生长素的作用机理

生长素的作用机理学院：农业资源与环境 专业：10农资 学号：2010310501 姓名：夏选发一、生长素的发现和种类 生长素(auxin)是最早被发现的植物激素，它的发现史可追溯到1872年波兰园艺学家西斯勒克(Ciesielski)对根尖的伸长与向地弯曲的研究。 他发现，置于水平方向的根因重力影响而弯曲生长，根对重力的感应部分在根尖，而弯曲主要发生在伸长区。 他认为可能有一种从根尖 .，生长素(auxin)是最早被发现的植物激素，它的发现史可追溯到1872年波兰园艺学家西斯勒克(Ciesielski)对根尖的伸长与向地弯曲的研究。 他发现，置于水平方向的根因重力影响而弯曲生长，根对重力的感应部分在根尖，而弯曲主要发生在伸长区。 他认为可能有一种从根尖向基部传导的剌激性物质使根的伸长区在上下两侧发生不均匀的生长。它能调控细胞伸长、细胞分裂与分化、顶端优势、向性生长、根原基的发生、胚的形成和维管分化等。很多研究表明, 生长素是茎伸长生长所必需的, 生长素的亏缺(deficiency)会导致茎伸长受阻。外源生长素处理能促进茎切段的伸长, 促进亏缺生长素的整体植株茎伸长。作为植物的一种重要的内源激素，生长素参与植物生长和发育的诸多过程，如根和茎的发育和生长、器官的衰老、维管束组织的形成和分化发育，以及植物的向地和向光反应等。研究生长素的作用机制对深入认识植物生长发育的许多生理过程有重要意义。早在上个世纪30年代有关生长素作用机制的研究就已经开始，到60年代末、70年代初形成两派学说，即基因表达学说和酸生长学说。之后，随着生物化学和生物学技术的发展，两种学说都有了新的发展，但同时其所存在的不足之处也日益暴露。近年来，由于分子生物学和遗传工程实验手段的广泛应用，在分子水平上的生长素作用机制研究日益深入，尤其是生长素信号转导途径的研究已经成为当前的热点。1.生长素的作用机理生长素, 如IAA作用于细胞核上, 作为基因的脱阻抑剂, 首先是被阻抑的基因活化。随之, 在已活化的基因控制下, 通过调节酶蛋白的种类和数量来表现其继发的生理作用 2 。生长素的生物试验表明，用生长素处理时，细胞壁变软，因而增加了其可塑性。可塑性是指细胞壁不可逆转的伸展张力。 生长试验证明，在生长素的影响下，细胞壁可塑性的变化与生长素所促进的生长增加幅度是很相似的。因此可以认为，生长的增加确实是通过细胞壁可塑性的变化而实现的。这些生长试验，必须以活的器官或组织为材料，并在呼吸作用能够顺利进行的条件才能完成。这就表明，生长素诱导生长是在原生质内进行的。试验证明，在生长素的影响下，原生质的粘度下降、流动性增加、呼吸作用增强，对水和溶质的透性也提高，从而导致更多的营养物质和水分进入细胞，为细胞增大体积提供了必要的物质条件。1.1酸生长理论PMRay 3 将燕麦胚芽鞘切段放入一定浓度的 IAA溶液中, 发现 1015min后切段开始迅速伸长, 同时介质的pH值下降, 细胞壁的可塑性增加。将切段放入含IAA的pH值为4的缓冲溶液中, 切段也表现出伸长;如将切段转入含IAA的pH值为7的缓冲溶液中, 则切段的伸长停止; 若再转入含IAA的pH值为4的缓冲溶液中, 则切段重新伸长。将胚芽鞘切段放入不含IAA的pH值为3.23.5的缓冲溶液中, 则1min后可检测出切段的伸长, 且细胞壁的可塑性也增加; 如将切段转入pH值为7的缓冲溶液中, 则切段的伸长停止; 若再转入pH值为3.23.5的缓冲溶液中, 则切段重新表现出伸长 2 。基于上述, Rayle和Cleland于1970年提出了生长素作用机理的酸生长理论, 认为: (1) 原生质膜上存在着非活化的质子泵 (H+-ATP酶 )， 生长素作为泵的变构效应剂, 与泵蛋白结合后使其活化; (2) 活化了的质子泵消耗能量 (ATP) 将细胞内的 H+泵到细胞壁中,导致细胞壁基质溶液的pH值下降; (3) 在酸性条件下, H +一方面使细胞壁中对酸不稳定的键 (如氢键 )断裂, 另一方面 (也是主要的方面) 使细胞壁中的某些多糖水解酶 (如纤维素酶) 活化或增加, 从而使连接木葡聚糖与纤维素微纤丝之间的键断裂, 细胞壁松驰; (4) 细胞壁松驰后, 细胞的压力势下降, 导致细胞的水势下降, 细胞吸水, 体积增大而发生不可逆增长。由于生长素与H +-ATP酶的结合和随之带来的 H+的主动分泌都需要一定的时间, 所以生长素所引起伸长的滞后期(1015min) 比酸所引起伸长的滞后期 (1min) 长。1.2基因活化学说植物细胞具有全能性, 但在一般情况下, 绝大部分基因是处于抑制状态的, 生长素的作用就是解除这种抑制, 使某些处于“休眠”状态的基因活化, 从而转录并翻译出新的蛋白质。当IAA与质膜上的激素受体蛋白(可能就是质膜上的质子泵) 结合后, 激活细胞内的第2信使, 并将信息转导至细胞核内, 使处于抑制状态的基因解阻遏, 基因开始转录和翻译, 合成新的mRNA和蛋白质, 为细胞质和细胞壁的合成提供原料, 并由此产生一系列的生理生化反应 3 。由于生长素所诱导的生长既有快速反应, 又有长期效应, 因此提出了生长素促进植物生长的作用方式的基因活化学说 2 (图 1)。2.生长素受体生长素所产生的各种生理作用是生长素与细胞中的生长素受体结合后实现的, 这也是生长素在细胞中作用的开始。生长素受体是激素受体的一种。所谓激素受体是指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。作为生长素的受体, 必须具有以下特征 4 。(1) 与生长素之间有很强的接合力; (2) 与生长素结合后被活化, 并引起相应的一系列生理生化反应。据此说明许多能与生长素紧密结合的物质并非均是受体, 只可称其为某激素的结合蛋白。学术界还有一种观点认为, 生长素的活化作用不是直接的, 它作为“第一信使”在细胞中某一专一的部位激活别的分子, 后者被认为是腺苷酸环化酶。被激活的腺苷酸环化酶作用AIP导致了5-环式腺苷酸磷酸 (CAMP) 的形成。CAMP作为“第2信使”激活蛋白质激酶或别的无活性的前体,于是诱发许多生理效应 2 。3. 生长素的激活（感知）、活化、信号转导和基因表达（转录、翻译、合成）3.1生长素的激活（感知） 在20世纪80年代，用生物化学方法发现与生长素结合的蛋白质1（ABP1)与生长素结合的活性高，时候选受体。后来，对抗生长素或生长素转运抑制剂的拟南芥突变体的基因筛选确定数个遗传位点参与生长素信号转导，如运转抑制剂反应TIR1，最近确定T1R1为生长素受体。F-box蛋白T1R1是SCF复合体为E3泛素连接酶的重要组成部分，亦为蛋白质降解泛素蛋白酶体途径的一部分。T1R1的底物Aus/IAA转录阻遏蛋白生长素依赖方式与T1R1结合。结合后，阻遏物被降解。对以上相互作用进行晶体学分析表明，IAA结合到同一个T1R1孔穴的基部，使Aus/IAA蛋白停靠在IAA的顶部，这占据了T1R1孔穴的其他部分。为了验证T1R1是感知生长素的主要受体，对合成的IAA类似物，2,4D和1-NAA进行了实验。实验也表明T1R1也与这些合成生长素结合。此外，许多生长素反应由转录介导，因此与T1R1受体家族相关。然而，在快速的生长素响应中，如在细胞扩展中生长素诱导的离子流，一种信号传导途径，它可能是由与生长素结合的膜蛋白1（ABP1)与相关的蛋白进行转导。ABP1可能与植物自有的影响ABP1作用的生长素协调细胞的分化和拓展。3.2生长素的活化 许多实验证明，激素的受体是蛋白质。至于激素的的位置，有两种不同的看法。一种认为，激素受体是在细胞质或细胞核内，它与激素结合后，调节核酸和蛋白质的合成，也调节酶的合成，最终引起一系列的生理生化反应，有促进作用。里一种看法认为，激素受体是在质膜上，受体与激素结合后，引起膜的透性核电荷的改变，释放出一些酶来，从而引起生理生化的改变。快速反应是质膜受体说法的重要证据。试验证明，大豆下胚轴质膜对生长素的反应是迅速的，几分钟后就产生反应。另外有人在洋葱鳞茎的质膜碎片制剂中加入2,4-D，它便与质膜结合的B-1,3-葡聚糖合成酶的活性增大1030%，这就说明质膜是激素受体的所在地。然而，近年来有把两种看法统一起来的趋势，也就是：当外加生长素后，质膜上的受体与生长素结合，后来受体把转录因子即促进RNA聚合酶活性提高的物质（可能是一种糖脂）释放出来，通过细胞质进入细胞膜，活化聚合酶，再将RNA聚合酶释放到细胞质，影响基因组的转录和翻译，形成蛋白质，酶等，并进行生长活动。3.2生长素的信号转导3.2.1 ABP1（生长素信号感应） 近20年来，生长素受体的研究主要集中在分离、鉴定与生长素结合的蛋白，已经鉴定到一些生长素结合蛋白，其中研究最深入的事ABP1。ABP1是最初在玉米胚芽鞘中分离到的一种22KD的糖蛋白，它和生长素的结合具有高度的特异性和亲和性。作为受体的一个重要特性是当信号分子和受体结合后会引起相应的生理生化反应，免疫学和转基因研究为ABP1发挥受体功能提供了一些证据。外源施加不能进入细胞内的ABP1抗体，会干扰生长素诱导的某些反应，如原生质体的超级化，细胞的扩大和分裂，气孔的关闭等，在表达ABP1的转基因烟草植物中，叶肉细胞增大，而反应抑制ABP1则能消除生长素诱导的细胞伸长和抑制细胞分裂。在一些植物激素中，直接的遗传筛选时鉴定受体和其它信号转导祖坟的好方法，但这种方法并没有鉴定到生长素的受体。最近反向遗传学的运用使这方面取得重要进展，Chen等在拟南芥中分离得到ABP1基因，其纯合突变体abpl的表型为在胚胎发育的早期（球形胚时期）致死，这说明ABP1在植物的生长发育中发挥关键性作用。因此要对ABP1在胚后期的功能进行研究，需进一步鉴定一些条件型突变体来进行相关研究。3.2.2 G蛋白和信号转导的第二信使（生长素信号在细胞质的传递） 生长素被膜上的受体感知后，会激活G蛋白，进而诱导生长素胞内信号的转导，已经鉴定到了多个第二信使，并已确定生长素在胞内的传导包括不依赖于磷酸酯酶A2的途径和依赖于磷酸酯酶A2的途径。 异三聚体G蛋白定位于细胞膜的内侧，并与质膜紧密相连，一些证据表明，异三聚体G蛋白参与生长素的信号转导。当生长素在膜上被ABP1和跨膜蛋白构成的受体复合物感知后，会激活G蛋白，被激活的G蛋白进而诱导生长素的胞内信号转导。G蛋白的亚基在几个信号转导中发挥不同作用，在脱落酸信号转导中起负向调节作用，而在生长素诱导的细胞分裂中和赤霉素信号转导中起正向调节作用。由于G-突变体研究中对生长素信号转导中的确切作用机理还不清楚，反向遗传学研究和拟南芥的基因组学的发展渴望在不久的将来在这一领域取得较大进展。胞质中PH的调节可能是生长素信号在细胞质中传导的第二信使，胞质中的PH的调节主要通过膜上的离子通道或H+-APTase质子泵的作用来实现。因而，生长素信号转导途径的一个分枝就是不通过基因调节反应直接引起蛋白质的活化。生长素 ABP1 停泊蛋白其他受体其他受体 PLA2抑制剂G蛋白细胞膜？ PH,K+通过 iPLA2 ？ H+-ATPase 脂活化蛋白激酶 PINOIDMAPK - 细胞质 蛋白酶体中降解 -泛素化IAA蛋白 原初基因细胞核 修饰？ ARFIAA蛋白复合体 次级基因 ARF蛋白 生长素信号转导模型3.3生长素的基因表达 （转录、翻译、合成） 3.3.1转录 我们知道染色质的主要成分为DNA和组蛋白。而组蛋白又对染色质上的基因表达起限制作用，即遮盖染色质，是基因不活化，DNA不能形成mRNA（信使RNA）。若加入放线菌素D等RNA合成抑制剂，则抑制了细胞中淀粉酶的积累，说明淀粉酶的产生和分泌需要连续合成RNA。另一方面，加入rRNA和tRNA(转移核糖核酸）合成的选择性抑制剂5-氟尿嘧啶，则不达影响淀粉酶的产生。因而认定，淀粉酶淀粉酶的产生是依赖于mRNA的。3.3.2翻译生长素在翻译水平上促进氨基酸合成蛋白质。用生长素处理豌豆上胚轴，不只增加mRNA水平，还能促进氨基酸参加到蛋白质中去，形成纤维素酶。看来，生长素之所以刺激芽鞘延长，与生长素在翻译水平上促进蛋白质合成有密切关系。3.3.3合成由于与生长素合成的蛋白质很多，其中可能有ABPs,尽管目前还没有充分证据表明。但通过对植物激素的研究，人们认为细胞对激素信号的识别是由激素受体完成的，激素与其受体间特异性结合，引起一系列生理和生化变化，从而调节植物的生长和发育。4.参考文献 1 毛丽君 , 林位夫. 植物生长素在农业中的应用. 河北农业科学, 2008, 12 (2) : 80 - 81, 84. 2 吴国辉. 植物生长素的作用机理 J . 农机化研究，2004, (6) : 288. 3 王 忠. 植物生理学 M . 北京: 中国农业出版社，2000. 4 吕 剑, 喻景权. 植物生长素的作用机制 J . 植物生理学通讯， 2004, 40 (5) : 624 - 628. 5 周 索, 庞振凌, 庞发虎, 等. 不同生长素诱导对拟南芥根生长发育的影响 J . 安徽农业科学， 2006, 34 (9) : 1816, 1818. 6 石尧清, 彭成绩. 南方果树生长发育与调控技术 M .北京: 中国农业出版社， 2000. 7 潘瑞炽. 植物生理学 M . 北京: 高等教育出版社，2004. 8 王 倩. 植物生长素生理作用特点的探究 J . 生物学通报， 2004, 39 (10) : 49 51. 9 丁燕芬, 王 岩, 龙春林. 中国兰花组织培养研究进展 J . 安徽农业科学， 2007, 35 ( 8 ) : 2247 - 2248,2250. 10