植物抗冻生理课件

1、植物抗冻生理第一节植物的过冷与结冰一植物的过冷现象supercooling: 水或溶液的温度降至其冰点而仍不结冰的现象称为过冷。过冷的溶液形成冰之前所达到的最低温度，称为过冷点(supercooling point)。Figure 1. Cooling curve for a solution of pure water水与溶液的过冷点与水所处的状态有关飘浮于空气中的微小水滴：20直径为100m的水滴：30 直径为10m的水滴：40 植物体内的水分，大多数在12 结冰，而有的植物组织，过冷点可达15 ，松树的叶芽和苹果树的花芽中的水甚至达到40 仍保持稳定，这称为深过冷（deep superc

2、ooling），深过冷的最低记录为木质部的47 。溶液维持过冷而不结冰的原因是缺乏冰核（成核体ice nucleation site）成核体可以是：尘埃或其它异质微小体水分子本身凝集成的同质微小体如冰或达到一定温度后，即使没有成核体也可结冰，没有成核体的纯水的过冷点最低可达38 植物的过冷程度较轻，原因是植物体表面或内部有异质成核体存在：如：颗粒物、尘埃或细菌二细胞外结冰在自然条件下，具有一定抗冷性的植物，当其温度逐渐下降到冰点以下时，往往会发生细胞外结冰。细胞壁上面的微小毛细管直径小于0.1m，其中的水极易过冷而不结冰，除非细胞外的冰晶极小而插入壁孔。细胞膜的脂质特性及其致密的结构更不易冰晶

3、透过，除非快速结冰时形成的微小的冰晶穿过质膜而造成细胞内结冰。附：细胞壁和质膜为何不易结冰：在胞外结冰开始后，由于冰表面水势下降，胞内水分便可通过质膜扩散到细胞间隙，供该处冰晶生长。随着温度的持续下降，细胞内的可冻水逐渐迁移到胞外，直至胞内外的水势达到平衡。这样胞内由于水分减少而原生质变浓，冰点进一步下降，一般不会再结冰。如果温度再进一步下降而下降到30左右，几乎胞内的所有水都迁移至胞外，这种细胞即使置于液氮中胞内也不会形成冰而仍可存活。三 细胞内结冰 在一般情况下，温度逐渐降至冰点以下时，细胞外先结冰。由于结冰放热和细胞脱水浓缩，造成不利于细胞内结冰的条件，因而可避免胞内结冰。但耐寒性弱的细

4、胞，质膜在低温下对水的透性小，因此胞外的冰增长很慢，潜热释放少。当降温快时，水分来不及由胞内排出，胞内的温度已降至冰点以下，于是胞外结冰停止而开始胞内结冰。另外，由于温度骤然降低，细胞很易由过冷态发展为胞内结冰。 从显微镜下观察到，过冷态的细胞，胞内的冰瞬间即形成。快速结冰时，冰在液泡内外同时形成，而一般多是在原生质层先结冰。冰首先在原生质的一端形成，然后绕过液泡扩展至另一端。只有当原生质完全结冰，液泡才结冰。或者液泡不结冰。人工冰冻时，冰还可出现在原生质体与细胞壁之间， 形成“真冰冻质壁分离”(true frost plasmo1ysis)。这时可看到，冰在胞壁与质膜之间增大，牵引胞内的水分

5、，原生质体则在冰推进之前收缩。尽管冰一直接触原生质体表面，也不会向内结冰。第二节植物的冻害一冻害的类型原初直接伤害次生间接伤害1原初直接伤害 在自然界，很少发生胞内结冰伤害。但如果仲冬温度波动而发生反复解冻和再结冰过程，或者过冷态的突然打破，也会出现直接伤害。树杆冬季的“日灼”，可能属此。据测定，美国明尼苏达州冬日树木受阳光照射的一面可比阴面高出2530，并足以引起向阳一侧树杆中的冰融化，如果太阳忽然被遮，组织迅速降温便会引起胞内结冰而致死。涂白的树杆温度在阳光下可比未涂白者低30，从而减小温差防止反复冻融的伤害。2次生间接冻害 由于细胞外结冰引起次生胁变而导致的伤害，称为次生间接冻害。一般说

6、，次生冻害比原初冻害出现慢，损伤小。但如果植物不具备回避或忍耐次生胁变的能力，也会使受害者直至死亡。次生胁变包括冰压、冰冻窒息、冰冻干燥和冰冻脱水等方面。(1)冰压 细胞外结冰可造成细胞收缩和细胞间隙冰体膨胀。膨胀的冰体对细胞产生压力，导至伤害，是为冰压伤害。但间隙的冰是否真对细胞产生压力导致损伤，还是一个争论的问题。(2)冰冻窒息 植物组织发生胞外结冰并被冰覆盖时，由于缺氧进行了无氧呼吸，往往在较高的冰冻温度下出现伤害。 (3)冰冻干燥 冬季由于冰的升华和液态水的蒸发而造成植物体缺水出现干燥症状，是为冰冻干燥。枝条失水干枯称为“抽条”。在我国西北地区，抽条是果树越冬的主要危害。二影响冻害的因

7、素结冰速率慢冷：12/h不发生直接伤害快冷：5 20/h发生直接伤害（胞内结冰）超冷（速冻）：1001000 /h胞内冰晶小，损伤小冰冻时间长度反复冻融三冻害出现的时间结冰时出现伤害直接伤害结冰后出现伤害，并随时间的延长而加重间接伤害融冰时出现伤害融冰后出现伤害细胞外结冰引起2.机械胁迫理论Iljin1933提出：冻害是由于胞外结冰而使细胞脱水收缩发生塌陷，使细胞原生质承受机械胁迫而发生伤害。3.膜伤害理论Palta 1977提出：膜伤害是冻害的原初部位冰冻后质膜的相对电导率升高。细胞中与膜结合的部分都对冰冻很敏感，这也说明质膜是冰冻的原初部位。膜组成的变化膜脂由液晶态变为凝胶态，而固化的膜更

8、易受到机械损伤。膜蛋白解离为小的亚单位，失去酶活性；或丧失三级结构，发生变性。Heber通过菠菜分离叶绿体的冰冻实验,精确地证实冻害首先是破坏叶绿体的膜结构,然后才导致光合磷酸化的失活。Steponkus发现冻害使CF1从类囊体膜的个表面脱落下来，不能光合磷酸化，叶绿体被膜和类囊体膜发生断裂。Liquid crystalline phase. The typical phase in biological membranes. The lipids have both lateral and kinetic motion and contain membrane proteinsGel pha

9、se. The membrane lipids have less kinetic energy and lateral motion than in the liquid crystalline phase resulting in a regular spacing between the acyl tails The physical properties of microsomal membranes from wheat crowns after a freezing stress to -12C. data from Kendall et al, 1985; Borochov et

10、 al., 1987 PlantFreezing to -12CSurvival (%)Ion Leakage (%)Microviscosity(poise)Gel phase at 25CNon-acclimatedNo10032.1absentYes0323.8presentAcclimatedNo10022.2absentYes100122.3absent4. SH基假说Levitt（1962,1970）认为冻害是由于原生质蛋白质之间的SH基氧化而成为二硫键，造成不可逆的凝聚之故。低温使原生质蛋白质发生可逆变性，暴露出SH基。细胞的冰冻脱水导致蛋白质分子间的距离减小，使SH基氧化成SS

11、键二硫键的形成可以在二个蛋白质分子间的SH基上，也可以发生在一个蛋白质的SH基与另一个蛋白质分子的SS发生交换。5活性氧损伤Depletion of glutathione after freezing non-acclimated and acclimated alfalfa plants to different temperatures 第四节植物的抗冻性抗冻性耐冻性避冻性避结冰避结冰温度（耐胞内结冰）耐胞外结冰避胞内结冰避任何形式结冰缺少可冻水过冷避结冰脱水耐结冰脱水From Levitt, 1980一回避环境低温结构上的隔离如树干的形成层细胞受树皮的保护，休眠芽受外部鳞片的隔离保护。

12、呼吸放热植物组织通过呼吸放热而使体温高于外界环境。当然这是以大量消耗贮藏物为代价的，不利于植物越冬后的存活。结冰放热结冰放热在短时间内可维持体温高于空气，但这对抗冻无多大意义。二回避结冰缺少可冻水这种抗冻方式只有那些能忍耐极度脱水胁迫的器官才有，如种子或经过抗寒锻炼的某些干芽不含可冻水，因此不会结冰。保持过冷态柑桔果实：5，马铃薯叶片：8 木射线薄壁细胞：847 附：维持过冷态的条件：细胞较小无成核作用所需的细胞间隙或间隙太小，不能发生胞外结冰含水量低细胞在结构上有某种屏障，以拒绝外来成核体的侵入。如木射线细胞胞壁坚固，含木质素高达31%。缺少内生成核体维持静止三回避细胞内结冰胞内结冰是植物对

13、冰冻胁迫的直接致死性胁变，植物要在冰冻胁迫下逃生，必须避免胞内结冰。一般避免胞内结冰，就要使冰晶先在胞间形成，从而降低胞内水的冰点。要求：环境温度下降不快细胞具有较大的比表面积细胞膜具有较高的透水性细胞具有较高的溶质含量四耐细胞外结冰耐细胞外结冰就是忍耐胞外结冰引起的脱水胁变。避脱水胁变抗寒的植物细胞中积累了大量溶质因此在冰点下降的同时增加了保水能力。耐脱水胁变经抗寒锻炼后，植物的耐脱水能力升高，如松针在锻炼期间冰点逐渐降低，致死温度可由10 下降到40 ，而于此同时结冰水量由84.5%升到95.7%，而未冻水量明显下降。第五节植物的寒冷驯化一寒冷驯化的阶段二寒冷驯化中的形态与生理变化三寒冷驯

14、化的信号转导一寒冷驯化的阶段（一）寒冷诱导的阶段1：木本植物的寒冷诱导：第一阶段：受短日诱导，诱导后生长停止或休眠。这一阶段只能提高抗寒性几度，但往往是初寒时期生与死的分界线。第二阶段：受零上低温诱导，霜冻常为触发性机制。诱导后期水合度降低，变得非常耐寒。第三阶段：受缓慢降不能超过3050的低温诱导，细胞发生冰冻脱水和结构上的适应。树木的休眠一般在12月末结束，但最高抗寒性一般在12月发育完成。2草本植物的驯化阶段草本植物在秋季不进入生理休眠，尽管环境条件强迫其停止生长，但它在整个冬季都保持生长能力。经过寒冷驯化后，抗冻性仍有限，地上部分只能耐2025的低温。草本植物的强化条件主要是低温。第一

15、阶段：由降至52的低温诱导，可使基在原有的抗冻水平上增加几度。第二阶段：由亚结冰温度（0-2或-3 ）诱导，引起膨润组织最大抗冻性发育的完成。第三阶段：依赖于冰冻时间的延长，以引起细胞脱水而继续增强耐冰性。二寒冷驯化中植物的变化（一）形态结构的变化发育变慢，节间停止加长，有的植物叶片呈莲坐状，叶片脱落。（二）生理上的变化代谢途径的变化呼吸代谢由EMP、TCAHMPNADPH、Vc、GSH合成加强渗透势降低含水量下降糖的变化可溶性糖含量增加植物体内糖的组成与植物的抗寒性有一定的关系，一般认为可溶性糖的增加有得于提高植物的抗寒性。如在甘篮的冷适应中，蔗糖、果糖、葡萄糖与抗寒性成正比；在紫花苜蓿的寒

16、冷锻炼中，可溶性糖总量上升而淀粉含量下降，但可溶性糖中蔗糖、水苏糖（四糖）和棉子糖（三糖）含量提高，而葡萄糖、果糖含量下降；而在葡萄中，葡萄糖、果糖、水苏糖和棉子糖都随抗寒性的增加而增加。可溶性糖的增加一方面可降低渗透势、降低冰点、提高细胞的保水能力，同时还对细胞内的酶、蛋白质和生物膜起到保护作用。脂类积累，脂肪酸趋于不饱和化，同时伴随细胞膜的加厚。可溶性蛋白积累：膜结合蛋白的释放及新蛋白的合成。mRNA及多核糖体、tRNA增多，这是与可溶性蛋白含量的增多一致的。激素变化：ABA含量增多而GB含量下降。Induction of freezing tolerance in callus cult

17、ures of Lotus corniculatus by abscisic acid. Cultures were grown at 24C with or without ABA for 14 days, frozen to designated temperature, and transferred to 24C for growth. Acclimation of wild type Arabidopsis thaliana and an ABA-deficient mutant 三寒冷驯化的信号转导A model of the signalling processes in pla

18、nts leading to acclimation and increased freezing tolerance The freezing tolerance of Norstar winter wheat from field samples near Saskatoon, Data from Fowler et al. (1983). 抗冻基因低温锻炼可以诱发许多抗冻基因表达,例如：拟南芥 的cor 基因, 其中研究较多的是Cor15 ，cor6. 6 , cor78, cor47 ; 油菜 的BN28 和BN15 ,这两个基因分别与拟南芥的cor6. 6 和cor15 是同源基因;苜蓿 的cas18 和cas15 ; 菠菜 的cap 基因; 马铃薯的pA13 ; 小麦的cor39 , wcs120 和; 大麦的HVA1, PT59, pA086 , BLT4 等。基因表达的特点这些抗冻基因的表达一般很迅速,例如在拟南芥中,低温处理1224 小时内,即可检测出新多肽的合成。新合成的多肽在整个低温锻炼过程中一直维持高水平。主体多肽的