《植物的抗性生理》PPT课件
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叶绿体、线粒体和内膜系统。
• 目前已发现几十种热激蛋白，属于5个蛋白质家族。
近来发现其中很大一部分为监护蛋白(Chaperone， Cpn)，是一种辅助蛋白分子，主要参与生物体内 新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白 的复性和降解。
13
Heat Shock Cognate Protein
除热激外,正常生活的细胞中也有HSPs , 这类HSPs 是组成型表达的,称为HSC (heat shock cognate protein) 。HSC 和诱导型HSP 在结构和功能上都很难区分, 统称HSP。
36
抗冻蛋白的分离和特性鉴定
自1992 年加拿大Griffith第一次从冬黑麦中获得植物AFP 以 来, 已先后从冬大麦、小麦、燕麦、沙冬青和胡萝卜等质 外体中获得AFP (antifreeze proteins,AFPs) 。
• AFP 在体外水溶液中均表现出典型的热滞效应(降低冰点) 和重结晶抑制活性。AFP 主要通过重结晶抑制作用来避免 冰晶体对细胞组织的伤害。
33
• BiP 在所有植物中含量丰富,受热激诱导不明 显,主要受营养(葡萄糖饥饿) 调节,和内质网 上的束缚核糖体合成蛋白质有密切关系,可 能参与种子贮藏蛋白的合成。
34
4）在植物减数中的作用
• 玉米受精时对热敏感,高温时导致减产,部分 原因可能是成熟花粉不能合成HSPs。
• 玉米花粉的热敏感性可能是从单核到双核 花粉粒的转变开始,合成HSPs 的能力逐渐下 降,花粉成熟时完全丧失。从单核到双核花 粉粒的转变是花粉发育的一个重要阶段,其 特征是“早期”花粉基因表达关闭,“晚期” 花粉基因开始表达。
39
植物抗冻蛋白的 基因工程
1998 年10 月英国York 大学的Dawn Worrall 等发表了胡萝卜AFP 及其基因的
论文, 标志着第一个植物AFP 基因的发现,
对于植物抗冻基因工程具有非常重要的
意义。在此之前, 只有鱼类4 种AFP 的基
因结构研究得较为清楚, 昆虫和植物一无
所知。因此, 人们从事AFP 基因工程的目
• 放射性标记显示, 氨基酸渗入HSPs 在4 h 达 到高峰,随后下降。
22
RNA blot hybridization of RNA samples obtained from seedlings subjected to different heat stress treatments to
组成嵌合基因, 结果在转基因番茄的组织中不仅检 测到了mRNA , 而且检测到了融合蛋白。在含有融 合蛋白的组织提取物中检测到了重结晶抑制作用。 据报道这种转基因番茄果实可经受冷冻不坏死。
42
转化马铃薯
• 1997 年W allis 等按照Winter flounder 成熟
17
• 同种植物不同类型的HSPs 的同源性较低 如豌豆HSP18. 1、、HSP22. 7 和HSP21 分别 属于不同类型,它们之间的同源性低于50 %。
18
19
20
Байду номын сангаас
21
2）热激反应的短时性
• Northern blots 分析表明,热激时3～5 min 就 可检测到大豆幼苗HSP mRNAs 的积累, 1～2 h 达到高峰, 6 h 后显著下降, 12 h 就检测不 出了。
35
抗冻蛋白 Antifreeze proteins(AFP)
Overwintering plants produce antifreeze proteins (AFPs) having the ability to adsorb onto the surface of ice crystals and modify their growth.
了融合肽的产生。
41
转化烟草和番茄
• 1991年Hightower 等将极区鱼的afa3 AFP 基因由农
杆菌介导转入烟草和番茄, 在二者的叶内均检测到 了高水平表达的mRNA , 但在组织提取物中未检测 到重结晶抑制作用的活性。在另一组试验中, 他们
将截短了的葡萄球菌A 蛋白基因与afa3 抗冻基因
7
三、逆境对植物的影响
膜结构损坏，膜透性、膜酶活性改变 光合下降 呼吸异常 可溶性物质增加：如糖类,游离氨基酸等. 激素浓度改变：IAA,GA,CTK下降;ABA,Eth升高
8
四、植物抗逆的生理生化基础
研究表明：膜脂不饱和脂肪酸含量越高，不饱 和度越高，抗寒性越强。
有人认为：逆境下，膜蛋白越能维持活性，抗 逆性越强。
4
生 物 胁 迫
5
二、抗性及其方式
抗性(Hardiness)：植物对逆境的适应性和抵抗力叫 抗逆性，简称抗性，如抗旱性，抗寒性等。
抗性方式
①逆境逃避(Stress avoidance)： 防止接触胁迫。 ②逆境忍耐(Stress tolerance)： 植物抵抗胁迫。
6
胁迫可以引发植物从调节基因 表达和细胞代谢到生长速率和 产量变化等一系列反应。
38
Cloning and characterization of plant antifreeze protein genes
• 黑麦、小麦和大麦AFP 中存在着-1,3 葡聚 糖酶, 几丁质酶和甜蛋白结构与功能类似的 多肽。
• 胡萝卜AFP 富含亮氨酸, 与多聚半乳糖醛酸 酶抑制蛋白 ( polygalacturonase inhibitor proteins, PGIPs) 的不少成员有很高的同源性。
《植物的抗性生理》PPT课件
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第一节 抗性生理通论 ※
Section 1 Generality of Hardiness 一、逆境及其种类
逆境(Stress)：对植物生存与生长发育不利的各种 环境因素的总称，又称胁迫，如干旱,低温等。
在高于正常生长温度1015以上的温度即热激heatshockhs录被抑制同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋白heatshockproteins这种现象叫做热激反应heatshockresponsehsr12从细菌到人所有生物都可对热激产生反应而且除温度外其它许多因子如氨基酸类似物高盐浓度厌氧水分胁迫低温重金属离子亚砷酸盐乙醇营养饥饿24daba等都可以诱导热激反应合成的hsps参与生物的许多代谢过程
9
2. 逆境蛋白与抗逆性
非生物胁迫通常引起植物 基因表达模式发生改变
胁迫是可以接受和识别的环境信号；植物识别逆境信号后，该信号就在细胞之间和 整株植物中传递；逆境信号的传递通常会导致细胞水平上的基因表达发生变化；它 又接着影响到整株植物的代谢和发育。
10
热激蛋白（heat shock protein）：在高于正常生长温 度10～15 ℃以上的温度即热激( heat shock ，HS) 下， 生物体大部分正常蛋白质的合成和mRNA 的转录被 抑制，同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋 白(heat shock proteins , HSPs ) ，这种现象叫做热激 反应( heat shock response，HSR) 。
32
• In pea and sunflower, both cytosolic class I and class II sHsps appear in embryos during reserve synthesis and increase in abundance in mature seeds.
14
热激反应的特点
15
1）HSPs 的保守性
• 亲缘关系很远的原核生物和真核生物的同 种HSP 的同源性很高。 真核生物HSP70s 和大肠杆菌的HSP70 即 DnaK蛋白的同源性大于65 %。
16
• 不同物种相同细胞器之间的同源性比同一物 种不同细胞器之间的同源性高。
玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、 绿藻等细胞质HSP70 氨基酸的同源性达75. 0 % , 但和番茄定位于内质网的HSP70 比较,则 同源性只有54. 9 %。
• 植物生理学的研究结果揭示, 植物抵御冻害的途径主要有2 条: 一是避免细胞内冰晶的形成和阻止冰晶的生长, 二是维 持细胞膜的结构稳定性和蛋白质核酸的生物活性。抗冻蛋 白及其基因的研究是其中的一项重要内容。
37
抗冻蛋白的生化特征
从极区鱼、昆虫到植物，不少具有AFP 特性的蛋白 质被发现，它们有糖蛋白，也有非糖基化蛋白，分 子量大小不等, 进一步的化学结构只有鱼类研究得 比较清楚。总体上来看， 鱼、昆虫和植物3 类生物 之间AFP 的化学结构差异很大，同类生物之间的 AFP同源性也不高。但在植物AFP 中发现了一种有 趣的现象，即AFP 与某些抗病蛋白具有化学结构上 的相似性。
11
从细菌到人，所有生物都可对热激产生反 应，而且除温度外，其它许多因子如氨基酸 类似物、高盐浓度、厌氧、水分胁迫、低温、 重金属离子、亚砷酸盐、乙醇、营养饥饿、 2,4-D、ABA 等都可以诱导热激反应，合成的 HSPs 参与生物的许多代谢过程。
12
• 热激蛋白定位于细胞的多种细胞器,包括细胞质、
analyze maize HSP101
mRNA levels.
23
24
3）热激蛋白的多样性
• HSPs 的种类很多,分子量从15 kD～110 kD 或更高, 定位于多种细胞器。 大多数植物常见的大分子HSPs 为68 、70 、83 、 92 kD 等。此外, 分子量更大的如番茄的HSP95、 大麦的HSP99、小麦的HSP103、棉花的HSP100、 烟草的HSP100 和120、以及大豆的HSP110 等。
2
逆境种类
●生物逆境: 其它生物的感染或竞争，包括病害， 虫害，杂草。 ●非生物逆境: 物理因素：低温、高温 、干旱、水涝、辐射 、 风、雨、雪等。 化学因素：盐类、离子 、气体、除草剂等。
3
Yield Losses From Biotic and abiotic Stresses
1333kg/mu
28
2）生物的耐热性
• 热激条件下,大豆中I 类smHSPs 的含量可达 到总细胞蛋白的1 %以上,并且和耐热性的获 得一致。用生物工程技术使拟南芥的热激 转录因子表达,并诱导细胞质I 类smHSPs 组 成型表达,同时耐热力提高。
29
30
3）在植物种子发育中的作用
• In the absence of environmental stresses, synthesis of sHsps in plants is restricted to certain stages of development, such as embryogenesis, germination, pollen development, and fruit maturation.
• 植物热激蛋白的显著特点是smHSPs 相当多,大多 数植物sHSPs 在20 种左右。
25
热激蛋白的主要功能
26
1）分子伴侣
• 分子伴侣(molecular chaperones) 是指与新生 肽链的折叠, 寡聚蛋白质的组装和蛋白质的 跨膜运输有关的一类特殊蛋白质分子。
• HSP60 、HSP90、HSP70、smHSPs 都具有 分子伴侣作用。
的基因只有来源于鱼类。
40
转化郁金香、烟草、油 菜、玉米
• 1987 年, Davies 等将AFP 基因整合在T i 质粒上, 用 叶盘法转化郁金香、烟草、油菜等, 获得了一定的 抗冻力。
• 1990 年Georges 等合成了冬比目鱼AFP 基因, 构建 了含35S 启动子、AFP 基因和CAT 基因的表达载体, 将其通过电击导入玉米原生质体, 通过CAT 分析以 及用AFP 和CA T 的抗血清做的蛋白质印迹, 检测到
31
• In Arabidopsis embryos, cytosolic AtHsp17.4-
CI and AtHsp17.6-CI (former name AtHSP17.4 and HSP17.6), and AtHsp17.7-CII begin to accumulate when seeds enter mid-maturation stage and are abundant through the late maturation stage and in dry seeds
27
②低温诱导蛋白：低温诱导一系列基因的表达， 这些基因的表达产物可以帮助植物提高对冰冻胁 迫的适应能力。已发现上百种低温诱导蛋白。如 鱼抗冻蛋白能与水分子形成特殊结构，使冰点降 低1.5℃。 许多低温调节蛋白也可以被ABA或干旱单独诱导合 成。这些蛋白包括第2组和第5组LEA蛋白及其它低 温诱导蛋白。
• 目前已发现几十种热激蛋白，属于5个蛋白质家族。
近来发现其中很大一部分为监护蛋白(Chaperone， Cpn)，是一种辅助蛋白分子，主要参与生物体内 新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白 的复性和降解。
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Heat Shock Cognate Protein
除热激外,正常生活的细胞中也有HSPs , 这类HSPs 是组成型表达的,称为HSC (heat shock cognate protein) 。HSC 和诱导型HSP 在结构和功能上都很难区分, 统称HSP。
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抗冻蛋白的分离和特性鉴定
自1992 年加拿大Griffith第一次从冬黑麦中获得植物AFP 以 来, 已先后从冬大麦、小麦、燕麦、沙冬青和胡萝卜等质 外体中获得AFP (antifreeze proteins,AFPs) 。
• AFP 在体外水溶液中均表现出典型的热滞效应(降低冰点) 和重结晶抑制活性。AFP 主要通过重结晶抑制作用来避免 冰晶体对细胞组织的伤害。
33
• BiP 在所有植物中含量丰富,受热激诱导不明 显,主要受营养(葡萄糖饥饿) 调节,和内质网 上的束缚核糖体合成蛋白质有密切关系,可 能参与种子贮藏蛋白的合成。
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4）在植物减数中的作用
• 玉米受精时对热敏感,高温时导致减产,部分 原因可能是成熟花粉不能合成HSPs。
• 玉米花粉的热敏感性可能是从单核到双核 花粉粒的转变开始,合成HSPs 的能力逐渐下 降,花粉成熟时完全丧失。从单核到双核花 粉粒的转变是花粉发育的一个重要阶段,其 特征是“早期”花粉基因表达关闭,“晚期” 花粉基因开始表达。
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植物抗冻蛋白的 基因工程
1998 年10 月英国York 大学的Dawn Worrall 等发表了胡萝卜AFP 及其基因的
论文, 标志着第一个植物AFP 基因的发现,
对于植物抗冻基因工程具有非常重要的
意义。在此之前, 只有鱼类4 种AFP 的基
因结构研究得较为清楚, 昆虫和植物一无
所知。因此, 人们从事AFP 基因工程的目
• 放射性标记显示, 氨基酸渗入HSPs 在4 h 达 到高峰,随后下降。
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RNA blot hybridization of RNA samples obtained from seedlings subjected to different heat stress treatments to
组成嵌合基因, 结果在转基因番茄的组织中不仅检 测到了mRNA , 而且检测到了融合蛋白。在含有融 合蛋白的组织提取物中检测到了重结晶抑制作用。 据报道这种转基因番茄果实可经受冷冻不坏死。
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转化马铃薯
• 1997 年W allis 等按照Winter flounder 成熟
17
• 同种植物不同类型的HSPs 的同源性较低 如豌豆HSP18. 1、、HSP22. 7 和HSP21 分别 属于不同类型,它们之间的同源性低于50 %。
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Байду номын сангаас
21
2）热激反应的短时性
• Northern blots 分析表明,热激时3～5 min 就 可检测到大豆幼苗HSP mRNAs 的积累, 1～2 h 达到高峰, 6 h 后显著下降, 12 h 就检测不 出了。
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抗冻蛋白 Antifreeze proteins(AFP)
Overwintering plants produce antifreeze proteins (AFPs) having the ability to adsorb onto the surface of ice crystals and modify their growth.
了融合肽的产生。
41
转化烟草和番茄
• 1991年Hightower 等将极区鱼的afa3 AFP 基因由农
杆菌介导转入烟草和番茄, 在二者的叶内均检测到 了高水平表达的mRNA , 但在组织提取物中未检测 到重结晶抑制作用的活性。在另一组试验中, 他们
将截短了的葡萄球菌A 蛋白基因与afa3 抗冻基因
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三、逆境对植物的影响
膜结构损坏，膜透性、膜酶活性改变 光合下降 呼吸异常 可溶性物质增加：如糖类,游离氨基酸等. 激素浓度改变：IAA,GA,CTK下降;ABA,Eth升高
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四、植物抗逆的生理生化基础
研究表明：膜脂不饱和脂肪酸含量越高，不饱 和度越高，抗寒性越强。
有人认为：逆境下，膜蛋白越能维持活性，抗 逆性越强。
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生 物 胁 迫
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二、抗性及其方式
抗性(Hardiness)：植物对逆境的适应性和抵抗力叫 抗逆性，简称抗性，如抗旱性，抗寒性等。
抗性方式
①逆境逃避(Stress avoidance)： 防止接触胁迫。 ②逆境忍耐(Stress tolerance)： 植物抵抗胁迫。
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胁迫可以引发植物从调节基因 表达和细胞代谢到生长速率和 产量变化等一系列反应。
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Cloning and characterization of plant antifreeze protein genes
• 黑麦、小麦和大麦AFP 中存在着-1,3 葡聚 糖酶, 几丁质酶和甜蛋白结构与功能类似的 多肽。
• 胡萝卜AFP 富含亮氨酸, 与多聚半乳糖醛酸 酶抑制蛋白 ( polygalacturonase inhibitor proteins, PGIPs) 的不少成员有很高的同源性。
《植物的抗性生理》PPT课件
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学完请删除！
第一节 抗性生理通论 ※
Section 1 Generality of Hardiness 一、逆境及其种类
逆境(Stress)：对植物生存与生长发育不利的各种 环境因素的总称，又称胁迫，如干旱,低温等。
在高于正常生长温度1015以上的温度即热激heatshockhs录被抑制同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋白heatshockproteins这种现象叫做热激反应heatshockresponsehsr12从细菌到人所有生物都可对热激产生反应而且除温度外其它许多因子如氨基酸类似物高盐浓度厌氧水分胁迫低温重金属离子亚砷酸盐乙醇营养饥饿24daba等都可以诱导热激反应合成的hsps参与生物的许多代谢过程
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2. 逆境蛋白与抗逆性
非生物胁迫通常引起植物 基因表达模式发生改变
胁迫是可以接受和识别的环境信号；植物识别逆境信号后，该信号就在细胞之间和 整株植物中传递；逆境信号的传递通常会导致细胞水平上的基因表达发生变化；它 又接着影响到整株植物的代谢和发育。
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热激蛋白（heat shock protein）：在高于正常生长温 度10～15 ℃以上的温度即热激( heat shock ，HS) 下， 生物体大部分正常蛋白质的合成和mRNA 的转录被 抑制，同时迅速合成一些新的蛋白质称之为热激蛋 白(heat shock proteins , HSPs ) ，这种现象叫做热激 反应( heat shock response，HSR) 。
32
• In pea and sunflower, both cytosolic class I and class II sHsps appear in embryos during reserve synthesis and increase in abundance in mature seeds.
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热激反应的特点
15
1）HSPs 的保守性
• 亲缘关系很远的原核生物和真核生物的同 种HSP 的同源性很高。 真核生物HSP70s 和大肠杆菌的HSP70 即 DnaK蛋白的同源性大于65 %。
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• 不同物种相同细胞器之间的同源性比同一物 种不同细胞器之间的同源性高。
玉米、矮牵牛、拟南芥、大豆、豌豆、 绿藻等细胞质HSP70 氨基酸的同源性达75. 0 % , 但和番茄定位于内质网的HSP70 比较,则 同源性只有54. 9 %。
• 植物生理学的研究结果揭示, 植物抵御冻害的途径主要有2 条: 一是避免细胞内冰晶的形成和阻止冰晶的生长, 二是维 持细胞膜的结构稳定性和蛋白质核酸的生物活性。抗冻蛋 白及其基因的研究是其中的一项重要内容。
37
抗冻蛋白的生化特征
从极区鱼、昆虫到植物，不少具有AFP 特性的蛋白 质被发现，它们有糖蛋白，也有非糖基化蛋白，分 子量大小不等, 进一步的化学结构只有鱼类研究得 比较清楚。总体上来看， 鱼、昆虫和植物3 类生物 之间AFP 的化学结构差异很大，同类生物之间的 AFP同源性也不高。但在植物AFP 中发现了一种有 趣的现象，即AFP 与某些抗病蛋白具有化学结构上 的相似性。
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从细菌到人，所有生物都可对热激产生反 应，而且除温度外，其它许多因子如氨基酸 类似物、高盐浓度、厌氧、水分胁迫、低温、 重金属离子、亚砷酸盐、乙醇、营养饥饿、 2,4-D、ABA 等都可以诱导热激反应，合成的 HSPs 参与生物的许多代谢过程。
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• 热激蛋白定位于细胞的多种细胞器,包括细胞质、
analyze maize HSP101
mRNA levels.
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3）热激蛋白的多样性
• HSPs 的种类很多,分子量从15 kD～110 kD 或更高, 定位于多种细胞器。 大多数植物常见的大分子HSPs 为68 、70 、83 、 92 kD 等。此外, 分子量更大的如番茄的HSP95、 大麦的HSP99、小麦的HSP103、棉花的HSP100、 烟草的HSP100 和120、以及大豆的HSP110 等。
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逆境种类
●生物逆境: 其它生物的感染或竞争，包括病害， 虫害，杂草。 ●非生物逆境: 物理因素：低温、高温 、干旱、水涝、辐射 、 风、雨、雪等。 化学因素：盐类、离子 、气体、除草剂等。
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Yield Losses From Biotic and abiotic Stresses
1333kg/mu
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2）生物的耐热性
• 热激条件下,大豆中I 类smHSPs 的含量可达 到总细胞蛋白的1 %以上,并且和耐热性的获 得一致。用生物工程技术使拟南芥的热激 转录因子表达,并诱导细胞质I 类smHSPs 组 成型表达,同时耐热力提高。
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30
3）在植物种子发育中的作用
• In the absence of environmental stresses, synthesis of sHsps in plants is restricted to certain stages of development, such as embryogenesis, germination, pollen development, and fruit maturation.
• 植物热激蛋白的显著特点是smHSPs 相当多,大多 数植物sHSPs 在20 种左右。
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热激蛋白的主要功能
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1）分子伴侣
• 分子伴侣(molecular chaperones) 是指与新生 肽链的折叠, 寡聚蛋白质的组装和蛋白质的 跨膜运输有关的一类特殊蛋白质分子。
• HSP60 、HSP90、HSP70、smHSPs 都具有 分子伴侣作用。
的基因只有来源于鱼类。
40
转化郁金香、烟草、油 菜、玉米
• 1987 年, Davies 等将AFP 基因整合在T i 质粒上, 用 叶盘法转化郁金香、烟草、油菜等, 获得了一定的 抗冻力。
• 1990 年Georges 等合成了冬比目鱼AFP 基因, 构建 了含35S 启动子、AFP 基因和CAT 基因的表达载体, 将其通过电击导入玉米原生质体, 通过CAT 分析以 及用AFP 和CA T 的抗血清做的蛋白质印迹, 检测到
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• In Arabidopsis embryos, cytosolic AtHsp17.4-
CI and AtHsp17.6-CI (former name AtHSP17.4 and HSP17.6), and AtHsp17.7-CII begin to accumulate when seeds enter mid-maturation stage and are abundant through the late maturation stage and in dry seeds
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②低温诱导蛋白：低温诱导一系列基因的表达， 这些基因的表达产物可以帮助植物提高对冰冻胁 迫的适应能力。已发现上百种低温诱导蛋白。如 鱼抗冻蛋白能与水分子形成特殊结构，使冰点降 低1.5℃。 许多低温调节蛋白也可以被ABA或干旱单独诱导合 成。这些蛋白包括第2组和第5组LEA蛋白及其它低 温诱导蛋白。