【正文】 ibitor proteins, PGIPs) 的不少成員有很高的同源性。但在植物 AFP 中發(fā)現(xiàn)了一種有趣的現(xiàn)象 ， 即 AFP 與某些抗病蛋白具有化學結(jié)構(gòu)上的相似性。 38 抗凍蛋白的生化特征 從極區(qū)魚、昆蟲到植物 ， 不少具有 AFP 特性的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn) ， 它們有糖蛋白 ， 也有非糖基化蛋白 ， 分子量大小不等 , 進一步的化學結(jié)構(gòu)只有魚類研究得比較清楚。 ? 植物生理學的研究結(jié)果揭示 , 植物抵御凍害的途徑主要有 2 條 : 一是避免細胞內(nèi)冰晶的形成和阻止冰晶的生長 , 二是維持細胞膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)核酸的生物活性。 ? AFP 在體外水溶液中均表現(xiàn)出典型的熱滯效應(yīng) (降低冰點 )和重結(jié)晶抑制活性。從單核到雙核花粉粒的轉(zhuǎn)變是花粉發(fā)育的一個重要階段 ,其特征是 “ 早期 ” 花粉基因表達關(guān)閉 ,“晚期 ”花粉基因開始表達。 35 4） 在植物減數(shù)分裂中的作用 ? 玉米受精時對熱敏感 ,高溫時導(dǎo)致減產(chǎn) ,部分原因可能是成熟花粉不能合成 HSPs。用生物工程技術(shù)使擬南芥的熱激轉(zhuǎn)錄因子表達 ,并誘導(dǎo)細胞質(zhì) I 類smHSPs 組成型表達 ,同時耐熱力提高。這些蛋白包括第 2組和第 5組 LEA蛋白 及其它低溫誘導(dǎo)蛋白。如魚抗凍蛋白能與水分子形成特殊結(jié)構(gòu)，使冰點降低 ℃ 。 28 ② 低溫誘導(dǎo)蛋白： 低溫誘導(dǎo)一系列基因的表達，這些基因的表達產(chǎn)物可以幫助植物提高對冰凍脅迫的適應(yīng)能力。 26 熱激蛋白的主要功能 27 1） 分子伴侶 ? 分子伴侶 (molecular chaperones) 是指與新生肽鏈的折疊 , 寡聚蛋白質(zhì)的組裝和蛋白質(zhì)的跨膜運輸有關(guān)的一類特殊蛋白質(zhì)分子。此外 , 分子量更大的如番茄的HSP9大麥的 HSP9小麥的 HSP10棉花的 HSP100、煙草的 HSP100 和 1以及大豆的HSP110 等。 23 RNA blot hybridization of RNA samples obtained from seedlings subjected to different heat stress treatments to analyze maize HSP101 mRNA levels. 24 25 3） 熱激蛋白的多樣性 ? HSPs 的種類很多 ,分子量從 15 kD～ 110 kD 或更高 ,定位于多種細胞器。 19 20 21 22 2） 熱激反應(yīng)的短時性 ? Northern blots 分析表明 ,熱激時 3～ 5 min 就可檢測到大豆幼苗 HSP mRNAs 的積累 , 1～ 2 h 達到高峰 , 6 h 后顯著下降 , 12 h 就檢測不出了。 玉米、矮牽牛、擬南芥、大豆、豌豆、 綠藻等細胞質(zhì) HSP70 氨基酸的同源性達 75. 0 % , 但和番茄定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的 HSP70 比較 ,則同源性只有 54. 9 %。 真核生物 HSP70s 和大腸桿菌的 HSP70 即 DnaK蛋白的同源性大于 65 %。 HSC 和誘導(dǎo)型HSP 在結(jié)構(gòu)和功能上都很難區(qū)分 , 統(tǒng)稱 HSP。近來發(fā)現(xiàn)其中很大一部分為監(jiān)護蛋白 (Chaperone，Cpn)，是一種輔助蛋白分子，主要參與生物體內(nèi)新生肽的運輸、折疊、組裝、定位以及變性蛋白的復(fù)性和降解。 13 ? 熱激蛋白定位于細胞的多種細胞器 ,包括細胞質(zhì)、葉綠體、線粒體和內(nèi)膜系統(tǒng)。 非生物脅迫通常引起植物基因表達模式發(fā)生改變 11 熱激蛋白 （ heat shock protein）： 在高于正常生長溫度 10～ 15 ℃ 以上的溫度即熱激 ( heat shock ， HS) 下， 生物體大部分正常蛋白質(zhì)的合成和 mRNA 的轉(zhuǎn)錄被抑制，同時迅速合成一些新的蛋白質(zhì)稱之為 熱激蛋白 (heat shock proteins , HSPs ) ， 這種現(xiàn)象叫做 熱激反應(yīng) ( heat shock response， HSR) 。 有人認為：逆境下， 膜蛋白 越能維持活性，抗逆性越強。 8 三、逆境對植物的影響 膜結(jié)構(gòu)損壞，膜透性、膜酶活性改變 光合下降 呼吸異常 可溶性物質(zhì)增加：如糖類 ,游離氨基酸等 . 激素濃度改變： IAA,GA,CTK下降 。 二、抗性及其方式 抗性 (Hardiness)： 植物對逆境的適應(yīng)性和抵抗力叫 抗逆性 ，簡稱 抗性 ，如抗旱性，抗寒性等。 4 Yield Losses From Biotic and abiotic Stresses 1333kg/mu 5 生 物 脅 迫 6 抗性方式 ①逆境逃避 (Stress avoidance)：防止接觸脅迫。 化學因素： 鹽類、離子 、氣體、除草劑等。1 第十章 植物的抗性生理 Chapter 10 Hardiness Physiology 第一節(jié) 抗性生理通論 ※ 第二節(jié) 植物的抗旱性 ※ 第三節(jié) 植物的抗寒性 第四節(jié) 植物的抗?jié)承? 2 第一節(jié) 抗性生理通論 ※ Section 1 Generality of Hardiness 一、逆境及其種類 逆境 (Stress)： 對植物生存與生長發(fā)育不利的各種環(huán)境因素的總稱，又稱脅迫，如干旱 ,低溫等。 3 ● 非生物逆境 : 物理因素 ：低溫、高溫 、干旱、水澇、輻射 、風、雨、雪等。 逆境種類 ●生物逆境 : 其它生物的感染或競爭，包括病害，蟲害，雜草。 ②逆境忍耐 (Stress tolerance)：植物抵抗脅迫。 7 脅迫可以引發(fā)植物從調(diào)節(jié)基因表達和細胞代謝到生長速率和產(chǎn)量變化等一系列反應(yīng)。ABA,Eth升高 9 四、植物抗逆的生理生化基礎(chǔ) 研究表明：膜脂 不飽和脂肪酸 含量越高，不飽和度越高，抗寒性越強。 10 2. 逆境蛋白與抗逆性 脅迫是可以接受和識別的環(huán)境信號；植物識別逆境信號后，該信號就在細胞之間和整株植物中傳遞；逆境信號的傳遞通常會導(dǎo)致細胞水平上的基因表達發(fā)生變化；它又接著影響到整株植物的代謝和發(fā)育。 12 從細菌到人，所有生物都可對熱激產(chǎn)生反應(yīng)，而且除溫度外，其它許多因子如氨基酸類似物、高鹽濃度、厭氧、水分脅迫、低溫、重金屬離子、亞砷酸鹽、乙醇、營養(yǎng)饑餓、 2,4D、 ABA 等都可以誘導(dǎo)熱激反應(yīng)，合成的 HSPs 參與生物的許多代謝過程。 ? 目前已發(fā)現(xiàn)幾十種熱激蛋白，屬于 5個蛋白質(zhì)家族。 14 Heat Shock Cognate Protein 除熱激外 ,正常生活的細胞中也有 HSPs , 這類 HSPs 是組成型表達的 ,稱為 HSC (heat shock cognate protein) 。 15 熱激反應(yīng)的特點 16 1） HSPs 的保守性 ? 親緣關(guān)系很遠的原核生物和真核生物的同種 HSP 的同源性很高。 17 ? 不同物種相同細胞器之間的同源性比同一物種不同細胞器之間的同源性高。 18 ? 同種植物不同類型的 HSPs 的同源性較低 如豌豆 HSP18. 、 HSP22. 7 和 HSP21 分別屬于不同類型 ,它們之間的同源性低于 50 %。 ? 放射性標記顯示 , 氨基酸滲入 HSPs 在 4 h 達到高峰 ,隨后下降。 大多數(shù)植物常見的大分子 HSPs 為 68 、 70 、83 、 92 kD 等。 ? 植物熱激蛋白的顯著特點是 smHSPs 相當多 ,大多數(shù)植物 sHSPs 在 20 種左右。 ? HSP60 、 HSP90、 HSP70、 smHSPs 都具有分子伴侶作用。已發(fā)現(xiàn)上百種低溫誘導(dǎo)蛋白。 許多低溫調(diào)節(jié)蛋白也可以被 ABA或干旱單獨誘導(dǎo)合成。 29 2） 生物的耐熱性 ? 熱激條件下 ,大豆中 I 類 smHSPs 的含量可達到總細胞蛋白的 1 %以上 ,并且和耐熱性的獲得一致。 30 31 3） 在植物種子發(fā)育中的作用 ? In the absence of environmental stresses, synthesis of sHsps in plants is restricted to certain stages of development, such as embryogenesis, germination, pollen development, and fruit maturation. 32 ? In Arabidopsis embryos, cytosolic and (former name and ), and begin to accumulate when seeds enter midmaturation stage and are abundant through the late maturation stage and in dry seeds 33 ? In pea and sunflower, both cytosolic class I and class II sHsps appear in embryos during reserve synthesis and increase in abundance in mature seeds. 34 ? BiP 在所有植物中含量豐富 ,受熱激誘導(dǎo)不明顯 ,主要受營養(yǎng) (葡萄糖饑餓 ) 調(diào)節(jié) ,和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的束縛核糖體合成蛋白質(zhì)有密切關(guān)系 ,可能參與種子貯藏蛋白的合成。 ? 玉米花粉的熱敏感性可能是從單核到雙核花粉粒的轉(zhuǎn)變開始 ,合成 HSPs 的能力逐漸下降 ,花粉成熟時完全喪失。 36 抗凍蛋白 Antifreeze proteins(AFP) Overwintering plants produce antifreeze proteins (AFPs) having the ability to adsorb onto the surface of ice c