植物的生长机理课件.ppt
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- 植物 生长 机理 课件
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1、前几章介绍了植物的各种功能代谢,这些功能代谢的整合(integration),就表现出细胞的分裂、分化、生长和发育。图10-1 植物的生活史第一节第一节 种子的萌发种子的萌发 种子是由受精胚珠发育而来的,是可脱离母体的延存器官。严格地说,生命周期是从受精卵分裂形成胚开始的,但人们习惯上还是以种子萌发作为个体发育的起点,因为农业生产是从播种开始的。播种后种子能否迅速萌发,达到早苗、全苗和壮苗,这关系到能否为作物的丰产打下良好的基础。图10-2 植物种子的萌发一、影响种子萌发的外界条件一、影响种子萌发的外界条件(一一)水分水分 水分是种子萌发的第一步。种子吸水可分为3阶段:1.1.吸涨作用吸涨作用
2、(物理过程,急剧吸水,原生质胶体由凝胶 溶胶)2.2.吸水迟缓或停止吸水迟缓或停止(细胞水合程度增加,酶蛋白恢复活性,细胞中某些基因开始表达。酶促反应与呼吸作用增强,贮藏物质分解。即利用吸收的水分进行代谢作用)3.3.胚根长出后胚根长出后 重新迅速吸水重新迅速吸水(代谢相关的渗透性吸水,有氧呼吸增强,新生器官生长加快)图10-3 植物种子吸水的三个阶段(二二)温度温度种子的萌发 酶催化的生化反应,温度三基点最低温度 最适温度:在最短的时间范围内萌发率最高的温度。最高温度虽然在最适温时萌发最快,但由于消耗较多,幼苗长得瘦弱。一般适宜播种期以稍高于最低温为宜。如棉花播种期以地下5cm深处,土温稳定
3、在12为宜。(三三)氧气氧气旺盛的物质代谢和活跃的物质运输需要有氧呼吸来保证。作物种子需要在10%以上氧浓度才能正常萌发,当氧浓度在5%以下时,很多作物种子不能萌发。宜浅播:含脂肪较多,萌发时需氧更多,如花生、大豆和棉花等水稻种子萌发时,“干长根,湿长芽干长根,湿长芽”:水稻胚芽鞘(芽)的生长只是细胞的伸长,仅无氧呼吸的能量已可;而胚根和胚芽的生长,则既有细胞分裂,又有细胞伸长,对能量和物质的需求量高,所以必须依赖有氧呼吸。(四四)光照光照 中光种子中光种子:如水稻、小麦、大豆、棉花等,萌发不受有无光照的影响 需光种子需光种子:如莴苣、紫苏、胡萝卜、桦木以及多种杂草种子等,在有光条件下萌发良好
4、,在黑暗中则不能发芽或发芽不好。喜暗喜暗(或嫌光或嫌光)种子种子:如葱、韭菜、苋菜、番茄、茄子、南瓜等,在光下萌发不好,而在黑暗中反而发芽很好。二、种子萌发的生理生化变化(一)种子的吸水(二)呼吸作用的变化和酶的形成无氧呼吸 有氧呼吸酶形成:束缚态释放或活化 核酸诱导合成蛋白质(三)有机物的转变(贮藏)淀粉、脂类和蛋白质(酶)分解 简单有机物 重新合成新的有机物 幼胚生长 三、种子的寿命(略)图图 10-410-4谷类种子萌发时胚中产生的谷类种子萌发时胚中产生的GAGA诱导水解酶的产生和胚乳贮藏物质的诱导水解酶的产生和胚乳贮藏物质的分解分解(以淀粉、蛋白质和核酸为例)第二节 细胞的生长 一、细
5、胞分裂的生理 1.细胞周期 2.细胞周期的控制 蛋白激酶 细胞周期蛋白(cyclin)的调节亚基 活化依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶(CDK)CDK活性调节途径:图10-5细胞周期的调控 cyclin的合成和破坏 CDK内关键氨基酸残基的磷酸化和去磷酸化 3.细胞分裂的生化变化 最显著的变化:核酸含量尤其是DNA含量变化(染色体的主要成分)呼吸速率:有丝分裂期低(氧的需求低),G1和G2后期需氧高,尤其是G2(贮存能量给有丝分裂期用)CDK:依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶Cyclin:细胞周期蛋白CDK与cyclin结合后才能活化,由G1期转变为S期需要G1 cyclin(CG1),由G2期转变为有丝
6、分裂期需要有丝分裂cyclin(CM)4.细胞分裂与植物激素 生长素(IAA)和细胞分裂素(CTK)刺激 G1 cyclin积累 根部 ABA浓度增加,CDK-cyclin复合物抑制剂(ICK)表达,ICK与CDK-cyclin复合物结合(CDK/CYCA),阻止进入S期。细胞分裂素 活化磷酸酶 削弱CDK 酪氨酸磷酸化的抑制作用(CDK/CYCB),促进进入S期。赤霉素(GA)刺激水稻节间cyclin表达,细胞迅速分裂和伸长。图图10-6 通过通过蛋白质水解调蛋白质水解调节细胞周期进节细胞周期进程的机制图。程的机制图。蛋白质在两个主要转变位点的降解有助于控制细胞周期的进展。在G1-到-S转变
7、位点,两种类型细胞周期蛋白是调节蛋白水解酶CKIs的底物,CKIs结合S期循环-CDK复合体阻止CDK活性,G1循环降解细胞不可逆的进入下一个新的循环的开始。在中期到末期转变过程,蛋白质水解需要切断连接的两个姊妹染色单体,使得染色体解离,降解了有丝分裂周期。二、细胞伸长的生理(一)细胞伸长时的生理变化 呼吸作用的加强和蛋白质的积累是细胞伸长的基础。(二)细胞壁 纤维素、胼袛质(质膜合成)半纤维素、果胶(高尔基体中合成的多糖)等(三)生长素(IAA)的酸生长学说 IAA受体 信号转导 质子泵活化 H+到细胞壁 活化质膜上已经存在的H+ATP酶(快)促进第二信使合成新的H+ATP酶(慢)pH增大,
8、壁酸化 扩展素活化(打断细胞壁纤维素和半纤维素间界面,打断细胞壁多糖之间的H键)(多糖组分之间结构交织点破裂,联系松弛)细胞壁可塑性增加 细胞伸长 生长素和酸性溶液都可促进细胞伸长,生长素促进H+分泌速度和细胞伸长速率一致,生长素诱导细胞壁酸化并使其可塑性增大而导致细胞伸长的理论,即酸生长学说(四)细胞伸长与植物激素 赤霉素(GA)诱导细胞伸长:细胞分裂前,依赖IAA诱导的细胞壁酸化,与IAA有相加作用。赤霉素(GA)诱导细胞伸长的机理:GA提高木葡聚糖内转糖基酶(XET)活性,增加细胞壁延展性 XET作用:1.切开木葡聚糖 重新形成另个木葡聚糖分子 木葡聚纤维素网 2.有利于伸展素穿入细胞壁
9、 伸展素伸展素和XET是GA促进细胞延长促进细胞延长所必需。GA对根的伸长无促进作用,显著促进茎叶的生长。应用:水稻节间伸长、切花茎或花轴伸长等三、细胞分化的生理 细胞分化:分生组织的幼嫩细胞发育成具有各种形态结构和生理代谢功能的成形细胞的过程。DNA链上不同的基因(关闭状态)按照一定的时间和空间顺序选择性的活化或阻遏 顺序表达 生长 分化 形态建成(一)转录因子基因控制发育 分化过程:1.诱导信号和信号感受 2.特殊细胞基因的表达 3.分化细胞的特殊活性或结构需要的基因的表达 4.细胞分化功能需要的基因产物活性和细胞结构改变 转录因子:为蛋白质蛋白质,与DNA有亲和力,能使基因表达或关闭。如
10、MADA(4个转录因子家族MCM1,AGAOUS,DEFICIENS和SER的缩写)盒和同源异型框基因,均可调控发育。(二)细胞的全能性 定义:植物体的每个具有核的体细胞都携带一套完整的基因组,并具有发育成完整植株的潜在能力。植物组织培养(plant tissue culture):无菌条件下,分离并在培养基中培养离体植物组织(器官或细胞),形成愈伤组织或者再生成完整植株的技术。植物组织培养技术 植物组织培养的条件 (三)极性 极性定义:在器官、组织生殖细胞中在不同的轴向上存在某种形态结构和生理生化上的梯度差异。极性一旦建立,难逆转。极性的表现:形态学上端分化出芽,下端分化出根。极性产生的原因
11、:受精卵的第一次不均等分裂;IAA在茎中的极性传导。结果:细胞内物质分布不均匀,两极分化,细胞不均等分裂(细胞质)植物组织培养技术 植物组织培养的条件 培养基的条件:培养基的成分。一般包括无机营养物、碳源、植物生长调节物质、维生素、有机附加物等。pH。常用的培养基有MS培养基等。着重介绍生长调节物质对于组织培养和分化的作用(2)无菌条件:外植体、培养基、仪器用具、操作人员、操作间等均需严格消毒。(3)培养条件:光、温、水、气等。(四)影响细胞分化的条件 1.糖浓度 低糖(蔗糖)浓度(3.5%),有利于韧皮部形成;中糖浓度(2.5%3.5%),木质部、韧皮部均有且 中间有形成层。2.植物激素 I
12、AA/CTK比适当高,促根生长 IAA/CTK比适当低,促芽生长 IAA/CTK比适中,只长愈伤组织 IAA和蔗糖促进维管组织形成,CTK促进管胞组成。生长素可诱导愈伤组织分化出木质部 第三节 程序性细胞死亡程序性细胞死亡的(programmed cell death,PCD)概念:在多细胞生物体中的一些细胞当不再为生物体所需时,或是已受到损伤时,会激活受遗传控制的自我毁灭,称为细胞程序性死亡,为生理性死亡,又称细胞凋亡(apoptosis)一、程序性细胞死亡发生的种类:是是主动主动的、由的、由基因决定基因决定(激活、(激活、表达、调控)的表达、调控)的自动结束生命自动结束生命的过程。的过程。
13、1.植物发育过程中必不可少的部分:种子萌发后糊粉层的死亡、根尖生长时根冠细胞死亡,导管分化时内容物的自溶等2.植物体对外界环境的响应:玉米水涝和供氧不足 根、茎基部 部分皮层细胞死亡 通气组织形成 对病原微生物的防御反应二、程序性细胞死亡PCD发生的特征和基因调控 1.1.DNA片段化(二)凋亡的特征 细胞膜皱缩、凹陷 染色质致密、固缩(二)凋亡小体 凋亡小体 2.2.基因调控基因调控核浓缩、核膜皱缩核浓缩、核膜皱缩凋亡小体(凋亡小体(A)透射电镜)透射电镜(B)扫描电镜)扫描电镜细胞凋亡与细胞坏死的比较(一)坏 死凋 亡1.性 质病理性,非特异性生理性/病理性,特异性2.诱 因强烈刺激,随机
14、发生较弱刺激,非随机发生3.基因调控无有4.生化特点被动过程无新蛋白合成不耗能 主动过程有新蛋白合成耗能细胞凋亡与细胞坏死的比较(二)坏 死凋 亡5.形态改变细胞肿胀结构溶解,破坏细胞皱缩,核固缩胞膜/细胞器相对完整6.凋亡小体无有7.DNA变化弥散性降解电泳呈均一片状片段化(180-200bp)电泳呈“梯”状条带8.溶酶体改变破裂相对完整9.炎症反应局部炎症反应局部无炎症反应三、程序性细胞死亡的生化变化和诱导因子三、程序性细胞死亡的生化变化和诱导因子 DNA酶、酸性磷酸酶、ATP酶等参与 诱导因子:激素、高温、干燥、活性氧等 抑制分解其的酶表达 积累 诱导 PCD四、PCD的机制 分三个阶段
15、:1.启动阶段:启动细胞死亡信号的产生和传递,如DNA损伤应激信号的产生、死亡受体的活化 2.效应阶段 PCD的中心环节:caspase的活化和线粒体通透性的改变。Caspase:半胱氨酸蛋白酶家族,直接导致程序性死亡细胞原生质体解体的蛋白酶家族。http:/ 3.降解清除阶段:caspase对死亡底物的酶解 染色体DNA片断化 吸收 转变 细胞组分细胞的死亡几乎发生细胞的死亡几乎发生在所有植物的细胞和组在所有植物的细胞和组织中。织中。细胞程序性死亡涉及到许多过程,包括图中所表示下列几个过程:(1)配子体形成包括胚囊形成;(2)胚的发育;(3)种子和果实组织的退化;(4-6)组织器官的发育;(
16、7)组织器官的衰老;(8-9)植物体对环境信号和病原体(菌)的反应。第四节 植物的生长 一、营养器官的生长特性(一)茎生长特性 典型的生长曲线 植物生长大周期:茎(包括根等植物器官乃至整个植株)在其整个生长过程中的生长速率表现出“慢-快-慢”的基本规律,即为植物生长的大周期。生长的相关性:植物各部分间的相互制约与相互协调的关系。顶端优势:顶芽优先生长而侧芽受抑制的现象。原因:茎顶端产生生长素IAA,对侧芽生长有抑制作用,细胞分裂素CTK可解除侧芽的受抑制。应用:果树修剪整形,棉花整枝等(二)根生长特性(与茎相似)CTK在根中合成上运,抑制侧根形成。脱落酸ABA和黄质醛抑制侧根的形成 乙烯Eth
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