簡述植物抗冷性分子機(jī)理

1、植物分子生物學(xué)論文學(xué)院：班級：學(xué)號：姓名：簡述植物抗冷性分子機(jī)理摘要：在這篇文章中，筆者簡單地概述了關(guān)于植物抗冷性方面幾種已經(jīng)研究成功的分子學(xué)說。尤其是在植物抗冷性上起重要作用的膜脂，抗氧化酶，冷誘導(dǎo)蛋白和鈣信號系統(tǒng)。同時也概述了幾種使用分子生物學(xué)角度的策略和方法。關(guān)鍵詞：植物抗冷性 膜脂 抗氧化酶 冷誘導(dǎo)蛋白 鈣信號系統(tǒng)摘要：In this review，the author briefly gives an overview of molecular theories that have been sucessfully taken in studies on plant cold res

2、istance. In particular,the membrane lipid,antioxdant enzymes,cold regulatory proteins and calcium messenger system play an important role on the regulation of plant resistance to cold. Strategies and perspectives in using molecular biology to improve resistance to cold of plants are outlined.關(guān)鍵詞：res

3、istance to cold，membrane lipid，antioxdant enzymes ，cold regulatory proteins，calcium messenger system引言溫度是植物生長的必要條件之一,也是植物自然地理分布的主要限制因素。低溫會引起植物的寒害。我國和全世界,每年由于寒害造成糧食作物、蔬菜、果樹及經(jīng)濟(jì)作物的損失是十分巨大的。因此加強(qiáng)對植物抗冷性分子機(jī)理的研究以及根據(jù)作物品種的抗冷性科學(xué)地確定其種植地區(qū)和播種期，已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要問題之一。本文對今年來植物抗冷性分子機(jī)理研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了簡單的介紹膜脂與植物抗冷性的關(guān)系細(xì)胞膜的流動性和穩(wěn)定性

4、是細(xì)胞乃至整個植物體賴以生存的基礎(chǔ). 1 9 7 3 年,Lyons根據(jù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)功能與抗冷性的關(guān)系, 提出著名的“膜脂相變冷害”假說1.認(rèn)為溫帶植物遭受零上低溫時, 只要降到一定的溫度, 生物膜首先發(fā)生膜脂的物相變化, 這時膜脂從液晶相變?yōu)槟z相, 膜脂的脂肪酸鏈由無序排列變?yōu)橛行? 膜的外型和厚度也發(fā)生變化, 可能使膜發(fā)生收縮,出現(xiàn)孔道或龜裂, 因而膜的透性增大, 膜內(nèi)可溶性物質(zhì)、電解質(zhì)大量向膜外滲漏, 破壞了細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡, 同時膜上結(jié)合酶的活力降低, 酶促反應(yīng)失調(diào). 表現(xiàn)出呼吸作用下降, 能量供應(yīng)減少, 植物體內(nèi)積累了有毒物質(zhì). Lyons認(rèn)為植物遭受冷害后出現(xiàn)的種種代謝變化都是次

5、生或伴生的, 而冷害的原初反應(yīng)是發(fā)生在生物膜的類脂分子上。當(dāng)膜脂發(fā)生降解時, 就會發(fā)生組織受害死亡, 因此,Lyons將膜脂降解作為冷害不可逆的生理指標(biāo). 膜脂相變轉(zhuǎn)換溫度與膜脂脂肪酸的不飽和程度密切相關(guān). 膜脂中所含的脂肪酸飽和度大, 膜脂相變溫度相應(yīng)升高; 反之, 則降低. 因此, 圍繞著不飽和脂肪酸與植物低溫的耐性之間否存在因果關(guān)系曾作了大量的研究。主要的結(jié)果有:（1）冷敏感植物與抗冷植物相比, 飽脂肪酸含量要高; ( 2) 在冷馴化過程中, 植物細(xì)胞不飽和脂肪酸含量升高; （3）與以上實驗結(jié)相反, 認(rèn)為植物的抗冷性與不飽和脂肪酸含量無關(guān)。近年來, 應(yīng)用生物技術(shù), 使植物耐冷性與膜脂脂肪

6、酸飽和度的關(guān)系的研究取得了突破性的進(jìn)展2。下面簡單介紹兩個重要研究成果。第一是藍(lán)細(xì)菌des A基因與其抗冷性關(guān)系的研究結(jié)果.Los 等陰發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌的des A在環(huán)境溫度由36下降到2時, 該基因的表達(dá)在lh內(nèi)就增加10倍, 返回36后的30分鐘內(nèi), 其表達(dá)又恢復(fù)到原來水平3。另外就是三烯脂肪酸（18:3和16:3）在植物抗冷性中作用的研究。來源于一系列三烯脂肪酸合成有缺陷的擬南芥突變體（fad）對低溫的反應(yīng). fad7突變體由于三烯脂肪酸含量的下降, 變得對冷更為敏感, 將能夠?qū)fd7 突變起到互補(bǔ)作用的葉綠體, 3脂肪酸去飽和酶的基因?qū)霟煵? 轉(zhuǎn)化株的18:3 和16:3含量升高而相應(yīng)1

7、8:3 和16:3含量下降, 轉(zhuǎn)化株的抗冷力得到了提高.膜脂降解與植物抗冷力關(guān)系的證據(jù)主要來源于對磷脂酶D（PLD）的研究。PLD是催化膜脂分解的主要酶之一冷脅迫增加了由PLD介導(dǎo)的膜磷脂的分解, Zhou等將編碼PLD和反義PLD的基因分別轉(zhuǎn)入煙草, 轉(zhuǎn)反義PLD轉(zhuǎn)化株抗冷力獲得提高, 而轉(zhuǎn)PLD轉(zhuǎn)化株抗冷力下降4。綜上所述, 不飽和脂肪酸特別是某些膜脂中的不飽和脂肪酸分子種( P G 分子種) 對植物抗冷性的形成無疑具有重要的作用, 而且通過對脂肪酸的去飽和作或抑制膜脂的降解進(jìn)行遺傳操作已證明可以改變植物的冷敏感性. 因此, 膜脂脂肪酸的去飽作用是調(diào)節(jié)植物抗冷性的一個重要機(jī)制。這將為最終改

8、良植物, 增強(qiáng)植物抗冷性提供了研究方向。細(xì)胞抗氧化能力與植物抗冷性的關(guān)系植物抗氧化系統(tǒng)由一系列的抗氧化酶和抗氧化劑構(gòu)成5。其中抗氧化酶有：超氧化歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）等，抗氧化劑包含抗壞血酸、谷胱甘肽、細(xì)胞色素f、鐵氧還蛋白、甘露糖醇、類胡蘿卜素和-生育酚等。SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，清除細(xì)胞中多余的超氧陰離子自由基。H202水平升高時冷害下氧化脅迫的標(biāo)志。它一方面可引起脂質(zhì)過氧化，對膜造成傷害，另一方面可引起光合系統(tǒng)各種酶的失活。氧化脅迫過程中，CAT對維持體內(nèi)氧化還原平衡是必不可少的。轉(zhuǎn)C

9、AT反義RNA的番茄的抗氧化脅迫系統(tǒng)中起作用。有研究表明，5°C冷處理水稻幼苗前采用45°C預(yù)處理3min，植株體內(nèi)CAT、APX、GR的活性增加，冷處理過程中CAT可保護(hù)水稻免受低溫傷害，而且冷恢復(fù)后水稻的生長不受影響，經(jīng)熱激誘導(dǎo)的抗氧化酶活性升高增加水稻的抗冷性。冷誘導(dǎo)蛋白與植物抗冷性的關(guān)系1970年 ,Weiser首先提出植物抗冷性誘導(dǎo)過程中基因表達(dá)改變的觀點, 現(xiàn)已被大量實驗所證實。植物冷誘導(dǎo)基因(cor) 是一種誘發(fā)基因, 只有在特定條件下,cor基因才被啟動進(jìn)而控制細(xì)胞發(fā)展抗冷力。80年代開始, 植物低溫誘導(dǎo)蛋白成為研究熱點之一, 大量實驗集中于尋找特異的冷馴化

10、蛋白, 研究其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、氨基酸序列、功能及編碼CAIP的基因、基因結(jié)構(gòu)、核昔酸序列等,試圖揭示冷馴化蛋白生理生化作用及其形成的機(jī)理,為利用遺傳工程技術(shù)改變細(xì)胞遺傳組成,培育抗冷新品種提供實驗理論基礎(chǔ)。王艇和唐振亞閱曾歸納和討論了低溫誘導(dǎo)蛋白的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能, 低溫誘導(dǎo)基因的表達(dá)調(diào)控。在低溫誘導(dǎo)蛋白中, 其中一些可能直接參與了提高植物抗冷性, 在防止細(xì)胞冰凍缺水, 抵御低溫下發(fā)生的滲透脅迫, 穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu)功能、R N A等重要物質(zhì)和細(xì)胞膜系統(tǒng)中起作用, 另一些是酶類, 在低溫逆境下, 協(xié)調(diào)細(xì)胞各生理代謝平衡或提高細(xì)胞防御能力以使細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境。Volger和Heber閱報道菠菜經(jīng)冷馴化誘導(dǎo)合成

11、的蛋白質(zhì)具有抗凍作用, 對保護(hù)類囊體膜免遭冰凍損傷的效果比其它保護(hù)劑( 如蔗糖、甘油)高1000倍。Ca2+與低溫脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Ca2+是一個主要的信使，低溫下，胞內(nèi)和胞內(nèi)庫Ca2+通過鈣通道進(jìn)入胞質(zhì)，引起胞質(zhì)Ca2+濃度增加。如在煙草中，觸摸和冷激煙草幼苗可在15s內(nèi)引起植物細(xì)胞質(zhì)Ca2+水平的一個尖峰。Ca2+信號系統(tǒng)包括：Ca2+運(yùn)載蛋白、CaM（鈣調(diào)蛋白）、依賴CaM的酶、依賴Ca2+的蛋白激酶（CDPK），可能在冷馴化早期的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中齊信使作用。鈣信使在植物適應(yīng)逆境中具有重要作用。它調(diào)節(jié)基因表達(dá)，增強(qiáng)植物適應(yīng)性；調(diào)節(jié)蛋白或酶的活性；參與ABA的信號傳導(dǎo)和氣孔的關(guān)閉；參與活性氧的產(chǎn)生以及

12、其他的生理過程6。此外還有研究發(fā)現(xiàn)在苜蓿細(xì)胞的冷馴化過程中，鈣信使通過調(diào)節(jié)蛋白磷酸化而誘導(dǎo)有關(guān)冷馴化基因的表達(dá)，從而提高了細(xì)胞的冷適應(yīng)能力。胞質(zhì)Ca2+濃度增加街道植物對低溫的反應(yīng)，但如果胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度長期居高不下，將會干擾細(xì)胞內(nèi)有磷酸參與的能量代謝，引起中毒。因此細(xì)胞內(nèi)精細(xì)的鈣穩(wěn)橫機(jī)制可將完成應(yīng)答反應(yīng)后的Ca2+通過Ca2+-ATPase、Ca2+/H+逆向運(yùn)輸?shù)确绞?，使胞質(zhì)內(nèi)Ca2+恢復(fù)到靜息水平。所以低溫脅迫下，Ca2+-ATPase、Ca2+/H+活性與植物抗冷性關(guān)系密切7。目前人們對鈣信使系統(tǒng)的作用還停留在初步認(rèn)識，還有許多問題尚不清楚，如逆境如何引發(fā)植物產(chǎn)生鈣信號，植物體如何感

13、受刺激并引發(fā)時空特異性的鈣信號，以及如何激活一些與逆境相關(guān)的基因表達(dá)而提高植物的適應(yīng)性等。相信隨著這些問題的解決，我們對鈣信使系統(tǒng)的作用的認(rèn)識將更加深入。結(jié)語基因工程技術(shù)給生物學(xué)研究帶來了革命, 它使我們能夠直接研究某些物質(zhì)、基因或生理代謝與調(diào)節(jié)植物抗冷性的關(guān)系. 近年來的研究確定了調(diào)控植物抗冷力的一些重要基因均已表明能提高植物的抗冷力, 特別是轉(zhuǎn)抗冷基因的轉(zhuǎn)錄因子使植物不需經(jīng)冷馴化就具有高抗凍性, 為從本質(zhì)上改變物種的遺傳性、培育抗冷新品種成為可能。但是仍有許多問題至今還不清楚, 同時植物的抗冷性受到多種特異的數(shù)量性基因的調(diào)控, 這就為簡捷提高植物抗冷性增加了困難. 植物低溫應(yīng)答機(jī)制的研究為

14、克服以上的困難找到了深人研究的方向, 因為低溫信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)是植物啟動冷馴化和發(fā)展抗冷性的首要生理基礎(chǔ), 可望為揭示植物抗冷性機(jī)制找到突破口。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們研究植物抗冷性的手段越來越先進(jìn)和成熟，基因組學(xué)方法的應(yīng)用也越來越廣泛。這些先進(jìn)的研究方法必將為植物的抗冷遺傳工程提供大量的全新基因，將為培育抗性品種奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1 Lyons J M.Chilling injury in plantsJ. Ann Rev Plant Physiol,1973,24:445-5282 Murata N,Los D A.Membrane fluidity and temperature

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