10 第十二章 GA 1.ppt

1、Auxin activity,Auxins stimulate genes in cells associated with plant growth.,一 GA的发现 Discovery 二 GA结构和分类 Structure and Distribution 三 GA的合成和代谢 Metabolis of Gibberellines 四 GA生理效应 Physiological Effects GA 作用机理 Mechanisms of GA Action,第三节 赤霉素 Gibberellins，GAs,一 赤霉素的发现和种类,赤霉素(gibberellins，GA)，天然生长物质,19

2、26年，日本黑泽英研究水稻植株 徒长的恶苗病(不结子) ；,1935年，日本薮田贞次从水稻恶苗病 菌中分离得到并定名为赤霉素；,1938年，薮田和住木从赤霉菌培养基 的滤液中分离出了两种结晶，定名为 赤霉素A、赤霉素B。,Discovered in association with Foolish disease of rice (Gibberella fujikuroi),Infected感病,Uninfected未感病,1926年，日本黑泽英研究水稻植株徒长的恶苗病；,以发现的先后编码为GA1、GA2、GA3，邻近编码的赤霉素并不意味着它们在化学上或代谢上有什么联系。,1958年，高等植物

3、中第一个赤霉素被分离鉴定，定名为GA1 。,2005年为止，已知的赤霉素类物质有136种。,一 赤霉素的发现 Discovery 二 赤霉素结构和分类 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代谢 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效应 Physiological Effects 赤霉素作用机理 Mechanisms of GA Action,第三节 赤霉素 Gibberellins，GAs,Gibberellin A136,Molecular Weight = 348.4 Molecular formula = C19H24

4、O6 Gibberellin A136 was initially identified in Eriobotrya japonica,二 赤霉素结构和分类,赤霉烷的基本结构,赤霉素是一类双萜酸化合物，基本结构赤霉烷,结构和分类 Structure and Distribution,赤霉素分子中碳原子总数的不同可分为 GA19 和 GA20 两类. GA20 类的生理活性都不高。 由于这两类赤霉素都含有羧基, 所以赤霉素呈酸性, 其中 GA3、GA4、GA7 和 GA14 的生理活性较高。,C19赤霉素,C20赤霉素,3-羟基 ； 7位碳原子上的羧基、 3，13-二羟基或1，2不饱和键是赤霉素

5、具有最高生物活性的特征； 具有2-羟基的赤霉素不具备生物活性； C19-GAs相对生物活性比C20-GAs要高；,活性赤霉素结构特征,生理活性较高,不具备活性,一 赤霉素的发现 Discovery 二 赤霉素结构和分类 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代谢 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效应 Physiological Effects 赤霉素A作用机理 Mechanisms of GA Action,第三节 赤霉素 Gibberellins，GAs,三 赤霉素的合成和代谢 Metabolism of Gibbere

6、llines,赤霉素合成阶段 赤霉素合成器官特异性 赤霉素合成部位和运输 赤霉素合成的调控,前质体,内质网,赤霉素生物合成途径,(GGPP),GA12醛,胞质中,位 置：前质体 关键酶：环化酶 抑制剂:AMO1618; Cycocel, Phosphon D,步骤一 环化反应生成贝壳杉烯,位 置：内质网 关键酶：P450单加氧酶 抑制剂：多效唑 烯效唑,步骤二 氧化反应生成GA12醛,所有GA物质共同前体,位 置：细胞质 关键酶：双加氧酶 抑制剂：Cyclohexanetriones,步骤三 由GA12醛形成所有其它GAx,GA 的生物合成途径,珂巴基焦磷酸,基本的生物异戊二烯单元是异戊烯基焦

7、磷酸 (isopentenyl pyrophosphate or diphosphate, IPP)。绿色组织中GA 合成所用的 IPP 是由三磷酸甘油醛和丙酮酸在质体合成的. 但在富含 GA 的南瓜胚乳中, IPP 是从甲瓦龙酸在细胞质中合成的。 因此, 不同组织中用于 GAs 合成的 IPP 可能来自不同的细胞器。,赤霉素合成器官特异性,高等植物中不同的器官组织、不同发育阶段内起调节作用的赤霉素种类不同，相应的生物合成途径也不尽相同，也就是说。 赤霉素生物活性及其生物合成具有器官特异性。,Le,le,茎的伸长与GA1 的水平密切相关,GA 少,GA 中,GA 高,na an extreme

8、 dwarf Almost no GAs.,ent-kaurene na GA12-aldehyde,GA20 le GA1,Ultratall mutant: Constitutive response mutant.,水稻（日本晴）在不同发育阶段内源赤霉素GA4含量的变化,GA4更多地是在植物的生殖生长中起着调节作用。,早期C13羟化途径合成的GA1主要存在于植物的营养生长阶段和营养器官中，促进茎叶生长； 早期C13非羟化途径合成的GA4主要存在于植物的生殖生长阶段和生殖器官中，促进花果发育和生长。,水稻不同生长阶段活性赤霉素的器官特异性作用示意图,发芽,营养生长,花器官分化,成熟,生殖生

9、长,穗轴,/,节间生长,茎叶生长,/,/,合成最活跃植物器官是发育中的种子和果实；幼芽、幼叶和上部茎节；,茎中合成的赤霉素可以通过韧皮部运输到植株的其他部分,尚没有确切证据说明根系可以合成赤霉素,赤霉素合成部位和运输,成熟叶片的叶肉细胞不能进行贝壳杉烯的合成，但可以进行赤霉素第三步骤的合成，前体就是从茎的分生组织转移而来，在叶片中被转化为活性赤霉素,长日照可能是通过增加GA20ox的活性促进GA1合成的。,赤霉素生物合成的调控,光周期的影响,随着日照长度的增加，茎节逐渐开始伸长，,C13羟化途径,温度影响,茎尖是植物感受低温的部位，推测在茎尖中低温影响组织内赤霉素的代谢来影响茎节伸长和开花等生

10、理反应,- GA， 不冷处理,每天施10gGA3为期一周,冷处理六周,茎尖内积累了大量的贝壳杉烯酸，低温处理之后，贝壳杉烯酸7羟化酶的活性升高，贝壳杉烯酸被转化为GA9，GA9是GA4的直接前体,Expression of a L. temulentum 20-oxidase GA biosynthesis gene. Compared with an 8h short day, LD exposure of the leaf (8h SD extended by 9.5h using incandescent lamps) led to a large increase in gene ex

11、pression. (Semi-quantitative RT PCR assays from Blundell, MacMillan, and King; unpublished).,环境控制,赤霉素生物合成的控制,反馈控制（Feedback control）,wt,gai,反馈控制（Feedback control）,植物体内赤霉素GA1水平的影响因素,赤霉素的代谢,赤霉素的失活主要是2-羟化反应，使活性赤霉素以及活性赤霉素前体不可逆地失去活性。,调节其在植物组织内水平的一个重要手段，赤霉素结合物有储存和运输的功能,赤霉素糖酯,赤霉素糖苷,一 赤霉素的发现 Discovery 二 赤霉素结

12、构和分类 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代谢 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效应 Physiological Effects 赤霉素A作用机理 Mechanisms of GA Action,第三节 赤霉素 Gibberellins，GAs,四 赤霉素的生理效应,1 促进茎的伸长2 调节植物幼态和成熟态之间的转换3 影响花芽分化和性别控制诱导开花4 打破休眠促进萌发 5 其他效应,促进茎的伸长,促进整株植物生长 促进节间的伸长 不存在超最适浓度的抑制作用,用GA处理，能显著促进植株茎的伸长生长，对矮生突变品种的效

13、果特别明显。 GA对离体茎切段的伸长没有明显的促进作用，而IAA对整株植物的生长影响较小，却对离体茎切段的伸长有明显的促进作用。,左为矮生突变体，右为施用GA3植株长高至正常植株的高度,1 促进整株植物生长,对照,100pgGA3,1ngGA3,矮化植物、莲座植物和一些禾本科植物,赤霉素促进禾本科植物茎节的伸长生长效果非常显著，作用的靶组织是茎节的居间分生组织。,对植物根系的生长促进效果很小或者没有,GA 促进矮化水稻的伸长生长 4-day-old rice seedlings were treated with different amounts of GA and allowed to g

14、row for another 5 days.,GA 施用导致短日照下植物茎的伸长及花的发育. 同时, 许多植物的茎的伸长与开花需要通过低温处理, GA 可代替此作用.,GA主要作用于已有节间伸长，不促进节数的增加。导致茎干直径减小、叶片变小、叶色变浅,外源GA1对正常的和矮生（dl）玉米的作用。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,+GA,-GA,-GA,+GA,dwarf,dwarf,wt,wt,2 促进节间的伸长,3 不存在超最适浓度的抑制作用,赤霉素调节植物幼态和成熟态之间的转换,植物种类的不同，外源施用赤霉素可以控制植物在幼态和成熟态之间的转

15、变。,GA3可以诱导常春藤(Hedera helix)从成熟态转变为幼态； GA4+GA7处理可以诱导许多幼态的针叶植物进入成熟态；,赤霉素可以影响花芽分化和性别控制,单子叶，玉米，外源赤霉素对花性别决定的主要作用是抑制雄花发育,双子叶植物上，外源赤霉素会促进雄花的形成，而赤霉素生物合成抑制剂可以促进雌花的发育,对于苹果，外源赤霉素具有促进坐果的作用,打破休眠，促进萌发,GA可以刺激胚芽的营养生长，松弛胚周围的胚乳层细胞，降低对胚生长的压迫；GA可以诱导水解酶的合成，分解种子储存的营养物质。,GA可代替光照和低温打破休眠，需光和需低温萌发的种子，如莴苣、紫苏、李和苹果等的种子， GA催化种子内

16、贮藏物质的降解，供胚的生长发育所需。 在萌发谷类种子中，GA可诱导糊粉层-淀粉酶、蛋白酶产生，加速酿造时的糖化过程，并降低萌芽的呼吸消耗，从而降低成本。,如 0.51 ppm (0.51 g/g) 赤霉素就可打破马铃薯的休眠.,其他效应 * 促进植物的座果和果实生长 在梨、杏、草莓、葡萄及番茄、辣椒上已得到证实; * 引起单性结实; * 延缓衰老; * 对不定根的形成起抑制作用.,GA对葡萄果实生长有促进效应,GA 对无籽葡萄生长有促进效应,一 赤霉素的发现 Discovery 二 赤霉素结构和分类 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代谢 Metaboli

17、sm of Gibberellines 四 赤霉素生理效应 Physiological Effects 赤霉素作用机理 Mechanisms of GA Action,第三节 赤霉素 Gibberellins，GAs,五 GA作用机理 Mechanisms of GA Action,赤霉素诱导淀粉酶的分子机制 赤霉素促进细胞伸长和分裂的机制,赤霉素诱导淀粉酶的分子机制,单子叶禾本科植物（种子的糊粉层是一种高度特化的分泌组织，它的重要功能就是在种子萌发过程中合成并分泌水解酶类，完成这个生理功能后，这部分细胞就开始衰老和死亡。,糊粉层,de novo synthesis vacuoles are

18、indicated (v). The level of calcium corresponding to the colors is in the lower scale. (A) Untreated protoplast. (B) GA-treated protoplast. (C) Protoplast treated with both abscisic acid (ABA) and GA. Abscisic acid opposes the effects of GA in aleurone cells. (From Ritchie and Gilroy 1998.),GA处理糊粉层细

19、胞约1小时后，细胞内cGMP水平有一个瞬时的升高过程，鸟苷酸环化酶（催化GTP形成cGMP的酶）抑制剂会阻抑GA诱导的淀粉酶合成和分泌；外源添加cGMP可以克服这种抑制。 cGMP参与了赤霉素诱导淀粉酶合成和分泌的信号传递过程,cGMP和cAMP，在动植物细胞内起着第二信使的作用,淀粉酶基因表达的调节机制,这些与GA诱导活性密切相关的序列被称为赤霉素响应元件（GARE）。 淀粉酶基因启动子中包含三种GARE：TAACAAA盒、TATCCAC盒和C/TCTTTTC/T盒。 这三个短序列盒构成赤霉素响应复合体，它们在启动子内的位置、顺序和定向在各种谷类植物中是高度保守的。 GARC是实现赤霉素诱导

20、所必须的构造，如果这三个元件任何一个发生了突变，GA3诱导基因表达的能力都会大大降低，所以完全的赤霉素感受能力需要这三个GARE的协同作用。,赤霉素诱导糊粉层细胞淀粉酶合成的分子机理,GA和细胞质膜上的受体结合,G蛋白介导的信号传递系统,活化了既存的活化因子,活化因子和GA-MYB 基因的抑制子结合,合成GA-MYB蛋白,MYB蛋白，淀粉酶基因启动子上的GA响应元件结合,诱导淀粉酶合成,分泌到胚乳中发挥作用,所谓转录因子，就是与基因转录的调控部位结合的蛋白质，或称DNA结合蛋白，起促进或抑制基因转录的作用。,赤霉素促进细胞伸长和分裂的机制,赤霉素促进细胞分裂和细胞伸长 调节居间分生组织细胞的细

21、胞周期,赤霉素不仅促进细胞的伸长生长，而且也促进细胞的分裂。,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23小时（IAA10-15min）。,XET 从分子链内部水解木葡聚糖，并将水解的木葡聚糖片段转移到另外一个木葡聚糖的末端,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XET活性密切相关。诱导XET活性的增加是赤霉素的特异作用。,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。扩张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，GA和IAA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

22、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。,GA通过增加细胞壁伸展促进细胞伸长生长的,GA 调节 IAA 水平GA 与 IAA 的作用有相似之处, 也有不完全相同的地方, 两者之间有密切关系, GA 可以调节 IAA 的水平, 因为 GA 促进合成生长素的前体色氨酸进一步合成生长素;,GA 又能促进蛋白酶活性, 加速蛋白质水解, 积累更多的水解产物色氨酸, 也有利于 IAA 的合成; GA 抑制 IAA 氧化酶活性, 抑制 IAA 的氧化分解; GA 可使体内束缚态 IAA 转变为游离态.,IAA up-reg

23、ulates the transcription of GA 3b-hydroxylase (forming GA1).,0 hr 2 hr 4 hr 6hr 8 hr Con. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA intact,GA 3ox mRNA,inactive,IAA 的存在促进GA 3ox 和阻抑GA 2ox 的转录; 反之则逆转.,调节居间分生组织细胞的细胞周期,air,2d submerged,调节居间分生组织细胞的细胞周期,GA首先诱导细胞的伸长生长，然后诱导细胞进行分裂。GA通过细胞体积的扩大，诱导G2期的分生细胞进入M期，GA诱

24、导细胞分裂是GA促进细胞伸长生长的间接效应。 GA促进水稻居间分生组织细胞从G2期向M期的过渡是因为它促进了其中的CDC2基因的表达，而且还促进了有丝分裂特异的周期素（cyclin）基因的表达。 赤霉素诱导水稻茎节居间分生组织细胞的分裂和CDK系统是具有密切关系。,GA与IAA作用的比较与相互关系,IAA GA 促进细胞分裂 + + 促进细胞伸长 + + 促进整株植物生长 - + 促进愈伤组织形成 + - 促进酶活性 + + 极性运输 + - 顶端优势，抑制腋芽 + - 打破休眠，促进种子萌发 - + 促进某些二年生植物 - + 抽苔开苔 诱导花性别 - + 诱导无籽果实 + +,Figure

25、 3 Following the addition of GA to barley aleurone protoplasts, a multiple-component signaling pathway is initiated. The timing of some of these events is shown. CaM = calmodulin. (After Bethke et al. 1997.),Figure 1 Gibberellin causes elongation of the leaf sheath of rice seedlings, and this response is used in the dwarf rice leaf sheath bioassay. Here, 4-day-old seedlings were treated with increasing amounts of GA3 and allowed to grow for another 5 days. (Courtesy of P. Davies.),Figure 1 The use of specifi