植物抗旱生理

2植物抗旱生理12水资源短缺、干旱是一个长期存在的世界性难题，全球干旱、半干旱地区占陆地面积的35％，遍及世界60多个国家和地区。作为世界三大粮食产出国的中国、印度和美国，粮食产量占世界的50％左右，近几年来出现了严重的水资源危机，从而导致粮食严重减产。

干旱是我国粮食生产的首要灾害，在水资源危机日益严重的今天和未来，开展作物抗旱节水理论与技术研究，具有重大的现实和战略意义。正如“绿色革命”的功臣、诺贝尔和平奖获得者Borlaug(2000)所说：“我们如何在有限的水资源下，生产更多的食物来满足日益快速增长的人口需要，不可置疑的结论是：人类在21世纪要开展蓝色革命——让每一滴水生产出更多的粮食。”3第一节干旱胁迫下植物的生理变化及适应途径

一、干旱胁迫下植物的生理变化1、光合作用速率下降►气孔限制►非气孔限制●PSII光化学活性降低●电子传递受阻●Rubisco活性下降●RuBP再生抑制●同化物运输受阻42、呼吸速率变化：先升后降►原因：氧化磷酸化解偶联►结果：能量供应减少3、碳水化合物代谢与运输变化►代谢：●淀粉等大分子物质减少，可溶性糖增多●叶中糖增加，茎中糖减少►运输●受抑●加速向繁殖器官运输54、蛋白质代谢变化►总体变化：分解＞合成►证据

●同位素标记证明，氨基酸掺入蛋白质减少

●多聚核糖体减少

●游离氨基酸积累►调节部位

●环己亚胺（肽链延长抑制剂）实验证明，翻译水平调节5、核酸代谢变化►DNA含量较稳定

►RNA含量明显减少66、激素变化►IAA

●干旱促进IAAO活力，降低IAA水平

●IAA极性运输受阻►CTK

●根尖向地上部运输减少

●活性下降►GA含量减少►ABA含量激增►ETH合成增加（ACC合成酶活性提高）77、膜脂过氧化加剧►防御酶活性降低►体内抗氧化剂减少►活性氧过量积累二、植物对干旱胁迫的适应途径►形态结构变化►渗透调节►细胞壁弹性调节►气孔调节►活性氧代谢调节►激素调节81、叶片大小与厚度2、比叶重3、气孔4、角质层与机械组织5、超微结构第二节植物形态结构与抗旱性

一、叶片91、根系生长、分布与抗旱性2、根系形态结构与抗旱性3、根系伤流与抗旱性二、根系10第三节植物在水分胁迫下的渗透调节►水分胁迫：由于干旱缺水对职务正常生理功能的干扰。►渗透胁迫：环境与生物之间由于渗透势的不平衡二对植物造成的胁迫。►渗透调节（osmoregulationorosmoticadjustment)植物在干旱、盐渍等逆境条件下，通过代谢活动增加细胞内的溶质浓度，降低其渗透势，从而降低水势，从外界低水势介质中继续吸水，保持一定膨压，维持正常生理活动。11一、渗透调节的方式和原初机理1、调节方式

►Ψw＝Ψs＋Ψp

►植物降低Ψs的途径

➊细胞内水分减少，溶质浓缩

❷细胞体积变小

❸通过代谢活动，细胞内溶质主动增加122、原初机理（Zimmermann机电模型）水分胁迫→膨压变化→膜收缩或伸展→膜电位变化

机械力转化为电信号诱导生化反应增加溶质渗透调节13二、渗透调节物质的种类和作用►按来源：

☆外界进入细胞

☆细胞内合成►按性质：

☆有机物

☆无机离子►按积累部位：

☆液泡型

☆胞质型141、无机离子

►逆境胁迫下植物积累无机离子的种类和数量因植物的种、品种、器官不同而有差异。

●K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等对渗透调节均有贡献。

●中度水分胁迫下，高梁叶片主要积累K+、Mg2+；向日葵主要积累K+、Ca2+、Mg2+、NO3-

►无机离子积累为主动吸收过程

►无机离子积累部位：液泡152、脯氨酸proline50年代中期，Kemble等发现，在受旱的黑麦草叶子中，有pro积累，后来发现许多植物都有这种现象：如：barley,wheat,sorghum,soybean,cotton,tobacco,sunflower,cucumber,etc,Stemard后来做了一系列试验，提出了pro作为渗透调节物质的观点，现已被普遍接受。16(1)pro合成的途径

Glu↓Glu激酶

γ谷氨酰磷酸

γ谷氨酰磷酸还原酶

鸟氨酸转氨酶

鸟氨酸转氨酶

γ谷氨酰半缩醛鸟氨酸α-酮-氨基戊酸↓↑同步环化环化↓↑吡咯啉－5－羧酸（P5C）吡咯啉－α－羧酸（PαC）

pro氧化酶P5C还原酶PαC还原酶

Pro脱氢酶

Proline

17(2)Pro积累原因①Pro合成增加：标记glu在植物失水后迅速转化为pro。②protein合成受阻：减少pro向蛋白质掺入。③pro氧化受抑：

干旱时，不仅pro氧化受抑，而且氧化的中间产物发生逆转，编程pro。这与线粒体膜透性变化有关，其机理是：Pro合成酶位于细胞质，分解酶位于线粒体。在渗透胁迫下，线粒体膜透性发生变化，pro进入线粒体受阻，吡咯啉－5－羧酸(pro前体)可以从线粒体出来，用于pro合成。18现在已知，在低温、干旱、高温、盐渍、营养不良、微生物感染、大气污染等逆境下，均可引起pro积累，尤其以干旱胁迫下pro积累最为明显，从0.2～0.7mg/gDW上升到40～50mg/gDW,增加了70～200倍。此外，K＋、ABA可使干旱诱导的pro增加更多更快。19①特点：

●分子量小：115

●溶解度高：162.3g/100gH2O

●是一种偶极含氮化合物，生理pH下不带静电荷

●对植物无害，600mol.L-1对酶无抑制作用

●主要在细胞质中积累（胞质型渗调物质）②作用

●保持细胞与环境的渗透平衡，防止水分散失

●稳定蛋白质结构（对蛋白质具有稳定其结构的作用）

●与细胞内的一些化合物形成聚合物，类似亲水胶体，具有保水作用

●作为无毒氮源（3）pro的特点和作用203、甜菜碱(betaine)甜菜碱最早是在旱生植物枸杞（Lyciumbrabraum）中发现的。现在已知有12种，其中最简单、研究最多的是甘氨酸甜菜碱(glycinebetaine)，已在28科、78种植物中检测到，根、茎、叶、花均有分布。如，上世纪70年代中期，Storey等发现，在盐分荷水分胁迫下，大麦积累甜菜碱的水平与耐旱性呈正比。21（1）积累特点①Pro:水分胁迫10min即可见积累，复水后很快消失；②Betaine:水分胁迫24h才见积累，复水后降解也较缓慢。因其稳定，被认为是持久性的渗调物质。由于稳定，很适合于作为抗旱性选择指标。22（2）生物合成

Ser

CDP－甘油二酯CO2↓PS

乙醇胺P-乙醇胺CDP-乙醇胺PECH3↓↓

一甲基乙醇胺P-甲基乙醇胺CDP-MMEP-MMECH3↓↓

二甲基乙醇胺P-DMECDP-DMEPDMECH3↓↓

胆碱P-PCCDP-PCPC

胆碱单加氧酶

甜菜醛↓甜菜醛脱氢酶

甜菜碱23(3)特点与作用特点：

●分子量小：117

●溶解度高：157g/100gH2O

●生理pH下不带静电荷

●对细胞无害。0.5-1mol.L-1高浓度对苹果酸脱氢酶无抑制作用分布：以细胞质为主（属于胞质型渗调物质）作用：

●维持细胞与环境的渗透平衡，参与渗透调节

●参与稳定生物大分子结构与功能

●调节例子在细胞中的分布243、可溶性糖和多元醇WSC：Sucrose;glucose;fructose;galactose;游离AA：Asn;Glu;(Pro)糖醇：甘露醇、松醇、山梨醇积累原因：

大分子碳水化合物、蛋白质分解加强

光合产物转化方向改变，转向产生蔗糖为主25三、渗透调节的生理作用1、维持细胞膨压OA的主要作用，就是全部或部分维持膨压，从而有利于其各种生化反应的进行。Rice:在慢速干旱条件下，尽管组织水势下降，但是由于渗调作用，叶片膨压并没变化。2、保持细胞持续生长膨压对细胞生长具有关键作用，由于水分胁迫下，通过渗透调节可以维持细胞膨压，因而可以保持细胞在水分胁迫下继续生长。263、维持气孔开度和光合作用气孔调节：维持气孔开放，CO2进入细胞非气孔调节：Rubisco活性RuBP再生能力电子传递速率PSII活性类囊体结构完整性4、延迟卷叶5、增加干物质积累27四、渗透调节与抗旱育种1、OA与作物抗旱性呈显著正相关：通过corn,sunflower,wheat,barley等为材料研究证明。2、OA是可遗传性状，由单基因控制无论是在轻度或严重水分胁迫下，渗调能力强的品种，其产量、收获指数、水分利用效率均高于OA弱的基因型。3、利用杂交方法，可以产生OA强的品系，表明OA作为选择指标是可行的。28五、渗透调节基因工程和渗调蛋白研究1、Geneticengineeringofosmoticadjustment●寻找目标基因首先研究确定参与渗调的关键物质，分析控制这些物质变化的基因。●基因的分离、导入、整合、表达、遗传●渗调基因的应用进展微生物方面工作较多，也较成功。高等植物：Kuch等利用羟脯氨酸与脯氨酸的拮抗作用原理，在大麦中获得了高产pro的突变体，突变体叶片中pro含量高于亲本，抗旱性也明显增强。29现已搞清的身条基因有：kdp：在渗透胁迫下，诱导K+吸收和运输，促使K+在细胞内积累。基因表达受渗透势控制。proU：促进甜菜碱和脯氨酸在细胞内积累，基因表达受渗透势控制。控制pro合成酶系统的基因：proB:Glu激酶proA：谷氨酰磷酸还原酶proC：吡咯啉－5－羧酸还原酶bet:编码betaine合成酶系。302、渗调蛋白（Osmotin）

Osmotin:在渗透胁迫下产生的、具有增强细胞抗渗透胁迫能力的蛋白质，也叫渗调素。Osmotin是一种逆境诱导蛋白，早在1962年，人们从果蝇体内发现了热激蛋白，以后在动物、植物、微生物均发现在逆境下，可以诱导产生新的蛋白质，叫做逆境胁迫蛋白。用NaCl适应的烟草培养细胞系，或受到水分胁迫的番茄培养细胞系，可以新合成一些分子量不同的蛋白质，研究最多的是26kd蛋白。Singh&King分别从番茄、烟草中克隆了26kd蛋白基因，目前已对osmotin的诱导、合成、调控等进行了许多研究。其功能是：

①防御功能

②监护蛋白作用，即防止蛋白质变性、从今变性蛋白的修复。

③增强OA31六、影响渗透调节的因素

1、遗传因素

2、器官类型和年龄：衰老组织OA低，生育后期OA低。

3、环境因素（1）水分胁迫程度在轻度至中度水分胁迫下，OA作用较大，在严重水分胁迫下，OA消失。（2）水分亏缺速度快速缺水：OA减小甚至消失慢速缺水：OA增强323、光强通过影响细胞中溶质含量而影响OA，遮光导致OA减弱。4、CO2浓度同上。5、T：

适当低温似乎更有利于溶质积累，利于OA提高。33七、植物渗透调节能力的测定方法1、饱和渗透势法植物的渗透调节，实际上是细胞内ψS的调节，ψS决定于一定体积溶液的质点数。前已述，植物降低ψS的途径有3：①细胞内水分减少②细胞体积减少③细胞内溶质主动增加。只有③才是渗调。因此，测定细胞渗透势的变化及评估渗透调节能力，必须区别因细胞失水胞液浓缩造成的ψS变化和胞内溶质主动增加引起的ψS变化。Morgon指出，当不发生溶质主动积累时，因细胞失水引起ψS降低与细胞渗透体积（V）成反比：ψS=ψS100×Vo/V……(1)ψS100：水分饱和时的渗透势Vo：水分饱和时的渗透体积，常用RWC表示34当细胞发生主动积累时，对应于V值的渗透势比按（1）式计算出的渗透势更低，因此，对应与V时的植物渗透能力（O.A.）应按下式计算O.A.=ψS(测定值)－ψS（计算值）=ψS(测定值)－ψS100×Vo/V………(2)Ludlow利用此原理，研究植物渗调获得良好结果。把对照（正常供水）和干旱处理叶片进行充分水分饱和，使其RWC接近或达到100%，同时测定二者的饱和渗透势，按下式计算：OA=ψS100－ψS.对照100……….(3)干旱处理叶的饱和渗透势对照叶的饱和渗透势

该法的优点：叶片饱和ψS不需与其它水分参数比较，可直接判断植物的O.A.。352、LnRWC-LnψS作图法用RWC代替式（1）中的V和Vo,并对式两边取对数，即发现LnRWC与LnψS呈线性关系：LnψS=Ln(ψS100×Vo)－LnVLnψS=Ln(ψS100×RWCo)－LnRWC………(4)

以LnRWC为横坐标，LnψS为纵坐标作图。如果二者呈一直线关系，表明无渗调能力，此时ψS的下降全是有细胞失水溶质浓缩的结果；如果二者关系为一折线，则表明有O.A.，其大小可用折点处LnRWC刚开始下降时的ψS值表示。36对数化的RWC和对数化的渗透势的关系373、水势—压力势作图斜率法Turner等提出，以水势（ψS）为横坐标，以压力势（ψP）为纵坐标作图（图略），从两者组成的直线斜率来判断O.A的大小。斜率=ΔψP/ΔψW，斜率越大，O.A越大，反之则O.A小。发现不同植物间或品种间ΔψP/ΔψW存在显著的差异。水势与压力势的关系384、有效渗透法赵毓橘在研究渗透胁迫下绿豆幼苗上胚轴细胞的ψS与生长速率之间的关系时，提出此法。有效渗透势：指在渗透胁迫下真正对植物生长起作用的渗透势。有效渗透势=植物组织或细胞总渗透势－土壤或渗透胁迫溶液的渗透势这种方法在渗胁迫溶液试验中易做到，而在土壤水分胁迫时不易。测渗透势常用方法：①热电偶湿度计法②湿度法③露点法④冰点降低法⑤蒸汽压计法⑥压力——容积曲线法（P-V曲线）⑦质壁分离法39作物抗旱性是一个综合性状，与根系及地上部分的形态、解剖、生理和生化特性有关,从上节所讲内容可知，渗透调节作用与抗旱性关系十分密切。已有许多研究证实了这种关系。但是，据在大豆等作物上的研究结果，表明其抗旱性除在一定程度上受渗透调节的制约外，还与其细胞壁弹性特点有着更为密切的关系，是除渗透调节之外，作物对干旱适应的另一种重要方式。本节拟根据前人研究结果，将细胞壁弹性与塑性特点及其与抗旱性的关系作一简要介绍。第四节植物在水分胁迫下的细胞壁弹性调节40一、水分胁迫与细胞延伸生长的关系作物受干旱减产的主要原因是水分胁迫首先限制了作物的生长过程，特别是细胞的扩大，从而使个体与群体光合面积大大减小，干旱严重时，还会使光合速率下降，减少了单位同化面积的同化量，并由此进一步影响光合面积的扩展，也影响了根系的扩展，使根系的吸收能力，吸收面积、吸收范围进一步缩小。因此，对植物轻度与中度水分胁迫的适应能力的研究工作，主要集中在植物如何在水分胁迫条件下维持一定的生长速度的问题上，并且成为渗透调节与细胞壁弹性调节研究的出发点。41(一)细胞延伸生长的动力生长，尤其是细胞的延伸生长(扩大)是对水分胁迫最敏感的生理过程．只要轻微的水分胁迫(Ψw下降)，即可使生长速率明显下降，而此时其他生理机能(如光合等)则可能完全没有改变。关于细胞延伸生长的性质，早在60年代即有了较为细致的研究。已肯定细胞扩展的初期完全是一个物理过程，扩展的动力是膨压。Green等用丽藻(Nitella)细胞直接证实了膨压与生长速率之间的密切关系。Lockhart、Green等提出了如下关系式：

dV/Vdt=Eg(Ψp-Ψp,th)式中dV/Vdt:细胞体积扩大的瞬时速率

Ψp:细胞的压力势(膨压)，Ψp,th:够引起细胞壁扩张所需的最低膨压值，或称为临界膨压，Eg:常数，称为总体扩张系数(Coefficientofgrossextensibility)42（二）细胞持续生长的条件上式所表述的是细胞体积扩大的瞬时速率。细胞能否按一定速率在一定时间内继续扩大，还取决于细胞壁的塑性延伸能力和细胞液渗透势Ψs的维持这两方面的因素。1、细胞壁的性质当细胞壁受到膨压的作用向外扩张时，可发生两种不同性质的形变：

弹性延伸(Elasticextension)：指外力移去后，细胞又可恢复到原来的大小，是可逆性的延伸；

塑性延伸(Plasticextension)：是指外力超过细胞壁的弹性限度时，细胞壁即产生不可逆的形变。

弹性限度：形变的屈服点(Yieldingpoint)。43实际上，细胞壁在膨压作用下的伸展既有弹性延伸又有塑性延伸，是两种延伸的混合形式。除去外力后，壁可以回缩，但达不到原来的位置。人们也称这种延伸为粘弹性延伸。植物细胞壁在长时间膨压的作用下，也可经过一定的生化修饰，将原来的弹性延伸逐渐固定化为塑性延伸。所谓“生化修饰”主要是指细胞壁上能够水解糖苷键的一些酶类，能够解除纤维素分子间的交联键(1，3－糖苷键)，使壁松弛，在膨压作用下扩张，并且形成新的交联键、填充新的细胞壁构成物质，使弹性延伸固定下来。44IAA、低pH可促进这些酶的合成，或使其活化．低pH也有直接使氢键松弛的作用。细胞壁的上述性质影响上式中的Eg和Ψp,th，从而影响到生长。较大的Eg可使细胞在同样的膨压下产生较快的生长速率。较低的Ψp,th则使细胞壁的延伸能被更低的膨压所推动，均有利于植物在低膨压下维持一定的生长速率。已知Eg与Ψp,th的大小因细胞壁的成分，交联程度和性质以及生化修饰的情况而定。抗旱的植物在较轻的水分胁迫下，可以适应性地调整Eg与Ψp,th，以减轻水分胁迫对细胞延伸生长的影响，表现出抗旱特性。然而，在严重干旱条件下，细胞壁上与生化修饰有关的酶类将受到明显抑制，壁上的代谢活动减弱或停止，此时Eg减小，而Ψp,th增大。45（二）膨压的维持随着水的进入和细胞体积的扩大，Ψs升高，细胞延伸的动力Ψp将迅速下降．细胞只有以一定的方式维持较低的Ψs，使Ψp保持适当的大小，才能保证细胞的继续生长。据目前所知，在正常供水条件下膨压的维持主要靠K＋的摄入，与气孔保卫细胞的调节机理似有共同之处。正在伸长的细胞，有大量产生苹果酸的能力，苹果酸解离产生的H＋与相邻细胞或细胞外K＋进行离子交换，使K＋大量进入伸长的细胞，以苹果酸钾的形式积累在液泡中，使Ψs维持在适当值．46二、细胞壁的弹性特征——容积弹性模量成长细胞虽已停止了生长，但膨压的维持仍具有十分重要的意义，一方面叶细胞可借膨压维持一定的紧张度，从而保持叶片的正常姿势，不致发生萎蔫；另一方面，膨压可调节气孔开度，使蒸腾与光合比值处于最佳状态。已知成长细胞的膨压维持也可通过两种方式进行：一是降低细胞液的渗透势，进行渗透调节；二是改善细胞壁的弹性性质，进行弹性调节。下面重点讨论弹性调节问题。植物成长细胞的细胞壁，一般而言，失去了在膨压作用下进行塑性延伸的性质，但仍具有在膨压作用下发生弹性延伸的性质。其弹性的好坏以及可进行弹性伸缩的范围都因细胞壁的性质而不同。471、弹性模量对于弹性性质的衡量，可用物理量“弹性模量”表示。对于一个金属弹簧或棒状物体（如图）：48如果沿着其轴向受到外力(如拉力)F的作用，则在外力不超过一定限度的情况下，会产生弹性形变(延长)。外力F即胁强(stress)，物体单位长度产生的形变δL/L即胁变（strain）。在弹性限度范围内，胁强与胁变之比为一常数ε。Fε＝δL/L这一规律叫虎克定律，常数ε称为弹性模量或称杨氏模量。49由上式可知，在弹性限度内，胁强与胁变为一直线关系。然而，当胁强或胁变超过某一值后，可发生塑性形变，甚至使材料断裂，胁强与胁变不再符合直线关系，如下图所示。50从图中可见，只有当胁强F大于f时，才能使材料发生弹性形变．在胁变由0～a的范围内，胁强与胁变呈直线关系。直线的斜率即材料的杨氏模量；当胁变超过a值以后，材料发生塑性形变，直线变弯;胁变b为材料的断裂胁变。对于不同材料，在弹性胁变区内的弹性性质可能有以下三方面的差别：

①产生弹性胁变所要求的最低胁强(f)不同；

②弹性模量ε不同；

③能产生弹性胁变的范围或在弹性限度内所能产生的形变的大小(即a值的大小)不同。对于植物细胞,以上三方面的性质均与细胞的紧张度的维持有关。512、细胞的容积弹性模量杨氏模量仅适用于材料的线性形变，对于植物细胞，在膨压作用下所产生的形变为体积变化，不能简单地套用上式加以处理，于是提出了容积弹性模量(Bulkmodulusofelasticity)的概念。并将其定义为:

dpdpεV＝＝

×V

dV/Vdv式中εV为容积弹性模量，p为膨压，V为细胞体积，由式中可知，细胞的容积弹性模量就是在膨压作用下细胞每产生单位体积变化所需要的膨压变化。523、植物组织或器官的容积弹性模量测量单个细胞的膨压－体积关系并由此计算出细胞的εV值难度较大。早期工作通过测量在不同浓度溶液中细胞体积的变化间接求得，但很不准确。Green等首次利用压力探针技术实现了大型藻类细胞的膨压测量，但对一般小型细胞则难以实现。Tyree曾对两者关系进行过理论推导，认为植物器官的容积弹性模量近似地等于各个细胞容积弹性模量的平均值。从植物水分关系与抗旱性的实际应用角度考虑，测量整个叶片的容积弹性模量(εv)意义较大，可利用压力室技术进行测量（P-V曲线测定，略）。53三、容积弹性模量的生理意义εv大小可以：●表示植物材料弹性的好坏●反映细胞壁在膨压作用下可进行伸缩范围的大小不同的植物品种，其细胞壁弹性存在差异。εv较小的材料，其弹性较好，在干旱胁迫下相对含水量降低时，膨压下降较慢，可在相当长时间内维持膨压，从而维持其正常生理功能和生长速率。Εv大的材料则相反。下图是两个抗旱性不同的大豆品种叶片Ψp－RWC关系曲线：54通过比较可见，虽然吸水饱和时小粒豆1号的最大Ψp低于鲁豆4号，但随着RWC下降，小粒豆1号的Ψp下降缓慢，直到RWC降至接近60％时膨压才消失；而鲁豆4号的Ψp则随着RWC下降而急剧下降，RWC降至87％作用时Ψp即消失。如果将膨压消失点作为萎蔫点，显然，小粒豆1号能在更低的RWC下维持膨压而不至于萎蔫。从Ψp－RWC曲线与横轴的交叉点来看，小粒豆1号的细胞壁的弹性伸缩范围明显大于鲁豆4号。大豆叶片的不但因品种而异，也因大豆植株所经受的水分胁迫程度而改变。下表为不同水分胁迫条件下两个大豆品种的εv(max)。可以看出：分枝期轻度水分胁迫，均能在一定程度上改善叶片的弹性(εv降低)，这可能是细胞壁上的生化过程在轻度水分胁迫下进行的主动适应。但严重水分胁迫则使εv(max)加大，这有可能是细胞壁在严重干旱条件下硬化所致。在鼓粒期，两品种均失去了降低εv的能力。55

表1水分胁迫对两个大豆品种εv(max)的影响品种鲁豆4号小粒豆1号水分处理分枝期结荚期分枝期结荚期CK31.411.513.415.3轻度干旱17.118.78.818.0中度干旱20.119.79.317.3严重干旱28.924.920.219.5由此可见，研究作物叶片的弹性特征对于阐明其抗旱机理具有重要的作用。作物叶片在干旱条件下的弹性调节很可能是除下渗透调节之外又一种重要的干旱话应方式，这种方式在禾本科作物上是否存在尚待研究，但对大豆而言，则弹性调节至少能发挥一定作用。56早期得观点认为，干旱对生长发育得影响，只是水分亏缺对植物得直接损伤效应，而且正是这种损伤效应抑制了细胞得伸长，气孔开度、光合作用等生理过程，从而导致了产量得下降。但是，近年来越来越多得实验结果显示，在水分亏缺造成各种损伤现象之前，植物就对干旱做出了适应性的调节反应，以便使植物做出最优化选择(optimization)。因此，植物一定具有感知、传递土壤干旱胁迫信号、使之做出快速反应的能力。目前，国际上对植物逆境信号传递的研究引起了普遍关注。本届简单介绍干旱胁迫下植物如何感知和传递胁迫信号、以及信号的种类、性质和作用机理。第四节干旱胁迫下植物根与地上部的信号传递

57一、植物根－冠通讯信号（一）信号种类1、水力信号（hydraulicsignals）

hydraulicsignal:由于土壤水分含量的下降引起叶片水分状况（Ψw,Ψs,Ψp,RWC等）变化，进而影响植物的生理功能。叶片水势是最常用的植物水分状况指标，人们常把Ψw与胁迫程度相联系。Kramer等把土壤干旱对植物的影响解释为：土壤干旱，水分减少→根系吸水减少→蒸腾作用存在→叶片Ψw下降→膨压下降→激素合成与运输变化→生理功能变化。可见，这种类型的根－冠通讯是靠水的传递来实现的，即水信号传递。然而，目前又有许多实验证明，在叶片水分状况还没有表现出可检测的变化之前，地上部对土壤干旱的反应已经发生了，从而避免了或推迟了叶片和枝条脱水，以维持正常生长发育。这说明植物根系和地上部之间出了水信号以外，还有其他信号存在。582、化学信号(chemicalsignals)

chemicalsignal:指能够感知和传递土壤干旱信息到地上部反应部位，进而影响植物生长发育的激素或除水以外的其他化学物质。

Bates&Hall等（1982）最早指出土壤干旱的初期的气孔导度、叶片生长和叶片水分状况并无关系，而与土壤含水量直接相关。后经Davies等加以完善，提出了根－冠间通信的化学信号的假说。59试验依据：

（1）Blackman%Davies的分根实验用玉米为材料进行分根实验，一半根浇水，一半干旱处理。实验发现，与CK相比，处理对叶片水分状况没有明显影响，但气孔导度却明显下降。后来又有许多实验证明，叶片气孔导度和生长速率下降，水分状况不变。因此，推论处理的处于干旱那一部分根产生了化学信号。

（2）Gopwing等（1990）的切根实验苹果苗：根系分成两半，分别置于2个容器，一半给予干旱处理，叶片水分没有发生可检测的变化之前，叶片的生长和水导已经下降。重新浇水，则叶片的生长和水导恢复。重要的是：把干旱土壤中的半边根切除，与重新浇水得到用羊的结果，即叶片生长和水导恢复原状。一种合乎逻辑的解释是：干旱土壤中的根产生了某种化学信号，阻止了叶片生长，降低了水导。因此，除去这部分根，也就除去了产生的化学信号，使叶片无法对干旱作出反应。

（3）Passiowra等的根系加压实验干旱时，给小麦、向日葵等植物的根系加压，来平衡干旱时土壤部分付压力的增加，使不浇水的植株在土壤干旱时地上部水分状况维持在干旱前水平。结果发现，加压植株在干旱时，虽然地上部水分状况没有变化，但气孔导性明显下降。后来，Passiowra指出，生长在干旱土壤中的植物，根中可以产生化学信号，来控制地上部生长（如叶片伸长）。

603、电信号(electricalsignals)娄成后等提出高等植物体内信号传递中电波作用的假说，认为传递组织中局部电流可激发邻近细胞兴奋，同时引起细胞中激素或某种化学物质的释放。反过来，激素或化学物质的释放又会引起邻近细胞的局部电流（不管是动作电波或变异电波传递，都会有电流或化学物质的介入。）观点：认为电波传递是植物体内信息传递的一种重要方式。现已发现，各种各样的刺激，如光、热、冷、化学物质、机械、电、伤害性刺激（如烧伤）等，都可以引起植物体的电波传递反应。电波传递可对不同植物引起不同的生理活动变化。如：含羞草小叶闭合下垂，捕蝇草捕虫器的关闭，胞质环流停止，呼吸、蒸腾改变，伸长生长停止等。北京农大研究成果发现：烧伤刺激，引起气孔运动和叶片伸展的抑制。刺激后，发生这种生理反应之前，必须有电波传递参与。如果阻断电波传递，则生理反应不会发生。研究水分胁迫、盐渍胁迫时发现，这两种胁迫引起电波的传递，抑制气孔的导性。

所以电波传递可能是植物感应外界刺激的最初信号。61（二）信息传递的途径——维管系统植物体内虽然不象动物那样有神经系统来感知、传递信号，但也具有信号传递的功能。信息传递的主要通道是维管系统。如：沼生植物水菠菜（Nasturtiumsp.）的叶序是2/5，即要有5个叶片围绕茎两圈完成一个叶序。第一叶与第六叶是在同一直线上，两者的维管束是直接相连通的。用烧伤法来刺激第一片叶，AP（动作电波）和VP（变异电波）的复合电波优先传递到第6叶，而距离第一叶较近的部位（如第二叶、第三叶）反而没有传到或传递电波极微弱。62水菠菜维管束系统中的电波传递A、2/5叶序的纵向排列B、叶片间的电波传递63二根冠通讯中化学信号的性质1、正信号

正信号是指随着土壤含水量的下降，某些生理活性物质供应量增加。如ABA等抑制性物质。

上面提到的苹果苗的分根、去根实验指出：切除干旱土壤中的半边根会导致气孔重新开放，导性增大，与重新浇水有同样的作用。这一实验有力地说明了根冠间的通讯是一种正信号（抑制因子增加）。因为，如果说是负信号，即某种物质向地上部的运输减少，则除去脱水部分的根，会使这种物质更少，不会除去干旱诱导的生长抑制（反而加重）。不少人研究过的水分状况与根中ABA含量的关系，推测ABA积累增多可能是植物灵敏感知土壤水分状况的一种方式。分析干旱对木质部汁液中阳离子、阴离子、PH、aa、激素的影响，发现大部分在根际土壤干旱时减少，只有ABA的浓度在土壤轻微干旱时，就大幅度增加，甚至在叶片水分状况还没有因受干旱影响而变化时，木质部汁液中的ABA浓度就增加了25-35倍。

因此认为，根中合成的ABA可以通过木质部运向地上部分，从而改变或修饰地上部的生理功能。（ABA是主要的正信号）642、负信号

负信号是指在土壤干旱时某些物质运向地上部分的量减少，如水体积、CTK、蒸腾流中的营养物质。很多早期的研究工作表明，木质部汁液中有许多CTK活性，此后证明，干旱胁迫可导致根中CTK合成和运输减少。（属于负信号）外施CTK可以增加气孔的开度和蒸腾速率，但很难证明负信号会在土壤干旱时根冠通讯中占主导地位（如分根实验去根试验）。但CTK可起到某些非主导性的作用。有人推测：正信号在较湿的土壤中（轻微胁迫）中起作用，而当土壤进一步变干时，负信号的作用增加。653、其它信号(1)pH变化作为信号Hartung等（1988）提出pH的变化从根向地上部传递，可以使ABA在叶内重新分布。即：当pH升高时，ABA从叶绿体中释放到质外体，进而在叶片水分状况发生变化之前，就可以影响气孔的开闭行为。Schurr等发现：供水植株的木质部汁液中阴离子过量（占优势），干旱处理的植株木质部汁液中阳离子过量，因此提出：

干旱→木质部汁液阳离子过量→PH升高（碱化）作为信号→叶片中分隔的ABA重新出现→释放→

质外体→气孔关闭66（2）未知抗蒸腾因子Munns和King（1988）用免疫亲和层析技术，把小麦木质部汁液中的ABA除去，然后把汁液喂给供水良好的植株，发现并没有除去其抗蒸腾的作用，即仍具有蒸腾作用，故推测，小麦木质部汁液中还有某种除ABA以外的抗蒸腾因子存在。67三、ABA在土壤干旱信号的感知与传递中的作用植物具有对环境做出最优化反应的能力。因此，当土壤变干时，植物必定具有感知、传递土壤胁迫信号，从而调节其生长发育的机制。可以设想：当少数根在变干的土壤中脱水时，产生化学信号，这些信号在总的水流量和叶片水分状况还没有发生改变之前，就移动到地上部分发挥作用。随着土壤继续变干，脱水的根量增多，脱水程度增大。信号的强度也增大，植物地上部分的生长发育就随着发生相应的修饰和调整。681、根中ABA浓度与根周围土壤含水量显著负相关Davies等（1990）把玉米种在1m长的土柱中，停止浇水后，使土壤自上而下逐渐变干，在变干的21天期间，未浇水植株与浇水植株（CK）维持相当的叶片水势，而干旱处理的叶片气孔导性却在第6天就明显下降了。不同深度的根中的ABA含量与相应土层的含水量密切相关。表明根尖可以通过形成ABA来感知土壤中的可利用水分状况。692、导管汁液中ABA浓度与土壤含水量显著负相关Davies等用玉米、向日葵等进行实验，表明导管汁液中ABA的浓度与土壤中的含水量显著负相关。因此，导管汁液中ABA浓度可以作为土壤水分状况的动态指标因子。而叶片中的ABA直到干旱循环后期才明显增加。同时也证明，根中ABA是通过木质部液流到达地上部的。703、叶片导性、生长速率与导管汁液中ABA浓度显著负相关未浇水植株的叶片导性、生长速率与导管汁液中的ABA浓度显著相关。为了检验其因果关系，把外源的ABA注射到木质部导管，叶片导性和生长速率也与外抗ABA的使用量高度相关。表明导管中ABA浓度变化是叶片生长和气孔导性下降的较直接的原因（而并非结果）。

上述一系列试验结果，说明土壤干旱时，根可以通过合成ABA来感知土壤干旱程度，并作为根与地上部分通讯的化学信号，通过木质部传递到地上部，使地上部茎叶做出反应。71四、根冠通讯中ABA的作用机制1、ABA对叶片生长的作用

一般认为，ABA可以抑制叶片的生长，但人们又发现那些幼嫩的、快速生长的叶片中比老叶中含有更多的ABA。Cowan等（1982）发现：叶片的ABA大部分存在叶绿体中，除非在叶片膨压下降的情况下，叶源的ABA与蒸腾流运来的ABA保持分离。Meidner(1975)曾指出：蒸腾流可直接到达与保卫细胞相邻的表皮细胞的壁上，而该部位正是ABA作用于保卫细胞的部位。因此推测：

干旱处理，根系合成ABA

↓木质部叶片质外体

↓与ABA受体作用

↓传递干旱信号调节地上部生长发育。

而叶片叶绿体中存的大量ABA只是在叶片膨压下降（干旱后期）的后期反应才起作用。722、ABA对气孔运动的作用机理ABA引起气孔关闭是人所共知的事实，但其机理却很不清楚。目前认为（如上所述），根中合成的ABA随蒸腾流能直接到达保卫细胞质膜的作用部位，而这时叶片的膨压尚未降低，叶肉细胞和保卫细胞叶绿体中的ABA还不会转移出来，而来自根的ABA就可以单独起作用，进行从根到地上部的信息传递。保卫细胞对ABA的反应机制虽不清楚，但McAinsh等提出的Ca2+--ABA第二信号模型，给出了一个轮廓性的解释：73ABA

↓保卫细胞质模上的Ca2+内向通道打开

↓细胞内的Ca2+和IP3(肌醇三磷酸)增加

↓抑制质模K+内向通道

↓促进质模上K+外向通道

↓K+外流

↓气孔关闭74近几年来，对于根与地上部间的信息传递的研究取得了较大的进展，但仍有许多关键性问题未提清楚。如：根对传递信号感受的细胞学机制，逆境引起叶片气孔、叶片生长变化的确切机理，逆境下电波传递等，都有待进一步研究。75与动物相比,植物的移动性很差,绝大多数营养体的植物都是固定在土壤中,但这也使它们在长期的进化过程中获得了惊人的环境适应性,特别是针对环境中的逆境因子,发展了非常完善和强大的防御机制。水分胁迫是各种胁迫环境中最常见、最普遍的逆境因子之一,陆生植物不仅在干旱和高盐浓度下遭受水分胁迫,低温也会因造成根系对叶片水分供应减少而使叶片膨压下降,进而使植物遭受脱水或水分胁迫。为了响应水分胁迫,不同植物除了体内产生一系列生理和生化变化外,其基因表达也受到深刻影响,并诱导产生许多特异基因产物。通过对这些基因编码的蛋白质与已知蛋白进行序列同源性比对后,可将之大致分为两大类型:第四节水分胁迫诱导蛋白与植物抗旱76●调节蛋白：

它们在水分胁迫信号的感受、转导及抗性基因表达调控等不同过程中起关键作用,如参与不同环节响应调节的各种蛋白激酶类,调控不同基因表达的各类转录因子,以及参与信号转导第二信使生成的磷脂酶等;●功能蛋白：它们在植物抗逆机制中发挥重要作用。77这些水分胁迫诱导基因产物不仅通过重要代谢保护细胞结构,而且起调节信号转导和基因表达作用：

◆通过水分通道蛋白、ATP酶、跨膜受体蛋白、离子通道、有机小分子运载体等膜蛋白加强了细胞与环境的信息交流和物质交换;

◆通过酶蛋白的作用合成各种渗透保护剂，提高细胞渗透吸水能力;

◆通过LEA蛋白、渗调蛋白、抗冰冻蛋白、分子伴侣、蛋白酶、热激蛋白等逆境诱导蛋白提高细胞抗脱水能力;

◆通过SOD.CAT,APX、POD等提高细胞排毒、抗氧化防御能力;

◆通过蛋白激酶、转录因子、磷脂酶C等调控蛋白提高细胞内信息传递和基因表达能力。78一、水分胁迫诱导蛋白的种类和诱导机制（一）水分胁迫诱导蛋白的种类和特性由于分类依据的不同,水分胁迫诱导蛋白被分成不同的类别。

根据对ABA的依赖性,可以将其分为ABA依赖蛋白(RAB)和非ABA依赖蛋白。根据水分胁迫诱导蛋白在诱导时间上的差别将拟南芥中的水分胁迫诱导蛋白分成两大类:ERD(脱水反应早期蛋白)和RD(脱水反应蛋白)。这是由于拟南芥在遭受干旱胁迫大约2小时后ABA开始大量合成,10小时后达到最高水平,所以将遭受干旱胁迫1小时内诱导的蛋白质称为ERD,10小时后检测出的诱导蛋白称为RD。一般来说,RD多为RAB蛋白,ERD多为非RAB蛋白。

79按其功能不同,又可将水分胁迫诱导蛋白分成两大类:

●第一类：在细胞内直接发挥保护作用的功能蛋白。

●第二类：参与水分胁迫的信号转导或基因的表达调控,间接对植物起保护作用的调节蛋白。80第一类水分胁迫诱导蛋白主要包括:(功能蛋白）1、渗调素

这是最早发现的一种水分胁迫诱导蛋白,它们在细胞质中调节和维持细胞的渗透势。其中多数与LEA蛋白,尤其是脱水素(dehydrin)有很大的同源性，一般作为脱水保护剂,帮助细胞保持最小水势并稳定胞质结构。另外Velaseo(1994)等还从更苏植物中鉴定出了一组特性类似干LEA蛋白、对脱水敏感的基因家族CdeTll－24。2、膜蛋白

在非生物胁迫下首先引起膜透性的改变、膜结构的变化以及发生膜脂的过氧化作用,因此逆境条件下植物诱导合成了许多膜蛋白,以维持细胞膜结构和功能的稳定性。813、代谢酶类在水分胁迫条件下,活性氧大量产生并发生异常积累,相应的活性氧清除系统,如超氧化物歧化酶,过氧化物酶等酶系统或维生素E、维生素C、谷胱甘肽、半胱氨酸、类胡萝卜素等非酶系统的活性就会提高,并与自由基反应,清除过量的活性氧,可使机体受到保护以维护细胞的正常结构和代谢。渗透调节物质合成酶,这些酶的诱导使得渗调物质的合成大大增加。例如脯氨酸合成中的关键酶P5C合成酶(P5CS)以及与ABA合成有关的酶。其次就是一些去氧化酶类如SOD、POD、GST及二氢叶酸还原酶(DFR)等。与细胞基础代谢途径如糖酵解和卡尔文循环有关的酶如烯醇化酶和磷酸异构酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶(GPD)、NADP(H)氧化酶以及一个和木质化作用有关的酶也被干旱胁迫所诱导。另外还发现干旱胁迫诱导各种形式的半胱氨酸蛋白酶,以降解干旱胁迫下失活蛋白质。824、通道蛋白其中水孔蛋白可以促进水分的长距离运输以及细胞内外的跨膜水运输,还具有调节细胞胀缩等功能。植物水孔蛋白根据序列同源性可以分为三类:

●质膜内在蛋白(PIP)

●液泡膜内在蛋白(TIP)

●NLM蛋白(nodulin26likeMIPs,NLM),主要分布于两个地方:原生质膜和液泡形成体(tonoplast,即液泡膜)。5、分子伴侣在胁迫条件下会导致一些蛋白质变性,而分子伴侣(chaperone)的诱导可以防止蛋白质及膜的进一步变性。836、运输蛋白如糖运输蛋白,不仅介导了蔗糖从叶肉细胞外流、韧皮部装载、韧皮部卸出和进入库细胞储藏和利用,据目前的研究结果来看它可能在糖运输和代谢调节的信号转导中还发挥重要的作用。第二类水分胁迫诱导蛋白主要包括：（调节蛋白)

磷脂酶C、磷脂酶D、各种蛋白激酶、G蛋白、钙调素以及转录因子、组蛋白等。在环境胁迫刺激下,体内这些蛋白质合成增加,通过它们将信号不断传递并放大。

84（二）水分胁迫诱导蛋白的诱导机制水分胁迫诱导蛋白的诱导机制包括三个过程,即水分胁迫信号的感受、转导及最终的基因诱导表达。在这个过程中,ABA合成增加是对水分胁迫的关键反应,从9－顺式－新黄质(9－cis－neoxanthin)或9－顺式－紫黄质(9－cis－violaxanthin)到黄质醛(xanthoxin)的氧化裂解是ABA合成的关键步骤,催化该反应的酶是9－顺式－环氧类胡萝卜素二加氧酶(9—cis-epoxycarotenoid,NCED)。胁迫期间植物体内ABA的浓度以及从根部运输到地上部的ABA大大增多,对水分胁迫信号的转导以及干旱水分胁迫诱导蛋白的表达都起到了很大的作用,大多数的水分胁迫诱导蛋白都可以由外源ABA所诱导。85二、LEA蛋白与植物抗旱性胚胎发育晚期丰富(lateembryogenesisabundant,LEA)蛋白是一种子发育后期产生的一类小分子特异多肽,它是伴随着种子成熟过程而产生的。后来研究认为这类蛋白与植物耐脱水性密切相关,受植物的发育阶段、ABA和脱水信号等调节,在植物的许多组织器官中都有表达。因此LEA蛋白产生机制以及与抗旱性的关系是目前植物抗性生理研究的热点之一。86（一）LEA蛋白的种类、特性与存在部位根据它们氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列,

LEA蛋白可分为6族:

◆D19LEA(第1族)、

◆D11LEA(第2族,又称脱水素)、

◆D7LEA(第3族)、

◆D113LEA(第4族)、

◆D29LEA(第5族)和

◆D95LEA(第6族)。后2族为附加族。87（1）第1族LEA蛋白这族LEA蛋白具有多拷贝串联的20个氨基酸残基组成的保守序列,该序列富含高比例的带电荷氨基酸和甘氨酸,这些氨基酸可占全序列的20%～30%。在生理条件下,70%的多肽可形成随机螺旋、比大多数球蛋白亲水性更强。棉花Dl9、小麦Em、水萝卜P8B6,胡萝卜EMBl、玉米E564、大麦Bl9,拟南芥LEA等均属第1族LEA蛋白。

在许多植物的基因组中高度保守的第1族LEA基因常以一个基因家族存在,该家族成员在整个编码区,几乎在20个氨基酸残基组成的基元序列区是高度保守的。但是,不同成员所含基元序列的数目不同。

许多植物都含第1族LEA基因,它与酵母中的这类基因有一定差别。第1族LEA蛋白对胚乳发育和植物生长器官的渗透胁迫有保护的作用。88（2）第2族LEA蛋白

这族LEA蛋白也称脱水素(dehydrin),也是一类亲水性蛋白质,其一级结构特征:在C端或附近具有富含赖氨酸的基元序列,也称K-片段,K-片段在高等和低等植物中是高度保守的。大约由l5个氨基酸残基(EKKGIMDKIKEKIJPG)组成。K-片段、可磷酸化的丝氨酸残基片段(S-片段)、N端的一些保守序列(Y-片段),以及其他小而保守的重复区域(φ-片段),拼接形成脱水素,多肽的长度一般为82－575个氨基酸残基。脱水素的识别可利用共有Y-片段、S-片段、K-片段,通过PCR技术进行。简称为“YSK速记”。在单个多肽内,K-片段的数量在1～11个拷贝之间变化。根据脱水素的结构、第2族LEA蛋白的作用可能有两点:

①在植物受到干旱失水时,能够部分替代水分子,保持细胞液处于溶解状态、从而避免细胞结构的塌陷,稳定细胞结构、尤其是膜结构;

②起分子伴侣和亲水性溶质的作用,在水分胁迫时稳定和保护蛋白质的结构及功能。89（3）第3族LEA蛋白这族LEA蛋白(D7LEA蛋白)通常含有多拷贝的11个氨基酸组成的基元序列(TAQAAKEKAGE)。该组LEA蛋白大小差异很大,所含基元序列的拷贝数少的只有5个(如棉花LEAD7蛋白),多的则有几十个(油菜LEA76蛋白有13个重复基元数),大豆cDNApGmPM8和pGmPM10编码蛋白含有超过30个相连的基元序列。该组蛋白可依其基元序列的羧基端有无特定的氨基酸延伸区段分为两种类型：

●一类是11个氨基酸组成的重复基元序列被与之相似的序列所分离,称第3族LEA蛋白(Ⅰ);

●另一类是在羧基末端被特定氨基酸延伸区段的出现而分隔,称第3族LEA蛋白(Ⅱ)。大麦的HVA1与小麦的PMA2005在核苷酸水平和氨基酸水平上均有很高的同源性,分别达91%和95%。这两个单子叶植物的基因与胡萝卜的DC3和棉花的D7关系很密切,均属于第3族LEA蛋白(Ⅰ);小麦的PMAl949,胡萝卜的DC8和大豆的pGmPM2等属于第3族LEA蛋白(Ⅱ)。90在干旱脱水过程中细胞液的离子浓度会迅速升高。高强度的离子浓度造成细胞的不可逆伤害。第3族LEA蛋白中的11个氨基酸残基组成的基元序列可形成兼性α-螺旋结构,提供一个具疏水区的亲水表面。螺旋的疏水面可形成同型二聚体。处在亲水表面的带电基团可整合细胞脱水过程中浓缩的离子。如Na+和PO3-4。此外,组成该蛋白的大多数氨基酸残基为碱性。

这些高电荷的氨基酸残基可以重新定向细胞内的水分,束缚盐离子、从而避免干旱胁迫时细胞内高浓度离子的累积所引起的损伤、同时也可防止组织过度脱水。91目前,在多种植物中都有关于第3族LEA蛋白或基因的研究报道。有人认为这些基因的表达或蛋白累积与植物的渗透胁迫抗性正相关。例如,在严重干旱的小麦幼苗中,第3族LEA蛋白累积量的大小与组织的耐旱能力密切相关。此外。脱水还可造成LeamRNA,包括第3族LeamRNA转录水平的增加。在所有已知的第3族LEA蛋白中,对大麦的第3族LEA蛋白HVAl的研究较多。HVAl基因在开花后25天,开始在种子糊粉层和胚中高水平表达、而在淀粉质的胚乳细胞中却检测不到HVAlmRNA及相关蛋白。但可被干旱等环境胁迫和ABA诱导表达。如萌芽3天的大麦幼苗经0.lmmol·L-1ABA或干旱处理后,幼苗的所有器官中均有高水平的HVAlmRNA和蛋白质出现。Duan等(1996)将HVA1cDNA全序列导入水稻,获得了抗旱、抗盐的转基因水稻,直接证实了第3族LEA基因可能具有干旱保护功能。但也有相反报道,如从耐脱水更苏植物Craterostigmaplantagineunz分离出一个第3族LEA基因PcC3-06,将其转到烟草中高效表达。但转基因烟草在抗旱性方面并没有得到提高。因此对于第3族LEA蛋白的详细功能及其在细胞中的生理作用还有待进一步的深入研究。92（4）第4族LEA蛋白棉花lea14、D113和更苏植物CraterostigmaPGC27～45P属于第4族LEA蛋白,N端氨基酸序列形成兼性α－螺旋,C端序列保守性较差,呈无规则结构，在膜结构中可能形成一种保护结构,或起束缚离子的作用,植物脱水时可保持膜稳定性,以代替水的作用。93（5）第5族LEA蛋白第5族D29LEA蛋白,也含有重复的11个氨基酸序列,与3族D7的序列相比,每个氨基酸化学性质相似,只是每个残基位置缺乏高度专一性,这一族蛋白在植物缺水期间有富集离子的作用。

LEA蛋白是一类亲水性大家族,尽管分为不同的族,但它们有共同的特点,都是由极性氨基酸组成,是亲水性的多肽,甘氨酸含量>6%,亲水指数>1.03,具有高度的亲水性。LEA蛋白除了在干旱胁迫中发挥作用之外,寒冷、盐胁迫也同样诱导LEA基因表达及LEA蛋白积累。如将番茄lea25基因导入酿酒酵母能提高其抗寒能力。小球藻的C27品系在冷锻炼过程中产生的低温诱导蛋白HiC6。该蛋白与甘蓝型油菜的第3族LEA蛋白lea76具同源性。这些研究表明,LEA蛋白在植物耐寒、耐盐性方面也发挥重要作用。94（二）LEA蛋白的功能与抗旱性

LEA蛋白最大的物理化学特性是具有很高的亲水性和热稳定性,即使在煮沸条件下也能保持水溶状态。研究表明,植物在水分胁迫时面临的最主要问题是细胞组成成分的晶体化,这将破坏细胞的有序结构。而LEA蛋白具有高度的亲水性,能把足够的水分捕获到细胞内,从而保护细胞免受水分胁迫的伤害。LEA蛋白的另一个特点是,它们中的有些成员可被ABA和水分胁迫因子诱导产生,有时二者的作用可相互代替。如未发育成熟的小麦胚在体外培养时并不累积LEA蛋白,但若在培养基中加入ABA或施加渗透胁迫条件,则可诱导LEA蛋白的产生。植物严重脱水受害是由于水分损失导致细胞结构凝结,受到细胞膜结构伤害之故,而LEA蛋白则能够削弱这种伤害。在干旱环境下,多数植物能诱导LEA蛋白,但LEA蛋白的抗旱机制仍然不清楚。95Swire和Marcotle(1999)用酵母菌试验模型系统,研究小麦第1族LEA蛋白中Em蛋白功能,认为该蛋白在酵母中对细胞膜有渗透保护作用,在正常渗透浓度下,酵母细胞Em蛋白的表达对生长无害,但在高渗透浓度下,能够抑制或减慢生长,促进各种渗透调节物质的积累。由于第1族LEA蛋白含有大量极性氨基酸和无序(无盘旋)结构,它能吸附大量束缚水,因而对胚乳和植物生长组织的渗透胁迫有保护作用,这是用酵母表达系统通过结构功能研究第1族LEA蛋白对渗透保护机制的第一个生化证据。Zhang(2000)等用酵母异质表达系统研究水分胁迫下LEA蛋白对细胞代谢的作用,他们先向该系统转入两个lea基因,即番茄lea4(2族)和大麦HVAl(3族),在GALl启动子的作用下进行表达,用特异抗病毒检测这些基因产物。结杲发现:当转入1.2mol·L-1NaCl介质时,HVAl基因在酵母细胞中提前表达,但不促进基因的表达;当转入1.2mol·L-1KCl介质时,lea4和HVAl基因在细胞中均表达,以致生长减慢;在高山梨糖醇介质中,这两种基因没有明显变化。若细胞含有这两个lea基因,抗冻性就会增加,而抗热性则无变化,说明LEA蛋白对保护细胞质脱水有着特殊作用。尽管人们对LEA蛋白作了大量研究,但迄今有关各族LEA蛋白的确切功能还不清楚,只能根据其氨基酸序列和预测的蛋白质结构进行推断。96(三)LEA蛋白序列结构与其抗旱性根据LEA蛋白序列结构特殊性,Baker(1988)等提出一种假设,认为D29LEA蛋白(也存在于D7LEA中)含有由11个氨基酸组成的重复基元序列,即T/A、A/T、O/E、A/T、A/T、K/R、Q/ED、K/R、A/T、X、ED/Q,此种序列形成的氨基酸盐桥,可充实蛋白质结构,提高细胞液中的离子强度,从而抵抗或减轻干旱引起的伤害。这类重复元件多数存在于α-螺旋结构中,疏水和亲水氨基酸位于此螺旋中的特定部位,在其分子内部可能形成维管束,表层有结合阴阳离子的功能。97

LEA蛋白有较高亲水性,不仅有序列特异性,空间结构也有特点。在水分缺乏时,此种蛋白在细胞中像可溶性糖的作用一样,有增强束缚水的作用。Baker等(1988)报道,缺水条件下,D13和D11LEA蛋白能“溶解”在细胞质的结构中,其结构的卷曲部分,能形成适应其他结构的形状,此结构与水产生的结合力比糖形成的稳定性强,至少在晶体保护上比蔗糖好。McCubbin和Kay(1985)发现小麦Em蛋白(D19)亲水性比多数球蛋白多肽强,在生理条件下,70%以上肽链处于无规则卷曲状态,植物缺水时,这些特殊结构有束缚水分子的作用。尽管D13LEA蛋白在长螺旋结构N端无亲水性,但在无规则卷曲的尾部则有较强束水作用。98三、水孔蛋白与植物抗旱性所谓水通道即存在于哺乳动物和植物细胞膜及微生物中转运水的特异孔道,该孔道是由一系列具有同源性的内在膜蛋白家族成员所形成,称为水通道蛋白或水孔蛋白(aquaporin,AQP)。植物水孔蛋白在植物体内形成水选择性运输通道,在植物种子萌发、细胞伸长、气孔运动、受精等过程中调节水分的快速跨膜运输。有些水孔蛋白还在植物逆境应答中起着重要作用,因此研究水孔蛋白与植物抗旱性的关系引起了广泛关注。99（一）植物水孔蛋白的发现水是生命之源,细胞内外水分平衡的稳定是维持生命的关键因素之一。但水通过细胞膜的机制一直是个谜,所有组织细胞膜都允许水以简单扩散的方式通过,后来注意到动植物的一些器官、组织具有独特的水分运转能力,例如动物的红细胞和肾上皮细胞,它们运输水分的速度非常快,人的肾脏细胞平均每昼夜要过滤180L的水,动物的肾小球集合小管在抗利尿激素的作用下,对水的通透性可在几秒钟内发生从低到高的急剧变化;植物在种子萌发及花粉管伸长时伴随着由体积增大而发生的水分快速吸收,这些都不能以水穿越膜脂质双分子层弥散来解释,故形成了在某些组织中可能存在功能性水通道的假说。Macey(1984)第一个证明了对氯汞苯磺酸(p-chloromercuribenzenesulfonete,PCMBS)对红细胞膜水通透性具有强烈抑制作用。进一步研究证明,PCMBS对尿素的通透性无影响。这种水通道与溶质通道明显相互独立的状态表明,有水选择性通道蛋白的存在。1001988年Agre等在鉴定人类Rb血型抗原时,偶然在红细胞膜上发现了一种新的跨膜蛋白。此种蛋白既可以以非糖基化的28kDa多肽的形式存在,也可以是一条迁移至40～60kDa的N-糖基化带,两者的比例大约为3:1。氨基酸测序发现28kDa蛋白和眼晶状体主体内在蛋白MIP26是同系物,因此有了暂用名“CHIP”(channel-likeintegralmembraneprotein)。1991～1992年,Agre及其同事又先后完成了该蛋白的分子克隆和功能鉴定,证实该蛋白具有水通道功能,从而确认了细胞膜上存在转运水的水通道蛋白的理论。1997年被基因组命名委员会重命名为AQPl。AQPl的发现,掀起了人们分离、鉴定水孔蛋白(亦称水通道蛋白)的高潮。短短几年内,人们巳在细菌、酵母、动物、植物中分离出许多水孔蛋白同源基因。在植物中第一个水孔蛋白r-TIP是由Maure等(1993)从拟南芥中分离出来的。r-TIP的cRNA在爪赡卵母细胞中的异源表达,证明它具有水分运输特性,属于植物水孔蛋白中的液泡膜内在蛋白(tonoplast-membraneintrinsicprotein,TIP)。植物质膜内在蛋白(plasmamembraneintrinsicprotein,PIP)也是在拟南芥中首次发现的,Kammerloher等(1994)用拟南芥根质膜内在总蛋白产生的多克隆抗血清来免疫筛选拟南芥根cDNA文库，得到了几个阳性克隆，经鉴定为植物质膜水孔蛋白。101水孔蛋白与1984年Gorin等从牛晶体纤维(bovinelensfiber)细胞膜中分离到的跨膜通道主嵌入蛋白(majorintrinsicprotein,MlP)基因具有很高的序列同源性和结构相似性,因此将它们同归于MIP家族,分子质量在26～29kDa之间,在生物膜中形成水通道并协助水分跨膜运输的膜内在蛋白。绝大多数水孔蛋白形成水的选择性通道,但也有一些水孔蛋白同时也可运输小分子中性亲水溶质。102（二）植物水孔蛋白的种类植物水孔蛋白根据序列同源性可以分为三类:

◆PIP(质膜内在蛋白)

◆TIP(液泡膜内在蛋白)

◆NLM蛋白(nodulin26likeMIPs,NLM)。103PIP主要分布在细胞质膜上,Kammerlober等(1994)以拟南芥质膜内蛋白的抗体为探针,运用哺乳动物眼细胞表达体系,从拟南芥的cDNA文库中筛选了5个MD相关蛋白。它们普遍存在于根、茎、叶及果实质膜上,因此称为PIP,PIP可再分为PIP1,PIP2和PIP3三类。Robinson等(1996)运用免疫定位实验发现拟南芥叶肉细胞质膜上PD1主要聚集在一种被称为质膜体(plasmalemmassome)特殊结构域,在这些区域质膜和液泡膜彼此接触,从而加快了液泡与质外体之间的水分交换。PIP与TIP之间的氨基酸同源性较低(约50%左右),而且PIP较TIP具有较长的N端。在PIP中,PIP1和PIP2的区别在于N端和C端的不同,PIP1比PIP2具有较长的N端和较短的C端,而且在序列当中各有相应的保守氨基酸。Daniels等(1994)发现原先鉴别的干旱胁迫蛋白RD28也具有水通道活性,RD28与PIP2b具有高度同源性,它们的氨基酸序列及cDNA序列有92%同源性。104TIP(tonoplastintrinsicprotein)主要分布在细胞液泡膜上。TIP可再分为α、