十一、植物的休眠、成熟和衰老生理.PPT

（一）种子的休眠和萌发,1.种子休眠的原因1.胚未成熟 银杏种子成熟后从树上掉下时还未受精，等到外果皮腐烂，吸水、氧气进入后，种子里的生殖细胞分裂，释放出精子后才受精。兰花、人参、冬青、当归、白蜡树等。,当归,人参,2.种子未完成后熟 后熟作用 成熟种子离开母体后，需要经过一系列的生理生化变化后才能达到生理成熟而具备发芽的能力。莎草种子的后熟期长达7年。油菜在田间已完成后熟作用。粳稻、玉米、高粱的后熟也较短，籼稻基本上无后熟期。小麦后熟期稍长些，少则5 d(白皮)，多则3555 d(红皮)。,3.种皮(果皮)的限制 坚厚的种皮、果皮，或上附有致密的蜡质和角质。由于种壳的机械压制或由于种(果)皮不透水、不透气阻碍胚的生长而呈现休眠，如莲子、椰子、苜蓿、紫云英等。,4.抑制物的存在 低分子量的有机物，如具挥发性的氰氢酸(HCN)、氨(NH3)、芥子油；醛类化合物中的柠檬醛、肉桂醛；酚类化合物中的水杨酸、没食子酸；生物碱中的咖啡碱、古柯碱；不饱和羧酸中的花楸酸以及脱落酸等。,2.种子休眠与植物激素的关系,脱落酸能促进多种多年生木本植物和种子休眠。植物的休眠或生长，是由脱落酸和赤霉素调节的。在光敏色素作用下，长日照形成赤霉素，短日照形成脱落酸穗发芽：可在成熟时喷施B9，延缓种子萌发。,3.种子休眠的解除及萌发(1)机械破损 适用于有坚硬种皮的种子。可用沙子与种子摩擦、划伤种皮或者去除种皮等方法来促进萌发。如紫云英种子加沙和石子各1倍进行摇擦处理,能有效促使萌发。(2)清水漂洗 西瓜、甜瓜、番茄、辣椒和茄子等种子外壳含有萌发抑制物，播种前将种子浸泡在水中，反复漂洗，流水更佳，让抑制物渗透出来，能够提高发芽率。,(3)层积处理 一些木本植物的种子要求低温、湿润的条件来解除休眠。用层积处理(将种子埋在湿沙中置于110温度中，经13个月的低温处理就能有效地解除休眠)。在层积处理期间种子中的抑制物质含量下降，而GA和CTK的含量增加。(4)温水处理 棉花、小麦、黄瓜等经日晒和用3540温水处理，可促进萌发。油松、沙棘种子用70水浸种24h，可增加透性，促进萌发。(5)化学处理 棉花、皂荚、合欢、漆树、国槐等种子均可用浓硫酸处理(2min2 h后立即用水漂清)来增加种皮透性。,2008考研题,未完成后熟的种子在低温层积过程中，ABA和GA含量的变化为：（）A.ABA升高，GA降低；B.ABA降低，GA升高；C.ABA和GA均降低；D.ABA和GA均升高；,(6)生长调节剂处理 GA效果最为显著。(7)光照处理 藜、莴苣、云杉、水浮莲、芹菜和烟草的某些品种，种子吸胀后照光也可解除休眠。(8)其他方法 用X射线、超声波、高低频电流、电磁场等处理，也有破除种子休眠的作用。,几种作物种子萌发时最低吸水量占风干重的百分率,一般淀粉和油料种子吸水达风干重的30%70%即可发芽，蛋白质含量高的种子吸水量要超过干重时才能发芽。,在一定温度范围内，温度高时，吸水快，萌发也快。早春早稻浸种要34d，夏天，晚稻浸种1d就吸足水分。,4.环境条件对种子萌发的影响,1.水分,2.温度,种子萌发有温度三基点。虽然在最适温时萌发最快，但由于消耗较多，幼苗长得瘦弱。一般适宜播种期以土温稍高于最低温为宜。,表10-2 几种农作物种子萌发的温度范围,3.氧气,种子萌发需要通过有氧呼吸来保障能量和物质的供应，因此在种子萌发时，需要足够的氧气。一般作物种子在氧浓度10%以上才能正常萌发，当氧浓度在5%以下时，很多作物种子不能萌发。含脂量高的种子,宜浅播。若播后遇雨，还要及时松土排水，改善土壤的通气条件，否则会引起烂种。,4.光照,中光种子 萌发不受有无光照的影响，只要水、温、氧条件满足了就能够萌发，多数农作物的种子，如水稻、小麦、大豆、棉花等。中光种子的特性与人类长期选择有关。需光种子 在有光条件下萌发良好，在黑暗中则不能发芽或发芽不好，如莴苣、紫苏、胡萝卜、桦木以及多种杂草种子。喜暗(或嫌光)种子 在有光条件下萌发不好，在黑暗中反而发芽更好，如葱、韭菜、苋菜、番茄、茄子、南瓜等。,光线对种子萌发的影响与光的波长有关。这一现象与光敏色素有关。光敏色素吸收了红光或远红光后，分子结构上就发生可逆变化,从而引起相应的生理生化反应。,2009年考研题,请设计实验证明光敏素参与需光种子的萌发的调控,要求简要写出实验方法与步骤,预测并分析实验结果。(实验题10分),2010年考研题,在萌发的初期，油料种子中脂肪和可溶性糖含量的变化为（）A.脂肪含量升高，可溶性糖含量降低B.脂肪和可溶性糖均降低C.脂肪含量降低，可溶性糖含量升高D.脂肪和可溶性糖均升高,5.种子生活力的测定方法,氯化三苯基四氮唑（TTC）法；染色的是活种子.红墨水染色法;染色的是死种子溴射香草酚蓝法(BTB);(蓝黄)放出CO2使介质pH值改变,变色的是活种子.纸上荧光法;-适合十字花科植物的种子.有荧光圈的是死种子.,（二）芽的休眠和萌发,1.芽的休眠和萌发过程 植物生活史中芽生长暂时停顿的现象。,2.芽的休眠和萌发与环境条件的关系,1.日照长度 诱发和控制芽休眠最重要的因素。对多年生植物而言，通常长日照促进生长，短日照引起伸长生长的停止以及休眠芽的形成。,2.温度 低温是诱导休眠的重要因子,3.芽的休眠和萌发与激素的关系,促进休眠的物质中最主要是脱落酸。短日之所以能诱导芽休眠，这是因为短日照促进了脱落酸含量增加的缘故。,(三）种子的发育和成熟生理,种子的发育，主要包括胚和胚乳的发育，以及种子贮藏物质的积累。,拟南芥植物野生型的胚胎发育阶段示意图,1.种子发育过程中基因表达,从受精的不均等分裂开始的植物胚胎发育过程是一个有序的基因表达过程，在胚胎发育的特定阶段和特定部位，特定的基因在细胞核内有选择地转录，使特异的mRNA水平发生改变，从而合成特异的蛋白质或酶，最终导致胚成熟和种子的形成。胚发育相关基因的表达：目前，已从拟南芥中鉴定和分离出一些调控胚发育的基因LEC2、FACKE、GNOM等。胚乳发育相关基因的表达：基因主要有FIS和BETL基因。,2.种子发育过程中物质的变化,种子中的贮藏物质主要有淀粉、蛋白质、脂类和矿质等，它们分别贮藏在不同组织的细胞器中。,表12-4 种子中贮藏物质的种类和场所,2011年考研题,淀粉类种子在成熟过程中，可溶性糖的含量（）A.逐渐增加 B.逐渐减少 C.不变 D.先减少后增加,3、种子成熟过程中的生理变化,(1)种子的发育及基因表达多数种子的发育可分为以下三个时期,图12-9 种子发育过程示意图,种子发育过程中含水量和呼吸速率的变化特点,发肓初期贮藏组织含水量高，呼吸作用旺盛。随着有机物质合成与积累，组织含水量降低，呼吸速率下降。,图12-10 水稻种子发育过程中含水量和呼吸速率的变化A.生长曲线 B.呼吸速率变化曲线 C.含水量变化曲线 D.过氧化氢酶活性变化曲线,4.影响种子成熟的外界因素,1.光照。光照强度直接影响种子内有机物质的积累。也影响蛋白质和含油量；2.温度。对种子的成熟及干物质积累影响较大，温度过高呼吸消耗大，子粒不饱满；过低，种子瘦小。3.空气。相对湿度。阴雨天多，空气相对湿度高，会延迟种子成熟；4.土壤含水量。干旱会破坏作物体内水分平衡，严重影响灌浆，土壤水分过多，由于缺氧使根系受伤，种子不能正常成熟。5.矿质营养。适当施氮有利于提高蛋白质含量，P、K，有利于脂肪合成。,（四）果实的生长和成熟生理,1.果实成熟时的生理变化,物质的转化,1.糖含量增加 果实成熟时，淀粉等贮藏物质水解成蔗糖、葡萄糖和果糖等可溶性糖，使果实变甜。葡萄是果实中糖分积累最高的，可达到鲜重的25%或干重的80%左右，但如在成熟前就采摘下来。,图12-12 香蕉、苹果、柑橘在完熟过程中糖含量的变化,2.有机酸减少 果实的酸味出于有机酸的积累。有机酸的产生可来自碳代谢、三羧酸循环、氨基酸脱氨等代谢途径，贮存的主要部位是液泡。有机酸减少的原因主要有：合成被抑制；部分酸转变成糖；部分被用于呼吸消耗；部分与K+、Ca2+等阳离子结合生成盐。,3.果实软化 主要原因是细胞壁物质的降解。变化最显著的是果胶物质的降解。不溶性的原果胶分解成可溶性的果胶或果胶酸，果胶酸钙分解。多聚半乳糖醛酸酶(PG)是果实成熟期间变化最显著的酶，在果实软化过程中起着重要的作用。果肉细胞中的淀粉降解(淀粉水解为可溶性糖)，也是果实变软的一个原因。乙烯在细胞质内诱导胞壁水解酶的合成，水解酶进入细胞壁，酶促胞壁水解软化。因此用乙烯处理果实，可促进成熟，使果实软化。,4.挥发性物质的产生 化学成分相当复杂，约有200多种，酯、醇、酸、醛和萜烯类等一些低分子化合物。苹果中含有乙酸丁酯、乙酸己酯、辛醇等；未熟果中没有或很少有这些香气挥发物，所以收获过早，香味就差。,5.涩味消失 单宁是一种不溶性酚类物质。单宁与人口腔粘膜上的蛋白质作用，使人产生强烈的麻木感和苦涩感。随果实的成熟，单宁可被过氧化物酶氧化成无涩味的过氧化物，或凝结成不溶性的单宁盐，还有一部分可以水解转化成葡萄糖，因而涩味消失。,6.色泽变化(1)叶绿素 叶绿素一般存在于果皮中。在香蕉和梨等果实中叶绿素的消失与叶绿体的解体相联系，而在番茄和柑橘等果实中则主要由于叶绿体转变成有色体，使其中的叶绿素失去了光合能力。,(2)类胡萝卜素 一般存在于叶绿体中，褪绿时便显现出来。番茄中以番红素和胡萝卜素为主。香蕉成熟过程中果皮所含有的叶绿素几乎全部消失，但叶黄素和胡萝卜素则维持不变。桃、番茄、红辣椒、柑橘等则经叶绿体转变为有色体而合成新的类胡萝卜素。,(3)花色素苷和其他多酚类化合物 花色素苷是花色素和糖形成的-糖苷。花色素苷的生物合成与碳水化合物的积累密切相关。高温往往不利于着色，苹果一般在日平均气温为1213时着色良好，中国南方苹果着色很差的原因主要就在于此。,跃变型和非跃变型果实 许多果实在成熟过程中会出现呼吸跃变。呼吸跃变的出现标志着果实进入完熟期，也意味着果实已不耐贮藏。跃变型果实有：苹果、梨、香蕉、桃、李、杏、柿、无花果、猕猴桃、芒果、番茄、西瓜、甜瓜、哈密瓜等；非跃变型果实有：柑橘、橙子、葡萄、樱桃、草莓、柠檬、荔枝、可可、菠萝、橄榄、腰果、黄瓜等。,可可,猕猴桃,无花果,7.呼吸跃变期,两类果实对乙烯反应的不同之处：跃变型果实：外源乙烯只在跃变前起作用，它能诱导呼吸上升，同时促进内源乙烯的大量增加。非跃变型果实：外源乙烯在整个成熟过程期间都能提高呼吸速率，大小与所用乙烯浓度有关。,2008年考研题,能诱导果实发生呼吸跃变的植物激素是（）A.ABA;B.IAA;C.ETH;D.CTK,2010年考研题,论述肉质果实成熟过程的生理变化（13分）（1）呼吸变化：发生呼吸跃变现象。呼吸跃变的出现通常标志着果实成熟。但有些果实不出现呼吸跃变，据此可将果实分为跃变型和非跃变型。呼吸跃变产生的主要原因是内源乙烯含量的增加。跃变型果实有大量乙烯产生，非跃变型果实乙烯维持在较低水平。（2）物质转化：淀粉转化为可溶性糖，有机酸合成减少、果实甜度增加，酸度降低。丹宁被氧化，涩味消失。酯类、醛类等芳香物质产生，香味增加。叶绿素减少，类糊萝卜素、花色素等增加，色泽鲜艳。（3)果实软化：细胞壁水解酶类活性增加，使原果胶等水解，果实硬度降低，果胶等进一步降解，果肉细胞离散，果实变软。,3.果实成熟的机制,RNA增加：在苹果、梨和番茄等果实成熟时，RNA含量显著增加；果实成熟与蛋白质合成有关：蛋白质含量上升；激素参与其中：在幼果生长时期，生长素、赤霉素、细胞分裂素的含量增高。在苹果果实成熟时，乙烯含量达到最高峰，而柑桔、葡萄成熟时，则脱落酸含量最高。,(五)植物的衰老生理与器官脱落,1.植物衰老的表现形式与意义衰老受到多种发育和环境信号调控。总是先于一个器官或整株的死亡，是植物发育的正常过程。衰老可以发生在分子、细胞、组织、器官以及整体水平上。,牵牛花花冠迅速衰老的过程,(1)衰老的模式(形式)(1)整体衰老如一年生或二年生植物，在开花结实后，整株植物就衰老死亡。(2)地上部衰老多年生草本植物，地上部每年死亡，而根系和其它地下系统仍然继续生存多年。(3)落叶衰老多年生落叶木本植物，发生季节性的叶片同步衰老脱落。(4)渐进衰老多年生常绿木本植物的茎和根能生活多年，而叶片和繁殖器官则渐次衰老脱落。,(2)衰老有其积极的生物学意义：不仅能使植物适应不良环境条件，而且对物种进化起重要作用。温带落叶树的叶片，在冬前全树叶片脱落，从而降低蒸腾作用，有利于安全越冬。营养器官中的物质降解、撤退并再分配到种子、块茎和球茎等新生器官中去。花的衰老及其衰老部分的养分撤离，能使受精胚珠正常发育。,2.衰老的生理生化变化,1.蛋白质的变化 蛋白质水解是植物衰老的第一步，叶片在衰老时，蛋白质合成能力减弱，分解加快。在蛋白质水解的同时，伴随着游离氨基酸的积累，可溶性氮会暂时增加，并运向其他组织被再利用。,图12-13 离体叶片衰老过程中叶绿素、蛋白质和氨态氮的变化,2.核酸的变化 叶片衰老时，RNA总量下降，尤其是rRNA的减少最为明显。其中以叶绿体和线粒体的rRNA对衰老最为敏感，而细胞质的tRNA衰退最晚。叶衰老时DNA也下降，但下降速度较RNA为小。,3.光合速率下降 叶绿素逐渐丧失是叶片衰老最明显的特点Rubisco分解，光合电子传递和光合磷酸化受阻，这些都会导致光合速率下降。,图12-14 白苏叶片叶绿素含量、光合与呼吸速率随叶伸展后天数的变化,2009年和2011年考研题,植物叶片衰老的过程中,最先解体的细胞器是()A细胞核;B液泡;C叶绿体;D线粒体,4.呼吸作用 叶片在衰老时呼吸速率下降，但下降速率比光合速率慢。,图12-14 白苏叶片叶绿素含量、光合与呼吸速率随叶伸展后天数的变化,5.植物激素 促进生长的植物激素如细胞分裂素、生长素、赤霉素等含量减少，而诱导衰老和成熟的激素如脱落酸、乙烯等含量增加。6.生物膜的变化 正常情况下，植物的细胞膜呈液晶状态，有流动性，生物活性高。膜脂的不饱和脂肪酸含量较高。在植物衰老过程中，膜脂的脂肪酸饱和程度增加，使膜脂由液晶态逐渐转变成凝胶态，膜的流动性和弹性下降。,3.衰老的机制,1.自由基损伤学说 自由基有细胞杀手之称。1955年哈曼(Harman)就提出，衰老过程是细胞和组织中不断进行着的自由基损伤反应的总和。衰老过程往往伴随着超氧化物歧化酶(SOD)活性的降低和脂氧合酶(LOX，催化膜脂中不饱和脂肪酸加氧，产生自由基)活性的升高，导致生物体内自由基产生与消除的平衡被破坏，以致积累过量的自由基，对细胞膜及许多生物大分子产生破坏作用。,2.蛋白质水解学说 该学说认为参与蛋白质水解的蛋白质分解酶的连续合成，是引起叶片衰老的原因。叶片衰老过程中首先看到的是细胞质内蛋白质的水解，尔后才是叶绿素的破坏。,3.激素平衡学说 各种激素的相对水平不平衡是引起衰老的原因。抑制衰老的激素(如细胞分裂素、生长素、赤霉素、油菜素内酯)与促进衰老的激素(如乙烯、脱落酸)之间可相互作用、协同调控衰老过程。,图20.46 通气组织的形成受激动素和抗激动素信号转导的影响,4.环境条件对植物衰老的影响,(1)光 适度的光照能延缓小麦、燕麦、菜豆、烟草等多种作物连体叶片或离体叶片的衰老，而强光对植物有伤害作用(光抑制)，会加速衰老。(2)水分 水分胁迫下ABA和乙烯的合成增加，从而加速叶绿体的解体，降低光合速率，呼吸速率升高，物质分解加速，促进衰老。,(3)矿质营养 营养亏缺会促进衰老，其中N、P、K、Ca、Mg的缺乏对衰老影响很大。(4)气体 若O2浓度过高，则会加速自由基形成，引发衰老。低浓度CO2有促进乙烯形成的作用，从而促进衰老；而高浓度CO2(5%10%)则抑制乙烯形成和呼吸作用，因而延缓衰老。(5)其他不良环境条件 高温、低温、大气污染、病虫害等都不同程度地促进植株或器官的衰老。这些逆境因素都要通过体内调节机制(如激素水平、信号转导、基因表达)而影响衰老。,5.6.植物器官(叶和果实)的脱落与机制,由于衰老或成熟引起的脱落叫正常脱落，叶片和花的衰老脱落、果实和种子的成熟脱落；因植物自身的生理活动而引起的生理脱落，源与库不协调等引起的脱落；因逆境条件而引起的胁迫脱落。脱落的生物学意义：(1)有利于植物种的保存，如种子、果实的脱落，可以保存植物种子以及繁殖它的后代；(2)部分器官的脱落可减少水分消耗和营养竞争，去除病虫害侵染源，有益于留存下来的器官发育成熟。,(1)离层与脱落,叶（果）柄基部离区细胞体积小，排列紧密，细胞壁薄，有浓稠的原生质和较多的淀粉粒，核大而突出。器官脱落时与母体的分离就发生在这一区域，称为离层。,图12-17 双子叶植物叶柄基部离区结构示意图离层部分细胞小，见不到纤维,离层细胞在感受到某些刺激信号后会发生与脱落相关的生理生化反应：如，纤维素酶和果胶酶(多聚半乳糖醛酸酶，PG)活性增强，引起细胞壁的降解和相互分离；促进离层下端细胞壁物质的合成与沉积，保护分离的断面，形成保护层。,(2)植物激素与脱落脱落是衰老的结果。(1)生长素类 一般认为，生长素对于脱落有延迟作用。若去除叶片，而保留叶柄，则叶柄基部很快产生离层引起脱落。,但其他研究表明，生长素对脱落的效应与施用部位和浓度有关。当生长素浓度在远轴端高在近轴端较低时，离层对乙烯的敏感性小，就不会发生脱落。反之，器官容易脱落。,(2)乙烯 乙烯水平与脱落率呈正相关。在叶片脱落过程中，能促进离层中纤维素酶的合成，并促进该酶由原生质体释放到细胞壁中，引起细胞壁分解，同时刺激离层区近侧细胞膨胀，叶柄便分离开。,(3)脱落酸 ABA抑制了叶柄内IAA的传导，促进了分解细胞壁的酶类的分泌，并刺激乙烯的合成。即ABA 对于脱落的作用是通过乙烯起作用的。(4)其他激素 赤霉素和细胞分裂素对脱落有抑制作用，主要是抑制了ABA和乙烯的生物合成。,