艾孜哈尔

艾孜哈尔 植物逆境生理学 艾孜哈尔 指导教师:赵金鹏 摘要:研究植物在旱,涝,盐碱,高温,寒冷,病虫害,通气不良,营养缺乏或失调等逆境条件下的生理变化及适应机理,通过营养调节挖掘植物抗逆性的遗传潜力。植物逆境生理 植物生长的环境并非总是适宜的，在自然界条件下，由于不同的地理位置和气候条件以及人类活动等多方面原因，造成了各种不良环境，超出了植物正常生长、发育所能忍受的范围，致使植物受到伤害甚至死亡，对农业生产来说，各种不良环境是影响产量的最直接、最重要的因素，因此，加强植物逆境生理的研究，探明植物在不良环境下的生命活动规律并加以人为调控，对于夺取农业高产稳产具有重要意义。 关键词:抗冷型，抗冻性，抗热性，抗旱性，抗涝性，抗盐性，抗病性 正文: 逆境的种类与植物的抗逆性 1.1 逆境的概念 逆境指对植物生长和生存不利的各种环境因素的总和，又称胁迫。研究植物在逆境下的生理反应称为逆境生理。植物在长期的系统发育中逐渐形成了对逆境的适应和抵抗能力，称之为植物的抗逆性，简称抗性。抗性是植物对环境的适应性反应，是逐步形成的，这种适应性形成的过程，叫做抗性锻炼。通过锻炼可以提高植物对某种逆境的抵抗能力。 1.2 逆境的种类 逆境的种类多种多样，包括物理的、化学的和生物因素等，这些因子之间可以相互交叉相互影响。 1.2.1 冷害的概念与症状 很多热带和亚热带作物不能忍受 0-10?低温。把 0?以上低温对植物所造成的危害叫冷害。在我国，冷害常发生于早春和晚秋季节，主要危害发生在作物的苗期和籽粒或果实成熟期。如水稻、 棉花、玉米和春播蔬菜的幼苗常遇到冰点以上低温的危害，造成烂籽、死苗或僵苗不发。正在长叶或开花的果树遇冷害时会引起大量落花，使结实率降低。冷害对植物的伤害除与低温的程度和持续时间直接有关外，还与植物组织的生理年龄、生理状况以及对冷害的相对敏感性有关。温度低，持续时间长，植物受害严重，反之则轻。在同等冷害条件下幼嫩组织器官比老的组织器官受害严重。冷敏感植物受害较严重。冷害是很多地区限制农业生产的主要因素之一。 根据植物对冷害的反应速度，可以把冷害分为两类。一为直接伤害，即植物受低温影响几小时，最多在一天之内即出现伤斑及坏死，禾本科植物还会出现芽枯、顶枯等现象，说明这种影响已侵入胞内，直接破坏了原生质活性;另一类是间接伤害，即植物在受到低温危害后，植株形态并无异常表现，至少在几天之后才出现组 织柔软、萎蔫，这是因为低温引起代谢失常、生物化学的缓慢变化而造成的细胞伤害。 1.2.2 冻害冰点以下的低温使植物组织内结冰引起的伤害称为冻害。能引起冻害的温度范围与植物种类、器官、生育时期和生理状态有关。大麦、小麦、燕麦、苜蓿等越冬作物可忍耐-7—12?低温;白桦树可度-45?左右的低温;种子的抗冻性很强，植物的愈伤组织在液氮中于-196?保持 4 个月仍有生活力。此外，植物遭受冻害的程度，还与降温幅度、低温持续时间，解冻速度等有关。当降温幅度大，霜冻时间长，解冻速度快，则植物受害严重;如果缓慢结冻和缓慢解冻时，植物则受害较轻。植物受冻害的一般症状为:叶片犹如烫伤，细胞失去膨压，组织变软，叶色变为褐色，严重时导致死亡。 冻害对植物的危害主要是由于组织或细胞结冰引起的伤害。由于温度下降的程度和速度不同，植物体内结冰的方式不同，受害情况也有所不同。(1)细胞间隙结冰伤害 当环境温度缓慢降低，使植物组织内温度降到冰点以下时，细胞间隙的水开始结冰，即所谓的胞间结冰。胞间结冰对植物造成的伤害是:?使原生质脱水。由于胞间结冰降低了细胞间隙的水势，使细胞内的水分向胞间移动，随着低温的持续，原生质会发生严重脱水，造成蛋白质变性和原增生质不可逆的凝固变性。?机械损伤。随着低温的持续，胞间的冰晶不断大，当其体积大于细胞间隙空间时会对周围的细胞产生机械性的损伤。?融冰伤害。当温度骤然回升时，冰晶迅速融化，细胞壁迅速吸水恢复原状，而原生质会因为来不及吸水膨胀，可能被撕裂损伤。胞间结冰不一定使植物死亡，大多数植物胞间结冰后经缓慢解冻仍能恢复正常生长。(2)胞内结冰伤害 当环境温度骤然降低时，不仅细胞间隙结冰，细胞内也会同时结冰。一般先在原生质内结冰，尔后在液泡内结冰。细胞内冰晶体积小，数量多，它们的形成会对生物膜、细胞器和基质结构造成不可逆的机械伤害。原生质具有高度精细结构，复杂而又有序的生命活动与这些结构密切相关，原生质结构的破坏必然导致代谢紊乱和细胞死亡。细胞内结冰一般在自然条件下不常发生，一旦发生植物就很难存活。 1.2.3 热害高温胁迫引起植物的伤害称热害。植物对高温胁迫的适应和抵抗能力称为抗热性。 1.2.4 旱害的概念及类型 当植物耗水大于吸水时，植物体内即出现水分亏缺，水分过度亏缺的现象称为干旱。旱害指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。 (1)水分胁迫程度 植物水分亏缺的程度可用水势和相对含水量(RWC)来表示。肖庆德将一般中生植物水分胁迫程度划分为如下三个等级: 轻度胁迫 水势略降低零点几个 MPa;或相对含水量降低 8%-10%左右。 中度胁迫 水势下降稍多一些，但一般不超过-1.2—1.5MPa;或相对含水量降低大于 10%小于 20%。 严重胁迫 水势下降超过-1.5MPa 或相对含水量降低 20%以上。 (2)干旱类型 根据引起水分亏缺的原因，可将干旱分为三种类型: ?大气干旱 高温、强光、大气相对湿度过低(10-20%)，导致植物的蒸腾强烈，失水量大于根系的吸水量而造成植物体内严重水分亏缺。如我国西北等地就常有大气干旱的发生。 ?土壤干旱 是指土壤中可利用水的缺乏，使植物根系吸水困难，体内水分亏缺严重，正常的生命活动受到干扰，生长缓慢或完全停止。土壤干旱比大气干旱破坏严重，我国西北、华北、东北等地常有发生。 ?生理干旱 指由于土壤温度过低、土壤溶液离子浓度过高(如盐碱土 或施肥过多)或土壤缺氧(如土壤板结、积水过多等)或土壤存在毒物质等因素的影响，使根系正常的生理活动受到阻碍，不能吸水而使植物受旱的现象。 1.2.5 涝害的定义及类型 土壤水分过多对植物产生的伤害称为涝害。水分过多的危害并不在于水分本身，而是由于水分过多引起缺氧，从而产生一系列危害。在低湿、沼泽地带、河湖边，发生洪水或暴雨过后常有涝害发生，给农业生产造成很大的损失。广义的涝害包括两层含义:?湿害。指土壤过湿，水分处于饱和状态，土壤含水量超过了田间最大持水量时旱田作物所受的影响称为湿害。?涝害。地面积水，淹没了作物的一部分或全部，使其受到伤害，称为涝害。 1.2.6 盐害 土壤中盐分过多对植物生长发育产生的危害叫盐害。 一般说来，钠盐是造成盐分过高的主要盐类，习惯上把含 Na2CO3 和 NaHCO3 为主的土壤叫碱土，而把含 NaCl 和 Na2SO4 为主的土壤叫盐土，但二者往往同时存在，因此统称为盐碱土。通常，土壤含盐量在 0.2-0.5%即不利于植物的生长，而盐碱土的含量却高达 0.6-10%，严重地伤害植物。 1.2.7 病害 植物在自然界生长和发育过程中经常会遇到一些生物因素的危害，导致植物生病甚至死亡。植物病害是致病生物与寄主(感病植物)之间相互作用的结果。引起植物病害的病原物种类繁多，主要有真菌、细菌、病毒、类菌原体、线虫及寄生性种子植物。在作物病害中，80%以上病害是由真菌寄生引起的。 1.2.8 抗虫性的概念 在农业生产中，虫害造成农作物产量及品质的巨大损失，然而不同的植物种类，同一作物的不同品种对害虫的侵害具有不同的反应能力和适应方式。植物采用不同机制来避免，阻碍或限制昆虫的侵害，或者通过快速再生来忍耐虫害的能力，称为植物的抗虫性。 植物的抗虫性，一般可划分为生态抗性和遗传抗性两大类。 所谓生态抗性是指由于环境条件(特别是非生物因素)变化的影响制约害虫的侵害而表现的抗性。不少害虫有严格的危害物候期，作物的早播或迟播可回避害虫的危害。所谓遗传抗性是指植物可通过遗传方式将拒虫性、抗虫性、耐虫性传给子代的能力。拒虫性是植物依靠形态解剖结构的特点或生理生化作用，使害虫不降落、不能产卵和取食的特性。耐虫性是由于植物具有迅速再生能力，可以经受住害虫危害。抗虫性是由于植物体内有毒的代谢产物，可以抑制害虫的生存、发育及繁殖，直至中毒死亡的特性。 1.2.9 环境污染伤害 随着近代工业的迅速发展，现代交通工具和厂矿居民所排放的废渣、废气和废水愈来愈多，扩散范围愈来愈大，再加上现代农业大量应用化学农药所残留的有害物质，远远超过环境的自然净化能力，造成环境污染。环境污染不仅直接危害人们的健康和安全，也对植物的生长造成损害，给农业生产造成巨大损失。有些未经“三废”处理的大型厂区，往往形成大片“人为沙漠”，致使寸草不生， 污染的大量汇聚，可以造成动植物死亡，甚至破坏整个生态系统。就污染因素而言，可分为大气污染、水体污染和土壤污染。其中，以大气污染与水体污染对植物的影响最大，不仅范围广、面积大，而且易转化为土壤污染。 (1)大气污染 大气污染物主要是燃料燃烧时排放的废气、工业生产中排放的粉尘、废气及汽车尾气等。大气中污染物种类很多，主要包括硫化物、氧化物、氯化物、氮氧化物、粉尘和带有金属元素的气体。 (2)水体污染 随着工农业生产的发展和城镇人口的集中， 含有各种污染物质的工业废水和生产污水大量排入水系，再加上大气污染物质、矿山残渣、残留化肥农药等被雨水淋浴，以致各种水体受到不同程度的污染，超过了水的自净能力，水质显著变劣，即为水体污染。 我国目前水体污染十分严重，据调查，全国 27 条河流，其中有 15 条被严重污染。污染水体的物质主要包括:重金属、洗涤剂、氰化物、有机酸、含氮化合物、漂白粉、酚类、油脂、染料等。水体污染不仅危害人类的健康，而且危害水生生物资源，影响植物的生长发育。一般讲，环境污染中的五毒是指酚、氰、汞、铬、砷。 1.3 植物抵抗逆境的方式 植物对逆境的抵抗方式总体上可分为两类，即避逆性和耐逆性。前者是指植物通过各种方式避开或部分避开逆境的影响，如沙漠中的植物在雨季快速生长，通过生育期的调整来避开不良气候对它的影响;或者通过特殊的形态结构如仙人掌肉质茎贮存大量水分，一些植物叶表面覆盖茸毛、蜡质，强光下叶片卷缩等避免干旱的伤害。耐逆性指植物在不良环境中，通过代谢的变化来阻止、降低甚至修复由逆境造成的损伤，从而保证正常的生理活动。例如有些北方针叶树种在冬季可以忍受-40—70?的低温，而某些温泉细菌能在 70-80?，甚至沸腾的水中存活。这两类抗逆性有时并不能截然分开，同一植物也可以同时表现出两种抗性。一般来说，避逆性多来源于植物的形态和解剖学特点，而耐逆性往往与原生质特性和内部生理机制有关。 2 逆境对植物生理代谢的影响 2.1 逆境对水分代谢的影响 实验证明，多种不同的环境胁迫作用于植物体时均能对植物造成水分胁迫如干旱能导致直接的水分胁迫;低温和冰冻通过胞间结冰形成间接的水分胁迫;盐渍使土壤水势下降，植物难以吸水也间接造成水分胁迫;高温与辐射使植物与大气间水势差增大，叶片蒸腾强烈，亦间接形成水分胁迫。一旦出现水分胁迫，植物就会脱水，对膜系统的结构与功能产生不同程度的影响。 2.2 逆境对光合作用的影响 在各种逆境胁迫下，植物的光合作用都呈现出下降的趋势，同化产物供应减少，如干旱、寒害、高温、盐渍、涝害等均可使光合酶活性下降、气孔关闭，造成 CO2 供应不足而使光合下降。 2.3 逆境对呼吸作用的影响 逆境下植物的呼吸速率不稳，如冻害、热害、盐渍和涝害时，植物的呼吸速率明显下降;而冷害、旱害时，植物的呼吸速率先升后降;植物发生病害时，植物呼吸显著增强。同时，植物的呼吸代谢途径亦发生变化，如在干旱、感病、机械损伤时 PPP 所占比例会有所增强。 2.4 逆境对物质代谢的影响 许多资料表明，在各种逆境下，植物体内的物质分解大于物质合成，水解酶活性高于合成酶活性，大量大分子物质被降解，淀粉水解为葡萄糖;蛋白质水解加强，可溶性氮增加。 3 植物对逆境的生理适应 3.1 生物膜与抗逆性 由于膜在结构物质成分及分布上各有不同，或由于蛋白和脂类的比例不同，使膜产生某些特殊性质。腹属于溶胶和固胶之间的物质，因而内外环境的变化可影响其特性，从而影响其对抗性的作用。膜有以下几种主要特性: 3.1.1 膜系结构的不对称性 由电镜观察已明确，膜的内外层不仅成分比例有所差别，在结构上也是不对称的，同时其成分也是可变的。正由于膜结构的不对称和可变性，自然引起膜功能的正常性和可变性。这又是抗型可变的物质基础。 1) 蛋白质的不对称性:蛋白质在膜内外表面分布是不一致的，同时还有嵌入蛋白、穿过蛋由、变构蛋白及特殊酶蛋白、离子泵蛋白等。这是位蛋白质形成不对称的原因。至于蛋白质组成中氨基酸端群性质的不同，以及高级蛋白空间结构的不同，这是促成蛋白质不对称的又一原因。蛋白质结构和性质，又可随胁迫类别和深度而引起新的变化。这在干旱和抗寒的过程中都有这类报导证明。 2) 脂类的不对称性:脂层排列有极性和顺序性。多数人(过去)认为脂层应多显对称性。但根据近些年对膜指的研究发现，膜中类脂的结构和排列亦显出多方的不对称性。例如已看到膜脂排列中有突起区段、膜脂还有一定流动性，这都足以说明它的不对称性。具体有以下几点: (1)外层多糖脂，多磷脂，而内层糖脂少，磷脂酰较多。(2)外层多中性磷脂(内层则多酸性磷脂。(3)中、外脂层的脂酰 C—H 链长短不一致。(4)内、外脂中的饱和及不饱和脂酸数量不等。(5)脂层中可分为流动区和固定区。以上足以证明膜脂层有明显的不对称性。 3.1.2 膜的液晶性 物质在常温常压下表现为三态，这就是固态、液态和气态。而在由固态向液态变化中出现一种中间“相”态叫作“液晶态”。液晶态的特点是既有液态的流动性，同时又有晶液分子固定排列的顺序性。液晶态有上、下限。上限是清亮点，高于它为液态;下限是熔点，低于熔点为晶态。液晶态只有一维或二维结构;而晶态则有三维结构。液晶又可分为热致液晶——它是由固体加热到一定范围所形成的;另外也可由两种液体混合而形成溶致液晶。如病毒液晶等。膜的液晶态对膜的流动和相变都给予有利条件。 3.1.3 膜的运动性(流动性) 由于结构变型或组成物质改变，可使膜产生主动或被动的运动或流动。现在可通过光谱分析、相差分析、核磁共震、冰冻蚀刻、人工膜的拆离重组等实验，已证明胞膜确有一定程度的运动性。这种流动是生理活动改变的结果，同时它对整体代谢也有重要影响。蛋白质的运动较易理解，如膜蛋白的变构酶、周边蛋白及穿过蛋白都有运动表现。另外，蛋白还可向膜平面、垂直方向转动或旋转，其速度为 3um,s。 膜脂分子在膜内也可产生不同的运动方式。脂肪酸的构型可产生旋转型运动。速度可达 10-10s。脂酸又可沿膜的平面垂直方向进行振荡运动，其速度可达 lo-9。膜脂又能进行旋转运动，速度约在10-6—10-9s 之间。脂双分子层间也能进行翻转运动，每半寿期约需 20-30s。膜脂中不饱和脂酸多， 活动性较强，抗性也加强;反之则弱。膜的流动性对膜适应环境、物质进出、能量转变和膜的变构、融合、转化以及信息传递、物质分解、合成都有一定的作用。因而对抗性有重要影响。 3.1.4 膜的相变性 1) 相变的含义:物质在常温常下分数个相。相的转变，如气——液——固，叫相变。而膜的相变主要是液晶态——固晶态和液态——液晶态。膜在常温常压下为液晶态。但它是随环境(内外)的条件改变而发生相变的。 2) 相变的温度:膜脂的相变和分相是生物膜的一个基本特性。就是说膜的全部中出现流态区和固态区是较为普通的，叫作分相。相变和温度有极重要的相关性。至于 pH 和 M2 也可引起相变，但不如温度影响明显。另外，膜脂本身的 C 一链长短、不饱和 脂酸比例也影响相变温度。例如固晶——液晶、二油酰卵磷脂(18:1)相变温度-22 ( ? 有不饱和脂酸);二硬脂酰卵磷脂(C—18)相变温度 58 ( ? 饱和脂酸)。再如炭链长——相变温度高;炭链短——相变温度相对较低。 3) 相变的生理作用:相变的难易和膜的性质、运动有关、同时对膜及细胞的抗逆力有直接的相关性。凡植物(高、低等)不能适应环境条件而发生相变的品种，它们的抗逆力相对较低，在自然环境中，易受自然淘汰。所以在育种中也应注意品种适应“相变”能力的特点。 在正常条件下，生物膜呈液晶相，当温度下降到相变温度时膜脂发生相变，即由液晶相转变为凝胶相。膜脂相变会导致原生质停止流动，膜结合酶活性降低，膜透性增大，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，代谢紊乱，有毒物质积累，细胞受损。试验证实，植物的抗冷性与膜脂的种类、碳链的长度和不饱和程度有关。膜脂中脂肪酸碳链越长，膜脂相变温度越高;碳链长度相同时不饱和脂肪酸越多，膜脂相变温度越低。因此膜脂中碳链相对短、不饱和脂肪酸多时，植物的抗冷性强。低温锻炼能提高幼苗的抗寒性，与在这种锻炼过程中 IUFA 的提高有关。 膜脂中磷脂酰胆碱(PC)等磷脂和单半乳糖二甘油脂(MGDG)等糖脂与植物的抗逆性有关。杨树、黑槐、苹果等在进入越冬期间，树皮抗冻性增强时，膜脂中的磷脂含量显著增高。MGDG 与植物的抗盐有关，MGDG 含量高的葡萄品种吸收盐分多，运输快，不抗盐;MGDG 含量低的品种则吸收盐分少，抗盐。 膜脂中饱和脂肪酸相对含量与植物的抗旱、抗热性有关。小麦在灌浆期间受干旱及干热风影响时，抗性品种叶麦皮细胞的饱和脂肪酸较多，不抗旱品种的脂肪酸比例(或组成)正好相反。此外，膜脂饱和脂肪酸含量与叶片抗脱水能力和根系吸水力密切相关。氧伤害诱发的膜脂过氧化作用能造成膜相分离，破坏膜正常功能，而且其过氧化产物 MDA 及类似物对细胞起直接毒害作用。活性氧消除体系活性高且稳定的植物品种抗逆性强。 膜蛋白与植物抗逆性也有关系，如甘薯块根线粒在下 0?下几天，线粒体膜蛋白对磷脂的结合能力明显降低，继而磷脂(PC 等)从膜上游离出来，随后膜解体，组织坏死。这就是以膜蛋白为核心的冷害膜伤害假说。 3.2 逆境蛋白与抗逆性 近年来随着分子生物学的发展，人们对植物抗逆性的研究不断深入。现已发现多种因素刺激(如高温、低温、干旱、病原菌、化学物质、缺氧、紫外线等)都会抑制原来正常蛋白的合成，同时诱导形成新的蛋白质(或酶)，这些在逆境条件下诱导产生的蛋白质可统称为逆境蛋白。植物在逆境下合成逆境蛋白具有广泛性和普遍性。 1.热激蛋白 在高于植物正常生长温度刺激下诱导合成的新蛋白称热激蛋白又称为热休克蛋白。一般认为高于其生长最适温度的 10-15?时 HSP 即迅速合成。根据 HSP 分子量命名为HSP90,HSP70,HSP60 等。研究发现，HSP 家族中很大一部分属于侣伴蛋白,所以将 HSP 改写为 Cpn，命名为 Cpn60，Cpn70，Cpn90，Cpn100 和小分子 Cpn 蛋白。HSP 的产生在植物界具有普遍性，从低等的酵母到农业生产中常见的粮食作物(如大麦、小麦)、油料作物(如大豆、油菜)、蔬菜(如 胡萝卜、番茄)以及棉花、烟草等都有。 侣伴蛋白是一类辅助蛋白分子，主要参与植物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位，以及变性蛋白质的复性和降解。生物体受热激伤害后体内蛋白质变性剧增，热激蛋白可与这些变性蛋白质结合，维持它们的可溶状态或使其恢复原有的空间构象和生物活性。热激蛋白也可以与一些酶结合成复合体，使这些酶的热失活温度明显提高。高温驯化过的植物，在高温下的存活能力与热激蛋白的存在有关。所以热激蛋白与植物的抗热性有关。 植物对 热激反应是很迅速的，热激处理 3-5min 就能发现 HSPmRNA 含量增加，20min 可到新合成的 HSP。处理 30min 时大豆黄化苗 HSP 合成已占主导地位，正常蛋白合成则受阻抑。 2.低温诱导蛋白 植物经一段时间的低温处理后会合成一些特异性的新蛋白质，称为低温诱导蛋白，也称冷响应蛋白、冷击蛋白，如同工蛋白、抗冻蛋白、胚胎发育晚期丰富蛋白等，这些新蛋白质的出现与植物抗寒性的提高有关，例如同工蛋白，它能代替“原来”的酶蛋白(低温不能合成)行使功能;抗冻蛋白具有减少冻融过程对类囊体膜等生物膜的伤害、防止某些酶因冰冻而失活的功能;胚胎发育晚期丰富蛋白是一类低温诱导、水分胁迫、胚胎发育晚期以及外源处理都能丰富表达的蛋白质。它们多数是高度亲水的，因此这类蛋白质的大量表达具有减少细胞失水和防止细胞脱水的作用，有助于提高植物对冰冻逆境的抗性。 低温诱导蛋白的出现还与温度的高低及植物种类有关。水稻在 5?、冬油菜在 0?处理均能形成新的蛋白。 3.渗调蛋白 无论干旱或盐渍都能诱导出一些逆境蛋白，其中研究较多且较为重要是相对分子质量 26000 蛋白，该蛋白在盐适应细胞中的含量相当高，可达总蛋白的 10-12%。该蛋白质的合成和积累是发生在细胞对盐或干旱胁迫进行逐级渗透调整过程，故将其定名为渗调蛋白或渗压素，它的产生有利于降低细胞的渗透势和防止细胞脱水，有助于提高植物对盐和干旱胁迫的抗性。 4.病程相关蛋白 病程相关蛋白是植物受到病原菌侵染后合成的一种蛋白或多种蛋白质，PRs 在植物体内的积累与植物局部诱导抗性和系统诱导抗性有关。近年来的研究证实，许多 PRs 具有几丁酶和 β-1，3- 葡聚糖酶活性，能够抑制病原真菌孢子的萌发，降解病原菌细胞壁，抑制菌丝生长。β-1，3-葡聚糖酶分解细胞壁的产物还能诱导与其他防卫系统有关的酶系，从而提高植物抗病能力。 5.其他逆境蛋白 缺氧环境下植物体内会产生厌氧蛋白;紫外线照射会产生紫外线诱导蛋白;施用化学试剂会产生化学试剂诱导蛋白等等。比较不同逆境下植物的逆境蛋白，可以发现不同逆境条件下有时能诱导出一些相同或相似的逆境蛋白，如缺氧、干旱、盐渍和 ABA 处理等都能诱导产生一些热激蛋白，病程相关蛋白也可由某些化学物质，如高温、水杨酸、乙烯诱导合成。这些现象暗示植物对逆境的适应对逆境的适应可能存在着某些共同的机制，一种抗性基因有可能同时抗几种不同的逆境。 3.3 渗透调节与抗逆性 多种逆境都会对植物产生直接或间接的水分胁迫。水分胁迫时植物体内主动积累各种有机和无机物质来提高细胞液浓度，降低渗透势，提高细胞保水力，从而适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节。渗透调节是在细胞水平上进行，即由细胞通过合成和吸收积累对细胞无害的溶质来完成，其主要功能在于维持膨压，从而维持原有的生理过程，如气孔开放、细胞伸长、植株生长以及其他一些生理生化过程，是植物抵抗逆境的一种重要机制。 3.3.1 渗透调节物质的种类与作用 渗透调节物质的种类很多，大致可分为两大类:一是由外界引入细胞中的无机离子，二是在细胞内合成的有机溶质，主要是蔗糖、甘露醇、山梨醇等和偶极含氮合物(如脯氨酸和甜菜碱等)。 1.无机离子 逆境下细胞内常常累积无机离子来降低渗透势，特别是盐生植物常依靠这种方式来调节渗透势，这些离子包括:K、Na、Ca、Mg、Cl、NO3、SO4。无机离子累积量、种类与植物种、品种和器官有关。例如 K 常是高等淡土植物的，Na、Cl 常是盐生植物的渗透调节物质。无机离子进入细胞后，主要累积在液泡中，因此无机离子主要是作 为液泡的渗透调节物质。但应该指出，高浓度的无机离子往往引起代谢紊乱。 2.有机溶质 作为有机渗透调节物质必须具备以下一些特征:相对分子质量小;易溶于水(溶解度大);在生理 PH 范围内必须不带电荷;必须能为细胞膜所保持;在很高浓度时对细胞内酶的结构和活性无影响或影响最小;它们的生成必须迅速，且能积累到足以引起渗透调节的量。 (1)脯氨酸 脯氨酸是多种植物体内最有效的一种亲和性渗透调节物质，先由 Kemble 等发现，在受干旱的多年生黑麦草叶子中有游离脯氨酸累积，随后在许多植物中都观察到这一现象。脯氨酸的累积是由脯氨酸合成酶的活化、生物降解的抑制以及参与合成蛋白的减少而产生的。 几乎所有的逆境，无论干旱、低温、高温、冰冻、盐渍、营养不良、病害、大气污染等都在植物体内累积脯氨酸，尤其干旱胁迫时脯氨酸累积最多，可比原始含量高几十倍甚至几百倍。脯氨酸存在于细胞质中，其在抗逆中的作用是:?作为渗透物质，保持原生质与环境的渗透平衡，防止失水;?脯氨酸与蛋白质结合能增强蛋白质的水合作用，增加蛋白质的可溶性和减少可溶性蛋白质的沉淀，保护这些生物大分子结构和功能的稳定。 有人用甜菜贮藏根组织为材料研究发现，脯氨酸在细胞质和液泡中的分布是不均等的，细胞质中脯氨酸含量与液泡中含量的比值为 15-98。故脯氨酸主要是细胞质中的渗透调节物质，即细胞质渗透物质。 (2)甜菜碱 甜菜碱是植物体内另一类理想的亲和性渗透物质。20 世纪 70 年代中期 Storey等首先发现盐分和水分胁迫可引起大麦累积甜菜碱，以后发现多种植物在逆境下都有甜菜碱的积累。甜碱化学名称为 N-甲基代氨基酸。植物中的甜菜碱主要有 10 种，其中甘氨酸甜菜碱是最简单也是最早发现、研究最多的一种。植物在干旱、盐渍条件下会发生甜菜碱的积累，抗性品种尤为显著，其在抗逆中具有渗透调节和稳定生物大分子的作用。在正常植株中甜菜碱比脯氨酸高 10 倍左右;遇水分胁迫时，甜菜碱积累比脯氨酸慢，解除胁迫时，甜菜碱基本保持稳定，而脯氨酸则迅速减少。 甜菜碱也是细胞质渗透物质，主要分布于细胞质中。其他如丙氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱对降低渗透势均有一定的作用。 (3)可溶性糖和游离氨基酸 作为渗透调节物质的可溶性糖主要有:蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等;游离氨基酸包括脯氨酸和其他氨基酸及酰胺类物质，例如水分胁迫下小麦叶片中的渗透调节物质主要为糖类、天冬酰胺、谷氨酸和脯氨酸。渗透胁迫下绿豆幼苗根中的主要渗透调节物质为 K、Cl、氨基酸和蔗糖、葡萄糖、果糖。 逆境下植物体内可溶性糖和游离氨基酸增加的原因可能包括:大分子糖类和蛋白质的分解加强而合成受抑，蔗糖的合成加快;光合产物形成过程中直接转向低分子量的物质蔗糖等，而不是高分子的淀粉;从植物体其他部分输入有机溶质糖和氨基酸等。 3.3.2 渗透调节的主要生理功能 植物在逆境下产生渗透调节是对逆境的一种适应性反应，其主要的生理功能包括: 1.维持细胞膨压 渗透调节的主要生理功能就是完全或部分地维持细胞膨压，膨压对细胞生长具有关键性作用，从而有利于其他生理生化过程的进行。例如，水稻在慢速干旱条件下，尽管植物组织的水势下降，但由于渗透调节的结果，叶片膨压变化不大。 2.维持植株光合作用 渗透调节可在水分胁迫下维持气孔开放。由于气孔开放，有利于气体交换，从而维持光合作用的较正常进行。渗透调节能力强的植物，在低叶水势条件下能维持较高的光合速率。 此外，渗透调节还具有保持细胞持续生长、延迟卷叶以维持叶片较好的气体交换、保护酶活性、维持细胞膜稳定性等重要的生理功能。 3.4 脱落酸与抗逆性 逆境通过促使植物体内激素的含量和活性发生变化，从而影响植物生理过程。实验发现，在逆境条件下，ABA 和乙烯含量增加，IAA、GA、CTK 含量降低，其中以 ABA 的变化最为显著。 3.4.1 逆境下脱落酸的产生与功能 一般认为，ABA 是一种胁迫激素，它调节植物对胁迫环境的适应性。在低温、高温、干旱和盐害等多种胁迫下，体内 ABA 含量大幅度升高，这种现象的产生，是由于逆境胁迫增加了叶绿体膜对ABA 的通透性，并加快根系合成的 ABA 向叶片的运输及积累所致。ABA 增多后可调节气孔的开度，减少蒸腾失水，抑制生长，并能增加根细胞的透性和水的通导性。实验证明，多种植物增加的内源ABA 含量与其抗性能力呈正相关。抗冷性强的水稻品种“单生一号”在低温 5 天时，体内脱落酸与植物体鲜重质量比达 18.5ng/g，而抗冷性弱的品种“汕优二号”质量比只有 6.8 ng/g。 近年来，研究干旱对植物的胁迫时提出了根冠通讯理论，至今，已对根源信号的产生、传递及其作用有了较为清晰的认识:植物气孔具有对变化的环境做出最优化反应的能力。当土壤逐渐变干时，处于干旱中的根系脱水，产生某种信号，这些信号随木质部水流移动到地上部发挥作用，信号强度增加使生长速率与气孔导度降低，以防止细胞的进一步失水，而这一信号物质主要为 ABA。外施适当浓度的 ABA 溶液可以提高作物的抗寒、抗旱和抗盐性，其原因可能是:ABA 可延缓 SOD、CAT 等酶活性的下降;提高膜脂不饱和度;促进渗透调节物质的增加及促进气孔关闭等机制。 3.4.2 脱落酸与交叉适应性 生长在自然环境中的植物，常常会遭受逆境，任何一种逆境都会影响或干扰植物的正常生理过程，而且各种逆境对植物的危害往往是相互关联的，如干旱往往伴随着高温，反过来高温也会引起干旱;又如盐分胁迫同时也会引起水分胁迫等。植物对各种逆境的适应也是相互联系的，如抗旱锻炼不仅能提高植物的抗旱性，而且也能提高植物的抗冷性。 植物与动物一样，也存在着交叉适应现象，即植物经历了某种逆境后，能提高对另一些逆境的抵抗能力，这种对不良环境间的相互适应作用称为交叉适应。如低温、高温等逆境能刺激提高植物对水分胁迫的抗性;缺水、盐渍等预处理可提高植物对低温和缺氧的抗性;低温锻炼和轻度干旱可增加某些植物的抗冻性等。这些交叉适应现象，表明植物对不同逆境的适应存在着某些共同的生理基础。经研究证明这些生理基础与 ABA 的出现密切相关，因此 有人认为交叉适应的作用物质就是 ABA。植物在逆境条件下会导致 ABA 含量增加，ABA 作为逆境的信号激素诱导植物发生某些适应性的生理代谢变化，增强植物的抗逆性，因此就可以抵抗其他逆境，即形成了交叉适应性。实验证实，外施 ABA 能提高植物对多种逆境的抗性。由此可知，ABA 在植物的抗逆生理中具有很重要的适应作用。 第二章 植物氧化胁迫与活性氧代谢 2.1 地球大气层中氧的来源 地球大气层中的氧来自绿色植物的光合作用。没有氧，不会进化出需氧的高等生物，也就谈不上自由基生物学。 光合作用的简略化学反应式如下: nCO 2 +nH 2 O+光,8,1(CH 2 O) n +nO 2 即绿色植物利用太阳光为能源，以水和二氧化碳为原料，制造出碳水化合物，成为整个地球生物圈进一步发育的物质基础，同时裂解水而放出的氧气是地球大气中氧气的基本来源，也是所有高等生物呼吸所不可或缺的。在最初的能进行光合作用的兰细菌出现以前，大 气层中氧的唯一来源是太阳辐射中所含的紫外线对水的裂解产生的。那时大气层中氧的浓度只有现在的万分之一。随大气层中氧的新来源的出现而来的是臭氧层的形成，使太阳辐射中到达地球表面的紫外线大大减少。更多的氧为高等动植物的进化创造了条件，同时也就出现了有氧代谢带来的潜在危险。此后，植物方面自由基生物学的研究也在很大程度上和光合作用的研究进展密切有关。 2.2 氧化助迫与活性氧代谢 干旱、盐碱、高温、冷(冻)害和涝害等胁迫条件是严重影响栽培植物生长发育的非生物胁迫因子，在胁迫下，如果植物细胞产生并积累大量的活性氧 ROS，当 ROS 的产生与清除无法达到平衡，并且 ROS 的积累超出一定的负荷时，植物将发生氧化胁迫(oxidative stress)，ROS 攻击生物分子，不可避免的造成膜系统、蛋白质、脂类、DNA 及其他细胞组分的严重损伤，植物个体的生长、发育将受到危害。 2.3 活性氧种类 植物细胞在正常代谢中，可由多种途径产生活性氧，几乎所有的需氧反应都可以产生。在植物的光合作用、呼吸作用、氧化还原反应与许多酶反应系统中，当分子氧在还原过程中产生的未完全还原的中间产物时，如叶绿体、线粒体、过氧化物体和质膜上的电子传递给分子氧时，则产生活跃的、具有毒性的称为活性氧。活性氧毒性是由它们的结构、电子状态决定的，它是体内较活泼的氧的代谢中间产物，活性氧主要包括基线态氧、超氧阴离子自由基 HO 2 ? 、H 2 O 2 、羟自由基(?OH)、LO? (L为烃基或脂质基等有机部分)、LO? 2 、ONOO - 、LOOH 等。H 2 O 2 是基态氧3 O2 的双电子还原产物，具有较强的氧化性，但在较强的氧化剂存在时，也具有一定的还原性。H 2 O 2 能够很容易地穿过生物膜而与细胞质中的成分发生反应。尽管活性氧的反应活性差别较大，但都比基态氧3 O2 和 H 2 O 2 稳定性差，这就给细胞造成了潜在的威胁。 2.4 活性氧积极作用及危害 细胞在正常代谢条件下，活性氧的产生与清除是处于动态的平衡。如果失去平衡，由于活性氧的高活性(势必给细胞造成破坏，细胞受害甚至死亡。当环境胁迫长期作用于植物体，其产生的活性氧浓度如果超出活性氧解毒系统的能力时，细胞就会受到氧化损伤。细胞质膜、细胞器膜等生物膜中多不饱和脂肪酸易被氧化，变硬变脆，致使膜功能改变，膜结构受破坏。同时，活性氧攻击蛋白质的氨基酸残基，尤其是 Tyr、Phe、Trp、Met 和 Cys，形成羰基衍生物。另外，活性氧可以促进分子内(间)的交联，如二硫键的形成和蛋白质的断裂，超氧化物可使一些含金属的酶类失活，或产生经自由基，引发磷脂的过氧化。10umol/L 的 H 2 O 2 可以抑制碳固定，在 1umol/L 的低浓度下，它可使卡尔文循环中的一些巯基酶类失活。 活性氧最主要的危害是 H 2 O 2 产生的活性更强、更有毒性的羟自由基?OH，造成膜脂类过氧化、碱基突变、DNA 链的断裂和蛋白质的损伤。OH - 可以修饰一些蛋白质使它们对蛋白水解酶的作用更敏感，一旦被破坏，蛋白质就会进一步被肽链内切面酶降解，已发现在类囊体的膜上存在这样的酶。此外，一种具有多种催化功能的蛋白酶复合体已在哺乳动物和植物中被证实其具有选择性地降解活性氧所破坏的蛋白质。 高浓度活性氧对植物细胞有很强的毒害作用，但在低浓度下，活性氧在代谢过程中却有其积极作用的一面: ?几类活性氧是植物细胞的信号传导分子，在低浓度下，诱导与植物胁迫耐性相关的基因表达和生化反应。 ?活性氧参与细胞壁中富含羟脯酸的糖蛋白交联过程，这有利于抵御病原体侵 入细胞。 ?活性氧作为第二信使，调控抗病相关基因的表达并启动植物抗毒素合成基因的转录。 ?当病原体侵染植物后，细胞内的活性氧水平迅速提高，从而引起过敏细胞死亡。 2.5 植物活性氧清除 活性氧对细胞具有潜在的毒害作用，因此必须得到有效的控制，保持其产生与清除之间动态平衡。有氧生物体在生物进化过程当中，相应地进化成一套行之有效的清除活性氧的保护网络。植物体内有效清除活性氧的系统分为酶促和非酶促两类。非酶类抗氧化剂主要是一些小分子量的有机物，包括抗坏血酸、谷胱甘肽、甘露醇、脯氨酸、山梨醇、肌醇、生育酚和类黄酮等。酶促解毒系统包括超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸酶(DHAR)等。 2.5.1 非酶类抗氧化剂 非酶类抗氧化剂包括抗坏血酸、谷胱甘肽、甘露醇、α-生育酚、类黄酮和胡萝卜素。它们分布于不同亚细胞结构区域中，清除不同种类的活性氧;这些物质既可直接同 ROS 反应将其还原，又可参加酶反应，作为底物在 SOD 的清除中发挥重要作用。 2.5.1.1 抗坏血酸和谷胱甘肽 抗坏血酸和谷胱甘肽在活性氧脱毒过程中起重要作用，它们可直接同 ROS 反应，将其还原，又可作为酶的底物在活性氧的清除过程中扮演重要角色。抗坏血酸、还原型谷胱甘肽及 APX、GR、SOD 和 MDHAR 都参与了植物细胞中抗氧化剂的再生过程。此外，抗坏血酸在 α-生育酚和玉米黄质的再生循坏中充当还原剂。抗坏血酸的第三种功能是中叶绿体类囊体表面作为还原剂参与抗坏血酸过氧化物酶介入的过氧化氢的清除，在这一过程中，抗坏血酸被氧化成单脱氢抗坏血酸。在完全氧化的脱氢抗坏血酸产生的情况下，还原型谷胱甘肽可以通过谷胱甘肽还原酶得到还原。由于抗坏血酸在清除活性氧的过程中发挥了重要作用，故而在叶绿体中，这一与氧的摄入、APX 的功能及分子氧还原相关的过程最近被称为“米勒-抗坏血酸过氧化物酶光呼吸”。 2.5.1.2 甘露醇 甘露醇是已知的氢氧根离子清除剂。在氧化胁迫下，甘露醇可以保护巯基酶类或其他巯基调控的叶绿体组分，如黄素蛋白、硫氧还原蛋白和谷胱甘肽。这可通过离体类囊体实验证明:在适当浓度的还原态金属离子存在下，离体类囊体可以产生 OH - ，磷酸核酮糖激酶(PRK)作为卡尔文循环中巯基酶类的代表可与产生的 OH - 发生作用，然后分别加入甘露醇、甲酸内、过氧化氢酶，通过检测 PRK 的活性来验证它们对 OH - 的清除能力。实验发现，甘露醇和甲酸钠及过氧化氢酶能够保护PRK，使之不被氧化失活，这说明 H 2 O 2 的毒性可能是由 OH - 引起的，而且巯基酶的失活也不是 H 2 O 2的直接作用 [25] 。将细菌编码甘露醇-1-磷酸脱氢酶的基因(Mt1D)转入烟草中，使之在叶绿体中表达积累甘露醇，分离转基因植株的类囊体进行体外实验表明，叶绿体中甘露醇含量至少为 100mmol/L，并且在 H 2 O 2 处理下较对照植株具有较高的 PRK 活性 [24] 。尽管甘露醇对巯基酶具有保护作用，但体内的直接证据仍未获得，故仍需进一步研究以阐明甘露醇对细胞保护的重要性。 2.5.1.3 类黄酮 最近研究发现类黄酮与抗坏血酸和 α-生育酚一样，是主要的活性氧清除剂。体外研究表明类黄酮可以直接清除活性氧，如超氧化物(O 2 - )、氧化氢(H 2 O 2 )、氢氧根离子(OH - )或单氧(O 2 )[34] 。但在体内却未必如此，因为类黄酮主要定位于液泡，而活性氧离子并不能从叶绿体 扩散至液泡中，因而在植物细胞中，类黄酮只能在活性氧的产生部位或附近部位进行清除，如液泡或细胞壁。而 H 2 O 2 却比较稳定而且能够穿过生物膜，故而类黄酮在 H 2 O 2 的清除中扮演极为重要的角色。 食品化学研究表明，类黄酮与过氧化物酶反应时作为电子供体。Takahama(1989)提出类黄酮过氧化物酶反应可能在体内外一样起清除 H 2 O 2 的作用。由于活性氧的产生和清除是持续进行的，所以类黄酮过氧化物酶反应不可能作为一个主要的脱毒系统而起作用。然而当细胞中的 H 2 O 2 水平在植物快速生长或受到胁迫、或在幼年叶片中抗坏血酸不足、或在抗坏血酸缺失突变体中升高时，有可能是类黄酮作为一个替补的防护措施 [8,33] 。应该指出的是抗氧化功能不是类黄酮的自身特征，而是植物酚类的一个总的特征 [7] 。 2.5.2 抗氧化解毒酶 活性氧解毒酶具有高效性与专一性，解毒系统主要包括超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、脱氢抗坏血酸酶等。在活性氧的产生与代谢过程中，抗氧化解毒酶催化不同的反应，终止活性氧的级联反应，并且与抗氧化剂物质协同起来，形成抗氧化系统(图 3-4)。 解毒酶在细胞中的定位区域不同，分布也不均衡，有水溶性酶，也有结合在膜上的，并且多数酶具有多种同工酶，因而在细胞的不同部位，不同的生理与代谢过程，活性氧清除酶也不同。 图 植物活性氧解毒系统作用示意图 活性氧解毒酶和抗氧化剂在各自独立行使功能的同时，又相互补充，相互作用，彼此构成一个复杂的抗氧化网络，如抗坏血酸——谷胱甘肽循环(GSH—ASA)存在于细胞的不同区域，几类解毒酶、抗氧化剂结合起来，共同清除细胞内的活性氧。在电子传递链上，交替氧化酶(AOX)也具有清除活性氧的重要功能。AOX 引导电子传递路径，使 O 2 获得电子后生成水。结果，不仅限制了 O 2 还原形成超氧化物，同时也降低了活性氧产生的反应底物 O 2 的水平，从而降低了活性氧的产生。 2.5.2.1 抗坏血酸过氧化物酶 抗坏血酸过氧化物酶(APX)是清除 H 2 O 2 的主要酶类，与还原抗坏血酸为反应底物，催化 H 2 O 2还原为 H 2 O 的反应，对抗坏血酸具有很高的特异性和亲和性，消耗 H 2 O 2 产生单脱氢抗坏血酸，单 脱氢抗坏血酸可通过不同的途径还原抗坏血酸。 植物的APX具有特性各异的同功酶家族，根据APX在植物细胞中的定位分为5类:类囊体APX、基质 APX、微体 APX、细胞质 APX、和线粒体 APX。APX 同功酶对底物的特异性存在差异，尤其以叶绿体和线粒体型 APX 的特异性最高，愈创木酚也可作为微体型 APX 与细胞质 APX 的还原型底物。同时，APX 的酶活性被巯基保护剂物质所抑制。APX 酶学特性的最大特点之一，是在无抗坏血酸存在的条件下极易失活，当抗坏血酸浓度低于 20mmol/L 时;叶绿体型和线粒体型 APX 的半失活期在 30s 内，而微体型 APX 与细胞质 APX 的半失活期在 1h 左右。活性 APX 同工酶的分子量存在差异，细胞质APX是28ku的二聚体的形式，类囊体APX和基质APX是以单体存在的，分别为37.7ku、33.2ku;线粒体型、微体型 APX 相对分子质量约为 31 ku。 编码 APX 同工酶的 cDNA S 已从多种植物中分离出来。 由于 APX 同工酶在无抗坏血酸存在的条件下极易失活，从植物体直接纯化出大量的、具有活性的同工酶具有很大难度;同时在体内又难于将同工酶严格的单独分离开来。利用蛋白质重组技术，为解决这一难提供了有效的方法。目前，已经在体外获得了菠菜、豌豆、拟南芥等植物的大量的、具有活性 的 APX 同工酶的重组蛋白，对其结构、酶动力学特性进行相关的比较研究。研究结果表明，获得的菠菜叶绿体型、胞质型 APX 重组蛋白与活性蛋白相比具有一致的酶学特性，与反应底物抗坏血酸具有更高的特异性，但在缺乏底物时更易于失活。另外，高纯度、高活性重组蛋白的获得，可以用于抗体蛋白的制备，可以在植物体内对同工酶的各自特性及相互联系，进行更系统的研究。 在表达特性研究方面，目前取得了一定的研究结果，在各种环境胁迫条件下，包括高温、低温、强光、甲基紫稻、高盆、干旱、臭氧、紫外照射等，拟南芥、豌豆 cAPX 转录表达稳定增加。然而，在相同的胁迫条件下，发现菠菜 APX 的表达存在差异。其同工酶基因胁迫下，APX 同功酶的表达分析，只有经强光及紫外线处理的菠菜叶片，其 cAPX 的转录水平显著升高，而叶绿体及微体 APX的表达却不受影响;将生长在弱光中的拟南芥移于强光下，能在 15min 内引起核编码的 2 种 APX 基因的迅速表达，且伴随还原型与氧化型谷胱甘肽比率的降低。 APX 同工酶基因的转录表达受到胁迫刺激及生长发育阶段的调控，H 2 O 2 作为信号分子，它在细胞内的水平也起到了对 APX 调控的功能，同时电子传递链中氧化还原状态的变化也参与了调控。APX 同功酶与其他抗氧化解毒酶一起组成了细胞的保护网络，在细胞组分的调控下，对器官保护和减缓组织损伤中起协调作用。 2.5.2.2 过氧化氢酶 过氧化氢酶是一种四聚体血红素酶，主要存在于过氧化物酶体与乙醛酸循环体及相关细胞区域内。其中，目前发现 CATl、CAT2 和 CAT 3 3 种主要同工酶。CAT 与 APX 一样都是清除 H 2 O 2 的主要酶类。过氧化氢酶可催化如下反应:2H 2 O 2 —O 2 +2H 2 O。它与 APX 的不同之处在于:前者不需要还原力且具有较高的酶活速率，但对 H 2 O 2 的亲和力较弱，后者需要还原性底物，并对 H 2 O 2 具有较高的亲和力。这些酶的亚细胞分布表明:叶绿体 APX 主要清除米勒反应产生的 H 2 O 2 ，而过氧化氢酶主要清除光呼吸中产生的 H 2 O 2 。然而情况并非如此简单，这不但因为两种酶的催化活性不同，而且因为 H 2 O 2 可以穿过膜扩散，而非严格的区域化。 第三章植物的水分生理水势: 水溶液的化学势与纯水的化学势之差， 除以水的偏摩尔体积所得商。渗透势: 亦称溶质势， 是由于溶质颗粒的存在， 降低了水的自由能， 因而其水势低于纯水水势的水势下降值。5 压力势: 指细胞的原生质体吸水膨胀， 对细胞壁产生一种作用力相互作用的结果， 与引起富有弹性的细胞壁产生一种限制原生质体膨胀的反作用力。质外体途径: 指水分通过细胞壁、 细胞间隙等没有细胞质部分的移动，阻力小，移动速度快。共质体途径: 指水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝， 移动到另一个细胞的细胞质，形成一个细胞质的连续体， 移动速度较慢。 渗透作用:水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象。 根压: 由于水势梯度引起水分进入中柱后产生的压力。蒸腾作用: 指水分以气体状态， 通过植物体的表面(主要是叶子)， 从体内散失到体外的现象。 蒸腾速率: 植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。 蒸腾比率: 光合作用同化每摩尔 CO2 所需蒸腾散失的水的摩尔数。 水分利用率: 指光合作用同化 CO2 的速率与同时蒸腾丢失水分的速率的比值。内聚力学说: 以水分具有较大的内聚力足以抵抗张力， 保证由叶至根水柱不断来解释水分上升原因的学说。 水分临界期: 植物对水分不足特别敏感的时期。 1.将植物细胞分别放在纯水和 1mol/L 蔗糖溶液中， 细胞的渗透势、 压力 势、 水势及细胞体积各会发生什么变化, 答: 在纯水中， 各项指标都增大; 在蔗糖中， 各项指标都降低。 2.从植物生理学角度， 分析农谚“有收无收在于水” 的道理。 答: 水， 孕育了生命。 陆生 植物是由水生植物进化而来的， 水是植物的一个重要的“先天” 环境条件。 植物的一切正常生命活动， 只有在一定的细胞水分含量的状况下才能进行， 否则， 植物的正常生命活动就会受阻， 甚至停止。 可以说， 没有水就没有生命。 在农业生产上，水是决定收成有无的重要因素之一。 水分在植物生命活动中的作用很大，主要表现在 4 个方面: 水分是细胞质的主要成分。 细胞质的含水量一般在 70~90%使细胞质呈溶胶状态， 保证了旺盛的代谢作用正常进行，如根尖、 茎尖。 如果含水量减少， 细胞质便变成凝胶状态， 生命活动就大大减弱， 如休眠种子。 水分是代谢作用过程的反应物质。 在光合作用、 呼吸作用、 有机物质合成和分解的过程中， 都有水分子参与。水分是植物对物质吸收和运输的溶剂。 一般来说， 植物不能直接吸收固态的无机物质和有机物质， 这些物质只有在溶解在水中才能被植物吸收。 同样， 各种物质在植物体内的运输， 也要溶解在水中才能进行。 水分能保持植物的固有姿态。 由于细胞含有大量水分， 维持细胞的紧张度(即膨胀)，使植物枝叶挺立， 便于充分接受光照和交换气体。同时， 也使花朵张开， 有利于传粉。 3.水分是如何跨膜运输到细胞内以满足正常的生命活动的需要的, 答: 通过膜脂双分子层的间隙进入细胞。 膜上的水孔蛋白形成水通道， 造成植物细胞的水分集流。 植物的水孔蛋白有三种类型: 质膜上的质膜内在蛋白、液泡膜上的液泡膜内在蛋白和根瘤共生膜上的内在蛋白，其中液泡膜的水孔蛋白在植物体中分布最丰富、 水分透过性最大。 4.水分是如何进入根部导管的, 水分又是如何运输到叶片的, 答: 进入根部导管有三种途径: 质外体途径: 水分通过细胞壁、 细胞间隙等没有细胞质部分的移动， 阻力小， 移动速度快。 跨膜途径: 水分从一个细胞移动到另一个细胞， 要两次通过质膜， 还要通过液泡膜。 共质体途径: 水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝， 移动到另一个细胞的细胞质， 形成一个细胞质的连续体， 移动速度较慢。 这三条途径共同作用， 使根部吸收水分。 根系吸水的动 力是根压和蒸腾拉力。 运输到叶片的方式: 蒸腾拉力是水分上升的主要动力， 使水分在茎内上升到达叶片， 导管的水分必须形成连续的水柱。 造成的原因是: 水分子的内聚力很大，足以抵抗张力， 保证由叶至根水柱不断， 从而使水分不断上升。 5.植物叶片的气孔为什么在光照条件下会张开， 在黑暗条件下会关闭, 答: 保卫细胞细胞壁具有伸缩性， 细胞的体积能可逆性地增大 40~100%。 保卫细胞细胞壁的厚度不同， 分布不均匀。 双子叶植物保卫细胞是肾形， 内壁厚、 外壁薄， 外壁易于伸长， 吸水时向外扩展， 拉开气孔; 禾本科植物的保卫细胞是哑铃形， 中间厚、 两头薄， 吸水时， 横向膨大， 使气孔张开。 保卫细胞的叶绿体在光下会形成蔗糖， 累积在液泡中， 降低渗透势， 于是吸水膨胀，气孔张开; 在黑暗条件下， 进行呼吸作用， 消耗有机物， 升高了渗透势， 于是失水， 气孔关闭。 6.气孔的张开与保卫细胞的什么结构有关, 答: 细胞壁具有伸缩性， 细胞的体积能可逆性地增大 40~100%。 细胞壁的厚度不同， 分布不均匀。 双子叶植物保卫细胞是肾形， 内壁厚、外壁薄， 外壁易于伸长， 吸水时向外扩展， 拉开气孔; 禾本科植物的保卫细胞是哑铃形， 中间厚、 两头薄， 吸水时，横向膨大，使气孔张开 结论:理出了问题存在的原因，明确了今后努力的方向和整改措施。 一、存在 的突出问题 一是学习深度广度不够。学习上存在形式主义，学习的全面性和系统性不强，在抽时间和挤时间学习上还不够自觉，致使自己的学习无论从广度和深度上都有些欠缺。学习制度坚持的不好，客观上强调工作忙、压力大和事务多，有时不耐心、不耐烦、不耐久，实则是缺乏学习的钻劲和恒心。学用结合的关系处理的不够好，写文章、搞材料有时上网拼凑，求全求美求好看，结合本单位和实际工作的实质内容少，实用性不强。比如，每天对各级各类报纸很少及时去阅读。因而，使自己的知识水平跟不上新形势的需要，工作标准不高，唱功好，做功差，忽视了理论对实际工作的指导作用。 二是服务不深入不主动。工作上有时习惯于按部就班，习惯于常规思维，习惯于凭老观念想新问题，在统筹全局、分工协作、围绕中心、协调方方面面上还不够好。 存在着为领导服务、为基层服务不够到位的问题，参谋和助手作用发挥得不够充分。比如，到乡镇、部门、企业了解情况，有时浮皮潦草，不够全面系统。与基层群众谈心交流少，没有真正深入到群众当中了解一线情况，掌握的第一手资料不全不深，“书到用时方恨少”，不能为领导决策提供更好的服务。 三是工作执行力不强。日常工作中与办公室同志谈心谈话少，对干部思想状态了解不深，疏于管理。办公室虽然制定出台了公文办理、工作守则等规章制度，但执行的意识不强，有时流于形式。比如，办公场所禁止吸烟。四是工作创新力不高。有时工作上习惯于照猫画虎，工作只求过得去、不求过得硬，存在着求稳怕乱的思想和患得患失心理，导致工作上不能完全放开手脚、甩开膀子去干，缺少一种敢于负责的担当和气魄。 参考文献: 【1】 贺学礼 《植物生物学》 科学出版社 2009-7 P454-P457 【2】 邹良栋 《植物生长与环境》 高等教育出版社 2010-6 P214 【3】 武维华 《植物生理学(第二版) 》科学出版社 2008-8 P444 P469-P470 【4】 李合生 《现代植物生理学(第二版) 高等教育出版社 2006-7 P341 》 【5】潘瑞炽 《植 物生理学(第四版) 高等教育出版社 2001 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Adaptation to water deficits:A changing perspective.Aust.J.Plant Physiol., 1983, 13:175-190 题 目: 植物逆境生理学 课 程: 土壤与植物营养学 姓 名: 艾孜哈尔 专 业: 园林 班 级: 园林131 学 号: 720131341 座位号: 39 指导教师: 赵金鹏 职 称: 讲师 2016年6月 题 目: 城市边缘森林公园功能分区方法研究 课 程: 森林公园规划设计 姓 名: 艾孜哈尔 专 业: 园林 班 级: 园林131 学 号: 720131341 座位号: 39 指导教师: 赵金鹏 职 称: 讲师 2016年6月 城市边缘森林公园功能分区方法研究 艾孜哈尔 指导教师:赵金鹏 摘要:本文在对城市边缘森林公园分区理论研究的基础上，全面考量森林公园的功能性、适宜性、生态性、多样性、开发利用的立体性等诸多特点，从理论支持到各分区方法以及方法间优劣势对比，利用数学方法和现代空间信 息技术方法深化森林功能分区研究，使森林功能分区工作进一步科学化、化和标准化，以提升城市边缘土地利 用价值，实现社会、经济、生态区域的可持续发展。 关键词:森林公园; 城市边缘; 功能分区; 方法; 可持续发展 正文:自然景观，尤其是森林景观更为丰富。美国是开发利用森林公园起步较早的国家，森 林公园规划思想的演变 经历了总体规划(Master Plan) 、综合行动规划( Comprehensive Action Plan) 行动决策构架(Framework DecisionMaking) 。规划工作的重点，由以经济和美学价值为导向的旅游设施建设和视觉景观规划，转向为以更 好地保护资源为导向的资源管理规划。公园功能重 心由利用景观向生态资源保护转移 。由于森林旅游在我国起步较晚，目前森林公园旅游开发与规 划方面尚未形成完善的理论体系，但它涉及的学科 面却非常宽广。 地理学方面的: 自然 林学 森林公园功能分区方法研究 森林公园功能分区方法的地理学，经济地理学; 理论支持根据《中国森林公园风景资源质量等级评定国 家标准 GB 1999》对森林公园的定义为具 有一定规模和质量的森林风景资源与环境条件，可 以开展森林旅游，并按法定程序申报批准的森林地 一般将城市边缘森林定位于大中城市城区或城周的森林公园，多在距市中 20km 以内的区域内。森林公园功能分区规划在 园林规划设计中属于公园规划设计的一部分，但它 又与一般的城市公园相异: 它面积大，生物种类繁 收稿日期: 2011-01-13 作者简介: 1987-)，女，成都，硕士在读，自然地理学。 108 方面的森林学、森林旅游学;生态学方面的生态旅游 学、景观生态学; 旅游学方面的旅游开发学、闲暇游 憩理论、旅游可持续发展理论; 心理学方面的旅游心 理学; 经济学方面的旅游经济学、人类学方面的旅游 人类学，地理信息系统，地图学，数学等等，都是森林 公园旅游开发与规划研究的基本理论 ，理论体系图见图 森林功能分区是对森林空间进行功能划分，其中使用的资料如森林资源、环境、土地使用现状等都是具 有空间分布特征，因此需要借助空间分析手段。 森林公园功能分区方法的方法研究目前运用于分区的主要方法有: 指标法、叠加法 理论体系图指标法 和协调法以及基于GIS 的森林公园功能分区方法。 McHarg生态调查因素层次模型 资料来源:四川森林生态旅游可持续发展战略研究，2007〔15〕) 根据森林区划的各项指标体系，对森林自然环 境和及社会属性条件进行系统分析，判断特定森林 公园的类型，并作出相应功能的适宜性评价，进而划 分出森林功能区的一种方法，即根据森林的自然属 性参照功能区类型划分指标确定森林所具有的功 能。将每一个因子赋予一定的分值，按照权重进行 分析，这种分析方法是一种定性分析，并不是运用各 个指标在量化进行对比分析。指标法 是以自然属性为主的原则指导下的指标法，注重自然属性，却 很少体现社会、经济条件、文化等社会属性指标。所 以指标法并不能完全反映某个森林的固有属性，具 有一定的局限性。但是由于 森林本身具有不同的类 别与划分，差异性还很大，影响森林功能类型的因素 众多，涉及到自然、经济、社会文化的各个方面，影响 力程度也有不同，因此只能主要采用那些理论上较 为成熟、科学上较严谨，同时又具有一定可操作性的 指标。要想反应特定森林公园功能分异的实质并且 依托于这些指标体系，需要从一些内在因素出发，这 些因素影响森林对于人类价值与功效，并将自然条 件、社会经济条件分层次表达，各指标在层次内和层 次间都要有定性和定量的描述。据此，指标法有其 本身带来的局限性。 叠加法将能够收集到的森林的自然禀赋、环境状况、开 发与发展现状、社会发展的需求、功能分区调整的意 见等资料与图件叠加在一起，分析森林的使用开发 现状、行业规划、用地，在本区自然资源、自然条 件与环境的具体条件下适宜某种功能、彼此之间是 否重叠、矛盾，比较后确定主导功能的一种方法。叠 加法 仅仅把这些自然条件与人文条件等资料和图件简单地叠加对比分析，至于怎样去处理层与层 之间的复杂联系、解决不同的图层对于某项森林功 能的影响程度的差异等重要问题并没有明确的标 准。划分前一般要先确定所规划范围内场地的适宜 条件。在对叠加结果分析时主要集中在强适宜级、 适宜级、和勉强适宜级范围内，在不适宜的范围内进 城市边缘森林公园功能分区方法研究109 行功能重叠分析没有太大意义，这部分区域一般分 布广且在较为偏远的地区。在比较叠加分析时可以 遵循以下原则: 如果功能出现叠置的属同级别则根 据上层森林功能分区、资源备择性原则以及社会经 济发展需求来确定其主导功能; 若功能互相兼 功能重叠的情况，一般将容则 其他功能设为次要功能，对于出现高级别和低级别 高级别功能定为主导功能; 通过充分的论证;对于功能性不兼容的情况，一般 定性，论证的充分度都将影响最终的结果。析的工作量是很大的，引入新技术成为了必然趋势。 近年来，规划工作中涉及到的新技术 主要有3S RS、GPS、GIS)技术、CAD 技术、数字化野外测量 技术、虚拟现实技术等。其中对森林公园规划影响 较大的是利用 GIS 技术构造与现实地理空间对应的 地理信息空间，并可用数字构建的模型对现实地理 空间进行分析、模拟和辅助作决策。在森林公园规 划中应用 GIS 技术带来了巨大的优越性。首先，利 用软件进行地形地势地貌的分析要比传统方法更精 确、易于操作、直观性更强。只需输入将各项空间信 息，软件依据数据各项性质来分类，同一性质的形成 一个数据层，如图 所示分层示意图。设定所需精度要求，运用 GIS 软件对单个或者多个图件与各项 属性数据进行分析和指标分析，可以直接生成高度、 坡向、坡度等各种分级图。较于传统的数据与报表 形式更加优越于方便快捷。运用这些软件的辅助， 规划师能更高的发挥工作效率，从繁复的计算工作 中脱离出来专心思考规划 协调法是依据现有搜集资料，进行综合性的分析、协调好各种关系、优化处理各层关系，最后确定 其主导功能的森林功能分区方法及其应用研究的一 种方法 。其主要是运用不同类型的森林功能分区各项原则对各层关系进行平衡，优化处理。随着 现社会与经济的发展，环境问题越来越突出，涉及范 围越来越广，分析处理和协调的难度和量也越来越 大。可是把握各项原则和运用充分受到规划人员对 各项原则理解程度、经验丰富程度等主观因素影响， 并不能真正的客观对区域进行实际理性的分析，有 时在协调的过程中又容易受领导或者开发者意见的 影响，使得协调最终变成让步和妥协，所以需要将协 调的方式和方法程序化、定量化，使得规划与后来的 开发工作更加理性与科学，遵从自然原则，不更多的 植入人为意志。这些方法被广泛地运用，对制定科 学合理的功能分区发 挥了积极作用，但是随着森林 功能分区法律地位的提高，分区原则和比例尺的变 化，原有的定性分析和分区方法不能满足新的任务 和新的要求。 GISDEM 分析法 森林公园的规划工作不同于普通的城市或者城 乡规划，因其需要处理大量复杂的空间信息，因此基 础资料特别是基地数据资料的精确性和实时性是规 划工作成功的关键，为了科学地进行规划与管理，首 先必须有足够的现存环境状态与特征的信息 森林功能分区中与自然环境有关的空间数据包括地形地势地貌、植被种类、覆盖情况、地表地质、水文数 据、土壤、能源、环境气候; 同时还应该考虑到人文、 社会文化等各个因素，这些因子相互关联与影响，共 同作用整个规划范围，但这些庞大的数据处理与分 GIS分层示意图 资料来源:四川森林生态旅游可持续发展战略研究，2007 〔15〕 GISDEM 地理信息系统分析法案例运用——— 以广元市南山森林公园为例 高程分析利用数字高程模型得到高程分析: 将数字高程 模型的格网点高程数据按照不同的高程范围分级得 到地面高程分析图 〔10〕 ，如图所示深绿色代表高程为 450 500m，棕红色代表高程为 GIS建立数字模型，绘出区域内山体的轮廓线，如图 所示横坐标为所选区域的平面距离，竖坐标为高程 的域值。将地形图加载入 GIS 后，经过系统自动分 析处理及分层，根据需要设置等高线距离以及颜色 等，可以直观的对对象的地貌进行分析研究，并且可 以统计各种需要的数据，如面积，长度等。 广元市南山森林公园海拔最高处位于气象塔 处，海拔约 952 m，公园内最大相对高差约 600 由西南向东北贯通整个西翼范围，全长约 km;山脊北 侧的山 伏交替的地貌形态，南坡上的山脊线坡较为连续，南侧山坡高程变化较大，形成起 与山谷线走向 大多垂直于西翼主脊线。东翼———占地面积最小， 地势变化较西翼平缓，最高山脊线出现在南部边界处，其北部另有一条较低的山脊线，由 西北到东南逐渐与最高山脊线交汇，二者形成左 与东西两翼分别由两条山涧小溪相隔;内部主 要两条山脊线沿南北向平行伸展; 总体而言地势由 南至北逐渐降低。 高程分析图所代表的坡度值如图所示，根据坡度可以根据地质 坡度分析利用数字高程模型进行坡度和坡向分析: 利用 数字高程模型，通过计算机运算，很容易得到区域的 坡度及坡向分级图，还可以根据规划的实际需求，来 运算符合一定坡度、坡向要求的地面范围 〔11〕 。同时 可以得到坡度、坡向各等级的统计数字。将地形图 加载入 GIS 后，经过系统自动分析处理及分层，根据 需要设置等高线距离以及颜色等，GIS 可以自动生 成坡度分析图。图 是坡度分级图，其中各种颜色地貌条件来对土地进行适宜性评价。 根据 GIS 坡度分析，可以知道整个南山森林公 园地形地势关系，全园的坡度分布，有利于对所规划 的建设项目进行合理安排，园路的选型及定位等。 南山森林公园范围内坡度超过 15% 的用地占绝大 多数，且坡度变化频繁，导致场地较为破碎，虽然给 建设设施带来了较大难度，但也为今后在公园内开 展多样的活动提供了前提条件。 城市边缘森林公园功能分区方法研究111 定性来分析的不足，由定性分析走向了定量分析。 分析结果精确科学可靠，实现森林公园功能区分的 系统化和自动化，同时易操作，运用这一手段基本可 以还原场地，是分析和评价工作十分重要的辅助手 段。更是功能分区不可缺少的辅助软件。 四种功能分区方法的比较以上四种方法是经常运用于森林公园功能分区 中的手段，表 列出了四种方法各自的优劣势。可以看出，随着现代地理学的发展与不断完善，GIS 分区方法比较传统方法 现代方法 指标法 叠加法 协调法 GIS 将自然社会经济指标基本全 部考虑 比较确定主导功能 直观、快捷、准确、及时，能将空间数 据和属 性数据进行有效的综合 由传统的定性分析走向定量分析 是准确、可靠的量化依据 实现森林功能分区的系统化和自动 注重自然属性指标根据功能区类型划分指标体 最终确定其主导功能综合平衡，合理优化 优势 缺少社会属性指标 不能全面反映特定森林的固 有属性，有一定的局限性 只是简单地叠加对比 分析无法处理层与层间的关 不能解决不同图层对于某项森林功能的影响程度的差异 等重要问题 在不适宜级的范围内进行功 能重叠分析没有意义 由主观意识确定 缺乏协调的方式和方法程序 化、定量化。 劣势 握先进科学技术加以灵活运用，才能使方法不断更 新，朝着更客观、完善的方向发展。 森林公园功能分区方法研究意义参考文献: 现行的森林功能分区技术标准没有对区划分析 流程和方法进行具体规定，各地在进行森林功能分 区时有很大的主观随意性，森林功能分区的作用没 有得到应有的发挥。开展森林功能的分区方法研究 对于完善森林功能区划的理论，优化森林功能分区 方法，提高森林功能区划科学性具有重要的理论与 实践意义。随着环境的变化与社会的变迁。新的形 势对森林功能分区的客观性、科学性提出了更高要 求。森林公园功能分区应通过程序化的步骤、信息 化的分析和模型化的决策，从整体上揭示本地区各 种森林功能的适宜性情况，在区域整体上对各行业 用林进行符合自然规律的安排。森林资源、环境、社 会经济要素等都是具有空间分布特征，需要运用的 空间分析手段，选择 GIS 作为分析平台进行森林功 能分区辅助分析，为从整体上揭示各地各种森林功 能的适宜性情况创造了条件。然而，目前人类所进 行的工作都是基于当前的技术手段进行的，随着科 学技术的发展，必定有更加先进的技术与方 对森林公园功能分区的研究也必定将随之更新。规 划工作是一个动态的法出现， 不断发展的行业，需要随时掌。 结论:在城市边缘区景观规划的过程中，应注意:(1)景观规划的整体性和多样性，既要把城市和乡村景观要素区别对待，又要充分结合和统一。(2)构建完善的交通体系，把村落的规划纳入到整体规划中。(3)完善周边基础设施建设，不以开发商的利益导向为主，而是综合开发利用边缘区乡村空间的整体资源。(4)构建完整的绿色廊道，用景观手段恢复生态环境、完善居住环境。 参考文献: [1]艾运盛. 武夷山国家风景名胜区游憩效益的评价[J]. 北京林业大学学报, [2]安永刚,安旭,顾斌.反规划在森林旅游规划中的应用,河北林业科技 2004 [3]白涛，余泽乾，郑昌友.青龙山国家森林公园森林游乐效益的经济评价 ,湖北林业科 技 [4]保继刚等(旅游地理学[M](北京:高等教育出版社，1993( [5]曹辉,陈平留.森林公园景观资产评估市场比较法初探,林业经济问题，2002(2):103-107 [6]曹云.努力在生态保护和旅游开发之间寻求平衡支点-中国森林公园期待双赢,中国林 业, [7]陈孝青，自然保护区生态旅游开发与保护浅析，世界林业研究，2002(2) :71-75 [8]龚辉文.论森林旅游与生境维护,中南林业调查规划 1998(3) :35-38 [9]郭际荣,郑安平,刘铁军,吕朝晖.生态公益林的规划设计与经济效益调查研究——以 河南嵩山国家森林公园为例,中南林业调查规划,1998(1):41-45 [10]张晓慧,刘晓正,张景群.秦岭北坡森林公园资金短缺问题的分析,西北林学院学报， 2002(2) :94-96