高级植物生理学
1. 设计一个研究植物叶片衰老机理的试验方案（理论依据、研究内容及测定指标、预期结果与分析）。
答：衰老（senescence）是导致植物自然死亡的一系列恶化过程，也是植物的器官或植物的生命活动自然结束的衰退过程。
叶片衰老是一种受遗传和外界因子,如日照、病害、遮荫、高温、干旱和水涝等逆境影响的高度程序化过程(Thomashe Stoddarj,1982)。
植物衰老的类型
1〕整体衰老型：一年生植物或二年生植物在开花结实后出现整株衰老死亡。 2）地上部衰老：多年生草本植物地上部随着生长季节的结束而每年死亡，而根系和其他地下部分可以继续生存多年；
3）落叶衰老型：多年生落叶木本植物的茎和根能生活多年，而叶子每年衰老死亡和脱落。
4）渐进衰老型：多年生常绿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。 衰老的生物学意义
不应该把衰老单纯看成消极的导致死亡的过程，植株或器官的衰老在生态适应以及营养物质再度利用上都有积极意义。
积极方面：如一、二年生植物成熟衰老时，其营养器官贮存的物质降解，运转到发育的种子、块根、块茎等器官中作为贮藏物质被再度利用；秋季树叶老化也有类似情况，输出的物质贮藏在茎和芽中可以再利用；叶片衰老死亡，多年生草本植物地上部分死亡，有利于越冬；果实衰老成熟，有利于靠动物传播种子，便于种子的发散和生存。
消极方面：农作物受到某些不良因素影响时，适应能力降低，引起营养体生长不良，造成过早的衰老，籽粒不饱满，影响产量和品质。
衰老过程的细胞结构变化
结构上明显衰退，且有一定顺序。在叶肉细胞中，叶绿体破坏最早，其次是内质网、
高尔基体和线粒体等，核和膜破坏较迟。
衰老时的生理生化变化：
（1） 生活力显著下降：生长速率下降
（2） 蛋白质显著下降：随着叶片中叶绿体的破坏和降解、蛋白质的含量显著下降。
叶片衰老时，总的表现是蛋白质含量显著下降，并伴随蛋白质水解的同时，游离氨基酸积累。叶片中可溶性蛋白质主要是Rubisco 的降解，光合功能下降。
（3） 核酸含量下降：
叶片衰老时，RNA含量下降，DNA也下降，但DNA下降速度比RNA缓慢。一般认为叶绿体和线粒体的rRNA对衰老过程最敏感。 （4） 光合能力和呼吸速率的下降
叶片衰老时光合速率下降，原因：（1）叶绿体的间质破坏，类囊体膨胀、裂解，叶绿素含量迅速下降；（2）Rubisco分解、光合电子传递与光合磷酸化受阻。
叶片衰老时，呼吸速率下降较光合速率慢。有些叶片衰老时，有呼吸跃变现象。此外，衰老时呼吸过程中的氧化磷酸化逐步解偶联，产生的ATP数量减少，会促进衰老的发展。 （5） 生物膜的变化：
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，使膜由液晶态逐渐转变为凝固态，磷脂尾部处于“冻结”状态，完全失去运动能力，膜失去弹性；生物膜结构选择透性功能丧失，透性加大，膜脂过氧化加剧，膜结构逐步解体；一些具有膜结构的细胞器的膜结构发生衰退、破裂甚至解体。
膜脂（磷脂）的分解、氧化，磷脂酶可催化脂肪分解为不饱和脂肪酸，再经氧合酶氧化形成脂质氢过氧化物，脂质氢过氧化物很活跃，可继续分解成低级氧化产物丙二醛（MDA），MDA是膜质氧化降解的典型产物，它能与蛋白质氨基酸残基或核酸发生反应，使膜的稳定性降低，促进膜的渗漏。过氧化物还可引起膜的流动性下降和膜的相变，致使细胞老化。 （6） 内含物的转移和再分配
衰老的激素调节
植物内源激素参与衰老过程的调节。一般情况是，吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）和细胞分裂素（CTK）（延缓衰老）在植株或器官的衰老过程中含量逐步下降，而脱落酸（ABA）和乙烯（Eth）（促进衰老）含量逐步增加。
植物衰老的机理 1、 营养亏缺学说
H.Molish于1928年提出，他发现一年生植物衰老的特点果实成熟与植物其他部分的衰老同步。认为这是由于营养物质向果实运输，使营养器官营养耗竭而死亡。许多植物证明，生殖器官是一个很大的“库”，生殖器官发育时垄断了植株的营养供应。
2、 衰老因子说
认为植株衰老是由于仔实成熟过程中向营养器官释放一种诱导衰老的因子（或信号）引起的。
3、 激素调控说
多种激素对植物的衰老具有调节效应。
植物营养生长阶段，地上部分与地下部分所合成的激素，通过运输在植物体内形成一个反馈环，相互协调，维护植物正常的生长和代谢。当顶端开始花分化时，这种反馈环被破坏，果实生长成熟过程中释放的衰老因子和乙烯进一步促进衰老。至今对各种激素在导致衰老的因果关系还不完全清楚。
4、 DNA损伤假说（差误理论）
Orgel等人提出了与核酸有关的植物衰老的差误理论：植物衰老是由于基因表达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，导致衰老。这种差误由于DNA的裂痕或缺损导致错误的转录、翻译，可能在蛋白质合成过程的一处或几处出现并积累无功能的蛋白质（酶）。
某些理化因子可损伤DNA、破坏DNA结构，使细胞核合成蛋白质的能力下降，而造成细胞衰老。
5、 自由基损伤假说
自由基假说认为：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、核酸、膜生物以及叶绿素有破坏作用，使器官及植物体衰老、死亡。衰老过程即
活性氧代谢失调，自由基活性氧逐渐累积的过程。
6、 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，细胞遵循其自身的“程序”，主动结束其生命的生理性死亡过程，又称之为细胞凋亡（apoptosis）。程序性细胞死亡是一种由内在因素引起的非坏死性变化，即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。
L. D. Nooden(1988)认为叶片衰老是一个程序性细胞死亡（PCD）过程。实验证明，叶片衰老是在核基因控制下，细胞结构（包括叶绿体、细胞核等）发生高度有序的解体及其内含物的降解，而且大量矿质元素和有机营养物质能在衰老细胞解体后有序地向非衰老细胞转移和循环利用。
研究内容：水分胁迫处理叶片促进叶片衰老，分析和测定叶片的各种生理生化指标的变化情况。
测定指标：① 叶肉细胞超微结构（发生不同程度的变化）
② Chl含量和光合能力测定（Chl含量下降，光合能力下降） ③ 蛋白质和内肽酶的含量（蛋白质含量降低，内肽酶活性升高）
-④ 超氧阴离子自由基(O 羟自由基(·OH)、过氧化氢（H2O2）等活性氧含量（） 2)、
⑤ 丙二醛（MDA）含量、细胞质膜相对透性（PMP）测试（MDA PMP升高） ⑥ DNA和RNA的含量以及DNase、RNase活性(DNA/RNA DNase/RNase ) ⑦ 叶片的mRNA表达水平的变化：衰老相关基因的上调和多数基因为衰老下调基因。
2. 举例说明植物激素调控基因表达的机理。 答：生长素IAA的作用机制——基因表达学说
生长素可使细胞伸长所需的一些基因脱阻遏，从而使其得到表达而促进生长。根据实验证据，设想IAA与细胞质中的受体结合，从而诱导受体构象改变，“IAA-受体”复合物转移到细胞核内，复合物（也许包括其他调节蛋白）特异性高亲和地与某些基因上
的特定序列相互作用，形成新的的mRNA，然后它们转入细胞质中翻译成原初蛋白质，将IAA信号放大。每种原初蛋白质也可以继而激活或阻遏其他基因的表达，从而将IAA信号进行二级放大。最后引起一系列的生理生化反应。另外，如果IAA受体是在细胞核内，与IAA结合后就直接影响某些基因的表达，而不用将“IAA-受体”复合物转移再起作用。
IAA作用的分子机制：
（1）受体——生长素结合蛋白(Auxin binding protein,ABP)
植物激素必须与激素受体结合才能发挥生理、生化作用。
ABP根据其存在位置命名为：ABP1(存在于位置1，即内质网)；ABP2(存在于位置2，即质膜)；ABP3(存在于位置3，即泡膜)。
目前，ABP1被确定为生长素的受体蛋白，它是相对分子量为22×103的糖蛋白。过去20年的细致研究发现，绝大部分的生长素结合活性都与ABP1有关。 （2）生长素信号传递途径
①生长素诱导基因：当生长素与受体结合后，活化一些转录因子（transcription factor），这些转录因子进入核内后，可以控制特定基因的表达，根据转录因子的不同，生长素诱导基因分为早期基因和晚期基因两类。
早期基因（early gene）或初级反应基因（primary response gene）的表达是被原来已有的转录基因活化刺激所致，所以早期基因的表达不受蛋白质合成抑制剂（如环己酰亚胺）所抑制。早期基因的表达所需时间非常短，从几分钟到几小时。生长素诱导的早期基因分为5类：AUC/IAA基因家族、SAUR基因家族、GH3基因家族、类GST基因家族和ACC合成酶基因家族。
晚期基因（late gene）或次级反应基因（secondary response gene）某些早起基因编码的蛋白质能够调节晚期基因的转录。晚期基因转录对激素是长期反应。因晚期基因表达需要重新合成蛋白质，所以其表达受蛋白质合成抑制剂所抑制。 ②生长素诱导早期基因表达的机制
早期基因被诱导表达，必须具有能被生长素活化的启动子，即这些基因启动子上具有一些能与生长素活化的转录因子直接或间接结合的区域，称为生长素响应元件（auxin response element, AuxRE）。
生长素响应因子（auxin response factor, ARF）可调节早期生长素基因表达。在没有IAA的条件下，ARF与AUX/IAA蛋白结合形成不活化的异源二聚体(heterodimer)。