第九章 植物的成熟和衰老生理（4 学时） 　 植物受精后，受精卵发育成胚，胚珠发育成种子，子房壁发育成果皮，子房发育形成果 实。种子和果实形成时，形态上及生理生化上都发生很大的变化。多数植物的种子和某些植 物的营养繁殖器官，在成熟后进入休眠，不能立即发芽。此外，随着植株年龄的增长，植物 生命力逐渐下降，发生衰老和器官脱落现象。这方面的研究对延持衰老和防止器官脱落，有 着重要的理论及实践意义。 第一节 种子和果实的成熟生理 一、种子成熟时的生理生化变化 种子的成熟实际上包括两个过程：一是胚从小长大；二是营养物质在种子中逐渐转化为 不溶性的高分子化合物，如淀粉、蛋白质、脂肪、并且贮藏起来。伴随着物质的转化和积累， 种子逐渐脱水，原生质由溶胶状态转变为凝胶状态。于是，种子进入生理上不活跃的休眠状 态，以便度过不良的外界环境条件。 (一 )主要有机物质的变化 1.糖类的变化 以贮藏淀粉为主的种子（如小麦、玉米）称为淀粉种子，在其成熟过程中，可溶性碳水化合 物含量逐渐降低，而不溶性化合物含量不断提高。例如小麦种子成熟时胚乳中的蔗糖，还原 糖含量迅速减少，而淀粉的积累迅速增加。这表明淀粉是由糖类转化而来的。并且，在形成 淀粉的同时，还形成构成细胞壁的不溶性物质( 纤维素和半纤维素) 。 　淀粉种子在成熟时，碳水化合物的变化主要有二个特点：一是催化淀粉合成的酶类活性 增强。如 Q 酶、淀粉磷酸化酶、腺苷( 或尿苷) 二磷酸淀粉转葡萄糖激酶；二是可溶性的小分 子化合物转化为不溶性的高分子化合物，如淀粉、纤维素。 2.蛋白质的变化 豆科植物种子积累蛋白质首先是叶片或其它器官的氮素以氨基酸或胺的形式运到荚果，然后 荚皮中的氨基酸或酰胺合成蛋白质，暂时成为贮藏状态；再后，暂存的蛋白质分解，以酰胺 态运至种子转变为氨基酸，最后合成蛋白质，用于贮藏。 3.脂肪的变化 油料种子在成熟过程中，脂肪是由碳水化合物转化而来。伴随着油料种子重量的不断增加， 脂肪含量不断提高，碳水化合物含量相应降低。 油料种子在成熟初期形成大量的游离脂肪酸，使种子的酸价( 中和 1 克油脂中游离脂肪 酸所需 KOH 的毫克数) 逐渐降低，以后随着种子成熟，游离脂肪酸用于脂肪的合成。油料种 子在成熟过程中，碘价(1 克油脂能吸收碘当量的克数) 升高，这表明组成油脂的脂肪酸不饱 和程度与数量提高。这就是说，在种子成熟初期先合成饱和脂肪酸，以后在去饱和酶的作用 下，再由饱和脂肪酸转化为不饱和脂肪酸。 4.非丁(Phyrin) 的变化 当正在成熟的种子进行脱水时，钙、镁和磷离子同肌醇形成非丁（肌醇六磷酸钙镁），如水 稻成熟时有 80%的磷离子以非丁的形式贮于糊粉层。当种子萌发时非丁分解释放出磷、钙、 镁，供生长之用。有人认为，非丁是禾谷类等淀粉种子中磷酸的贮存库与供应源，是植物对 磷酸含量的一种自动调控方式。 (二 )其它生理生化变化 1.呼吸速率的变化 种子成熟过程是有机物质合成与积累的过程，需要呼吸作用提供大量能量。所以，干物质积 累迅速时，呼吸速率亦高，种子接近成熟时，呼吸速率逐渐降低。 2.内源激素的变化 在种子成熟过程中内源激素在不断发生变化。例如，小麦从抽穗到成熟期间，籽粒内源激素 含量发生明显变化( 图 9-1)，受精后 5 天左右玉米素含量迅速增加，15 天左右达到高峰，然 后逐渐下降。接着是赤霉素含量迅速提高，受精后第 3 周达到高峰，然后减少。在赤霉素含 量下降之际， IAA 含量急剧上升。当籽粒鲜重最大时其含量最高，籽粒成熟时几乎测不出其 活性；脱落酸在籽粒成熟期含量大大增加。不同内源激素的交替变化调节种子发育过程中细 胞的分裂、生长以及有机物的合成、运输、积累和耐脱水性形成及进入休眠等。 此外，种子含水量与干物质积累恰好相反，随着种子的成熟而逐渐降低。 (三 )外界条件对种子成分及成熟过程的影响 光照：光照强度直接影响种子内有机物质的积累，如水稻的籽粒三分之二干物质来源于 抽穗后的叶片光合产物，此时光照强，同化物多，产量高。抽穗结实期的光照也影响籽粒的 蛋白质含量和含油率。 温度：主要影响有机物的运输和转化。温度过高时呼吸消耗大，籽粒不饱满，温度过低不利 于物质转化与运输，种子瘦小，成熟推迟，温度适宜时利于物质的积累，促进成熟。 水分：阴雨多湿度高会延迟种子成熟；若湿度较低则加速成熟，如空气湿度太低出现大气干 旱，不但阻碍物质运输，且合成酶活性降低，水解酶活性增高，干物质积累减少，种子瘦小 产量低。通常，小麦在温暖潮湿条件下淀粉含量较高，低温干旱蛋白质含量则较高。 矿质营养：氮肥多( 尤其是生育后期) 引起贪青晚熟，油料种子则降低含油率；磷钾肥可 促进糖分向块根、块茎运输，促进膨大，增加产量。 二、果实的生长和成熟时的生理生化变化 (一 )果实的生长 果实生长也具有生长大周期，是 S 形生长曲线。但不同植物果实的生长特点不尽相同。如 苹果、梨、香蕉、茄子等的果实只有一个迅速生长期，即慢- 快- 慢，其生长曲线呈单 S 型( 图 9-2)；而桃、杏、李、樱桃、柿子等的果实，生长曲线呈双 S 型。这类果实具核，可能在生 长中期养分主要向核内的种子集中，使果实生长减慢而造成。 (二 )果实成熟时的变化 果实成熟过程中内部发生一系列生理生化变化。 1.呼吸跃变 随着果实的成熟，呼吸速率发生规律性的变化：最初低，到成熟末期又急剧升高，然后又下 降。某些果实在成熟过程中发生的呼吸速率骤然升高的现象叫果实的呼吸跃变 (Respiratory Climacteric)(图 9-3)。 呼吸跃变的出现，标志着果实成熟达到可食的程度。根据果实的呼吸跃变现象，果实分为跃 变型和非跃变型两类。跃变型果实在母株上或离体时成熟过程中均有呼吸跃变现象，例如， 梨、桃、苹果、芒果、蕃茄、西瓜、白兰瓜、哈密瓜等；非跃变型果实成熟期间无呼吸跃变 现象，例如，草莓、葡萄、柑桔等。据研究，这二种果实成熟期间在呼吸上差异的原因可能 与乙烯含量、酶类活性、贮藏物质有关。跃变型果实在成熟期产生大量乙烯，其乙烯产生高 峰出现在呼吸跃变之前或同时( 图 9-4)。非跃变型果实在成熟期间乙烯含量变化不大。 跃变型果实在成熟过程中，呼吸酶类和水解酶类的活性急剧增高；非跃变型果实的呼吸酶和 水解酶类活性变化不大或逐渐降低。跃变型果实贮藏有淀粉、脂肪等复杂有机物质，通过呼 吸作用加以转化；非跃变型果实不含大分子不溶性化合物，在成熟过程中利用可溶性物质。 2.各种物质的转化 甜味增加, 酸味减少, 涩味消失, 香味产生, 果实由硬变软, 色泽变艳。　 3.内源激素的变化 果实成熟过程中影响最大的是乙烯，因为乙烯可提高质膜透性，提高呼吸速率，刺激水解酶 类合成，促进不溶性物质水解为可溶性物质。 果实在成熟期间，生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯都是有规律地参与代谢反应 的。例如，苹果、柑桔等果实在开花与幼果生长期，生长素、赤霉素和细胞分裂素的含量增 高，苹果在成熟时，乙烯含量达最高峰，而柑桔、葡萄在成熟时，却是脱落酸含量最高( 图 9-5)。 第二节 植物的休眠生理 一、植物休眠的概念和类型 多数植物的生长都要经历季节性的不良气候时期，如温带的四季在光照、温度、降水等方面 差异十分明显，植物如果不存在某些防御机制，在不适宜生长的季节便会受到伤害甚至致死。 休眠(dormancy)是植物的整体或某一部分（延存器官）生长暂时停滞的现象，是植物抵御不 良自然环境的一种自身保护性的生物学特性。 植物的休眠有多种类型: 通常把由于不利于生长的环境条件而引起的植物休眠称为强迫休眠（epistotic dormancy ）； 而把在适宜的环境条件下，植物本身内部的原因而造成的休眠称为生理休眠（physiological dormancy）。一般所说的休眠主要是指生理休眠。 自然界中，植物的休眠有多种形式，一、二年生植物大多以种子为休眠器官；多年生落叶树 以休眠芽越冬；而多种二年生或多年生草本植物则以休眠的根系、鳞茎、球茎、块根、块茎 等度过不良环境。 二、种子休眠的原因和破除 1．种皮限制 一些种子( 如苜蓿、紫云英等种子) 的种皮不能透水或透水性弱，这些种子称为硬实种子。另 有一些种子( 如椴树种子) 的种皮不透气，外界氧气不能透进种子内，种子中的 CO2 又累积 在种子中，因此会抑制胚的生长。还有一些种子( 如苋菜种子) ，虽能透水、透气，但因种皮 太坚硬，胚不能突破种皮，也难以萌发。 现在一般采用物理或化学方法来破坏种皮，使种皮透水透气。有的用蹬擦使紫云英种皮磨损， 有的用氨水(1 ：50) 处理松树种子或用 98%浓硫酸处理皂荚种子 1 小时，清水洗净，再用 40 ℃温水浸泡 86 小时，等等，都可以破除休眠，提高发芽率。 2．种子未完成后熟 有些种子的胚已经发育完全，但在适宜条件下仍不能萌发，它们一定要经过休眠，在胚内部 发生某些生理生化变化后，才能萌发。这些种子在休眠期内发生的生理生化过程，称为后熟 (after-ripening)。一些蔷薇科植物( 如苹果、桃、梨、樱桃等) 和松柏类植物的种子就是这样。 这类种子必需经低温处理，即用湿砂将种子分层堆积在低温(5 ℃左右) 的地方 1～３个月，经 过后熟才能萌发( 图 9-6)。这种催芽的技术称为层积处理(stratification) 。 一般认为，在后熟过程中，种子内的淀粉、蛋白质、脂肪等有机物的合成作用加强，呼吸减 弱，酸度降低。经过后熟作用后，种皮透性增加，呼吸增强，有机物开始水解。研究指出， 糖槭休眠种子在 5℃低温层积过程中，开始时脱落酸含量很高，后来迅速下降。细胞分裂素 先上升，以后随着赤霉素上升而下降( 图 9-7)。小麦、水稻( 粳稻) 和棉花的种子，也需要经过 一段时间的后熟作用，才能萌发。晒种可加快它们的后熟过程。 3．胚未完全发育 有些植物，如欧洲白蜡树和银杏等的果实或种子虽完全成熟，并已脱离母体，但胚的发育尚 未完成。欧洲白蜡树种子的胚在发育完全后，还要求低温(5 ℃左右) 才能萌发。　 4．抑制物质的存在 有些植物的果实或种子，存在抑制种子萌发的物质，以防止种子的萌发。生长抑制剂香豆素， 可以抑制莴苣种子的萌发。洋白蜡树种子休眠是因种子和果皮内都有脱落酸，当种子脱落酸 含量降低时，种子就破除休眠。 在农业生产上，可以把种子从果实中取出，并借水流洗去抑制剂，促使种子萌发，番茄的种 子就需要这样处理。 三、延存器官休眠的打破和延长 　 马铃薯块茎在收获后，也有休眠。马铃薯休眠期长短依品种而定，一般是 40～60 天。 因此，在收获后立即作种薯就有困难，需要破除休眠。 用赤霉素破除休眠是当前最有效的方法。具体的方法是将种薯切成小块，冲洗过后在 0.5～ 1mg/L 的赤霉素溶液中浸泡 10 分钟，然后上床催芽。此外，用晒种法效果也很好，即收获 后晾干 2～３天，使薯块水分减少，然后在阳光下晒种，经常翻动，使薯块各部分受热均匀， 两周左右，芽眼有明显突起，即可切块播种。还可使用硫脲(NH2CSNH2 ）来破除马铃薯块 茎的休眠，用 0.5%硫脲溶液浸泡薯块 8～12h，发芽率可达 90%以上。 　马铃薯在长期贮藏中，渡过休眠期就会萌发，这样就会失去它的商品价值，所以，要设 法延长休眠。在生产上可用 0.4%萘乙酸甲酯粉剂( 用泥土混制) 处理马铃薯块茎，可安全贮藏。 将马铃薯块茎在架上摊成薄层，保持通风，也可安全贮藏 6 个月。 此外，洋葱、大蒜等鳞茎延存器官，在生产上也有因破除休眠而出芽的问题，也可用萘 乙酸甲酯延长休眠。 第三节 植物的衰老生理 一、植物衰老的概念、类型及意义 美国著名植物生理学家 K.V.Thimann(1980)认为：衰老是“导致植物自然死亡的一系 列恶化过程”。据此表明衰老的最终结果导致死亡，这是自然界的必然规律。 植物按生长习性以不同方式衰老，一般将植物衰老分为四种类型。 ①整株衰老 一年生和二年生植物如玉米、冬小麦，通常在开花结实后出现整株衰老死 亡。 ②地上部分衰老 多年生草本植物中，如苜蓿、菊花等，整个地上部分随着生长季节的 结束而死亡，而根继续生存；多年生落叶木本植物的茎和根能生活多年，叶子每年衰老和脱 落。 ③渐近衰老 多年生木本植物较老的器官和组织随时间的推移逐渐衰老脱落，并被新的 器官所取代。小麦、棉花的叶子，新叶片长出来，下部叶片衰老，最终逐渐死亡。 ④器官衰老 在组织成熟过程中，如木质部导管、管胞或壁组织，细胞不断衰老和死亡， 不断新旧更替，而整株植物仍处于旺盛的生长状态；各种器官各有特殊的衰老形式，如雄花 一般花粉散出后不久就衰老脱落，果实成熟后衰老离开母体。 二、植物衰老的变化 由于环境的差异，不同植物衰老过程不尽相同，首先表现在植物体内发生生理生化变化，致 使细胞、器官、整株植物显示具有各自的特征。 （一） 细胞的衰老 主要包括生物膜和细胞器衰老。 生物膜在结构功能上的变化直接影响细胞的生命活动， 膜的衰老是细胞衰老的原因，而细胞衰老又是植物组织，器官衰老的基础。 １ .生物膜的生理生化变化 衰老时由于细胞膜失去选择透性而表现物质大量渗漏。衰老能使膜脂降解，中性脂肪水解（形 成游离脂肪酸而造成毒害作用），其中膜脂的过氧化对膜造成的伤害最重。而膜脂过氧化是 在磷脂酶、脂氧合酶和活性氧的作用下发生的。 Vander Bosch (1982)认为，磷脂酶类包括磷脂酶Ａ1 、磷脂酶Ａ2 、磷脂酶Ｂ、磷脂酶Ｃ、磷 脂酶Ｄ、溶血磷脂酶和脂解酰基水解酶等。其中磷脂酶Ｄ主要存在于高等植物组织中，其作 用后的产物是磷脂酸和胆碱。各种磷脂酶对磷脂的作用部位如图 9-8 所示。这样，在磷脂酶 的作用下，生物膜中的磷脂经磷酸解反应生成许多游离的多元不饱和脂肪酸（如亚油酸和亚 麻酸）。而这些游离的多元不饱和脂肪酸在脂氧合酶的催化下进行一系列生化反应，其最初 产物是含一个或多个顺，顺-1.4- 戊二烯基团的不饱和脂肪酸的氢过氧化物, 而不饱和脂肪酸 氢过氧化物又可作为脂氧合酶的底物进一步产生自由基（图 9-9） ，脂过氧化物接着分解生 成醛类（如丙二醛）和易挥发的烃类（乙烯，乙烷，戊烷）等。这些有害的代谢产物可导致 膜渗漏，促使膜衰老。值得指出的是，脂氧合酶还能催化亚麻酸转变成茉莉酸（JA ） ，现在 证实，JA 是一种促进植物衰老的内源物质，有人称为死亡激素。 ２. 生物膜结构变化 一般正常情况下，幼嫩细胞膜相为液晶相，流动性大。而液晶相膜的形成和流动程度与脂肪 酸链的长短和脂肪酸的不饱和程度密切相关。脂肪酸的链越短，不饱和脂肪酸（亚油酸，亚 麻酸，花生四烯酸）的含量越多，越能增加膜的流动性、柔软性和保持膜的完整性；当有 Ca2+， Mg2+等二价离子结合到磷脂“头”部时能提高膜的稳定性。所以，具液晶相膜的细 胞代谢旺盛，相变温度低，适应性强，能延缓细胞的衰老过程。 研究发现在细胞趋向衰老的过程中，膜脂的脂肪酸饱和程度逐渐增高，脂肪链加长，使膜由 液晶相逐渐转变为凝固相。若处在凝固相的膜中，磷脂尾部处于“冻结”状态，完全失去运 动能力，膜变成刚硬状态，失去弹性。当环境胁迫严重时，冻结状态的膜失去选择透性，产 生渗漏，危及细胞生命。 3.细胞器衰老的特征 由于生物膜衰老，促使细胞器的结构也发生明显的变化，在电镜下观察到核糖体和粗糙型内 质网的数量减少；线粒体内的嵴扭曲收缩或消失；叶绿体肿胀，类囊体解体，间质中的嗜锇 颗粒积累；有膜细胞器破裂，释放出各种水解酶类及有机酸使细胞发生所谓自溶现象，加速 细胞的衰老解体。 （二）器官衰老时的生理生化变化 关于植物衰老研究最多的是叶片和花器官衰老。 １ . 叶片衰老 ①叶片衰老时的生理生化变化 光合色素丧失。衰老时叶片叶绿素逐渐降解，导致叶片失绿，叶色由绿变黄，这是叶片衰老 时最明显的特点；光合速率下降，由于色素的降解导致光合速率下降；此外， Rubisco 分解、 光合电子传递与光合磷酸化受阻也会导致光合速率的下降。 呼吸速率下降。在叶片衰老过程中，线粒体的结构较叶绿体稳定能保持到衰老后期。因此， 呼吸速率下降较光合速率慢。有些植物在衰老开始时呼吸速率仍保持平稳，后期出现一呼吸 跃变，之后则迅速下降。衰老时氧化磷酸化解偶联，产生 ATP 的数量减少使衰老加剧。 核酸的变化。衰老过程中，DNA 和 RNA 的总量下降，但 DNA 的下降比 RNA 缓慢。如： 烟草叶片在衰老的三天内 RNA 下降 16％，而 DNA 只减少 3％。 蛋白质的变化。由于分解加快，合成减弱，叶片衰老时蛋白质含量下降。在蛋白质水解的同 时伴随着游离氨基酸的积累。 植物激素的变化。植物在衰老时，促进生长的植物激素如细胞分裂素、生长素、赤霉素的含 量减少，而诱导成熟和衰老的激素如乙烯、脱落酸的含量增加。 菜豆叶片衰老进程中发生的生理生化变化（如图 9-10） ②叶片衰老时细胞结构的变化 在衰老的开始阶段， 叶肉细胞叶绿体变小，基粒数目减少，核糖体急剧减少，嗜锇颗粒增 加，液泡开始增大。在衰老的中期阶段，叶绿体中的间质类囊体消失；大多数核糖体消失， 内质网变得平滑而肿胀，线粒体变小，嵴粒减少。在衰老的后期阶段，相当于幼叶叶绿体的 1/5，且数量减少（占幼叶的 1/2），叶绿素完全破坏，基粒类囊体完全解体；内质网与高尔 基体消失，线粒体急剧减少；液泡膜断裂，液泡中的水解酶释放到整个细胞中，发生自溶作 用。 ２ .花器官的衰老( 自学) 三、植物衰老的机理 对衰老的研究不仅在于营养方面，而且已经深入到细胞及分子生物学水平，主要有以下三种 学说。 （一）DNA 损伤学说 Orgel等人提出了与核酸有关的植物衰老的差误理论。该理论认为，植物衰老是由于分子 基因器在蛋白质合成过程中引起差误积累所造成的。当错误的产生超过某一阈值时，机能失 常，出现衰老、死亡。这种差误由于 DNA 的裂痕或缺损导致错误的转录、翻译，可能在蛋 白质合成轨道一处或几处出现积累无功能的蛋白质（酶）。无功能蛋白的形成是由于氨基酸 排列顺序的错误，或者是由于多肽链折叠的错误而引起。如 Nakagawa 等（ 1980）曾在马铃 薯中发现了氨基酸顺序错误的无功能酶，而 Gershon（ 1985）则发现多肽链折叠错误的蛋白 酶。结果造成代谢紊乱，启动衰老。 某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射、化学诱变剂等因素的作用下使 DNA 受损伤，同 时 DNA 结构功能遭到破坏，DNA 不能修复，使细胞核合成蛋白质的能力下降，造成细胞 衰老。研究认为，当紫外线照射时能使 DNA 分子中同一条链二个胸腺嘧啶碱基对形成二聚 体，影响 DNA 双螺旋结构，转录、复制、翻译受到影响。 （二）遗传程序学说 Russel等认为：机体的一切都由基因决定，所 以一切衰老过程都是基因控制的。Thnitiel 等学者还提出多因子学说，认为衰老是多种因素共同作用的结果。 （三）自由基损伤学说 植物衰老的自由基假说较受重视。该学说认为植物衰老是由于植物体内产生过多的自由基， 对生物大分子（如：蛋白质、叶绿素、核酸等）有破坏作用，使植物体及器官衰老、死亡。 正常情况下，植物体内自由基的产生和清除是平衡的。当植物遇到不良环境时，自由基的产 生增加，而清除能力下降，从而加速植物衰老。 1.生物自由基的概念 生物自由基（Free Radical ）是指生物体内代谢产生的一些具有未配对（奇数）电子的原子、 原子团、分子或离子。 自由基在植物体内种类很多，其中氧自由基最为重要（图 9-12），分为二类：一是无机氧自 由基，如超氧自由基（Ｏ 2 -. ）和羟基自由基（·OH ） ；二是有机氧自由基，如过氧自由基 （ROO ˉ）、烷氧自由基（RO ˉ）、多元不饱和脂肪酸（PUFA ）自由基和半醌自由基。 此外，由于单线氧 1 Ｏ 2 、 H 2 O 2 、 NO、 NO 2 等分子中虽然无奇数电子，但氧化能力很强，属于 活性氧范畴，它们也列为自由基，一并讨论。 活性氧是指化学性质活泼，氧化能力很强的含氧物质的总称。包括氧自由基和含氧非自由基。 活性氧不等于自由基，但自由基属于活性氧范畴。自由基和活性氧之间的关系。 2.自由基的产生 自由基的产生部位主要在细胞壁、细胞核、叶绿体、线粒体及微体等。单电子的氧化还原反 应，共价键的断裂（共用的电子对分属于两个原子），高能辐射及光分解（主要是紫外光） 均可产生自由基，尤其在逆境条件（如高温、干旱、 低温、大气污染）可引起自由基的产 生。现介绍三种自由基的产生过程。 （ 1） 1 Ｏ 2 的产生 ① 叶绿素作为叶绿体内的主要光敏化剂在吸收光能后可由基态跃迁转变成单线态叶绿 素分子（1Chl）， 1Chl可通过系统交叉方式进一步形成三线态叶绿素（3Chl）。 3Chl可将能量 传给Ｏ2 产生三线态氧（ 3 Ｏ 2 ）， 3 Ｏ 2 直接生成 1 Ｏ 2 。 ②通过 Haber-Weiss 反应产生： O 2 .- + H 2 O 2 ──→ 1 O 2 + OH- + ·OH （ 2） O 2 .- 的产生  在光合链电子传递过程中，叶绿体中的某些还原型组分能将电子传递给O 2 形成 O 2 .- 。在 植物衰老或逆境条件下，CO 2 同化受阻，NADP+ 供应减少时会产生较多O 2 .- 。 （ 3）· OH 的产生 ①通过Fenton反应生成·OH : H 2 O 2 + Fe 2+ ── ·OH + OH- + Fe 3+ ②通过 Haber-Weiss 反应产生 此外，在呼吸作用中O2 经呼吸链还原反应也可产生O 2 .- 、 H 2 O 2 、· OH等自由基。关于由 多元不饱和脂肪酸形成的自由基可参看图 9-13。 3.自由基对植物的伤害作用 在正常情况下，植物体内自由基的产生和清除处于动态平衡状态，自由基浓度很低，不会引 起伤害，也不会造成植物衰老。但当植物进入衰老阶段或遭受某种环境胁迫（如干旱、低温 等）时，体内自由基会增多，使自由基的浓度超过伤害阀值，就会使细胞内的一些生物大分 子（蛋白质、叶绿素、核酸等）发生氧化，特别是膜脂中的不饱和脂肪酸的双键，由于电子 密度大，最易受到自由基的攻击而发生过氧化作用，加速植物细胞衰老和死亡。 （ 1）自由基对核酸的损伤：植物代谢过程中产生的自由基如·H 、·OH 和O 2 .- ，通过 加成反应· H和· OH夺氢使碱基降解破坏，并诱发新的嘌呤自由基和嘧啶自由基，再与O 2 .- 、· H 等反应生成氢过氧化物；通过夺氢（H ）反应使 DNA 的脱氧核糖形成自由基。这样使碱基 缺失或者使主链断: （2 ）自由基对脂的损伤: 自由基对脂的损伤主要表现为脂质的过氧化作用，即自由基 对类脂中的不饱和脂肪酸引发产生的一系列自由基反应。由于脂质过氧化不仅严重影响膜脂 的有序排列和膜酶的空间构型，而且使膜透性增大，细胞内的物质外渗，致使细胞代谢紊乱； 并且脂质过氧化又引发新的自由基的产生，使脂质进一步氧化，产生恶性循环。脂质过氧化 的过程如图 9-13。 研究认为，脂质过氧化产生的脂过氧化物（ROOH ）可以分解为丙二醛（MDA ） ，后者 能与带游离氨基的化合物（如蛋白质、核酸、磷脂酰乙醇胺等）发生交联反应，形成具有共 轭二烯的许夫（Schiff ）碱基结构（ -N=C -C=C-N=）的脂褐素（Lipofuscin ，LPF ）。 （ 3）自由基对蛋白质的损伤: 由脂质过氧化过程产生的脂性自由基（如 RO.、ROO. ） 能引发膜蛋白（包括膜酶）发生聚合和交联，是自由基对蛋白质损伤的主要形式。有 4 种方 式: 第一种方式，脂性自由基对蛋白质硫氢基的攻击：在自由基的引发下，能使蛋白质的硫 氢基（-SH）氧化成二硫键（-S-S- ），使蛋白质发生分子间的交联。 RO.、ROO. R1-SH+HS-R2 ──── R1-S-S-R2+H 2 0 第二种方式， 脂性自由基对蛋白质的氢抽提作用: 脂性自由基（如 ROO.）能对蛋白质分子 （P ）引发氢抽提作用，即自由基夺取蛋白质分子中的氢， 形成蛋白质自由基（P. ） H 抽提反应 ROO. + PH ──── P. + ROOH 第三种方式，蛋白质自由基与蛋白质分子的加成反应，由于脂性自由基的氢抽提作用而 产生的蛋白质自由基（P. ）能与另一分子的蛋白质发生加成反应， 生成二聚蛋白质自由基 （PP. ）；如不将其猝灭，可继续与蛋白质分子加成产生多聚蛋白质自由基[P （P ）nP.] 。 加成反应 P. + P ──── PP. 多次加成反应 PP.+Pn────────P （P ）nP. 第四种方式，丙二醛对蛋白质的交联作用；脂质过氧化的最终产物丙二醛（MDA ）能 与蛋白质等生物大分子产生交联反应。从形成的产物看，由丙二醛引发的这种交联反应既可 在蛋白质分子内进行，也可在蛋白质分子间进行。丙二醛与两个蛋白质分子交联形成的物质 叫脂褐素（LPF ）。植物在衰老过程或逆境条件下，叶绿体内既可产生脂褐素。 （四）程序性细胞死亡理论 程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD ）是指胚胎发育、细胞分化及许多病理过程中， 细胞遵循其本身的程序，自动结束其生命的生理性死亡过程。1972 年， J. F. R. Kerr 将这种 现象称为细胞凋亡（apoptosis ）。程序性细胞死亡包括一系列特有的形态学和生物化学变化， 这些变化都涉及到相关基因的表达和调控。 目前发现在植物胚胎发育、细胞分化和形态建成过程中普遍存在程序性细胞死亡。叶片 衰老过程中包括大量有序事件的发生，如有些植物的叶子是按照它们特有的发育顺序相继变 黄、衰老、死亡和脱落；有些植物在某一段时间内形成的所有叶子会在同一时间全部衰老死 亡。因此，L. D. Nooden （1998）认为叶片衰老是一个程序性细胞死亡过程。实验证明，叶 片衰老是在核基因控制下，细胞结构（叶绿体、细胞核等）发生高度有序解体、细胞内含物 降解的过程，在这一过程中大量矿物质和有机物在细胞解体后有序地向非衰老细胞转移而被 利用。程序性细胞死亡理论已成为倍受关注的细胞衰老学说。 植物衰老除以上讲的各种学说外，还与内源激素有关。研究表明，除了 ABA 和 ETH 被称 为植物衰老激素之外，在 1978 年由 Nooden 和 Leopold 等学者首次提出，茉莉酸（jasmonic acid， JA）和茉莉酸甲脂（ methyl jasmonate， MJ）也被称为死亡激素，不仅抑制植物的生 长，而且能促进植物的衰老，加快叶片中叶绿素的降解，提高蛋白酶和核糖核酸酶类的活性， 加速生物大分子的降解，使进植物衰老的作用比 ABA 还强。 四、植物衰老的调节 依据植物衰老的多因子学说，植物衰老受多种内外因素的调控，是一个相当复杂的问题。 （一）、环境对植物衰老的影响 1．温度 低温和高温能诱发自由基的产生，导致生物膜相变，使植物衰老. 2．光照 光下能延缓植物衰老，暗中加速衰老。暗中能产生 ABA 促进气孔关闭，强光和紫外光促进 植物体内产生自由基，这些能够诱发植物衰老；日照长度对衰老有一定影响，长日照促进 GA 合成，利于生长，短日照促进 ABA 合成，利于脱落，加速衰老；光可抑制叶片中 RNA 的水解，在光下 ETH 的前体 ACC 向 ETH 的转化受到阻碍；红光可阻止叶绿素和蛋白质含 量下降，远红光则能消除红光的作用。 3．气体 O 2 浓度过高能加速自由基的形成，超过自身的防御能力引起衰老。O3 污染环境可加速植物 的衰老过程。CO 2 浓度 5％～10％并结合低温，可延长果实和蔬菜的贮藏期。 4．水分 在水分胁迫下能促进 ETH 和 ABA 形成，加速植物的衰老。 5．矿质 缺Ｎ叶片容易衰老；Ag ＋ （10-10 ～10-9mol/L）、Ni 2+ （10-4mol/L ）能延缓水稻叶片的衰老， 因为Ag ＋ 是植物体内ETH 的清除剂；Ni 2+ 则能抑制植物体内合成ETH 和ABA 。 （二）、植物自身对衰老的调节 1．激素调节 叶片衰老受多种植物激素的调控。除 ABA 和 ETH 促进衰老外， CTK、 GA 及低浓度的 IAA 有延缓衰老的作用。 2．自身保护调节 植物为了适应环境，在新陈代谢过程中，不仅生成自由基，而且也形成一系列清除自由基的 多重防护体系。 凡是植物体内的抗氧化体系（包括抗氧化物质和抗氧化酶类）都能有效地清除自由基，这类 物质统称为自由基活性氧清除剂。它们在植物体内的浓度高低和活性强弱，均与植物的衰老 进程和抗性有着密切关系。 （ 1） 抗氧化物质（非酶保护体系） ：植物体内的抗氧化剂如还原型谷胱甘肽、维生素Ｃ、 类胡萝卜素、维生素Ａ、维生素Ｅ、细胞色素（Ｃytf ）、质蓝素（PC ）、等。主要清除H 2 O 2 、 ROO.、 O 2 .- 等自由基。类胡萝卜素是 1 Ｏ ２ 的有效猝灭剂，具有保护叶绿素防止光氧化的作用。 最近研究表明，植物体内的一些次生代谢物如花色素、黄酮等酚类物质具有较强的清除自由 基的能力。 （ 2） 抗氧化酶类（酶促防护体系） ：在植物体内， 这类酶主要有超氧物歧化酶（SOD ）、 过氧化物酶（POD ）、过氧化氢酶（CAT ）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX ）、谷胱甘肽还原 酶（GSH-R ）等，被称为细胞的保护酶系统。其中，尤以 SOD 最重要。 SOD 是一种含金属的酶，分为三种类型： 一是含 Mn 的 SOD（Mn-SOD ），主要存在于细菌线粒体中，分子量为 40KD，由两个分子 量相等的亚单位组成，每个亚单位含一个 Mn。目前在真核细胞线粒体中也提取出一种与 Mn-SOD 相似的酶，分子量为 80KD。 二是含 Fe 的 SOD（Fe-SOD ），存在于蓝绿藻及二种海洋细菌中，分子量为 40KD，在大肠 杆菌中也发现有 Fe-SOD。 三是含 Cu、 Zn 的 SOD（Cu-ZnSOD），主要存在于真核细胞的细胞浆中，分子量为 32KD， 由两个亚单位组成，Cu 与 Zn 之比为 1:1。酶活力与 Cu 有关，酶结构稳定性与 Zn 有关。 SOD主要清除O 2 .- ，其作用机理是使O2.- 发生歧化反应，生成O ２ 和H ２ O２ ，后者被过氧化氢酶 进一步分解为H ２ O和O ２ ： SOD O 2 .- + O 2 .- + 2H + ────→O 2 + H 2 O 2 由 SOD催化形成的H 2 O 2 以及其它过程中产生的H 2 O 2 ，可以通过 Haber -Weiss反应产生 更多的自由基，造成更为严重的损伤。所以，及时清除 H 2 O 2 是至关重要的。事实上，POD 和CAT 均能消除H 2 O 2 ，从而阻止Haber-Weiss 反应的发生。 POD AH2＋H 2 O 2 ─────→ A ＋2H 2 O CAT H 2 O 2 ＋H 2 O 2 ─- ───- →O 2 ＋2H 2 O 3．多胺调节 这类物质对延缓植物衰老的作用不容忽视，由于 PA 能够稳定核酸（尤其是 DNA）和蛋白 质的结构；促进核酸和蛋白质的生物合成；能抑制 RNA 酶和蛋白酶的活性，因而防止核酸 与蛋白质的水解，此外，PA 具有稳定膜的功能特别是稳定类囊体膜，有利于阻止叶绿素的 丧失；PA 还能抑制 ETH 的合成，从而阻止由 ETH 引起的衰老。 4．核酸调节 核酸对植物衰老的调节主要通过蛋白质合成而起作用。 IAA、 GA、 CTK 能促进核酸的合成； ABA 能抑制 RNA 聚合酶，阻止ｍRNA 转录； ETH 引起特定 mRNA 转录，导致纤维素的合 成。 第四节 器官脱落的生理 一、器官脱落的概念 植物器官（如叶片、花、果实、种子或枝条等）自然离开母体的现象称为脱落 （abscission）。 脱落可分为三种： 一是由于衰老或成熟引起的脱落叫正常脱落，如叶片和花朵的衰老脱落，果实和种子成熟后 的脱落，这是一种正常的生理现象； 二是因环境条件胁迫（高温、低温、干旱、水涝、盐渍、污染）和生物因素（病、虫）引起 的脱落叫胁迫脱落；三是因植物本身生理活动而引起的脱落叫生理脱落，比如营养生长与生 殖生长的竞争、源与库的不协调（尤其是库大源小）、光合产物运输受阻或分配失控均能引 起生理脱落。 胁迫脱落与生理脱落都属于异常脱落。在生产上异常脱落现象普遍存在。 二、器官脱落的机理及其影响因素 （一）离层与脱落 一般来说，器官在脱落前必须形成离层（separation layer ）。离层位于叶柄、花柄、果柄 以及某些枝条的基部。现以叶片为例说明离层形成过程。 在叶柄基部的经横向分裂而形成的几层细胞，其体积小，排列紧密，有浓稠的原生质和较多 的淀粉粒，核大而突出，就是离层（图 9-14）。 离层是器官脱落的部位，一般于叶片达最大面积之前形成；而在叶片行将脱落之前，离层细 胞衰退、变得中空而脆弱，果胶酶与纤维素酶活性增强，细胞壁的中层分解，细胞彼此离开， 叶柄只靠维管束与枝条相连，在重力与风力等的作用下，维管束折断，于是叶片脱落。当器 官脱落后暴露面木栓化所形成的一层组织叫保护层，免受干旱和微生物的伤害。 器官脱落时离层细胞先行溶解（图 9-15），木本植物叶片脱落通常是位于两层细胞间的 胞间层先发生溶解，于是相邻两个细胞分离，分离后的初生细胞壁依然完整；或者是胞间层 与初生壁均发生溶解，只留一层很薄的纤维素壁包着原生质。而草本植物通常是一层或几层 细胞整个溶解。 绝大多数植物只有在离层形成后叶片才脱落，但也有例外。有些植物不产生离层（禾谷类） 叶片照样脱落；有些植物虽有离层叶片却不脱落。可见离层的形成并不是脱落的唯一原因， 然而却是绝大多数植物脱落的一个基本条件。 （二）激素与脱落 由于植物衰老导致器官脱落，这与植物的内源激素有关。 １. 生长素 生长素（IAA）对植物器官的脱落效应与处理部位、浓度有关。一般认为， 较低浓度 IAA 能促进器官脱落，而较高浓度的 IAA 则能抑制器官脱落。用四季豆切取具 有叶柄的茎段试验发现，如果处理离层远茎的一端（远轴端），可降低脱落；如果处理离层 距茎近的一端（近轴端）可促进脱落（图 9-16）。 F.T.Ａddicott 等人于 50 年代提出脱落的生长素梯度学说： 该学说认为不是叶柄内生长素的 绝对含量，而是横过离层两端生长素的浓度梯度影响脱落。即生长素含量远轴端大于近轴端 时，离层不能形成，叶片不脱落；如生长素含量远轴端小于近轴端时，离层能形成，因而产 生脱落。有人推测，IAA 含量高的器官，是个强库，能够“吸引”更多的营养物质。 ２. 乙烯 乙烯（ ETH）能诱发纤维素酶和果胶酶的合成，并能提高这两种酶的活性， 使离层细胞壁溶解而引起器官的脱落（图 9-17）。 Ｏsborne(1978) 研究认为双子叶植物的离层内存在着特殊的 ETH 反应靶细胞，受 ETH 激发， 使其分裂扩大，并产生和分泌多聚糖水解酶，使细胞壁中胶层和基质结构疏松，导致脱落。 可是禾本科植物的叶片不存在离层，ETH 对这类植物不起脱落作用。 有人还认为叶片脱落前 ETH 作用的最初部位不在离层，而在叶片中， ETH 可阻碍 IAA 向离 层转移（极性运输），提高了离层细胞对 ETH 的敏感性，即使在 ETH 含量不再增加的情况 下也可导致脱落。此外，ETH 能提高 ABA 的含量。 ３. 脱落酸 ABA 促进叶片脱落。正常生长的叶片中 ABA 含量极微，而衰老叶片中含 量增高，秋天短日照促进 ABA 的合成，因此该季节落叶与此有关。 ABA 促进脱落的机理可能与其抑制叶柄内 IAA 的传导和促进分解细胞壁酶类的分泌有关。 但 ABA 促进脱落的作用低于 ETH。而 GA 与 CTK 能够拮抗 ABA 的合成，所以能抑制器官 的衰老和脱落。 （三）营养与脱落 一般来说碳水化合物和蛋白质等有机营养不足是花果脱落的主要原因之一。受精的子 房在发育期间需要大量的氨类构成种子的蛋白质及大量的碳水化合物用于呼吸的消耗。用遮 光试验，由于光线不足，碳水化合物减少，极易引起棉铃脱落。 （四）外界条件对脱落的影响 １. 温度 温度过高或过低对脱落有促进作用， 其机理主要是通过影响酶的活性。棉花在 30℃以上， 四季豆在 25℃以上脱落加快。在大田，高温能引起土壤干旱促进脱落，而秋季低温是影响 树木落叶的重要原因之一。 ２. 氧气 提高Ｏ2 浓度到 10％以上，能促进 ETH 合成，增加脱落，还能增加光呼吸，消耗过多的光 合产物；低浓度的Ｏ2 抑制呼吸作用，降低根系对水分及矿质的吸收，造成发育不良。 ３. 水分 干旱引起植物叶、花、果的脱落，减少水分散失，使植物适应环境。干旱导致植物体内各种 内源激素平衡的破坏，能提高 IAA 氧化酶的活性，使 IAA 含量及 CTK 活性降低，促使离 层的形成而导致脱落。淹水条件下使土壤中氧分压降低，产生 ETH，导致叶、花、果的脱 落。 ４. 矿质 缺乏 N、Zn 能影响 IAA 的合成；缺少 B 会使花粉败育，引起花而不实；Ca 是细胞壁中果 胶酸钙的重要组分；所以缺乏 B、Zn 、Ca 能导致脱落。 ５. 光照 强光能抑制或延缓脱落，弱光则促进脱落，如作物密度过大时常使下部叶片过早脱落，原因 是弱光下光合速率降低，糖类物质合成减少；长日照延迟脱落，短日照促进脱落，可能与 GA 和 ABA 的合成有关。 综上所述，器官脱落受多种因素的综合影响，研究延迟或促进植物器官的脱落对农业 生产都很重要。如苹果采收前的落果，既降低产量又影响品质，可在采收前使用生长素类物 质延迟果实脱落。一般可延迟一周或更长。国外常采用乙烯合成抑制剂 AV G 等防止果实脱 落，效果显著。生产上也常采用促进脱落的措施，常用的脱落剂有乙烯利、2 ， 3-二氯异丁 酸、氟代乙酸等，生产上施用乙烯利促使棉花落叶，便于棉铃吐絮和机械采收。