（光学专业论文）光质在植物生长发育过程中的调控作用.pdf

摘要 摘要 本文以西红柿和茄子为实验材料，研究补充光源和红光对植物的 作用，其中包括补充光源和红光对植物生长速率的影响；对西红柿和茄 子成熟期和产量的影响，对光台色素组分和含量的影响：以及其对和碍 哚乙酸有关的四种酶：醛氧化酶( a l d ) 、吲哚乙酸过氧化酶( i a a p o d ) 、 吲噪乙酸氧化酶( i a a o x d ) 和过氧化酶( p o d ) 的作用，分析其中相 互关系。结果表明：光质对植物的影响不仅与光谱成分有关系，还与植 物种类有关：红光可以使西红柿和茄子成熟期提前、产量提高；使西红 柿株高下降，而使茄子的株高上升。其中原因除了和光合作用有关，还 与四种酶的活性有关，光对这四种酶的影响不同，植物体内调控这四种 酶的途径不同。 关键词：光质，吲哚乙酸，茄子，西红柿 摘要 a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t ，t o m a t oa n de g g p l a n tw e r eu s e da sm a t e r i a l s w e i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fs u p p l e m e n t a ll i g h ta n dr e dl i g h to np l a n tw h i c e i n c l u d e dt h ed a y so f s e e d i n g ，o u t p u t ，p h o t o s y n t h e s i z ep i g m e n ta n dt h e a c t i v i t yo f f o u rk i n do f e n z y m e s ：a l d e h y d eo x i d a s e ( a l d ) ，i n d o l ea c e t i ca c i d p e r o x i d a s e ( i a a p o d ) ，i n d o t ea c e t i ca c i do x i d a s e ( i a a o x d ) a n d p e r o x i d a s e ( p o d ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to f d i f f e r e n tl i g h t q u a l i t yo np l a n tw e r ed i f f e r e n td u et on o to n l yt h ed i s t i n c ts p e c t r u m ，b u t a l s ot h ed i f f e r e n tv a r i e t yo f p l a n t s r e dl i g h tc a na h e a dt h ed a y so fs e e d i n g a n dc a ni n c r e a s et h eo u t p u to ft o m a t oa n de g g p l a n t i ti n h i b i tt h eh e i g h to f t o m a t o ，a n do nt h ec o n t r a r y ，i tc a np r o m o t et h eh e i g h to f e g g p l a n t b e s i d e s p h o t o s y n t h e s i s ，t h ea c t i v i t i e so ft h o s ef o u rk i n do fe n z y m e sc a u s et h e s e p h e n o m e n a t h ee f f e c t so fl i g h to nt h e s ee n z y m e sw e r ed i f f e r e n t k e y w o r d s l i g h tq u a l i t y ，i n d o l e a c e t i ca c i d ，t o m a t o ，e g g p l a n t i i 河北大学硕士学位论文 文献综述 l 引言 对植物而言光生物学主要关心的是波长2 0 0 r a n 8 0 0 n m 的辐射波，其中 可见光是一种具有特殊波长( ) 特性的、可传播的、互不相关的电磁辐射波的 可见部分。可见光光谱在3 8 0 r i m 到7 6 0 a m 之间，这种波长被植物机体分子吸 收后，能够引起化学变化。 光具有波粒二向性，按照p t a n c k 法则，光子的能量与其波长的关系，可用 公式e = h c ， 表示，其中h 是6 6 3 x 1 0 出焦耳秒( p l a n c k 常数) ， 是波长( m ) ， c 是光速( 3 1 0 s i n s 1 ) 。根据爱因斯坦光化学定律在光化学反应中，一个分子 只有在吸收一个光子后才能起反应。在分子水平上的光化学变化是光影响机体 新陈代谢和形态建成的基础， 植物的生长发育被许多环境因子所刺激，其中包括光、温度和地球的引力。 在这些刺激中，光具有特殊重要的地位。因为它不仅影响着植物几乎所有的发 育阶段，还为光合作用提供能量。光调节的发育过程包括发芽、茎的生长、叶 和根的发育、向光性、叶绿素的合成、分枝以及花的诱导等。 2 光作为植物能量的来源 植物在生命活动过程中所产生的全部有机物质的碳骨架都来自于光合作 用而光合作用的能量来源便是可见光。 整个光台作用可分为两个阶段：光反应阶段和暗反应阶段。它是一个极其复 1 光质拄植物生长发育过程中的调控作用 杂的生理过程，至少包括几十个反应步骤，相互交叉错杂在一起，其中既有物 理变化，又有化学变化；既有电子传递、能量转换的过程，又有物质转化的过程。 2 1 光反应阶段 在光合作用的光反应阶段中，光合生物利用光能产生a t p 和n a d p h ( 还 原力) 。 那么，光能是怎样被利用的昵? 当天线色素分子吸收一个适当的可见光光子后，其共扼双键系统中的一个 电子即经历n n + 跃迁，此色素分子也由基态上升到激发态。这种激发不改变 它的自旋方向。然后激发电子从n + 电子能级中较高的振动能级下降到最低的振 动能级( 振动极联) 。这是一个非辐射过程。此时这一色素分子仍处于激发态。 因为激发过程中未改变电子自旋方向，所以没有磁矩，称为单线态。 一种物质的分子可以吸收不同波长的光子。例如，叶绿体分子就可以吸收 一个红光子，( 6 6 2 i l m ，e = 3 0 0 x 1 0 。9 j 或1 8 7 e v ) 转变成第一单线态( s 1 ) ，或 者吸收一个蓝光子( 4 3 0 n r n ，e = 4 6 2 1 0 。1 9 j 或2 8 8 e v ) 转变成第二单线态 ( s 2 ) 。也正因为如此，红光与蓝紫光是植物进行光合作用的最有效波段。 处于n 。电子最低振动能级的电子在一个极短时间内( 大约1 0 。1 9 _ 一l 矿s ) ，降 回到”电子能级的最低振动能级。放出的能量有几种途径。它可以通过内部转 换和振动极联的方式重新分配，也可以产生荧光和磷光，但色素分子吸收的光 如果通过荧光和磷光过程，就被白白的消耗掉了。在植物体中很少发生这两种 过程。而分子间能量传递对光合作用来说，就显得根重要。因为天线色素所吸 收的光能，必须通过能量传递过程，到达反应中心才能产生光化学反应。 2 河北大学硕士学位论文 分子间能量传递的过程是这样的：p si i 受光激发出来的高能电子，经过一 系列的电子载体传给p s 【；p si 受光激发又放出电子，这些电子也经过一系列 的电子载体，最终传给n a d p 并使之还原。与此同时，p si i 受光激发失去电子 后，通过水的光解而得到电子，水则氧化并放出0 2 。这一系列的电子传递过 程称为光合电子传递。 我们知道，如果能量供体发荧光( 在没有受体存在时) ，供体的荧光光谱与 受体的吸收光谱有重叠，供体与受体间的距离不超过5 一1 0 n m 时可发生能量 的共振转移。光合作用分子间能量传递过程就是共振转移的过程。供体和受体 分子从物理理论上可近似看成是振动的两个偶极子的相互作用，它们之间的作 用实际上就是激发的供体对受体部位的电磁场扰动的结果。 能量共振转移的条件对蛋白质大分子来讲是完全可以满足的，因为构成 蛋白质2 4 0 n m 波长以上光谱区域的主要吸收成分一芳香氨基酸是发荧光的， 而且它们之间的荧光光谱与吸收光谱有显著重叠，并且芳香氨基酸的荧光光谱 还往往与蛋白质分子连接的一些辅基的吸收光谱也有很好的重叠。至于分子闻 的距离就蛋白质而言，连蛋白质分子内也可满足。 因此认为上述分子间的能量传递就是一个共振转移的过程，在叶绿素系统 中，已经了解到激发能的共振转移按下列次序进行： 藻红素一藻蓝素一叶绿素b 一叶绿素a 在光合作用中心激发单线态，用它的激发能去作化学功，引起一个光化学 反应。 其大概过程是这样：在p si 和p s l i 中激发能经过一个“随机行走”( r a n d o m 3 光质拄植物生长发育过程中的调控作用 w a l k ) t 1 1 至反应中心的p 7 0 0 或p 6 8 0 。然后光化学反应中心从p 7 0 0 + 和p 6 8 0 + 中 接受电子的氧化还原系统和p h e ) 被还原后，a o - 和p h e 。一经产生，光合作用 中光驱动即告完成，这一过程大约发生在小于1 0 缶s 的时间内，然后经过一系 列的化学反应，产生n a d p h 和a t p 。 2 2 暗反应阶段 在光合作用的暗阶段，叶绿素利用光阶段产生n a d p h 和a t p 使c 0 2 转 变成碳水化合物。另外光质对光合碳代谢也有重要的调节作用，蓝光下生长的 多种植物的叶片或种子总蛋白质含量比红光下生长的高，红光下生长的植物体 内有较多的碳水化合物积累f z _ “。这一现象普遍存在于高等植物和藻类中。 蓝光下培养的小球藻碳水化合物含量增加l 倍作用光谱显示促进蛋白质含量 增加的最有效波长在4 6 0 和3 7 0 附近脚。 魏胜林等人( 1 9 9 8 ) 1 5 1 发现，蓝光处理的菊花叶片氨基酸总量和糖含量比对 照组分别高3 2 和8 9 。较高的氨基酸含量和能源物质为蓝光光质下菊花的 花芽分化和花朵发育提供了细胞结构成分和能量。 在果实发育过程中。果实的成分也受光的影响。g u a n 和j a n e s ( 1 9 9 1 ) 哩e 番茄上作实验得出结论在光下生长的果实与黑暗中的果实相比可以多3 0 * 0 的 蔗糖，淀粉和已糖是黑暗中成长的果实的2 倍。 这些结果主要是因为照光引起各种酶活性的变化。光至少激活卡尔文循环 中的五种酶，即r u b i s c o ，3 - 磷酸甘油醛脱氢酶，双磷酸果糖磷酸酯酶，双磷 酸景天庚酮糖磷酯酶和磷酸核酮糖激酶，等等。v o s k 弛s e n s k a y a 等证实，蓝光 下生长的c 3 植物的r u b p 羧化酶和c 4 植物的p e p 羧化酶活性显著增高【刀， 4 河北人学硕士学位论文 甘油醛脱氢酶( g a pd e h y d r 0 辨n a s e ) 亦受蓝光促进f 4 1 8 9 u 。离体的丙酮酸激酶活性 受蓝光刺激提高1 0 0 ，而a 酮戊二酸脱氢酶受蓝光抑制。最有效波长是4 6 0 n m 附近的蓝光和近紫外光。 在光合作用中，光质对光合放0 2 速率也有影响，储钟稀等人( 19 9 9 ) 【1 0 1 用自 光、蓝光和红光照射黄瓜，结果发现以红光培养的叶片，其光合放0 2 速率最 高，比白光下高4 4 9 ，蓝光的放0 2 速率最低，比白光处理还低4 。其原 因还有必要做进一步的研究。 3 光对生长发育的影响 光除了作为一种能源控制着光合作用，还作为一种触发信号影响着植物生 长发育的所有方面，从种子发芽和脱黄化作用到对营养形态学( 茎的生长和叶的 伸展) 、二十四小时节律的开始、基因表达、向地性和向光性。这叫做植物的光 形念建成。 3 1 光对植物种子萌发的影响。 当种子吸涨了水后，它们的发芽常受到光的影响。光在几百种植物中的作 用已被研究过，大约有一半需要照光才发芽晟好，特别是如在收获后立即播种， 受影响的常是小种子，有少数几种大种子的园艺作物也受影响。也有许多种子 的发芽不受光的影响，而有一些，是受光抑制的，甚至还有一些，短时间的光 照促进，但连续照射却是抑制的。 正如许多受光影响的过程一样，在对种子萌发的作用中光合温度有些相互 作用，吸涨温度是重要的，但照射时间本身的温度并不严格，因为光受体通常 仅被光适当激发而不能被热激发。己了解有些植物( 如某些莴苣和番茄品种) ， e 光质拄植物生长发育过程中的调控作用 当种子在某一温度下湿润时，光对它无影响，但如将温度提高一些，就需要光 了。例如：大湖品种莴苣在黑暗中2 0 ( 2 下发芽很好，但在3 5 下浸水，只能萌 发1 0 左右。 光质对种子萌发也是有影响的，王维荣等人( 1 9 9 1 ) 【3 发现白光、蓝光、黄 光及黑暗下黄瓜种子能够萌发，红光及绿光的连续照射却抑制黄瓜种子的萌 发。在能促进萌发的光质下，种子中过氧化物酶活性随时间的延长而不断升高， 至子叶张开后趋于稳定；在抑制萌发的光质下，种子内过氧化物酶活力终保持极 低的水平。有些种类的种子浸在赤酶酸( g a b 溶液中，可以代替其发芽时对光 的需要，甚至对于不受光影响的种子，这些激素有时也有刺激作用。红光可以 增加浸水豌豆的赤霉素含量，远红光减少该激素的水平，而这两种光波都能以 通常的方式逆转另一种光波的效应，这说明影响种子萌发的光敏素p r 和p f r 可 能在受光刺激后影响了赤酶酸的形成。 3 2 光对植物叶片生长韵影响 虽然禾本科植物的叶片一旦冲破胚芽鞘，在一段时期内，在黑暗中生长一 般和在光下一样快，但在缺光时，双子叶植物叶片不能正常发育。曾报道过， 对p f r 形成起反应的这种叶片的扩大，主要是由于加强了细胞分裂，细胞最终 的大小和保持在黑暗中的并没有明显不同。在完整叶片中，至少是对于豌豆， 亮光下生长的叶片的细胞的分裂伸长和分化速度圪在低强度光下更快。看来， 光对叶片发育的成熟有一种全面的刺激效应，尤其是双子叶植物。 6 河北人学硕十学位论文 表1 光质对种子萌发的影响【1 3 】 t h ee f f e c to f l i g h tq u a l i t y o i lp l a n tg e r m i n a t i o n 1 低能量的红光( 6 砷毫微米) 促进萌发，远红光烟草( n i c o t i a n at a b a c u m ) m 0 毫徽米) 逆转此效应四季樱草( p 打卅h do b c o n i c a ) 毒垒草( v e 帕a s c u mt h a p s 时) 海绿( a n a g a h “a r v e n s i s f o e m i n a )胡萝b ( d a u c u sc a r o t a l 拟南芥菜“r a b l z l o p s i st h a l i a n a ) q 】度橡胶辨( f i c w t se f a s t i c a ) 鬼针早( 8 曲埘r a d i a t a ) 月见草f 。曲d 曲删b i e n n i s ) 水塔艳俾i t l b e r g i ae l e g a n s )黄荑洲寄生r ( p h o r a d e n d r o n 伽v e s t e e s ) 鹅苣( g 咖1 d r e p i d s 品种l a c t u c as a r a “) 礅n l 聩模( r u m e x c r 拉p 埘) 许多禾草( 禾本科) 莴苣( 人湖品种，r e i n e d e m a i ，l a c l c t c a 跚f ，坩) 只有雨红外光长时间照射后的红j t 才 4 光抑制或延迟发芽 促进 剪秋罗( l y c h n t sp d l l o n i c 曲 善国独行菜( p 肼埘tv i r g i n i c u m ) 美嘶到季樱草( p m h d 印卯招6 一打) 黎落芒草( 西弦叩m 所舰咄 曼佗罗( 腑诅蛐伽，o ，加t ) 菏旺( p 岬6 甜盯d 枷口) 番椒砷卿雌f c “历聊“k 椭历) 巴两维特罗卡( 聃帆七由s 妒。r 6 口) 许多雨合( 百台科) 1 蓝光0 毫徽米) 和远红光( 7 l o 毫擞米) 抑制萌 发，用较高的强度和长的间隔 如几小时) 鬼针草 热苣( r e i n e d em a o 黎落芒草 2 需要光或光有利于萌笈 金黄辖( f i c sa l l r e a ) 红花半边莲( l o b e l i a c a r d i n a l i s ) 5 葫发与光或黑暗无关 栎林银莲花“h 删p n e m o r o s a ) 大夏风信于( 1 1 y a c i n t h u sc a n d i c a n s ) 灯心草( j t e n a g e a ) 柳穿鱼( l i n a r i ac y m b a r a t i a ) 马蹄纹无竺葵( p e l a r g o n i r r a 枷口r e ) 草地被罗门参( t r a g o p o g o n p c a l e n s i s ) - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ l - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ l _ _ _ i - - _ _ _ 一一 44 光质在植物生长发育过程中的调控作用 3 3 茎的生长 1 8 5 2 年，s a c h s 发现许多中植物的茎在白天的伸长速度不及夜间。s a c h s 认为这是光对生长的抑制作用。在二十世纪五十年代初期，荷兰植物生理学者 就曾研究过有色光对许多双子叶植物茎生长的影响，他们发现，对于在日光下 发芽的植物，高强度的蓝光对茎伸长的抑制作用最大，而和它大约相等强度的 红光促进伸长。另一方面，在黑暗中发芽时蓝光作用较弱，绿光几乎无效。这 说明光对黄化苗和绿苗的影响是不同的，进一步的研究目前看来可解释它们的 不同结果，即这两种情况下光敏色素所起的效果是不同的。在能量低时，红光 比蓝光更为抑制，但随着强度增加，达到交叉点，蓝光变得更有效。s m i t h ( 1 9 8 1 ) 【1 2 l 认为，总得来说，长波长的光( 红光征进茎的伸长，而短波长的光( 蓝 光) 抑制茎的伸长。在分子水平上，红光好象促进细胞的伸长，而蓝光具有相反 的效果。虽然已发现蓝光阻止叶柄的伸长，但它可以增加叶片的面积。m e e r ( 1 9 7 1 ) t 1 4 】认为植物的伸长并不单单是因为红光作用的结果，还与蓝光的缺乏有 关，也就是说，蓝光对于使植物健壮是非常必要的。 c o s g r o v e ( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) t 1 5 11 日的工作证明，不论是黄化苗还是正常绿苗，蓝 光抑制的伸长存在几秒钟，而红光抑制作用要在开始照射的1 5 9 0 分钟后才表 现。因此蓝光诱导属于快速反应且具有典型的隐花色素作用光谱。 3 4 叶绿素的合成 众所周知，叶绿素的合成离不开光的参与。没有光，植物将形成黄化苗 c k l l a t t 【1 7 1 等人s b - p 大豆细胞置于黑暗中培养7 天以上，然后放在白光下培养。 8 河北大学硕士学位论文 1 小时以后，叶绿素开始积累，这个过程一直延续到第1 2 天。叶绿素a 与叶 绿素b 的比值是3 ：1 。黑暗中生长的细胞所含类胡萝 、素总量+ r i d , ，但在其变 绿的过程中此含量能增长l o 倍。 另外叶绿素的合成还与光质有关。车生泉等人( 1 9 9 7 ) t 研以小苍兰为实验 材料，用不同光照射其幼苗，发现蓝光下叶绿素含量最高，其次是自光和红光 黑暗和绿光下最低。不同光质下的c h l b c h l a 的比例均有差别， 叫b ，c 蝴a 比例以黄光和蓝光下最高，而以红光更有利于c h l a 的形成。而储钟稀等人 ( 1 9 9 9 ) 1 1 明以黄瓜为实验材料，发现红光处理的叶片与白光和蓝光处理的相比， 有较低的c h l a c h l b 比值，而生长在蓝光下的叶片其中c m 含量低于白光和红 光下的含量，但它的c h l a c h l b 比值最高，这与大多数的研究报道相一致，即 蓝光培养的植株一般具有阳生植物的特性，而红光培养的植株与阴生植物相 似。 3 5 花青苷和其他类黄酮化合物的形成 很多植物在一种或更多的器官中形成有色的花青苷，这种色素的产生需要 直接由光合作用供应足够的可溶性糖。另外，光还通过其他途径影响花青苷的 合成。在一般情况下，蓝光促进花青苷合成，较长光波对不同的物种的花青苷 的形成影响不同。对高粱幼苗来说，单用红光照射无效，而苹果皮的作用光谱 高峰在6 5 0 r i m ，对红甘蓝幼苗是6 9 0 h m ，芜菁饵r a s s i c ar a p a ) q 和白芥菜( s 血旺s a l b a ) 幼苗的是7 2 5 n m ；另外花青苷的合成还需要高强度的光，这说明h e r 系 统参加在内。例如，如果用高强度的蓝光照射高粱幼苗几小时，然后维持在黑 暗中，则花青苷的含量逐渐增加，但如果将植株在蓝光照射后，既用低水平的 9 光质住植物生长发育过程中的调控作用 远红光照射一个短暂时间，只有大约一半色素形成。远红光的这种抑制效果 能被红光照射反复的逆转。精确的实验已经证明，在花青苷的合成中至少有两 种植物光受体共同起了作用：一种吸收蓝光，近紫外光，被认为是隐花色素，另 一种是吸收红光和远红光的光敏色素。 花青苷以外的类黄酮的合成常被可见光照刺激。例如，芥麦幼苗中的形 成和各种番茄果皮中类黄酮的形成。番茄果皮中存在这种色素加在果实的粉红 或桃红色上，使正常田间成熟的番茄显出典型的橙红色。 3 6 光对植物开花的影响 春天日照时数越来越长，花朵竞相开放。然而也有一些植物，比如番茄的 一种，却是在日照时数很短的冬季开花。这是因为光对植物开花有重要影响。 这种影响主要是通过光周期效应起作用的。植物按光周期效应分为长日照植 物、短日照植物和兼状形植物三种。曰照时数超过一定长度才能开花的植物叫 长日照植物，而日照时数小于一定长度才开花的植物叫短日照植物。 植物营养生长到生殖生长的转变是由红光- 远红光受体0 h y 姒d m e s ) 年口蓝 光近紫外光受体( 叩，p t o c h r o m e s ) 调节的。日照长度是被叶子中的光敏感分子一 光敏素察觉的，它可以感觉红光和远红光。p h y t o c h r o m e a 0 h y a ) 突变体使豌 豆不能对光周期做出反应，因此，p h y a 负责豌豆对于光周期的感知。然而，p h y a 突变体对拟南芥的光周期反应影响很小，g u o 1 9 】等人认为拟南芥是通过一种不 同的蓝光受体c 嘞h z o m e2 ( c r y 2 ) 来感知光周期的。 拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) c r y 2 基因突变体编码一个蓝光受体脱辅基蛋 白，它是一种控制晚开花基因( i h a ) 的等位基因。c r y 2 ，f h a 突变体植物的开花 1 0 河北大学硕士学位论文 只能不完全的反应光周期的刺激，c i y p 怖c h 删n e2 ( e r y 2 ) 可以对开花时间调控基 因c 0 进行主动调节，它的表达还受光周期调节。 对c 啦和p h y b 突变体的分析表明，p h y b 和c 巧，2 在调节植物开花方面 图1 不同波长光照射下拟南芥c i y 2 和p h y b 突变体的开花期比较 f 龟ic o m p a r i s o no f f l o r c s c 0 f 洲d o p s i sc r y 2a n dp h y b 具有相反的作用，开花是被p h y b 和c 啦之间相反的作用调节着。 其中p h y b 调控红光依赖的开花抑制，而c r y 2 调控蓝光依赖的对光敏素功 能的抑制。在没有c r y 2 活性时光敏素抑制开花，因此，红光生长下的野生型植 物体开花晚。在蓝光作用下，植物野生型开花早，表明依赖蓝光的催花剂而不 含红光依赖的抑制剂。c d 岔突变体植物体在蓝光下正常开花，表示c r y 2 单独 不能促进开花。因此，在蓝光下野生型植株体开花受促可以理解为，部分原因 是缺少红光依赖的抑制剂一光敏素。在白光下，或是在蓝光加红光下，红光 依赖的光敏素活性和蓝光依赖的a y 2 活性作m 舨( o u o 等，1 9 9 8 ) 【埘。 - l i - 瓢 i 、： 龟耋。嚣篁珥裔a 光质住植物生长发育过程中的调控作用 4 光的信号传导 光除了作为一种能源控制着光合作用还作为一种触发信号影响着植物生 长发育的所有方面，不同的光强和光质可以导致截然不同的生长形态，植物种 类不同对光的反应也不尽相同。光信号是被不同的光受体察觉的，植物体内至 少有三类光受体，即光敏素、蓝光，近紫外光受体( 隐花色素) 、紫外光受体， 用以感知不同波长的光信号。已证明由这些光受体所介导的响应是与特定的光 调基因的协同调节有关晖肋d r e c k 和k r o e f 妇唱，1 9 9 3 ) 2 0 l 。 4 1 光敏素类 植物光敏素由4 毗咯发色团和脱辅基蛋白共价结合形成的水溶性的色素蛋 白复合体。它广泛存在于很多植物中包括一些藻类。光敏素类是特性研究得 最清楚的光受体，已研究过的高等植物均含有光敏素基因的家族。例如，拟南 芥菜至少有5 个不同的光敏索基因，分别命名为p h y a 、p h y b 、p h y c 、p h y d 和 p h y e 。p h y a 在黄化苗中被优先表达，而且在幼苗去黄化过程中起作用( k e n d r i c k 和n a g a t a n i1 9 9 1 ) 口“，它调节高辐射远红光反应( m c c o m m c k 等1 9 9 3 ； n a g a t a n i 等1 9 9 3 ；p a r k s 和q u a i l1 9 9 3 ，w h i t d a m 等1 9 9 3 ) 吲伫3 埘l 口5 1 以及 一些极低辐射反应( c a s a l 等1 9 9 4 ) 2 6 1 。p h y b 参与主要的光诱导的植物发育， 例如：低辐反应和高辐红光反应( m c c o n n a c k 等1 9 9 3 ：n e f f 和v a n v o l k e n b u r g h1 9 9 4 ) 渊唧，傍晚远红光反应( n a g 砒a n i 等1 9 9 1 ) 阅。p h y c 、p h y d 和p h y e 的作用还不清楚。 生理生化研究已证明至少存在两种类型的光敏素：类型i 和类型i i 1 在 暗中生长的植物体内积累甚多，u 则既存在于暗中生长的植物体内，也存在于 1 2 河北大学硕士学位论文 光下的植物体内。最近利用对个别光敏素专一的抗体进行的研究表明，类型i 光敏素由p h y a 基因所编码，而类型i i 光敏素则很可能由p h y b 基因所编码 ( p h y b 是类型i i 中的一种) 。 但也有证据表明，即使在同一种光条件下，不同的光敏素可以控制同一种 响应。例如，种子萌发的光调节可能主要是由于贮藏于种子中的p h y b 所介导 的。可是，长期使种子在暗中发生吸涨作用会导致很多p h y a 的积累，在p h y b 不存在时，p h y a 也能在转变成有活性的形式以后促进种子的萌发( s h i n o m u r a 等，1 9 9 4 ) 1 2 9 1 。 光敏素以光可调的并可相互转变的两种形式存在即吸收红光的形式or ) 和吸收远红光的形式( p 旬。在体内，光敏素中的p h y a 是在无光时合成的，其 形式为p f 。吸收红光后，h 转变为p f r ，而p f r 吸收红光后又转变为p r 。普 遍认为p 丘是有生物学活性的形式，负责引起一系列信号传递的级联反应，最 后导致发育的响应，但现有的新的证据却对这一看法提供了新的补充。第一， 已观察到p h y b 的p r 形式是抑制拟南芥地上部发生负向重力响应所必需的 ( l i s e u m 等，1 9 9 3 ) t 3 田；第二，在连续的红外光下，p r 形式好象对拟南芥的种 子萌发起直接作用( s h i n 砌u i a 等，1 9 9 4 ) 2 9 1 。 最近q u a i l 【3 1 】( 2 0 0 0 ) 等人提供证据证明光敏素会在细胞核重新聚集，并与 光激活的靶基因相连，调节其表达。这个发现证实植物利用了一条非常简便而 高效的的途径对光信号作出反应，改变其基因表达。光敏素被认为是存在于植 物细胞质内的，但是当它被光激发后，会在核内聚集。1 3 2 - l 捌 现在还不清楚光信号是如何通过光所引起的光敏素分子中的构象变化，而 13 光质住植物生长发育过程中的调控作用 转换到下游的光信号传递组分中的。有人认为光敏素的光活化与磷酸化作用有 直接关系。( a l g a r r a 等，1 9 9 3 ) | 3 4 】f 旦还需进一步的研究。 4 2 隐花色素( c r y p t o e h r o m e s ) 4 2 1 简介 现己证实，植物界存在的第二类光形态建成反应受蓝光、近紫外光调节。 1 9 9 3 年，科学家发现拟南芥中存在一种蛋白质，并把它命名为隐花色素 ( c r y p t o c h r o m e s l ) 或c r y l 。后来又发现了隐花色素2 ( c r y 2 ) 和p h o 鲫印i n ，己 发现植物的许多发育过程受蓝光、近紫外光调控，如高等植物的向光性反应、 气孔的开启，叶绿体的分化和运动，茎伸长的抑制作用，真菌菌丝体类胡萝h 素的合成及其分生孢子的分化藻类的呼吸作用等，专的受蓝光、近紫外光 诱导或调节，而红光、远红光不起作用【3 5 1 【3 6 】【3 7 3 8 1 。 已证明拟南芥的h y 4 基因座专一地影响一种感受蓝光的途径，此途径介导 下胚轴伸长生长的抑制( k o o r r m e e f 等，1 9 8 0 ) 【3 9 1 。最近对h y 4 基因座的分子 特性的鉴定说明它编码个由6 8 1 个氨基酸残基组成的可溶性蛋白质，此蛋白 质可能具有蓝光受体的结构特点( a h m a d 等c a s h m o r e ，1 9 9 3 ) 4 0 l 。h y 4 的前 5 0 0 个氨基酸残基与微生物的光活化的光裂合酶，尤其是长波长类的光裂合酶 有惊人的同源性。长波长的光裂合酶含有两个特征性的结构域，它们与吸收蓝 光的生色团结合，这两个生色团分别是还原型黄素( f l a v i n ) 和脱氮黄素 ( d e a z a f l a v i n ) 。 判定一个光调控反应是否包含蓝光受体( 隐花色素) 参与的实验标准是：作 用光谱在3 7 0 r i m 附近有一个峰，4 0 0 5 0 0 n m 之间有三个峰或肩。和光敏素调 1 4 河北人学硕十学位论文 控的反应不同， 蓝光、近紫外光诱导反应不能被随后处理的较长波长的光照 所逆转f 3 6 。 4 2 2 隐花色素的作用过程 蓝光诱导的许多反应在几分钟内即可发生。黄化的黄瓜、向日葵幼苗茎的 伸长受蓝光抑制，在照射蓝光后l m i n 内，生长速率急剧降低h ”。在这类快速 反应中，由于反应延滞期短至数十秒，不可能有基因表达变化的参与。s p a l d i n g 认为质膜的去极化可能是蓝光诱导生长抑制传导链中的个反应。 c o s g r o v e 证实蓝光诱导的生长快速抑制与细胞壁特性改变有关4 2 印l 。蓝 光处理引起细胞质流动速率和粘度等机械特性的改变亦属于快速反应，且具有 典型的隐花色素作用光谱 a 4 “5 1 。 光诱导的气孔反应依赖于保卫细胞中三种光受体：叶绿体、隐花色素和光敏 色素的共同作用。z e i g e r l 4 曰( 1 9 8 5 ) 经实验证实，气孔导度( s t o m a 协lc o n d u c t a n c e ) 增加特异地受蓝光诱导。而且他认为保卫细胞的离子运转与质膜分泌质子所形 成的原初电化学梯度偶联。蓝光活化质膜a t p 酶不断地泵出质子，形成跨 膜电化学梯度( 内负) ，此即k + 通过k + 通道的动力。保卫细胞对k + 的吸收，导 致细胞内渗透势下降，保卫细胞吸水膨胀，气孔开启【4 7 】。 关于紫外光受体的分子本质目前还不清楚。但遗传学与生理学的证据均说 明，在植物体内存在一种l w - b 受体，可能还有种u v a 受体。 5 信号传导途径 光信号被植物细胞质膜上色素受体接受后与生理反应偶联的方式问题经 常引起人们的注意，转扳藻细胞中有一个可转的中心叶绿体，其位置是由光 1e 光质在植物生长发育过程中的调控作用 光敏色素控制的，光激活光敏色素到叶绿体转动之间的传导途径可能部分是由 c f + 完成的。最近l e w ( 1 9 9 0 ) t 4 砷片一嵌位技术研究转板藻离子通道时发现c a 2 + 导体a 2 3 1 8 7 + c a 2 + 处理细胞几分钟后，质膜上一种c ，通道迅速打开，表明通 道可由胞质内c a 2 + 升高而激活。同时又发现这种k + 通道在红光处理细胞是激 活，红光处理后立刻用远红光处理则红光的激活作用消除，这说明通道时由光 一光敏色素控制的。迸一步实验指出，红光激活k 一通道的现象在消除胞外c a 2 + 后仍存在，而以细胞内贮钙体c a h 释放的抑制剂t m b 8 处理则红光的激活作 用丧失由此可知红光；l 起的k 十一通道激活与细胞内贮钙体c a 2 + 释放有关。 t m 一8 存在下红光处理时，虽然k + 一通道被抑制，但叶绿体仍然转动，说明k 通道激活不是叶绿体转动的原因。上述红光诱导的过程中，细胞质内c f 一浓度 增高可能是细胞内贮钙体释放c a 2 + 的结果。此外光也可调节质膜c a 2 + 运输系统， d i e t e r 和m a r m 证明玉米胚芽鞘细胞质膜c a 2 + - a t p 酶可由于光照而丧失受细 胞激活的特性，这将导致细胞质c a 2 + 浓度增加。光还可能引起细胞质中c a 2 + 浓度降低，如m i l l e r 和s a n d e r s 用选择性微电极测定轮藻细胞胞质中c a 2 一浓度 变化时发现，一定强度的光照可使细胞质c a 2 + 浓度降低，在3 5 l o 秒内，c a 2 + 浓度稳定于5 5 + 1 9 n m o l l ，这比暗中细胞质c a 2 十浓度低6 到7 倍。实验还表明， 光合系统i i 的抑制剂d c i l i u 可完全消除这种光弓j 起的浓度减少，暗示c a 2 + 浓度 变化与光合作用有关。 许多研究还表明细胞内的一些信号传递分子，如g 蛋白类和钙钙调蛋白在 光信号传递过程中也起作用。用完整的燕麦幼茁( r o m e r o 等，1 9 9 1 ) 【4 9 】和用 光自养的大豆组织培养细胞( l a m 等，1 9 8 9 ) 例所做的实验，均说明三隳的g 一 】6 河北人学硕十学位论文 蛋白和钙调蛋白均分别与光敏素调控的基因表达有关。用大豆组织培养所做的 进一步的实验，则导出下列假说，即控制着光调制的基因表达的光敏素信号传 递途径中，钙调蛋白的作用位于三聚体g 蛋白的下游( r o m e r o 和l a m ，1 9 9 3 ) l s l 。利用新建立起来的以显微注射法进行的单个细胞的测试系统，已进行了关 于三聚体g 蛋白、钙钙调蛋白与c g m p 在光敏素信号传递途径中，钙调蛋白、 三聚体g - 蛋白、钙钙调蛋白与c g m p 在光敏素信号传递中的作用的全面研究 ( n e u h u s 等，1 9 9 3 ；b o w l e r 等，1 9 9 4 ) f 5 2 j 1 5 3 l 。在注入了外源光敏素后，观察了 番茄的a 1 2 r e a 突变种( f l u r e a 基因编码一种与光敏素中生色团的合成有关的酶， 所以此突变种缺乏光敏素) 发现可促使幼苗花色素苷的积累、叶绿体的发育和 可被光话化的由c a b 启动基因和报告基因组成的融合基因的表达。这些研究的 结果引出了几条结论：第一，在控制着花色素苷生物合成、叶绿体发育与c a b 启动子活性的光敏素信号传递途径的早期。有一种或多种异型多聚体的。蛋白 或钙调蛋白被活化：第二，钙或活化钙调蛋白和c g m p 是并行的下游信号传递 组分，他们的组合是介导下游的响应所要求的：第三，光敏素信号传递是细胞 自主的。虽然事实上全部现有证掘都表明三聚的g - 蛋白类与光敏素的信号传递 有关，但并不清楚这种通常与膜结合的信号转换分子如何与溶于细胞质中的信 号转换分子光敏素相偶联。 6 光影响植物生长发育的机理 6 1 去极化 高辐射度的蓝光可以迅速的抑制拟南芥胚轴的生长，这一点与其他物种相 似。生长抑制是在延迟3 0 秒以后开始的，在5 分钟后达到6 0 ，而且在此后的 1 7 光质住植物生长发育过程中的调控作用 4 0 小时内抑制作用持续。这种生长抑制通常发生在阴离子通道被激活以前，而 阴离子通道的激活发生在照射开始的3 秒钟之后，导致质膜4 0 _ _ 6 0 m v 的去极 化。众所周知，质膜的去极化是多种离子通道开放的条件，如钠离子通道，钙 离子通道和钾离子通道，而氯离子通道虽然是在超极化条件下被激括，但也会 随着去极化的增大而增大。各种离子通道的变化便引起了细胞膜通透性的改变 这也许正是蓝光诱导的原因。 6 2 与i a a 的关系 i a a 被认为是光敏素被激活后的一个传播因子，参与信号传导。玉米胚芽 鞘中的i a a 水平在一个红光照射后会降低，而这个反应会被远红光逆转 ( k r a e p i e l 等，1 9 9 5 ) 5 4 o 两种不同的红光辐射：低辐射反应( a v e r y l o w f l u e n c e r e s p o n s e ) n 1 高辐红光反应( ah i g h - i r r a d i a n c er e dr e s p o n s e ) 通过光敏索会导致i a a 的降低( i i n o ，1 9 8 2 a ) 5 5 1 * 与此结果相一致，a m r i t p h a l e 等人( 1 9 9 2 ) 1 5 6 】提出红 光和i a a 在发芽诱导中的相反的效果。b e h r i n g e r 和d a v i e s ( 1 9 9 2 ) 1 5 刀提出植物光 敏素调节茎的伸长部分原因是1 a a 水平变化的结果。 如果认为红光照射导致的生长的延缓是因为光敏素被激发那么蓝光作物 会有什么结果呢? 又有哪些光受体起到信号传导的作用昵? 这些都应该进一步 研究。 一1 8 河北大学硕士学位论文 试验部分 l 引言 吲哚乙酸( i a d o l c - a c e t i ea c i d , p 是植物体内普遍存在的植物激素之一，它 对植物的生长发育有重要的调节作用。目前认为吲哚乙酸在细胞和分子水平上 对植物发挥作用。吲哚乙酸与细胞膜上的相应受体结合后形成的激素受体复合 物可以促进细胞壁的松弛和延长，改变细胞内核酸和蛋白质的合成与分解，从 而改变细胞内的代谢，产生生物学效应。 吲哚乙酸自身也有其合成与降解的途径。通过这些途径，吲哚乙酸的含量 可以保持一定的水平，并与其他植物激素和环境因子相互作用以准确的调控植 物的生长发育。现在已知，吲哚乙酸是由色氨酸经过一系列中间产物而形成的， 其中必须经过吲哚乙醛，吲哚乙醛在醛氧化酶的作用下转变为吲哚乙酸。和其 他物质一样吲哚乙酸在植物体内处于合成与分解的动态平衡中，它可以被吲 哚乙酸氧化酶转化为不活跃的物质。一般在植物生长旺盛的部位，i a a 氧化酶 含量少，活性低。而随着细胞的衰老，i a a 氧化酶的活性增强，i a a 含量下降， 引起生长速度的降低。 i a a 代谢途径中的各关键酶同样受到外界因素的影响，其含量和活性也处 在变化之中。 本文就以番茄和茄子为实验材料，研究红光对植物i a a 代谢及合成的作用。 2 材料与方法 2 1 材料 光质庄植物生长发育过程中的调控作用 实验材料为西红柿( l y c o p e r m c o ne s c u e n t u mm i l l ) 和茄子( s o l a n u m m e l o n g e n a l ) ，一部分种植于大棚内，用红色荧光灯照射作为补充照光处理， 以自然照光材料为对照：另一部分种植于实验室内，用红色荧光灯照射，以日 光灯照射材料为对照。 2 2 试剂 7 0 乙醇 i a a ( s m m o l l ) m n s 0 4 s 2 0 ( s m m o l l ) 间苯= 酚( 5 m m o l l ) 2 ，6 - s 氯靛酚( o 0 2 ) 苯甲醛( 1 0 m m o l l ) 甲硫酚嗪( 1 衄。儿) 愈伤木酚( 6 4 m m o l l ) h 2 0 2 ( 4 0 r e t o o l l ) 乙酸乙酸钠缓冲液( 2 0 0 n m a o l l , p h 4 5 ) t r i s - h c l 缓冲液( 2 0 0 m m o v l , p h 7 0 ) t r i s - h c l 缓冲液( 2 0 0 m m o l