991年Hightower 等将极区鱼的afa3 AFP 基因由农杆菌介导转入烟草和番茄,在二者的叶内均检测到了高水平表达的mRNA,但在组织提取物中未检测到重结晶抑制作用的活性。在另一组试验中,他们将截短了的葡萄球菌A 蛋白基因与afa3 抗冻基因组成嵌合基因,结果在转基因番茄的组织中不仅检测到了mRNA,而且检测到了融合蛋白。在含有融合蛋白的组织提取物中检测到了重结晶抑制作用

17、。据报道这种转基因番茄果实可经受冷冻不坏死。,43,转化马铃薯,1997 年W allis 等按照Winter flounder 成熟AFP 的氨基酸序列人工合成了一段基因,并接上信号肽,以使其定向表达于质外体。该基因被转入马铃薯后,用免疫杂交的方法检测到了表达产物AFP。对马铃薯叶片电解质释放量的分析表明,转基因蛋白表达水平与冰冻忍耐程度之间存在着相关性。,44,胡萝卜AFP转化烟草,1998年，Daw nWo rrall 等将胡萝卜A FP cDNA 连接在表达载体的双CaMV 35S 启动子之后导入烟草,让其组成性表达。9 个独立的转基因株系在温室条件下表现正常。用蛋白质免疫杂交法分析这

18、些株系的叶提取物,有8 个株系表达了36 kD 的多肽。这些含有胡萝卜A FP 的烟草提取物可以抑制冰晶的生长。,45,渗压素(Osmotin)：是一组阳离子蛋白。可能是盐适应过程中形成的储藏蛋白，亲水性强。厌氧多肽：厌氧下形成，有一些是糖酵解酶或与糖代谢有关的酶。,46,植物抗氧化系统,47,Antioxidants,Oxidants,Oxidative Damage,Enzymatic Defences catalytically remove ROS,Metal Sequestration Proteins,Low MW Antioxidants,Other Protective Com

19、pounds e.g.HSPs,(Repair Processes),48,氧胁迫,在温度（高温或低温）、水分、盐碱、UV、臭氧（ozone）等胁迫下,植物体内会产生一系列有害的活性氧（active oxygen species，AOS；reactive oxygen species,ROS)。,49,活性氧种类,能导致氧化伤害的活性氧种类包括超氧自由基（O2）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（OH）。,50,Molecular O2 is reduced through four steps,thus generating several O2 radical species,51,活性氧的

20、毒性,活性氧能与酶的巯基或色氨酸残基反应，导致酶失活；活性氧会破坏核酸结构，攻击核酸碱基，使嘌呤碱和嘧啶碱结构变化，导致变异出现或变异的积累；DNA是蛋白质合成的信息，由于活性氧对DNA复制过程的损伤，从而妨碍蛋白质合成；启动膜脂过氧化反应，使维持细胞区域化的膜系统受损或瓦解。,52,植物抗氧化系统,植物为保证各部分的正常功能，对潜在的活性氧伤害存在着精细而复杂的防御系统，以清除体内活性氧,使细胞免受毒害。其中最明显的是合成与清除活性氧有关的酶。植物抗氧化系包括抗氧化酶（antioxidative enzyme）和抗氧化剂（antioxidant）。,53,抗氧化剂,抗氧化剂主要包括维生素E、

21、维生素C、类胡萝卜素和谷胱甘肽,54,抗氧化酶,超氧化物歧化酶(Superoxidedismutase,SOD)过氧化氢酶(catalase,CAT)抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)谷胱甘肽还原酶（Glutathione reductase，GR）过氧化物酶(Peroxidase,POD)谷胱甘肽转移酶（Glutathione S-transferase,GST）,55,超氧化物歧化酶,超氧化物歧化酶（EC,1.15.1.1）是生物细胞普遍存在的金属酶，催化O2 的歧化反应，生成氧和H2O2。,56,SOD的类型,Cu-Zn-SODMn-SODFe-SOD

22、 高等植物以Cu-Zn-SOD为主，也有部分的Mn-SOD。Fe-SOD在5个科的植物，如银杏科、睡莲科、芸香科、十字花科和茄科中被发现。Fe-SOD基因也从水稻、鼠耳芥、大豆和白花丹叶烟草中得到克隆。,57,SOD定位,Cu-Zn-SOD主要定位叶绿体Mn-SOD主要存在于线粒体定位于细胞质,58,过氧化氢酶,CAT存在过氧化物体和细胞质中CAT的主要作用是将不同过氧化过程，如光呼吸和脂肪酸-氧化反应中产生的H2O2分解为H2O和O2。CAT 2H2O2 2 H2O+O2,59,植物CAT具有多种同工酶，由一个多基因家族编码。在烟草和玉米，水稻，豌豆，拟南芥分离到CAT基因，cat1,cat

23、2和cat3。CAT为由4个亚基与Fe（）血红素辅基组成的四聚体，分子量在225-269kD之间。不同来源的亚基分子量为60-80kD。血红素连接在酶的活性部位。,60,过氧化物酶,POD和CAT有相似的作用，清除生理系统的H2O2。POD H2O2+R（OH）2 H2O+RO2,61,大多数植物中存在大量的过氧化物酶同工酶，如烟草中存在至少12种过氧化物酶同工酶，大豆则有大约20种同工酶，由于过氧化物酶同工酶表达的多样性，因而难于研究其确切的功能。,62,大豆过氧化物酶基因,从大豆中分离到4中过氧化物酶基因，GmEpa1、GmEpa2、GmEpb1 和GmEpb2分别编码303，303，29

24、2，和292个氨基酸残基GmEpa1 和GmEpa2的氨基酸同源性达97%GmEpb1和 GmEpb2的氨基酸同源性达93%GmEpa1和GmEpb1的氨基酸同源性仅为47%,63,抗坏血酸过氧化物酶（APX）,抗坏血酸过氧化物酶（APX）以过氧化氢为氧化剂催化还原型抗坏血酸形成脱氢抗坏血酸（氧化型）。植物叶绿体和细胞质中过氧化氢脱毒主要途径为抗坏血酸谷胱甘肽循环中两个关键酶是抗坏血酸氧化酶和谷胱甘肽还原酶。,64,APX约为30kD，一般以单体的形式存在，有些胞质APX也会出线二聚体。APX同工酶有多种类型，有12种在细胞质，2种在叶绿体膜上，1种在叶绿体类囊体基质中，此外还发现位于乙醛酸体

25、和过氧化物体膜上的APX。拟南芥AVAPX1 cDNA为1089bp，编码291氨基酸残基。,65,谷胱甘肽还原酶（GR）,GR是一种黄素蛋白氧化还原酶，在硫的贮藏和运输起重要作用，还参与多种细胞代谢过程。在氧胁迫反应中消除活性氧起关键作用。,66,植物中存在多种GR同工酶 油菜GR cDNA，编码502个氨基酸残基，分子量为54.5kD，与在拟南芥和豌豆的GR的氨基酸同源性分别达到92.2%和79.5%。,67,渗透调节与抗逆性 渗透调节（osmoregulation）：指耐旱植物可以调节它们的溶质势以抵消暂时或长期的水分胁迫，是植物细胞中溶质颗粒数目净增加的结果。渗透调节在帮助植物顺应干旱

26、或盐性环境中起到关键作用。植物渗透调节能力越强，抗逆性越强。,68,69,渗透势下降的原因：一是细胞失水时胞内溶质浓缩；二是胞内溶质数量增加，其中后者作用更大。参与渗透调节的主要物质：一是细胞内大分子分解以及重新合成的化合物，如氨基酸、糖等，其中Pro-与甜菜碱变化最明显；二是从环境进入植物细胞内的无机离子，如K+、Cl-。前者比后者更重要。,70,重要的渗透保护物质：脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱、甘露醇、松醇,71,5.ABA与抗逆性 a.逆境下，ABA含量升高。外施ABA可以提高抗逆性。,72,b.ABA在交叉适应中起重要作用。交叉适应（cross adaptation）：植物处于一种逆境下，能

27、够提高对另一种逆境的适应性。如水分胁迫可提高抗寒性。,73,植物对病原体的反应,Virus,Fungi,Bacteria,General elicitors,infection,Innate immunity,74,植物病原体(plant pathogens)?在植物体内完成一部分或全部生活周期，并对植物造成有害影响的生物体。植物病原体有真菌、细菌、病毒等。植物病害?植物受到病原体的侵染并使其生长发育受到抑制的现象。,75,致病真菌：已知真菌超过10万种，其中50种引起人的疾病，50种引起动物的疾病，主要是皮肤病或四肢病，但约2000种真菌引起植物病害。致病细菌：欧文氏菌属、假单胞杆菌属、黄单

28、胞菌属、农杆菌属、棒杆菌属植物病毒：有DNA和RNA植物病毒，其中绝大多数是单链正义RNA病毒,76,1 植物病原体的致病机理,病原体通过酶解、气孔、皮孔或 损口侵入植物。大部分微生物只攻击植物的一个特定部位，而且产生特征性的病症（如花叶、坏死、斑点、枯萎、或根部膨大）。番茄植株可能受到100种以上的病原体微生物的攻击。,粉霉,细菌斑,斑萎病,炭疽病,根瘤线虫,冠瘿,镰刀菌枯萎病,番茄花叶病毒,77,病原体利用植物的三种方式坏死营养型（necrotrophy）:该方式导致植物死亡。活体营养型（biotrophy）：植物细胞仍能生存。半活体营养型(hemitrophy)：病原体最初让细胞生存(活

29、体营养型)，但在感染晚期杀死它们(坏死营养型)。,78,1.1 真菌类植物病原体的致病策略(1),坏死营养型真菌分泌降解细胞壁的酶或毒素，或同时分泌两者。每种毒素都有高度专一的作用方式，特异地使植物中某一种酶失活。玉米病原真菌Cochliobolus carbonum产生的HC-toxin抑制组蛋白脱酰酶的活性，该酶是激活植物防御基因所必需的。,79,1.1 真菌类植物病原体的致病策略(2),活体营养型的真菌让植物细胞保持存活。真菌穿过细胞壁，形成吸器（haustorium)，使细胞质膜内陷。真菌吸器增加了两种生物表面间的接触，从而增大水分和养料的流动，促进真菌的生长。,吸器,附着器,孢子,吸

30、器,80,1.1 真菌类植物病原体的致病策略(3),半活体营养型病原体最初 采用活体营养方式，然后采用坏死营养方式。真菌生物量的增加，进而触发由活体营养方式向坏死营养方式转变，在感染晚期杀死植物。有些世界上最具破坏力的病原菌就属于这一类。,马铃薯晚疫病,81,1.2 细菌类植物病原体的致病策略,植物致病细菌定殖在质外体，造成烂口、斑点、维管萎缩、癌肿和枯萎。它们大多数属于橄榄上革兰氏阴性杆菌，欧文氏菌属、假单胞杆菌属或黄单胞菌属。,黄单胞菌,细菌在寄生阶段一般生活于各种植物器官的细胞间隙，或者 生活在木质部中。许多细菌在致病的某一阶段会分泌毒素、胞外多糖(EPS)或降 解细胞壁的酶。,82,1

31、.3 植物病毒的致病策略,植物病毒通过胞间连丝和韧皮部移动。病毒感染的症状：黄化（黄萎）或褐化（枯死）、花斑和发育迟缓。植物病毒都是活体营养型的。病毒致病不是由于消耗细胞养分或通过毒素杀死细胞，而是利用细胞内物质进行增殖并占领整个植株。,ssRNA 病毒,ds DNA病毒,83,双链DNA花椰菜花叶病毒（CaMV)的基因组结构。含有7个ORF,负责病毒DNA的复制和运动、病症发作以及外壳包被。,84,2 植物-病原体相互作用,植物寄主的抗病基因和防御基因抗病基因（resistance gene,R)是抗病品种特有的，通常在植物-病原菌相互作用的早期识别反应中发生作用。通过保卫基因（defenc

32、e gene）的协同配合达到抗病的目的。防御基因（defense gene）是抗、感品种共有的。抗性基因是组成型表达的，众多的保卫基因是诱导型的，可经病原体感染或其他因子的刺激而表达出来。,85,病原体的无毒基因和致病基因,无毒基因(avirulence gene,Avr)是病原体与植物特定基因型不相容的遗传决定因子。植物病毒的外壳蛋白、复制酶和运动蛋白都是无毒因子，但目前只知道少数几个真菌和细菌的无毒基因。致病基因（pathogenicity gene）是病原体编码与感染及在寄主内生长的有关信息的基因。包括吸着在植物表面，形成穿透结构，分泌降解寄主组织所需要的酶，合成毒素及使植保素脱毒的基因

33、。,86,基因对基因模型（gene for gene model),活体营养病原体与植物的相互作用：只有当植物有显性抗病基因（R)并且病原体表达互补的显性无毒基因(Avr)时，植物才会表现出抗性。,87,基因对基因模型（gene for gene model),植物与依赖毒素完成致病作用的病原体的相互作用：病原体的毒素必须是显性的，只有产生有功能的毒素或酶（或两者都有）才能引起疾病；植物的抗性是通过酶的解毒作用或病原体的毒素丧失或发生改变而产生的。,88,3 R 基因和R 基因介导的植物抗性,植物抗性基因克隆的策略用转座子失活的方法鉴定R 基因用图位克隆法鉴定R 基因,89,90,91,R 蛋

34、白的种类 分离到6类R 蛋白，其中1-4类具有富含亮氨酸的重复序列（leucine-rich repeat,LRR).这种基序大约有24个氨基酸残基。这种基序在参与信号传导途径的蛋白中也存在。R 蛋白的功能 识别无毒基因依赖性的配基并在识别后激活下游信号以迅速诱导多种防御反应。,哺乳 植物抗性蛋白 植物 果蝇 动物,92,植物R-蛋白的结构特点,Class 1:LZ-NBS-LRR TIR-NBS-LRR NBS-LRRClass 2:蛋白激酶 PtoClass 3:eLRR-TM(Cf2,5,4,9)Class 4:LRR(Xa21)Class 5:毒素还原酶Class 6:G-蛋白偶联受体

35、(e.胞外;TM跨）,93,R基因与无毒基因产物激活植物防御反应的机制,番茄Pto激酶介导的信号途径模型。Pti转录因子；,Avr9肽和Cf9蛋白激活番茄中防御反应方式的3种解释,94,4 植物的防御系统,植物对病原菌侵染有多方面的抵抗能力。寄主植物的抵抗机制（防御反应）可分为两类：,静止型抵抗 诱发型抵抗（防御反应）,95,(1)静止型抵抗 是指植物受病原菌侵染之前已存在的抗性，包括物理障碍和抗菌物质。物理障碍如细胞壁的角质、腊质、木质素及表皮坚硬度，气孔结构等物理构造，许多植物外部都有角质层保护，坚厚的角质层能阻止病菌侵入机体组织。植物抗菌物质对病菌有抑制作用，使病菌无法在寄主中生长，包括

36、酚类、萜类、黄酮类、含氰化合物、生物碱、单宁等小分子物质。(2)诱发型抵抗（防御反应）是指植物组织或细胞受病原微生物侵染时被诱发产生的一系列防卫性反应。这种激活反应涉及到大量防御相关基因（defense-relative gene)的激活、离子通道的开放、蛋白质磷酸化状态的改变、酶前体的激活，同时产生一系列次生信号分子在时空上保证防御反应的协同性，从而迅速遏制病原体。,96,4.1 植物防御反应的类型,直接防御反应(immediate defense response)特征是受侵染部位的细胞及其近邻细胞中累积抗病物质，既限制或杀死病原，又破坏自身细胞结构，形成坏死斑(necrosis lesi

37、on)。局部防御反应(local defense response)特征是植物在受侵染部位的细胞及其近邻细胞壁加厚度，局部的HR处产生一类信号分子（包括水杨酸、苯甲酸、茉莉酸类、乙烯等），激活植物防御基因表达。系统防御反应（systemic defense response)由局部防御反应诱导产生长途运输的信号物质，使感染区外的寄主组织或器官对病原产生抗性。,97,直接防御反应,局部防御反应,系统防御反应,病原体诱发的植物防御反应的时空顺序,98,4.2 植物防御反应的机制,1.超敏反应使组织局部坏死 有些病原真菌只能寄生在活的细胞里，在死细胞里不能生存。抗病品种与这类病原菌接触时发生超敏反应

38、(hypersensitive reaction,HR)，结果在侵染部位形成枯斑(necrotic lesion)，被侵染的细胞或组织坏死，使病原菌得不到合适环境而死亡，这样病害就被局限于某个范围而不能扩展。,大豆根瘤线虫引发HRC.感性品种,大麦粉霉真菌萌发孢子引发HR。在UV（310 nm)下显示自发荧光,99,2.活性氧爆发（oxidative burst)病原体侵染植物5 min内会检测到大量活性氧（reactive oxygen species,ROS)的产生。典型的ROS有超氧化物(O2)和H2O2。超氧化物O2在SOD的作用下转化成H2O2。H2O2对病原体有毒，在Fe存在时会产

39、生活性极强的羟基自由基（OH）；H2O2促进细胞壁的木质花和细胞壁结构蛋白的聚合，从而加固细胞壁的结构，形成最初的防卫屏障；ROS还可能有信号功能，诱导植保素的生物合成。3.一氧化氮（NO)与ROS协同作用 病原体侵染植物初期，大量ROS产生不足以诱导植物细胞的死亡，只抑制病原体的生长。但是，病原体侵染植物诱导产生的一氧化氮（NO)可以加强ROS诱导植物细胞死亡的能力。,100,H2O2、NO、水杨酸（salicylic acid,SA)在激活和协调多种植物防御反应中的相互连接作用.,H2O2,101,NO-mediated signal transduction during theresi

40、stance response,102,4.细胞壁加固病原体侵染植物后，植物细胞合成胼胝质（callose）和木质素，阻止病原体入侵植物。细胞壁中积累富含羟脯氨酸的糖蛋白(hydroxyproline-rich glycoprotein,HRGP)具有加强细胞壁的作用。植物体内HRGP含量增加可以增强植物对病原体的防御反应。,103,5、苯甲酸(benzoic acid)、水杨酸(salicylic acid)、茉莉酸（jasmonic acid)、乙烯参与植物的防御反应.,nahG 转基因烟草，SA被不断除去，TMV在叶片中可以加速增殖,104,6.病原相关蛋白 病原相关蛋白(PRs)是植物

41、被病原菌感染或一些特定化合物处理后新产生(或累积)的蛋白。PRs的种类很多，PR-1PR14。如PR-2具有-1，3-葡聚糖酶活性;PR-3和PR-8具有几丁质酶活性;PR-10具有RNase活性:PR-12是具有抗菌活性的防卫素（defensin),105,7.植保素(phytoalexin)植保素是低分子亲脂性抗菌化合物，它们在非相容性病原感染的部位迅速累积。至今已分离到300多种植保素。植保素多为类黄酮类（flavonoid)、异黄酮类(isoflavonoid)、萜类(terpene)、酚类(phenolic)、芪类（stileben)等。,Arabidopsis 植物抗毒素,葡萄白黎

42、芦醇,8.抑制昆虫消化机能的蛋白酶抑制剂(protease inhibitor，PI)。,106,4.3 植物局部防御反应的信号传导途径,激发子(elicitors)是指能够激发或诱导植物寄主产生防御反应的因子。激发子通常由病原体产生，寡糖素、糖蛋白、蛋白质或多肽都可成为激发子。激发子被细胞膜上的激发子受体(一种能与激发子特异结合的蛋白,Rp)接受，通过细胞的信号系统转导，诱导抗病基因活化，启动系列防御反应。,107,108,激活和协调植物防卫反应的信号传导途径示意图(Rp.Receptor protein),109,4.4 植物系统防御 反应,在病原体、昆虫或线虫攻击的数分钟内，局部的局部的

43、防御反应已被激活。在几小时内，有时在离攻击部位很远的组织中也会激活防御反应。系统防御反应的类型 A.系统获得性抗性 B.系统性损伤反应 C.诱导性系统抗性,110,A.系统获得性抗性(systemic acquired resistance，SAR)：真菌、细菌和病毒系统地激活一系列特定的防御反应。B.系统性损伤反应(systemic wound response,SWR):昆虫进食时会对植物造成机械创伤，并在整株植物中诱导蛋白酶抑制剂(PI)和其它系统性损伤反应蛋白（SWRP).,植物再次被病原体感染时，SAR可以显著减轻症状（left)。,111,C.诱导性系统抗性(induced sys

44、temic resistance,ISR):促进特定植物生长的根瘤菌在自身定殖的根部诱导出不依赖水杨酸或病原相关蛋白积累的系统抗性反应。,系统获得性抗性调控蛋白,系统获得性抗性调控蛋白,坏死性病原体感染,非病原根瘤菌定殖在根部,A.系统获得性抗性B.诱导性系统抗性,112,112,总述,各种胁迫并不是单一的，而是交叉的。如干旱下的盐胁迫，淹水下的氧胁迫。植物在长期的进化过程中，形成了相应的保护机制：从感受环境条件的变化到调整体内代谢，直至发生有遗传性的改变，将抗性传递给后代。提出“整体抗逆性”的概念。是一个更高层次的概念，体现在不同层次，不同形式，不同抗性系统协调的机制和整体效应。更加侧重研究

45、不同层次与形式的协调机制、各种抗性的共同机制和遗传背景确定方面，是理论研究和评价的总体目标。,113,113,作物抗逆性的共同机制,通过以前大量研究结果分析，认为用共同的受体，共同的信号传递途径，传递不同的逆境信号，诱导共同的基因，调控共同的酶和功能蛋白，产生共同的代谢物质，在不同的时空，抵御不同的抗逆性，可能是植物抗逆性最经济和高效的抗逆防御体系。,114,114,作物整体抗逆性的研究方向,关于植物整体抗逆性的研究方向，可以概括为以下三个模式：单性抗逆：育种选择抗性鉴定等级分类形态特征组织器官结构生理生化指标细胞抗性代谢机制分子水平基因定位基因克隆转基因植物多抗逆性：育种选择基因工程不同类型

46、抗性共同特征共同机制遗传背景进化关系特殊差异突变论整体抗逆性：多抗逆性类型不同部位不同时期不同反应机制共同反应机制协调互作机制系统理论,115,一、旱害与抗旱性1.概念:干旱（drought）：环境中水分少到不足以维持生命活动的状况。干旱对植物的危害叫旱害。植物对干旱的抵抗力或适应性叫抗旱性。,第二节 植物的抗旱性 Section 2 Hardiness of Drought,116,Drought Stress,Drought stress treated,untreated,117,Salt stress,A variety of sorghum,sensitive to salinity

47、,growing in sand culture and watered with a nutrient solution containing increasing concentrations of sodium chloride.All the plants have grown for the same length of time.,118,1.1 渗透保护物质在抗旱耐盐中作用,渗透调节（osmotic adjustment)指耐旱植物可以调节它们的溶质势以抵消暂时或长期的水分胁迫，是植物细胞中溶质颗粒数目净增加的结果。渗透调节在帮助植物顺应干旱或盐性环境中起到关键作用。,119,渗

48、透保护物质(Osmoprotectant)为可混溶溶质，许多植物在水分胁迫条件下会积累小分子相溶性溶质或渗压剂，有效地提高植物的渗透调节能力、增强植物的抗逆性。可混溶溶质（compatible solute)是一小类化学性质各异的有机化合物，它们都具有高度可溶，而且在高浓度下也不影响细胞代谢。,二甲基磺基丙酸,甜菜碱,胆碱-磺酸,松醇 甘露醇,脯氨酸,重要的渗透保护物质：脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、甘露醇、松 醇,120,渗透保护物质的生物合成,脯氨酸合成关键酶P5CS 吡咯啉-5-羧酸合成酶P5CR 吡咯琳-5-羧酸还原酶,L-谷氨酸,L-鸟氨酸,121,甘氨酸甜菜碱,胆碱,甘氨酸甜菜碱合成关键酶

49、 胆碱单加氧酶(Choline monooxygenase,CMO)甜菜醛脱氢酶(Betain aldehyde dehydragenase,BADH),122,甘露醇（mannitol)生物合成途径1-磷酸甘露醇脱氢酶（E.coli)使6-磷酸果糖转化为1-磷酸甘露醇，表达该酶基因的转基因植物可以积累甘露醇，提高耐盐性。,123,松醇是一种环状的糖醇，是松科、豆科和竹科植物中的主要溶质，对盐胁迫做出反应。,124,1.2 缺水和盐分对跨膜运转的影响,干旱和盐分胁迫都要求植物顺应低水势，对细胞内离子浓度、组分、及其分布的调控是渗透胁迫抗性的基本特征。Na+/H+反向运转蛋白（Na+/H+ant

50、iporter)位于质膜和液泡膜上的Na+/H+反向运转蛋白在植物耐盐机制中起重要作用 水通道蛋白（aquaporin)水通道蛋白可使质膜和液泡膜对水的通透性增加，通过水通道蛋白可以迅速调控细胞的水分流动。植物可以通过调控水通道蛋白等膜蛋白以加强细胞与环境的信息交流和物质交换,增强抗旱、耐盐能力。,125,拟南芥Na+/H+反向运转蛋白基因:AtNHX1 SOS1(salt overly sensitive),126,Salt Stress and the SOS Pathway,Regulation of Na+homeostasis by the SOS pathway in Arabid