植物生长物质改IAA,GA,CTK刘洪庆.ppt

植物生长物质 Plant Growth Substances,第七章,第七章 植物生长物质,7.1 植物生长物质的概念和种类 7.2 生长素类 7.3 赤霉素类 7.4 细胞分裂素类 7.5 脱落酸 7.6 乙烯 7.7 植物激素间的相互作用 7.8 其他天然的植物生长物质及生长调节剂,本章重点,1. 植物生长物质,植物激素,植物生长调节剂概念,2. 生长素,赤霉素,细胞分裂素,脱落酸,乙烯 基本结构和主要生理功能（机理）,3. 生长素,赤霉素,细胞分裂素,脱落酸,乙烯 生物合成及运输,4. 植物生长调节剂种类及生产上的应用,植物生长物质,调节与控制植物生长发育的物质,植物激素（Plant hormones或Phytohormones）,植物生长调节剂（Plant growth regulators）,1. 植物激素,体内合成-微量-运送到别处-影响生长发育,特点,内生性-正常代谢产物；,可运性-运至其它部位发挥调控作用;,调节性-极低浓度下生理效应 （微量高效性， 1mol/L),第一节 植物生长物质的概念和研究方法,一、植物生长物质的概念及种类,植物激素,2.植物生长调节剂,人工合成具有植物激素的活性物质,生长素类 赤霉素类 细胞分裂素类 乙烯 脱落酸,五大类,生长促进剂 生长抑制剂 生长延缓剂,二、研究植物生长物质的方法,激素含量低，不稳定，易受干扰-难测定,生物鉴定法,通过测定激素生理生化效应强度 -推测激素含量,特点,1.灵敏度高；但并不绝对。,2.对某些激素特异性强；,3.技术要求不高；,4.样品不需要纯化。,物理和化学方法,免疫分析法,原理：不同物质-不同分配系数,薄层层析，气相色谱，液相色谱，质谱分析等,放射免疫（RIA） 酶联免疫（ELISA）,免疫性,导入抗原- 产生抗体-分离抗体 根据抗原与抗体反应 -检测抗原（植物激素）量,原理,特点：高度专一，高度灵敏，简便,第二节 生长素类(Auxin ),一、生长素的发现和种类 二、生长素在植物体内的分布与运输 三、生长素的生理效应 四、生长素的作用机理,1880年（英），达尔文父子-向光性实验（金丝雀鹝草）,推测：胚芽鞘-向光弯曲(某种物质存在）,达尔文实验,薄伊森詹森实验,拜尔实验,温特实验,1928年，温特（Went） -燕麦试法（avena test）,生长素提出,1934年，Kogl等分离和纯化 吲哚乙酸 （Indoleacetic acid，IAA）,天然类,Indole-3-acetic acid (IAA) 吲哚-3-乙酸,4-chloroindole-3-acetic acid (4-CI-IAA) 4-氯吲哚-3-乙酸,Indole-3-butyric acid (IBA) 吲哚-3-丁酸,phenylacetic acid (PAA) 苯乙酸,生长素种类,人工合成类,Naphthalene acetic acid (NAA) 萘乙酸,2-methoxy-3,6-dichlorobenozic acid (dicamba) 2-甲基氧-3,6-苯乙酸,2,4-dichlorophenoacetic acid (2,4-D) 2,4-二氯苯氧乙酸,2,4,5-trichlorophenoacetic acid (2,4,5-T) 2,4,5-三氯苯氧乙酸,分布(Distribution)： 多在生长旺盛部位,二、生长素在体内的分布和运输 1.植物体内分布与运输,黄化燕麦幼苗中生长素的分布,IAA （唯一）：极性运输 （形态学上端 下端，不能逆向运输）,运输:,测定生长素极性运输的标准方法,运输（Transport)： IAA极性运输,根从形态学基部长出,竹段倒置,生长素极性运输机制 -Goldsmith (1977 ),生长素极性运输的化学渗透模型,2.生长素的代谢,色氨酸脱羧酶,色胺,胺氧化酶,(吲哚丙酮酸途径),(直接前体),色氨酸,(合成前体),色氨酸 转氨酶,吲哚丙酮酸,吲哚丙酮 酸脱羧酶,吲哚乙醛,吲哚乙醛 脱氢酶,吲哚乙酸,(吲哚乙腈途径),吲哚乙醛肟,吲哚乙腈,腈水解酶,(吲哚乙醇途径),色胺,胺氧化酶,(色胺途径),色胺,胺氧化酶,生长素合成与锌有关,吲哚 + 丝氨酸 色氨酸,色氨酸合成酶,Zn2+,缺Zn2+阻碍色氨酸合成，果树出现“小叶病”,3.生长素存在形式与分解,两种形式存在,游离型：不与任何物质结合，有生物活性。,束缚型：与其它物质结合，无活性； 贮存与运输形式。,生长素的分解,（1）酶氧化降解，IAA氧化酶 （2）光氧化降解,转化,三、生长素的生理效应,1.促进生长,双重作用,Left: wild-type plant Right: IAA-over-producing plant expressing Agrobacterium tumefaciens iaaH and iaaM genes under the control of the CaMV 35S promotor,低-促进生长,较高-抑制作用,高-杀死植物 （乙烯产生）,过量IAA对烟草茎伸长的抑制作用,器官敏感性不同 根 芽 茎,插条不定根形成,对照,IAA,2促进器官与组织分化,杜鹃花（忍冬）,高浓度,低浓度,水,黄瓜茎组织中IAA诱导的伤口周围木质部的再生作用 （A）进行伤口再生实验的方法 （B）荧光显微照片显示了伤口周围再生的维管组织,3促进结实,瘦果,花托,4.养分征调作用,生长素调运养分的作用,“征调”营养，延迟离层细胞形成-防脱落,5.生长素的其他效应,影响性别分化,促进黄瓜雌花分化,促进菠萝开花,维持植物顶端优势,蔬花蔬果,杀除杂草,四、生长素的作用机理,(一）酸生长理论(Acid-growth theory)快速反应,酸生长理论(Acid-growth theory),Rayle & Cleland ( 1970 ),（a）H+引起的细胞生长,(b) 生长素引起伸长 (滞后于酸引起，且对活细胞有效（需能），H+对死活细胞均有效),（二）基因活化学说长期反应,IAA能够促进核酸和蛋白质合成,学说,IAA与受体结合 信号转导 蛋白质磷酸化 活化的蛋白质因子 与IAA结合 作用于细胞核 活化特殊mRNA 合成新蛋白质,（三）生长素受体,激素受体(hormone receptor): 能与激素特异结合的、并能引发特殊生理生化反应的蛋白质。,生长素受体位置,质膜-酸生长理论,细胞质或细胞核-基因活化学说,快速反应 长期效应,五、人工合成生长素类物质及其应用,人工合成生长素类物质 吲哚丁酸（IBA） 吲哚丙酸（IPA） 萘乙酸（NAA） 2,4-D 2,4,5-T 4-碘苯乙酸（增产灵）,不受IAA氧化酶破坏，效果稳定，来源丰富，生产中大量应用。,生长素生物鉴定法,方法 植物材料 观察指标 燕麦弯曲法 燕麦胚芽鞘 弯曲度 小麦切段垂直生长法 小麦胚芽鞘切段 长度增加 绿豆生根法 绿豆下胚轴切段 不定根数增加 豌豆劈茎法 豌豆直劈茎 弯曲角度 土豆或菊芋称重法 土豆或菊芋园片 鲜重增加,一、赤霉素的发现及其种类 二、赤霉素的分布和运输 三、赤霉素的生理效应 四、赤霉素的作用机理,第三节 赤霉素类(Gibberellins),(一)赤霉素的发现 赤霉素（gibberellin，GA） 1926年，（日）黑英泽一：水稻恶苗病 1959年，克罗斯(B.E.Cross)等 测出GA3、GA1和GA5的化学结构 确定其化学结构。,一、赤霉素的发现及其种类,目前发现120多种， 赤霉酸GA3活性最强,最多的一种激素,赤霉素的结构,赤霉烷骨架,（二）化学结构,双萜，4个异戊二烯组成，4个环。 环上双键、羟基数目和位置的不同，形成各种赤霉素。,骨架化合物,赤霉烷,B,二、赤霉素的分布和运输,分布,生长旺盛部位含量较高,运输,无极性，双向运输,途径,嫩叶合成-韧皮部筛管向下运输 根尖合成- 木质部导管向上运输,两种形式,自由赤霉素,结合赤霉素（GA-葡萄糖酯和GA-葡萄糖苷） 贮藏和运输形式,木质部,韧皮部,合成前体： 甲羟戊酸 （甲瓦龙酸） 合成部位： 顶端幼嫩部分 （根、茎尖） GA来源丰富- 生长中种子和果实,赤霉素生物合成的3个阶段,赤霉素的生物合成,(一)生物合成,赤霉素的生物合成细胞定位,三、赤霉素的生理效应,1、促进整株植物生长,（一）促进茎的伸长生长,GA处理促进矮生水稻叶鞘的伸长（处理3天）,CK,100pg GA/seeding,1ng GA/seeding,GA对矮生豌豆苗茎干伸长进程的影响,2.促进节间的伸长,克服遗传矮生性状 （GA合成受阻）,3.不存在超最适浓度的抑制作用,自左到右： 矮生玉米 矮生玉米（GA处理） 正常玉米（GA处理） 正常玉米,3.不存在超最适浓度的抑制作用,（二）诱导开花（代替低温、长日照）,对照,（冷 + 10gGA3）（1周）,冷（6周）,需寒胡萝卜品种开花时间GA处理后的效果,甘蓝,短光照下保持丛生状,赤霉素处理可诱导其伸长和开花,GA可代替长日照处理,GA促使植物抽薹开花,GA促使白菜抽薹开花,GA可代替低温或长日照要求，促使植物抽薹开花,（三）打破休眠 诱导-淀粉酶形成,实验证明,大麦种子去胚后，淀粉不分解；,去胚后，加GA处理，淀粉水解；,去糊粉层，淀粉不水解；,去糊粉层，加GA处理，淀粉不水解。,（不产生GA）,（缺靶细胞）,该性质-应用于啤酒工业,赤霉素诱导Thompson无籽葡萄生长,（四）影响性别分化,促进黄瓜多开雄花 (与生长素和乙烯相反),（五） 促进座果,与IAA相同，GA促进子房膨大，发育成无籽果实。,（六） 诱导单性结实,未处理,赤霉素喷施,产生-淀粉酶,不产生-淀粉酶,四、赤霉素的作用机理,（一）诱导酶合成,胚产生的赤霉素运到糊粉层诱导淀粉酶产生,（二）GA调节IAA水平,GA增高内源IAA水平 （1）GA降低IAA氧化酶活性 （2）GA促进蛋白酶活性，使蛋白质水解，IAA合成前体(色氨酸)增多。 （3）GA促进束缚型IAA释放出游离型IAA。,GA与IAA形成关系,调节部位,生物合成,促进,抑制,赤霉素结合蛋白,胡利(Hooley)等(1993)首次报道 野燕麦糊粉层中- 分子量60000 GA特异结合蛋白 (gibberellin binding protein,GBP) GBP在与GA1结合时-需Ca2+参与 (GA1促进-淀粉酶合成也需要Ca2+的缘故) GA + GBP GA-GBP 基因表达,方法 植物材料 观察指标 水稻幼苗叶鞘伸长法 水稻幼苗 叶鞘长度 大麦胚乳试法 大麦种子 -淀粉酶活性 豌豆、玉米试法 矮生豌豆或玉米 伸长度 莴苣下胚轴试法 莴苣下胚轴 下胚轴长度 苋红素抑制法 尾穗苋子叶 光下抑制苋红素产生,赤霉素生物鉴定法,第四节 细胞分裂素类(Cytokinins ，CTK),一、细胞分裂素的发现和种类 二、细胞分裂素的运输和代谢 三、细胞分裂素的生理效应 四、细胞分裂素的作用机理,培养烟草 髓部组织 (Skoog),新鲜鲱鱼精子DNA 高压灭菌 （DNA降解）,促进分裂,新鲜鲱鱼精子DNA,不促进分裂,久置鲱鱼精子DNA,分裂加快,促进细胞分裂的活性物质 （6-呋喃氨基腺嘌呤；N6-furfurylaminopurine),一、细胞分裂素的发现和种类,(一) 发现,1955,1956， Miller等,灭菌鲱鱼精子DNA,分离,激动素（kinetin, KT）,动物,具有激动素活性的所有天然与人工合成的化合物,细胞分裂素,高等植物-30多种,1963年,C.O.Miller和D.S.Letham(澳),玉米,未成熟种子胚乳,玉米素(zeatin,Z，ZT),最早天然细胞分裂素,活性远高于激动素,常见天然细胞分裂素和人工合成细胞分裂素结构式,腺嘌呤（6-氨基嘌呤）的衍生物,基本结构 腺嘌呤 + 侧链,（二）细胞分裂素的种类,天然CTK,游离态CTK：玉米素 玉米素核苷 二氢玉米素 异戊烯基腺嘌呤(iP),结合态CTK：结合在tRNA上，构成tRNA组分。 常与葡萄糖、氨基酸、核苷形成结合物 适于运输或储藏,二、细胞分裂素的运输与代谢,（一）分布与运输 分布：细胞分裂部位（根、茎尖等） 合成部位：根尖(主要) 运输：经木质部向上运输-无极性 运输形式：玉米素、玉米素核苷,CTK降解主要方式通过细胞分裂素氧化酶氧化,（二）代谢,合成前体 甲羟戊酸（甲瓦龙酸-美际华人陈政茂发现烟草),三、细胞分裂素的生理效应,（一）促进细胞分裂,带产生CTK类物质的菌的针，对番茄茎刺伤后，产生恶性肿瘤。,感染冠瘿菌-瘤(创伤处理并用冠瘿菌病毒),CTK - 质分裂；横向增粗 IAA - 核分裂；纵向伸长（促进DNA合成） GA -缩短DNA合成G1 （准备期）; S 期（合成期）,促进细胞分裂（核与质）,加速细胞分裂,(二) 促进芽的分化,烟草,拟南芥,生长素与细胞分裂素对组织分化的作用,总结 CTK/IAA比值高，愈伤组织形成芽； CTK/IAA比值低时，愈伤组织形成根； 二者浓度相等，则愈伤组织保持生长而不分化；,组织培养,调整二者比值，可诱导愈伤组织形成完整植株,（三）促进细胞扩大,CTK对子叶扩大效应 -CTK的一种生物测定方法（IAA与GA无此效应）,细胞分裂素对萝卜叶膨大作用,叶面涂施CTK (100mgL-1),对照,光加强玉米素对萝卜子叶扩展的影响,（3天）,（四）促进侧芽发育，消除顶端优势,解除生长素所引起的顶端优势； 促进侧芽生长发育。,转ipt基因的烟草,香脂冷杉上的众生枝,（五）延缓叶片衰老,激动素的保绿作用及对物质运输的影响,离体绿色叶片,变黄,氨基酸移动,细胞分裂素诱导氨基酸移动试验,滴加,黄瓜幼苗子叶,过量合