《环境生物学》 第四章

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▲ 在污染环境中,生物的应对策略有两个方面:
1、平衡资源获取和减少污染机会的矛盾 2、平衡资源的分配
(三)群体的适应性分化
▲ 适应性抗性种群的形成 :
例如: C4植物对SO2抗性比C3植物强就是与酶 有关 ;某些植物叶片(如大豆、矮牵牛等)对O3 的敏感性随着其抗坏血酸含量的上升而下降 ;大 豆的抗SO2品种对外源性SO32-的代谢比敏感品 种更为迅速等。
(三)细胞信号水平
污染胁迫可能破坏细胞的正常离子分布和动态 平衡,可能使功能蛋白和结构蛋白变性,可能导 致细胞的水分平衡或渗透发生紊乱,也可能破坏 细胞内的膜结构,等等。这些不同的环境胁迫可 以激活相似的细胞信号通路,引起相似的细胞应 答 ,例如增加胁迫蛋白的产量、提高抗氧化剂基 因的表达水平、增加可溶性物质的积累等。例如 增加胁迫蛋白的产量、提高抗氧化剂基因的表达 水平、增加可溶性物质的积累等
(3)生殖隔离
抗性种群(resistance population) :是指体内 具有自然进化过程中产生的对某类人为逆境有抗 性的基因或基因工程构建的新基因的种群。
生殖隔离:对于环境污染压力下产生的抗性种群, 我们希望能保持种群的抗性特征,这时除了维持 选择压力之外,还必须有阻断基因流的屏障。这 个屏障即生殖隔离(reproductive isolating) 。 是抗性种群得以维持的重要因素 。
(1)液泡隔离
液泡在植物抗性中承担着隔离有毒化学逆境 因子及其代谢产物的重要作用。有些化学逆境因 子及其轭合物被输送进入液泡,在一定程度上不 能扩散出来,也不能主动地输送回细胞质中。
• (2)组织屏障隔离
组织屏障隔离
植物的凯氏带 动物的血脑屏障

胎盘屏障
▲凯氏带(casparian strip)
凯氏带是德国植物学家R. Caspary于1865年 发现的。植物根的初生结构由外至内可分为表皮、 皮层和维管柱3个部分,皮层最里面有一层紧密相 连的细胞,即内皮层(endodermis),其特点是 细胞排列整齐而紧密,细胞的径向壁(即相邻细 胞之间的壁)和横壁(即上下面)上有一部分木 质化和木栓化有加厚,形成围绕细胞一周的环带, 称为凯氏带。
② 毛细血管内皮细胞外的基底膜(basement membrane)是连续的,且较厚;
③ 毛细血管壁外表面积的85%都被星形胶质 细胞突所包绕,有胶质膜覆盖。
▲胎盘屏障
正常妊娠期间母血与子血分开,互不干扰,同时 又进行选择性的物质交换,这一现象称为胎盘屏障。
组成:合体滋养层、细胞滋养层及其基膜 绒毛内膜层结缔组织 绒毛毛细血管基膜和内皮
三、抗性机制
逆境生存下的植物、动物和微生物都有各自的 抗性机制。
(一)外部逃避机制
1、植物叶和根的外部逃避 植物吸收化学逆境因子的主要途径是叶片和
根。对于植物来说,不管是自然逆境还是人为逆 境,叶片和根的形态结构都会有明显的变化。如 干旱会导致叶片和嫩茎萎蔫,气孔开度减小甚至 关闭;淹水使叶片黄化、枯干,根系褐变甚至腐 烂;高温使叶片变褐,出现死斑,树皮开裂;病 原菌侵染使叶片出现病斑等等。所以植物对化学 逆境因子引起的人为逆境主要通过叶和根来实现 外部逃避。
(1)皮肤屏障
皮肤屏障中起作用的结构是“砖墙结构”。表皮
的砖墙结构模式图如下 :
(2)呼吸道屏障
呼吸道是抵御有害物质侵入的良好部位,呼吸系 统通过过滤、灭活(或破坏)及清除三种作用能 消除化学逆境因子 ,将之拒之门外。
(3)消化道屏障。
化学逆境因子可以经消化道进入动物体内,而消 化道吸收作用 主要是在小肠内,目前认为,正常 肠道屏障功能主要有机械屏障、免疫屏障、化学 屏障和生物屏障,其中最关键的屏障是肠粘膜上
2、动物的外部逃避
动物也具有排斥环境中的化学逆境因子使其 不能进入体内的机制,主要从形态、行为和生理 结构上来实现。对于可以自由活动的动物来说, 更为有效的措施是从行为(冬眠、滞育、迁移、 地下生活、夜间活动等)上主动避开污染环境 。 在生理结构上,一些动物体内存在各种屏障,以 防止化学逆境因子进入动物体的组织或器官。以 哺乳动物为例,主要的屏障是皮肤、呼吸道和消 化道。
四、抗性的分子机理
(一)基因水平
1、抗性基因的产生: ①遗传基因发生变化
②自发突变
来源:正常群体中非定向的基因突变,或者,是 一些正常情况下不表达,在逆境压力下才启动表 达、以应对(包括耐受或者逃避)不良环境的基 因。
2、抗性基因的控制
遗传性抗性变异受抗性基因控制。根据现有资 料 , 抗 性 变 异 的 遗 传 可 以 大 致 分 为 主 基 因 ( major gene)遗传和多基因(polygenic)遗传。前者指抗 性主要由单个主基因(可以有其修饰基因)控制,后 者指抗性受多个基因控制,其中每一个基因的单独 作用较小。
第一节 生物对人为逆境的抗性 第二节 生物在人为逆境中的适应 第三节 生物抗性在环境保护中的意义
第一节 生物对人为逆境的抗性
一、抗性的分类和指标
按照抗性获得的途径,可分为:天然抗性 ( natural resistance ) 和 获 得 性 抗 性 (acquired resistance)两种。由于遗传而具有 的 ,称为获得性抗性;由于适应环境变化而后天 形成的,称为获得性抗性,按照抗性表现的方式, 有人将抗性划分为7类:结构抗性、再生抗性、生 理抗性、生化抗性、休眠抗性、种群抗性及群落 抗性等。
1、结合钝化
一些生物具有使进入到体内的化学逆境因子 变成安全、低毒的结合态的机制,能使化学逆境 因子与体内的某种成分结合或整合,经多种方式 被结合、固定下来,使其不能达到“靶细胞”或 “靶组织”,不参与代谢活动,这种作用叫结合 钝化(combined-deactivation)。
结合钝化在生物体细胞中普遍存在,细胞壁、 细胞膜和细胞中的其它成分均具有这种作用。因 此有细胞壁的结合钝化 、细胞膜的结合钝化、细
注意:一旦细胞胁迫信号转导和基因激活 过程出现一步或几步错误,最终将不可逆 地破坏细胞内的动态平衡,使结构和功能 蛋白质失活,导致细胞死亡。
第二节 生物在人为逆境中的适应
生物适应定义:
生物适应(adaptation)是生物界普遍存在的现象, 是生物为了应对受损环境,生物在外部形态特征、 内部生理技能、遗传变异特性等诸多方面都将产 生一系列的调整,以保证在变化环境中的生存和 发展。
第四章 生物对人为逆境的响应
本章重点内容
本章以生物对由化学逆境因子形成的人为逆 境的抗性为重点,从逆境中生物的外部逃避、内 部忍耐两方面探讨了生物对人为逆境的响应机制, 分析了生物体如何通过本身形态、结构、生理、 行为或生活史特性等的改变来忍耐和抵抗化学逆 境因子的不良影响,并阐述了抗性机制在污染治 理中的意义。
3、分室隔离
生物将化学逆境因子运输到体内特定部位使 之与生物体内活性靶分子隔离是生物产生抗性适 应性的又一途径,这一作用被称为生物的隔离作 用(compartmentalizing effect)或屏蔽作用 (shielding effect)。隔离作用的分子机制目前 还不太清楚,研究结果也不太一致,尚需进一步 深入的研究。
外部逃避机制有以下三种:
(1)形态学机制 ;
(2)生理生化机制;
(3)生态学机制:
一般说来植物至少有五种不同的过程可以改 变根际周围环境的生态学特征来实验外部逃避: 形成跨根际氧化还原梯度→向根际分泌化学物质 →形成跨根际pH值梯度 →土壤中的酶类对土壤化 学逆境因子的分解转化 →根际微生物吸收、富集、 分解污染物。
(3)生态学指标,如根的分布特性、根际效应状 况等。
二、抗性特点和途径
(一)生物抗性特点 生物能抵抗逆境压力是因为生物具有以下特
性: 1、避逆性(stress escape) 2、御逆性(stress avoidance)
3、耐逆性(stress tolerance)
(二)抗性途径 生物对逆境的抗性机制和途径如下:
过程:首先,各种胁迫刺激信号被质膜上的受体 感知,并作为起始因子传递给IP3等第二信使。然 后,由这些第二信使引发下游的信号转导,将信 号传递给胁迫应答转录因子。最后,通过转录因 子激活各种胁迫应答反应,包括激活细胞重建内 部水分动态平衡的应答机制、积累相溶性溶质维 持细胞渗透平衡、利用Na+/H+逆向转运蛋白重建 细胞内的离子动态平衡、依靠热激蛋白和胚胎晚 期丰富蛋白修复被损伤的蛋白质和膜,从而使细 胞产生胁迫耐受而存活下来。
通常,生物的抗性机制涉及到形态解剖、细 胞和分子几个层次,1937年苏联学者根据多年的 研究将抗性指标划分为三大类:
(1)形态解剖指标,如气孔构造、栅栏和海绵组 织的比例、角质层和木栓层的厚度及根套的有无 等;
(2)生理生化指标,如细胞膜透性、细胞质含水 量、酶系统活性及细胞内结合物质如谷胱甘肽、 类金属硫蛋白等的含量等;
(二)内部忍耐机制
概念:当外部逃避不能完全保护生物不受化学逆 境因子的侵袭时,化学逆境因子就会冲破生物外 部保护(如生物的表皮、叶片的气孔等)进入生 物体内时,这时生物体则会表现出对侵入的化学 逆境因子的抵挡作用 ,这种机制称为内部忍耐机 制。
内容:包括结合钝化、代谢转化、分室隔离、改 变代谢途径、分泌和排泄等过程。
皮屏障和肠道粘膜免疫屏障。
3、微生物的外部逃避 微生物对重金属的外部逃避包括: ▲ 减少吸收 ▲ 吸附作用(adsorption effect): 胞内吸附(intracellular adsorption) 细胞表面吸附(cell surfaceadsorption) 胞外吸附(extracellular adsorption) ▲ 胞外酶作用: 沉淀作用 胞外络合作用 细胞壁结合作用
④20世纪90年代以后,不少研究者利用等位酶技 术或随机引物扩增的多态DNA技术调查分析了长期 污染作用下种群的遗传多样性格局的变化。近10 年来和限制性内切酶酶切片段长度多态性等遗传 标记法针对污染条仵下种群的遗传结构进行了研 究,但取得的进展不大。
(二)酶和蛋白水平
生物产生抗性的机理还可能和生物体内的许多酶 反应有关。
胞质的结合钝化 。
2、代谢解毒
化学逆境因子在生物体内酶的作用下经过氧 化、还原、水解、脱氢、脱卤、芳环烃基化和异 构化等过程,使毒性降低或消失,此方法叫代谢 解毒。
过程:动植物和微生物,通过氧化反应、还 原反应、水解反应和结合反应这些代谢过程,产 生极性和水溶性增加的产物,从而可以迅速排出 体外。
植物的各种适用性
一、生物对污染适应的特点
(一)两重性
①对污染引起“自然”环境的改变的适应以 及对污染引起生物的生理变化的适应。是间 接性的;
②生物对污染物自身的适应。是直接性的。
(二)适应组合
▲ 生物对污染的适应性往往涉及多个生理过程
的综合调整、乃至形态结构和功能协同发生变化, 这叫适应组合(adapting mosaic)
(三)排出体外
化学逆境因子进入体内后不经过任何转化即 排出体外;或很快与体内物质结合后排出体外; 或经过氧化、还原、水解后直接排出体外;或经 过体内氧化、还原、水解后再与其它物质结合后 排出体外;等等。无论是以哪种方式哪种形态, 最后都排出了体外,所以,生物体对化学逆境因 子来说只是一个通道。关于这部分内容在第二章 已经讲述。
作用:凯氏带阻断了皮层与维管柱之间的质外体
运输途径,犹如生理栅栏和阀门一样,控制着营 养物质和水分进入维管柱。
▲血脑屏障 (blood brain barrier)
血脑屏障是指脑的毛细血管壁与神经胶质细 胞形成的、血浆与脑细胞之间的屏障以及由脉络 丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障。如下图:
特点:① 脑毛细血管内皮细胞间相互连接很紧密, 几乎无空隙;
抗性基因控制的发展历程:①20世纪80年代以前的 研究表明,生物表现出的抗性由一大基因控制;② 20世纪80年代以后 ,发现抗性不是由单一的大基因 所控制,而是由多基因控制 ;
③20世纪90年代以来 ,国内外进一步研究表明多 基因控制污染抗性问题 ,一些试验研究证据表明 同抗性表型相关的有关遗传机制是由主要基因控 制的,其他的一些基因(可能为修饰子)只起加 强或调节抗性的作用 ;
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