生物技术在植物抗逆性上的应用

关于生物技术在植物抗逆性上的应用第1页，课件共34页，创作于2023年2月植物的抗逆性是指植物具有的抵抗不利环境的某些性状；如抗寒，抗旱，抗盐，抗病虫害等。目前，科学家发现的能提高植物抗逆性的技术手段主要有基因工程，能影响植物抗逆性的物质主要有激素、活性氧、稀土元素等。第2页，课件共34页，创作于2023年2月植物抗逆性的分子机制植物的抗逆性是由多基因控制，且胁迫因子对植物的伤害结果具有一致性。植物具有多种抗逆方式，但在干旱、盐、低温诱导的抗性具有共同的基因作用机制。干旱、盐、低温等胁迫因子作用于植物常引起渗透胁迫，植物体内会合成调节渗透作用的小分子物质。在干旱、高盐、低温等逆境胁迫下，体内会新合成蛋白质或原有的蛋白质合成量增多。第3页，课件共34页，创作于2023年2月与渗透调节有关的小分子有机质的合成作用机制：干旱、盐、低温等胁迫因子作用于植物常引起渗透胁迫，植物体内会合成调节渗透作用的小分子物质。通过渗透调节以降低水势，保证细胞正常的生理功能。与渗透调节有关的小分子有机物包括三类：

①氨基酸类（如脯氨酸）②糖类（如甜菜碱、海藻糖）③醇类（如多元醇）第4页，课件共34页，创作于2023年2月脯氨酸正常生长条件下，植物体内脯氨酸含量较低，在逆境条件下，其含量增加。脯氨酸合成途径：①鸟氨酸途径②谷氨酸途径脯氨酸合成过程中涉及两个重要的酶：吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR).脯氨酸分解途径中的主要基因为ProDH基因.胁迫条件下,植物中脯氨酸的积累是两种途径相互调控的结果,即增加脯氨酸合成酶基因的表达量,同时抑制脯氨酸降解酶的活性.脯氨酸的诱导合成与植物的抗逆性增强呈正相关.第5页，课件共34页，创作于2023年2月与抗逆相关的蛋白的合成植物在干旱、高盐、低温等逆境胁迫下,体内出现一些新合成或原有的蛋白质合成量增多.这些蛋白质可分为两大类:(1)功能蛋白,如水通道蛋白、LEA蛋白、调渗蛋白、抗氧化酶;(2)调节蛋白:如转录因子、蛋白激酶、磷脂酶C和一些信号分子.第6页，课件共34页，创作于2023年2月信号传导途径（1）蛋白激酶与信号转导植物体感受外界胁迫信号,启动或关闭某些相关基因,以达到抵御逆境的目的.蛋白激酶在信号传递过程中具有重要作用包括：与感受发育和环境胁迫信号有关的受体蛋白激酶(RPK)、与植物对干旱、高盐、低温等反应的信号传递有关的促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)及钙依赖而钙调素不依赖的蛋白激酶(CDPK)等目前已从拟南芥中已分离到为数较多的能被干旱、高盐、低温、脱落酸（ABA）诱导的蛋白激酶基因第7页，课件共34页，创作于2023年2月（2）SOS信号传导途径盐胁迫下,细胞内的离子平衡的调节对于植物的耐盐性十分重要通过对获得的拟南芥突变体研究,定义了五个耐盐基因:SOS1、SOS2、SOS3、SOS4、SOS5,其中SOS1、SOS2、SOS3三个基因参与介导了细胞内离子平衡的信号传导途径.第8页，课件共34页，创作于2023年2月一、基因工程提高植物抗逆性二、植物激素提高植物抗逆性三、活性氧的清除与植物的抗逆性四、稀土与植物的抗逆性第9页，课件共34页，创作于2023年2月一、基因工程提高植物抗逆性目的基因的筛选与修饰外源基因导入植物转基因细胞的鉴定第10页，课件共34页，创作于2023年2月1、目的基因的筛选与修饰目的基因：遗传物质中与抗性机理有关的基因抗寒基因：sacB基因（枯草芽孢杆菌）抗旱基因：胆碱单加氧酶基因（烟草）耐淹基因：pcdⅠ，pcdⅡ，pcdⅢ（水稻）耐盐基因：羧酸合成酶基因，磷酸合成酶基因（盐地碱蓬）第11页，课件共34页，创作于2023年2月目的基因经体外切割、拼接、重组引入受体细胞选用适当的启动子（使目的基因在受体细胞中更好的表达）切去原基因的启动子和内含子将选好的启动子连接到目的基因上第12页，课件共34页，创作于2023年2月2、外源基因导入植物外源基因导入植物的原生质体、细胞、组织：叶盘法、聚乙二醇法、微注射法、电穿孔法、超声波法、粒子轰击法、超声波法外源基因直接导入植物体：花粉管通道法、粒子轰击法、浸泡法、注射法第13页，课件共34页，创作于2023年2月3、转基因细胞的鉴定为检测外源基因是否已经进入细胞并获得表达，必需对转基因细胞进行鉴定。目前采用报告基因检测法报告基因:检测外源基因导入植物细胞后是否具有功能的一种指示基因，通过检测报告基因的表达，可以了解与其相连的外源基因的表达。第14页，课件共34页，创作于2023年2月氯霉素已酰转移酶基因（CAT），使氯霉素转化成3-已酰氯霉素和1，3-二已酰氯霉素，从而使氯霉素失活，因此凡是进入植物细胞并抗氯霉素的，说明外源转基因已经表达。其他的报告基因：新霉素磷酸转移酶基因（NPT），荧光素酶基因第15页，课件共34页，创作于2023年2月二、植物激素提高植物抗逆性脱落酸（ABA）提高植物抗逆性多胺提高植物抗逆性乙烯提高植物抗逆性细胞分裂素提高植物抗逆性第16页，课件共34页，创作于2023年2月

1、脱落酸（ABA）提高植物抗逆性

脱落酸（ABA）是20世纪60年代最初认为它是一种生长抑制物质．随着研究的不断深入．发现ＡＢＡ在植物干旱、高盐、低温和病虫害等逆境胁迫反应巾起重要作用。

逆境下，植物启动脱落酸合成系统，合成大量的脱落酸，促进气孔关闭，抑制气孔开放。促进水分吸收，并减少水分运输的途径，增加共质体途径水流。降低ＬＥＲ（叶片伸展率），诱导抗旱特异性蛋白质合成，调整保卫细胞离子通道，诱导ＡＢＡ反应基因改变相关基因的表达，增强植物抵抗逆境的能力。

第17页，课件共34页，创作于2023年2月

抗旱：

根源信号物质,经木质部蒸腾流到达叶的保卫细胞,抑制内流K+通道和促进苹果酸的渗出使保卫细胞膨压下降,引起气孔关闭,蒸腾减少。在部分根系受到水分胁迫时,即使叶片的水势不变,叶片下表皮中的ABA也增加,伴随的是气孔适度关闭。

抗寒：

ABA在寒冷条件下可以通过促进水分从根系向叶片的输送以提高细胞膜的通透性、增加植物体内渗透调节物质的含量和迅速关闭气孔以减少水分的损失、增加膜的稳定性以减少电解质的渗漏。第18页，课件共34页，创作于2023年2月2、多胺提高植物抗逆性

在逆境条件下,植物会改变生长和发育类型以适应环境。许多研究表明,在各种逆境协迫下,植物体中多胺水平及其合成酶活力会大量增加,以调节植物生长、发育和提高其抗逆能力,这种反应对逆境条件下的植物可能有意义。

多胺合成代谢中的3个关键酶ADC、ODC、SAMDC已在许多植物中得到了纯化和鉴定,它们的基因也从多种植物中克隆,并采用转基因技术获得了一些认为多胺可提高植物抗性的证据,采用各种手段分子生物学的方法研究多胺对植物作用的多样性和提高植物抗胁迫的分子机制、多胺作用的信号转导是值得考虑的。第19页，课件共34页，创作于2023年2月

多胺提高植物的抗逆性其机制可能是:①通过气孔调节和部分渗透调节控制水分的丢失。多胺以保卫细胞中向内的K+-通道作为靶点,调节气孔的运动。多胺还可作为渗透调节剂,其积累可增加细胞间渗透,部分调节水分丢失。②调节膜的物理化学性质。多胺可与膜上带负电荷的磷脂及其他基团结合,影响了膜的流动性,同时也间接地调节膜结合酶的活性。③可影响核酸酶和蛋白质酶特别是与植物抗逆性有关的保护酶活性,保护质膜和原生质不受伤害。④清除体内活性氧自由基和降低膜脂过氧化。⑤调节复制、转录、翻译过程。第20页，课件共34页，创作于2023年2月3、乙烯提高植物抗逆性

逆境乙烯在生物学系统中充当一个信号分子的角色,具有遇激而增,信息应变的性质和作用。各种环境胁迫都能引起乙烯产生量的增加,如:机械胁迫、低温、水、盐、干旱等都能使一些植物的乙烯增加。

乙烯大量生成后,主要生理作用有:1、通气组织的发生和发展;2、刺激不定根的生成。第21页，课件共34页，创作于2023年2月

干旱胁迫下施用乙烯不仅改善了植物体内水分状况,而且刺激了体内保护物质的合成累积,稳定膜结构;同时,保护物质的存在也会加快壁物质的填充,进而增加壁的可塑性。

有试验表明,在干旱处理前用不同浓度的乙烯利处理玉米幼苗,能显著改变其体内的相对含水量和渗透调节能力,增强其抗旱性。乙烯提高玉米幼苗抗旱性的生理基础可能是通过脯氨酸、SOD和POD的抗氧化作用保护细胞膜免受破坏或破坏程度受到削弱而提高抗旱性。第22页，课件共34页，创作于2023年2月4、细胞分裂素提高植物抗逆性

CTK在植物多种胁迫中起到从根到冠的信息介质的作用,温度逆境、水分亏缺、盐胁迫均使CTK含量发生变化。CTK在根中合成,当根处于缺水环境时,根中CTK合成和运输的量减少,间接导致气孔关闭。研究表明,CTK在植物抗逆和抗病虫害中有独特的作用。CTK可清除自由基,减少脂质过氧化作用,提高SOD等膜保护酶的活性,改变膜脂过氧化产物、膜脂肪酸组成的比例,保护细胞膜,促进冷后水稻幼苗的生长,也可改变过氧化物酶等的活性,提高淹水后大麦和小麦的抗涝，增加玉米的产量。

第23页，课件共34页，创作于2023年2月

植物在受到昆虫一定程度的取食后,可促进植物的生长发育,弥补因昆虫取食而造成的营养和生殖的损失。如果植物生长环境良好,促进作用所增加的生长量可能超过取食的损失,对植物的生长和生存反而有利,这种现象被称之为植物的超越补偿反应，CTK在该调控系统中承担重要作用。

植物在遭受昆虫取食后可通过降低气孔扩散阻力而提高光合作用,这是因为剩余叶片的CTK含量增加,有效地促进气孔开放,抑制气孔关闭,加上地上部分遭受损失后,叶对根源CTK的相互竞争减少,从而相对增加CTK的供应。第24页，课件共34页，创作于2023年2月三、活性氧的清除与植物的抗逆性

正常情况下,细胞内活性氧的产生和清除是处于一种动态平衡.但植物在遭受逆境胁迫时,这种平衡遭到破坏,活性氧的积累导致膜脂过氧化,攻击膜拟质双分子层中的不饱和脂肪酸,造成膜系统的伤害,最终致使植物受到伤害。第25页，课件共34页，创作于2023年2月1、酶促清除系统与植物的抗逆性

在各种酶促清除系统中SOD处于第一道防线,能清除氧自由基并产生歧化物过氧化氢,对二者的浓度起支配作用。第26页，课件共34页，创作于2023年2月另一种重要酶就是作为叶绿体过氧化氢分解系统关键酶—抗坏血酸过氧化物酶(ASA-POD)ASA作为电子供体第27页，课件共34页，创作于2023年2月2、非酶促清除系统与植物的抗逆性

植物体内除上述两种清除活性氧的保护酶外,一些非酶促清除剂就是体内大量存在的抗氧化剂，如抗坏血酸(ASA)、类胡萝卜素(CAR)、还原型谷胧甘肤(GSH)、谷胧甘肤还原酶(GR)等也能与活性氧反应,清除活性氧,从而降低或清除膜脂过氧化作用,对膜脂起保护作用。第28页，课件共34页，创作于2023年2月29ASA与GSH偶联反应清除过氧化氢和氧自由基的机制如图抗坏血酸（ASA）与还原型谷胱甘肽（GSH）偶联反应第29页，课件共34页，创作于2023年2月除上述一些保护酶和抗氧化剂能清除活性,增强植物抗逆性外，有研究表明：细胞分裂素喷株能明显促进受涝玉米叶片SOD活性上升,阻止膜脂过氧化,从而增强对涝溃的抗逆性.油菜素类醋类物质喷施涝渍小麦,可使其SOD活性有所上升，MDA含量及质膜透性降低.第30页，课件共34页，创作于2023年2月一些内源活性氧清除剂在逆境胁迫中使植物在一定程度上提高了抗性.这些活性氧清除剂可作为抗逆性育种的指标,也可人工合成作为植物的抗逆剂或抗衰老剂第31页，课件共34页，创作于2023年2月四、稀土元素与植物的抗逆性植物接触致害浓度二氧化硫