植物对干旱胁迫的响应及其研究进展

第一篇：植物对干旱胁迫的响应及其研究进展

植物对干旱胁迫的响应及其研究进展

学院：班级：

姓名：学号：

摘要：植物在经受干旱胁迫时，通过细胞对干旱信号的感知和传导，调节基因表达，产生新蛋白质，从而引起大量形态、生理和生化上的变化．干旱胁迫对植物在细胞、器官、个体、群体等水平的形态指标有显著影响，也会影响其光合作用、渗透调节、抗氧化系统等生理生化指标．植物对干旱胁迫分子响应较复杂，包括合成一些新的基因如NCED、Dehydrin基因和CBF、DREB等转录因子．另外，干旱胁迫还能造成蛋白质组学的变化．

关键词干旱胁迫；生态响应 ；生理机制 ；研究进展

干旱作为影响作物生长发育、基因表达、分布以及产量品质的重要因素之一，严重限制了作物的大面积扩展。植物对干旱的适应能力不仅与干旱强度、速度有关，而且更受其自身基因的调控。在一定干旱阀值（drought threshold）胁迫范围内，很多植物能够进行相关抗旱基因的表达，随之产生一系列生理、生化及形态结构等方面的变化，从而显现出抗旱性的综合性状。因此，从植物本身出发，深入研究植物的抗旱机理，揭示其抗旱特性，提高植物品种的抗旱耐旱能力，以降低作物栽培的用水量，同时最大程度提高作物的产量和品质，科学选育适宜广大干旱、半干旱地区种植的优良作物品种，已成为国内外专家学者们所特别关注和研究的热点问题，对于水资源的合理利用和生态环境的改善均有着重要的意义。

目前，生存资源、环境与农业可持续发展之间的矛盾日益突出，这就要求人们更应高度重视农业综合开发过程中作物逆境生物学的基础研究。

一、植物抗旱基因工程研究新进展

（一）与干旱胁迫相关的转录因子研究

通过转化调节基因来提高植物脱水胁迫的耐性是一条十分诱人的途径．由于在逆境条件下，这些逆境相关的转录因子，能与顺式作用重复元件结合，从而调节这些功能基因的表达和信号转导，它们在转基因植物中的过量表达会激活许多抗逆功能基因的同时表达．胁迫诱导基因能增强胁迫反应的耐力，不同的转录因子参与胁迫诱导基因的调控．遗传研究已经鉴

定了很多转录因子操纵胁迫反应的调控．最近的研究进展是在干旱胁迫下基因表达的复合调控 ．植物转录调节子的AP2／ERF家族至少包含一个拷贝的DNA结合域，叫AP2域．AP2域是植物特定的、在不同的植物中都有同源性 ．

（二）与脱落酸(ABA)生物合成相关酶的基因——（NCED）研究

作为一种植物激素，ABA在植物生命周期的很多阶段都发挥重要作用，包括种子的形成和萌芽以及植物对各种环境胁迫的反应，因为这些生理过程和内源ABA水平相关，ABA的生物合成使得这些生理过程得以说明．脱落酸在干旱胁迫下调控基因表达，一旦ABA水平升高，信号传导机制被激活，刺激基因表达．ABA在植物适应水分胁迫中具有重要作用 ．

（三）与干旱胁迫直接相关的诱导基因研究

在干旱胁迫条件下，植物会特异地表达一些基因，通过研究这些被干旱胁迫所诱导的基因可能找到植物对干旱胁迫的适应及抵御机理，并为植物抗旱基因工程提供理论支持，避免抗性分子育种的盲目性．例如：在拟南芥中的两个基因rd29A和rd29B能被干旱、低温和高盐或外源ABA诱导．rd29A在脱水和高盐条件下能作m快速反应，但对ABA反应没有响应．rd29A在脱水、高盐、和低温下能延迟rd29B的诱导 ．

（四）与干旱胁迫相关的蛋白质、蛋白质组学研究

植物适应逆境胁迫的一个重要策略是即时大量合成许多胁迫诱导蛋白．干旱诱导蛋白是指植物在受到干旱胁迫时新合成或合成增多的一类蛋白．逆境诱导蛋白对植物的逆境适应起保护作用，它们的诱导是植物对环境的一种适应，可以提高植物的耐胁迫能力．胚胎发生后期，富集蛋白(LEA)在逆境胁迫下能被诱导并迅速大量合成，参与植物的防御代射．LEA蛋白可以解决在严重脱水的情况下，植物因失水导致的细胞组分的晶体化，破坏细胞的有序结构的问题．LEA蛋白被构建成伸展状态而不是折叠成球状，使它具有高的亲水性，LEA蛋白的这些由柬水作用组成的优点加上它们高的细胞内浓度和它们的表达方式，可以维持特殊的细胞结构或者通过少量的水分需求而适应干旱胁迫的影响．

二、干旱胁迫对植物的生理伤害

（一）干旱胁迫对植物生长指标的影响

1、干旱胁迫对根系活力的影响

植物根系的活力是体现植物根系吸收功能、合成能力、氧化还原能力以及生长发育情况的综合指标，能够从本质上反应植物根系生长与土壤水分及其环境之间的动态变化关系，因此，保证一个深层、分散、具有活力的根系是植物耐旱避旱的重要因素之一。

2、干旱胁迫对叶片相对含水量的影响

水是植物的血液，其含量一般占组织鲜重的65% ～ 90%。叶片的相对含水量（RWC）表征植物在遭受干旱胁迫后的整体水分亏缺状况，反映了植株叶片细胞的水分生理状态。因此，RWC 常常是被用来衡量植物抗旱性的生理指标。RWC 比单纯的含水量更能较为敏感地反映植物水分状况的改变，在一定程度上反映了植物组织水分亏缺程度。在干旱胁迫条件下，土壤中的可利用水减少，导致根系吸水困难，相对含水率降低。

（二）干旱胁迫对植物光合作用的影响

绿色植物的光合作用是自然界中规模最大的碳素同化作用，是植物物质生产和产量形成的重要生理过程，同时也是受干旱胁迫影响最为显著的生理过程之一。没有水，光合作用就无法进行。

1、干旱胁迫对光合速率的影响

干旱胁迫下，光合速率的下降是气孔限制和非气孔限制双重作用的结果，轻度干旱胁迫下气孔限制是光合速率下降的主要原因，而严重干旱胁迫下非气孔因素是光合速率下降的主要原因。

2.干旱胁迫对叶绿素含量的影响

叶绿体是绿色植物叶片进行光合作用的场所，主要利用叶绿素进行光能吸收、传递与转换，叶绿素在植物体内是不断进行代谢的，与作物光合作用及产量形成的关系密切。叶绿素是光合作用中最重要和最有效的色素，其含量在一定程度上能反映植物同化物质的能力，从而影响植物的生长。植物缺少水分会抑制叶绿素的生物合成，而且与蛋白质合成受阻有关，严重缺水还会加速原有叶绿素的分解，因此植物在遭受干旱时，叶片呈黄褐色。

（三）干旱胁迫对植物生长过程中氮代谢的影响、干旱胁迫对硝酸还原酶（NR）的影响

硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）可催化植物体内的硝酸盐还原成亚硝酸盐，是硝酸盐同化中第一个酶，也是限速酶。作为植物氮代谢的关键酶，其活性大小反映了作物对氮素的利用速度，水分胁迫下NR 活性和作物生长发育有密切关系。对农作物产量和品质有重要影响。在正常情况下，植物物体内一般不会发生硝酸盐积累。但在干旱条件下，由于水分胁迫减弱了酶的合成速度导致植株中硝酸盐积累过多，从而发生毒害作用。研究表明：干旱胁迫会使NR 活性急剧降低，抗旱品种的NR 活性高于不抗旱品种。、干旱胁迫对蛋白质组分的影响

在干旱条件下，植物体内代谢产生变化与调整，引起活性氧的积累，进而导致脂过氧化和蛋白质（酶）、核酸等分子的破坏，植物自身为了避免胁迫造成的伤害，会诱导产生某些

抗逆性蛋白质

（四）干旱胁迫对植物生长过程中氧代谢的影响

在长期的进化过程中，植物形成了受遗传性制约的逆境适应机制。氧代谢在这些适应性机制中占据重要位置，是植物对逆境胁迫的最基本的反应。干旱诱导脂过氧化是造成植物细胞膜受到损伤的关键因素，而膜损伤又是导致植物组织伤害和衰老的重要诱导因素，但植物在遭受水分胁迫时可以启动保护酶系统来有效地防御和清除自由基保护细胞免受氧化伤害。

1、干旱胁迫对氧自由基的影响

正常情况下，植物体细胞内自由基的产生的清除处于动态平衡状态。但是当植物处于干旱条件下及衰老时，植物细胞内活性氧自由基的产生和清除代谢的平衡受到破坏，使活性氧自由基的产生占据主导地位从而导致自由基含量过多积累且超过阈值，进而引发或加剧了细胞的膜脂过氧化，给植物体造成伤害、干旱胁迫对保护酶及丙二醛（MDA）影响

MDA 是植物细胞膜脂过氧化作用的主要产物之一，并且是最终分解产物，在干旱胁迫时，植物体内活性氧自由基大量产生，进而引发加剧了膜过氧化产生丙二醛，造成植物细胞膜系统受到破坏。

三、植物对干旱胁迫的生理生态响应

植物受到干旱胁迫时能做出多种抗逆性反应，包括气孔调节、pH调节、渗透调节、脱水保护以及活性氧清除等 ．植物在经受干旱胁迫时，通过细胞对干旱信号的感知和转导、调节基因表达、产生新蛋白质从而引起大量的生理和代谢上的变化 ．比较常见的是：光合速率降低，代谢途径发生改变，可溶性物质累积，脯氨酸、甜菜碱 通过各种途径被合成，一些体内原来存在的蛋白质消失、分解，同时产生包括参与各种代谢调节相关的酶．干旱胁迫容易引起光能过剩，过剩的光能会对光合器官产生潜在的危害．依赖于叶黄素循环的热耗散是光保护的主要途径，同时酶促及非酶促系统也是防止光合器官破坏的重要途径 ．

四、干旱伤害植物的机理

干旱对植物的影响通常易于观察，如植株部分敏感器官萎蔫。萎蔫的实质是因为缺水导致植株内部组织、细胞等结构发生了物理或化学变化，如膜的结构和透性改变。由于结构变化导致代谢过程受阻，如光合作用抑制、呼吸作用减慢，蛋白质分解，脯氨酸积累，核酸代谢受阻，激素代谢途径改变等。植物体内水分分配出现异常，抑制植物生长，更为严重的是引起植株机械性损伤，导致植株死亡。

五、启示与展望

干旱胁迫常常影响植物的生长发育，造成作物严重减产，对农作物造成损失在所有的非生物胁迫中占首位，仅次于病虫害造成的损失。随着淡水资源的日益匮乏，干旱已经成为全球各国农业生产上面临的严峻问题。因此，深入了解干旱胁迫对植物的伤害机理及植物细胞对干旱胁迫的应答反应愈来愈成为国内外植物生理学专家学者关注的研究热点之一。从目前对干旱胁迫下作物生长的研究进展看来，作物对缺水环境会产生相应的适应和抗旱机制。随着分子和基因组时代的到来，近年来对植物抗旱性的研究也已经深入到了分子水平，在植物抗旱生理方面的研究也已经取得了较大的成就。许多与胁迫相关的基因及其调控因子已通过现代基因分离技术得到鉴定，并且利用各种现代分子生物学技术成功克隆一批能有效地提高植物的渗透调节能力、增强植物的抗逆性的基因。例如各种经胁迫诱导表达的大量调控性基因和功能性基因。日益增加的研究结果表明植物中存在一个胁迫反应体系，对不同环境胁迫的交叉响应可能是由共同的细胞信号转导途径介导的。例如有研究表明：在一定的干旱胁迫强度之下有些植物能够通过信号传导作用，调控与抗旱有关的基因表达，随之产生一系列的形态、生理生化及生物物理等方面的变化以达到抵抗逆境的目的，显示出抗旱力，但研究成果之间彼此较独立。因此，应该把重点放在以下几个方面：

（一）、研究如何实际应用且有利于控制土壤水分状况的田间操作，以及如何把基因工程手段与传统的栽培技术结合起来等方面。

（二）、在稳产、高产、优质的前提下，以培育抗旱性较强的作物品种为重点，进一步加强作物耐旱、抗旱机理及其应用的发掘和创新，抗旱遗传基因的研究。如将组织培养和植物再生技术、种质资源保存技术等应用在作物品种资源的保存上；深入研究作物的基因克隆与表达分析；通过花药培养与单倍体培育、RFLP 标记、SSR 标记、AFLP 标记等分子标记核技术进行作物育种。

（三）、利用现代的生物基因工程技术实现不同物种之间抗旱基因的转移，应用基因技术改良作物品质以及进行转基因抗性育种的研究，协调干旱胁迫与其它植物生长条件的关系，建立抗旱节水栽培新技术体系以及探索植物究竟在何种程度的水分状况下各项生理生化指标和水分利用效率达到最优应是今后研究的目标。特别是分子生物学、植物逆境生理学、基因组学、蛋白质组学及生物信息学等相关学科的迅速发展，全面的解释了植物的抗逆机制，有效地从种质资源中发掘抗性基因，从而培育出优质的抗旱品种。

第二篇：植物反应器研究进展

植物反应器研究进展

摘要：以转基因植物作生物反应器生产外源蛋白，包括抗体、疫苗、药用蛋白等具很强的优越性，目前已成为国内外基因工程研究领域的热点之一。植物系统具有低成本、安全和易规模化优势，其表达生物活性药用蛋白能力已被许多研究所证实；同时，植物药用蛋白产品还表现出潜在的市场和广阔应用前景。

关键词：植物、生物反应器、外源蛋白

1前言

随着人类经济社会的发展，对传统农业产品的要求也越来越高。现代生物技术，尤其是农业生物技术的迅速发展，对全球现有的农作物种植和生产结构能够产生重要影响，增强农产品对人类的服务功效及市场竞争力，增加农民的收入，促进农业的可持续发展。通过转基因用植物体表达外源蛋白(包括疫苗、抗体、药用蛋白)已成为植物基因工程领域内一个研究的热点，正在逐步形成产业化，具有极大的市场前景和商业价值。植物生物反应器就是利用植物这个系统，包括植物细胞、组织器官以及整株植物为工厂，来生产具有商业价值的生物制品，包括疫苗、抗体、药用蛋白等[1]。目前，已用于生物反应器的植物有烟草、拟南芥、大豆、小麦、水稻、玉米、油菜、马铃薯、番茄等[2]。

生物技术特别是在基因工程研究领域内的快速进展使人类进一步拓宽了植物的应用范围。国外发达国家特别是美国采用植物生物反应器这种“分子农业” 的方法，已经成功地生产出多种高新生物技术产品，包括特殊的饱和或不饱和脂肪酸、改性淀粉、环糊精或糖醇、次生代谢产物、工农业用酶以及一些高经济附加值的药用蛋白多肽，一些研究机构和公司已经开始从这些产品生产中获得巨大的经济效益[3]。

2植物生物反应器简介

生物反应器是指利用生物系统大规模生产有重要商业价值的外源蛋白，用于医疗保健和

[4]科学研究。1982年首次成功地利用细菌生产重组胰岛素，这一突破消除了大规模应用胰岛素的限制因素，但依赖微生物发酵和哺乳动物培养生产商业蛋白体系成本高、规模化生产困

[5]难，安全性较差。随着DNA重组技术和植物组织培养技术的快速发展，世界第一例转基因植物在1983年成功诞生于美国的华盛顿大学。1989年哺乳动物抗体在转基因植物中首次成功表达，证实了植物作为生物反应器的可行性。此后，植物生物反应器研究逐渐兴起。

2.1植物反应器概念

广义上讲，植物生物反应器是指以植物悬浮细胞培养、天然的或经基因工程改良的植物细胞和组织，或整株植物为“工厂”大量生产具有药用价值(如人类或动物的疫苗、抗体)，或可作为工业原料的植物次生代谢产物、食品添加剂等重要应用价值的蛋白或氨基酸。从狭义上讲，植物生物反应器是指以转基因的整株植物为“工厂”来大量生产各种价值及附加值

[6]高的生物制品。

2.2植物反应器的优点

植物作为生物反应器的优势有：(1)植物生产外源蛋白成本低，只需阳光、土壤、水分和肥料，而微生物发酵和动物细胞培养则需要昂贵的培养基，并且工业化大规模生产时需要严格控制培养条件，增加生产成本。(2)植物细胞能够再生成植物，易于成活、生长周期短、易于快速筛选转基因阳性植物、比构建动物生物反应器省时、成功率更高。(3)转基因植物

[7]通过自交得到的后代遗传性状稳定，从而可以在植物体内积累多基因。(4)植物可大规模

种植，产物贮藏在种子、果实、块茎中，易于保存、运输，其中那些能直接食用的植物疫苗

不需特殊贮存条件。(5)植物生物反应器能正确地表达、组装复杂的蛋白质，生产的蛋白活性高，很多复杂的蛋白质在微生物系统中不能正确地翻译、折叠、聚合，最终被降解或形成没有活性的包涵体，而植物具有生产任何复杂蛋白的潜能性。(6)植物生物反应器生产外

[9]源蛋白更安全，植物体只表达部分免疫蛋白，不含致病微生物，没有其他病原菌污染。

2.3植物反应器的创建步骤

创建步骤可分为4个部分：① 外源目的基因在植物表达载体中的克隆及对植物细胞的转化表达；② 转化体系的再生和选择；③重组蛋白的回收和纯化；④终产物的鉴定。到目

[10]前为止，大多数的工作都集中在外源目的基因的克隆和表达方面。

3植物生物反应器研究现状

3.1植物反应器平台

利用DNA重组技术在植物系统中表达目标生物活性分子—— 植物生物反应器研究仅有近20年历史；植物系统安全、低成本和易规模化优势使之成为目前重组蛋白生产主要系统之一。植物主流表达系统有3种：稳定核基因组转化、稳定叶绿体基因组转化和病毒瞬时转化，三者各有优势，均有不足。核基因组转化可以稳定遗传和具有较高级蛋白加工和修饰系统，不过外源蛋白表达水平低；叶绿体基因组转化可以实现外源蛋白高效表达、稳定遗传(胞质)和转基因花粉无逃逸风险，但无法完成复杂蛋白加工修饰，与原核生物类似；病毒

[11]瞬时转化，操作程序简单，也可以实现外源蛋白高效表达，但不能稳定遗传。

目前使用的植物平台有双子叶植物(拟南芥、胡萝卜、羽扇豆、烟草、番茄、紫花苜蓿、叶用莴苣、大豆和马铃薯)、单子叶植物(玉米、大麦、小麦和水稻)、某些水生植物、藻类和苔藓。

3.2疫苗生产现状

将人体免疫机理与植物转基因技术相融合所生产出的能使机体获得免疫功能的疫苗就是转基因植物疫苗。转基因植物生产疫苗有两种方式：一种是使用整株植物生产免疫蛋白，即注射疫苗，需要分离提纯；一种是直接在植物的可食性器官中合成，即口服疫苗，无需分

[12]离提纯，可直接食用。近几年来已成功表达的有病毒疫苗、细菌疫苗、寄生虫疫苗等。

3.3抗体生产现状

将编码全抗体或抗体片段的基因导入植物，在植物中表达出具有功能性识别抗原及结合特性的全抗体或部分抗体片段就是植物抗体。1989年，Hiatt克隆了小鼠的IgG基因导人烟草，再通过有性杂交获得F1抗体，从此，植物抗体开始了迅猛的发展。目前成功表达的全抗体包括IgG1、IgA 和IgG1／IgA嵌合抗体以及Fab抗体；抗体片段包括抗精子微型抗

[13]体scFvl9和乙型脑炎抗体重链可变区等。

4植物生物反应器存在问题及解决策略

4.1基因沉默或不稳定表达

基因沉默指利用遗传转化方法导人并稳定整合进受体细胞中的完整的外源基因。在当代转化体或在其后代中表达受到抑制的现象。这就使转入的基因在受体植物中往往不能稳定表达，有时甚至完全不表达，其可以通过以下途径解决：(1)探明影响植物基因表达的基因调控元件，加以修饰和开启控制；(2)了解转录过程，以便在转录水平进行基因操作，提高转录效率；(3)研究翻译过程，提高翻译效率；(4)构建一些新的植物高效表达系统，即各种

[14]载体及高效元件。

4.2蛋白表达含量低

多数转基因植物通过自交后可以选择出目的基因纯合的后代，可以稳定遗传，使表型得以延续．但是大部分外源基因的表达水平在植物体内不高，目前没有得到很好的解决．但可以尝试以下方法加以解决：(1)选择合适的植物表达宿主是表达量高低的关键，烟草以其高的生物学产量和成熟的转化步骤被广泛用来表达各种药物蛋白质；而植物种子的定位表达[8]

是近几年发展起来的另一有效途径重组药物蛋白质专一定位在种子中表达可提高其表达量并且利于贮存和运输。(2)合理选择启动子，添加有效的增强子元件，去除无效的抑制序列

[15]是外源基因高效表达的内在因素。

4.3下游成本过高

尽管植物生产体系具有许多优点，但如果产物需提纯，其费用还是比较昂贵的，因此有待降低下游生产成本，尽可能地避免或部分避免表达产物的纯化，如用转基因植物生产直接口服疫苗。

4.4安全性问题

对于转基因产品的安全性目前存在着很大的争议，尤其是在口服药物和口服疫苗方面。公众对转基因产品的接受和认可程度还不够，从而使转基因产品的市场化进程受到影响。因此，一方面要加大宣传普及力度，另一方面还要对转基因产品的潜在危险性进行充分评价，[16]开发清洁载体，防止目标产物受到污染，同时还要制定相应的安全和管理法规。

5展望

作物作为植物生物反应器大量生产外源目的蛋白具有广阔的研究价值和应用前景。全球生物技术飞速发展、生物产业不断壮大，尤其是朝气蓬勃的农业生物技术已经成为许多国家发展战略的重点，吸引着众多投资，生物经济已经成为国际经济竞争的焦点，逐步形成为与工业经济、信息经济相对应的新经济形态。据测算，到2020年全球生物技术市场将达到3万亿美元。这对于进一步提高我国生物产业水平，促进国民经济更快、更好地发展具有重要的意义。生物经济已经成为新的经济增长点，其市场空间可能是信息产业的l0倍，全球生物技术及产业的发展迅速。美国《时代》周刊预言，2020年世界将进入生物经济时代，革命性的市场投放阶段预计在2025年后到来，随着对生物技术和生物产业的不断深化认识，大量的民营资产和民营企业意识到了的投资的巨大潜力。据中国保健协会《2006—2007中国生物产业投资分析报告》预测，到2015年我国生物制品销售收入将会达到1100亿元，植物生物反应器低成本高产出的巨大前景吸引着越来越多的商业聚焦，一批以植物生物反应器为技术支撑的新型制药或生物技术公司纷纷建立起来，同时植物生物反应器产品涉及百姓生活方方面面，囊括了医药、食品、保健等。推动以作物为载体的植物生物反应器技术的生物经济快速健康发展，将会更好地加快我国未来生物经济发展。

参考文献

[1]MOLONEY M.The future of molecular fanning[M]//An interview on molecularfarraing．Canada：Plant Bioteehnology Institute(PBI)，National Research Council，1995．

[2]井鑫，张兴国．植物生物反应器研究进展[J]．西南农业大学学报：社会科学皈，20O4，2(4)：109—112．

[3]黄艳，赵德修，李佐虎．植物细胞生物反应器培养的研究进展(I)．植物学报，2001，18(5)：567—570

[4]Franken E，Teuschel U，Hain R．Recombinant protein from transgenic plants． Curr Opin Biotech，1997,8:411—416．

[5]Gomord V，Faye L．Post—translational modification of therapeutic proteins in plants．Curr Opin Plant Biol，2004，7(2)：171-181．

[6]杨晶，李天航，熊丽东，等．植物生物反应器的研究进展[J]．生物工程学报，2009，25(5)：650—657．

[7]刘常金，吴定．植物基因工程生产药用蛋白．安徽农业技术师范学院学报，2000，l4(1):51—53．

[8]Korban SS，Krasnyanski SF，Buetow DE．Foods as production and delivery vehicles for human vaccines．J Am Coll Nutr，2002，21：212-217．

[9]Arakawa T，Langridge WHR．Plants are not just passive creatures．Nature Med.1998．4：550．

[10]张胜利,李东方,许桂芳,周岩,王春虎，魏琦超.植物生物反应器在生物制药中的应用.资源开发与市场,2011,27(02).[11] Lico C，Chen Q，Santi L．Viral vecters for production of recombinant proteins in plants[J]．J Cell Physiol，2008，216(2)：366—377．

[12]杜小春，何正权，陈磊，等．植物生物反应器表达药用蛋白质研究新进展[J]．中国生

物工程杂志，2008，28(9)：135-143．

[13]权美平，任秀娟.植物生物反应器生产药用蛋白.氨基酸和生物资源2012,34(4):47～5.[14]李粲，王中梅，刘炜．植物反应器研究概述．安徽农业科学，2009，37(24)：11403—

11404.[15]张鹏，朱宏.转基因植物生物反应器的研究.哈尔滨师范大学自然科学学报.2011,27(5).[16]李漠.植物生物反应器生产药用蛋白研究概述．农业科学，2010,(9):133．

第三篇：铁炮百合和东北百合响应热胁迫生理指标测定

1.引言

1.1百合的简述

1.1.1铁炮百合和东北百合的分布

铁炮百合（lilium

longiflorum）是属于百合科（Liliaceae）百合属（Lilium）的多年生植物，它性喜夏季风凉湿润气候。5℃时，植株的生长处于障碍状态；必须要在10℃以上，植株才能正常发展；但当温度超过25℃时，生长又处于障碍状态，而且植株的花芽分化会受到严重影响，从而致使盲花。所以15℃-20℃最适于花芽分化及开花。种球在经过低温春化处理后，温度越高，花芽分化也越早，而在低温下种植，又会造成节间缩短、开花延迟等弊端，故10℃-20℃为栽培适温。铁炮百合产在中国台湾，散布在日本琉球群岛。东北百合是百合科百合属植物的一种。这是一种喜爱地势高、肥力强、排水良好腐殖质土壤的百合，避免强光，空气条件喜爱干燥，土壤稍微湿润，易于在早期生长阶段进行管理。这是长白山雨季繁殖最困难的种属之一[1-2]。东北百合产于中国吉林省、东北省和辽宁省，在山坡林下、路边或溪旁都能看到东北百合的身影。

1.1.2铁炮百合和东北百合的用途

园艺利用：铁炮百合是一种色彩斑斓的花草，花具有香味，可作香料。也是一种淡雅有致，清香袭人的切花，用于装潢给人以繁华文雅之感，很惹人喜爱；因常年栽植，产花量大，经济效益高，近年来栽植发展较快[3]。东北百合在植物形态上是独特的，高大挺拔的身材，硕大而优雅的花朵形状，橘红色的花被，它可以在森林或灌木丛中种植，它也可以种植在花坛中间的花坛中间，可以起到优雅、精致的效果[4]。

药用价值：铁炮百合在秋、冬季节进行采挖，除去地上部分，洗净泥土，剥取鳞片，用沸水烫过或微蒸之后晒干。而鲜鳞片，可以直接加工食用，有解毒、理脾健胃、宁心安神等功能。东北百合鳞茎甜，有润肺止咳，舒缓神经的功能。主治的病症有肺结核、慢性咳嗽、痰中带血、神经衰弱、失眠等[2]。

1.1.3常见的病虫害

病毒、细菌和害虫都是百合花的常见危害，这可能会导致杀虫剂的使用增加，并影响百合切花的质量。干旱、金属离子和高温等逆境条件严重抑制百合生长发育,会引起百合植株生理生化、形态等方面的变化,甚至死亡。长期以来,病虫害问题一直是困扰百合生产的主要问题之一，合成化学杀虫、灭菌剂以及生物杀虫、灭菌剂因其对生态环境有危害性，而常规抗病虫害育种,因其周期长、效率低并且抗性资源有限,很难满足当前现实生产的要求，目前还不能从根本上有效地解决包括百合在内的植物病虫害问题。铁炮百合的一重要用途为切花生产，在铁炮百合切花的生产过程中，常见的病虫害有以下几点：灰霉病、根腐病以及线虫等。对病虫害的控制主要是基于“预防为主”的原则，因为一旦引入疾病，切花的质量就会降低，从而影响经济效益，所以在实际生活中，主要以定期使用农药的方式为主。在此之中特别是要防止灰霉病的发生，因此农药的配方应主要以水和气溶胶为基础，防止由于农药的污染而导致切花的质量降低。并且要经常在农间走动，一旦发现病株要及时挖除并且销毁，铁炮百合的适应性较强，目前我国引进的品种还比较少，所以选择的余地较小，但在品种的选择上就要有讲究，冬天选对光不敏感的品种，夏天选耐高温的品种[4]。

1.2植物响应热胁迫的生理指标

高温胁迫是属于环境胁迫之一，指环境因素的量接近或超过有机体、种群或群落的一个或多个忍耐极限时造成的胁迫作用。在众多的胁迫因子中,温度是影响植物生长的主要因素，近年来，全球气温升高，温室效应加剧，高温已成为当前农业生产的主要不利环境因素之一，植物的种植生产面临着高温胁迫的严峻挑战。

百合是一种具有代表性的观赏百合，通常植物持续2周在夏季的自然高温下就会停止细胞分裂。我国北方地区百合夏季生产困难的根本途径，是想通过抗热性育种,培育能在高温下正常生长的百合品种。测定研究植物热胁迫下生理生化指标,将有助于采取相应措施减轻高温危害,为园林观赏植物的耐热性研究寻找理论依据，为筛选抗高温基因型植株提供有效的途径。

1.2.1光合作用

光合作用是植物能量代谢和物质转化的关键，温度对植物的光合作用有很大的影响。一般而言，高耐热性的植物在高温条件下能维持高光合速率，确保植物生长或生存需要，维持一个相对正常的生理状态[5-6]。高温之所以能够降低植物的光合作用，主要是因为高温对光合系统的各组分有影响。高温会导致叶绿素的降解，导致CO2溶解度、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶与CO2的亲和性，以及光合系统中关键组分的热稳定性降低。这些会影响植物的光合速率[7]。马德华的研究小组使用了4种不同的耐热的华北黄瓜作为材料，研究不同温度下的光合作用变化。结果表明，四种不同类型黄瓜的叶绿素含量在高温胁迫下显著降低，其主要原因是叶绿素a减少。非气孔因素是高温胁迫后净光合速率下降的主要原因。间隙CO2补偿点与各个品系的耐高温程度呈负相关，各个品系的光补偿点也与耐高温程度呈负相关[8]。由于耐热品种相对于热敏品种的敏感性较高，热敏品种在高温下的净光合速率降低程度比耐热品种高。细胞超微结构的研究表明，叶绿体被膜在高温下表现出不同程度的破坏和崩解，而类囊体结构松散、无序，基质层不清楚，表明高温胁迫下叶绿体结构的稳定性和耐热性是密切相关的[9]。

1.2.2脯氨酸

高温逆境下氮素代谢失调是影响植物正常生长的重要原因。在正常情况下，植物的脯氨酸含量非常低，在逆境中脯氨酸含量会显著增加。一般来说，植物的抗逆性与脯氨酸的积累呈正相关。孟焕文研究表明,三个黄瓜品种的脯氨酸含量是随着温度的增加而增加的，由于因为脯氨酸可能会参与渗透调节，所以能够检测到高温下叶肉细胞持水量的增加,耐热品种的脯氨酸含量增加的程度比起不耐热的品种来说要大得多，这样的结果表明了，脯氨酸可以提高细胞的抗脱水能力，并揭示了脯氨酸作为鉴定大白菜耐热性的生化指标的可能性[10]。王凤兰等人以不同抗热性的麝香百合基因型K1-1、K2-7、K1-2、F1、K2-2、Wforest、G、Wfox为材料，研究高温胁迫下幼苗的生理生化变化，其中,团队得出了一下的结论，脯氨酸的含量会随着温度的增加而增加，而且增加的程度会因为温度的改变而改变，42℃以后脯氨酸含量增加程度越来越大，而且每个基因型的差异性明显变大，其中K1-1和K2-7这两种基因型的脯氨酸含量的增幅比较大,这样可以说明这两种基因型的抗热性较强，基因型为Wforest和Wfox的品种的脯氨酸含量的增加较小，说明这两种基因型耐热性较弱，其余的基因型在中间，因此可以解释高温胁迫对百合幼苗脯氨酸含量的影响，随着处理温度的增加，百合幼苗脯氨酸含量增加，但会因为基因型的不同增加幅度不同[11]。大量研究表明，脯氨酸常作为植物响应热胁迫的鉴定生理指标，是因为脯氨酸能提高原生质胶体的稳定性，从而防止植物水分流失，耐热性植物种类会比耐热品种积累更多的脯氨酸，而且持续时间长。

1.2.3可溶性蛋白

可溶性蛋白是植物重要的营养物质和渗透调节物质，他们的增加能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用，高温下植物可溶性蛋白的含量与植物的耐热性有关，所以也经常被用作植物筛选抗性的指标之一。孟焕文以3个不同耐热性黄瓜品种为材料，研究其在4叶期和芽期对热胁迫的生理反应,并进行了耐热性鉴定指标的筛选，在研究到高温胁迫对可溶性蛋白的影响时，他提出与28℃相比，中耐热、弱耐热品种的可溶性蛋白含量在38℃增加，在强耐热品种中可溶性蛋白含量处于相对稳定的水平，用42℃的温度处理了36h后，强耐热品种的可溶性蛋白含量增加，而中耐热、弱耐热品种中的可溶性蛋白含量与38℃相比都在下降，而且越不耐热的品种减少的幅度越大，从结果分析可以得出，可能因为热胁迫诱导了热激蛋白的合成，所以能够检测出这几个品种可溶性蛋白含量和品种耐热能力是一致的，因此他得出结论,在42℃温度胁迫

36h后,可溶性蛋白含量可作为黄瓜耐热性鉴定指标之一[10]。李晓峰团队将耐热性不同的大白菜幼苗放在智能人工气候培养柜中，在36℃／29℃和40℃／29℃（昼／夜）的条件下分别进行高温处理10d，定期检测可溶性蛋白和热稳定蛋白含量。最后他们得出结论：白菜在40℃处理时呈下降趋势，可溶性蛋白含量先降低后升高，热稳定蛋白含量呈下降趋势，恢复后无明显反弹，而且可溶性蛋白的含量不会因为品种的不容而导致含量有所差异

[12]。由上述可知，一些植物体内可溶性蛋白的含量可以做为测定植物抗逆性的生理指标。

1.2.4可溶性糖

可溶性糖作为植物的代谢中间产物，为生长发育提供能量，在植物的生命周期中起重要作用。同时它作为植物生长发育和基因表达的重要调节因子，它能与其它信号组成复杂的信号网络体系，能对植物进行调控。在黄闽敏等在春兰耐热性相关生理指标的研究中，发现可溶性糖在不同温度不同时间的条件下，会出现时升高时降低的情况，分析认为降低的原因可能是因为细胞呼吸作用较强，于是加快了有机物的消耗，其中就包括可溶性糖，而这种增加的原因可能是由于可溶性糖是一种渗透保护物质，有助于植物在逆境胁迫下维持细胞的结构和功能[13]。所以在植物响应热胁迫下，可溶性糖的含量对于一些植物可作为生理指标来测定。

1.2.5表型观察

表现型是特定环境条件下特定基因型个体特征的总和，它包括各种形态和生理特征和基因产物，甚至包括动物的行为和习性。热胁迫下植物生育变化在高温和高温胁迫下，生长发育会受到不同程度的影响，这种影响会明显反映在形态结构的变化上[14]。吴国胜等认为研究植物叶型、座果率、产量等因素很难适用于温带地区,他认为在苗期在32℃处理10天后,收缩和复卷的叶子能够稳定准确地反映品种的耐热性[15]。此外研究表明,若将甘蓝叶片发黄萎蔫作为植物热胁迫伤害指标的高温鉴定方法，可以明显反映出甘蓝的耐热性差异，并且发现处理条件为36.5℃恒温对甘蓝幼苗处理6d，是检测甘蓝耐热性的最适条件[16]。

1.2.6细胞膜热稳定性

植物对逆境的适应主要在细胞膜系统上，植物电导率是常用来衡量植物受胁迫受害程度的生理指标[17]。膜透性能够用来反应膜的完整性和受伤害程度。在高温胁迫下，细胞膜的通透性增加，细胞内电解质外渗，导致电导率增大。张春音等在对杜鹃花叶片耐热研究里发现，在42℃9小时的光照条件下，三种杜鹃花的细胞膜通透性均增大，且每种杜鹃花增加的比例不同[18]。植物器官在逆境下会发生膜脂过氧化作用，而MDA是膜脂过氧化重要的产物之一，它的产生能加剧膜的损伤，使生物膜酶蛋白发生交联，导致细胞膜出现间隙，所以在植物响应胁迫的生理研究中MDA含量是一个常用指标，膜系统受损的程度以及植物的抗逆性往往可通过MDA的含量来测定。吴友根等人以神马菊花为试材,研究其在不同时间热胁迫下生理变化发现，热胁迫0-72h，菊花叶片中MDA的含量逐渐的增大，在72h时达到最大，虽然后面有一定的回落，但是依旧比0h时要大，说明了热胁迫加速了膜脂过氧化，MDA含量与热胁迫时间呈显著正相关[19]。在高温胁迫下，膜脂过氧化过程中会产生一些有毒物质，如O2-、H2O2等，在植物酶防御系统中有一些酶，它们是消除自由基的重要酶，包括SOD、POD等，有了这些酶可以减轻膜脂过氧化的程度，来保持膜系统的稳定性，因此，这些能够消除活性氧的保护性酶与细胞的抗逆性有关，想要降低高温引起的膜损伤，就需要维持高的保护性酶活性。SOD能够有效地清除破坏力极强的活性氧但在高温胁迫下，植物体内的SOD的含量会下降，导致膜脂过氧化作用加剧，细胞膜受到伤害。有实验证明，高温胁迫能够破坏植物体内活性氧代谢系统的平衡[20]。司马刚等研究发现，白菜的品种无论是耐热还是热敏，其POD活性在高温胁迫下均有所降低，而耐热品种在POD活性上有较大的变化，他们认为这是由于POD通过自身消耗清楚了代谢失效引起的过量氧自由基，保护细胞膜结构，提高植物的耐热性[21]。

1.2.7本论文主要研究的内容及意义

从上述描述可以看出，可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和叶绿素含量等生理特征对于一些植物都可当做在热胁迫下的生理指标。生理生化指标主要通过测量控制品种间生理生化指标的差异来确定植物的耐热性。这些结果更加具有说服力和真实[22]。所以本实验以抗热性不同的铁炮百合和东北百合的组培苗为材料,研究两种百合在高温胁迫下几个生理指标变化：淀粉和可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、叶绿素，以及其幼苗受到高温胁迫的形态变化，旨在探究这几种指标是否可作为百合响应热胁迫的生理指标，为百合的抗热性评价及育种提供理论依据。

2.材料与方法

2.1材料及仪器

2.1.1实验材料

量筒、研钵、烧杯、量瓶、移液管、铁炮百合和东北百合组培苗、考马斯亮蓝G-250溶液、镊子、剪刀、1.5

mL

离心管、5

mL

离心管、刀片、纱布、锡箔纸、滤纸等。

2.1.2实验仪器

超净工作台、离心机、移液器、恒温培养摇床、冰箱、光照培养箱，分光光度计、电子天平、电磁炉等。

2.2方法

2.2.1组织培养

2.2.1.1外植体灭菌

将采来的外植体先用0.3%的洗衣粉水浸泡7～10min,用流水冲洗1h以上,然后在超净工作台内用75%酒精浸泡30s,接着用无菌水冲洗5次，用0.1%的升汞灭菌6～8min,最后再用无菌水冲洗6～8次。冲洗完毕后,将茎切成1cm长的茎段,叶片和鳞片切成长宽各1cm的小方块,迅速接种于诱导培养基中。

2.2.1.2培养条件及培养基配方

将诱导出的成果转接到分化培养基上，培养温度为25℃,光照条件为2000lx,每天光照10～12

h。培养基的pH在5.5～6。

培养基配方：大量元素母液50mL+微量元素母液5

mL

+铁盐母液5

mL

+6-BA

0.5

mg/L+NAA

0.2

mg/L+维生素和氨基酸5mL

/L+蔗糖50g/L+琼脂6g/L。

2.2.2高温处理

2.2.2.1铁炮百合热处理前的预处理

1、操作台高温消毒灯开到绿色，紫外线灭菌15min。

2、操作台通风15min。

3、洗净并用75%酒精消毒双手。

4、用酒精侵泡的棉花分别擦拭架子、镊子和小刀并进行高温消毒。

5、用镊子夹出盆皿后打开培养基，夹出芽。（确保植株的完整性）

6、用小刀和镊子切除枯叶并保持根的完整性。

7、用镊子夹起植株，放入到琼脂粉减半的培养基中。（共9瓶）

8、给瓶子标注日期5月7日，品种ty9、整理操作台保持洁净并关闭电源。

10、将铁炮百合放入到光照培养箱中，25℃环境下驯化一天。

2.2.2.2铁炮百合和东北百合的处理

铁炮百合：

1、8点开始，将经过一天25℃驯化的铁炮百合取出。放入到光照培养箱中（42℃）6瓶。

2、取25℃驯化的铁炮百合3瓶，用等温水清洗干净。用锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃的冰箱冷藏。

3、10点。取出42℃处理2小时的铁炮百合3瓶。用等温水清洗干净，锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃冰箱冷藏。

4、下午12点。取出42℃处理16小时的铁炮百合3瓶。用等温水清洗干净，锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃冰箱冷藏。

5、回收液氮，收拾好实验器材。

将三瓶东北百合放入到光照培养箱中，在25℃驯化一天。

东北百合：

1、下午4点开始，将经过一天25℃驯化的东北百合取出。放入到光照培养箱中（42℃）2瓶。

2、取25℃驯化的铁炮百合1瓶，用等温水清洗干净。用锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃的冰箱冷藏。

3、下午6点。取出42℃处理2小时的东北百合1瓶。用等温水清洗干净，锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃冰箱冷藏。

4、次日上午10点。取出42℃处理16小时的东北百合1瓶。用等温水清洗干净，锡箔纸包住，做好标记，液氮速冻。小袋子装好放入-80℃冰箱冷藏。

5、回收液氮，收拾好实验器材。

2.2.3生理指标测定方法

脯氨酸含量测定:茚三酮法[23]，将叶片剪碎以3%磺基水杨酸提取脯氨酸，用茚三酮反应，520nm下测定吸光值，利用公式测定脯氨酸的含量；可溶性糖和淀粉测定:蒽酮乙酸乙酯法[23]，将冰冻样品充分研磨之后，以6000r/min离心10min，将装有上清液的试管放入冷水浴并加入蒽酮乙酸乙酯，最后根据公式得出结论；丙二醛含量测定：双组分分光光度法[23]，因植物在承受胁迫时可溶性糖会增加，所以在丙二醛的测定中，要排除可溶性糖的干扰，所以经常加入一些Fe3+，分别测定在450nm和532nm下的值，根据公式进行计算得出丙二醛的值。

3.结果与分析

3.1高温胁迫对铁炮百合和东北百合的形态影响

42℃

0h

42℃2

h

42℃

4h

42℃

8h

42℃

24h

42℃

48h

42℃

72h

图1

42℃不同时间条件下东北百合表型

42℃

0h

42℃

h

42℃

4h

42℃

8h

42℃

24h

42℃

48h

42℃

72h

图2

42℃不同时间条件下铁炮百合表型

在42℃的胁迫下，铁炮百合和东北百合的组培苗都出现了颜色和形态上的变化。从颜色上来讲，百合在42℃条件下，0h的叶片呈现出鲜绿的光泽度，随着时间的延长，在叶片上开始出现黄色，是因为植物体内叶绿素在减少，而且时间越长色泽越暗淡。从形态上来讲，0h的叶片是饱满舒展的，随着时间的延长，叶片慢慢开始变得皱缩，时间越长，皱缩的面积和程度越大。百合可以通过自身的形态的变化来抵御高温带来的伤害，但随着时间的延长，植物因为自身防御系统的破坏和有害物质的积累，导致植物的外表呈现出明显的受伤害状态。相同条件内萎缩得越快，颜色变化越快的，耐热性越差，所以对比铁炮百合和东北百合，铁炮百合耐热性更强些。

3.2高温胁迫对脯氨酸含量的影响

图3

42℃不同时间条件下铁炮百合和东北百合脯氨酸含量

因为脯氨酸对响应热胁迫的植物有调节其渗透作用的功能，所以当植物受到逆境胁迫时，脯氨酸的含量会有积累，植物体内脯氨酸的含量一般与植物的耐热性呈正相关。由图3可知，在实验中东北百合在响应热胁迫时，脯氨酸含量整体看起来呈上升趋势，但变化并不明显，而铁炮百合在42℃的温度下，随着时间的增加，铁炮百合的变化趋势明显，呈先上升后下降的趋势，在2h达到最高，在2h时候有明显的下降趋势，在48h达到最低，而下降48h以后有开始慢慢回升，回到和最初相近的值，这说明铁炮百合在受到高温胁迫时，升高了自己体内脯氨酸的含量，并且下降的原因可能是在高温胁迫时脯氨酸发挥作用以维持细胞正常功能。总体看起来，铁炮百合体内的脯氨酸有明显的变化，而东北百合变化不明显，说明在同种温度条件下，随着时间的延长，铁炮百合耐热性比东北百合耐热性更强。

3.3高温胁迫对淀粉和可溶性糖的影响

图4

42℃不同时间条件下铁炮百合和东北百合可溶性糖含量

从实验数据图4中可以看出，在42℃情况下，随着处理时间的增多，铁炮百合体内可溶性糖的含量有增有减，在16h时达到最高，在16h小时之后迅速降低，并在72h时含量接近为0。东北百合的体内的可溶性糖的48h之前变化呈下降趋势，但变化不明显，在48h达到最低，在48h之后有明显的上升趋势。分析可溶性糖在两种百合受到相同温度高温处理后，可溶性糖都有升有降，升的原因是因为可溶性糖作为细胞形态和结构的保护物质，在受到高温的时候会增加维持细胞的而正常状态，而下降的原因可能是因为在高温胁迫下，植物的呼吸作用会加快，所以植物体内的可溶性糖就会被消耗而导致降低。铁炮百合是先上升后下降，而东北百合是先下降后上升，说明两种百合响应热胁迫的方式不同，铁炮百合是先增加其可溶性糖的含量再用来消耗以维持自身细胞稳定，而东北百合是先消耗可溶性糖来进行呼吸作用，从结果分析看来，因为铁炮百合会首先利用体内的物质来调节自身细胞的稳定，所以铁炮百合的耐热性要强于东北百合。

图5

42℃不同时间条件下铁炮百合和东北百合淀粉含量

由实验数据图5可知，在42℃不同时间的处理下，铁炮百合和东北百合的含量都有起伏趋势。铁炮百合在42℃下淀粉含量首先升高，在2h达到最高，随后呈下降趋势并在16h处达到最低，16h过后有上升下降趋势，但都不明显。东北百合在42℃下，16h之前有上升下降的趋势，但不是特别明显，在16h之后，有明显的下降，并在24h处达到最低，接着上升并在48h处达到最高。由数据可分析，淀粉作为植物体内的多糖，可参与植物的呼吸作用，在植物受到高温胁迫时，呼吸作用会增加，就会加速有机物的消耗，但淀粉同时是由一些可溶性糖合成，所以和可溶性糖相似，随着时间的增加，会呈现一个起伏的曲线，若是曲线越平稳，说明该植物响应热胁迫的反应更不明显。

3.4高温胁迫对丙二醛的影响

图6

42℃不同时间条件下铁炮百合和东北百合丙二醛含量

如图6可知，在42℃的条件下，随着时间的延长，铁炮百合和东北百合体内的丙二醛变化呈现起伏趋势。铁炮百合在受到高温胁迫时，体内丙二醛含量会在一段时间上升，在24h处达到最高，上升的原因主要是因为丙二醛是膜脂过氧化产物，在受到高温胁迫含量就会有所上升，但在24h后会有一个明显的下降，分析认为下降的原因是在细胞膜系统里有着清理过氧化产物的酶，这些酶通过清理这些过氧化产物使植物在受到高温胁迫的时候能够维持正常状态。而东北百合则是在4h和24h后都有一个下降的变化，下降的原因和上述一样，而两种百合在48h之后，铁炮百合体内丙二醛的含量又继续升高，而东北百合的含量变化却不明显，说明在高温下，铁炮百合调节高温胁迫带来的伤害的能力比东北百合要强。

3.5高温胁迫对叶绿素的影响

图7

不同温度时间42℃条件下铁炮百合和东北百合叶绿素含量

从实验数据图7来看，在42℃的温度下处理铁炮百合和东北百合的组培苗，随着时间的增长，两种百合体内的叶绿素的含量总体都呈下降的趋势，在高温胁迫下，植物体内叶绿素含量降低的原因可能是因为与叶绿素合成相关的酶受到了高温的影响，所以导致叶绿素合成变慢，分解加快。从图6中可以看出铁炮百合的下降要比东北百合更加明显，有可能是因为在铁炮百合中的有关叶绿素合成的酶更容易受高温的影响，才会导致叶绿素的下降。

4.讨论与结论

4.1结论

本实验研究通过对比铁炮百合和东北百合在不同时间不同温度条件下的生理指标，其中包括可溶性糖、淀粉、脯氨酸和丙二醛等，意在研究这些生理指标是否可用作铁炮百合等百合属的耐热性鉴定的生理指标。研究表明，相同种类百合在42℃（2h、4h、8h、16h、24h、48h、72h）的条件下，植物体内的丙二醛的含量总体呈上升趋势，但因为细胞膜系统当中SOD等能够清理自由基的酶存在，所以在一段时间内丙二醛的含量会有所下降，但是这些酶的存在不能完全阻止自由基的积累，所以只能在一定程度减缓丙二醛含量的上升。对于叶绿素来说，叶绿素的含量总体来看是降低，且铁炮百合降低趋势相比东北百合更加明显，分析认为是因为铁炮百合中的有关叶绿素合成的酶更容易受高温的影响。可溶性糖和淀粉含量的变化都出现了起伏，铁炮百合变化的趋势比东北百合更加明显，是因为这两者的含量主要和植物的呼吸作用有关，高温下呼吸作用加强，就会引起有机物加快被消耗，而这两者又作为保护物质，会在植物受到高温胁迫后含量增加。铁炮百合中脯氨酸的含量总体来说在下降，在48h处达到最低，而东北百合则是呈现上升的趋势，但变化不是特别明显。

4.2讨论

在全球气候不断变暖的今天，植物耐热性的研究已经成为一个热门和重要的研究方向。植物的一生中会遭受各种各样的非生物胁迫,比如盐碱胁迫、热胁迫,干旱胁迫等，而在多数情况下,植物遭受的胁迫往往是多重的，是很多胁迫重叠在一起的伤害，研究表明，在夏季炎热季节，耐热性是一个综合指标，植物在高温、干旱、高湿度、害虫等因素的影响下，植物的综合表现。近年来很多学者研究了萝卜、大白菜、茄子、辣椒、黄瓜等植物在高温胁迫下生理特征的变化，也提出了很多有关于植物耐热性机理的生理指标，对这些研究报道已经比较全面。对于百合的耐热性研究也做得比较全面，很多学者就百合的各个方面做了耐热性研究，比如从对比不同种类的百合在高温胁迫的生理指标变化，挑选出更加耐热的品种；也有比较百合杂交种与亲本的耐热性，从各个生理指标中观察出杂交种与亲本的相近程度，挑选出杂交优势更明显的一种杂交的方法，挑选出比较耐热的杂交种进行种植栽培。各个植物有各自的特性，也许有些植物并不能遵循大部分植物的规律，所以对不同的植物进行测定，就在于要将不同植物的特性给找出来，以制定专属的方案来种植以及培养，这对以后农业生产和园林观赏都能够起到重要的作用。

参考文献

[1]潘玲立,雷家军.东北百合无性繁殖研究[J].北方园艺,2009:

189-191.[2]刘明财,崔凯峰,梁永君,等.东北百合的开发利用及栽培技术[J].吉林林业科技,2004:17-20.[3]邓贵仁.百合露地大棚盆切花栽培技术[J].北京农业,2000(4).[4]郎立新.铁炮百合切花的温室生产[J].农村实用工程技术·温室园艺,2005(8):

50-52.[5]陈立松,刘星辉.高温胁迫对桃和抽细胞膜透性和光合色素的影响[J].武汉植物学研究,1997(03):

233-237.[6]姚千元,石雪晖.辣椒耐热性与叶片质膜透性及几种生化物质含量的关系[J].湖南农业大学学报，2000,26(2):

97-99.[7]蒋明义,荆家海,王漪唐.渗透胁迫对水稻光合色素和膜脂过氧化的影响[J].西北农业大学学报,1991(1):

79-84.[8]马德华.黄瓜对不同温度逆境的抗性研究[J].中国农业科学,1999,32(5):

28-35.[9]R.A.Vierling,杨健.不耐热性小麦基因型热击蛋白基因的表达[J].麦类作物学报,1993(02):

33-35.[10]孟焕文,张彦峰,程智慧.黄瓜幼苗对热胁迫的生理反应及耐热鉴定指标筛选[J].西北农业学报,2000(01):

96-99.[11]王凤兰,周厚高,黄子锋,等.麝香百合抗热性生理生化指标及综合评价初探[J].广西植物2008,28(2):

261-264.[12]李晓锋,侯瑞贤,朱玉英,等.高温胁迫对大白菜抗氧化系统酶及可溶性蛋白质和热稳定蛋白质的影响[J].上海农业学报,2009,25(4):

26-30.[13]黄闽敏,张强,刘晓芳,等.高温胁迫对春兰耐热性相关生理指标的影响[J].山西农业科学,2013,41(12):

1330-1332.[14]宋洪元,雷建军,李成琼.植物热胁迫反应及抗热性鉴定与评价[J].中国蔬菜,1998,1(1):

48-50.[15]吴国胜,王永健,曹宛虹.大白菜热害发生规律及耐热性筛选方法的研究[J].华北农学报,1995,10(1):

111-115.[16]康俊根,翟依仁,张京社,等.甘蓝耐热性鉴定方法[J].中国蔬菜,2002,(1)∶

4-7.[17]姚世才,秦贺兰,古润泽.5个小菊新品种耐热性综合评价与鉴定[J].中国农学通报,2006.22(12):217-219.[18]张春英,戴思兰.常绿杜鹃花叶片耐热性指标研究[Z].中国园艺学会观赏园艺专业委员会年会.2006.[19]吴友根,林尤奋,李绍鹏,等.热胁迫下菊花生理变化及其耐热性指标的确定[J].江苏农业学报,2009,25(2):

362-365.[20]陈火英,张建华,汪隆植.萝卜幼苗耐热性与过氧化物酶和超氧物歧化酶关系的研究[J].上海交通大学学报(农业科学版),1990(4):

265-269.[21]司马刚,孙日飞.高温胁迫对达百词耐热性相关生理指标的影响[J].中国蔬菜,1995,(4):

4-6,15.[22]王涛田,雪瑶,谢寅峰,等.植物耐热性研究进展[J].云南农业大学学报,2013,28(5):

719-726.[23]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:

高等教育出版社,2000:

182-185.

第四篇：对干旱的对策

对干旱的对策

干旱是我国主要自然灾害之一。经过多年大规模水利建设，我国抵御旱灾能力稳步提升，但总体抗旱能力仍然偏低。近年来，受全球气候变化和经济社会用水大量增加影响，我国干旱灾害呈现频次增加、范围扩大的趋势。目前全国６０％以上的县区为易旱地区，６５８个城市中有１１０个严重缺水，抗旱减灾任务艰巨繁重。要坚持科学调度管理水资源、加强抗旱工程建设、推行节约用水的生产生活方式三者并举，全面规划、统筹安排，加快建设抗旱减灾体系，保障城乡居民生活用水安全和经济社会可持续发展。

为此，要重点做好以下工作：一是科学配置水资源，全面提高水利工程体系的抗旱能力。完善和优化国家、流域和区域水资源配置格局，充分挖掘现有各类水利工程的抗旱功能三是建设覆盖全国的旱情监测预警站网，加快建设抗旱指挥调度系统，为抗旱指挥和决策调度提供有力支撑。，强化应急联合调度，提高调控水平和整体抗旱能力。二是因地制宜建设农村、乡镇和城市抗旱应急备用水源工程，为城乡居民饮水安全和农业生产用水提供有效的应急保障。四是以县乡两级抗旱服务组织为重点，加强抗旱管理服务体系建设，提高抗旱机动送水和浇地能力。做好抗旱物资储备。五是加强抗旱减灾基础研究及新技术应用，积极开展国际交流与合作，充分吸收借鉴国际先进技术和经验，不断提高我国抗旱减灾科技水平。抗旱的根本出路在节水。要提高全民节水意识，加快转变经济发展方式。因地制宜推广节水灌溉技术和设备，大力推进农业节水，努力减少水资源消耗，加大防治水污染工作力度。深化水资源管理体制改革，充分运用价格等经济杠杆，引导节约用水，严格控制高耗水项目，鼓励发展低耗水的高新技术产业。加强城乡生活用水管理，加快更新改造供水管网，研制推广节水型用水器具、计量仪表。充分利用雨洪资源，扩大利用再生水。

第五篇：植物提取物抗氧化成分及研究进展

植物提取物抗氧化原理及成分研究

抗氧化是抗氧化自由基的简称。因为人体常与外界接触，平时的呼吸、外界污染、放射线照射等因素会导致人体内产生自由基，过量的自由基会导致人体癌症、衰老和其它疾病，而抗氧化自由基（以下简称“抗氧化”）可以有效克服这些危害。因此，抗氧化已成为保健品和化妆品市场的主要研究课题之一。

本文从多种类植物提取物抗氧化成分及其原理出发，阐述了各界近年来利用植物对抗自由基的研究进展。

一、植物提取物抗氧化原理

不同的植物提取的有效成分不尽相同，同样，抗氧化作用的植物提取物也有很多不同成分，其作用机理也有所区别，西安源森生物从以下几方面进行了总结阐述：

（一）作用于与自由基有关的酶

与自由基有关的酶类分为氧化酶与抗氧化酶两类，植物提取物的抗氧化作用体现在抑制相关氧化酶的活性和增强抗氧化酶活性两方面。1.抑制氧化酶的活性

生物体内许多氧化酶，如P-450 酶、黄嘌呤氧化酶(XOD)、脂氧化酶、髓过氧化酶(MPO)和环氧酶等，与自由基的生成有关，能诱发大量的自由基。

另外，诱导型一氧化氮合成酶(iNOS)在缺血再灌注时活性增加，产生大量NO而导致氧化损伤。

研究表明，许多植物提取物对上述各种氧化酶有抑制作用，从源头抑制自由基生成。黄酮类化合物中的槲皮素、姜黄素在缺血再灌注损伤时可抑制 iNOS 的活性，从而起到抗氧化作用；绞股蓝皂苷可以降低异常增高的XOD 和MPO 的活性，改善糖尿病大鼠肾脏的氧化应激，延缓肾脏损害的进展。2.增强抗氧化酶活性

机体存在具有防护、清除和修复过量自由基伤害的抗氧化酶类，如过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶等。SOD 是体内超氧阴离子的主要清除者，将其催化分解为H2O2，但H2O2也具有氧化损伤作用，CAT 将其转化为O2和 H2O。同时 H2O2也可通过 GSH-Px 的催化和还原型谷胱甘肽(GSH)反应生成H2O，同时生成氧化型谷胱甘肽。

许多研究表明，植物提取抗氧化成分不仅能防护体内抗氧化酶，还能增强机体内抗氧化酶活性，如黄酮类中的槲皮素能减少胰岛β细胞的氧化损伤，同时还能恢复Fe2+致肾细胞损伤动物的SOD、GSH-Px 和CAT 的活力；皂苷类物质对氧自由基本身影响较少，但大多能提高体内 SOD、CAT 等抗氧化酶的活性，从而增强机体抗氧化系统功能。

此外，一些天然物质可在基因与转录水平上诱导体内抗氧化酶如 SOD 的表达，发挥其抗氧化作用。

（二）抗氧化成分之间互补和协同作用

植物提取物抗氧化成分之间存在相互补充、相互协调的关系，在体内通过电子和 / 或质子转移、作用于氧化酶和抗氧化酶、螯合钝化过渡金属离子、影响基因表达等途径联合发挥抗氧化作用。

研究发现不同浓度的茶多酚和西洋参之间均存在明显的协同增效作用，并且随着浓度上升，协同增效作用也相应增强。VE 和VC对鹰嘴豆抗氧化多肽的还原能力有显著的增效作用，且VC与鹰嘴豆抗氧化多肽的协同作用较VE更强，所有的协同作用随添加量和作用时间的增加而增强。

（三）直接清除或抑制自由基

植物提取物能够作为氢质子或电子的供给体，直接猝灭或抑制自由基，终止自由基的连锁反应，发挥抗氧化功能。1.提供质子

大部分抗氧化成分都是氧自由基清除剂，如多酚类物质、甾醇、VE等，原因之一是其本身可以释放出体积小、亲合性很强的氢质子，捕捉高势能的极活泼的自由基使之转变为非活性或较为稳定的化合物，同时自身转变成较氧化链式反应生成的自由基更稳定的物质，从而中断或延滞链式反应。2.提供电子

植物提取物发挥抗氧化作用的另一个原因是通过电子转移直接给出电子而清除自由基，如多酚类、植物多糖、维生素等。β-胡萝卜素有很好的抗氧化性能，能通过提供电子抑制活性氧的生成达到清除自由基的目的；而VC是通过逐级供给电子而转变成半脱氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸以实现清除活性氧自由基的目的。

（四）螯合钝化过渡金属离子

过渡金属离子(如 Fe2+、Cu2+等)在氧自由基产生过程中是必需的，如 F e2 +既能介导脂质过氧化，也是•OH 等自由基产生的催化剂。

植物提取物中的黄酮类化合物具有4-酮基，5-羟基的分子结构，且B 环3′和4 ′位的连位羟基含有孤对电子，因而能螯合金属离子。能通过配位电子螯合钝化促氧化金属离子的抗氧化成分还有单宁、多糖、活性肽、植酸、柠檬酸等。

二、植物提取物抗氧化成分研究

植物提取物的抗氧化活性成分主要有生物碱类、皂苷类、维生素类、多酚类、多肽类和多糖类等，这些成分大多从谷物、中草药、蔬菜、水果、植物饮品和香辛料提取而来。西安源森生物就以上几类物质的抗氧化性进行说明：

（一）生物碱类

生物碱(alkaloids)是一类大多具有复杂含氮环状结构、显著生理活性的有机化合物，绝大多数分布在高等植物中，尤其是双子叶植物，如毛茛科、罂粟科、茄科、芸香科、豆科等。影响生物碱抗氧化活性的结构因素主要是立体结构和电性，杂环中氮原子越“裸露”在外，越有利于充分地接近活性氧并与之反应，抗氧化效果就越好；供电子基团或者能使氮原子富有电子的结构因素也可增加其抗氧化活性。

具有抗氧化作用的生物碱类有马钱子碱、苦豆碱、四氢小檗碱、去甲乌药碱、木兰碱、川芎嗪、小檗碱、海罂粟碱、药根碱、番荔枝碱等。

（二）皂苷类

皂苷(saponins)是中草药中一类重要的活性物质，根据苷元的化学结构不同分为甾体皂苷和三萜皂苷两类，前者多存在于百合科和薯蓣科植物中；后者多存在于五加科和伞形科等植物中。

近年研究表明，大多数皂苷具有明显的抗氧化作用，包括：五加科皂苷(包括人参、西洋参、刺五加)、豆科(包括黄芪、大豆、甘草)等。绞股蓝、红景天、灯盏花、七叶、柴胡、苦瓜、虎杖、罗汉果、油茶等所含的总皂苷成分也具较强的抗氧化活性。西安源森生物公司给i以五加科皂苷、豆科皂苷和红景天、虎杖、苦瓜提取的总皂苷成为作为抗氧化类主打产品。

（三）维生素类

维生素(vitamins)既是不可少的食品营养素，也是人体最重要的抗氧化物质。植物中的抗氧化维生素主要有VE、VC 和胡萝卜素，但它们在特定情况下也可成为促氧化剂。1.V E VE 是各种生育酚的统称，其中α-生育酚生物活性最大，若以它为基准，β-生育酚、γ-生育酚和δ-生育酚的生理活性分别为 40%、8% 和 20%，其余活性极其微弱。在大多数情况下，VE 的抗氧化作用是与脂氧自由基或脂过氧自由基反应，向它们提供氢离子，使脂质过氧化链式反应中断，是最重要的脂溶性断链型抗氧化剂。2.VC VC 又称抗坏血酸，是含有 6 个碳原子的α-酮基内酯的酸性多羟化合物。具有可解离出氢离子的烯醇式羟基，是最重要的水溶性捕捉型抗氧化物，能通过逐级供给电子而实现清除活性氧自由基；还能保护 VE 和促进 VE 的再生。3.类胡萝卜素

类胡萝卜素共有600余种，均为具有11 个双键的类异戊二烯结构，β-胡萝卜素是典型代表。研究发现有显著抗氧化性的还有叶黄素、玉米黄质、番茄红素和虾青素等。

β-胡萝卜素是VA 的前体，由4 个异戊二烯双键首尾相连而成，分子两端各有一个β-紫萝酮环，主要有全反式、9-顺式、l3-顺式及 l5-顺式 4 种形式。有很好的抗氧化性能，能通过提供电子抑制活性氧的生成达到清除自由基的目的。

叶黄素共有 8 种异构体，主要存在于甘蓝、菠菜等深绿色蔬菜及金盏花、万寿菊等花卉中。玉米黄质主要存在于枸杞子、玉米、菠菜和亚洲柿子等食物中。叶黄素和玉米黄质总是伴生存在，作用也十分近似，主要表现在抗氧化方面，能减少氧化胁迫对眼睛的伤害，即对视网膜黄斑部由光线所诱发的氧化作用有抵抗能力，能够预防因视觉斑降解引起的衰老。另外还能预防晶状体中蛋白和脂质的氧化，从而降低老年性白内障的发生。

番茄红素是一种无环类胡萝卜素，化学结构是一个非环的、含有11 个共轭双键和 2 个非共轭双键组成的线性全反式结构。能接受不同电子的激发，生成基态氧或三重态氧番茄红素，一个三重态氧番茄红素可猝灭成千上万个单线态氧自由基，抗氧化能力是 VE 的100 倍、VC 的 1000 倍，是自然界最强的延缓衰老的抗氧化剂。

虾青素是一种特殊的氧化型类胡萝卜素，不仅同其他类胡萝卜素一样在分子中有很长的共轭双键，而且在其两个紫罗兰环的 3、4 位上各有一个羟基和不饱和酮基，这种相邻的羟基和酮基可构成α-羟基酮。这些结构都具有比较活泼的电子效应，能向自由基提供电子或吸引自由基的未配对电子，极易捕获自由基，因此虾青素具有较一般类胡萝卜素更强的抗氧化性。

（四）多酚类

植物多酚类抗氧化物质就其化学结构的不同，可分为鞣质、类黄酮、酚酸3 大类。1.鞣质类物质

鞣质类又称单宁(tannins)，在植物中广泛分布，通常是指相对分子质量在 500～3000 的植物多酚。根据分子结构不同和水解难易可分为 3 类：水解鞣质(如没食子单宁、鞣花单宁)、缩合鞣质(如原花色素、低聚原花色素)、缩合鞣质与水解鞣质中的葡萄糖以碳键连接而成的复合鞣质(如山茶素 B、番石榴素 A)。

影响鞣质类抗氧化活性的因素有3个：单元的结合方式；羟基是否游离；六羟基二苯甲酰基(HHDP)、没食子酰基(gall)、脱氢六羟基二苯甲酰基(DHHDP)基团的种类及数量。当单宁结合单元(如儿茶素)以可水解的酯键、苷键结合时，分子的抗氧化能力增强，而以碳碳键结合成缩合型时，分子抗氧化能力大大下降；酚羟基游离时有利于活性上升；HHDP、gall、DHHDP 基团的活性顺序为HHDP ＞ gall ＞ DHHDP，在结合单元中，这 3 个基团数目越多，活性越大。

2.类黄酮物质

类黄酮(flavonoids)也称为黄酮类化合物，在多酚类物质中种类最多，几乎所有植物的所有组织均含有这类天然产物。泛指两个苯环(A －与 B －环)通过中央三碳键相互连接而成的一系列化合物，可进一步分为黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮类、二氢黄酮醇类、黄烷-3-醇类(也即儿茶素类)、异黄酮类、查尔酮类及花色素类等亚族。黄酮类化合物具有不同的抗氧活性，其抗氧活性的大小与化合物的结构密切相关。酚羟基及其取代基位羰基、羟基成苷、羟基甲基化和Δ2(3)双键)的位置和数量是确定其抗氧化活性的重要因素。

一般认为，B环上的邻二酚羟基对黄酮类抗氧化活性起主要作用；一个环上的邻二羟基与另一个环上的对二羟基产生很有潜力的抗氧化性，A 环上的 5、7、8 位增加羟基可以不同程度地增加抗氧化能力。许多黄酮类化合物显示出明显的抗氧化特性，代表性的有刺槐素、槲皮素(栎精)、柚皮素、黄杉素、茶多酚、大豆异黄酮、三羟基查尔酮、矢车菊色素等。3.酚酸类物质

酚酸是指同一苯环上有若干个酚性羟基的一类化合物。自然界植物中发现的具有抗氧化性的酚酸类物质可分为 3 类：第1 类是羟基苯甲酸及其衍生物，如原儿茶酸、没食子酸、丁香酸等；第 2 类是鞣花酸及其衍生物，如3-羟基苯乙酸；第3 类是羟基肉桂酸(羟基苯丙烯酸)及其衍生物，如绿原酸、阿魏酸、咖啡酸、迷迭香酸、香豆酸、芥子酸等。

酚酸类物质的抗氧化能力，在化学结构上的规律与黄酮类一样，即凡在苯环上具有相邻酚性羟基者，比没有的要强得多，如具有联苯三酚结构的的没食子酸及其各种衍生物，比只有两个羟基的强。而具有邻苯二酚结构的如绿原酸、咖啡酸、迷迭香酸，其抗氧化能力远比只有一个羟基的阿魏酸、芥子酸强。

（五）活性肽

具有抗氧化性质的多肽类物质被称为抗氧化活性肽(bioactive peptides)。国内外研究人员已从不同植物来源的蛋白质中提取到各种具有抗氧化活性的肽类物质，然而能了解细致分子结构，并进行相关机理研究的天然抗氧化肽仅限于谷胱甘肽，更多的是各种天然蛋白酶解物中具有一定抗氧化活性低分子混合肽，如大豆肽、玉米肽、小麦肽、米糠肽、花生肽。此外，在黑米、菜籽、灵芝、桂花、枸杞等植物蛋白质原料中均获得了具有抗氧化作用的活性肽。西安源森生物实验室研究表明：构成肽的氨基酸种类、数量及氨基酸排列顺序决定着肽的抗氧化能力。具有抗氧化能力的氨基酸及其衍生物有半胱氨酸、组氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、亮氨酸和缬氨酸、5-羟色氨酸等。

（六）多糖类

多糖(polysaccharides)是由10个以上多种单糖聚合而成的天然高分子物质。近年来，人们对多糖及复合物的抗氧化活性作用有了越来越深入的认识。

已有大量研究指出，从植物中提取分离得到的多糖类化合物具有抑制脂质过氧化作用、清除自由基、抑制亚油酸氧化等抗氧化作用。枸杞多糖、金樱子多糖、黄芪多糖、油柑多糖、牛膝多糖、大蒜多糖、三七多糖等 100 多种植物多糖具有抗氧化作用，具有抗氧化活性的植物多糖不断被发现。

（七）其他类

还有许多成分如萜类(苍术酮、生姜单萜)、醌类(丹参醌、大黄蒽醌)、褪黑素等均为有效的植物源抗氧化成分。

三、结语

研究资料显示目前大多数抗氧化研究均采用体外实验，整体或在体实验资料较少，难以系统、准确地反应天然成分抗氧化作用的全貌。以整体实验为主，体外实验为辅，综合酶学、免疫学、药理学等多学科知识建立一套全面客观、高效快速的动物实验模型来综合评价物质的抗氧化性是以后研究需要重点解决的问题。

在为保健品市场提供有效应对高血压、糖尿病、肿瘤、帕金森症、老年痴呆等病症的优质抗氧化类植物提取物之外，西安源森生物公司已将“安全抗氧化植物提取物的营养保健食品应用”列为主要研究课题之一，以紧抓《食品安全法》颁布实施所带来的市场机遇。