植物生理学教案植物生长物质.doc

第七章 植物生长物质(plant growth substance)教学时数：8学时左右。教学目的与要求：使学生了解五大类植物激素的发现、作用及作用机理；掌握植物生长物质的研究和应用现状及应用方法；达到理论联系实际，能应用植物生长物质解决农、林、果、蔬及花卉生产中实际问题的目的。教学重点：植物生长物质的发现、作用、作用机理及应用。五大类植物激素的生物合成。教学难点：生长素极性运输的机理；五大类植物激素的作用机理。本章主要阅读文献资料：1.王镜岩主编：生物化学（第三版），高等教育出版社。2.宋叔文、汤章城主编：植物生理与分子生物学（第二版），科学出版社。3.王宝山主编：植物生理学，科学出版社，2004年版。本章讲授内容：植物生长物质（plant growth substance）：是指一些能够调节和控制植物生长发育的物质。 植物激素（plant hormone）：天然的、内源的、含量低、作用明显。植物生长物质 植物生长调节剂（plant growth regulator）：人工合成的、外源的、分子结构多样，其中一部分是模拟植物激素的结构而合成的。20世纪30年代至今，人们在高等植物体内陆续发现多种具有植物激素作用的物质，但被国际植物生长物质大会公布，即国际公认的仍为3060年代（19341967）的5大类：生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯、脱落酸。第一节 生长素类一、生长素的发现与化学本质生长素（auxin）是发现最早，研究最多的一类植物激素。1.1880年，Charles Darwin（英国，达尔文）父子的植物向光性试验论文发表于1880年，题目：植物的运动本领。P.168图8-1：正常完整胚芽鞘的向光弯曲；和.切去鞘尖或鞘尖遮光，胚芽鞘不发生向光弯曲；.鞘尖戴透明小帽，胚芽鞘发生向光弯曲；.鞘尖暴露单侧光，下部遮光，胚芽鞘发生向光弯曲。结论：只有胚芽鞘顶端能接受光的刺激，而引起胚芽鞘的向光运动。达尔文父子论文的要点：当胚芽鞘暴露于单侧光时，某些影响由上部传到下部，因而引起后者发生弯曲。只有幼苗的顶端能接受光的刺激，当把幼苗遮光时，则不发生向光弯曲。2.1928年，FWWent（荷兰，温特）的试验P168图8-1：.切下鞘尖置于琼脂块上，约1h后移去鞘尖；.琼脂切成小块，置于去顶胚芽鞘残桩的一侧，黑暗处。.一段时间后，胚芽鞘向放琼脂小块的对侧弯曲。结论：胚芽鞘尖端的“影响”是一种促进细胞生长的物质，可通过琼脂块传递给胚芽鞘残桩。Went称其为“生长素”。Went创立的燕麦实验法，用来定量测定生长素（P170图）：在弯曲角度为0200的范围内，燕麦胚芽鞘的弯曲度与琼脂块中生长素的含量成正比。生长素在琼脂块中的含量以燕麦单位表示。一个燕麦单位在黑暗处，2223和相对湿度92%的条件下，使燕麦胚芽鞘弯曲10度时，2mm3琼脂小块中生长素的含量。3.1934年，KKgl（荷兰，郭葛）等人郭葛首先从人尿中分离提取出生长素从玉米油、燕麦胚芽鞘、麦芽等分离和纯化了生长素，经鉴定为：吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）；后来证明植物体内还存在其他生长素类物质：苯乙酸（phenylacetic acid，PAA）、4-氯-3-吲哚乙酸（4-chloro-3-indole acetic acid，4-Cl-IAA）、吲哚丁酸（indole butyric acid，IBA）二、生长素在植物体内的分布和传导1.分布生长素广泛分布于高等植物的各个组织和器官，一般在幼嫩的部位、生长发育旺盛的部位含量较高，而衰老的部位生长素含量较少。2.传导（运输）运输特点：主要是极性运输；运输通道为：韧皮部；运输性质：是一种主动运输的过程（A.速度比扩散大10倍；B.缺氧呼吸受阻时运输也受阻；C.可逆浓度运输）；运输机理：1997年，Goldsmith提出的化学渗透极性扩散假说。要点：由于韧皮部筛管细胞形态学上下两端膜上的组成不同（下端膜上有生长素阴离子运输蛋白，而上端无），以及细胞内外pH值的不同（外低内高），从而引起了IAA在筛管中的极性运输。具体内容（P170图8-5）：韧皮部筛管细胞膜具有ATP酶H+泵，水解ATP释放能量将H+泵到膜外，造成膜外pH值低（pH=5）和膜内pH值高（pH=7）；IAA（酸性）在膜外（酸性）呈分子态（不解离），亲脂的IAA分子易透过细胞膜而进入细胞；膜内（pH值高）IAA分子解离（ 和H+），IAA不易透过细胞膜；IAA在细胞中移动到底部（下部）时，通过生长素阴离子（IAA）运输蛋白被动到达下部膜外。IAA在膜外与H+结合为分子态，进入下一个筛管细胞。三、生长素的存在形式与代谢1.生长素的存在形式游离型、结合型2.生长素的代谢1）生长素的生物合成植物体的幼嫩部位，生长素合成较多。一般认为，茎尖是合成生长素的中心，根尖生长素的合成也很多。在多数高等植物体内，生长素（IAA）合成的原料是色氨酸，色氨酸主要通过4条途径合成IAA：吲哚丙酮酸途径（indole pyruvate pathway）色氨酸氧化脱氨形成吲哚丙酮酸，然后脱羧形成吲哚乙醛再氧化为吲哚乙酸（IAA）。色胺途径（tryptamine pathway）色氨酸脱羧形成色胺，然后氧化脱氨形成吲哚乙醛再氧化为吲哚乙酸（IAA）。吲哚乙睛途径（indole acetonitrile pathway）主要存在于十字花科的植物中（P171图8-6）。吲哚乙酰胺途径（indole acetamide pathway）存在于侵染植物的病原微生物中的一条合成吲哚乙酸（IAA）的途径。色氨酸在两种酶作用下，经过吲哚乙酰胺最后转变为吲哚乙酸（IAA）。2）生长素的分解代谢转变为束缚生长素自由生长素（游离型生长素）：单独存在，不与任何物质结合，易于提取，具有生理活性。束缚生长素（结合型生长素）：与体内的某些物质结合，无生理活性，在一定条件下可水解为自由生长素从而恢复生理活性。酶促降解在IAA氧化酶的作用下降解产物多样，分为侧链脱羧和侧链不脱羧两种。光氧化降解可见光、紫外光、X射线等，都可使IAA转变为无生长素活性的物质。光可提高IAA氧化酶的活性，使IAA加速分解；光可促进游离型生长素转变为束缚生长素。四、生长素的作用机理生长素的主要作用是促进细胞体积的扩大，主要通过两种方式实现：增加细胞壁的可塑性（酸化）增加细胞原生质及壁物质的含量首先，细胞膜上具有生长素受体。激素受体（hormone receptor）是指那些特异地识别激素并与激素高度结合，进一步引起一系列生理生化变化的物质。实质上，大多数激素的受体为蛋白质。生长素受体有两种：第一种（多数的生长素受体）是位于膜（质膜、液泡膜、内质网膜等）上的生长素结合蛋白，主要起质子泵的作用，将膜内的H+泵到膜外。第二种（少数的生长素受体）是位于细胞质或细胞核中的可溶性生长素结合蛋白，促进细胞原生质的合成（例如，mRNA，蛋白质等）。1.细胞壁的酸化作用（酸生长学说）1970年Rayle和Cleland（雷利和克莱蓝）提出，要点：生长素促进质子泵活化，将质子（H+）泵到细胞壁使之酸化，壁物质瓦解，细胞壁可塑性增加而导致细胞伸长。质子泵活化的两种情况：生长素直接活化质膜上已存在的ATP酶H+泵，速度较快；生长素可通过受体（细胞内）和信号转导促使细胞内合成新的mRNA，进一步合成有活性的ATP酶H+泵到达质膜，速度较慢。2.生长素促进核酸和蛋白质的合成生长素与细胞内受体结合，通过信号（IP3、Ca2+等）转导活化某些基因，促使细胞内DNA复制、RNA转录和蛋白质的合成，从而使细胞中原生质的含量增加，这些物质的进一步代谢又合成了壁物质，对壁起补充作用。五、生长素类物质的应用人工合成的生长素类物质（2,4D、NAA等）广泛应用于生产中，主要有以下几个方面：1.促进插枝生根用2,4D或NAA处理，可使多种不易生根的植物扎根早、返青快、长势好、提高成活率。2.促进座果及形成无籽果实 用NAA或2,4D溶液喷树冠可控制落果，浸花或喷花可形成无籽果实。3.诱导菠萝开花和瓜类植物开雌花 用生长素处理，可使菠萝在2个月后开花，在一年任何月份均可处理；生长素处理可使瓜类植物多开雌花，提高产量。4.无根豆芽的培养 植物的根、茎、芽三种器官对生长素的敏感程度不同，其中根对生长素最敏感，茎对生长素最不敏感，芽的敏感程度界于二者之间。用促进茎生长的生长素浓度浸种催芽，即可促进下胚轴的生长而抑制根的生长，从而长出无根豆芽。例如：用12mg/LIAA水溶液浸种催芽，生出的豆芽根短，但茎杆粗壮鲜嫩。5.杀除杂草 高浓度的2,4D溶液在禾本科作物田间喷施，双子叶杂草被杀死而对作物无害。第二节 赤霉素类（Gibberellin，GA）一、赤霉素的发现1926年，黑泽英一（日本）在水稻恶苗病菌（赤霉菌）的培养液中发现一种能引起水稻徒长的物质，但没有命名，更没有确定其化学结构。1938年，薮田贞次郎和住木谕介（日本）首次从水稻恶苗病菌（赤霉菌）中提取结晶出这种强烈刺激植物生长的物质，并命名为赤霉素，但没有分析和证明其化学结构。1959年，确定化学结构。二、赤霉素的结构、分布和运输1.结构赤霉烷，4个环组成的，含有1920个的双萜类化合物。赤霉烷目前，在高等植物体内已经发现的赤霉素有100多种，其中19C的种类多于20C，生理活性也高于20C。赤霉素分子中有一个游离的羧基，因此呈酸性。2.分布赤霉素广泛分布于高等植物的各个组织和器官，一般在幼嫩的部位、生长发育旺盛的部位含量较高，而衰老的部位生长素含量较少。生长发育最旺盛的部位也是其合成和活性最高的部位。GA在植物体内也分自由和束缚两种状态，自由态具有生理活性，易被有机溶剂提取，束缚态的GA往往与糖或蛋白质结合而失去其生物学活性，不易被有机溶剂提取。酸或蛋白酶可使其分离释放出自由态的GA。3.运输赤霉素在高等植物体内的运输形式灵活多样，上下左右均可，木质部和韧皮部皆行。三、赤霉素的生物合成因为GA是萜类化合物，所以合成原料是3分子的乙酰CoA（CH3SCoA），经甲羟戊酸（MVA）和异戊烯焦磷酸（IPP）而合成的：3分子的乙酰CoA 甲羟戊酸（MVA） 异戊烯焦磷酸（IPP）（4分子）牻牛牻牛焦磷酸（GGPP） 咕吧焦磷酸（CPP） 环化为内根贝壳杉烯 进一步转化为GA。由于赤霉素结构复杂，人工合成较为困难，有些种类可人工合成（GA3、GA19、GA1等），但成本较高。目前多采用从人工培养赤霉菌的培养液中进行提取的方法来生产。四、赤霉素的生理作用及作用机理1.生理作用GA的作用主要为从机促进和抑制两个方面，P180了解。2.作用机理GA调节植物体内IAA的水平及对生长的促进作用（GA能提高植物体内IAA的含量）GA促进植物体内IAA的生物合成：A.GA促进色氨酸转变为IAA；B.GA提高蛋白酶的活性，促使蛋白质分解，形成较多的色氨酸，为IAA的合成提供更多的原料；GA抑制IAA氧化酶的活力，降低IAA的破坏速度。GA促进束缚态的IAA转变为自由态的IAA。GA对细胞生长的直接作用GA使壁中的Ca2+减少，细胞壁伸展性加大；GA促进细胞壁物质的合成GA促进细胞内RNA和蛋白质的合成完整种子：（有GA）胚乳淀粉水解去掉胚的种子：（无GA）胚乳淀粉水解缓慢去掉胚的种子GA，胚乳淀粉水解萌发的大麦种子 用剥离的糊粉层细胞进行仔细研究表明，GA不但诱导糊粉层细胞中-淀粉酶的产生，而且也诱导其他水解酶的产生，例如：蛋白酶、核酸酶等。五、赤霉素的应用1.麦芽糖化大麦发芽时，胚产生的GA诱导糊粉层细胞中合成-淀粉酶、蛋白酶、核酸酶等，将大麦胚乳中贮藏的有机物分解，产生大量的可溶性糖、氨基酸等添加于啤酒中，使其营养丰富。但发芽消耗原料并且浪费人、物力及时间。生产中用GA浸泡大麦种子直接诱导糊粉层细胞中酶的合成，不需要发芽的过程，可节约粮食10%，缩短生产周期12天，啤酒的质量不受影响。2.促进营养生长GA主要促进植株的伸长生长，使茎杆高大。例如，GA处理可使麻类增高，纤维的产量和质量均提高。3.诱导抽苔开花GA可代替低温或长日照使某些越冬植物在种植的当年开花。4.促进果实生长及诱导无籽果实5.打破休眠，促进发芽促进包括营养繁殖器官（块茎、块根、鳞茎等）和种子的发芽。6.性别控制GA可促进瓜类植物开雄花，多用于遗传育种方面。第三节 细胞分裂素类（cytokinin，CTK）一、细胞分裂素类的发现1941年Van Oveibeek（俄佛比克）等人，在培养离体种子胚时，将椰汁加入培养基，能活跃促进细胞分裂。1948年美国威斯康辛大学的F.S.Skoog（斯库格）和中国的崔澂（中科院植物研究所）等人，在烟草髓细胞培养时发现，腺嘌呤的衍生物对细胞分裂和芽的分化有促进作用。1955年F.S.Skoog等人发现，DNA的降解物能促进细胞分裂，在培养基中加入放置很久的鲱鱼精子DNA，细胞分裂加快；如在培养基中加入新鲜的DNA，则不能促进细胞分裂。后来把DNA进行高压灭菌处理使其降解，然后进行提取分离，经纯化后发现其促进细胞分裂的物质是：6-呋喃氨基嘌呤，后命名为激动素（kinetin，KT）。二、细胞分裂素的种类天然的主要CTK类物质：玉米素、二氢玉米素、玉米素核苷、异戊烯基腺苷等。人工合成的CTK类物质主要是：6-BA、KT三、CTK的分布、运输及生物合成1.分布广泛分布于各个器官和组织，多集中在强烈进行细胞分裂的部位。2.运输主要由根尖合成，通过木质部运到地上各个器官，为被动运输。3.生物合成天然CTK组成：腺嘌呤异戊烯侧链。腺嘌呤来源：AMP；异戊烯侧链来源：IPP。3乙酰CoA 甲羟戊酸（MVA） IPP四、CTK的作用机理1.CTK对转录和翻译的控制 促进RNA聚合酶的活力，促进RNA合成；2.保护tRAN 阻止核酸酶对tRAN上iP侧链的水解作用；3.提高蛋白质含量和酶活力 CTK可以促进a- 淀粉酶、PEPC、PuBPC等酶蛋白的合成，还可激活二肽酶等酶的活力。CTK与钙信使的关系：CTK与钙在分布上的相关性提示可能是细胞分裂素信息传递系统的一部分。五、细胞分裂素的生理作用及应用1.促进细胞分裂与扩大（横向）2.诱导芽的分化（IAA/CTK高时利于根的分化，低时利于芽分化，中等水平时愈伤组织生长不分化。）3.延迟叶片衰老（阻止核酸酶、蛋白酶等酶的活力；吸引营养物质的定向运输。）4.促进气孔开放5.促进侧芽发育（消除顶端优势）6.促进组织与器官分化7.促进某些色素的生物合成第四节 脱落酸（abscisic acid,ABA）一、脱落酸的发现及化学结构1.脱落酸的发现1963年，美国的F.T.Addicot（阿迪科特）等，发现一种促进棉桃脱落的萜类化合物，命名为脱落素；同时英国的P.F.Wareing（韦尔林）等在将要脱落的槭树叶片中提取了一种促进休眠的物质命名为休眠素。二者为同种物质，1965年确定化学结构，1967年命名为脱落酸。2.脱落酸的化学结构ABA是由三个异戊二烯单位组成含15C的倍半萜类化合物。二、脱落酸的分布和代谢1.脱落酸的分布各种组织、器官分布均有，分布特点：A.衰老的叶片及果实中含量最高；B.休眠的器官的含量高于正在生长的器官；C.遇逆境时，植物体内的ABA含量迅速升高。2.脱落酸的运输运输形式：游历型；ABA糖苷型3.脱落酸的生物合成1）合成部位茎、种子等，叶片中合成较多，并能在叶绿体中大量积累。2）合成途径萜类途径：类胡萝卜素途径：注意：ABA和GA都是萜类化合物，其合成前体均为IPP，环境条件控制IPP的合成方 向。长日照下GA合成占优势；短日条件下ABA合成较多。三、脱落酸的作用机理ABA结合蛋白（受体）：根据ABA的作用判断，其受体可能在质膜和核中。ABA阻止DNA、RNA和 蛋白质的合成ABA抑制大麦胚乳中-淀粉酶的合成作用。ABA与Ca2+CaM系统的关系：ABA受体（质膜） IP3 打开Ca2+通道胞质中Ca2+增加 活化离子通道（K+、Cl-等） 气孔关闭等过程。四、脱落酸的生理作用及应用1.抑制生长2.促进脱落3.促进休眠4.促进气孔关闭（可作为抗蒸腾剂使用）5.提高植物的抗逆性植物在逆境条件下ABA 产生迅速增加，调整生理活动，适应不良环境。ABA又称“应激激素”。第五节 乙烯（ethylene,ETH）一、乙烯的发现1901年，俄国Neljubow报道，照明气中的乙烯会引起黑暗中生长的豌豆幼苗产生“三重反应”，初步认为乙烯可能是一种植物生长物质。20世纪初，发现乙烯可使绿色的柠檬变黄成熟。30年代，在研究果蔬贮藏与运输时发现，乙烯对果实、蔬菜和花卉的成熟及衰老具有强烈地促进作用，并将其称为“成熟激素”。二、乙烯的分布、生物合成及钝化1.乙烯的分布广泛分布于高等植物的各个组织和器官，成熟的器官和部位（例如，成熟的果实和将要凋谢的花）乙烯含量较高。2.乙烯的生物合成1977年美国加州大学的亚当斯（ D.O.Adams ）和杨祥发（ S.F.Yang ）发现乙烯合成的蛋氨酸循环。蛋氨酸循环总结：1）发现人是亚当斯（D.O.Adams ）和杨祥发（S.F.Yang ）；2）原料为蛋氨酸（Met），第3、4碳；3）直接转变为乙烯的物质是ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）；4）两次利用ATP的反应。第一个的意义：携带甲硫基，使其循环利用；为下一个蛋氨酸提供碳源；第二个的意义：活化甲硫基核糖；5）Eth的碳最终来自ATP的核糖。乙烯合成过程中三种重要的酶：1.ACC合成酶果实成熟、器官衰老、IAA合成等内因和逆境等外因均能提高该酶的活力。乙烯的“自我催化”和“自我抑制”是乙烯合成的重要特征。2.ACC氧化酶（乙烯形成酶）该酶在有氧条件下将ACC氧化为乙烯。有明显的“自我催化”和“自我抑制”的特征。3.ACC丙二酰基转移酶该酶的存在和活力的大小调节着植物体内乙烯的生物合成。三、乙烯的作用机理1.乙烯对酶活力的调节乙烯受体（膜上的蛋白二聚体） 钝化负调节物 活化离子通道（跨膜蛋白） 离子转运进入细胞 活化转录因子 基因表达乙烯促进特定mRNA转录，合成的蛋白主要是纤维素酶和果胶酶（即多聚半乳糖醛酸酶）。分解细胞壁 离层 脱落2.乙烯对IAA的作用抑制IAA的极性运输；抑制IAA的生物合成；促进IAA的分解（促进IAA氧化酶的活力）。3.ETH增加细胞膜的透性，促进物质的吸收和转运四、乙烯的生理作用及应用1.引起三重反应和偏上生长 三重反应：乙烯抑制黄化豌豆幼苗茎的伸长生长，促进茎的加粗生长，使茎失去负向地性向水平方向弯曲生长。偏上生长：乙烯使番茄植株出现叶柄下弯，叶片下垂的现象。2.促进果实成熟（诱发呼吸跃变）；3.促进衰老与脱落；4.促进菠萝开花；5.增加瓜类植物雌花；6.促进次生物质排出，例如促进橡胶排胶等。第六节 其他天然的植物生长物质一、油菜素内酯（brassinolide，BR）1.油菜素内酯的发现和化学结构1970年美国Mithell等从油菜花粉中分离出一种具有很强生理活性的物质，称为油菜素或芸薹素。1977年Grove等用227kg油菜花粉得到10mg BR结晶。BR是一种甾体类物质，具有很强的生理活性。2.油菜素内酯的分布和生理作用分布高等植物的枝、叶、花等各个器官均有，以花粉中含量最高。生理作用促进细胞的伸长和分裂；提高叶绿素含量，促进光合作用；提高植物的抗逆性。二、多胺（polyamines, PA）1.多胺的种类、分布及生物合成种类二胺：腐胺、尸胺等三胺：