植物生理学植物的逆境生理专家讲座

第十三章植物逆境生理植物生理学植物的逆境生理第1页植物抗逆生理基础一、逆境概念及种类逆境(stress)是指对植物生存生长不利各种环境原因总称。逆境种类生物原因病害、虫害、杂草理化原因物理辐射性化学温度水分植物生理学植物的逆境生理第2页植物生理学植物的逆境生理第3页二、抗逆性及方式抗逆性(hardiness):植物对逆境抵抗和忍耐能力。简称抗性抗性方式：逆境逃避(stressavoidance):指因为植物经过各种方式摒拒逆境影响，不利原因并未进入组织，故组织本身通常不会产生对应反应。逆境忍耐(stresstolerance):指植物组织虽经受逆境对它影响，但它可经过代谢反应阻止、降低或者修复由逆境造成伤害，使其仍保持正常生理活动。

植物生理学植物的逆境生理第4页三、植物在逆境下形态改变与代谢特点(一)形态结构改变

逆境条件下植物形态有显著改变。如干旱会造成叶片和嫩茎萎蔫，气孔开度减小甚至关；淹水使叶片黄化，枯干，根系褐变甚至腐烂；高温下叶片变褐，出现死斑，树皮开裂；病原菌侵染叶片出现病斑。逆境往往使细胞膜变性、龟裂，细胞区域化被打破，原生质性质改变，叶绿体、线粒体等细胞器结构遭到破坏。植物形态结构改变与代谢和功效改变是相一致。植物生理学植物的逆境生理第5页(二).逆境协迫下植物普通生理改变

1.逆境与植物水分代谢2.光合速率下降

3.呼吸作用改变

Levitt(1980)

①降低（冻害、热害）PPP路径增强②先升后降（冷害、旱害）③增高（病害）4.物质代谢改变合成＜分解

5.原生质膜改变膜脂双分子层→星状排列，膜蛋白变构，膜透性增加，物质外渗。

6.蛋白质改变新蛋白质逆境蛋白：热击蛋白(HSP)

植物生理学植物的逆境生理第6页干旱水分胁迫冰冻→胞间结冰盐渍→土壤水势下降高温→蒸腾强烈膜损伤植物生理学植物的逆境生理第7页四、渗透调整与抗逆性(一)渗透调整概念各种逆境都会对植物产生水分胁迫。水分胁迫时植物体内积累各种有机和无机物质，提升细胞液浓度，降低其渗透势，保持一定压力势，这么植物就可保持其体内水分，适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调整(osmoregulation)。(二)渗透调整物质1.无机离子2.脯氨酸3.甜菜碱4.可溶性糖植物生理学植物的逆境生理第8页植物生理学植物的逆境生理第9页五.植物激素在抗逆性中作用降低膜伤害增加Pro含量降低水分丧失

1.ABA2.ETH与其它激素ETH:增加几倍或几十倍,直接或间接地参加植物对伤害修复或对逆境抵抗过程

内源GA活性快速下降CTK含量降低

植物生理学植物的逆境生理第10页六.逆境胁迫下活性氧伤害植物生理学植物的逆境生理第11页第一节高温胁迫生理（一）热害与抗热性：

１、概念：由高温引发植物伤害现象称为热害。而植物对高温胁迫适应则称为抗热性。２、依据不一样植物对温度反应，可将植物分三类：喜冷植物中生植物喜温植物植物生理学植物的逆境生理第12页二、高温胁迫生理2、植物热害症状：

叶片死斑显著，叶绿素破坏严重，器官脱落，亚细胞结构破坏变形。（二）、高温对植物危害1、直接伤害：2、间接伤害：蛋白质变性：脂类液化：引发植物过分蒸腾失水呼吸作用大于光合作用积累产生有毒物质植物生理学植物的逆境生理第13页热锻炼能提升植物耐热性ＡＢＣＡ、在２８℃生长苗Ｂ、现在４０℃处理两小时，再在４５℃处理２小时，后在２８℃生长苗Ｃ、在４５℃处理２小时，后在２８℃生长苗植物生理学植物的逆境生理第14页第二节植物抗寒性低温对植物危害冻害(freezinginjury):冰点以下低温使植物体内结冰；冷害(chillinginjury)：冰点以上低温对植物造成伤害。抗寒性：植物对低温适应与抵抗能力。一、冻害与植物抗冻性（一）冻害植物发生结冰温度并不一定在0℃。有时温度降低到0℃以下依然不结冰，这种现象称为过冷现象。但温度降低到一定程度一定结冰，这一点称为过冷点。冰点高低与细胞液浓度相关，所以能够用测定冰点方法来测定细胞液渗透势。植物生理学植物的逆境生理第15页（1）细胞间结冰及其伤害冻害普通是因为结冰引发。因为温度降低程度与速度不一样，结冰类型不一样，造成伤害方式也不一样。（二）结冰伤害类型及其原因1.结冰伤害结冰类型细胞间结冰—白菜，葱细胞内结冰温度迟缓下降时，细胞间隙中水分结成冰，即所谓胞间结冰。植物生理学植物的逆境生理第16页细胞间结冰伤害主要原因原生质发生过渡脱水，造成蛋白质变性和原生质不可逆凝胶化；冰晶体过大时对原生质造成机械压力，细胞变形；当温度回升时，冰晶体快速融化，细胞壁易恢复原状，而原生质却来不及吸水膨胀，原生质有可能被撕破。（2）细胞内结冰伤害胞内结冰伤害主要原因----机械损伤（往往是致命）

当温度骤然下降时，除细胞间隙结冰以外，细胞内水分也结冰，普通是原生质内先结冰，紧接着液胞内结冰，这就是胞内结冰。植物生理学植物的逆境生理第17页1.硫氢基假说（Levitt,1962）关键点：结冰对细胞伤害主要是破坏蛋白质空间结构。冰冻时，原生质逐步脱水，蛋白质分子相互靠近，相邻肽链外部-SH彼此接触，两个-SH经氧化而形成-S-S-键；或者一个分子外部-SH基与另一个分子内部-SH形成-S-S-键，于是蛋白质凝聚。当解冻吸水时，肽链涣散，因为-S-S-键属共价键，比较稳定，蛋白质空间结构被破坏，造成蛋白质变性失活。经过化学方法，如使用硫醇能够保护-SH不被氧化，起到抗冻剂作用。（二）结冰伤害机理植物生理学植物的逆境生理第18页2．膜伤害学说膜对结冰最敏感。低温对膜伤害膜脂相变，酶失活；透性加大，电解质外渗。主要破坏膜脂与膜蛋白。（三）植物对冷冻适应1．抗冻锻炼

在冬季降临之前，伴随气温降低与日照长度变短，植物体内发生一系列适应冷冻生理生化改变，以提升抗冻能力，这一过程称为抗冻锻炼。3.机械伤害4.活性氧伤害植物生理学植物的逆境生理第19页2．植物在适应冷冻过程中生理生化改变抗冻锻炼是植物提升抗冻性主要路径。其中发生了许多适应低温生理生化改变。（1）含水量下降：自由水，束缚水相对增多；（2）呼吸减弱：消耗糖分降低，有利于糖积累；（3）保护性物质增多：如糖、脯氨酸、甜菜碱积累。首先降低冰点，另首先保护大分子结构与功效；（4）内源激素改变：ABA，GA、IAA在形态上也发生对应改变，如形成种子、休眠芽、地下根茎等，进入休眠状态。植物生理学植物的逆境生理第20页3．外界条件对植物适应冷冻影响（1）温度（2）日照长度（3）水分（4）矿质营养进入秋季，温度降低---抗寒性增强；春季温度升高时，抗寒性降低---影响休眠---抗寒性短日照----促进休眠---抗寒性增强；长日照---阻止休眠---抗寒性降低细胞吸水过多，不利于抗寒性增强充分，生长健壮，利于越冬，抗寒性增强；不宜偏施氮肥，造成徒长，抗寒性降低植物生理学植物的逆境生理第21页二、冷害与冷害机理冷害即使没有结冰现象，但会引发喜温植物生理障碍。三种类型直接伤害间接伤害次生伤害短时间内发生伤害。主要特征：质膜透性增大，造成细胞内含物向外渗漏---出现伤斑。迟缓降温引发，低温胁迫可连续几天乃至几周。主要特征：代谢失调—组织柔软，萎蔫。某器官因低温胁迫而造成其生理功效减弱或丧失而引发伤害。如根系吸水变慢。植物生理学植物的逆境生理第22页（一）冷害引发生理生化改变2．水分平衡失调3．原生质流动受阻4．光合速率减弱5．呼吸代谢失调6.有机物质分解占优势蒸腾大于吸水能量供给降低，原生质粘性增加叶绿素分解大于合成；暗反应受影响大起大落。先期升高保护，然后降低（升高放热保护，时间长后，原生质停顿流动，无氧呼吸）1．膜透性加大植物生理学植物的逆境生理第23页（二）冷害机理1．膜透性增加引发代谢紊乱2．膜相变引发膜结合酶失活在低温下，质膜收缩出现裂缝，造成膜破坏，透性增加，细胞内溶质渗漏。如时间过长还可引发酶促反应平衡失调，代谢紊乱。组成膜类脂由液相转变为固相，流动镶嵌模型破坏，类脂固化而引发膜结合酶解离或者使酶亚基分解，因而失活。膜相变温度随不饱和脂肪酸含量增加而降低抗冷性指标植物生理学植物的逆境生理第24页（三）提升植物抗冷性路径1．抗冷锻炼将植物在低温条件下经过一定时间适应，提升其抗冷能力过程。经过锻炼植物，其膜脂不饱和脂肪酸含量增加；相变温度降低；膜透性稳定。2．化学诱导化学药品可诱导植物抗冷性提升—CTK,ABA等。3．合理肥料配比4.栽培技术---如塑料薄膜覆盖使植物生长健壮。植物生理学植物的逆境生理第25页第三节植物抗旱性旱害及其类型旱害（droughtinjury）干旱类型大气干旱：空气相对湿度过低；土壤干旱：土壤中缺乏可利用水。植物对干旱适应与抵抗能力称为抗旱性。土壤水分缺乏或者大气相对湿度过低，植物耗水大于吸水，造成植物组织脱水，对植物造成伤害。生理干旱：土壤水分不缺乏，因土壤低温，土壤溶液浓度过高或积累有毒物质，而难以吸收。伤害：脱水和高温伤害植物生理学植物的逆境生理第26页一、干旱对植物伤害及其原因（一）植物各部位间水分重新分布幼叶向老叶夺水，加速衰老；成熟部位从胚胎夺水。（二）影响植物各种生理过程蒸腾减弱，气孔关闭，光合下降，严重时叶绿体解体。呼吸作用氧化磷酸化解偶联。吸水过程及物质运输受阻。生长抑制。（三）破坏正常代谢过程抑制合成代谢，加强分解代谢。促进生长发育植物激素降低，抑制生长发育激素则增加。发生代谢紊乱。骆驼蓬（四）干旱直观影响叶片，幼茎萎蔫暂时—叶肉细胞失水永久—原生质脱水植物生理学植物的逆境生理第27页二、干旱伤害机理（一）机械损伤学说细胞脱水时，细胞壁与原生质粘连在一块收缩，细胞壁韧性有限而形成许多锐利折叠，原生质体被折叠壁刺破。细胞复水时，因细胞壁吸水速度快于原生质，原生质可能被撕破，造成细胞死亡。（二）蛋白质变性学说（同硫氢基假说）（三）膜透性改变脱水时膜脂分子排列紊乱，膜上出现空隙或龟裂，透性加大，电解质外渗。（四）活性氧伤害加强干旱状态下，活性氧产生增多，而活性氧系统去除能力减弱。过量活性氧对膜、蛋白及核酸等造成伤害。植物生理学植物的逆境生理第28页三、植物对干旱适应方式植物对干旱适应避旱性御旱性耐旱性指植物整个生长发育过程不与干旱逆境相遇，逃避干旱危害。如沙漠中短命植物。指植物在细胞与环境之间形成某种屏障（逆境排外），含有防御干旱能力，在干旱逆境下各种生理生化过程仍保持正常状态。如形成强大根系、气孔关闭等。指在干旱逆境下植物可经过代谢反应阻止、降低或者修复由水分亏缺造成损伤，使其保持较正常生理状态。如渗透调整、保护大分子等。植物生理学植物的逆境生理第29页作物抗旱性形态特征和生理特征：形态特征生理特征根系发达而深扎,

根/冠比大(更有效地利用土壤水分,尤其是土壤深处水分,保持水分平衡),增加叶片表面蜡面沉积(降低水分蒸腾),

叶片细胞小(可降低细胞收缩产生机械损害),叶脉致密,单位面积气孔数目多(加强蒸腾,有利吸水)。保持细胞较高亲水能力，细胞液渗透势低(抗过分脱水---生理性抗旱基础);各种水解酶活性保持稳定，降低大分子分解，保持原生质体质膜不受破坏，具较高弹性与粘性，代谢维持稳定。作物抗旱性指标：根/冠比（越大,越抗旱,不然不抗旱）保水能力或抗脱水能力脯氨酸，甜菜碱，脱落酸含量植物生理学植物的逆境生理第30页四、提升植物抗旱性路径与办法（一）抗旱锻炼

给予植物以亚致死剂量干旱条件，使植物经受一定时间干旱磨炼，提升其抗干旱能力过程，叫做抗旱锻炼。如种子萌发时进行重复干旱；“蹲苗”，搁苗，饿苗。（二）合理使用矿质肥料磷肥和钾肥均能提升植物抗旱性，氮素过多对作物抗旱不利。（三）化学控制和使用生长调整剂矮壮素（CCC）等可提升作物抗旱性。抗蒸腾剂—减少蒸腾失水。（四）抗旱品种选育植物生理学植物的逆境生理第31页第四节植物抗盐性盐害（saltinjury）：土壤中盐分过多对植物造成伤害盐碱土盐土：含NaCI和Na2SO4为主土壤碱土：含Na2CO3和NaHCO3为主土壤植物对盐渍适应与抵抗能力称为抗盐性(saltresistance)。依据植物对盐分适应能力盐生植物：肉质化，盐分累积在液泡，生长盐度1.5~2.0%,如碱蓬、海蓬子等淡（甜）土植物：决大多数农作物。

耐盐范围0.2%~0.8%,

梭梭植物生理学植物的逆境生理第32页一、盐分过多对植物伤害及其原因（一）渗透胁迫引发生理干旱土壤中盐分过多使土壤溶液水势下降，造成植物吸水困难，甚至体内水分有外渗危险，造成生理干旱。（二）离子失调造成毒害作用

高浓度NaCl可置换细胞膜结合Ca2+,膜结合Na+/Ca2+

增加,膜结构破坏,功效也改变,细胞内K+

、磷和有机溶质外渗。（四）胁迫效应破坏正常代谢光合下降，叶绿体解体；蛋白质合成受抑制，但分解加强，产生有毒产物，对细胞产生毒害。植物因为过多吸收某种盐类而排斥对另一些矿质盐吸收，造成营养缺乏或产生毒害作用。（三）膜透性改变植物生理学植物的逆境生理第33页二、植物对盐渍适应机理分避盐与耐盐（一）避盐机理植物经过某种方式将细胞内盐分控制在伤害阈值之下，以防止盐分过多对细胞伤害。包含泌盐、稀盐和拒盐三种方式。1．泌盐2．稀盐3．拒盐植物根细胞对一些盐离子透性低，降低地上部盐分浓度--芦苇。植物经过吸收大量水分和加速生长，稀释细胞内盐分浓度—红树。经过盐腺排泄到茎叶表面，再被冲刷掉。如柽柳、匙叶草等锁阳植物生理学植物的逆境生理第34页植物泌盐腺现象五蕊柽柳（A）叶泌盐现象和滨藜（B）叶面泌盐腺体植物生理学植物的逆境生理第35页（二）耐盐机理指经过生理或代谢适应，忍受已进入细胞盐分。1．经过渗透调整以适应盐分过多而产生水分胁迫2．能消除盐分对酶或代谢产生毒害作用高盐条件下保持一些酶活性稳定。3．经过代谢产物与盐类结合降低盐离子对原生质破坏作用如细胞中清蛋白—提高亲水胶体对盐类凝固作用抵抗力。4.碳代谢路径改变逆境条件:C3C4或CAMC4盐胁迫--诱导PEP羧化酶产生(C3转为CAM路径主要生理生化标志，盐胁迫引发气孔关闭后植物得以维持碳同化继续运行适应性表现)。植物生理学植物的逆境生理第36页如豆瓣绿属(Peperomia)植物、马齿苋科植物(Protulacariaafra)番杏科植物冰叶日中花(Mesembryanthemumcrystallium)一些肉质植物（盐渍或水分胁迫）：C3

CAM型CAM植物:夜间气孔开放,PEP羧化酶固定CO2

形成草酸,还原为苹果酸贮于液泡。白天苹果酸由液泡释放至胞质中,脱羧形成丙酮酸和CO2,CO2被RuBP羧化酶/加氧酶重新固定,进入还原戊糖磷酸路径新疆枸杞植物生理学植物的逆境生理第37页盐胁迫机理

1.生理干旱学说土壤中盐分过多使土壤溶液水势下降，造成植物吸水困难，甚至体内水分有外渗危险，造成生理干旱

2.质膜伤害学说离子胁迫致使植物细胞质膜损伤，胞内大量离子和有机物质外渗，外界有毒离子进入，造成细胞内一系列生理生化反应受到干扰。

3.代谢影响学说胁迫效应破坏正常代谢。光合作用下降，叶绿体解体；蛋白质合成受抑制，但分解加强，产生有毒产物，对细胞产生毒害植物生理学植物的逆境生理第38页三、提升植物抗盐性路径（一）抗盐锻炼将植物种子按盐分梯度进行一定时间处理，提升抗盐能力。1）逐步提升盐浓度浸种法1940(苏)植物生理学家:播种前，用0.3~0.4%NaCl或CaCl2浸种，显著提升抗盐性（棉花，玉米高粱有效）2）种子驯化法将种子播到逐步改变环境中进行驯化（由低盐到高盐，连续

几代培养，使其遗传特征改变，适应新环境条件）马兰植物生理学植物的逆境生理第39页3)矿质元素处理种子一些微量元素可增加植物体内含糖量，提升渗透势；提升细胞原生质胶体稳定性和水合能力。盐碱土中生长植物，降低对微量元素Fe,Mn,P,Ca吸收，造成缺素症，降低抗盐能力。(1)利用Ca盐处理种子

Ca作用：补充体内钙缺乏，促进生长；阻止根系对Na+吸收，促进对K+吸收，防止盐离子毒害；对被Na+分散了团聚结构土壤有很好絮凝作用播种前，5~10mMCaCl2浸玉米种4~6h，晾干后播种（降低质膜透性，叶片Na+含量，增大植株干重）(2)利用Mn盐处理种子MnSO4（苏，1956）:提升小麦抗盐能力植物生理学植物的逆境生理第40页（二）植物生长物质处理促进植物快速生长，稀释盐分。（三）施肥盐碱土影响植物矿质元素吸收：常表现为缺磷，降低硝酸盐还原和蛋白质合成，产生盐害1）施磷肥作用多方面：提升细胞结组成份水化度，细胞质保持胶体---束缚水能力和原生质粘性和弹性，降低蒸腾，增加根系发育速度和强度。

基肥（秋季深翻，过磷酸钙30~40斤/亩）;

追肥（0.1%磷酸二氢钾喷叶片3~5次）2）施钙肥1~3mMCaSO4加入50mMNaCl营养液中，NaCl抑制作用完全消失。

机理：Ca作用于根细胞质膜，

增大其拒Na+能力，防止其毒害，提升抗盐能力（高肥力下，抗盐能力更大）黑果枸杞（四）选育抗盐品种植物生理学植物的逆境生理第41页生理指标及其测定1)细胞质膜透性（Plasmamembranepermeability）透性小，外渗物质少，抗盐性大；反之，则小。电导率法测定--------细胞外渗物质电导率;火焰光度计测定K+含量处理样品外渗液电导率电解质外渗率（%）=×100对照样品杀死后外渗液电导率处理样品外渗液K+含量

K+外渗率（%）=

×100对照样品杀死后外渗液K+含量2)植物体内渗透剂含量无机离子：有机化合物：脯氨酸，甜菜碱，甘油，草酸，可溶性碳水化合物四植物抗盐性测定植物生理学植物的逆境生理第42页3)叶绿素含量盐胁迫---叶绿素与叶绿体蛋白间结合松弛，松弛后叶绿素和不松弛时溶解性不一样；松弛叶绿素---60%乙醇提取，不松弛叶绿素----96%乙醇提取松弛叶绿素/不松弛叶绿素比值大，抗盐弱；反之，则强4)超氧物岐化酶（superoxidedismustase---SOD）5)过氧化产物丙二醛（Malondialdehyde----MDA）6)植物组织肉质性肉质化-----抗盐性大小（正相关）:肉质化程度愈高，避盐能力愈强；反之，则弱。肉质化程度测定方法：叶厚度；鲜重和干重比值----大（高）植物生理学植物的逆境生理第43页第五节植物抗涝性一、概念：水分过多对植物伤害称为涝害。抗涝性是植物对水分过多适应能力。二、类型：1.湿害2.涝害植物生理学植物的逆境生理第44页第五节植物抗涝性三、症状与危害：涝害关键是液相代替了气相，植物缺氧。生长量降低，根变黑，叶黄化，株植矮小。无氧呼吸代替有氧呼吸，产生有毒物质；代谢损害，光合受抑；营养失调，土壤理化性质改变，吸收困难。植物生理学植物的逆境生理第45页第五节植物抗涝性四、提升抗涝性机理与路径：1.机理有发达通气系统，代谢上提升对缺氧忍耐力，改变呼吸路径，如以磷酸戊糖路径代替糖酵解过程；破坏或抑制有害物质合成。2.防涝排涝办法。植物生理学植物的逆境生理第46页第六节环境污染与植物抗性一、大气污染（一）概念与污染物1.大气污染：指大气中废气体对植物危害。2.污染物包含：（1）氧化物质，O3、NO2、Cl2；（2）还原物质，SO2，H2S，甲醛、CO；（3）酸性物质，HF、HC