植物激素在茶树生长发育中的调控作用

植物激素在茶树生长发育中的调控作用

植物激素是指只有在植物体内存在的量内，才能调节植物生长发育和植物生长发育。生长素(Auxin)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CK)、脱落酸(ABA)、乙烯(ETH)和油菜素甾醇(BR)是公认的六大植物激素。它们在细胞分裂与伸长、组织与器官分化、开花与结实、成熟与衰老、休眠与萌发、植物形态建成以及离体组织培养等方面具有重要作用。研究植物激素,不仅可以帮助我们了解植物生长发育等诸多生理作用的机理,也可为农业和园艺作物的基因改良和化学调控提供新的思路和手段。茶树作为我国重要的农业经济作物,以采摘幼嫩新梢为主。茶芽的萌发及生长极易受外界环境的影响,这些影响在很大程度上都是通过植物激素直接进行作用的。研究茶树中的植物激素,不但能够帮助理解茶树年生育周期的各种生理变化,而且可以通过适当的农艺措施,对茶树生长与发育进行人工调控。运用激素调控茶树生长发育,是一项有效地开发品种遗传潜力,提高茶树生产力的重要技术资源。随着分子生物学等学科在茶树研究中的发展,从分子水平研究茶树中植物激素将成为新的方向。目前,茶树中ETH合成途径中1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶(ACC氧化酶)基因的全长cDNA;茶树组蛋白H3(CsH3);茶树脂氧合酶(CsLOX1)等这些与植物内源激素相关的基因已相继克隆,同时一些与植物激素相关的转录因子也在研究之中。本文以茶树中植物激素为对象,综述了茶树在营养生长、生殖生长、休眠与萌发阶段植物激素的作用,各种逆境胁迫下内源激素的调控作用,以及茶树外植体繁殖中植物激素的研究应用,并总结了当前其他领域内植物激素研究的成果,提出应用分子生物学手段研究植物激素的调控机理将成为今后茶树植物激素研究的新方向。1植物和器官间的相互作用植物激素作为一种化学信号,在植物生长发育的整个过程中介导细胞与细胞间、器官与器官间、环境与植物间的相互作用。一般认为GA3、吲哚乙酸(IAA)、玉米素(ZT)等属于生长刺激型激素,ABA属于生长抑制型激素。它们通过信号转导,启动或阻遏下游相关基因表达,调控茶树等植物的生长。1.1茶树新梢生长的激素调控茶树的生命周期很长,从种子萌芽、生长、开花、结果、衰老直至死亡,要经历数十年至数百年。茶叶生产主要以年生育期为主,因此在茶树中,主要研究植物激素在年生育期的调节作用。植物的生长受内源激素含量变化的调节,随着植物激素含量的增减,新梢生长呈规律变化。新梢生育过程中IAA含量的“高—低—高”变化规律与新梢生长的“慢—快—慢”节律紧密相关,春、夏、秋三季新梢生育初期的IAA含量均较高,随后下降,生长加速,当夏梢接近成熟形成对夹叶时IAA含量回升,高浓度的IAA可能参与春、夏、秋季生长休止的形成。这与IAA在其他植物中的生理规律相符,即高浓度抑制生长,低浓度则促进生长。这其中可能受激素阈值的控制,其调控机理还有待进一步研究。茶树新梢生育过程中ZT含量先升后降,新梢生长速率与内源ZT含量呈显著的正相关。随着茶树年生长进程,成熟叶片GA3的含量呈现“快速降低—略有上升—下降—快速升高”两度上升、两度下降的变化趋势。IAA、ZT、GA等生长刺激型的激素不仅促进茶芽细胞快速分裂与扩大,还能通过调控营养物质向分生组织部位转移,保证充足的能量供应等作用调控茶树新梢的生长。茶树生理活动是多种激素共同作用的结果,如GA3/ABA、IAA/ABA、ZT/IAA等。新梢部位,高GA3/ABA和ZT/ABA比值是其生长的必要条件。新梢生长旺盛时GA3/ABA、IAA/ABA比值较高,且比值越高生长越快,随着新梢展叶数的增加,IAA/ABA、ZT/ABA、GA3/ABA比值下降,新梢成熟后,激素水平维持稳定;随着上部芽梢的生长,根部IAA/ABA比值越小,根系生长越快,ZT/IAA也表现出同样的生理效应。植物激素在茶树各个部位作用的阈值不同,根的阈值比茎叶的小,因此,微量的植物激素在根部就可以产生明显的效应。不同物候型茶树中内源植物的阈值呈规律性变化。在成熟叶片中,GA3/ABA比值表现为早生种>中生种>晚生种。即使是同种物候型茶树,其内源激素水平在一天中也是变化的。钱利生等研究结果显示,茶树新梢内源激素含量的高峰值均出现在13时左右;促进生长的激素GA3和ZT的含量在清晨和傍晚均较低,而在10~16时较高且较恒定;IAA及其生物合成重要中间物吲哚乙醛(IAAD)含量的日变化与GA3和ZT相似;抑制生长的激素ABA在清晨和傍晚相对较高,而在7时后急剧下降,10时或16时附近均相对较低;一天内GA3和ABA含量的变化幅度较其他激素大。1.2激素调控花芽分化及生殖器官的发育植物开花的“激素平衡假说”认为,花芽分化可由CK/GA平衡来解释,后续研究发现,花芽分化还与CK/IAA、ABA/IAA、ABA/GA、(ZT+IAA)/GA等平衡有密切关系。激素作用于转录翻译水平上,通过对蛋白质或酶的合成与酶的活性来控制调节植物成花。激素平衡变化可导致与成花有关的基因活化、花芽分化。如GA能够下调GASA(gibberellicstimulatedinArabidopsis)基因,该基因能够抑制GA对植物开花和胚萌发的刺激,外源GA处理后其表达降低,GA信号转导中主要抑制元件——DELLA(Asp-Glu-Leu-Leu-Ala)蛋白能够抑制成花等GA作用,GA处理后DELLA降解,表现出GA效应。ZT、GA等刺激型激素调控茶树花芽分化及生殖器官的发育。粟本文等研究结果表明,ZT/GA3、ZT/IAA值可反映茶树营养生长与生殖生长的相互关系,比值大时,茶树趋向生殖生长;相反,则营养生长相对旺盛。因此,ZT可能是茶树生长中调节营养生长向生殖生长转化的重要调节激素。特早生品种白毫早芽叶中ZT含量在花芽分化的4~8月份,以及开花期中均呈逐步上升趋势,其他激素IAA、GA3在花芽分化期较高,花芽分化后降低,而ABA在花芽分化期处于较低水平,且GA3/ABA、GA3/IAA值在花芽分化进入高峰前维持较高水平,花芽分化后降至最低。GA能够激活调控花分化的基因的表达,如SOC1(suppressorofoverexpressionofco1)、LFY(leafy)、FT(floweringlocus)等,同时GA20氧化酶对花期具有重要影响。GA和CK在植物雌雄花分化中具有重要的作用。拟南芥中的研究显示,GA与茉莉酸(JA)协同调控雄蕊发育,GA能够调控有关基因表达合成JA,JA能够诱导MYB(v-mybavianmyeloblastosisviraloncogenehomolog)家族基因表达,MYB21、MYB24、MYB573个基因调控拟南芥花丝的发育。在茶树花器官生长过程中关于植物激素的调控研究未见报道。而研究外施激素调控茶树成花的结果显示,ZT、2,4-D、ABA等能够促进茶树成花,IAA、NAA以及GA3则减少了茶树的成花量,此结果与上述结果存在一定的矛盾,还有待进一步研究。Bhattacharya等对茶籽发育过程中不同阶段的IAA含量研究显示,从胚形成到胚成熟的过程中,胚中的IAA含量先升后降,在成熟时达到最大值;种皮中的IAA含量随着胚成熟度的增加逐渐升高,在胚成熟时也达到最高,然后缓慢降低;种壳中的IAA开始时含量高,随着胚的成熟迅速降低,到茶籽颜色变为棕绿色并有脱水现象时已难以检测到IAA。茶籽属于顽拗型种子,在其成熟后要保持较高水分,其中ABA、ETH等植物激素均与植物脱水有关,但茶树中关于这方面的研究鲜有报道。1.3茶树越冬芽睡眠的生长与激素含量关系在茶树的休眠及解休眠过程中,IAA、ABA、GA、BR等植物激素通过含量的增减来调控休眠与解休眠。Nagar认为内源IAA在茶芽冬季开始休眠和解休眠的过程中起决定性的作用。而潘根生等则认为,高含量ABA及高ABA/GA3与ABA/ZT的比值,是诱发茶树冬季休眠的主要原因,IAA/ABA与IAA/ZT比值低,是茶芽早发的内在激素基础。最近的研究显示,IAA能够通过促进植物休眠前期的生长,从而缩短休眠期的时间。一般认为GA是植物解除休眠的主要调节因子,与ABA形成拮抗的作用。ABA含量锐减,GA3和ZT含量增加是越冬芽萌发的必要条件。研究显示,在11月至翌年1月期间,GA3的平均含量和GA3/ABA值与越冬芽的萌发期呈显著相关,GA3含量第1次上升的时间,呈早生种和早、晚生种较迟的趋势。ABA在越冬期间含量最高,后随新梢的萌发生长而下降;其他生长刺激型激素含量则相反。IAA、GA、CK通过解除或阻遏植物茎间分生组织的相关生长基因的表达,共同参与芽的萌发与生长。激素的存在形式与茶树越冬芽休眠与解休眠过程呈规律性变化。自由态IAA(fIAA)在深度休眠中的含量最低,随着休眠的解除其含量达到最高,与此相反,结合态IAA(cIAA)则在深休眠时达到最高,休眠解除时含量最低;游离态ABA(fABA)与结合态ABA(cABA)互为逆反关系,进入休眠期,fABA保持较高的水平,cABA则维持在很低的水平,随着休眠的解除,fABA水平降低,cABA水平上升,在芽开始萌发时cABA含量比fABA高,且ABA总量也减少;自由态的GA(fGA)在休眠的初期和休眠过程中都保持极低水平,而结合态GA(cGA)在休眠中保持较高水平。在休眠解除过程中fGA增加,而cGA减少,它们随休眠过程此消彼长,相互转化。1.4茶树生长和激素用量的改变及酶系统发育关系喷施外源植物激素对植物生长发育进行调节是一项重要的农艺生产技术。在外源激素的诱导下不仅茶树内源激素发生变化,茶叶中的其他内含物质也发生变化,影响茶树的生长及茶叶品质。α-萘乙酸(NAA)处理后新梢生育初期内源ABA和IAA增加,生长一度受抑制,随后ZT含量上升,生长加速;GA3处理后内源ABA含量降低,IAA减少,但GA3和ZT含量上升,快速生长,并延缓新梢茶芽进入休眠状态;催发素处理后新梢内源IAA、ZT含量降低,促进新梢萌发与生长,提高鲜叶产量。茶树休眠期,叶面喷施适当浓度的水杨酸(SA),可提高茶树叶片的光合作用和保护酶活性,提高茶树的抗寒性。在低温条件下,外施ABA可以提高茶树体内脯氨酸的含量,提高茶树的抗寒能力。植物激素不仅能够影响茶树生长,还使得茶树内含物质发生变化。ABA、GA处理后茶树体内茶多酚含量降低,GA处理还提高了成茶的香气、汤色、滋味和叶底的感官品质。外源激素与内源激素具有协同与拮抗作用,施用外源激素后内源激素也发生相应的变化。但外源激素对内源激素含量的影响是有时间限制的,并未超越新梢生育的自身规律。2诱导下游转录因子逆境胁迫可分为非生物胁迫和生物胁迫两种。当茶树受到各种不利因素胁迫时,茶树通过调控内源激素对逆境作出响应。逆境胁迫下内源植物激素诱导并启动下游转录因子,如AP2乙烯应答元件结合蛋白(AP2/EREBP)、生长素响应因子(ARF)等与启动子结合,调控相关抗性基因的表达。它们能够参与植物防御反应、增强逆境胁迫下植物的抗性、参与植物的生长发育、调节植物体内物质的代谢等。目前,茶树抗性研究主要集中在转录因子的研究中。2.1干旱胁迫对植物抗旱性及抗性的影响茶树受干旱胁迫时,随着叶片的失水进程的不同,在不同耐旱性茶树中,IAA/ABA比值随干旱胁迫的持续而下降,耐旱性较强的福鼎白毫下降幅度较紫笋大,ZT/ABA比值在胁迫过程中不断降低,其比值福鼎白毫<紫笋,这与茶树品种的耐旱强弱相一致。ABA含量增加能够激活Ca2+等通道关闭气孔,减少水分散失,增加叶片细胞可溶性蛋白质含量,诱导生物膜系统保护酶形成,降低膜脂过氧化程度保护膜结构的完整性,增强植物逆境胁迫下的抗氧化能力,同时可诱导一些抗性基因表达,提高植物的抗性。根系合成的ABA对干旱胁迫时根系生长有促进作用,促进侧根生长,提高植物的吸水能力;干旱期间木质部的ABA来自根系,干旱严重时部分来自叶片,增强了抗旱性。干旱胁迫开始时,以亚精胺为主的植物内源多胺类物质也增加,在水分胁迫时具有特殊的的功能,增强植物的抗旱和抗盐害能力,但控制多胺类合成的基因受ABA调控。温度是限制植物生长的主要因素之一,对植物的生长发育具有重要作用。在高温或低温逆境胁迫下,植物体内的胁迫激素,如ABA、SA、多胺类等激素类的含量都增加,提高植物的抗逆性,同时,IAA、GA等植物生长促进激素的含量则降低。低温胁迫时,ABA可诱导植物渗透调剂物质,如脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增高以增加细胞膜的稳定性;提高植物体内保护酶的活性,降低膜脂过氧化程度,保护膜结构的完整性,增强植物抗低温能力。SA可以减轻高温对植物生长的胁迫。而多胺类则可以提高植物的抗冻能力,在低温下,多胺合成过程中第1个关键酶——精氨酸脱羧酶(ADC1)基因过表达增强了拟南芥的抗冻性。植物机械损伤后,体内多种激素会共同作用抵御外界的伤害,生长刺激型激素合成速度加快,含量增加,加快细胞分化生长,更新受伤细胞;生长抑制型激素也会增加,以提高植物抗性。早春轻修剪使IAA水平下降,ABA/IAA比值提高,ZT/ABA比值下降,对新梢激素有调节平衡作用。IAA在生长旺盛的部位合成,早春轻修剪除去了嫩枝,减少了IAA得来源,使得IAA水平降低。茶树生长周期中,茶芽采摘和茶树修剪均会引起茶树体内激素含量的变化。茶树在其他胁迫条件下(如洪涝灾害、盐碱化、强光照等),同样会通过植物内源激素的变化,对茶树抗性产生调控作用,但这方面的研究国内外鲜有报道。除此以外,对另一种与逆境相关的激素——ETH也未见报道。2.2不同植物中植物的免疫活性ABA、GA、CK、油菜素内酯(BR)和肽类等激素具有调控植物防御信号途径的功能,在植物受到病虫害时,它们对植物的防御反应起调节作用。茶树在受到茶尺蠖等害虫咬伤后,会产生多种挥发性物质,其中主要有脂肪醇、醛、酯类化合物,萜烯类化合物和杂环化合物等组分,其中多种植物激素都属于这些化合物。外源JA和茉莉酸甲酯(MeJA)诱导植物产生的挥发性有机化合物可以引诱寄生性天敌和捕食性天敌。植物在遭受昆虫取食后可通过降低气孔扩散阻力而提高光合作用,这是因为剩余叶片的CK含量增加,有效地促进气孔开放,抑制气孔关闭。加上地上部分遭受损失后,叶对根源CK的相互竞争减少,从而相对增加CK的供应。Engelbrecht等发现潜叶蝇取食蚕豆叶肉细胞后,可在其叶中形成潜道,潜道附近叶肉细胞具有较强的光合性能,他们检测到该部位叶中CK含量比其他正常叶片组织中高20倍。多种植物受到非亲和病原物或无毒病原物侵染后产生过敏反应(HR),发生HR的部位内SA水平显著升高,并表达一些防卫相关蛋白;不仅被侵染部位,植株的非侵染部位SA水平也升高,部分防卫相关蛋白也被诱导表达,当植物再次受到同种病原物或其他病原物侵染时,表现出抗性增强,即植物不仅产生了局部获得性抗性(LAR),而且具有了系统获得性抗性(SAR)。病原菌侵染植物后,ETH生产量迅速增加,ACC合成酶的活性增加,加入ETH吸收剂能明显阻止真菌的侵染,降低ACC合成酶活性增加。我国茶区分布广泛,茶园遭受干旱、温度及病虫害等胁迫较严重。特别是近几年各种极端天气频发,严重影响了茶叶生产,成为制约我国茶产业健康发展的主要因素之一。茶树抗性研究一直都是茶叶研究的重点,取得了一定的成绩,但从植物内源激素着手研究其抗性调控机理不失为一条有效途径。3离体咖啡碱的合成茶树组织培养技术的研究起源于20世纪60年代末,英国剑桥大学以茶树幼茎小块为材料研究了离体咖啡碱的合成。利用组织培养方式,实现茶树快繁,提高繁殖系数,并能最大限度地保持品种的遗传稳定性。在茶树组织培养中,研究植物激素的合理运用,有助于实现茶树组织培养快速繁殖工厂化育苗技术的商业化推广。3.1诱导叶片分化激素是愈伤组织形成、发育以及组织分化等的主要调节物质。常用生长调节物质对茶愈伤组织诱导的作用大小依次为:2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、6-苄氨基腺嘌呤(6-BA)、NAA。当6-BA为2~10mg/L时,茶树的愈伤组织分化随浓度的增加而增加。花药组培过程中,提高2,4-D的浓度,能有效提高花药愈伤组织的诱导率,但对单倍体花粉植株的诱导分化不利。Mondal等的研究显示,在无激素的培养基中单独使用低含量(1~100000pmol/L)的脱叶灵(TDZ),可以诱导茎尖增殖并保持高的增殖率。而高浓度(1~10µmol/L)的6-苄氨基嘌呤(BAP)能诱导茎尖的组织分化,但BAP需结合NAA或者IBA一起使用才能起作用。TDZ处理外植体,即使在生长初期也可产生健康的分化芽和健壮的叶片。在液体培养基中以6-苄基腺嘌呤(BA)代替TDZ也可诱导提高分化率,促进芽的生长,但液体培养基中BA易被降解导致芽褐化和坏死。生长刺激型激素在茶树组织培养中诱导组织分化,而研究显示ABA也具有诱导分化的作用。在茶树组织培养中,于心形胚期用5.0mg/L的ABA处理,能够提高体细胞胚的形成。有研究显示,2,4-D、NAA、速效生根灵(市售)3种生根激素均能促进短穗生根,其中NAA效果最理想,速效生根灵最差。吲哚丁酸(IBA)也能诱导愈伤组织生根。IBA短时浸蘸后,促进发根,生根率可达60%,小苗的成活率也得到提高。3.2茶树幼胚的诱导由于不同器官的激素水平不同,对外源生长调节物质的敏感度也不同,所以不同品种和不同类型的外植体对不同的生长调节剂及其配比反应也不同。当CK/IAA比值高时可诱导芽的分化,比值低时诱导根的分化。各种激素组合及含量对组培调控的效果整理于表1。Ponsamuel等在培养基中添加1µmol/L生长素类,如:NAA、萘氧乙酸(NOA)、2,4-D、四苯硼(TPB)和苯硼酸(PBOA),结合0.5µmol/L细胞分裂素[BA或激动素(KIN)]或10%椰乳,可诱导体细胞胚分化。使用PBOA+BA或者PBOA+KIN处理,可获得最高体细胞胚诱导率。在对茶树幼胚进行培养时,其萌发需要有一定量的生长素的刺激,较强烈的细胞分裂素作用对茶树幼胚的萌发有抑制作用,所使用的激素种类对于胚的再生途径有较大的影响。张亚萍等对不同茶树品种的组织培养进行研究后表明,含6-BA2~10mg/L、NAA0.5mg/L或2,4-D5mg/L均能诱导昌宁大叶种和云抗10号的嫩茎茎段为外植体产生愈伤组织。而谭和平等,在培养福鼎大白茶、蒙山9号、蒙山11号和名山131腋芽的过程中,筛选出了适宜各参试品种的培养基为:1/2MS+BA2mg/L+IAA1.5mg/L+水解酪蛋白(CH)500mg/L。激素组合通用性只有在亲缘关系较近的茶树中适用,这可能是由于亲缘关系较近的品种间遗传差异小,它们在内含成分及生理生化方面相近,对于这方面的原因还有待从分子生物学角度进行验证。4植物激素信号转换抑制剂近年来,采用生物化学、遗传学和分子生物学相结合的研究手段,主要以拟南芥、番茄和烟草等为材料,在植物激素受体的分离鉴定和作用机理方面的研究取得了很大进展。当前六大类植物激素在植物体内的合成及调控路径已基本明确,克隆了与合成相关的多种酶的基因;在植物激素信号转导中,各主要激素的信号通路大致明确,特别是激素受体的发现,大大推进了激素信号传导的研究。自20世纪90年代末至今,各大植物激素受体相继被发现。2005年Dharmasiri和Kepiski证明TIR1(transportinhibitorresponse1)是auxin的受体,它是由TIR1基因编码的一种F-box蛋白,含有594个氨基酸残基,由N端的1个F-box模式、1段短的约40个氨基酸残基的间隔区域、16个简并的LRRs和1个C端约70个氨基酸残基的尾巴构成,其中N端的75个氨基酸是TIR1同IAA结合所必需的。TAN等在2007年阐明并建立第1个植物激素信号感受与转导的模型。2005年,Ueguchi-tanaka等在水稻中鉴定了1种GA不敏感的矮化突变体gid1(gibberellinsinsensitivedwarf1),分离出4个突变体基因,并证明GID1是GA的受体。后来在拟南芥中也鉴定出3种GA的受体基因,AtGID1a、AtGID1b和AtGID1c。随着GA受体的鉴定和分离,其结构以及受体与GA、DELLA结合时的结构变化得到了深入的认识。这些都为研究GA信号传递的分子基础提供了一个全新的视角。在拟南芥中,已证明3个组氨酸激酶是细胞分裂素的受体,它们是AHK2(arabidopsishistidinekinases2)、AHK3和AHK4。迄今从植物中分离鉴定出5个ETH受体,分别是ETR1(ethylenereceptor1)、ETR2、ERS1(ethyleneresponsesensor1)、ERS2和EIN4(ethyleneinsensitive4),它们在结构上与细菌和真菌中存在的双元组分系统类似。对于ABA受体的研究开始以为FCA(floweringtimecontrol)是ABA的一个受体,但后来被否定。近年又有新的发现,普遍认为PYR(pyrabactinresistant)/PYL(PYR-like)/RCAR(regulatorycomponentofABAreceptor1)家族蛋白是ABA的受体。Li等认为BAK1(BRI1associatedreceptorkinase1)是BR信号传递的元件之一。后来利用酵母双杂交时BKA1与BRI1(brassinosteroidinsensitive1)的相互作用鉴定出了BRI1是BR的一个重要的受体。而茉莉酮酸酯的受体是一个包括COI1(coronatineinsensitive1)和JAZ(jasmonateZIM-domain)的复合体。植物激素受体的发现及结构功能的解析,使多种植物激素信号转导通路得以完善,并证实很多