高级植物生理学01植物衰老

高级植物生理学01植物衰老 植物衰老 一、植物衰老 植物衰老是植物生命科学研究领域的核心问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一。无论是在器官水平上还是在个体水平上，衰老都是一个高度有序的被调控的过程。植物叶片衰老是一种程序性的细胞死亡(Programmed cell death , PCD)，是叶片发育的最终阶段。它除了代表生命周期的终结之外,在发育生物学上也有着重要的意义。在这段时期内， 将被分解并运送至植物其他生长旺盛的部位。 植物在成熟叶片中积累的物质， 叶片衰老是一种受遗传和外界因子(如日照、病害、遮荫、高温、干旱和水涝等逆境) 影响的高度程序化过程(Thomashe Stoddarj，1982)。 对于产生种子的作物，包括绝大多数农作物,衰老引起的叶片同化功能的减退极大程度地限制了作物产量潜力的发挥;对蔬菜作物亦会造成采后损失，叶片和根系早衰是造成结实率偏低、空秕率较高的现象的主要原因，水稻品种存在理论上推算水稻如果推迟1天衰老，可是水稻增产2,左右。 二、植物叶片衰老的指标 最明显的外观标志是叶色由绿变黄、脱落，而在细胞水平上表现为叶绿素含量下降，蛋白质含量下降，光合磷酸化能力降低，膜脂过氧化加剧，游离氨基酸积累，腐胺含量上升而精胺含量下降，细胞分裂素含量下降，脱落酸含量上升,多种酶活性改变等等。许多大分子物质如蛋白质、膜脂、RNA等降解形成的N素等营养物质被转运至幼嫩的叶片、发育中的种子，加以重新利用和储存。 叶片衰老最明显的表现就是叶绿素逐渐消失，并伴随着黄化以及叶片的最终脱落(Leshem，1981)。叶绿素a比叶绿素b下降得快，叶绿素含量以及叶绿素a/b比值可作为衰老的1个指标。聂先舟等(1989)报道水稻离体叶片随着离体天数的增加，叶绿素含量下降，衰老加深。从衰老过程中叶绿体超微结构的变化也可以看出叶绿体随年龄而逐渐解体。因而有人提出叶绿素分解是衰老的原发过程及衰老的真正标志。 随着小麦叶片的衰老，叶绿素的破坏加强，且叶绿素a破坏率高于叶绿素b， -衰老过程中积累的超氧阴离子(O)能直接引发叶绿素的破坏及特异性地破坏叶2-绿素a，致使叶绿素分解破坏和叶绿素a/b值下降。叶绿素a对O的反应较叶绿素b2-敏感。另外还发现:随着叶绿体中O大量产生，Car先于Chl而被破坏，Chl/Car2 比值明显增大(伍泽堂，1991)。 叶绿素降解的意义:Chl 是植物中最重要的收集、转换光能的光受体色素。Chl在O、强光条件下易产生活性氧，往往导致Chl漂白、膜脂过氧化、膜损伤等,2 在完整叶绿体内类胡萝卜素可使其猝灭。叶绿体衰老时,Chl 降解成为无光化学特性的FCC(Fluorescent Chlorophyll Catabolite) ,然后被修饰后转运到液泡中以NCC(Nonfluorescent Chlorophyll Catabolite) 形式贮藏，因此在某种程度上讲,Chl降解是衰老叶肉细胞的一种解毒方式(Matile等，1996)。 叶片叶绿素荧光参数用作衰老指标。 光合能力下降是衰老叶片的一大特征。膜脂过氧化引起叶绿体超微结构的损伤，叶绿素降解和光合酶(Rubisco和PEPC)活性下降，是植物光合能力下降的主要原因。 1 蛋白质在成熟组织中是处于相对恒定的周转中，因此细胞组织的稳定状态是由一种合成和分解的平衡系统所维持。但随着植物叶片的衰老, 这种平衡被打破, 表现为蛋白质的降解, 并且降解的蛋白主要是可溶蛋白中的部分,也就是RuBP羧化酶。蛋白质合成和降解是叶片生长和衰老的基本特征。蛋白质丧失是叶片衰老的另一早期表现, 与叶绿素和RNA相比, 蛋白质的丧失要早得多。 在植物衰老进程中，蛋白质逐渐降解成氨基酸。例如在深度衰老的叶片提取液中加入茚三酮试剂检验表明，确实有氨基酸的存在。丁文明等(1995)用黄瓜子叶做材料研究报道， 伴随着黄瓜子叶的衰老，子叶的可溶性蛋白含量下降，子叶的主要几种游离氨基酸累积明显增高，尤以谷氨酸和精氨酸等最为明显。 因为叶片衰老过程中蛋白质是逐渐稳定地下降, 所以现在许多人都以蛋白质含量表示衰老的程度。 在叶片衰老过程中,其总DNA水平变化较小，而总RNA水平尤其是rRNA水平则剧烈下降(Beta等，1991) 随叶片衰老植物体内SOD活性，CAT活性降低及MDA含量升高的变化已被许多实验所证实。Patka 等(1979)发现衰老的水稻、高梁、玉米叶片中POD活性 )报道，白菜、甘蓝、生菜、菠菜等叶片均随成熟升高。张丽欣和淙汝静(1987 衰老POD 活性增强。许长成(1991)在大豆叶片旱促衰老的研究中指出POD的作用具有双重性, 一方面它可以清除HO, 为保护酶系统的成员之一，另一方面22 它参与叶绿素的降解， 活性氧的产生，并能引发膜脂过氧化，表现为伤害效应。林植芳(1988)提出:POD活性因植物器官不同的发育和衰老程度而表现不同的变化格式, 与植物种类有关。 叶片衰老最终表现为脱落。对于叶片的脱落, 传统的解剖学观点认为在叶片的特定组织部位产生了“离区”。脱落前, 离层细胞衰退, 变得中空与脆弱，果胶酶(pectinase)和纤维素酶(cellulase) 活性增强, 导致纤维素与果胶物质解体, 细胞彼此分离(郑少清和曾广文，1999)。以后叶片受机械拉力和风的作用脱落。 三、植物叶片衰老机理的几种假说 植物衰老是指一个器官或整个植物生命功能逐渐地衰退过程。自1928年Molisch提出营养亏缺学说以来, 国内外已提出衰老原因的植物激素、死亡因子说、生物自由基伤害、光周期、差误理论及衰老基因等假说。 营养胁迫说认为: 叶片的衰老, 特别旗叶的衰老主要是个体发育进入生殖阶段, 生殖器官对同化物的大量需求, 对于同化源(不单单是旗叶叶片的同化物)实行强行征调造成同化源叶片营养胁迫而导致功能衰退。于营养胁迫说的明显证据是去穗或削弱库的强度可显著推迟叶片的衰老衰老的激素假说生长素、细胞分裂素和赤霉素可明显地推迟离体叶片的衰老; ABA、乙烯可加速离体叶片衰老。 基因的时、空调控假说中认为: 核基因在叶片发育的时间和细胞内空间上, 对衰老进行控制, 它控制着质体的衰老程度或者控制着与叶片衰老的启动有重要关系的某一物质的表达、合成, 而引发、诱导叶片衰老的起始。 光碳失衡说由张荣铣(1996 , 1997) 提出重点在于解释衰老进程中的光合机构衰退的变化由光碳失衡产生于电子传递和能量传递过程中的活性氧对植物细胞的伤害是多方位不同层次水平上的全面伤害, 是植物体诱发衰老的主要内因。 2 四、自由基和活性氧伤害学说 Harman最早(1956)提出，他认为衰老过程是细胞和组织中不断进行着的自由基损伤反应的总和。但直到McCord和Fridovich(1969)从牛红血细胞中发现超氧化物歧化酶(SOD)并证明其功能是清除超氧阴离子(Oˉ)以来，活性氧代谢才成为2 一个活跃的研究领域，进而Harman(1981)提出衰老过程就是活性氧代谢失调的过程。 自由基和活性氧的区别:植物体在正常代谢过程中可通过多种途径产生-OO、ROOH和′,2，统称为活性氧。 ?、?OH、H222 活性氧的产生。“电子漏”，(1)由于光合反应组分的丧失，Rubisco活性的下降以及由NADPH再生NADP不足均会导致电子传递链的失衡，从而将电子泄,露给氧，使,?等活性氧的产生增加。(2)呼吸作用电子传递链，植物在进行2 旺盛的有氧呼吸和叶绿体进行光合电子传递过程中, 会产生超氧阴离子自由基 部分典型反应: 活性氧对细胞的伤害(1)与酶的巯基或色氨酸残基反应，导致酶的失活;(2)破坏核酸结构，攻击核酸碱基，使嘌呤碱和嘧啶碱结构变化,导致变异的出现或变异的积累;(3)对DNA复制造成损伤,从而妨碍蛋白质的合成;(4)启动膜脂过氧化连锁反应，使维持细胞区域化的膜系统受损或瓦解。 自由基、活性氧对植物产生伤害的一个重要机制是直接或间接启动膜脂的过氧化作用，导致膜的损伤和破坏, 严重时会导致植物细胞死亡。膜脂过氧化的中间产物自由基和最终产物丙二醛(MDA ) 都会严重地损伤生物膜。MDA能与蛋白质结合, 引起蛋白质分子内和分子间的交联及生物膜中结构蛋白和酶的聚合和交联, 使它们的结构功能和催化功能发生变化受到破坏。人们常以MDA作为判断膜脂过氧化的一种主要指标。 活性氧的清除:植物可通过多种途径产生等活性氧, 同时细胞内也存在清除 3 这些活性氧的多种途径。植物在长期的系统进化过程中, 细胞内形成了防御活性氧、自由基毒害的保护机制。(1)酶促清除系统主要包括SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶(AP)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱苷肽过氧化物酶(GPX)等。它们能有效地阻止高浓度氧的积累，防止膜脂的过氧化作用，延缓植物的衰老，使植物维持正常的生长和发育。(2)非酶促清除系统主要包括抗坏血酸(AsA)、GSH、α-生育酚(VE)、类胡萝卜素(CAR)、Pro以及一些含巯基的低分子化合物等。某些激素或激素类物质也可清除活性氧。细胞分裂素一方面可清除或猝灭已存在的活性氧，另一方面，CTK可早期抑制活性氧的形成;GA3、6-BA、2,4-D、二胺和多胺、epiBR等。 SOD是一种含金属离子(Cu/Zn, Fe或Mn)的保护酶。已证明它普遍存在于动植物体内。高等植物中主要是Cu/Zn?SOD。在绿色植物细胞内, 超氧化物歧化酶主要存在于叶绿体中, 细胞溶质和线粒体中也有分布。SOD 的主要功能是催化超氧物阴离子自由基发生的歧化反应, 又有HO的形成, HO 的积累对植物也是非2222 常有害的。HO主要作为氧化剂对植物组织产生毒害作用它可以产生氧化能力22 极强的羟自由基(OH?) 和单线态分子氧(′O) , 对细胞造成很大的伤害。HO 的222伤害机制为2个方面。一方面可能与其本身的毒害有关，HO可以抑制Calvin循22 , 氧化铁氧还素，另一方面H环中的酶, 降低叶绿体中的AsA 含量O的伤害机制22-也有可能是它与O?相互反应形成致命的OH?。OH?是活性最强的活性氧, 可直接2 严重时导致植物细胞死亡。 引发脂质过氧化， 五、植物衰老的调控 叶片的衰老虽然是植物适应外界环境和自身繁殖需要而进化的自然现象，但农作物生产中，早衰现象削弱了作物的增产潜力。因此，调控植物叶片的衰老，使衰老期延迟对提高农作物的产量、质量有重大的意义。植物叶片衰老主要受遗传基因的支配，但是环境条件也有一定的调节作用。衰老与植物体内多种激素的综合作用密切相关，自由基代谢失调并在体内积累也是植物叶片衰老的原因。 目前延缓衰老的手段主要有两种:一是体外处理，外施适当的植物生长调节物质或一些自由基清除剂, 结合合理的肥水管理(如在作物结实期适当追加氮肥)可有效地延缓衰老。另一种是分子遗传调控。通过基因重组，获得抗衰老的转基因植物,也为从本质上解决衰老的调节问题展示了新的前景。 促进生根和提高根系活力往往延缓叶片衰老。根系生长受到限制或处于逆境中时，往往加速叶片的衰老(根系淹水、干旱、高温、营养胁迫等不良条件下，叶片衰老提早和加快是常见现象。原理,)。残茬覆盖和深松耕作的玉米叶片SOD和POD活性提高、MAD含量降低、叶绿素和可溶性蛋白质含量高、降解速度慢，维持了叶片后期较高的生理功能。 植物激素中的乙烯、脱落酸对衰老有促进作用，而生长素、赤霉素、细胞分裂素可抑制衰老。衰老叶片中细胞分裂素水平明显下降，自从1957年Richmond和Lang发现激动素可延缓苍耳离体叶片衰老之后，人们已发现凡具有细胞分裂素活性的物质，均可作为叶片衰老延缓剂。它具有促进细胞分裂和扩大、诱导芽分化、延缓叶片衰老、消除顶端优势、促进芽生长等功能. 之所以能延缓衰老主要是因为细胞分裂素能抑制核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、蛋白酶等的活性，从而延缓了核酸、蛋白质、叶绿体等的降解。(问题:细胞分裂素合成部位,) 4 发育的果实和种子中合成的ABA能诱导叶片衰老,去除果实引起叶片活性下降和衰老，韧皮部汁液中ABA含量下降，阻断ABA从叶中输出，胁迫诱导叶片ABA积累和外施ABA 均促进叶片的衰老。 多胺(Polyamine, PA)是一种生理活性物质，在植物细胞主要有腐胺(Putrescine, Put)、精胺(Spermine, Spm ) 和亚精胺(Spermidine, Spd)。PA具有促进细胞生长、分化、增殖和延缓衰老的作用，并与植物的抗逆关系密切。 20世纪80年代以前，一氧化氮(NO)被认为是一种对环境和人有害的气体。1992年一氧化氮被美国Science杂志评为年度的“明星分子”。美国科学家Ignarro、Murad和Furchgott由于对“一氧化氮作为心血管系统的信号分子”的杰出研究, 荣获了1998年度的诺贝尔医学奖。植物在成熟和衰老过程中, 内源NO含量降低, 乙烯含量升高。外源NO 处理可以延缓植物组织的成熟和衰老。NO可以通过调控乙烯的生物合成，调节植物内源环化核苷酸的水平，两种途径参与植物组织的成熟和衰老调控。 植物叶片抗衰老基因工程:科学家们已成功地分离、克隆出40多个与叶片衰老相关的基因，并对其表达、调控进行了初步的研究,运用遗传手段来延缓植物叶片的衰老。 细胞分裂素在控制叶片衰老进程中具有重要的作用。与细胞分裂素生物合成有关的基因被认为在利用基因工程手段控制叶片衰老、提高作物产量的研究中最具有利用价值和潜力。目前,用于植物叶片抗衰老基因工程研究的基因主要有两大类,即编码细胞分裂素生物合成过程中最重要的一步限速酶基因ipt(异戊烯基转移酶)基因和homeobox 基因家族基因，它们都直接或间接参与了细胞分裂素的生物合成。 1995年, Gan 等利用来自拟南芥的叶片衰老特异表达启动子P和ipt基因SAG12成功构建了叶片细胞分裂素生物合成自动调控系统,即P-ipt 嵌合基因转基SAG12 因植株叶片具有自动调控叶片内细胞分裂素的能力。转基因实验表明,当植株叶片开始衰老时(植株体内细胞分裂素含量下降) ,P驱动ipt 基因表达,细胞分裂SAG12 素含量增加,叶片衰老延缓;叶片细胞分裂素的增加又可以反馈抑制启动子的活性,使ipt基因关闭,从而起到自我调控作用，P-ipt 嵌合基因转基因烟草叶片比未SAG12 转化的对照植株推迟约40d衰老。 Homeobox 基因家族基因广泛存在于高等植物、动物和低等生物基因中。它们在高等植物茎顶端分生组织的分化和维持中发挥着重要的作用。 利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens) 介导法将嵌合基因Pipt 导SAG12-入双低油菜( Brassica napus) 品种H165 ,经双重PCR 检测和基因组总DNA共获余9 株叶片衰老时间明显延迟,主茎有柄叶衰老延迟15,20 d ,无柄薹叶延迟20,30d，长势较旺。进行衰老生理指标测定的结果表明,转基因植株主茎基本定型叶上部叶片,叶绿素含量、细胞分裂素含量、SOD 活性和MDA 积累量与对照基本一致,下部第5 片叶叶绿素含量、细胞分裂素含量和SOD 酶活性约为对照的2,4 倍、3,5倍和3倍，MDA积累量仅为对照的40%和70%。 (生产上是否需要促进衰老,棉花，烟草) 六、植物衰老与细胞程序性死亡(PCD) 植物在长期进化和适应环境的基础上有选择性地使某些细胞、组织和器官有 5 序死亡，是其生长发育生存的一个主要特征。PCD 的定义最早由Gluchsman于1951 年提出。它指生物体生长发育过程中，由自身基因编码的、主动和有序的进程，是生物体与环境及自身的新陈代谢过程中正常的生理反应。 植物衰老是涉及PCD的生理过程，二者在发生机制和信号传导上存在较多的共性: 1) 植物衰老和PCD 一样，都是由基因控制的主动的过程，它们的发生都要靠新基因的转录和蛋白质的合成，实验证实，蛋白质合成抑制剂可抑制新蛋白质的合成，从而抑制植物衰老和PCD的发生(Smart, 1994)。 2) PCD是一程序性事件，同样，植物衰老发生的时间、部位和方式也是按照特定的程序专一而有序的发生的(Smart,1994; Gan and Amasino,1997)。如在叶片的衰老中，首先是叶绿体的变化，然后胞质收缩，核糖体数目减少，线粒体结构和核膜破坏，最后液泡膜破裂，大量水解酶进入细胞质，细胞死亡。 3)植物衰老虽然随着年龄的增加而推进，但并非只是简单的被动的衰退过程，它可以受许多内部发育信号和外部环境信号的影响，从而调节进程的快慢，且大部分信号对于PCD 有同样的促进或抑制作用(Nooden et al.,1997; Gan and Amasino,1997)。如:乙烯、活性氧、盐胁迫、水胁迫和病虫害等均可诱导植物衰老和PCD 的发生;抗氧化酶类物质和适宜的环境可抑制植物衰老和PCD的发生; 4)植物衰老和PCD 过程中都存在物质的运转，这在衰老器官中表现为维管束周围组织最后衰老植物衰老是生命的自然衰退和死亡，而PCD 则是细胞的一种主动的程序化的死亡方式，PCD只是植物在衰老后期为使衰老顺利进行而采取的一种必要手段。 植物衰老和PCD二者发生的不同步性是它们的主要区别所在: 1)细胞质的泡状化或出芽是PCD 的主要特征之一，而在衰老器官中胞质并不泡状化或出芽(Nooden et al.,1997) 。在整个衰老过程中，膜系统的完整性和细胞分室一直保持到衰老后期，胞质很少或几乎不外渗; 2)植物衰老中细胞核的变化较晚，而PCD 中核的变化较早; 3)植物衰老时衰老细胞常经历一系列亚细胞水平上的修饰或改变，如叶绿体向老化叶绿体转变，过氧化物体向乙醛酸体转变，然而迄今为止，在动物PCD 和植物PCD 中未发现类似的细胞器转变(Gan and Amasino,1997); 4)植物衰老的前期是可逆的，衰老早期的黄化叶可通过CTK的作用重新返绿(Nooden et al.,1997)。而PCD一般是不可逆的。植物衰老开始时，核小体间DNA 降解前，染色质发生固缩，且这种固缩前期可逆，后期不可逆，认为二者之间的转换点是PCD级联反应的关键点，由于固缩的不可逆导致凋亡的不可逆(Nooden et al.,1997); 5)传导信号的差别。完整的植物衰老过程应包括两个阶段。第一阶段为可逆衰老阶段，细胞以活体状态存在;第二阶段为不可逆衰老阶段，细胞器裂解，细胞衰退，PCD 发生，其中液泡的裂解和染色质降解形成的DNA片段是PCD开始发生的标志(植物适时衰老有利于作物产量和品质的提高及花卉果蔬的保鲜，但不正常衰老特别是早衰则是限制经济性状发挥的重要因子，所以如何延缓植物的衰老就成为许多植物生理学家和育种家梦寐以求的事情。因此认识植物衰老的本质，了解其PCD 机制，将为植物衰老开拓一个新的研究领域。 6 在衰老的植物组织中, 由于光合反应组分的丧失,Rubisco 活性的下降以及由 +NADPH 再生NADP的不足均会导致电子传递链的失衡，从而将电子泄露给氧,使活性氧的产生增加。 7