植物激素(Plant_hormones)ppt课件

高级植物生理学 植物激素PLANTHORMONE Advancedplantphysiology 植物生长发育的调控不仅是一门基础生物科学 并且是广泛用于农林 园艺等生产之中 在植物生长发育过程中 在植物体内有多种有机物与无机物 通过代谢作用供给细胞生长与分化所必须的基本物质 植物激素则调控细胞生长与分化方向与进度 对植物体内激素的合成 代谢 运输与分布进行有效的遗传调控 化学调控和环境调控 从而提高农作物的产量与品质 一 植物激素的定义植物激素 Planthormones 是植物体内天然存在的一系列有机化合物 其含量非常低 调控植物生命活动的整个进程 人工合成的化合物具有内源激素相似的生理活性或能影响内源激素合成 运输 代谢或生理作用 这些人工合成的化合物一般称为植物生长调节剂 Plantgrowthregulators 植物激素与植物生长调节剂统称为植物生长物质 Plantgrowthsubstance 激素特点 产生于植物体内特定部位 是植物正常生长发育过程中或特殊环境下的代谢产物 能够从合成部位运输到作用部位 不是营养物质 低浓度产生各种特殊的调控作用 生长 抑制 激素合成部位 IAA在分生组织及种子内合成 GA主要在生长的种子中合成 CTK主要在根尖合成 ABA和乙烯虽能在不同器官合成 但在成熟 衰老和胁迫环境下能在特殊部位大量产生 激素运输特点 植物激素运输主要为微管系统 生长素在胚芽鞘及幼茎组织的细胞间短距离运输 有极性运输特点 而且与细胞的伸长有关 其它激素无极性运输 二 植物激素的种类及相互之间的作用目前公认的植物激素有五大类 生长素类 赤霉素类 细胞分裂素类 乙烯 脱落酸 植物体内存在油菜甾体类 BR 多胺 PA 茉莉酸 MJ 水杨酸 SA 寡糖素等也具有近似激素的特性 我国科学家发现玉米赤烯酮等起初人们认为某一种植物生理作用具有专一性 例如生长素促进细胞体积扩大 赤霉素促进茎伸长生长 细胞分裂素促进细胞分裂 脱落酸促进休眠以及乙烯促进果实成熟等 后来发现上述每一种生理现象的控制因素极为复杂 不是一种激素起一种作用 是各种激素之间相互作用的综合表现 1 不同激素间浓度和比例的影响生长素与细胞分裂素共同控制烟草愈伤组织的生长与分化 这种作用取决于生长素和细胞分裂素的各自浓度与适当的比例 表现出两种激素相辅相成的作用 植物激素相互控制雌雄异花及雌雄异株花植物的性别分化 乙烯与赤霉素的浓度比值高低有利于黄瓜雌花分化 相反的情况则有利于雄花的分化 在雌雄异株的大麻及菠菜实验中 花性别分化取决于细胞分裂素与赤霉素浓度的比值 2 不同激素间的拮抗作用不同激素间的拮抗作用 生长素与细胞分裂素对植物顶端优势有相反的效应 生长素与乙烯对叶片脱落也有相反的作用 脱落酸对生长素 赤霉素或细胞分裂素的生理作用也有分别的拮抗作用 3 某种激素通过影响其它激素的合成 运输及代谢而改变后者浓度 生长素提高乙烯 较高浓度的生长素对植物体内乙烯合成有显著的促进作用 生长素提高乙烯合成效率 乙烯抑制生长素在植物体内运输并影响生长素的代谢 GA与生长素 GA抑制生长素结合态的形成及氧化酶的活性 从而提高生长素的浓度 赤霉素则能促进生长素的生物合成作用 4 不同激素的连锁性作用 植物内源激素的含量往往伴随生长发育进程而有显著的变化 这种现象揭示在不同生长发育阶段相应由不同激素起着特定作用 对整个生长发育过程而言 各种激素起着连锁性的作用 小麦成熟阶段种子中内源细胞分裂素 赤霉素 生长素与脱落酸的含量在其灌浆至成熟过程中相继出现高峰 当种子由休眠 后熟直至萌芽阶段 其内源激素含量的变化趋势与上述过程相反 生长过程中植物组织对不同激素的敏感性变化 例如 燕麦胚芽鞘在生长初期对赤霉素最敏感 而在生长中期及后期对细胞分裂素及生长素的敏感性增强 三 植物激素的测定方法激素在植物体内含量极低 性质又不稳定 加之细胞中其他化合物的干扰 故测定方法必须十分灵敏和专一 通常先用合适的有机溶剂来提取 既要避免许多干扰物质 又要防止激素破坏 其次采取各种萃取或层析步骤 使激素得到部分提纯 然后用生物的 物理或化学方法测定其含量 1 生物测定法是通过测定激素作用于植物或离体器官后 所产生的生理生化效应的强度 从而推算出植物激素含量的方法 如小麦胚芽鞘切段伸长法 根据赤霉素与 淀粉酶活性原理 用半粒种子法 萝卜子叶增重法测定细胞分裂素含量等 2 物理和化学方法植物激素的测定分析采用薄层层析 气相色谱 gaschromatography GC 高效液相层析 highliquidperformancechromatography HPLC 质谱分析 massspectrography MS 等 其原理大都是基于不同物质在不同介质中的分配系数 测定生长素含量可以达到10 12g的水平 如GC测定乙烯含量 气质联谱 GC MS 分析赤霉素 3 免疫分析法利用抗原与抗体的特异性反应来检测激素的一种方法根据不同的已知浓度的抗原与抗原抗体沉淀量的关系式 便可计算出样品中激素的含量 当前常用的两种激素定量技术 放射免疫法 如用放射性抗原 则可通过测定放射性强度来定量 如放射免疫测定法 酶联免疫吸附检测法 采用酶标记的抗体来指示抗原抗体结合的微量测定法 酶作用底物的呈色反应鉴定激素含量 四 植物激素的研究方法过去研究激素的生理作用及作用机理 多采用外源激素及对内源激素水平的检测 观察对植物生长发育影响 这种方法为人们认识激素的功能积累了大量的知识 但却存在很大的局限性 例如受到吸收 运转和内外因素的干扰 在细胞中的有效浓度 有很大的差异 分子生物学和遗传学的手段在研究植物激素领域中的应用和发展 大大地促进了人们对激素作用的认识 通过在自然界筛选或化学诱变 得到了适合于不同研究目的的突变体 mutant 和营养缺陷型 auxotroph 激素合成基因突变体 通过基因工程的方法 成功地从农杆菌和假单孢菌中克隆出生长素和细胞分裂素地代谢基因 获得了转基因植物 transgenicplant 使人们有可能改变植物内源激素水平 特别是生长素和细胞分裂素地浓度和分布 重新检查各种生理现象 五 激素受体研究过去认为 植物激素本身可以作用于DNA 导致特定基因的活化引起生理反应 现代生物学的研究成果来看 五大类激素的分子量都不大 它们有可能和DNA某些碱基上的基团发生反应 激素和DNA分子的直接作用不可能导致特定基因的表达 和动物生理中情况一样 激素必须首先与受体结合 引起受体蛋白激活 激活的受体将引起某些生理反应 如某些离子的吸收与释放 特定蛋白质的磷酸化和去磷酸化 这些生化上的变化可引起一系列的连锁反应 最终导致特定基因表达 从激素与受体结合到激素诱导基因表达的过程 称为激素的信号传导 signaltransduction 植物激素受体的研究是从激素的结合蛋白入手 受体蛋白与其激素分子之间应有很强的亲和力 但与激素有很强亲和力的蛋白却并非都是受体 激素受体的一个重要特性是激素分子和受体结合后能使受体激活 激活受体可引起细胞生理反应 生长素受体研究较快 已分离出数种生长素受体 其中有三种位于膜上 其他激素受体研究进展研究较慢 有在蚕豆保卫细胞原生质体中分离到ABA结合蛋白 有10 12kd乙烯结合蛋白 六 激素的基因工程和转基因植物致癌农杆菌所引起的冠瘿瘤细胞在组织培育过程中不需要外加植物激素即可无限地分裂生长 这是因为Ti质粒上有一段特定的DNA区域 称为T DNA transferredDNA T DNA的长度大约为23kb 其中有一段9kb的高度保守区 在这个区已鉴定出几个基因 基因1 2和4 经过转座子突变证明 基因1 2与生长素合成有关 基因4与细胞分裂素合成有关 基因1编码的iaaM 色氨酸单加氧酶 在冠瘿瘤中的合成IAA 基因2编码的iaaH 吲哚已酰胺水解酶 基因4编码异戊烯基转移酶 ipt 这个酶催化细胞分裂素生物合成中最重要的一个限速反应 除农杆菌外 从假单孢菌也分离出iaaL 吲哚已酰赖氨酸合成酶 可用以转化植物 可以选用不同的起动子 promoter 来控制基因的表达活性 从而提高植物体内激素的合成 或降低体内的激素水平 以便能更深入地研究激素地作用机理 有效地控制植物地生长发育 由于植物激素在体内没有十分专一的合成部位 不象在动物中那样 通过切除或移植腺体的方法 以调节激素的水平 采用基因工程的方法 就使人为的控制激素在植物体内的合成成为可能 Spena Romano 1991 在导入之中基因的烟草 马铃薯和拟南芥植物内都有表达 结合态IAA含量增加 游离态IAA含量下降 对照相比 可明显低发现 含iaaL基因的马铃薯和烟草的顶端优势减弱 初生根减少 叶生长不正常 将iaaM和iaaH基因从农杆菌Ti质粒上克隆下来 再与组织特异性不同的起动子相结合 然后通过农杆菌载体整合到矮牵牛的基因组中 获得了矮牵牛转基因植株 将花椰菜花叶病毒19S起动子与iaaM引入植物后 iaaM基因在所有植物组织中都能表达 组织中IAA和吲哚已酰胺的含量比未转基因的对照植株增加10 100倍 在形态上也发生很大变化 顶端优势加强 不定根增多等典型的生长素反应 转基因植株可以形成新品种 优良性状可以稳定地在后代保留下来 近年来通过乙烯基因工程培育耐贮藏的蔬菜 果实新品种有重大突破 有的已上市 可以看出 十多年来分子生物学和遗传学已成为植物生长物质研究领域中不可缺少的部分 研究已发展到分子水平上 受体 信号传导基因表达等内容 采用的分子生物学技术 如基因分离 克隆重组 体外翻译和转录 反义RNA技术和转座子的研究 激素突变体筛选 在深入了解激素生物功能和作用机理的基础上 将可望通过基因工程 细胞工程改造植物 为遗传育种展示了广阔的前景 生长素 Auxin CharlesDarwin 1880 金丝雀隔草的向光性实验 认为向光弯曲 尖端产生一种影响 向下传递的结果 使胚芽鞘向光面和背光面生长不均匀所制 BoysenJensen 1910 切去胚芽鞘尖端 失去向光性 而将尖端和琼脂粘会去 恢复向光性 荷兰的F W Went 1928 的燕麦胚芽鞘试验 为以后生长素的生物学鉴定提供技术 燕麦试验 avenatest F KoglThimann 1944 从人尿或麦芽中提取 并鉴定为吲哚乙酸 indole 3 aceticacidIAA 在十字花科植物中提取吲哚乙氰 未成熟的豌豆子粒分离到4 氯吲哚乙酸 在玉米 大麦中分离苯乙酸 PAA 此外是人工合成生长素类 1 生长素与植物生长植物生长是细胞分裂及细胞扩张的总和 细胞的分裂只发生在植物分生组织中 而细胞扩张则发生在植物各器官的伸长区 而且是植物体积及重量增加的主要途径 细胞的扩张主要是由细胞结构松弛及水分渗入细胞引起 细胞扩张受三个主要因素控制 细胞壁的伸展性 Extensibility 细胞内溶质的浓度 质膜渗透性 Permeability 其中生长素的主要作用在于增加细胞壁的伸展性 细胞壁的伸展性又分弹性 Elasticity 和可塑性 Plasticity 生长素均对两者有作用 而可塑性影响最大 Bouchet 1993 研究IAA促进绿豆下胚轴生长的两个显然不同的阶段 IAA处理后8 10分钟开始表现生长的促进 30 60分钟生长率达到高峰 以后下降 2小时后生长率再度上升 对这种生长现象解释 第一阶段的迅速短暂生长是由于H 分泌及细胞壁酸化而引起细胞壁的伸展 第二阶段的持续生长是由于细胞壁构成物质的产生 合成物质增加 IAA作用特点 1 低浓度下促进生长 高浓度下抑制生长 2 不同器官对IAA敏感性 根 芽 茎3 离体器官效应明显 对整株效果不明显 Masuda及Yamamoto 1972 认为 生长素作用于胚芽鞘及幼茎的靶部位为表皮 Kutachera等 1987 报道 IAA促进豌豆节间细胞壁非纤维多糖合成 IAA增加表皮组织干重 但皮层组织的干重反而减少 由此可推断 在生长素促进持续性生长的过程中 皮层组织兼有合成及供应细胞壁组成物质的功能 以供表皮生长之用 IAA作用机理 生长素促进细胞壁伸展的作用机理至少有两种可能 生长素通过调节细胞膜上ATPase活性 促进把质子送到质膜之外 使细胞壁酸化 从而打断细胞壁结构中对酸不稳定的键 生长素可以增加质膜上H ATPase数量 可能通过第二信使作用 活动 生长素能刺激Ca2 的释放 增加游离态Ca2 的浓度 Ca2 或Ca2 CaM能激化蛋白激酶 促进蛋白质磷酸化反应 从基因转录水平调节H ATPasemRNA合成 促进ATPase量及活性增加 从而打开细胞壁纤维素结构间交接点的键 细胞壁结构松弛及细胞壁构成物质增加 最后发生扩张 Law和Davies 1990 报道 3种豌豆细长型突变品系和其它品种 IAA与茎高度的关系 茎伸长生长部位的内源IAA含量与收获时株高呈正相关 r 0 944 细长突变种133 188 197的植株高度及IAA含量均高于其它品系 在许多豌豆遗传突变品种中 节间长度由赤霉素GA所控制 但这三种细长突变系的节间长度不受GA合成抑制剂的影响 提高GA并非其直接控制因子 这个提示内源IAA含量也参与控制整株植物的伸长生长 已知GA能促进IAA合成及增加IAA含量 生长素与赤霉素均可增加细胞壁伸展性及伸长生长 但它通过不同途径 2 生长素与植物的向性向性 Tropism 是植物对单方向环境因子的刺激而发生趋向或背向生长的反应 分别称之为正向性与负向性 引起植物向性反应的环境因子包括光 重力 接触 温度 水分 化学物质及电场等 向性反应是因感受刺激的部位发生正反两侧生长率差异所致 茎叶的向光性 phototropism 根向重力性 positivegravitropism 茎负向重力性 negativegravitropism 植物茎叶的向光性向光性可以增加茎叶对光能的吸收利用 是一种重要的生态反应 Went 1928 最早观察到生长素不对称分布与燕麦胚芽鞘向光性的关系 而关于向光性研究多以黄化单子叶胚芽鞘或双子叶豌豆 向日葵上胚轴为材料 这与感受向光性受体有关 向光性反应必须有敏感性高的色素作为光受体 不同波长光与向光性反应关系的实验表明 蓝光最为有效 高峰436 440 480nm 其次为近紫外光 370nm 向光性的作用光谱与核黄素 RiboflavinVB2 和黄光素 3 甲基异咯嗪 及胡萝卜素 carotene 的吸收光谱颇为接近 向光性敏感的植物组织中含有胡萝卜素 浓度为7nmol L 足以受感光刺激而产生生长反应 黄素 Flavins 可能也是向光反应中的光受体 因此 Ninnemann1980和Dennison1984 认为黄素类作为光的受体可能性较大 向光性作用机理之一 Went 1928 提出生长素浓度分布的差异 生物测定法显示生长素活性的分布比率向光面32 背光面68 据此学说 植物向光性是因为光刺激生长素自顶端向背光面侧向运输 背光面生长素浓度高于向光面 背光面生长快 而发生向光弯曲想象 通过去顶实验表明 胚芽鞘顶端确是生长素的来源 放射性外源IAA标记也证实IAA在向光面与背光面分布为4 6 向光性机理之二 Shen Miller 1969 光可抑制生长素在燕麦胚芽鞘内极性运输 向光性可能是由于生长素自上而下运输 在向光面受控制缘故 并非生长素侧向运输而分布不匀 Bashin 1986 指出施用于玉米胚芽鞘向光面的IAA不能运输到背光面 向光面加IAA 但在这种情况下仍然是背光面促进 向光面有被抑制现象 Bruinsma1975 1990 向日葵 萝卜等双子叶植物的向光性反应与生长素有关 其向光和背光面的IAA含量相似 结果测定出其下胚轴向光面的生长抑制物高于背光面 1986年鉴定了这两种抑制物质 顺反式两种 莱菔素和莱菔素酰胺 它们的浓度与受光强度呈正相关 在向光面抑制物浓度增加 可妨碍IAA与其受体蛋白结合 进而阻止表皮细胞的微管方向的重排 表现为伸长受阻 植物根的向重力性根据Cholodny went假说 植物根的向重力性也受生长素的控制 生长素由根尖向后运输 极性运输 在平放的根内因受重力影响而发生不均匀分布 其浓度在向地一侧较高 抑制生长 以致根向地弯曲 根向重力性反应过程可分为信息感受 传递与转化及植物反应三个阶段 植物根冠中含淀粉粒 Amyloplast 的小柱 Columella 细胞群 可能是感受重力的部位 在垂直生长的根内 这种组织内的淀粉粒沉淀在细胞的下方 当根横放时 这些淀粉在1分钟内即向下侧沉降 如先去根冠 横放的根即失去向重力性反应 表明根冠是感受重力的部位 淀粉粒的重新分布可能与信息传递有关 Evans 1986 把根向重力性信息感受及传递的可能过程归纳几个阶段 根由垂直位置该为横放后 小柱小柱细胞下部的淀粉粒改随重力方向移动 这一想象被视为信息感受阶段 这些淀粉粒落在内质网上 从而促进Ca2 从内质网上释放 Ca2 在细胞内与CaM结合 根冠中存在较高含量的CaM Ca2 CaM复合体激化质膜的ATPase 活化的ATPase分别把IAA与Ca2 由不同渠道送到细胞外 如此 IAA与Ca2 同时从根尖向后运输 重力怎样使IAA在根内有不均匀分布现象 研究指出IAA与Ca2 运输分布的主要关系 Ca2 是IAA极性运输所必须 玉米根冠部分预先用EGTA处理后 重力影响的IAA极性运输随之消失 但在根横放前用Ca2 处理根冠 IAA极性运输恢复 Evans 1990 进一步发现在重力影响下IAA在横放玉米根冠内向下侧运输的多少与根向地弯曲快慢呈正相关 IAA在横放的根冠内向上侧及下侧两个方向运输 但向下多于向上 其比率最高为1 6 并受钙的影响 植物茎的负向重力性负向重力性是指植物茎部横放后向上弯曲的生长现象 弯曲部位在叶鞘与节间的基部 谷类作物水稻 小麦 大麦在倒伏后4天内其茎部可恢复垂直位置 茎的负向重力性是一种非常重要的生物学现象 可以减少因倒伏而引起的产量损失 茎的负向重力性反应机理可能与根的向重力性相似 谷类作物茎部的重力感受中心可能在节间基部皮层组织的薄壁细胞及叶鞘基部含有叶绿体的细胞 这些细胞含有大量的淀粉粒 淀粉粒在细胞内的位置因茎倒伏而发生很快的变化 茎的负向重力性有关的激素不可能只有两种 已知的有IAA及GA 以玉米幼苗为例 在横放处理3分钟后 中胚轴内开始发生IAA部对称分布 下侧IAA浓度高于上侧 5分钟后中胚轴开始表现向上弯曲生长 Bandurshi等1984 两个明显变化 一是下侧IAA浓度比上侧高1 5倍 二上侧含的GA主要为结合态 下侧含有几种游离态GA 测定横放处理后在燕麦茎内放射性GA的分布 得到相似的结果 3生长素与根的分化离体幼茎或分枝切段能在其基部产生不定根 是自然界中生存繁殖方式之一 生长素能促进枝条生根是1934年由Thimann和Went所发现 此后 生长素促进生根的研究迅速展开 在应用方面发现IBA NAA比IAA稳定 效果好 在理论研究方面发现IAA能促进乙烯合成 于是研究中心转移到乙烯与枝条生根的关系上来 实验结果指出 乙烯确能促进不定根及根毛的产生 由此看来 IAA对枝条生根的促进似乎不是直接的作用 据Riov及杨祥发 1989 报道 IBA处理的绿豆幼苗下胚轴切段产生较多的乙烯及其前体ACC 用ACC合成酶抑制剂显著减少IBA对不定根的促进效应 可见IBA促进生根作用也与ACC及乙烯有密切关系 IBA在生长素类中促进生根的效果最好 应用最广 IBA比IAA有更强的生根效果 可能是其具有稳定性有关 可使施用部位持续地促进ACC及乙烯合成 从上述可知 生长素促进生根的实验结果由外源IAA及IBA所获得 有关内源生长素含量与根分化关系一向缺乏可靠的分析资料 据Nordsstron 1991 报道 豌豆剪枝次生根的产生受茎端的控制 因在根发生期间 其生根部位的IAA含量不变 切除茎顶端可使生根部位IAA含量减少 根分化完全停止 因此 他们相信生根部位的IAA是由茎端供应 切除茎顶段 有利于IAA向基运输 4生长素与植物组织培养按广泛定义 植物组织培养包括胚芽 茎尖 花药 花粉 愈伤组织 细胞团 单细胞及原生质体培养 在多数情况下 外源生长素及细胞分裂素都是培养中的植物细胞和组织与器官生长所必须的激素 这两种激素的配合不但满足细胞分裂及扩张的需要 而且能控制细胞分化 Skoog及Miller 1957 烟草愈伤组织实验 其细胞的分化与生长是由生长素和细胞分裂素共同控制 适量的IAA促进根分化 而高浓度细胞分裂素与低IAA配合显著促进芽分化 从而为后来植物组织培养研究提供了有效手段 可使离体组织或单细胞再生成植株 成为植物组织工程 遗传工程技术的一个重要部分 虽然不是所有的实验植物都具有与烟草细胞相似的反应 但烟草实验结果显然是一个很好的启示 那就是指出了人为控制植物细胞分化的可能性 植物组织培养常用的生长素大部分为人工合成的如 IBA NAA 2 4 D两种生长素的稳定性及效果均比IAA好 单子叶植物如稻类作物组织培养往往需较高浓度的2 4 D 人工合成的生长素很多 不同植物对不同生长素反应不一样 5生长素与开花生长素对菠萝及其它Bromelicaceae类植物开花有促进作用 一般认为生长素刺激乙烯的合成 而乙烯对菠萝开花有显著的促进效果 生长素对其它植物诱导开花的环境中表现抑制作用 短日植物藜 裂叶牵牛 长日植物毒麦 白芥及需低温植物 这些抑制通过乙烯作用发生的 TranThanhVan 1974 应用已开花的烟草茎部组织建立了一种试管开花实验法 他们发现IAA对这种组织花芽的分化有促进作用 其最有效浓度为1 mol L Hatori等 1991 指出短日处理的烟草叶片输出的开花物质与低浓度生长素对花芽分化有增效作用 此外 生长素对雌雄异花的瓜类植物的雌花分化有促进作用 适宜的生长素处理能提高黄瓜雌花的分化 6生长素与库源关系的调节植物体内有机物完全来自光合产物 光合产物的运输分配直接控制植物产量及经济价值 由此可见源库关系的重要性 一般认为 光合产物蔗糖浓度在库源之间的梯度是其运输速率及分配的主要决定因素 分析库源关系的整个过程限制因素包括 叶片光合作用效率 叶片内蔗糖合成效率 蔗糖在叶片内装载进入韧皮部的速率 蔗糖在韧皮部系统中的运输速率 蔗糖由韧皮部卸入库速率 蔗糖在库的特殊细胞内积累的效率 生长素对这些过程 有重要的影响 从机理上来讲 有机物 蔗糖 的装载 phloemloading 必须通过质膜 糖和H 运转的协同作用 共运转 与ATPase作用有关 IAA能促进蔗糖向韧皮部内运输 而ABA则表现为抑制 Lucas1985 IAA的促进显然与质子泵的活化有关 施用IAA于去顶的菜豆植株切口 刺激整个韧皮部运输系统 能使光合产物向IAA施用的位置积累 由此推测 生长素可能通过对质膜ATPase的影响而控制韧皮部系统的钾离子浓度 从而影响膨压与蔗糖在韧皮部内长距离运输 光合产物从韧皮部卸出 unloading 在库细胞储存是库源关系的最后阶段 在豆科及谷类作物中 蔗糖卸出后直接在胚乳或子叶细胞累积 果实的发育是光合产物向果实内运输的一个重要促进因素 这种现象可能与果实内含有大量的植物激素有关 以生长素为例 在生长中的大豆种子内IAA的分布随部位及生长时期有显著的变化 Hein等1984b 种子 种皮与胚轴内生长素会先高后低 最后升高 这种IAA分布不均匀与蔗糖在种子中运输积累有关 库源关系的整个过程 受不同种类激素的调控 从库源关系的观点 适当应用激素可达到提高作物产量的目的 激素对库源关系的调节有几点 光合作用 蔗糖合成及韧皮部装载是源活动的主要限制因子 增加叶片中IAA与GA含量及减少叶片中ABA含量均有利于源活动 光合产物在韧皮部从源向库运输受IAA ABA 细胞分裂素分布的影响 了解这几种激素在源库之间的浓度分布是应用激素关系 改善光合产物运输效率的第一步 增加种子内IAA含量能促进光合产物在韧皮部系统内的运输 增加种子内ABA和细胞分裂素含量有利于光合产物从韧皮部的卸出 光合产物在种子内积累效率从两个方面改善 应用激素知识于源库关系的改善 一是通过育种 以理想的激素浓度变化与分布为目标 增进源库的效率 二是使用外源激素与调节剂 针对特殊阶段的需要 提高源库效率 生长素为果实生长所必须的激素 草莓是生长素控制果实生长的最好实验例证 Nitsh1950 Dreher及Poovaiah1982 草莓是花托发育而成的假果 在花托的表面有许多瘦果 瘦果内含丰富的生长素及其它激素 在生长过程中如随时除去瘦果 果实生长立刻停止 如应用外源生长素代替瘦果 果实生长恢复 可见瘦果内的内源生长素对花托生长的重要性 生长素是唯一能维持草莓果实长期生长的激素 7生长素与衰老衰老 老化 是植物生长发育最后阶段 使器官或整株植物的生命功能衰退以致死亡 植物衰老现象是一个复杂的生理生化过程 受内在及环境因素影响 植物激素 多胺 钙等物质均显著改变衰老的方式及过程 光 水分 温度与养分供应等环境也影响衰老 自50年代以来 已有大量文献报道植物激素对植物器官如叶片 子叶 叶柄与茎老化的影响 植物激素影响的趋势是一致的 细胞分裂素 赤霉素与低浓度的生长素能延缓衰老 脱落酸 乙烯及高浓度生长素能促进衰老 由于生长素是乙烯合成的促进剂 低浓度生长素抑制衰老 高浓度的生长素对衰老的作用显然是通过乙烯的作用 生长素分布与衰老关系 在叶片生长发育活动旺盛期间 IAA在叶片内合成 然后经叶柄不断向上运输 而当叶片衰老时 叶片内IAA含量降低 在开始衰老的植物中 叶片中IAA的浓度因叶片所在位置而有显著差异 由茎上部起逐渐减少 落叶自茎下部开始逐渐向上 第二节赤霉素 Gibberellin 赤霉素 gibberellin GA 是日本的黑择英一在研究水稻恶苗病时发现的 它是指具有赤霉烷骨架 能剌激细胞分裂和伸长的一类化合物的总称 1935年日本科学家薮田从诱发恶苗病的赤霉菌中分离得到了能促进生长的非结晶固体 并称之为赤霉素 1959年克罗斯 B E Cross 等测出了GA3 GA1和GA5的化学结构 到目前已发现有118种 一 赤霉素生理作用1 赤霉素与种子成长 休眠及萌发的关系 种子生长GA可在胚柄合成 这时如切除胚柄 胚发育停止 而使用外源GA 胚发育恢复 胚柄中GA对种子发育非常重要 表明种子中GA的积累与从光合作用输入可溶性糖类用于子叶生长密切相关 除GA外 发育种子中含生长素 细胞分裂素及ABA 种子成熟时 游离态变为结合态及其光产物 激素的生物活性下降 ABA增加 种子萌发GA显著刺激种子的发芽 榛树种子经过低温处理后 GA含量上升 低温促进种子萌发可能与GA作用有关 Karssen 1987 以缺乏GA的拟南芥突变品系种子的萌芽实验说明 这种突变种子因缺乏内源GA而不能萌发 外源GA处理显著促进萌芽 浓度达10 mol L以上发芽率达100 但外源生长素对该品系种子萌发无影响 表明GA对种子萌发具有特殊作用 2 GA对节间伸长的促进作用赤霉素的发现始于对水稻叶片 叶鞘与节间伸长的促进作用 后来人们以玉米及豌豆等植物单基因矮化突变系和GA合成专一性抑制剂为研究手段 确立了GA与节间伸长的特定关系 豌豆有五个主要控制节间长度基因 这些基因分别控制GA合成途径中的不同步骤 GA1是促进生长的主要赤霉素 番茄 Zcovaart1984 大豆 Bensen1990 豌豆 Cross1990 等植物矮化突变系实验证实GA1是节间伸长的控制因子 GA1主要分布在幼茎及幼叶中 在大豆实验中 缺水处理使生长减少62 GA1含量降低87 恢复供水后24小时 GA1含量增加8倍 生长速率恢复正常 赤霉素与节间伸长的关系可从油菜 brassicarapa 的不同遗传型品系分析结果 Rood等1990 作进一步探讨 矮化品系茎部赤霉素含量 包括GA1 GA3 只有正常品系36 但过长品系茎部赤霉素含量是正常品系的3倍 这三种油菜在生长上表现出明显的差异 电子显微扫描照片显示 矮化品系 a 细胞极短 过长品系 c 的细胞长度与数目均比正常品系 b 增加 此外赤霉素含量与茎伸长生长的关系通过使用外源GA与多效唑于正常油菜品系的实验证实 施用多效唑的结果细胞短 与矮化品系相似 施用外源激素GA3的结果 细胞伸长 与含高浓度赤霉素的过长品系相似 外源GA1对正常的和矮生 dl 玉米的作用不同 赤霉素促进了矮生突变体茎干的明显伸长 但是对野生型的植株却没有或仅有很小的效果 3 赤霉素对开花的影响赤霉素影响植物开花是一个极显著极复杂的现象 其效果视不同植物种类及反应型而异 施用GA能促进多种长日植物或需低温处理植物在不能开花的环境下开花 但对短日植物及中间型植物没效果 GA能代替光照和低温条件而促进多种植物开花效果 由于GA种类繁多代谢复杂 对控制开花因素及机理缺乏了解 还不能确定GA与研究的关系 不同GA有不同的生理作用 Pharis1992毒麦研究GA结构与开花的关系 这种植物对长日照有显著的反应 一次日照处理可诱导开花 用高压液相层析显示长日照处理可增加多种GA合成 其中以多位羟基取代的GA最为显著 利用外源的多位羟基的如GA32能有效促进开花 GA结构中羟基数目与立体位置均影响其诱导开花效果 且诱导开花与促进营养体生长需要不同的GA 例如 GA1能有效地促进茎的伸长生长 但不能促进开花 GA4 7促进松柏科植物花芽分化 GA5促进油菜花芽分化 需寒胡萝卜品种开花时间GA处理后的效果 左 对照 不施GA 不冷处理 中 不进行冷处理 但每天施10 gGA3为期一周 右 六周冷处理 甘蓝 在短光照下保持丛生状 但施用赤霉素处理可以诱导其伸长和开花 Chailakhyan 1938 提出开花物质 Florigen 的存在 多年来虽有很多嫁接及相关实验结果支持这个假说 仍不能解释所有的开花现象 他在1979年进一步提出GA与开花物质共同影响植物开花观点 植物开花是由GA和开花素共同决定的 长日植物在长日条件下即可以合成GA又可以合成开花素 所以开花 但长日植物在短日照环境下能合成开花物质不能合成GA 故不能开花 同样短日植物在不同日照环境下 内源GA含量不是限制因子 但短日植物长日照下缺乏这种开花物质 因此也不能开花 此假说也只能解释一部分开花实验结果 植物由营养生长转为生殖生长是基因选择表达的结果 直接与间接控制这种表达因素很多 包括GA在内 但目前对此尚缺乏相应的知识 今后通过对开花物质的鉴定 有关开花突变品系的发展与应用 以及基因表达与开花关系的研究 可能会加深对GA与开花关系了解 GA对雄花的发育促进作用 植物花性别类型 完全花 白花 两性花 雌雄同株异花 雌雄异株 其中后两类形成除受遗传 环境因子 光期 温度 氮等 植物激素的影响 黄瓜是研究激素影响花性别分化的常用材料 花芽开始分化都是为雌雄同花 同一花芽内兼有两性原基 但在发育过程中 只有雄性或雌性器官继续生长 形成单性花 在花芽分化初期施用赤霉素能促进雄花发育 施用生长素及乙烯则促进雌花发育 说明不同激素对花性别影响 此外 施用赤霉素合成抑制剂有促进雌花发育的趋向 总的来说 黄瓜单性发育受GA和生长素影响 内源激素含量分析结果支持这一结论 此外 环境因素中日照长度也能影响黄瓜的发育方向 这种影响与内源GA与乙烯含量无关 二 作用机理1 促进基因表达 诱导种子水解酶合成GA处理影响大麦 小麦种子在萌发期间酶的变化 这方面研究工作开展较早 对揭示GA的作用机理尤其是诱导蛋白质合成方面贡献较大 大麦及小麦种子糊粉层 Aleuronelayer 是研究GA作用机理的最理想材料 美国Vanner教授等为此作出重大贡献 种子萌发初期 胚芽中产生的GA刺激糊粉层细胞合成与分泌水解酶 其主要为 淀粉酶 一粒大麦 喜马拉雅品系 种子糊粉层在萌发24小时内可产生30 g 淀粉酶 一些作为啤酒原料的大麦种子的 淀粉酶产量更高 这些水解酶分泌到胚乳内 促进淀粉及其它物质分解 供给幼苗生长所需原料 赤霉素刺激的 淀粉酶为新生的蛋白质 赤霉素能促进转录和翻译过程 这是植物激素控制基因表达的范例 Beach等 1985 用大麦种子糊粉层细胞核进行转录实验 显示在GA处理1 2小时内 淀粉酶mRNA含量开始增加 20小时达高峰 其含量比对照增加50倍 说明GA促进 淀粉酶主要来自新产生的mRNA翻译的结果 糊粉层细胞经GA刺激而合成的蛋白质约有70 是几个基因表达产物 其中 淀粉酶存在同功酶 大麦与小麦的 淀粉酶基因有两组 分布在两条染色体上 这两组基因共同控制 淀粉酶同功酶的合成 GA具有促进钙单向运输的功能 最近Gilroy 1993 用大麦种子糊粉层为材料研究GA3及CaM对Ca2 吸收的影响 发现GA3处理4 6小时内显著促进CaM及内质网的钙含量 其上升曲线的斜率与所用GA3剂量呈正相关 因此 GA3促进Ca2 在内质网积累可能是通过CaM的作用 Ca与CaM含量增加发生在 淀粉酶释放之前 淀粉酶含有Ca2 组成物 在内质网上合成 ABA抑制这个过程 表明 Ca2 与CaM作为第二信使参与 淀粉酶合成 2 增加细胞壁伸展性赤霉素促进茎伸长生长的作用机理与刺激Ca2 从细胞壁释放有关 Ca2 在细胞壁中与交叉连接的大分子聚合体结合 使结构更为紧密 因而降低细胞的伸展性 Taize 1984 加入1mmol LCaCl2抑制生长 但加入GA50 mol L 生长迅速增加 显然 GA3能逆转Ca2 的抑制作用 Cleland 1986 用EDTA处理大豆下胚轴时 其细胞伸展能力增加 生长加快 逆转了Ca2 抑制生长的作用 表明赤霉素的作用可能在于促进Ca2 从细胞壁的释放 降低细胞壁多糖类物质的交连作用 而提高细胞壁的伸展性 赤霉素与细胞壁伸展性还与对细胞壁中酚类物质的影响有关 阿魏酸是细胞壁组成成分 它与碳水化合物相连接 使细胞壁结构更坚实 阻碍伸展 过氧化物酶可促进阿魏酸分子连接作用 Fry 1980 菠菜细胞培养证实 赤霉素处理可减少过氧化物酶从菠菜细胞向外分泌 是由于赤霉素可以降低细胞内过氧化物酶活性所致 因此 GA可能通过减少细胞壁内过氧化物酶浓度 进而减少细胞壁中阿魏酸的连接 来增加细胞壁的伸展性 赤霉素是通过增加细胞壁的伸展性来促进细胞伸长生长的 但是赤霉素促进细胞伸长生长与生长素有许多不同 首先没有细胞壁酸化现象 其次赤霉素对细胞伸长生长促进的迟滞期较长 如对豌豆茎要2 3小时 生长素需10 15分钟 这说明赤霉素对细胞壁伸展性的影响方式与生长素不同 赤霉素增加细胞壁伸展性机制的假说 最近的研究认为 赤霉素对细胞壁伸展性的增加 与它能促进细胞壁中的木葡聚糖内糖基转移酶 xylogtucanendotransglycosylase XET 活性密切相关 XET在各种植物组织中广泛存在 它从分子链的内部水解木葡聚糖 并将水解的木葡聚糖片断转移到另外一个木葡聚糖的末端 所以XET具有重组细胞壁基质分子的能力 可以增加细胞壁的伸展性 生长素与XET活性之间没有明显关系 所以赤霉素诱导XET活性的增加是赤霉素的特异作用 XET和多种植物的茎延长有关 如以GA3处理矮生豌豆品种 则可以增加株高和XET活性和通常品种一样 XET增加细胞壁的伸展性可能是它增加了细胞壁对扩张蛋白的透性 已知扩张蛋白是一种细胞壁蛋白 在酸性条件下可以弱化细胞壁多糖之间的氢键 根据这个观点 赤霉素和生长素在促进细胞伸长生长过程中是协同作用的关系 即赤霉素诱导XET酶的活性增加 改善了细胞壁对扩张蛋白的透性 使大量的扩张蛋白进入细胞壁 生长素促进质子的分泌 酸化细胞壁环境 活化扩张蛋白 使细胞壁的伸展性得到促进 三赤霉素及抑制剂的应用赤霉素应用 提高果实产量 促进无性结实 如无籽葡萄 解除马铃薯等多种植物休眠 促进萌发 促进营养生长 增加产量 如菠菜 芹菜 莴苣 茶等 促进苹果 梨 枣等果树结实率 促进黄瓜雄花发育 作为植物亲本 大量生产杂种黄瓜 促进多种园艺作物开花 调节花期 如胡萝卜 甘蓝等 啤酒工业上 GA促进大麦水解酶合成 分泌 提高淀粉水解效果等 第三节细胞分裂素一细胞分裂与扩大当用细胞分裂素处理植物时 能引起生理和发育过程的多种多样的变化 反应出细胞分裂素在植物体中有多种生物学作用 大豆下胚轴及烟草茎髓愈伤组织的细胞分裂强时需要细胞分裂素 因此这两种植物愈伤组织的形成 较早地成为细胞分裂的生物测定材料 内源细胞分裂素对细胞分裂生长的促进效果表现在植物冠瘿瘤因感染而迅速生长 根癌农杆菌及发根农杆菌的Ti质粒的T DNA 含有细胞分裂素及生长素合成基因 感染后在植物组织内合成大量的细胞分裂素及生长素 导致细胞迅速分裂生长 形成冠瘿瘤 在正常生长的植物体内 细胞分裂素主要分布于正在进行细胞分裂的组织如根尖 茎尖等分生组织中 这种选择性分布特点 表示细胞分裂素于细胞分裂的密切关系 细胞分裂素还能促进细胞的扩大 以萝卜子叶为例 施用细胞分裂素能显著促进叶面积增大 但使用生长素与赤霉素无促进效果 正是因为细胞分裂素的专一性促进作用 萝卜子叶面积扩大已成为细胞分裂素生物检测方法之一 农杆菌Ti质粒上不同基因的变异会导致不同形态的冠瘿瘤发生 二诱导芽的分化与解除植物顶端优势Skoog及Miller 1957 的烟草愈伤组织实验结果表明 生长素和细胞分裂素协同控制植物细胞分化与生长 生长素与细胞分裂素是植物顶端优势控制因子 使用外源细胞分裂素可解除多种植物的顶端优势 Mapelli等 1982 曾比较两种有不同顶端优势的番茄品系的内源细胞分裂素及生长素浓度 发现在顶端优势强的突变种中 细胞分裂素含量低 Prochazka等 1984 在去顶及去叶的豌豆幼苗根部加放射性6 BA 结果6 BA在侧芽内浓度增加 促进侧芽萌发 说明细胞分裂素分布与顶端优势有关 如顶端含较高浓度生长素 因而加强顶端优势 在顶端优势作用下 侧芽不能合成CTK 解除顶端优势后 侧芽内细胞分裂素含量增加 Vanstaden及King 1990 报道 在豌豆茎内 玉米素及有关CTK合成率由下部向上部逐渐降低 茎顶端IAA对玉米素合成有控制作用 切除顶端 因减少IAA来源 侧芽内无活性的前体物质转化为活性强的细胞分裂素 促进侧芽生长 可见细胞分裂素合成 运输及分布与顶端优势有重要的关系 一些真菌能寄生在某些特定植物上 侵染植物 使大量的侧枝发育 如生成扫帚状 称为扫帚病 成丛枝病 究其原因是因为真菌能产生细胞分裂素 从而破坏了顶端优势 干扰IAA合成 转ipt基因的烟草 香脂冷杉上的众生枝 基因工程技术已被应用于植物顶端机理的研究 这些新技术包括 导入细菌的生长素和细胞分裂素合成酶基因 选择对生长素或细胞分裂素敏感性不同的植物突变品系 精密测定生长的侧芽与不生长的侧芽内的特殊mRNA和蛋白质的含量等 Klee 1987 和Romano 1993 利用导入根癌农杆菌的IAA合成酶基因iaaM的烟草植株为材料 研究内源IAA含量与顶端优势的相关性 他们发现经过基因转移的烟草IAA含量比对照增加10倍 侧芽完全被抑制 Romano 1991 导入PseudomonasSyringae的IAA合成酶基因iaaL 有效地提高了烟草植株内结合态IAA含量 游离态IAA含量减少 侧芽生长被促进 Medford 1989 导入根癌农杆菌的细胞分裂素合成酶基因ipt到烟草植株 提高了内源细胞分裂素含量达100倍 侧芽生长极显著 从上面含iaaM和ipt基因的烟草杂交后 所得到的后代表现中间型顶端优势 由此证明生长素和细胞分裂素与植物顶端优势和密切相关性 三 延缓叶片衰老一般认为细胞分裂素在根部合成后 由木质部向茎部运输 因而是调节植物地上部的生长 包括延缓叶片衰老 植物组织的衰老是一种复杂的自然现象 受植物激素及其它因子的控制 叶绿素浓度下降 成为检测器官衰老的标志 细胞分裂素对叶绿素含量的影响 可能是促进叶绿素合成 王玉琴等 1982 用6 BA处理小麦叶片 可促进叶绿素前体8 氨基乙酰丙酸的合成 但ABA处理对这种叶绿素前体有相反效果 因此这两种激素与叶绿素含量的关系可能取决于对叶绿素前体合成的调节程度 细胞分裂素对衰老的延缓作用 与促进营养物质移动运输有关 正常情况下菜豆植株上老叶比它上部的三出复叶衰老的更快 但当把菜豆最老的叶片每隔四天用6 BA涂抹一次 则衰老情况发生改变 细胞分裂素处理老叶后 使老叶从三出复叶中取营养 致使三出复叶更早衰老 四促进结实内源细胞分裂素促进营养物质运输 其变化及分布对作物成熟及产量应有显著影响 Jameson等 1982 分析小麦种子生长期细胞分裂素含量变化 发现抽穗后14天及开花盛期后4天的细胞分裂素含量最高 种子内细胞分裂活动增加 水溶性糖类开始累积 表明细胞分裂素对光合作用产物向种子运输的促进作用 Clifford等 1986 用菜豆种皮为材料 证实6 BA处理后迅速增进光合作用产物运输 在处理后5分钟光合产物在疏导系统内卸载速率比对照增加30 应用外源细胞分裂素直接处理花或刚受精的子房能促进结实 如大豆 豌豆 葡萄等 细胞分裂素对复总状花序植物 如油菜 大豆 的促进结实效应较为显著 因同株及同花序内开花由下逐渐向上 结实率随花期而逐渐减少 细胞分裂素能补救这个缺憾 据分析 不能结实与能结实的子房除淀粉及氨基酸有不同外 其它化学成分如蛋白质 可溶性糖及核糖含量极相似 其重要差别在于累积光合作用产物的能力不同 而细胞分裂素是重要的影响因素 Dyer 1990 以大豆为例 2mmol L6 BA处理花序 2年平均增加结荚率提高20 种子数提高25 种子重提高30 如对同一大豆植株不同花序分期用细胞分裂素处理 所得结果更为显著 6 BA处理结荚数增加58 最后收获荚数增加101 细胞分裂素对总状花序植物结实有重要的调节作用 其主要促进授粉子房的碳水化合物代谢 强化 库 的活动 提高结实率及产量 第四节脱落酸 很早以前 植物生理学家猜测 种子或芽休眠现象是由抑制作物的化合物引起的 并力图分离这些物质 直到1963年 美国Addicott从成熟棉铃中把促进棉铃脱落物质提纯 称脱落素 abscisinII 225kg叶片分离出9mg 几乎同时 英国Wareing 1965 在桦树中发现促进芽休眠的物质 称休眠素 dormin 28kg秋叶分离出260ug 鉴定之后均为同一种物质 脱落酸 生理功能上看 脱落酸的命名是不恰当的 因为决定器官脱落的内源激素是乙烯和生长素 而不是脱落酸 以往 把脱落酸仅仅看作是一种抑制物的激素类型 这也是不妥的 因为它还有多种明显的促进效应 例如 ABA诱导种子储藏蛋白的合成 促进水稻胚轴的伸长 幼胚吸收蔗糖 某些外植体形成不定根 引导光合产物从叶片输入正在成长的大豆种子中等 另外从外源激素的剂量来看 ABA与其它激素一样 有低浓度无效 适宜浓度有效和高浓度受抑制的特点 一休眠休眠的种子通常含有比非休眠种子较多的ABA 在种子中GA和CTK影响着种子休眠与发芽 一般来说 ABA诱导休眠 CTK阻止ABA作用 而GA促进种子萌发 外源ABA可抑制玉米谷粒发芽 ABA抑制储藏物质的分解所需要的水解酶的合成 尤其在种子萌发时期 例如 ABA抑制 淀粉酶mRNA转录 从而抑制糊粉层中 淀粉酶合成 而G