光周期对雌、雄花的分化影响较大，一般是短日照促使短日植物多开雌花；长日照促使长日植物多开雌花。光周期诱导开花的强度还能调控发育中花的性别，例如苍耳如给予最少的短日光周期诱导时只能产生雄花；反之，如给予多次短日光周期诱导则产生两性花，性别常与诱导开花过程强度相联系。 对某些植物，高氮水平促进雄花分化（如黄瓜），而对另一些植物（如秋海棠）却促进雌花分化。 植物激素对花的性别分化也有影响。GA可促进黄瓜雄花的分化。生长素、乙烯可促使黄瓜雌花的分化，这在生产上已有应用。 在雌雄同株植物中，雄花与雌花在株上分布有其特点，如南瓜植株在早期只能产生雄花，其后出现两性花、雌花。也有相反的，如苏格兰松（Scotchpine），最初产生的是雌花，随年龄增长出现雄花。 此外，伤害也可使雄株转变为雌株，比如将番木瓜的雄株砍伤后，可开雌花，结出果实；黄瓜茎折断后，长出的新枝全开雌花。这可能是植株损伤后，产生伤害乙烯的缘故。第十一章 植物的生殖、成熟与衰老 植物的生殖生长阶段，包括花的形成和开放，传粉和受精，果实和种子的发育、成熟、衰老和脱落等。这是植物生活史中的一个重要阶段，它与植物种的保存和延续有直接关系。许多植物的果实和种子，是动物和人类的食物。因此，对植物的生殖与衰老的研究，对于培育良种，提高作物的产量和质量，做好农产品的保鲜、贮藏等，有着重要的理论及应用意义。第一节 授粉生理 成熟的花粉是种子植物的雄配子体。根据内部结构不同，花粉可分为两类：一类是由一个营养细胞和一个生殖细胞组成的二核花粉，如棉花、百合等的花粉；另一类是由一个营养细胞和两个精子组成的三核花粉，如小麦、白菜等的花粉。一、花粉的化学成分 花粉是由双层壁组成的。外壁除了花粉素、纤维素和角质等物质外，还含有一种主要是糖蛋白的蛋白质。花粉的内壁薄，是由果胶质和胼胝质组成的，也含有丰富的蛋白质。 花粉中含有碳水化含物、脂类、维生素、氨基酸、色素、酶和植物激素等。 花粉中含有大量的碳水化含物，主要为淀粉、葡萄糖、果糖和蔗糖。淀粉含量的多少，可作为判断花粉发育是否正常的指标。正常的小麦花粉含有葡萄糖、果糖和蔗糖，而不育花粉中缺乏蔗糖。研究指出，在正常花粉中脯氨酸的含量很高，一般占花粉干重的0.2%～2%，而不育花粉中几乎没有脯氨酸，但其天冬酰胺的含量却很高。在伸长的花粉管中，脯氨酸集中分布在花粉管的顶端，表明它与花粉管的生长有关。 花粉中的色素主要有类胡萝卜素和花青素苷等。色素分布于花粉外壁上，主要功能是吸引昆虫传粉和防止紫外线对花粉的破坏。 花粉中含有80多种酶，主要有氧化还原酶、水解酶、异构酶等，除了与光合作用有关的酶以外，其它有关代谢的酶基本上都有。在授粉后，有些酶可催化花粉与雌蕊中的物质转化，促进花粉的萌发以及花粉管的生长。 花粉中含有生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯、芸苔素及抑制物质等。花粉内还含有维生素E，C，B1和B2等。激素和维生素对于传粉、受精和结实起着重要的调节作用。二、花粉的寿命和贮藏 在自然条件下，各种植物花粉的生活力有很大差别。有的寿命很短，只有几分钟，例如水稻花粉。小麦花粉寿命约几小时，玉米约1～3天，荞麦约9～10天。有的寿命较长，如苹果的花粉可保持70～120天，向日葵的花粉可保持一年。 花粉的生活力与环境条件有关，主要是受温度和水分的影响。在高温、极度干旱或过度潮湿的条件下，花粉都容易丧失生活力。另外，花粉寿命还受环境中氧气浓度和光照条件的影响。 为培育优良品种，有时需要利用异地的花粉。在杂交育种中，会碰到亲本开花时间不同的问题。因此，有的花粉需要进行贮藏以延长其寿命。 一般花粉在1～5℃的低温和相对湿度6%～40%的条件下保存比较适宜，但禾本科植物的花粉贮藏的相对湿度要求大于40%。花粉在低温中呼吸强度下降，减少了贮存物质的消耗，因而寿命得以延长。有些花粉在0℃以下的低温中保存，效果较好。如梨的花粉在-17℃贮藏9年仍有一定的萌发力；苹果的花粉在-15℃下贮藏9个月，仍保持95%的萌发力。 花粉在贮藏过程中，由于贮存物质的消耗，酶活性下降和水分的过度缺乏，花粉生活力逐渐降低。花粉贮藏较久，泛酸的含量会大大下降，泛酸是辅酶A的重要成份，它在呼吸及其它代谢中起着重要的作用。因此，花粉的泛酸减少，会使其生活力下降。三、柱头的受粉能力 雌蕊柱头的生活力与其受粉能力有关。一般来说，柱头的生活力比花粉的长。在一般情况下，开花后的柱头就具有受粉能力，以后加强，达到高峰后下降。例如，水稻柱头的生活力可维持6～7天，但其受粉能力日渐下降，因此，开花当天受粉能力最强，花粉萌发率高（图11-1）。小麦柱头在麦穗抽出2/3时，就具有受粉能力，但当麦穗完全抽出后第三天，受粉能力最强，此时授粉结实率最高，第六天后结实能力下降，柱头生活力可保持9天。玉米花柱（即花）长达穗长一半时，柱头就有受粉能力，花柱抽齐后1～5天时，受粉能力最强，6～7天后开始下降。 在生产上进行人工授粉时，要注意在柱头受粉能力最强的时候进行，这样才能提高花粉萌发率和结实率。四、花粉的附着与识别 1.花粉的附着 雌蕊成熟后，柱头表面形成许多小突起，是由于其表皮细胞变为乳状突起或毛状所致，这有利于花粉的附着。同时，柱头还分泌油状液粘住花粉。这种油状粘液的主要成分是十五烷酸、2，2-二羟基硬脂酸、亚麻酸、蔗糖、果糖、葡萄糖和硼等。用蛋白酶或蛋白质合成的抑制剂处理柱头，会使粘附能力下降，这表明柱头蛋白的持续合成是花粉粘附所必须的。 2.花粉与柱头的相互识别 落在柱头上的花粉能否萌发，导致受精，决定于花粉与柱头之间的“亲和性”。许多植物既有杂交不亲和性，也有自交不亲和性，就是雌蕊柱头只允许同种植物的花粉萌发，或者只允许同种植物的异株花粉萌发。花粉与柱头相互识别是亲和性的基础。识别是指两类细胞结合中，要进行特殊的反应，各从对方获得信息并以物理或化学的信号来表达的过程。 识别的机制主要有两种： （1）识别与花粉所含特殊色素和柱头所含特殊酶类有关。比如，连翘具有两种类型的两性花：一种是雌蕊长雄蕊短的长柱花，另一种是雌蕊短雄蕊长的短柱花。并且每一植株上只能形成一种类型的花。因此，连翘不仅自花不育，而且异株同类型的花也不育（图11-2）。这是因为两种类型花的花粉中含有不同的花青素苷，即短柱花的花粉中含有芸香苷，长柱花的花粉中含有槲皮苷，这两种色素都能抑制其本身花粉的萌发。但在不同类型花的柱头上，具有分解不同类型花粉中色素的酶，即短柱花的柱头上含有破坏槲皮苷的酶（不能破坏芸香苷），而在长柱花的柱头上含有破坏芸香苷的酶（不能破坏槲皮苷），这就保证了长柱花的花粉只能在短柱花的柱头上萌发，而短柱花的花粉也只能在长柱花的柱头上萌发，从而实现不同类型的异花授粉受精。 （2）花粉蛋白和柱头蛋白的相互识别。植物受精过程中，花粉与雌乳间具有亲和性或不亲和性，取决于双方某种蛋白质（花粉外壁糖蛋白和柱头外膜蛋白）分子的相互识别与否。只有相互识别，才能导致受精成功，否则即发生相互排斥，不能受精。这些相互识别的蛋白称为识别蛋白（recognition protein）。Knox（1972）用杨树的杂交试验表明，三角杨只能和三角杨花粉受精结实，白杨（雄）和三角杨（雌）杂交是不亲和的，不能受精结实；但用三角杨死花粉与白杨花粉混合，再和三角杨（雌）杂交，则能克服种间不亲和性（表11-1）。这是由于三角杨死花粉中存在有识别蛋白的缘故。 花粉壁蛋白有两层：外壁蛋白和内壁蛋白（图11-3）。这两层蛋白都易溶于水。业已查明，菊科和十字花科植物花粉的识别蛋白为糖蛋白，糖蛋白在外壁蛋白内。 研究发现，十字花科植物的柱头上有一层亲水的蛋白质膜；Heslop-Harrison等已在80种以上的被子植物中发现这种蛋白质膜的存在。如果用蛋白酶处理柱头，由于蛋白质膜已除去，即使亲和的花粉管也无法穿过角质层。这说明，柱头的蛋白质膜与花粉的识别有关。一般认为，花粉和柱头的识别是通过花粉外壁的糖蛋白和柱头表面的蛋白质膜相互识别实现的。 关于识别蛋白相互识别的反应，目前存在两种看法：①Christ提出，亲和性花粉分泌一种角质酶，消化柱头表面角质层，从而使花粉萌发，花粉管伸长，进入花柱；而不亲和性花粉的角质酶被柱头抑制了，花粉管不能生长。②Heselop-Harrison发现，如果花粉与柱头属于不亲和的，则柱头表面的细胞很快产生胼胝质沉淀，阻碍花粉管进入花柱。五、花粉萌发与花粉管伸长 花粉与柱头相互识别之后，在合适的条件下，花粉粒吸取水分后，其内壁从外壁上的萌发孔向外突出形成细长的花粉管，这一过程称作花粉的萌发。 花粉萌发后，花粉管伸长生长。花粉管是在角质酶的作用下，穿过柱头乳突，通过花柱向子房方向伸长，到达子房后，花粉管尖端弯向珠孔方向，并穿过珠孔，进入胚囊。花粉管在雌蕊中所以能定向生长，是由于雌蕊中存在着向化性物质，花粉管尖端向着向化性物质较多的方向生长而伸长。在金鱼草雌蕊中，从柱头到胚珠，Ca2+呈陡度分布，因此有人认为钙是一种向化性物质。但钙的这种作用在其它植物中未被证实。现在认为，花粉管的向化性生长可能不是由一种物质决定，而是几种物质共同作用的结果。花粉管早期生长是受花粉营养核中所产生的mRNA所控制，只有产生足够的mR-NA之后，花粉管才能生长。 花粉萌发和花粉管伸长需要的条件： （1）糖。向培养基中加入蔗糖，可促进花粉萌发和花粉管伸长（图11-4）。蔗糖的作用，主要是维持培养基一定的渗透势，避免花粉破裂，另外还可作为花粉萌发时的营养物质。通常蔗糖浓度为10%～20%。 （2）硼。硼能促进花粉萌发和花粉管伸长（图11-4）。硼的作用，一是与糖形成复合物，促进糖的吸收与代谢；二是参与果胶物质的合成，有利于花粉管壁的形成。 （3）胡萝卜素和维生素。胡萝卜素可促进花粉萌发和花粉管伸长。维生素B1、B2和C只对花粉管的伸长有利。 （4）pH。大多数植物的花粉在相当大的pH范围内可萌发。但少数植物，如芸香属花粉只有在pH6.5时才能萌发。 （5）温、湿度。一般花粉萌发的最适温度与开花温度差不多，如苹果为10～25℃；葡萄为27～30℃；水稻为30～35℃。如果雨水太多，湿度过大，花粉易破裂，但是太干旱（空气相对湿度低于30%），花粉萌发会受影响，水稻花粉萌发的最适相对湿度为70%～80%。 （6）集体效应。花粉的密度越大，萌发的比例越高，花粉管生长越快，这种现象称为集体效应（group effect）。第二节 受精生理一、受精作用 植物的雄性生殖细胞（精子）与雌性生殖细胞（卵细胞）相互融合的过程，叫做受精作用（fertilization）。被子植物的成熟胚囊包含一个卵细胞、两个助细胞、三个反足细胞和一个含两个极核的中央细胞。花粉管进入珠孔后，通常在一个助细胞中释放一对精子（图11-5）。精子到达卵细胞与中央细胞之间的位置。其中的一个精子与卵细胞结合，发育成胚；另一个精子与极核结合，发育成胚乳，这称为双受精作用（图11-6）。 通过受精，雌雄性细胞融合形成的合子以及由合子发育成的胚具有双亲的遗传性，因此具有很强的生活力与适应力。通常，只有一个花粉管进入胚囊完成受精作用。但有时会有几个花粉管的多个精子进入胚囊，这种现象称为受精的多重性。二、受精引起的代谢变化 多数植物从受粉到受精的间隔时间一般只有几天或几周，但兰科植物和裸子植物受精需要几个月。水稻受粉后30分钟花粉管从珠孔进入胚囊，进行受精。棉花在受粉后36小时左右，烟草在受粉后40小时左右开始受精。 在受精过程中，特别是在受精以后，胚珠及整个子房在生理生化上，发生剧烈的变化。 1.雌蕊的呼吸强度增加 据测定，棉花受精时雌蕊的呼吸强度比开花当天增加2倍。百合花受精时子房立刻出现呼吸高峰，呼吸商也发生很大变化，受精前夕为1.10～1.15，而受精时上升到1.30，受精后又上升到1.43。 2.生长素含量增加 受精后，雌蕊的生长素含量明显上升。据分析，花粉内壁蛋白含有生长素合成酶，花粉具有酶要求的碱性条件，但缺乏色氨酸（IAA合成前体），而雌蕊组织内含有色氨酸，但其pH值低，酶不能发挥作用。当花粉管伸长时，花粉管尖端放出IAA合成酶，并使雌蕊组织成碱性，可合成IAA。随着花粉管的伸长，雌蕊组织生长素的含量依次增加（图11-7）。其增加的顺序与花粉管尖端到达雌蕊组织不同部位的顺序一致。这表明生长素的增加主要是由于花粉管与花柱作用的结果。受精后，子房、胚和胚乳继续合成生长素。除生长素外，在受精后三周的苹果及香蕉幼果中还发现有细胞分裂素类物质。 3.物质的运输与转化加强 由于生长素的迅速增加，使子房成为竟争力很强的代谢库，促使大量营养物质运向子房，以合成果实和种子生长发育所需的各种物质。因此，植株开花结实后，营养生长受到抑制。 受精后细胞中各种细胞器数量增加并进行重新分布，如造粉体与线粒体围绕核排列；核糖体、高尔基体、内质网的数量增多。因此，受精后各种代谢活动明显增强。三、无融合生殖与单性结实 1.无融合生殖 被子植物的胚一般是由受精卵发育而成的。但有些植物的卵，不经过受精就可直接发育成胚，或者由胚珠内的反足细胞，助细胞等发育成胚，形成种子，产生有籽果实。这种不经受精而产生有籽果实的现象，称为无融合生殖。根据胚的来源，无融合生殖可分为几种类型： （1）在减数的胚囊中形成单倍体的胚。其中，由卵细胞形成胚称为孤雌生殖，在天麻属、蒲公英属的一些植物中存在；由助细胞或反足细胞形成胚称为无配子生殖，在葱属、百合属、兰科等植物中存在，它们都是单倍体。 （2）在未减数的胚囊中形成二倍体胚。这种胚囊是由造孢细胞或珠心细胞不经减数分裂形成，它们都是二倍体。 （3）产生不定胚。由珠心或珠被细胞直接发育为胚的现象，称为不定胚生殖。如柑桔存在的多个胚中，只有一个是通过受精作用形成的，其余的都是由珠心细胞进入胚囊而发育成的不定胚。这种不定胚也是二倍体。 2.单性结实 植物不经受精作用，其子房膨大而形成无籽果实的现象，叫做单性结实（parthenocarp）。果实的形成通常需要经过传粉与受精，这是由于花粉诱导雌蕊合成植物激素（主要是生长素），胚乳和胚又继续产生植物激素，刺激子房壁的膨大。但在某些情况下，当雌蕊本身具备足够的内源激素时，即使不受精，甚至不传粉，子房壁也可膨大。 单性结实可分为天然单性结实和刺激性单性结实。 （1）天然单性结实。不经传粉或其它刺激而形成无籽果实的现象，称为天然单性结实，如葡萄、香蕉、柿子、无花果、无核蜜桔等常形成无籽果实。这些植物的祖先本来不是单性结实的。由于在长期的自然条件下，个别植株或枝条发生突变，形成无籽果实，以后人们就用营养繁殖方法把它保存下来，形成无核品种。形成天然单性结实的原因一方面由于花粉败育，另一方面是子房内含有较高的生长素，并在开花前就已开始积累，使子房不经受精而膨大。据测定无核柑桔品种子房内生长素含量比有核品种的高。 （2）刺激性单性结实。是指在外界环境条件的刺激下引起的单性结实。例如，较低温度和较高光强可诱导番茄产生无籽果实。短日照和较低夜温也可诱导瓜类作物单性结实。 利用某些生长物质处理，可人工诱发单性结实。如用低浓度的2，4-D或NAA处理番茄花蕾，以及用GA浸葡萄花序可诱导单性结实，产生无籽果实。 有些植物传粉受精后，由于各种原因使胚停止发育，但其子房或花托等部分继续发育，也形成无籽果实。这种现象称为假单性结实（或伪单性结实），如无核白葡萄、无核柿子等。第三节 果实的生长与成熟 植物受精后，受精卵发育成胚，中央细胞发育成胚乳，胚珠发育成种子，子房壁发育成果皮。由包裹胚珠的组织发育长大而成的整个结构或者是子房连同花托部分一起发育长大而成的结构称为果实。果实的生长发育在生产实践上很重要。果树和粮食作物以及许多种蔬菜的收获部分都是果实。果实生长的好坏，决定作物产量的高低与品质的优劣，因此，果实生长与成熟生理的研究在理论上和实践上都有重要意义。一、果实的生长 与营养生长相似，果实的生长也呈现出“慢-快-慢”的变化，生长累积量曲线也是S形曲线。但不同植物的果实生长曲线有所不同。例如，梨、苹果、香蕉、枇杷、菠萝、草莓、番茄和茄子等的果实只有一个迅速生长期，呈S形生长曲线，而杏、桃、李、枣、樱桃和柿子等的果实有两个迅速生长期，呈双S形生长曲线（图11-8）。 果实的生长发育受植物内源激素的调控，前期以IAA、GA、CTK等促进生长的激素的作用为主，后期至成熟则以ABA和ETH等抑制生长的激素作用为主。 受精后，雌蕊组织中生长素含量增加，幼嫩种子也合成生长素，因此，可调运营养器官的物质到果实中去，从而促进子房的膨大。假如没有生长素和其它激素，果实不能长大。例如，草莓是由花托发育而成的假果，其上面着生许多瘦果。每个瘦果中含有一粒种子，瘦果中含有IAA和其它激素，如把瘦果去掉，花托就不能长大；如在瘦果去掉后用IAA处理，则花托可继续长大（图11-9）。试验还证明，果实生长还需要其它激素，如细胞分裂素，在许多幼果中都发现有细胞分裂素。 吕忠恕等（1979）研究了内源抑制物与柿子子房发育的关系，发现受粉后3天的子房中促进物含量明显增多，而抑制物下降；未受粉的子房抑制物含量仍呈上升趋势，促进物则大量消失，子房也停止生长发育。他们证明，这些抑制物主要是脱落酸和水杨酸。他们认为，决定子房发育的是生长促进物与生长抑制物之间的平衡状态，而不是某种激素的绝对含量。 果实的生长与植物的养分供应有关，如果营养生长过旺，消耗的养分多，果实得不到足够的养分而变小。如结实太多，养料供应不足，果实也变小，且易形成大、小年。二、果实成熟生理 果实在成熟过程中发生如下生理生化变化： （一）呼吸作用的变化 果实在成熟过程中，呼吸速率先是下降，然后急剧上升，最后又下降，这种呼吸速率剧烈升高的现象，叫做呼吸高峰（respiratory climacteric），又称呼吸跃变（图11-10）。 根据果实在成熟过程中有无呼吸跃变的现象，可将果实分成两大类：一类是跃变型果实，如梨、桃、苹果、香蕉、番茄、芒果、西瓜和哈密瓜等；另一类是非跃变型果实，如草莓、柑桔、葡萄和菠萝等。果实出现呼吸跃变，标志着其成熟衰老开始，达到了可食用时期。人们用低温和气调贮藏（降低O2浓度，提高CO2浓度或充N2）的方法以降低果实的呼吸速率和推迟出现呼吸高峰，以达到保鲜的目的。相反，提高温度，增加氧的浓度或施加乙烯，可使呼吸高峰提早出现，加速果实的成熟。 这两类果实在成熟期间呼吸产生差异的原因，可能与乙烯含量、贮藏物质以及一些酶的活性变化有关。 跃变型果实在成熟过程中，有大量乙烯产生，具有自我催化的特性，乙烯产生的高峰在呼吸高峰之前或同时出现（图11-11）。乙烯可提高质膜透性，提高呼吸速率；乙烯还可刺激水解酶类合成，促进不溶性物质水解为可溶性物质。外源乙烯可使呼吸高峰提前出现，但不能使呼吸峰高度增加；并能催化这类果实本身产生乙烯。非跃变型果实在成熟过程中乙烯含量变化不大，外源乙烯不能诱导果实自我催化产生乙烯。 在贮藏物质方面，跃变型与非跃变型果实是不同的。一般来说，跃变型果实含有大量的淀粉和脂肪，在成熟过程中通过呼吸作用进行转化。非跃变型果实不含不溶性的大分子化合物，在成熟过程中慢慢利用可溶性物质。 另外，跃变型果实在成熟过程中水解酶类与呼吸酶类的活性增强，而非跃变型果实在成熟过程中的呼吸酶活性保持恒定或下降。 （二）果实内物质的变化 肉质果实在成熟过程中通过贮藏物质转化导致色、香、味等变化。 1.糖类物质转化 随着果实成熟，淀粉酶、转化酶、蔗糖合成酶的活性升高，使不溶性的淀粉转变成可溶性的蔗糖、葡萄糖和果糖，因此果实的甜味增加。例如，香蕉在成熟过程中，淀粉几乎全部变成可溶性糖；苹果在成熟过程中淀粉水解较慢（图11-12）。 2.有机酸的变化 未成熟的果实中含有大量有机酸，主要是柠檬酸、苹果酸和酒石酸等，因此具有酸味。随着果实的成熟，酸度下降，这是因为有机酸一部分转化为糖类，一部分由于呼吸作用变成了CO2与H2O，还有一部分与K+，Ca2+等中和生成盐。 3.单宁物质转化 未成熟的柿子、李、香蕉、梨、苹果等具有涩味，是因为这些果实内含有许多单宁类物质。当果实成熟时，单宁被过氧化物酶氧化成过氧化物，或者凝结成不溶性的单宁盐；还有一部分单宁可水解成葡萄糖，因此涩味消失。 4.芳香物质的产生 果实在成熟过程中，本身可产生一些具芳香味的物质，主要是醇类、酯类和醛类。如香蕉的乙酸乙酯，柑桔的柠檬醛等。 5.果胶物质转化 未成熟的果实很硬，是由于细胞壁中含有不溶于水的原果胶。随着果实的成熟，原果胶酶和果胶酶的活性提高，将原果胶水解为可溶性的果胶、果胶酸和半乳糖醛酸。由于胞间层溶解，果肉细胞彼此分离，果肉就变软。另外，果肉细胞中淀粉酶使淀粉粒减少，纤维素酶使纤维素含量降低，也会使果实由硬变软。 6.果色的变化 果实在未成熟前由于果皮含有大量的叶绿素而呈绿色。随着果实的成熟，果皮转变为黄色、橙色、红色等，这是由于叶绿素分解和其它色素（类胡萝卜素或花青素苷）显色所致。第四节 种子成熟生理一、种子成熟过程的生理生化变化 被子植物种子胚的发育，是从卵受精形成合子开始，经过细胞分裂，分化为成熟的胚。胚乳的发育，是在胚发育之前，其发育可分为两类：禾谷类种子，在胚发育期间胚乳也发育并逐渐膨大；豆类种子，在胚发育时胚乳组织被吸收，因此成熟时没有胚乳，营养物质贮藏在子叶中。种子在成熟过程中的代谢变化与种子在萌发过程中的代谢变化基本上是相反的。前者以合成代谢为主，而后者以分解代谢为主。 （一）贮藏物质的变化 1.糖类的变化 小麦、水稻、玉米、豌豆、菜豆和蚕豆等种子的贮藏物质以淀粉为主，通常称为淀粉种子。这些种子在成熟过程中，可溶性碳水化合物逐渐降低，而不溶性的碳水化合物不断增加（图11-13，图11-14）。淀粉是由可溶性糖转化而来的。在形成淀粉的同时，还形成纤维素和半纤维素。禾谷类种子的成熟要经过乳熟、糊熟、蜡熟和完熟等阶段，淀粉的积累以乳熟期和糊熟期最快，这时干重迅速增加。 淀粉种子成熟期间，碳水化合物的变化主要有两个特点：①由可溶性糖转化为淀粉和纤维素等。②催化淀粉合成的酶类的活性提高，这些酶主要是Q酶、淀粉磷酸化酶、腺苷（或尿苷）二磷酸淀粉转葡萄糖基酶。 2.脂肪的变化 花生、大豆、芝麻、油菜、向日葵等种子含脂肪量很高，称之为脂肪种子。油脂种子在成熟过程中脂肪代谢具有如下特点：（1）随着种子重量的不断增加，脂肪含量不断提高，而淀粉和可溶性糖含量相应下降（图11-15），说明脂肪是由碳水化合物转化来的。（2）种子的酸价（指中和1克油脂中游离脂肪酸所需KOH的毫克数）逐渐降低，表明种子成熟初期含较多的游离脂肪酸，在成熟过程中游离脂肪酸逐渐减少。（3）种子的碘价（指100克油脂所能吸收的碘的克数）逐渐提高，表明组成油脂的脂肪酸不饱和程度与数量增加。种子成熟初期先形成饱和脂肪酸，以后再由去饱和酶的催化下，由饱和脂肪酸变为不饱和脂肪酸（图11-16）。 3.蛋白质的变化 豆科植物种子以及某些淀粉种子（小麦，玉米等）含较多的蛋白质。种子中的蛋白质，是由叶片和其它器官中的氮素以氨基酸或酰胺的形式运到种子中再合成的。豆科种子在成熟过程中，先在荚中合成蛋白质，成为暂时的贮存状态，然后以酰胺态运至种子，转变为氨基酸，再由氨基酸合成蛋白质（图11-17）。 4.非丁的变化 当种子成熟脱水时，Ca，Mg与Pi肌醇结合形成非丁（phytin）（植酸钙镁）。其反应式为： 水稻种子成熟时，有80%的Pi以非丁形式存在，贮存于糊粉层中。当种子萌发时，非丁分解释放出Pi、Ca和Mg，供给胚生长用。 （二）内源激素的变化 种子成熟受到多种内源激素的调控，因此，种子中内源激素的种类和含量不断发生变化。例如，小麦种子在发育和成熟过程中，各种激素呈现有规律的变化：受精后，GA含量提高，第三周达到高峰，然后减少；受精末期CTK含量达到最高，然后下降；受精后，胚珠内IAA含量略有增加，籽粒膨大时再增加，当籽粒鲜重最大时，含量最高；在籽粒成熟时，几乎测不到IAA，而ABA的含量增加（图11-18）。 在种子成熟时，随着游离型GA的含量的下降，束缚型GA含量增加；游离型IAA逐渐消失，而以束缚型IAA存在。这些束缚型的GA和IAA，在种子萌发时，会释放出游离型的GA和IAA。 （三）呼吸速率的变化 种子成熟过程是有机物含成和积累的过程，需要大量的能量供应。因此，种子中有机物的积累与呼吸速率关系密切，即干物质积累迅速时，呼吸速率高；而在干物质积累缓慢（种子接近成熟）时，呼吸速率就迅速下降（图11-19）。 （四）含水量的变化 随着成熟进程，种子的含水量逐渐下降（图11-20），经过脱水干燥，种子的生命活动由代谢活跃状态转入休眠状态。 （五）核酸含量的变化 种子在成熟过程中核酸的含量增加，例如，豌豆种子随着子叶鲜重的增加，RNA和DNA含量都增加，达到最大值后缓慢下降（图11-21）。二、环境条件对种子成分及成熟过程的影响 1.温度 温度主要影响有机物的合成与运输。温度适宜时，有利于干物质的积累，促进种子成熟。比如，水稻种子成熟的最适温度为21～25℃，但由于呼吸消耗大，不利于有机物的积累，籽粒不饱满。温度过低，不利于有机物的运输与转化，使成熟延迟，籽粒瘦小。温周期也影响种子的成熟，昼夜温差大有利于成熟，并能增加产量。因为夜温低，延迟了叶片衰老，灌浆期延长，又减少呼吸消耗，有机物积累较多。 温度还影响种子化学成分的含量。例如，我国南方温度较高，油料种子含油率低，油脂中饱和脂肪酸含量低（碘价低），蛋白质含量较高；而北方的油料种子情况相反。又如水稻在高温下成熟时，米质疏松，腹白大，质量较差；相反，温度较低时，有机物积累较多，质量较好，因此，一般晚稻米的质量要比早稻的好。 2.光照 光照主要影响作物的光合作用。在种子成熟期间，光照的强弱直接影响到有机物的积累。例如，水稻种子干物质的2/3以上是靠抽穗后叶片光合产物运来的，此时光照强，同化物多，产量就高。抽穗结实期的光照也会影响籽粒的蛋白质和脂肪的含量，因为这两种物质的合成都需要碳水化合物作为原料。 3.水分 阴雨天时，环境的湿度高，会延迟种子成熟。环境的湿度较低时，能加速种子的成熟。但湿度过低，出现大气干旱时，不仅阻碍物质运输，而且合成酶的活性低，干物质积累减少，导致风旱不实，过早成熟，严重减产。 一般在温暖潮湿条件下，小麦种子的淀粉含量较高，而在低温干旱时，蛋白质的含量较高。因此，我国北方的小麦蛋白质含量要比南方的高。 4.营养物质 适量的氮肥以及增施磷、钾肥，有利于有机物的合成和运输，促进种子成熟。作物生长后期施过量的氮肥，会造成贪青迟熟，籽粒不饱满，影响产量。 增施氮肥，可提高淀粉种子中的蛋白质含量，但使油料种子的含油率降低。这是因为氮素能促进蛋白质的合成，消耗了较多的糖，而减少了合成脂肪的原料。适当增施磷、钾肥，可提高油料种子的含油率，并能促进糖类向块根、块茎中运输，促进其膨大，提高产量。第五节 衰老与脱落 所有生物都处在新旧更替、不断的新陈代谢之中。随着植物的生长和发育，在细胞、组织、器官以至整体的水平上出现生活力逐渐下降的现象，这是自然界的必然规律。植物的衰老（senescence）是指一个器官或整个植株的生命功能衰退，最终导致自然死亡的一系列恶化过程。植物在衰老过程中常出现器官（叶、花、果实和种子）自然离开母体的现象，这称为脱落（abscission）。研究衰老与脱落生理，认识其原因和规律，就能采取相应措施调控植物的衰老和脱落。这在生产上具有很大的意义。一、衰老的类型 因植物的种类不同，衰老的方式不尽相同。按照植物衰老的部位区分，植物的衰老可分为四种类型（图11-22）。 1.整株衰老 一二年生植物或多年生一次开花植物，在开花结实后，整株植物衰老死亡。 2.植株的地上部分衰老 多年生的草本植物与球茎类植物，每年地上部分衰老、死亡，而地下部分仍存活，待来年适宜的生长季节到来后，就萌芽生长。 3.植株的叶片同步衰老 多年生的落叶木本植物，每年秋、冬季到来时，植株的叶片全部衰老脱落，而树枝和根系是活着的。 4.植株的叶片渐次衰老 多数多年生常绿的木本植物的器官和组织是逐渐衰老的，不断被新的组织和器官取代。植株上的叶片从基部向顶端逐渐衰老脱落。 植物的衰老对其本身具有积极的生物学意义。对于一年生植物来说，在其衰老死亡过程中，营养器官中的物质已转移至种子或块茎、球茎等器官中，供新个体形成时再利用。对于多年生植物来说，不断以新器官代替老器官，能更好地适应环境条件而生长。但植株过早的衰老，会导致作物产量下降。二、衰老时的生理生化变化 植物衰老的最基本特征是生活力的下降，开始衰老时就出现生长速率下降的现象。植物衰老首先从器官的衰老开始，然后逐渐引起植株衰老。对叶片的衰老研究得最多，下面我们主要讨论叶片衰老时的情况。叶片由绿变黄，是其衰老时出现的明显症状，但在这一症状出现之前，就发生了一系列生理生化变化。叶片衰老时，叶绿体变小，基粒数量减少，叶绿素含量下降，RuBP羧化酶活性下降，因此光合速率下降。叶子在衰老过程中，蛋白质含量明显减少；可溶性碳水化合物的含量逐渐增加；可溶性氮化物有所提高；RNA含量下降，但某些植物的叶片在衰老后期略有增加；呼吸速率下降，但某些植物的叶子在衰老后期出现与果实成熟时相似的呼吸跃变。菜豆叶片衰老过程中的生理生化变化如图11-23所示。 由于叶片是植物进行光合作用制造有机物质的重要器官，其衰老会严重影响到整株植物的衰老，从而影响作物的产量。据理论上计算，作物成熟时期如能设法使功能叶的寿命延长一天，就可增产2%。因此，研究植物的衰老问题，找出延迟叶片衰老的办法，在生产上具有重要意义。三、衰老的机理与调控 营养的缺乏，可加速植物器官的衰老。一次开花结实的植物在开花结实后，营养体很快衰老死亡。这是因为营养器官中的养料运往生殖器官所致。如把花和幼果摘除，就可延迟叶片和整株的衰老。 核酸对植物的衰老起着重要的作用。Orgel等人提出了与核酸有关的植物衰老的差误理论，认为植物衰老是由于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。这种差误是由于DNA的裂痕或缺损导致错误的转录、翻译，并可在蛋白质合成轨道的一处或几处出现，积累无功能的蛋白质（酶）。例如，Nakagawa等（1980）曾在马铃薯中发现了氨基酸顺序错误的无功能酶；Gershon（1985）则发现多肽链折叠错误的蛋白酶。这些无功能酶造成代谢紊乱，引起衰老。另外，核酸的降解也是植物叶片衰老的原因。试验表明，在叶片衰老过程中，DNA和RNA的含量均下降，其中RNA尤其是rRNA，下降较快。RNA含量下降快，是因为RNA聚合酶活性下降，以及RNA水解酶活性上升，造成RNA合成减少和降解加速所致。RNA含量降低，会影响蛋白质的生物合成能力，因而促使衰老。 植物体产生的自由基会加速植株的衰老进程。自由基是指具有不配对（奇数）电子的原子、原子团、分子或离子。植物体内存在的自由基主要是氧自由基（包括无机氧和有机氧自由基）。自由基不稳定，寿命极短，只能瞬时存在，但其化学性质非常活泼，氧化能力很强，极易与周围物质发生反应。植物体产生的自由基会损伤核酸、蛋白质和脂类，因而损伤生物膜，导致细胞器的破坏和细胞解体。 内源激素的变化会影响植物的衰老。GA，CTK及低浓度的IAA具有延缓衰老的作用，而ABA和ETH具有促进衰老的效应。新叶和功能叶含有一定量的GA和IAA，不易衰老，而老叶的ABA含量高，易衰老。当植物营养生长旺盛时，根系合成较多的CTK供应给叶片，促进叶内蛋白质合成，从而延缓衰老。而在开花结实后，根系合成CTK减少，叶片得不到足够的CTK，就会加速衰老。在生产上，已应用生长调节剂来调控衰老。例如，用乙烯利处理果实，可促进果实成熟衰老；用KT或BA处理蔬菜或切花，可起到延缓衰老和保鲜的作用。 各种环境因子对植物的衰老有影响。高温和低温均能诱发自由基的产生，促进衰老。光是调控植物衰老的重要因子，光能延迟衰老，黑暗则加速衰老。氧气浓度过高，可加速自由基的形成，引起衰老。在水分胁迫（干旱和湿涝）时能促进ETH与ABA的生成，可加速衰老。缺乏氮素，叶片易衰老，增施氮肥，能延迟叶片衰老。 植物具有防护机制来清除自由基。植物体内的自由基清除剂主要是一些酶类，如过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧物歧化酶（SOD）等。这些酶的活性高，就能清除大部分自由基，从而延缓衰老。多胺能稳定核酸（尤其是DNA）和蛋白质的结构，能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，阻止核酸和蛋白质的水解以及抑制乙烯的生物合成。因此，植物体内多胺含量的变化可调节植物的衰老。四、脱落的种类 植物器官的脱落，包括叶片、花、果实、种子和枝条等的脱落。脱落可分为三种：一是正常脱落，是由于衰老或成熟引起的，如叶片和果实的衰老或成熟脱落，这是一种正常的生理现象；二是胁迫脱落，是因为环境条件（高温、干旱和污染等）胁迫和生物因素（病、虫害）引起的；三是生理脱落，是由于植物本身生理活动引起的，如营养生长与生殖生长的竟争，光合产物分配不协调常引起脱落。后两种脱落都属于异常脱落。 对植物本身来说，适当的脱落是有益的。例如，叶子在干旱环境中脱落，可降低蒸腾，减少水分散失；过剩的花和幼果脱落，可以使养料集中供给留下的果实生长发育用。在生产上普遍存在落花、落果问题，棉花的蕾铃脱落率70%左右；大豆的花荚脱落率高达70%～80%；北方的苹果、梨和南方的荔枝、龙眼等果树幼果的脱落也很严重。这需要采取相应的措施加以控制。五、脱落的机理 1.离层与脱落的关系 植物器官在脱落之前，一般必须形成离层。离层位于叶柄、花柄、果柄以及某些枝条的基部。我们来看看叶柄基部离层区的情况。在叶柄基部的经横向分裂而形成的几层细胞，体积小，排列紧密，有丰富的原生质和淀粉粒，核大而突出，这就是叶柄基部的离层区（图11-24）。叶柄基部离层细胞区的形成，是在叶发育的初期，有的则在叶完熟时形成。离层区的薄壁细胞比周围的细胞小，维管束单位短，可能没有纤维。在叶子脱落之前，离层区细胞衰退，变得中空而脆弱，果胶酶和纤维素酶活性增强，使细胞壁或胞间层酶解，因此导致细胞的相互分离。在重力或风力的作用下，维管束折断，叶片就脱落。叶片脱落后，叶柄基部断口木栓化形成保护层。 离层细胞溶解的方式有三种：一是离层区内两层细胞之间的胞间层溶解；二是胞间层和细胞壁都溶解；三是一层或几层细胞整个溶解。前两种方式通常在木本植物的叶片中出现，后一种方式在草本植物的叶片中常见。 离层的形成是绝大多数植物器官脱落的条件。但有些植物（禾谷类）不产生离层，叶片也可脱落。有的植物（如烟草）没有离层，叶片不脱落。 2.激素与脱落的关系 植物器官的脱落受植物体内激素的调控。 生长素对器官脱落的效应与生长素的浓度和处理部位有关。一般地，较高浓度的IAA抑制器官脱落，而较低浓度的IAA则促进器官脱落。Addicott等人在50年代就提出生长素梯度学说。该学说认为，以离层为界，其两端IAA相对含量的变化决定该器官是否脱落。当远轴端/近轴端的IAA比值较高时，抑制或延缓离层形成，不产生脱落；当两者比值较低时，加速离层形成，产生脱落。喷施生长素可使多种果实的早期脱落减少。试验表明，摘去幼嫩叶片之后，叶柄基部很快形成离层，叶柄在两、三天内脱落；但在摘去叶片的残基上，涂上含生长素的羊毛脂后，叶柄的脱落时间可明显推迟。这说明，幼叶合成的生长素可抑制脱落。 乙烯能诱发果胶酶和纤维素酶的合成，并且能提高这两种酶的活性，因而促进离层区细胞壁的溶解，引起器官的脱落。据测定，脱落前离层纤维素酶的活性要比周围组织的高2～10倍。 ABA能促进叶片脱落。在正常生长的叶片中，ABA含量极微，而在衰老叶片中ABA含量增加。秋天短日照有利于植物合成ABA，因此引起树木落叶。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。 GA和CTK能拮抗ABA的作用，因而能抑制植物器官的衰老和脱落。 3.环境条件与脱落的关系 矿质营养缺乏，会使植物代谢失调，易引起脱落。其中N和Zn是IAA合成所必需，Ca是细胞壁中胶层果胶酸钙的重要组分，因此缺乏N，Zn和Ca易使器官脱落。糖对器官的脱落影响较大。在阴雨天光照弱时，影响光合作用，碳水化合物合成少，易引起器官脱落。荔枝、龙眼等果树在开花、座果时，如碰到较长的阴雨天，就会严重落花、落果。温度过高过低以及干旱缺水，都可加速器官的脱落。 在生产实践中，已使用一些药剂来延缓促进植物器官的脱落。例如，在叶片上喷施生长素类药剂，能延缓苹果的收前脱落。用乙烯合成抑制剂AVG能有效地抑制脱落。为便于棉花和大豆的机械收割，可用脱叶剂使叶子脱落。目前常用的脱叶剂有乙烯利，2，3-二氯异丁酸等。第十二章 植物的逆境生理 植物体是一个开放体系，在从外界环境不断地摄取物质、能量和信息的同时，也受到各种环境因子的影响。我们在前面各章中所讨论的主要是正常生理，即植物在最适条件下或者在不足以对植物引起伤害的范围以内的环境条件下的生理生化活动。植物周围的环境（气候、土壤、水分、营养供应等因子）是经常变化的，植物的一生完全生活在绝对适宜的环境中是极少的，有些植物的整个生活周期都是在极其严酷的环境中完成的。植物的逆境生理（stress physiology）就是研究恶劣的环境因子对植物生命活动的影响，以及植物对它们的抗御能力。第一节 逆境和抗逆性一、植物的逆境 1972年，Levitt根据物理应力（Physical stress）和物理应变（Physical strain）的概念提出了生物胁迫（biological stress）和生物胁变（biological strain）的定义。生物胁迫是减少或者反方向改变植物生长或者发育的条件变化；生物胁变是减少的或者变化的生理功能。 植物在自然界中经常遇到环境条件的剧烈变化，其幅度超过了植物正常生活的范围，这种变化称为逆境或者胁迫（stress）。影响植物生长发育的胁迫因子很多，可以分为物理胁迫、化学胁迫和生物胁迫（表12-1）。这些胁迫因子往往是相互关联的，例如高温和干旱常常是伴随发生，所以植物旱害和热害有密切关系；再如盐分过多与干旱经常同时存在，故植物盐害和旱害所导致的组织脱水也难以分开。 当胁迫因子作用于植物时，胁迫因子能以不同的方式使植物受害（图12-1）。首先直接使生物膜受害，导致透性改变，这种伤害称为原初直接伤害。质膜受伤后，即进一步导致植物代谢作用的失调，影响正常的生长发育，此种伤害称为原初间接伤害。一些胁迫因子往往还可以产生次生胁迫伤害，即不是胁迫因子本身的作用，而是由它引起的次生胁迫造成的伤害。例如盐分胁迫的原初胁迫是盐分本身对植物细胞质膜的伤害及其导致的代谢失调；另外，由于盐分过多，使土壤水势下降，产生水分胁迫，使植物根系吸水困难，这种伤害，称为次生伤害。 胁变（strain）是指植物体受到胁迫后所产生的相应变化。例如水分胁迫（干旱），导致植物体内蛋白质的合成降低和分解加强。胁变可以表现为物理变化（例如原生质流动变慢或停止）和化学变化（代谢的变化）两个方面。胁变的程度取决于胁迫的强弱。当环境条件重新变为最适状态（即当胁迫被去掉）时，植物体的功能回复到最适水平的变化称为弹性生物胁变（elastic biological strain）。如果解除胁迫后，植物体的功能不能回复到正常水平的变化称为塑性生物胁变（plastic biological strain）。当然，如果环境变化太剧烈或者持续时间较长，那么不管是引起弹性生物胁变的逆境，还是引起塑性生物胁变的逆境，都会使植物受到伤害而死亡。二、植物的抗逆性 植物受到胁迫后，一些被伤害致死，另一些的生理活动虽然受到不同程度的影响，但它们可以存活下来。如果长期生活在这种胁迫环境中，通过自然选择，有利性状被保留下来，并不断加强，不利性状不断被淘汰。这样，在植物长期的进化和适应过程中不同环境条件下生长的植物就会形成对某些环境因子的适应能力，即能采取不同的方式去抵抗各种胁迫因子。植物对各种胁迫（或称逆境）因子的抗御能力，称为抗逆性（stress resistance），简称抗性。 植物的抗逆性主要包括两个方面：避逆性（stress avoidance）和耐逆性（stress tolerance）。避逆性指在环境胁迫和它们所要作用的活体之间在时间或空间上设置某种障碍从而完全或部分避开不良环境胁迫的作用；例如夏季生长的植物不会遇到结冰的天气，沙漠中的植物只在雨季生长等。耐逆性指活体承受了全部或部分不良环境胁迫的作用，但没有或只引起相对较小的伤害。耐逆性又包含：避胁变性（strain avoidance）和耐胁变性（strain tolerance），前者是减少单位胁迫所造成的胁变，分散胁迫的作用，如蛋白质合成加强，蛋白质分子间的键结合力加强和保护性物质增多等，使植物对逆境下的敏感性减弱；后者是忍受和恢复胁变的能力和途径，它又可分为胁变可逆性（strain reversibility）和胁变修复（strain repair）。胁变可逆性指逆境作用于植物体后植物产生一系列的生理变化，当环境胁迫解除后各种生理功能迅速恢复正常。胁变修复性指植物在逆境下通过自身代谢过程迅速修复被破坏的结构和功能。概括起来，植物有4种抗逆形式：避逆性，避胁变性，胁变可逆性和胁变修复（图12-2）。 值得注意的是一种植物可能有多种抗逆方式，并由于植物处于不同的生长发育阶段，不同的生理状态，不良环境胁迫作用的不同强弱或几个环境因子的共同作用，植物的抗逆性方式是可变的，而且相互间的界限也不清楚。 Levitt把植物抗逆性还简单地表达为： 可见抗逆性决定于两个方面，即外界环境对植物施加的胁迫和植物对环境胁迫所作出的反应即胁变。同等环境胁迫作用下，胁变越小，抗逆性越大。胁变程度又决定于植物潜在的可塑能力或遗传潜力。胁变可发生在不同水平上，如整体、器官、组织、细胞和分子水平上。 另外，植物抗逆性的大小与植物年龄和发育阶段也有一定的关系。例如番茄和棉花，在幼年阶段抗盐性小，在孕蕾阶段抗盐性较高，到开花期则降低。水稻随着它的发育而丧失其对盐的敏感性，在孕穗期以后，它的抗逆力开始增大。一般情况下，植物在生长盛期抗逆性比较小，进入休眠以后，则抗逆性增大；营养生长期抗逆性较强，开花期抗逆性较弱。三、研究植物逆境生理的意义 在自然界，不良的环境条件不时地影响着植物的生长发育，从而也影响农业生产及人类的社会生活。研究植物在逆境下的生理反应有助于比较全面和彻底地了解植物的正常生理活动。 据统计，在世界范围内，适于耕种的土地不足10%，大部分土地处于干旱、盐渍、沼泽、冷土等逆境中。在人口不断增长的压力下，迫切需要培养出大量的能在各种不良环境条件下生活的经济植物，以扩大耕地面积，满足人口增长的需要。深入研究植物的逆境生理，有助于培育和栽培具有特殊适应能力的作物。 我国干旱、半干旱地区约占国土面积的1/2。1亿公顷耕地中盐碱地约1/15亿公顷，中、低产田约2/3亿公顷。而且我国地形复杂，在不同地区常会受到不同程度的各种自然灾害，例如旱、涝、冷、冻等灾害。弄清楚植物抗逆性的本质并加以调控，对于提高农作物单位面积的产量具有重要的意义。第二节 水分逆境 水分缺乏或水分过多，都属于水分逆境（waters tress），它们严重地干扰植物的正常生理功能。水分缺乏包括干旱逆境（drought stress）和盐逆境（salt stress）。因为土壤盐分过多会导致土壤的水势下降，土壤中植物可利用的水分显著减少。其中干旱逆境较为普遍，因为地球上有相当大的地区是旱区或半旱区。我国西北、华北也有大片的旱区或半旱区。要在旱区或半旱区扩大种植面积，提高农作物的产量，干旱的研究就特别重要。一、旱害和抗旱性 干旱是指环境中的水分少到不足以维持植物正常生命活动的状态；植物抵抗干旱的能力就称为抗旱性（drought resistance）。干旱可分为土壤干旱与大气干旱。土壤干旱是指土壤中可利用水缺乏或不足，植物所吸收的水分少于蒸腾所丢失的水分，因此植物体内缺水，不能维持正常的活动，甚至死亡。图12-3表明，当土壤缓慢干燥时，植物中的水分状态发生变化。大气干旱是指空气过度干燥，相对湿度低于20%，蒸腾过强，根系所吸收的水分不能弥补蒸腾所失去的水分。大气干旱时，土壤中虽有可利用的水，但植物水分收支不平衡。大气干旱持续过久，土壤表面水分蒸发过多，也会造成土壤干旱。 （一）干旱对植物的伤害 干旱影响植物生长发育的各个方面，但其影响程度取决于干旱的强度、持续期、植物的种类、生育期和不同生理过程对水分亏缺的敏感性。图12-4描述了植物的一些生理过程对水分亏缺的敏感性。干旱对植物的伤害主要表现在下列几个方面： （1）各部位间水分重新分配。干旱时植物不同器官和不同组织间的水分，按各部位的水势高低而重新分配。水势低的部位从水势高的部位夺取水分，例如，干旱时幼叶向老叶夺水，促使老叶死亡。更严重的是，在干旱时，胚胎组织把水分分配到成熟部位的细胞中去，所以，禾谷类作物穗分化时遇到干旱，小穗数和小花数减少；灌浆时缺水，籽粒就不饱满，严重影响产量。 （2）叶面积减小。植物对缺水的早期反应是叶面积变小。当植物的水分含量下降时，细胞减小，细胞壁松弛。这种细胞体积的下降就导致降低静压（hydrostatic pressure），或者膨压。当水分丧失时，细胞进一步收缩，细胞中的溶质变得更浓；细胞质膜进一步变厚和压缩，因为质膜的覆盖面比水分丧失前减小。由于膨压丧失是干旱的最早期的重要影响，所以可以认为依赖于膨压的活动是对水分缺乏最敏感的。 细胞伸展是一个依赖于膨压的过程，对水分缺乏是极端敏感的。细胞伸展可用下式描述：GR=m（P-Y） GR表示生长速度，P是膨压，Y是生长阈值（yield threshold），m是细胞壁的可延展性（wall extensibility）。上式表明，膨压的降低引起生长的下降。此外，当水分缺乏减小P时，不但生长被减慢；而且只要P下降到Y，而不是零，就可以完全停止伸展，这是生长对水分缺乏高度敏感性的又一原因之一。在正常情况下，Y常常比P少0.1～0.2MPa，所以生长速度的变化在一个非常狭窄的膨压（或者细胞含水量）范围内发生。由于叶片伸展主要取决于细胞伸展，所以这两个过程的原理是类似的。在完整叶片中，水分缺乏不仅降低膨压，而且降低m和增加Y。在水分供应正常的植物中，当细胞壁的溶液呈弱酸性时伸展性通常最大。水分缺乏降低m，是因为抑制了H+从细胞转移进细胞壁空间，需要的低pH值不发生。水分缺乏对Y的影响了解很少，但可能涉及细胞壁的复杂结构变化。水分缺乏不仅限制每个叶片的体积，而且限制叶片的数量，因为缺水降低分枝的数量和生长速度。 （3）光合速率和同化产物的运输下降。幼小的草本植物，当土壤含水量逐渐减少时，光合速率也发生改变，外观上尚未表现萎蔫的轻度缺水，就可引起光合降低，缺水趋于严重时，光合作用的下降就更严重，但不同的植物有所差异（表12-2）。一般供水良好的植物，当水势大约到-0.5MPa时，光合即下降；但在田间停止灌水或控制土壤令其缓慢干燥时，光合到水势为-1.5MPa时才下降。有证据表明，在缺水时叶绿体中的Mg2+浓度可能影响光合作用。在离体叶绿体中，光合作用对增加Mg2+浓度非常敏感，在缺水诱导的细胞缩小的过程中，可能发生类似的过程。用含有不同浓度的Mg2+的营养液培养向日葵植株时，当叶片脱水时具有较低Mg2+浓度的植株能维持较高的光合作用速率（图12-5）。 水分缺乏降低光合作用速率的另一个原因是气孔关闭，因为CO2的同化和气孔运动对水分缺乏的反应相似，二者之间常常存在着密切的平行关系。但许多试验证明，还存在着非气孔的作用，例如Rubisco和PEP羧化酶的活力随水分胁迫而降低，水分胁迫减少叶片叶绿素的含量，降低离体叶绿体的放氧率、以及破坏叶绿体的类囊体结构，抑制光合磷酸化等。 韧皮部的运输与光合作用（提供运输的底物）和库的代谢有关。在伸展的叶片中，水分缺乏降低光合作用和同化物的消耗。因此，水分缺乏间接降低光合产物从叶片中输出的量。然而，实验证明同化产物的运输直到水分胁迫后期才受影响，此时其他过程例如光合作用已经被强烈地抑制（图12-6）。 （4）蛋白质含量减少。试验结果表明缺水可降低蛋白质/氨基酸的比值或植株内蛋白质的含量。甜菜叶子的可溶性蛋白质、总蛋白质的含量，当供水停止时，即逐渐下降，在严重萎蔫时可降低到对照的一半。缺水对蛋白质含量的影响，可能是由于合成受抑制，分解加强，或者分解超过合成。许多实验证明，缺水即抑制蛋白质的合成也加快蛋白质的分解。例如，轻微的水分胁迫就迅速地减少玉米生长组织中蛋白质的合成，证据是：①同位素标记的氨基酸掺入蛋白质减少；②多聚核糖体含量显著减少；③缺水抑制蛋白质的合成主要在翻译水平。在水分胁迫下最初6小时内玉米组织中游离氨基酸的含量增加20％；而在48小时后，当叶的水势下降到-1.8MPa时，氨基酸含量增加到250％以上。缺水时蛋白酶活性增强也间接证明蛋白质的分解加快。蛋白质分解形成的氨基酸主要是脯氨酸。例如小麦在正常供水条件下，叶内游离脯氨酸很少，每克干重仅有0.2～0.7毫克，随着脱水严重，游离脯氨酸含量显著增加，每克干重可达4.0～5.0毫克。萎蔫时，游离脯氨酸增多，有利于贮存氨，减少氨毒害。 此外，缺水还影响细胞的呼吸作用，离子的吸收和运输，以及核酸代谢等生理过程。小麦植株受旱时，叶片中DNA的含量相对稳定，RNA的含量则下降。Gates和Bonner认为RNA的下降主要是由于分解加强。他们用32P标记的RNA试验，对照中总RNA增加，放射性保持恒定；但处理材料中总RNA恒定，放射性则逐渐消失。 目前解释干旱对植物的伤害机理有两种假说，一种是机械损伤假说，一种是蛋白质凝聚或巯基假说。 机械损伤假说认为，使植物死亡的原因并不是缺水本身，而是由于缺水与再吸水时所造成的机械损伤，致使植物细胞死亡。植物细胞失水时，细胞壁与原生质都收缩，当细胞壁较厚时，其收缩程度小，于是细胞壁使原生质受到很强的张力，这种张力会破坏原生质。如果细胞壁较薄，它会同原生质一起收缩，这时细胞不会受到损害。但当细胞再度吸水时，细胞壁吸水膨胀比原生质快，这时就会使原生质受到强大的张力而使之破坏。 蛋白质凝聚或巯基假说认为，植物细胞失水时，蛋白质分子中的巯基（-SH）发生氧化作用生成二硫键（-S-S-），于是使蛋白质分子内或分子间形成许多硫桥，结果使蛋白质凝聚变性，最终导致细胞的死亡。提出该假说的根据是白菜叶子失水时，巯基的含量减少，二硫键的含量增加；叶片失水愈严重，二硫键的含量愈高。另一方面的根据是菜豆等的叶绿体失水时，发现其间质中有的蛋白发生凝聚。 （二）植物对干旱的适应 生态学中根据植物对水分的需要，将植物分成三类：水生植物、中生植物和旱生植物。水生植物（或湿生植物）是指不能在水势为-0.5～-1.0MPa以下的环境中生长的植物，中生植物不能在-2MPa以下的环境中生长，旱生植物不能在水势低于-4MPa的环境中生长。研究植物的抗旱性时，一方面要注意旱生植物的特点，因为它们是抗旱性特别强的植物；另一方面是要重点研究如何提高中生植物的抗旱性。 1.植物对干旱的适应方式 植物在长期的进化过程中，逐渐产生了对各种干旱程度的适应。由于不同地区的干旱程度、发生时期和时间长短等不同，因而使植物对干旱的适应方式出现了很大的差异。图12-7描述了植物对干旱的适应方式。 植物的避旱性。有些干旱区域并非终年无雨，而是也有短时期的降雨季节。有些植物，其中最著名的是沙漠中的短命植物，当雨季来临时，迅速发芽、生长和开花结实，可以在3周内完成全部生活史，而不受随后来临的干旱的影响，以休眠种子的形式渡过一年中绝大部分的干旱时期。有些宿根草本植物，干旱到来不久，地上部分即枯死，根系表面形成一层不透水的外被，可以度过极其干旱的时期。 植物的抗旱性包括植物的御旱性和植物的耐旱性。植物御旱的方法有两种，一种是节约用水，另一种是浪费用水。节约水分的植物每天所丢失的水分极少，可能低到其鲜重的数1/1000（如肉质植物）。浪费水分的植物每天所丢失的水分很多，如某些沙漠植物。这些植物长得很稀，每株植物所占的面积很大，而且常常是长在低洼积水处，可以吸收较多的水分；此外，这些植物的气孔终日开张，蒸腾强度很高（高达5gH2Og-1鲜重h-1），因此光合作用也较强。 植物的耐旱性是指植物忍受脱水而不受永久性伤害的能力，它包括耐缺水和耐干化。植物的耐旱能力相差极大，除种子和花粉外，大多数高等植物只能忍受正常含水量40％～90％的失水。但许多低等植物，包括真菌、藻类、苔藓、地衣和蕨类等都能忍耐极端的干旱，可达气干状态，而不丧失其生活能力。绝大多数高等植物的种子和花粉也能耐干化，这对于它们在陆地上的生存和繁衍具有重要的意义。 2.植物对干旱的形态适应 植物适应于干旱环境的形态结构是：①根系向深的潮湿土壤扩展，根冠比增加（能更有效地利用土壤水分，特别是土壤深处的水分（图12-8）；②叶子的细胞较小，细胞间隙也较小；③气孔较密，输导组织较发达；④细胞壁较厚，厚壁的机械细胞也较多；⑤叶片表面的角质层和蜡质较厚。 形态适应有些是可以遗传的，是植物长期生活在干旱环境中，遗传基因发生改变，经过自然选择，一些有利的性状被保存下来；另一些是随着环境变化而改变的。 3.植物对干旱的生理适应 植物对干旱的生理适应，主要有气孔调节（stomatol adjustment）和渗透调节（osmotic adjustment）。 （1）气孔调节。气孔调节是指植物适应缺水的环境，通过气孔的开关，控制蒸腾作用速率，以减少水分丧失而抵抗干旱。气孔调节的优点是反应快速灵敏，在短期内是可逆的。气孔调节的范围相当大，在环境条件变化时可由全天关闭到全天开放，部分关闭（或开放）到完全关闭。 气孔关闭的机制可以分为：水被动关闭（hydropassive closure）和水主动关闭（hydroactive closure）。由于保卫细胞暴露于大气中，当大气的湿度较低时，保卫细胞通过蒸腾作用直接丧失水分而发生水被动关闭。水主动关闭的机制是保卫细胞中溶质含量减少，从而导致水分丧失，膨压降低和气孔关闭。 有许多证据表明，ABA在保卫细胞的溶质丧失过程中起重要作用。ABA在叶肉细胞中被不断地以低速率合成，主要积累在叶绿体中。在叶肉细胞适度脱水时，叶肉细胞中贮存的一部分ABA被释放到质外体（质膜外的细胞壁空间），通过蒸腾流进入保卫细胞；同时，ABA净合成的速度增加。贮藏的ABA从叶肉细胞叶绿体重新分配到质外体引起气孔的关闭，在气孔关闭后ABA的合成增加以及促进或者延长贮存ABA的最初关闭效应。ABA重新分配的过程取决于叶片内的pH梯度、ABA分子的弱酸性性质以及细胞膜的渗透性质。在非胁迫的光合叶片中，叶绿体基质的pH通常比细胞质高。这种pH差异导致ABA在叶绿体中大量积累。脱水的效应之一是降低叶绿体的pH，使一些ABA释放。与这个过程相偶联的是质外体的pH增加。在水分缺乏过程中，这些相关变化引起ABA从质体净转移到质外体（图12-9）。 此外来自根系统的信使也可能影响气孔对水分胁迫的反应。根信使的证据有两个方面。首先，气孔传导常常对土壤水分状态比对叶片水分状态更敏感，能被土壤水分状态直接影响的植物部分是根系统。实际上，即使一部分供水良好的根系能运输足够的水分到顶端，而另一部分的根系脱水也能引起气孔关闭。例如，玉米植株的根系被分别种在两个罐中，其中一个缺水，另一个供水，虽然叶片的水势增加，但气孔部分关闭。这些结果表明，气孔可能对根感受的刺激起反应。其次，已知根产生和输出ABA到木质部汁液。鸭跖草（Commelina communis）植株的根系分别种在两个罐中，缺水罐中的根系ABA浓度大大增加。气孔对这种处理起反应，而叶片的水势没有变化。当从叶片剥取表皮时，叶片的ABA含量与气孔的关闭程度密切相关。根产生的ABA可能通过蒸腾流传递到叶。这些结果表明，在土壤干燥过程中气孔对两种信号起反应：①根信使的早期警告系统（early warning system），表明一些根正在缺水；②由叶片本身脱水引起的叶片内ABA的转移。 （2）渗透调节。渗透调节，也称为膨压调节（turgor regulation）是指植物在水分胁迫下除去失水被动浓缩外，通过代谢活动提高细胞内溶质浓度、降低水势，也能从外界水分减少的介质中继续吸水，维持一定的膨压，因而使植物能进行正常的代谢活动和生长发育。组织水势的变化主要是由于渗透势的变化。除了适应极端干燥条件的植物，渗透势的变化一般较小，只有0.2～0.8MPa。大多数调节是由溶质，包括糖、有机酸和离子（特别是K+）的增高引起的。 已经证明从植物细胞质中提取的酶被高浓度的离子强烈地抑制。在渗透调节过程中离子的积累似乎主要存在于液泡内，不与细胞质或亚细胞器中的酶接触。由于离子的这种区域化作用，一些其他的溶质必须在细胞质中积累以维持细胞内的水势平衡。这些溶质被称为亲和性溶质（compatible solute），主要是不干扰酶功能的有机化合物。脯氨酸通常是一种积累的亲和性溶质，其他的亲和性溶质有糖醇，山梨醇和一种四元胺，甘氨酸甜菜碱（glycine betaine）。 渗透调节对组织脱水反应缓慢。不管怎样，在几天的过程中，其他的变化（例如生长、光合作用等）也发生。因此，不清楚的是渗透调节对水分缺乏是一种独立的和直接的反应，还是一种其他因子例如降低生长速率引起的结果。不过，已经知道，具有渗透调节能力的叶片比未调节的叶片在较低的水势下能维持膨压。在低水势下，膨压的维持能使细胞继续伸长和增加气孔传导。在这个意义上，渗透调节是一种提高脱水耐性的适应。 渗透调节也在根中发生。在根中，渗透调节的绝对数量比叶片小，但根据最初组织渗透势的比例，可能根比叶片大。渗透调节也可能发生在根的分生组织中，提高膨压和维持根的生长。 （三）提高植物抗旱性的途径 1.抗旱锻炼 抗旱锻炼就是使植物处于一种适当缺水的条件下，经过一定时间，使之适应随后的干旱环境的方法。例如“蹲苗”就是使作物在一定时期内，处于比较干旱的条件下，这时有意识地减少水分供应，抑制作物的生长。经过这样处理的植物，往往根系较发达，体内干物质积累也较多。所以经过一段时间的恢复期，营养体得到充分发展后，植物就有较强的抗旱能力。如此锻炼后的植物，既有形态结构上的变化，也可能有生理上的变化。 另一种抗旱锻炼的例子，是播种前的处理，即播种前先让谷物（如小麦）的种子吸水（如小麦到含水量的40％，小米为风干重的30％），然后再风干，如此重复2～3次。由这些经过抗旱锻炼的种子形成的植株，抗旱能力就比较强。 2.抗蒸腾剂等的应用 抗蒸腾剂是一些能够降低蒸腾作用的化学药剂，如醋酸苯汞，α-羟基喹啉硫酸盐等，它们的作用是促使气孔关闭。抗蒸腾剂在适当浓度下使用具有一定效果，如醋酸苯汞，以10-4mol/L的溶液喷洒在叶面上，不但对细胞无毒，而且能使气孔缩小达两星期之久。另一类方法是在植物叶面上涂一层薄膜，如乳胶、聚乙烯、聚丙烯等，遗憾的是还没有发现一种对水分子透性小而对CO2透性大的薄膜。因此，在减少蒸腾的同时，光合作用不能不受到影响。总之，各种抗蒸腾剂的应用，到目前为止都不太理想。、水分过多的为害和植物的耐涝性 水分过多对植物也有害，其伤害的原因并不在于水分本身，而是由于水分过多所诱导产生的次生胁迫，因为植物在溶液中也能正常生长（例如溶液培养）。水分过多对植物的伤害分为湿害和涝害。湿害是指土壤水分达到饱和时对植物（旱生植物）的伤害。涝害是指地面积水，淹没了作物的一部分或全部而造成的伤害。在低洼、沼泽地带，在发生洪水或暴雨之后，常有涝害发生。涝害对作物危害很大，轻则减产，重则死亡。植物对涝害的适应能力称为抗涝性。 （一）水分过多对植物的为害 1.对根的伤害 在氧缺乏时，三羧酸循环不能运转，丙酮酸被发酵为乳酸，ATP只能通过发酵作用而产生。乳酸的积累使细胞pH值降低，活化乙醇发酵。1mol/L己糖在发酵过程中净生成2mol/LATP，这样，氧缺乏对根代谢作用的伤害是缺少ATP以驱动基本的代谢过程。 核磁共振（NMR）光谱测定表明，在健康的玉米根尖细胞中，液泡内含物（pH5.8）通常比细胞质（pH7.4）更酸。在极端缺氧的条件下，质子逐渐从液泡渗漏到细胞质，使细胞质的酸性增加。这些变化与细胞死亡的开始相联系。显然，液泡膜AT-Pase主动运输H+进入液泡被ATP的缺乏所抑制，以至于不能正常地维持pH梯度。异常的酸性不可逆地破坏了细胞质的代谢。 土壤中氧气缺乏时，就会使得某些有益的需氧微生物的活动受到抑制，例如氨化细菌、硝化细菌等的活动受到影响，不利于对植物的养分供应；而一些有害的厌氧微生物会活跃起来，把硝酸盐还原成为N2，把SO42-还原成为H2S，Fe3+还原成为Fe2+，并向土壤中释放一些有机酸（例如乙酸和丁酸）；这样会使土壤的酸度增高，有毒物质积累，直接毒害根系。 2.对地上部分的伤害 缺氧和低氧（hypoxia）的根系缺乏足够的能量来支持茎的生理过程。例如，缺氧的小麦或者大麦根系不能吸收和运输营养离子，迅速导致发育和伸展的组织内离子缺乏。根系对水分的低渗透性常常导致叶水势的降低和叶片萎蔫。 低氧促进根中乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）的产生。在番茄中，ACC通过木质部汁液运输到茎，在茎中与氧接触并被ACC氧化酶（ACCoxidase）转化成为乙烯，导致叶柄的偏上生长（epinasty），而叶片向下生长。在一些种类（例如豌豆和番茄）中，涝害诱导气孔关闭，而叶的水势不发生变化。根系缺氧像水分缺乏或者盐胁迫一样，促进ABA的产生；ABA运动到叶引起气孔关闭。 （二）植物对涝害的适应 不同作物对涝害的适应能力不同。例如水稻和藕同是沼泽植物，但水稻比藕更能耐涝；水稻之中籼稻比糯稻耐涝，而糯稻又比粳稻耐涝。陆生植物中耐涝性也各有不同，例如棉花、大豆淹水1～2天，叶片就会自下而上枯萎脱落，只有未淹水的顶部叶片尚能保持绿色。作物在不同的生育期耐涝的程度也不同。例如水稻在幼穗形成期到孕穗中期受涝害最严重，而且这时淹水深度不能超过幼穗形成部位；其次，开花期受涝害也较严重；其他生育期受害都较轻，但较长时间淹水没顶，也会严重受害。 1.植物对涝害的形态适应 湿地植物能适应水分饱和的土壤环境，甚至当茎被部分淹水时也能良好生长，而不出现胁迫的特征。在这些植物中，根和茎具有纵向连接的、充满气体的通道，对氧气和其他气体的扩散阻力很小。气体可以通过气孔或者木质化的茎和根进入。在许多湿地植物中，例如水稻，其幼根的皮层细胞呈柱状排列，孔隙大；在连续生长的过程中，皮层细胞壁中的果胶酸钙分解，细胞相互分离，形成大的细胞间隙。这种细胞间隙称为通气组织（aerenchyma），并与茎和叶中的类似组织相连接，成为地上部向根部输送氧气的通道。而小麦根系则没有这种情况，因此小麦的涝害适应性弱。但是，在禾本科的大麦、小麦、玉米和其他非湿地植物中，根中的通气组织能被缺氧诱导（图12-10）。在玉米根尖中，低氧促进ACC和乙烯的大量产生，乙烯促进根皮层细胞的溶解。当根向缺氧的土壤延伸时，尖端后通气组织的不断形成允许氧在根内运动，以及供应顶端区域。在水稻和其他湿地植物的根中，由木栓化和木质化细胞组成的结构屏障阻止氧气向土壤扩散。这样，在无氧的土壤中保持的氧气可以供给顶端分生组织，使根的生长达到50cm或以上。相反，非湿地植物例如玉米的根系漏氧，不能维持相同的氧浓度。因此，在非湿地植物的根端中，内部的氧不能满足有氧呼吸，这就大大地限制了此类植物根在缺氧土壤中的长度。 此外，耐涝植物在形态上的另一个特点，就是能在靠近土壤表面处迅速发生不定根。土壤表面处氧分压通常较高。番茄就有这样的特点。 2.植物对涝害的生理适应 高等植物的大部分器官在无氧条件下只能存活很短的时间，例如玉米的根尖被突然去掉氧气，只能存活20～24小时。在缺氧条件下，ATP通过发酵作用缓慢产生，细胞的能量状态逐渐下降。相反，一些植物（或者植物器官）能忍受较长时期的无氧环境，例如大水烛（Schoenoplectus lacustris）、盐碱滩水烛（Scirpus maritimus）和水烛（Ty-pha angustifolia）的根状茎，在无氧条件下它们能存活数日，并展开叶片。水稻和落芒草的胚和胚芽鞘也能在缺氧的条件下存活数星期。实际上，根状茎在湖边的无氧泥中过冬。在春天，一旦叶片在泥或者水面上展开，氧气就沿着通气组织进入根状茎；然后代谢作用从无氧途径转换到需氧途径，根利用氧开始生长。同样，在水稻和落芒草种子的萌发过程中，胚芽鞘突破水面，成为氧气到植物其余部分的扩散途径（通气管道）。当玉米根尖缺氧时，大约有20种厌氧胁迫多肽产生。其中3种被鉴定为糖酵解途径的酶，而另外的两种多肽是丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶，它们催化丙酮酸到乙醇的发酵。由于乙醇发酵是高等植物缺氧细胞中ATP合成的主要代谢途径，以及较高的发酵速率与细胞的能量状态有关，所以这些厌氧胁迫多肽很可能在缺氧过程中起生理作用。 防止涝害的根本措施是兴修防涝水利工程。但当水涝发生后，则应及时排涝，使作物顶部及早露出水面，不致窒息而死亡。但涝害严重时，不能一次将水排干，因为受涝害的作物根部受伤很重，吸水能力很弱，将水排干后，地上部完全暴露在空气中，蒸腾作用必然加强，特别是遇到烈日暴晒后尤其严重。这时蒸腾太快而吸水太慢，植物缺水，反而加重危害。另外，在排水后，应保证植物进行正常的光合作用（如冲洗掉沾在茎叶上的泥沙）；并施用速效肥料，使作物恢复正常生长。三、盐害和抗盐性 土壤中盐分过多，危害植物的正常生长，称为盐害。一般来说，当土壤中的盐浓度足以使土壤水势显著降低（降低0.05～0.1MPa）时，即被认为是盐害。实际上，当土壤中盐分过多时，其水势的降低远远超过0.1MPa。 一些干旱和半干旱地区，由于蒸发强烈，地下水上升，使地下水所含有的盐分残留在土壤表层；又由于降水量小，不能将土壤表层的盐分淋溶排走，致使土壤表层的盐分越来越多，特别是一些易溶解的盐类，例如NaCl和Na2CO3等，结果就形成盐碱土壤。一些海滨地区，由于海堤崩塌，海水倒流，也会形成盐碱土壤。我国的盐碱土主要含有Na+，Ca2+，Mg2+三种阳离子和CO32-，HCO3-，Cl-，SO42-四种阴离子组成的12种盐。当土壤中NaCl和Na2SO4较多时，称为盐土；Na2CO3与NaHCO3较多时，称为碱土；事实上，这两种情况同时存在，这种土壤即称为盐碱土。 （一）盐分过多对植物的伤害 土壤盐分过多对植物的伤害可分为两类：原初盐害和次生盐害。在原初盐害中又可分为直接原初盐害和间接原初盐害。直接原初盐害主要指盐胁迫对质膜的直接影响，如膜的组分、透性和离子运输等发生变化，使膜的结构和功能受到伤害。质膜受到伤害后，进一步影响细胞的代谢，从而不同程度地破坏细胞的生理功能，这就是间接原初盐害。 次生盐害是由于土壤盐分过多，使土壤水势进一步下降，从而对植物产生渗透胁迫。另外，由于离子间的竞争也可引起某种营养元素的缺乏，从而干扰植物的新陈代谢。图12-11概括了盐分过多对植物的伤害类型及其相互关系。 1.原初盐害 （1）原初直接盐害。在20世纪50年代，人们开始注意到盐的原初伤害作用。一般认为这种盐害是由盐离子直接诱导的质膜透性增大和对质膜的某种效应形成的，并且推测这种伤害变化发生在膜脂和膜蛋白方面。 原初直接伤害的证据是，生长在25mmolL-1NaCl或Na2SO4溶液中的菜豆，其叶片中的K+强烈外流，如果在这种溶液中加入2mmolL-1Ca2+，则可以阻止这种Na+诱导的K+的外流；如果用200mmolL-1甘露醇溶液处理，则对大麦根保持K+的能力没有影响。因此认为这种K+的外流不是渗透效应，而是盐离子破坏质膜透性的结果。 王洪春等利用不同浓度的NaCl和Na2CO3处理玉米幼苗，发现根系电解质大量外渗，外渗数量随药剂浓度增大和处理时间延长而增加。 （2）原初间接伤害。盐分过多抑制棉花和菜豆的光合速率，其抑制程度随盐浓度的增大而增大。因为盐分过多①破坏细胞中色素-蛋白质-脂类复合体，并降解叶绿素和其他色素；②引起气孔关闭，抑制CO2的吸收；③抑制光合过程中一些重要酶的活性，例如Rubisco和PEP羧化酶。 Na+可以降低小麦、绿豆、棉花和一般的非盐生植物（nonhalophytes）的呼吸速率。但也有增大的报道，例如豌豆在Na盐影响下，呼吸速率可以增加10％～30％，但是这种增大是暂时的，随后又会降低。另外发现，在豌豆、大麦和棉花的根中，NaCl可以增大磷酸戊糖循环，这种现象在盐生植物（halophytes）碱蓬（Suaeda macrocarpi）中也能看到。 盐分过多抑制DNA，RNA和蛋白质的重新合成，但能促进它们的分解。例如生长在0.45MPa盐介质中的豌豆，植株中的DNA，RNA和蛋白氮含量明显减少。由于蛋白质合成受到抑制，而蛋白质水解得到加强，因而植物体内的氨基酸含量增加，其中一些氨基酸是有毒的，一些氨基酸可进一步转化并形成毒性更大的物质，如腐胺、NH3、亚枫和枫等。 2.次生伤害 （1）渗透胁迫伤害。土壤盐分过多，即水势较低，使植物根系吸水困难，或者根本不能吸水，甚至排出水分，于是植物遭受渗透脱水，形成生理干旱，产生伤害。盐分渗透胁迫主要是来自土壤盐度。当将NaCl加入大麦根的培养基中时，大麦叶片中核酸酶的活性显著增大，并与叶片的水分饱和亏缺增大相平行，这就证明盐分胁迫能够诱导次生渗透胁迫伤害。另外，如果将植物置于相对湿度较高的条件下，可以阻止盐分胁迫所诱导的核酸酶活性的提高和水分饱和亏缺的增大，也可证明水分胁迫和盐分胁迫之间的关系。正如在水稻生产过程中所见到的那样，在盐碱土壤中种植的水稻，在潮湿季节的生长情况往往较在干燥季节生长的要好得多，也是这个道理。 （2）营养亏缺胁迫的伤害作用。盐分胁迫所诱导的营养亏缺，主要是由于植物在吸收矿质元素的过程中盐与各种营养元素相互竞争，从而阻止植物对一些矿质元素的吸收而造成的。最常见的就是由NaCl所引起的缺K。例如，西葫芦和白香草木樨（Melilo-tusalba）用NaCl处理后，植株的下部缺K。原因是Na+与具有低亲和性机制的K+吸收竞争，以及在盐碱土壤中K+的量比Na+少得多。如果足够的Ca2+存在，有利于K+运输的高亲和性吸收系统能够更好地运转，植物能获得足够的K和限制Na的吸收。近几年来，还发现Ca2+能克服Na+的有害作用。例如，玉米根的生长对75mmol/LNaCl高度敏感，假如在NaCl处理前提供10mmo1/Lca2+，这种效应就能完全被Ca2+抵消。一些实验表明，Ca2+能保护膜不受Na+的毒害，维持膜的完整性和减少细胞质K+的渗漏。 （二）植物的抗盐性 根据植物抗盐能力的大小，可以将其分为①盐生植物；②非盐生植物或甜土植物（glycophytes）。盐生植物比较抗盐，如碱蓬（Suaeda sp.）、海蓬子（Saliornia sp.）等生长的盐度范围为1.5％～2％；海带属藻类的生长范围为5％～9％；一些抗盐的真菌甚至可以在20％～30％NaCl的培养基中生长。在非盐生植物中，其抗盐能力也不一样，甜菜、高梁等抗盐能力较强；棉花、向日葵、水稻、小麦等抗盐能力较弱；荞麦、燕麦、亚麻、大麻、豆类等抗盐能力最弱。在同一植物的不同生育期，对盐分的敏感性也不同，幼苗时很敏感，长大后能逐渐忍受，开花期忍受力又下降。植物对土壤中含盐量的缓慢升高比迅速升高较易忍受。 植物的抗盐性可分为两大类，即避盐性（salt avoidance）和耐盐性（salt tolerance）。 1.植物的避盐性 植物对盐胁迫的避性，主要通过三种方式：排盐（salt exclution），拒盐（salt nonac ceptance）和稀释盐分（salt dilution）。 （1）排盐的植物如柽柳属（Tamarix）、匙叶草属（Statica）的植物。它们生长在盐分很多的环境中，并吸收大量的盐分，但不是积存在体内，而是通过茎叶表面上的泌盐腺，将盐分排出体外。排出的主要是钠盐。盐腺的分泌作用可能是一种主动转运，但其机理目前仍不清楚。 （2）拒盐的植物是指既使生长在盐分较多的土壤中，也能拒绝吸收盐分的植物。某些盐生植物和抗盐性较强的植物，就具有这种特性，如长冰草（Agropyron elongatum）。这类植物往往在外界NaCl浓度很高时，只吸收很少的Na+，Cl-的吸收也较少。其原因是根细胞对Na+的透性较小。 （3）稀释盐分的植物采用快速生长和细胞内区域化作用的方式，将吸收到植物体内的盐分稀释到不发生毒害的水平。通过快速生长稀释盐分的植物，从环境中吸收大量的盐分，但生长迅速，吸收大量的水分或增加其肉质化程度，于是细胞液中盐分的浓度并不显著提高。例如生长在NaCl较多的环境中的大麦，从分蘖早期开始，即吸收大量的NaCl，但细胞中NaCl的浓度并不迅速增加，直到籽粒成熟时，也不显著增高。到衰老时，由于生长减慢直至停止，细胞内NaCl的浓度才显著提高。 通过细胞内区域化作用稀释盐分的植物，如盐角草（Salicornia nerbacea）和碱蓬等，它们吸收大量的盐分，并贮存在液泡中（这种液泡即称为盐泡）。这种液泡膜一方面允许Na+等进入液泡，另一方面它可以阻止进入的盐离子向细胞质扩散。其结果细胞保持着很低的水势，能够从盐土中吸收大量的水分和无机盐，维持正常的生长。 2.植物的耐盐性 一些非盐生植物，主要依靠其避盐机理抗盐；那些高度抗盐的植物，则依靠其耐盐机理抗盐。不同的植物，其耐盐的方式不同。如碱篷、海蓬子和滨藜（Atripooex sp.）等盐生植物，它们从外界介质中吸收和积累大量的无机盐离子，进行渗透调节，以避免脱水和防止盐害。还有的植物在细胞中合成大量的有机物质，例如甘油、蔗糖、脯氨酸和甜菜碱等，对作物来说，主要为脯氨酸和甜菜碱，以降低细胞的水势，增加耐盐性。 （三）提高植物抗盐性的生理措施 植物的耐盐性可因锻炼而提高。例如，玉米种子可在播种之前用3％NaCl和0.2％MgSO4溶液浸种，长出的植株耐盐性较高，而且其叶子中单糖的含量较低，而根与茎中单糖含量均较高。棉花种子如果依次在不同浓度（0.3％，0.6％和1.2％）的NaCl溶液中各浸12小时，也可提高抗盐性，但不能直接用1.2％的NaCl浸种，否则就会受到伤害。可见用盐浓度慢慢增高的溶液处理植物，会使其体内发生一系列变化，从而提高耐盐性。 实验证明，一些天然植物激素与植物的抗盐性有一定的关系。用IAA处理小麦种子，可以抵消Na2SO4抑制小麦根系生长的作用；IAA能降低玉米根系对Na+的吸收能力。GA促进盐渍条件下植物的生长，抵消盐分对菜豆生长、光合及运输的抑制作用。细胞分裂素可以促进盐诱导的豌豆根系中蛋白质的合成，促进小麦在盐碱土壤中的萌发和生存。用低浓度的ABA处理细胞，能改善细胞对盐的适应能力。此外，ABA促进一种或几种蛋白质的合成，这些蛋白质类似于在对NaCl适应过程中诱导产生的多肽。在完整植株中高浓度的盐通常增加叶片中ABA的浓度，这些ABA大部分是从根运输来的。第三节 温度逆境 温度逆境（temperatures tress）对植物的伤害有低温为害和高温为害（热害）。低温为害又分为冷害和冻害。植物抵抗冷害、冻害和热害的性质分别称为抗冷性、抗冻性和抗热性。一、冷害和抗冷性 热带和亚热带植物，例如柠檬、棉花、玉米和水稻等常常遭受冷害。冷害（chi-llingin jury）一般是指10℃以下0℃以上的低温对植物的伤害。但有时15℃也可能为害，如水稻花粉母细胞减数分裂时温度低于16℃就受到严重伤害，热带水果香蕉在温度低于13℃下数小时也受到伤害。确切的温度范围与植物种类和冷处理的时间有关，总之是冰点以上低温的为害。 （一）冷害 Levitt（1980）把寒冷对植物的伤害分成三种类型：直接伤害、间接伤害和次级胁迫伤害。 1.直接伤害 早在1939年Seible根据对冷害反应的速度将植物分成两种类型。第一类，例如鼠毛菊（Episcia），Achimenes，Gloxinia受低温影响1小时，最迟一天之后，因原生质的死亡和细胞间隙的浸润而呈现伤斑；第二种类型，如紫露草（Tradescantia），Solanum，锦紫苏（Coleus）抗性较强，它们在低温的第一天还是正常的，没有出现上述症状，要在5～6天之后才变软而枯萎。第一种类型是快速的，应属于直接伤害。菜豆和玉米根尖置于1℃下3～6小时，K+的泄漏增加了；低温处理过的甘薯，K+的渗漏比对照大5倍。因此，直接伤害出现较快，难以用代谢失调来解释。 一般认为，植物在寒冷期间膜性质的丧失是原初的共同机制。例如，在0℃时，溶质从漂浮在水中的冷敏感的苹果状西番莲（Passiflora maliformis）叶中渗漏，而不从抗冷的西番莲（Passiflora caerulea）叶中渗漏。溶质的丧失反映了质膜和液泡膜的伤害，光合作用和呼吸作用的抑制也反映了叶绿体和线粒体膜的伤害。 2.间接伤害 间接伤害是指膜系统受到冷害后，其细胞的正常生理功能受到干扰和破坏，从而进一步伤害细胞和组织。在时间进程上，间接伤害比直接伤害要晚一些，而且间接伤害具有累加效应。主要的生理生化变化有： （1）光合速率和同化产物的运输速率下降。低温影响叶绿素的生物合成和光合进程，如果加上光照不足（寒潮来临时往往带有阴雨），影响就更大。试验证明，随着低温天数的增加，秧苗叶绿素含量逐渐减少，不耐寒品种更是明显。叶绿素被破坏，低温又影响碳同化的酶活性，所以光合速率下降。耐寒品种比较好一些（图12—12）。 低温使同化产物的运输速率下降，因为同化产物的源端装载和库端卸出都需要能量。放射自显影实验证明，低温大大降低同化产物从水稻旗叶向穗部运输。晚季稻在灌浆期、结实期遇低温（气温下降到18℃以下，水温降到15℃以下）时，同化物的合成和运输减少，秕粒增多。 （2）呼吸代谢发生变化。冷敏感植物受到低温胁迫时，在可见伤害出现之前，呼吸作用明显地增加；在出现伤害症状时呼吸速率就开始下降，直至植株死亡。如黄瓜幼苗经2℃低温处理后，初期呼吸速率剧烈上升，随着低温持续时间的延长，呼吸增加的趋势逐渐减弱，然后迅速下降。许多实验证明，低温引起的呼吸增强是伤害的开始，接近死亡时，呼吸则显著下降。这种低温引起的呼吸增加的程度可以反映低温伤害的程度和冷敏感的程度，即冷敏感植物，低温初期呼吸的增加亦大，且增加到一定程度时即使回到温暖条件下也不能恢复正常；而耐冷性较强的植物，低温不引起呼吸的增加，即使稍有增加当回暖后也能恢复正常。 低温也引起植物呼吸代谢途径的改变。在2℃的低温条件下，黄瓜子叶中EMP途径的比例增高，相应的HMP途径下降；并促进了电子传递途径由交替途径为主转变为细胞色素途径为主。电子显微镜观察发现，低温引起线粒体膨胀，这是由于膜的破坏及外膜磷脂的释放。 （3）蛋白质分解。低温引起豆类、番茄和玉米植株中蛋白质的水解，但在抗冷的小麦中没有发现此现象。水稻秧苗受冷害时，蛋白质水解酶的活性显著加强，蛋白质分解大于合成，游离氨基酸增加，并积累氨。三叶橡胶树在遭受冷害时，其叶片中的蛋白质代谢也类似于水稻秧苗。 （4）有毒物质积累。实验证明，低温使有氧呼吸受抑制，且部分为无氧呼吸所替代，这样就使得有毒的代谢产物乙醛和乙醇积累。Banga用绿色的番茄和香蕉进行低温处理，测定CO2的释放时发现，在13℃时，无氧呼吸与有氧呼吸的比例为0.7；而在5～6℃时，则为1.3～1.4。这说明，温度降低使无氧呼吸的份量大大增加，从而有助于有毒产物的积累。有毒产物的积累也包括蛋白质水解产生的氨基酸和氨等。 3.次级胁迫伤害 低温引起的次级胁迫伤害主要是次级水分胁迫伤害。例如，黄瓜和烟草的根处于零上低温时，就开始萎蔫；甘蔗更敏感，根部温度降至15℃时，地上部分就萎蔫了。这种现象有三种主要原因：①在根中膜的传导率在低温下严重下降；②水的粘性增加；③气孔的主动关闭在寒冷条件下被抑制或者被严重阻止。Kaufmann（1975）也证明，低温使冷敏感的柑桔类植物的根对水的透性大大下降，甚至完全被抑制，而耐低温的云杉属植物的根就没有这种现象。 （二）冷害的机理和植物的抗冷性 目前普遍认为，膜性质的丧失是植物遭受冷害的原初反应。例如甘薯根在7.5℃下贮藏一星期，电解质的外渗值比对照（15℃）高2倍左右，而呼吸速率和氧化磷酸化活力却在贮藏后4～5星期才有所降低。不抗冷的大豆和玉米根端经1℃3～6小时，电解质的外渗量明显增加；而抗性的豌豆和小麦根端却没有增加。 植物的膜系统由脂质双分子层和蛋白质组成。脂类的物理性质大大影响整个膜蛋白的活性，包括调节离子和其他溶质运输的通道蛋白和代谢作用依赖的酶。在冷敏感植物（chill-sensitive plants）中，双分子层的脂类具有高比例的饱和脂肪酸链。当温度下降到临界温度（critical temperature）以下时，这种类型的膜易于固化成为半结晶状态（semicrystalline state）。实验证明，临界温度由饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例决定；从液晶态到凝胶态相转变的临界温度通常等于引起冷伤害的温度。耐冷植物的膜脂常常比冷敏感植物具有很大比例的不饱和脂肪酸（表12—3）。在冷适应过程中，不饱和脂的比例增加。这个过程能降低膜脂从液晶态转化成为半结晶态的相变温度，提供一些保护防止冷害。在冷锻炼的植物中，修饰的膜在低温下能更好地维持流动性和功能。 植物冷害的脂质模型认为，当温度下降到临界温度时，冷敏感植物的膜从液晶态转变为凝胶态，膜收缩，出现裂缝或者通道。这样一方面使膜的透性增大，细胞内的溶质外渗；另一方面使膜结合酶系统受到破坏，酶活性下降，膜结合酶系统与非膜结合酶（游离酶）系统的平衡丧失。于是细胞代谢紊乱，积累一些有毒的中间产物（如乙醛和乙醇等），时间过长，细胞和组织死亡。由于膜的相变在一定程度上是可逆的，只要膜不被严重伤害，在短期冷害后温度立即转暖，膜仍能恢复到正常的状态（图12—13）。 此外，冷敏感植物例如黄瓜和水稻幼苗在低温胁迫下，细胞膜的保护酶系统——超氧物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽还原酶等的活性均明显下降；细胞内的抗氧化物质——还原型谷胱甘肽和抗坏血酸含量亦显著减少。这样就降低了清除氧自由基的能力，导致植物细胞内自由基水平提高，膜脂过氧化作用加强，引起膜系统的结构与功能损伤，表现出丙二醛含量增加、膜电阻下降、电解质大量外渗、叶绿素含量下降、叶绿体和线粒体的显微结构破坏等。因此，刘鸿先等认为，低温胁迫破坏植物体内自由基产生和清除系统的动态平衡，引起膜系统伤害，也是植物低温伤害机理的一个重要方面。 植物的冷害与抗冷性是同一个问题的两个方面，当植物不能承受低温时就发生伤害甚至死亡；当植物承受或部分承受低温的作用而不引起伤害或减轻伤害称为低温耐性，因此，植物冷害机理和抗冷性机理的研究往往是联系在一起的。植物的抗冷性途径是多种多样的，Levitt概括为两个方面，一是避性，即低温胁迫和它们所要作用的植物之间设置某种障碍，从而避开或部分避开低温的作用；二是低温耐性，就是植物承受了全部或部分的低温作用而没有引起伤害或只引起比较小的伤害。目前主要从三个方面来研究植物的抗冷性机理。 （1）通过耐冷性不同的种类或品种比较它们在遭受冷胁迫时的各种生理反应，从而推论植物耐冷性的可能机理。例如，主张膜脂相变引起植物的冷害，而膜脂脂肪酸的不饱和度又决定着相变温度的假说，从不同耐冷性的品种和种类中比较分析它们的膜脂组分及脂肪酸的不饱和度，再与植物在低温下的抗冷性进行相关分析。 （2）植物经低温锻炼提高了耐冷性，与没有锻炼的植株比较它们的生理学反应差异，从而提出植物耐冷性的可能机理。 （3）使用各种生长调节剂、膜保护剂，以及化学药物处理提高植物的耐冷性，比较这些处理过的与未处理的植株对低温胁迫的生理学反应，以推断抗冷性的机理。二、冻害和抗冻性 冻害（freezing injury）是指冰点以下的低温胁迫对植物的伤害。冻害与冷害相比，更具有普遍性，因为冷害主要发生在冷敏感植物上，而冻害则可在所有的植物中发生，并且凡是有季节性变化的地区，甚至亚热带也可能出现冻害。我国北方晚秋及早春时，寒潮入侵，气温骤然下降。使果木和冬季作物发生严重的冻害；华南地区的霜冻虽不严重，时间也较短，但此时生长的植物有许多是不耐寒的，特别是冷敏感植物会受到严重的伤害。此外，霜害（frost damage）也是冻害。 （一）冻害 1.结冰伤害的类型 冻害对植物的影响，主要是由于结冰引起的。由于冷却的速率和结冰的方式不同，伤害就有差异。结冰伤害的类型有两种。 （1）细胞外结冰伤害。在自然条件下，当温度逐渐下降至冰点以下时，植物发生胞外结冰。就枝条和叶片而言，胞外结冰先从大的导管开始。这一方面是由于导管中的溶液较稀，可能是植物各部分中冰点最高的地方；另一方面导管的直径大，比起细胞和细胞间隙来，不易维持过冷状态，因此冰往往从导管中的少数冰晶成核体开始结成，然后沿着导管以很高的速度进展而达到枝条的各个部分以至整个植物体。但这种结冰过程的扩展，仅仅是沿着活细胞以外的细胞间隙进行，通常不能进入细胞，其原因是细胞壁，特别是原生质膜对冰晶的侵入具有屏障作用。 胞外开始结冰以后，由于冰表面水势下降，胞内水分便可通过细胞膜而扩散至细胞间隙，供该处冰晶生长。随着温度的继续下降，细胞内的可冻水逐渐迁移至胞外。胞外冰量的多少因温度而异，温度下降得越低，形成的冰量越多，细胞脱水程度越强。另外，细胞间隙结冰时，逐渐排出了其中的空气，当温度回升使冰融化时，细胞间隙充满了新融化的水，仍无空气，因此组织呈现水渍状并缺乏氧气。 细胞外结冰伤害属于次生间接冻害，是由于细胞外结冰引起次生胁变而导致的伤害。一般来说，次生冻害比原初冻害出现慢，损伤小。次生胁变包括冰压、冰冻窒息和冰冻脱水等方面。 ①冰压细胞外结冰可引起细胞收缩和细胞间隙冰体膨胀。膨胀的冰体对细胞产生压力，导致伤害。②冰冻窒息植物组织发生胞外结冰并被冰覆盖时，由于缺氧进行无氧呼吸，往往在较高的冰冻温度下出现伤害。冰冻窒息伤害进展缓慢，苜蓿在冰下7～10天才明显，20天后死亡率才很高。模拟实验表明，冰冻窒息不是由任何单一的呼吸产物造成的，只有当CO2，乙醇和乳酸三者结合应用，才能出现与冰冻窒息相同的伤害效果。③冰冻脱水这是指由于胞外结冰引起的细胞脱水。冰冻脱水胁迫是自然界中高等植物冻害的主要类型。实验证明，单是这种胁迫就可以使植物死亡。菜用甜菜在-4～-5℃下冰冻后，细胞之间有大冰块形成，而且这些冰块的比电导率与花青素含量大都以同心圆形式自内向外逐渐增高。这说明胞外冰块在增长过程中活细胞逐渐被杀死。因为如果这是由于胞内结冰致死，则胞外就不能形成大冰块；而如果胞外结冰不伤害细胞，则胞外冰块应是均匀的，也不含电解质和花青素。 胞外结冰造成细胞脱水可产生两种主要的间接胁变。一是使细胞汁液浓度增高，特别是盐的浓度增高，致使原生质蛋白质凝聚而造成伤害；另一是由于细胞脱水收缩而发生塌陷，使细胞原生质承受机械胁迫而发生伤害；当解冻时，胞壁突然折断，原生质表面被撕裂。 通常，植物细胞被伤害的程度与胞外冰晶体的大小有密切的关系。然而，胞间结冰并不一定使植物死亡，大多数经过抗寒锻炼的植物是能够忍受胞间结冰的。某些抗寒性较强的植物（例如白菜、葱）有时虽然被冻得像玻璃一样透明，但在解冻后仍然不死。 （2）细胞内结冰伤害。当温度迅速下降（如每小时5℃）时，除了在细胞外结冰，细胞内的水分也结冰，一般是先在原生质内结冰，然后在液泡内结冰。细胞内结冰伤害属于原初直接冻害，其冰晶大小达到显微镜下可见的程度时就产生伤害。 细胞内结冰伤害的原因主要是机械伤害。原生质具有极其精致的结构，当冰晶在其中形成并达到某种大小时，必定会使原生质各组成之间发生分割。如果这种分割破坏了必要的结构，就会产生伤害。此外，胞内的冰晶还可以刺伤质膜，在膜上留下空洞而造成伤害。胞内结冰对细胞伤害较严重，一般在显微镜下看到胞内结冰的细胞，大多数是受伤甚至是死亡的。 2.冻害的机理 植物对不同冷却速率的反应发生胞外结冰和胞内结冰。虽然这两种结冰伤害具有一些差异，但存在共同的作用机理。下面主要介绍膜伤害理论和巯基假说。 （1）膜伤害理论。膜伤害理论认为，膜是冻害的原初部位。其证据是：①受冻害的组织电导率明显增加，用氚水（3H2O）直接测定表明，在引起电导率增高的冰冻温度下，细胞对水的透性并无变化。②细胞中与膜相结合的组分都表现出对冰冻很敏感，如冬小麦和番茄质膜上的Mg2+-ATP酶对低温非常敏感，易因寒冷而失活。③采用不能透过膜的防冻剂，可以保护细胞不受冻害。④冰冻蚀刻技术表明，膜是细胞中对结冰最敏感的部位。 细胞膜主要由脂类和蛋白质组成。结冰使脂质由液晶相转变为固相，固相膜显著降低膜的透水性，导致胞内结冰；以及固相膜更易受到机械损伤；结冰引起脂质的过氧化作用和磷脂的降解，使脂质丧失；结冰还破坏蛋白质的高级结构，使蛋白质变性和凝聚，丧失生物学功能。 （2）巯基假说。植物对结冰的忍受程度与细胞中的巯基（-SH）含量有关。植株匀浆中巯基含量高的，该植株的冰冻忍受程度就大。随着植物冻害的出现，细胞中蛋白质的二硫键（-S-S-）增加；当冰冻过程不伤害植物时，二硫键则不增加。 Levitt（1970）认为，①低温使原生质的蛋白质发生可逆变性，暴露出-SH基团；②细胞的冰冻脱水致使蛋白质分子间距离减小，使-SH氧化成-S-S-；③二硫键的形成可以发生在二个蛋白质分子之间-SH的氧化（图12—14A），也可以是一个蛋白质分子的-SH与另一个蛋白质分子内部的-S-S-基作用，形成分子间的-S-S-键（图12—14B）。其变化表示如下： 分子间形成较牢固的二硫键后，细胞一旦解冻吸水，就会破坏蛋白质的原有空间构型，使原生质受到伤害（图12—14），引起细胞死亡。 Huner等（1982）研究了黑麦的Rubisco（可溶性蛋白）和类囊体膜多肽（膜蛋白）。他们发现，可溶性蛋白的冰冻变性凝聚的效应符合Levitt的-SH假说，在分子间形成-S-S-键。而膜蛋白的冰冻变性机理，是在分子内形成-S-S-键。经过抗寒锻炼的黑麦，Rubisco的-SH外露少，对分子间-S-S-键的形成不敏感，因此可抵抗低温和冰冻的变性反应。类囊体膜多肽也由于低温锻炼使构象改变，对分子内-S-S-键的形成不敏感，从而仍可在低温下行使正常功能。 （二）植物的抗冻性 各类植物对冰冻温度的抗性，不仅有强度上的差异，而且其方式也是多种多样。下面简单介绍植物的抗冻形式： 1.结构上的隔离 树干的形成层细胞或其他活细胞有时可受到树皮的隔离保护，休眠芽的内部组织可受到外部鳞片的隔离保护，这样可以回避短暂的低温危害。 2.缺少可冻水 这种抗冻方式只有哪些能忍受极度脱水胁迫的器官才具有。如种子、花粉（风干态）和经过秋季抗寒锻炼后的某些干芽，它们不含可冻水，既使在绝对零度下也不会结冰。 3.保护过冷态 水或溶液的温度降至其冰点以下仍不结冰的现象，称为过冷（supercooling）。过冷的溶液于形成冰前所达到的最低的亚结冰温度，称为过冷点（supercooling point）。一些亚热带植物如油橄榄，叶子具有过冷能力是它们抗冻的唯一方式。轻度或中度过冷对一些植物抗冻也有实际意义，如柑桔果实的冰点约为-2℃，其过冷点可低于冰点3℃；马铃薯叶片由于存在过冷现象，至-6℃仍可存活，到-8℃才发生组织结冰而致死。 4.积累保护物质 抗寒性强的植物，在低温时细胞中积累较高的溶质。细胞中溶质（主要是可溶性糖）的增加，可使冰点降低和防止细胞质过度脱水。植物在抗寒锻炼过程中也大量积累可溶性糖、蛋白质和脂类等。 （三）植物的寒冷适应 植物在冬季来临之前，随着气温的逐渐降低，体内发生了一系列适应低温的生理生化变化，抗寒力就逐渐加强。这种抗寒能力提高的过程称为寒冷适应（cold acclimation）或者抗寒锻炼（cold hardening）。抗寒性是越冬植物的一种固有的遗传特性，但这种遗传特性只有在特定的环境条件诱导下才能表现出来，并且随着外界条件的改变又可消失。值得注意的是，即使是抗寒性很强的植物，在未进行过寒冷适应之前，对寒冷的抵抗能力还是很弱的。例如，针叶树的抗寒性很强，在冬季可以忍耐-30～-40℃的严寒，而在夏季若处于人为的-8℃下就会冻死。我国北方晚秋或早春季节，植物容易受冻害，就是因为晚秋时，植物内部的抗寒锻炼还未完成，抗寒力差；在早春，温度已经回升，植物体内的抗寒力下降；因此，晚秋或早春寒潮突然袭击，植物就易受害。 1.寒冷适应的阶段和诱导条件 （1）寒冷适应的阶段。一些研究者根据秋冬来临时主要气候因子的变化，将植物的寒冷适应分为几个阶段或时期。如Weiser（1970）将温带木本植物的适应分为三个阶段：第一阶段，受短日诱导。这种诱导常因过低温度而被抑制。诱导后引起生长停止和启动休眠。这一阶段只能提高抗寒性几度，但往往成为初寒时期生与死的分界线。第二阶段，明显地受低温诱导，霜冻常成为触发性的刺激。诱导后期组织的水合度降低，变得非常抗寒。第三阶段，受缓慢降至-30～-50℃的低温诱导，细胞发生冰冻脱水和结构上的适应，一些耐寒树种可忍耐液氮或液体空气的超低温。 草本植物的适应条件主要是低温。Kacperska-Palacz（1978）根据冬油菜寒冷适应对温度的要求，将草本植物的寒冷适应分为三个阶段。第一阶段，由降至5℃或2℃的低温诱导，可使其在原有的抗冻水平（-5℃左右）上增加几度。第二阶段，由亚结冰温度（0～2℃或-3℃）诱导，可引起组织最大耐冻性发育的完成。第三阶段，依赖于冰冻时间的延长，以引起细胞脱水而继续增强耐冻性。
