植物生理学-8植物生长物质

第八章植物的生长物质一些对植物生长发育具有调节作用的物质。植物激素：是植物体内合成的并能从产生处运到别处对生长发育产生显著作用的微量有机物。植物生长调节剂：具有植物激素性质的人工合成物质。生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类脱落酸、乙烯、油菜素内酯1880：英Darwin父子，金丝雀草胚芽鞘向光性实验1913：丹麦BoysonJensen，凝胶片实验1914、1919：匈牙利APaal，作用物可扩散性1928年：荷兰FWWent，证明作用物是某种化学物质1934年：荷兰FKogl等。从玉米油、根霉、麦芽等分离出并纯化了刺激生长的物质，经鉴定是3－吲哚乙酸（IAA）第一节生长素类一、生长素的发现及种类*其它天然生长素类4－Cl－IAA苯乙酸(PAA)吲哚丁酸(IBA)二、生长素在植物体内的分布和运输（一）分布：分布广，含量微，10－100ng/gFW10-100mg/吨FW集中在生长旺盛的部位（胚芽鞘、芽、根尖、形成层、受精子房）趋向衰老的组织器官含量甚少。（二）运输：1需能的单向的极性运输（维管束鞘薄壁细胞）①极性运输：只能从形态学上端运向下端而不能逆转过来的运输方式。②速度：1～2.4cm/h，比扩散快10倍。③机制：耗能、缺氧受阻、逆浓度梯度。1977年GoldSmith提出化学渗透学说。IAApKa=4.75AUX1H+/IAA-;PINPGP抑制剂NPA;N-1-萘基邻氨甲酰苯甲酸图图图2韧皮部运输成熟叶，非极性，速度快，不直接耗能。三、IAA的生物合成（一）合成部位：主要是叶原基、嫩叶、正发育的种子；成熟叶、根、合成量微少。（二）合成过程1吲哚丙酮酸途径高等植物中占优势2色胺途径在植物中占多数3吲哚乙酰胺途径细菌4吲哚乙腈途径十字花科、禾本科、芭蕉科图四、自由生长素和束缚生长素（一）定义1自由生长素：植物体内以游离状态存在，易于提取的生长素称为自由生长素。2束缚生长素：植物体内需经酶解、水解或自溶作用才能从束缚物中释放出来的那部分生长素称为束缚生长素。（二）束缚生长素的作用1储藏形式吲哚乙酰葡萄糖种子萌发时释放2运输形式吲哚乙酰肌醇3解毒作用吲哚乙酰天冬氨酸生长素多时形成4防止氧化束缚生长素不易氧化5调节自由生长素含量束缚生长素占总生长素的50-90％五、生长素的降解（一）酶促降解1脱羧降解1947年发现IAA氧化酶，分布广泛。①酶性质：过氧化物酶、需Mn2+一元酚IAA+O2+~1/10H2O2②催化反应：NHCH2(CH2OH)O+CO2+H2O3-亚甲基羟吲哚IAA氧化酶Mn2+一元酚2不脱羧降解IAA+O2NHH(OH)CH2COOHO羟吲哚乙酸和二羟吲哚乙酸（二）光氧化IAA吲哚醛＋亚甲基羟吲哚光核黄素六、生长素的生理作用（一）促进细胞伸长生长1特点：敏感部位幼茎、胚芽鞘等；最适浓度10－5－10－6mol；不可逆图2原理：酸性生长理论主要观点：IAA到达靶细胞后，使靶细胞质膜上的H+-ATP酶活化，该酶水解ATP同时将H+泵出质膜，使胞壁酸化。胞壁pH下降可使氢键断裂、与壁松弛有关的酶活化。如β－半乳糖苷酶在pH4-5时比pH7时活性高3－10倍而β－（1，4）葡聚糖酶的活性可提高约100倍，结果造成细胞壁松弛可塑性增大，细胞吸水，体积扩大。IAA通过调节基因表达促进核酸及蛋白质的合成，使原生质及壁物质增加，同时也可通过影响某些酶而促进代谢,进而提高细胞的吸水力。（二）决定顶端优势1顶端优势：生长着的顶芽不同程度地抑制了侧（腋芽）的生长，这种现象称为顶端优势。距顶芽越近抑制越强。2原因：①生长素决定：去顶芽抑制消除，人工加IAA重新抑制。侧芽生长所需生长素的浓度低于茎，顶芽产生生长素向下运输，使侧芽因生长素浓度高而受到抑制，距顶芽越近浓度越高抑制越强。但很多实验结果与此相反。②营养物质决定：顶芽高水平的生长素含量使其成为争夺营养物质能力强的代谢库，顶芽从侧芽吸取营养致使侧芽不能生长。但是将营养液直接施到侧芽上也不能逆转。图③内源生长调节物决定：CTK抑制顶端优势促进侧芽生长，ABA抑制生长，去顶芽后侧芽中ABA含量下降抑制解除。IAA、CTK、ABA共同起作用。顶端优势现象很可能是植物激素、营养物质等因素综合作用的结果。（三）影响根生长和根形成1促进根伸长生长：促离体根切段和完整根的伸长生长，所需浓度低10－13－10－8mol促生长，10－6－10－5mol抑制。2促根形成：有叶侧根多，无叶侧根少。生长素促进侧根的形成和根的早期发育。图3促进茎叶等器官不定根发育（四）延迟叶片等器官脱落由于IAA的浓度梯度决定离层的形成，IAA又能诱导乙烯的生成.所以IAA延迟脱落的早期阶段出现，促进脱落的后期阶段。七、生长素的作用机理（一）生长素诱导茎切段生长动力学（组织水平上的研究）大豆下胚轴切段置于缓冲液中，生长速度下降到基础水平后，加入2，4－D，测定切段伸长速率。15min开始明显增长（伸长的第一阶段），约1小时后伸长速率第二次增高（第二阶段，伸长的稳定状态期）。图图（二）生长素受体（亚细胞水平上的研究）1激素受体：能与激素特异地结合并在结合后呈现出特殊的生理生化活性的物质，一般都是蛋白质故又称为受体蛋白。生长素的结合位点在膜上（内质网膜、细胞质膜、液泡膜）和细胞液中。2研究方法a亲和层析：TIBA（三碘苯甲酸）结合到柱上，玉米胚芽鞘蛋白提取液过柱，TIBA与受体结合，洗下，分离纯化。其抗体抑制IAA所促的生长。定位于细胞质膜的外侧，22kD。图b光亲和性放射性同位素标记法：以氚偶氮－IAA为标记物，紫外光下偶氮基团共价与番茄茎细胞膜上的蛋白质相结合，从而鉴定出了MW为40kD和42kD的多肽双体。也有人报导细胞液中某种可溶性蛋白是生长素受体。生长素作用机理的可能模式图（三）生长素与基因表达通过差式筛选法确定IAA控制的基因；利用放射性分子探针进行分子杂交，测定生长素处理后相关基因的表达水平。图八、人工合成的生长素类及其应用（一）人工合成的生长素类1吲哚衍生物：吲哚丙酸（IPA）、吲哚丁酸（IBA）2萘衍生物：α－萘乙酸（NAA）、萘氧乙酸（NOA）3苯衍生物：2，4－二氯苯氧乙酸（2，4－D）2，4，5－三氯苯氧乙酸（2，4，5－T）、4－碘苯氧乙酸（4－I-POA增产灵）（二）专一性抑制剂α－（对氯苯氧基）－异丁酸（PCIB）抗生长素，与IAA竞争受体。（三）应用1插条生根：常用IBA、NAA、2,4-D10－100ppm溶液或300－5000ppm粉剂处理。2阻止器官脱落：10ppmNAA或1ppm2,4-D可使棉花保蕾保铃。3促进结实：10ppm2,4-D喷洒番茄花，促进座果且可形成无籽果实。4促进菠萝开花：14个月龄的菠萝植株，1年内任何时间用5－10ppm的NAA或2,4-D处理，2个月后就能开花。第二节赤霉素类1926年日本人黑泽英一水稻恶苗病赤霉菌1938年日本人薮田贞次郎获得结晶称为赤霉素A1958年从高等植物分离出第一个赤霉素（GA1）1959年鉴定结构至1998年已发现136种一、GA的结构和种类天然存在的GA1种类两大类C19：GA1、GA2、GA3……多于C20活性高C20：GA12、GA13、GA25……活性低2基本结构4个异戊二烯单位组成的双萜，4个环，赤霉烷。3结构差异a碳数C19、C20b双键位置、数目c内酯键有无d羟基位置、数目e羧基位置数目4GA在植物体内的存在状态a自由GA：不以键的形式与其它物质相结合，易被提取出来的GA。b束缚GA：以键和其它物质（如葡萄糖等）相结合，需经酸水解、酶解等过程才能释放出来的GA。无活性COOCH3CH2OH(R1)C=O|OH(R2)HO(R3)R1、R3葡萄糖或酰基，R2葡萄糖或肽基束缚赤霉素具有贮存、运输等功能。二、GA的运输和分布（一）分布被子植物、裸子植物、藻类、真菌、细菌。高等植物体内，分布在生长旺盛部位，茎端、嫩叶、根尖、果实、种子等。一般两种以上，1－1000ng/gFW。（二）运输无极性。根尖合成的经导管向上运输；嫩叶合成的经筛管向下运输。不同植物运输速度差异大。如矮生豌豆5cm/h,豌豆2.1mm/h、马铃薯0.42mm/h。（三）GA的分析方法1生物测定法：水稻幼苗点滴法、莴苣下胚轴法和大麦胚乳法等。2气质联谱法（GC-MS）3免疫法三、GA的生物合成与代谢（一）合成部位至少三处：发育中的果实（或种子）、伸长着的茎端、根部。（二）合成过程类萜生物合成2乙酰CoA乙酰乙酰CoA3-甲-3-羟-戊二酰CoADPPIPP二磷酸MVA甲羟戊酸（MVA）乙酰CoACoASH2NADPH+2H+2NADP++CoASH2ADP2ATPADP+Pi+CO2ATP1IPP的合成：2GGPP形成：IPP+DPPGPPFPPIPPPPiPPiGGPP(双萜）IPPPPiGPPGPPPPi3GA形成GGPPCDP内根－贝壳杉烯合成酶A环化内根－贝壳杉烯合成酶B内根－贝壳杉烯内根－贝壳杉烯酸加氧酶GA12-醛GA12或GA53图质体内质网细胞质GA12或GA53GAsGA20-氧化酶GA3-氧化酶GA2-氧化酶四、GA的生理作用（一）GA1促进茎的伸长GA1促进茎伸长的证明实验80年代实验证明高茎比矮茎植物含有较多的活性赤霉素。对高、矮生豌豆伸长节间的提取物进行GC-MS分析，证明高生豌豆含有的GA1远远高于矮生豌豆。在高等植物体内GA20转化成GA1。GA20在高生豌豆体内可代谢成GA1、GA8、GA29等，而在矮生豌豆体内只能转化成GA29及其它副产物。图（二）GA诱导禾谷类种子α－淀粉酶的合成半种子实验证明α－淀粉酶的生成由胚决定。糊粉层细胞原生质体实验进一步证明诱导因子是赤霉素。糊粉层细胞是靶细胞，对盾片分泌酶过程无明显影响。（三）GA的其它生理作用对部分长日植物可代替长日照或低温；促进座果及果实生长，也能引起单性结实；打破休眠，促进萌发。图五、GA的作用机理1促进茎伸长机制①促进细胞分裂：由于GA促进DNA合成而缩短细胞分裂周期，如使矮生西瓜幼苗的细胞周期缩短30%左右，其中G1期缩短30％，S期缩短36％。对莲座状长日植物茎尖分生细胞有丝分裂的促进作用尤为明显。图②促进细胞壁可塑性增大，吸水能力加强：GA促进淀粉、蔗糖等物质水解。水解产物可为生长提供能量，为细胞壁合成提供原料，还可降低细胞水势增强渗透吸水。GA可使细胞壁松驰。GA不使壁酸化，可使细胞壁中Ca含量下降，抑制过氧化物酶活性，阻止壁硬化。GA促进壁物质的合成。与生长素作用机制不同之处：壁不酸化；伸长反应的停滞期不同，生长素较短（10－15min），赤霉素较长（45min）；赤霉素能缩短细胞分裂周期；敏感部位不同。2GA增强α－淀粉酶的mRNA转录35S-met无细胞系统体外翻译实验：从GA处理和对照组织中提取总mRNA;体外翻译；α淀粉酶抗体沉淀。制备32P-cDNA探针，进行RNA杂交，测定转录水平。迁移分析法证明：赤霉素诱导淀粉酶基因表达的原因可能是：GA诱导产生一种能结合到该酶基因5’上游调节序列上的一种蛋白质。结合后启动基因表达。图六、赤霉素应用（一）促进麦芽糖化。（二）促进营养生长。对茎叶作用显著，对根伸长不起作用。（三）防止脱落：葡萄开花后10天，200mg/L喷花序，增产无核。（四）打破休眠：马铃薯切块，1ppm泡5－10分钟，凉干种。整薯，5ppm泡30分钟。第三节细胞分裂素类1、40年代，威斯康辛大学，Skoog等，烟草组织培养发现嘌呤类化合物促进细胞分裂。2、1955年，Miller和Skoog等，从鲱鱼精子DNA部分降解物中提纯出活性成分，定名为激动素（Kinetin）。3、1963年，Letham，从甜玉米灌浆期籽粒中提取并结晶出有效成分，命名为玉米素（Zeatin)。具有促进细胞分裂生理活性的6位氨基取代的嘌呤类衍生物统称为细胞分裂素（Cytokinin）。一、细胞分裂素(CTK)的种类及化学结构（一）天然的细胞分裂素1游离的CTK2结合态的CTK侧链羟基与葡萄糖结合，嘌呤环上N7、N9与葡萄糖结合；N9以肽键与丙氨酸结合，形成结