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第八章植物热激反应及其信号转导途径第一节植物的热胁迫第二节植物的热激蛋白家族第三节热激反应的信号转导第八章植物热激反应及其信号转导途径第一节植物的热胁迫第一节植物的热胁迫一、高温逆境与植物外观形态及生长发育的关系二、耐热性与细胞膜系统稳定性及植物器官结构、超微结构的关系三、高温对蛋白质代谢与保护酶系统的影响四、与植物耐热性相关的其它物质五、高温对光合、呼吸及蒸腾作用的影响第一节植物的热胁迫气候预测表明，温室效应将导致全球性气温上升，整个种植业面临高温挑战，因此有关植物抗热性的研究变得日趋重要。通常情况下，将由高温引起植物伤害的现象称为热害(heatinjury)。植物对高温胁迫的适应则称为抗热性(heatresistance)。但热害的温度很难定量，因为不同类型植物对高温的忍耐程度有很大差异。根据植物对温度的反应可分为如下几类：1）喜冷植物：如某些藻类、细菌和真菌，生长温度在零上低温(0～20℃)，当温度在15～20℃以上即受高温伤害；2）中生植物：如水生和阴生的高等植物，地衣和苔藓等，生长温度为10～30℃，超过35℃就会受伤；3）喜温植物：其中有些植物在45℃以上才受伤害，称为适度喜温植物，例如陆生高等植物，某些隐花植物；有些植物则在65～100℃才受害，称为极度喜温植物，如蓝绿藻、真菌和细菌等。发生热害的温度和作用时间有关，即致伤的高温和暴露的时间成反比，暴露时间愈短，植物可忍耐的温度愈高。下面主要介绍高温胁迫下植物体外观形态、细胞超微结构及生理生化方面发生的变化。一、高温逆境与植物外观形态及生长发育的关系高温胁迫下，植物生长发育会受到不同程度的影响，外观主要体现在形态结构变化上。高温下，植物保持庞大的根系和活力，与植物的抗热性有较紧密的联系。Kuo等在大白菜上的研究发现耐热材科的根生长旺盛，而高温限制了热敏材科根系的生长，并且耐热材料在炎热的夏季形成叶球的能力与其根系生长良好有关．叶是光合作用主要器官，面高温下植物蒸腾失水也主要通过叶片进行。热胁迫常引起植物叶片茸毛、蜡质、角质层厚度、气孔数量和开度以及栅栏细胞的排列发生变化。在猕猴桃上发现，抗热品种热胁边下叶片和栅栏组织增厚，栅栏组织／海绵组织比值较高，避免了高温高热条件下水分的过皮蒸发。对于食用果实、种子的蔬菜作物来说，高温下配子体能保持正常的授扮受精能力，是植物具有较强抗性的一个重要指标。高温能增加花粉粒总数。而不耐热基因型较耐热基因型在高温下产生更多的“畸形”花粉粒，“畸形”花粉粒在花药开裂前已萌发，外形小，内含物少，用TTC染色已丧失活力。植物的外观形态也可作为鉴定植物耐热性的指标。二、耐热性与细胞膜系统稳定性及植物器官结构、超微结构的关系细胞膜系统是热损伤和抗热的中心，细胞膜的热稳定性反映了植物耐热能力。1977年Sullivan首次将电导法用于测定细胞膜热稳定性，此后该法被普遍应用。目前人们大多将细胞膜热稳定性和高温半致死温度、时间作为植物抗热性的鉴定指标。但也有不同的报道，如在对大白菜的研究中发现电导率与耐热性的关系并不显著；利用电导法测定黄瓜的耐热性存在滞后性。细胞膜稳定性与膜脂的脂肪酸饱和程度有关，植物体内脂肪酸的高度饱和有利于提高膜的相变温度。高温会加剧膜脂过氧化作用，甚至会损伤植物细胞膜系统，此过程的产物之一是丙二醛(MDA)，它常被作为膜脂过氧化作用的一个主要指标，但对其能否作为一项耐热性的筛选指标尚未达成一致意见。通过对高温下植物微观结构变化的观测，可以为耐热育种提供细胞学的理论依据。萝卜耐热品种比感热品种叶表皮气孔密度大，体积小，开度小，部分呈关闭状态，叶片厚，叶肉细胞排列紧密且很少出现质壁分离现象。耐热品种叶柄内维管束总面积是感热品种的1.5倍以上且有发达的形成层和厚壁组织，故其保水能力强。耐热品种叶片和栅栏组织较厚，栅栏组织/海绵组织比例及气孔密度较大。尽管甘蓝叶片的蜡粉密度及结构与它对光的反射有关，但对其抗热性无影响，通过扫描电镜观察到耐热品种叶片表面蜡粉晶粒致密，故认为耐热性可能与蜡粉晶粒的结构和数量有关，并进而影响结球能力。在对甘蓝的研究中发现高温下核膜、核仁、核质都会受到不同程度的破坏，特别是核仁逐渐消失，核内聚集很多染色较深的纤维状颗粒，细胞壁周围和叶绿体内也出现了这种物质，这可能是细胞受高温胁迫的重要标志之一，同时他指出叶片中不同细胞器对高温的敏感程度不同。高温引起的植物体结构上的变化必然会使植物体的某些功能发生改变，从这些变化中找出与耐热性相关的结构特征，既可以为耐热育种提供理论依据又可以从生物物理学的角度来对植物耐热性进行深层次的探讨。但目前这方面的研究大多仅限于对高温逆境下植株结构变化的观察，而对于这些变化发生的原因及产生的后果均未见报道。三、高温对蛋白质代谢与保护酶系统的影响高温胁迫使蛋白质降解，游离氨基酸含量增加，特别是引起脯氨酸大量积累。由于各种胁迫都可引起脯氨酸积累，所以有人认为可将其作为逆境胁迫的一个鉴定指标。高温胁迫引起的膜脂过氧化过程中O-２、H２O２等有毒物质的产生速度与保护酶系统在高温下的活性共同决定着植物的耐热性。热胁迫时过氧化物酶(POD)活性先下降后升高，且耐热品种无论在高温或是常温条件下POD活性均较感热品种高，这可能与POD具有很好的热稳定性有关。甘蓝的POD在38℃下热激10min仍能保持较高活性，在研究大白菜时发现热激后POD活性下降，过氧化氢酶(CAT)活性提高，超氧化物歧化酶(SOD)活性先提高后下降。尽管SOD可清除Oˉ2，减轻膜脂过氧化对细胞内其它部位的伤害，但这种保护作用是有限的；抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性过低造成的H２O２过量积累，不仅抑制了SOD的活性，而且使膜脂过氧化，蛋白质交联，DNA降解。植物中的H２O２主要是由APX清除的，而CAT的作用不大，其原因可能是CAT酶促反应具有较高的Km值而无法使H２O２浓度降到不足以伤害细胞的阈值以下。从以上研究可知，高温条件下植物体内生化代谢变化复杂，常因研究者采用的材料、方法不同而得出不同的结果，这一现象还有待于进一步研究。四、与植物耐热性相关的其它物质乙烯的产生可以提高植物对热胁迫的抵抗能力。高温胁迫可使辣椒中乙烯含量发生变化，花对乙烯的敏感性以及花内的乙烯含量与抗热性有关，但前者可能对异常落花的影响更大；脱落酸(ABA)在提高植物的抗性方面作用显著，但蔓生菜豆中高温胁迫与ABA并无相关性，同时他发现吲哚乙酸(IAA)从花芽内的输出量与植物耐热性有关，但ABA在高温条件下可使叶温升到抑制蒸腾作用的程度，从而加重高温伤害。水杨酸(SA)可抑制CAT的活性，使POD活性提高，促进SOD基因的表达。植物可以通过改变SA的含量来传递逆境信息，使未遭受逆境的部位获得抗性。泛肽可以通过产生热激蛋白(HSPs)对细胞进行保护，但在40℃以上高温条件下的蛋白质代谢过程中泛肽并没有参与。此外，由于多胺与植物逆境胁迫反应关系密切，高等植物也可通过多胺来调节一系列生理反应，以适应热胁迫，但这方面研究较少。激素等植物内源次生化合物在蔬菜作物抵御逆境胁迫中具有十分重要的作用，但由于其含量甚微，目前仍有许多问题尚待研究和探讨，尤其对其发生作用的分子机理应加以深入研究。五、高温对光合、呼吸及蒸腾作用的影响高温会损伤叶绿体、线粒体的结构，使光合色素降解，抑制光合作用，促进呼吸作用。高温下气孔导度、气孔限制值、表观量子效率及羧化效率均下降，细胞间隙CO２浓度上升。由此可知，叶片光合机构遭破坏的非气孔因素是净光合速率降低的主要原因，而且，高温处理初期净光合率下降以气孔限制因素为主，随着时间的延长，则以非气孔限制为主。气孔开放被抑制可能是矿质元素间的拮抗作用所致。热激导致的净光合率下降的原因可能是光合磷酸化受阻，尽管RuBP羧化酶本身是热稳定的，但随光合磷酸化下降它对光能的活性也下降。同时，他认为光合器官的热稳定性与类囊体膜超微结构有关，甘蓝热敏品种在38～39℃高温胁迫下叶绿体膜断裂、解体，类囊体片层松散、排列紊乱、基质片层模糊不清，说明热胁迫下微观结构的稳定性同抗热性是密切相关的。番茄、茄子、马铃薯等在高温胁迫下光合系统I(PSI)发生不可逆性抑制，而光合系统II(PSII)对热胁迫有较强的抵抗力。高温胁迫对PS中心除了瞬时钝化作用外，还存在间接的、较为缓慢的钝化作用。其原因可能是高温胁迫激活了类囊体膜上的脂肪酶，使富含不饱和脂肪酸的类囊体膜脂降解，形成自由的不饱和脂肪酸，从而钝化反应中心。高温对光合、呼吸、蒸腾作用的影响目前已经基本清楚，且三者间存在着相互作用，但对于其作用机理仍存在争议，因为各种生理过程均涉及到复杂的生化变化，并与细胞及各种细胞器的物理结构的变化有关。从上述可以看出，高温对植物造成的伤害是多方面的，但最主要的是对胞内酶的破坏，造成细胞正常的代谢受阻，导致生长发育中止或者引起细胞死亡。但是植物体对高温胁迫的响应并不是完全被动的，会发生相应的适应反应来降低胁迫造成的伤害，以维持基本的生理代谢；甚至通过开启某些基因的表达对高温产生抗性。这一过程中最显著的生理变化是：正常的蛋白合成受到抑制，细胞转向合成热激蛋白。大量的研究工作业已证实主要的热激蛋白都具有“分子监护蛋白”(molecularchaperone，CPN)的功能，这从一个侧面解释了为什么热激蛋白的合成可以赋予生物体耐高温的能力，从另一角度讲，大部分监护蛋白具有热激诱导特征。因此热激蛋白和监护蛋白是从不同角度对同一类蛋白的描述。Ritossa于1962年首先在果蝇中发现这种现象，十几年后Tissieres发现热激蛋白。现已证明，从细菌到人，所有生物都可对热激产生反应，而且除温度外，其它许多因子例如氨基酸类似物、高盐浓度、厌氧、水分胁迫、低温、重金属离子、亚砷酸盐、乙醇、营养饥饿、2,4-D、ABA等都可以诱导热激反应，合成的HSPs参与生物的许多代谢过程。目前对HSPs的功能、结构、基因表达的调控等都进行了许多研究，积累了大量的资料。第八章植物热激反应及其信号转导途径第一节植物的热胁迫第二节植物的热激蛋白家族第二节植物的热激蛋白家族一、HSPs的分类和定位二、热激反应的特点三、热激蛋白的功能第二节植物的热激蛋白家族在高于正常生长温度5℃以上时，生物体大部分正常蛋白质的合成和mRNA的转录被抑制，同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋白(heatshockproteins，HSPs)，这种现象叫做热激反应(heatshockresponse，HSR)。一、HSPs的分类和定位按照SDS电泳的表观分子量大小可以把植物HSPs分为五大类：HSP110，HSP90，HSP70，HSP60以及小分子量热激蛋白smHSPs。HSP60以上的又统称HMWHSPs(highmolecularweightHSPs)或laHSPs(largeHSPs)。smHSPs包括细胞质Ⅰ类smHSPs、细胞质Ⅱ类smHSPs、叶绿体smHSPs、线粒体smHSPs和内膜smHSPs等。除热激外，正常生活的细胞中也有HSPs，这类HSPs是组成型表达的，称为HSC(heatshockcognateprotein)。HSC和诱导型HSP在结构和功能上都很难区分，统称HSP。Ubi(Ubiquitin，遍在蛋白)是一种依赖ATP促进细胞蛋白质水解的小分子量热激蛋白。PDI(proteindisulphide2isomerase，蛋白质二硫键异构酶)也被认为是一种热激蛋白。每一类HSPs在结构上都具有不同程度的保守性，它们在生物体正常的生理代谢或胁迫响应中担负不同的功能。一种植物体一般含有几类HSPs，但在胁迫条件下可能只有一种HSPs起主导作用。目前发现热激蛋白定位于细胞的多种细胞器，包括细胞质、叶绿体、线粒体和内膜系统。二、热激反应的特点（一）HSPs的保守性HSP是目前发现的最保守的蛋白质之一。首先，亲缘关系很远的原核生物和真核生物，他们的HSP有很高的同源性，例如真核生物HSP70s和大肠杆菌的HSP70即DnaK蛋白