[理化生]高中生物 第八章 植物生長物質(zhì)

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1、 第八章 植物生長物質(zhì) 一、教學(xué)時數(shù) 計劃教學(xué)時數(shù) 16 學(xué)時，其中理論課12學(xué)時，實驗課 4 學(xué)時。 二、教學(xué)大綱基本要求 了解植物生長物質(zhì)、植物激素、植物生長調(diào)節(jié)劑、極性運輸、生長素的“二重作用”及乙烯的“三重反應(yīng)”、偏上生長、激素受體等基本概念；了解植物生長物質(zhì)的種類、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；掌握研究植物生長物質(zhì)的方法；了解植物激素在植物體內(nèi)的分布與運輸?shù)幕咎卣鳎涣私庵参锛に氐陌l(fā)現(xiàn)過程和作用機理；熟知植物激素和植物生長調(diào)節(jié)劑各自的主要生理效應(yīng)；了解植物激素間的相互關(guān)系；掌握植物生長物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用技術(shù)及注意事項。 三、教學(xué)重點和難點 （一）重點 1 ．植物生長

2、物質(zhì)、植物激素、植物生長調(diào)節(jié)劑的基本概念。 2 ．生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯、油菜素內(nèi)脂、茉莉酸甲酯等植物激素的基本結(jié)構(gòu)和主要生理作用。 3 ．生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯在植物體內(nèi)的生物合成和運輸。 4 ．植物生長調(diào)節(jié)劑種類及其在生產(chǎn)上的應(yīng)用。 （二）難點 1．植物激素作用機理。 2．植物激素的相互作用。 3．研究植物生長物質(zhì)的方法。植物的正常生長發(fā)育，不但需要水分、礦質(zhì)元素和有機物的供應(yīng)，而且還需要一類微量的具有特殊作用的生長物質(zhì)來調(diào)節(jié)與控制植物體內(nèi)的各種代謝過程，以適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化。 第一節(jié) 植物生長物質(zhì)的概念和種類

3、 植物生長物質(zhì)(plant growth substances)是指植物激素、植物生長調(diào)節(jié)劑和植物體內(nèi)其他調(diào)節(jié)植物生長的微量有機物。 植物激素(plant hormones或phytohormones)是指在植物體內(nèi)合成的、通常從合成部位運往作用部位、對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著調(diào)節(jié)作用的微量有機物質(zhì)。植物激素這個名詞最初是從動物激素衍用過來的。植物激素與動物激素有某些相似之處，然而它們的作用方式和 54 用心 愛心 專心 生理效應(yīng)卻差異顯著。例如，動物激素的專一性很強，并有產(chǎn)生某激素的特殊腺體和確定的"靶"器官，表現(xiàn)出單一的生理效應(yīng)。而植物沒有產(chǎn)生激素的特殊腺體，也沒有明

4、顯的"靶"器官。植物激素可在植物體的任何部位起作用，且同一激素有多種不同的生理效應(yīng)，不同種激素之間還有相互促進(jìn)或相互拮抗的作用。植物激素的研究可以追溯到1758年D.du.Monceau所發(fā)現(xiàn)的木本植物莖的環(huán)割區(qū)上方的凸起部位會形成根這一現(xiàn)象。為解釋該現(xiàn)象，J.Sachs于1860年提出，植物中存在特定的器官形成的物質(zhì)。然而，植物激素研究的真正開端源于C.Darwin（1880）所作的向光性性實驗，約半個世紀(jì)后，H.Fitting正式將“激素”一詞引入植物生理學(xué)知識中。 到目前為止，有五大類植物激素得到大家公認(rèn)，它們分別是：生長素類、赤霉素類、細(xì)胞分裂素類、脫落酸和乙烯。人們習(xí)慣上稱為五大

5、植物激素。近年來，人們在植物體內(nèi)還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它一些對生長發(fā)育有調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)。如油菜花粉中的油菜素內(nèi)酯，苜蓿中的三十烷醇，菊芋葉中的菊芋素(heliangint)，半支蓮葉中的半支蓮醛(potulai)，羅漢松中的羅漢松內(nèi)酯(podolactone)，月光花葉中的月光花素(colonyctin)，還有廣泛存在的多胺類化合物等都能調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。此外，還有一些天然的生長抑制物質(zhì)，如植物各器官中都存在的茉莉酸、茉莉酸甲酯、酚類物質(zhì)中的酚酸和肉桂酸族以及苯醌中的胡桃醌等。這些物質(zhì)雖然還沒被公認(rèn)為植物激素，但在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的過程中起著不可忽視的作用。 植物體內(nèi)激素的含量甚微，7 000～

6、10 000株玉米幼苗頂端只含有1μg生長素；1kg向日葵鮮葉中的玉米素(一種細(xì)胞分裂素)約為5～9μg。 植物生長調(diào)節(jié)劑(plant growth regulators)是指人工合成的或從微生物中提取的具有類似植物激素有生理活性的物質(zhì)。這類物質(zhì)能作低濃度下對植物的生長發(fā)育表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)或者抑制作用，包括生長促進(jìn)劑、生長抑制劑、生長延緩劑等，其中有一些分子結(jié)構(gòu)和生理效應(yīng)與植物激素類似的有機化合物，如吲哚丙酸、吲哚丁酸等；還有一些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與植物激素差別較大，但是具有類似的生理效應(yīng)，如萘乙酸、矮壯素、乙烯利等。植物生長調(diào)節(jié)劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于促進(jìn)種子萌發(fā)，促進(jìn)插條生根、促進(jìn)開花、疏花疏果、促進(jìn)

7、結(jié)實、促進(jìn)果實成熟、延緩植物衰老和防除雜草等方面，發(fā)揮了巨大的作用。 第二節(jié) 生長素類 一、 生長素的發(fā)現(xiàn)和種類 生長素（auxin，AUX）是最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素，它的發(fā)現(xiàn)史可追溯到1872年波蘭園藝學(xué)家西斯勒克（Ciesielski）對根尖的伸長與向地彎曲的研究。他發(fā)現(xiàn)，置于水平方向的根因重力影響而彎曲生長，根對重力的感應(yīng)部分在根尖，而彎曲主要發(fā)生在伸長區(qū)。他認(rèn)為可能有一種從根尖向基部傳導(dǎo)的剌激性物質(zhì)使根的伸長區(qū)在上下兩側(cè)發(fā)生不均勻的生長。同時代的英國科學(xué)家達(dá)爾文父子（C.Darwin和F.Darwin）利用金絲雀艸鬲鳥草（Phalaris canariensis）胚芽鞘進(jìn)行

8、向光性實驗，發(fā)現(xiàn)在單方向光照射下，胚芽鞘向光彎曲；如果切去胚芽鞘的尖端或在尖端套以錫箔小帽，單側(cè)光照便不會使胚芽鞘向光彎曲；如果單側(cè)光線只照射胚芽鞘尖端而不照射胚芽鞘下部，胚芽鞘還是會向光彎曲(圖8-1A)。他們在1880年出版的《The Power of Movement in Plants》一書中指出：胚芽鞘產(chǎn)生向光彎曲是由于幼苗在單側(cè)光照下產(chǎn)生某種影響，并將這種影響從上部傳到下部，造成背光面和向光面生長速度不同。1910年，博伊森詹森（Boyse-Jensen）在向光或背光的胚芽鞘一面插入不透物質(zhì)的云母片，他們發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)云母片放入背光面時，向光性才受到阻礙。如在切下的胚芽鞘尖和胚芽鞘切

9、口間放上一明膠薄片，其向光性仍能發(fā)生(圖8-1B)。1919年，帕爾（Paál）發(fā)現(xiàn)，將燕麥胚芽鞘尖切下，把它放在切口的一邊，即使不照光，胚芽鞘也會向一邊彎曲(圖8-1C)。荷蘭的溫特(F.W.Went，1926)把燕麥胚芽鞘尖端切下，放在瓊膠薄片上，約1小時后，移去芽鞘尖端，將瓊膠切成小塊，然后把這些瓊膠小塊放在去頂胚芽鞘一側(cè)，置于暗中，胚芽鞘就會向放瓊膠的對側(cè)彎曲(圖8-1D)。如果放純瓊膠塊，則不彎曲，這證明促進(jìn)生長的影響可從鞘尖傳到瓊膠，再傳到去頂胚芽鞘，這種影響與某種促進(jìn)生長的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)，溫特將這種物質(zhì)稱為生長素。根據(jù)這個原理，他創(chuàng)立了植物激素的一種生物測定法——燕麥試法（aven

10、a test），即用低濃度的生長素處理燕麥芽鞘的一側(cè)，引起這一側(cè)的生長速度加快，而向另一側(cè)彎曲，其彎曲度與所用的生長素濃度在一定范圍內(nèi)成正比，以此定量測定生長素含量，推動了植物激素的研究 圖8-1 導(dǎo)致生長素發(fā)現(xiàn)的實驗 Went的研究促進(jìn)了活性物質(zhì)的提取工作，1934年，科戈(Kogl)等人從人尿、根霉、麥芽中分離和純化了一種刺激生長的物質(zhì)，經(jīng)鑒定為吲哚乙酸（indole-3-acetic acid,IAA），C10H9O2N，分子量為175.19，從此IAA就成了生長素的代號。除IAA外，還在大麥、番茄、煙草及玉米等植物中先后發(fā)現(xiàn)苯乙酸（phenylactic acid,PAA）、4-氯

11、-吲哚-乙酸(4-chloroindole-3-acetic acid，4-Cl-IAA)及吲哚丁酸(indole-3-butyric cid,IBA)等天然化合物，它們都不同程度的具有類似于生長素的生理活性。以后人工合成了多種生長素類的植物生長調(diào)節(jié)劑，如2，4-D、萘乙酸等。 圖 8-2 具有生長素活性的生長物質(zhì)(A)和抗生長素類物質(zhì)(B) 二、生長素的分布與運輸 （一）分布 植物體內(nèi)生長素的含量很低，一般每克鮮重為10～100ng。各種器官中都有生長素的分布，但較集中在生長旺盛的部位，如正在生長的莖尖和根尖，正在展開的葉片、胚、幼嫩的果實和種子，禾谷類的居間分生組織等，衰老的

12、組織或器官中生長素的含量則更少。寄生和共生的微生物也可產(chǎn)生生長素，并影響寄主的生長。如豆科植物根瘤的形成就與根瘤菌產(chǎn)生的生長素有關(guān)，其它一些植物腫瘤的形成也與能產(chǎn)生生長素的病原菌的入侵有關(guān)。 生長素在植物組織內(nèi)呈現(xiàn)不同的化學(xué)狀態(tài)，人們把易于從各種溶劑中提取的生長素稱為自由生長素或者游離生長素（free anxin），把通過酶解、水解或者自溶作用從束縛狀態(tài)釋放出來的那部分生長素稱為束縛生長素或者結(jié)合生長素（bound auxin）。自由生長素具有活性，而束縛生長素則沒有活性。在一定條件下，兩者之間可以互相轉(zhuǎn)變。束縛生長素在植物體內(nèi)具有貯存生長素、促進(jìn)生長素運輸、調(diào)節(jié)生長素含量以及解除過量生

13、長素對植物的危害等多種作用。 天然生長素類 吲哚-3-乙酸（IAA） 吲哚-3-丁酸（IBA） 4-氯－吲哚-3-乙酸（IAA） 苯乙酸（PAA） 化學(xué)合成生長素類 萘乙酸（NAA） 2-甲基氧-3,6-苯-3,6-苯甲酸 2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D） 2,4,5-三氯苯氧乙酸（2,4,5-T） 圖8－2 一些天然和化學(xué)

14、合成的生長素類結(jié)構(gòu) （二）運輸 在高等植物體內(nèi)，生長素的運輸存在兩種方式，一種是通過韌皮部運輸，運輸方向取決于兩端有機物濃度差；另一種是僅局限于胚芽鞘、幼根、幼芽的薄壁細(xì)胞之間的短距離單方向的極性運輸（polar transport）。 生長素的極性運輸是指生長素只能從植物體的形態(tài)學(xué)上端向下端運輸。如圖8-3所示，把含有生長素的瓊脂小塊放在一段切頭去尾的燕麥胚芽鞘的形態(tài)學(xué)上端，把另一塊不含生長素的瓊脂小塊放在下端，一段時間后，下端的瓊脂中即含有生長素。但是，如果把這一段胚芽鞘顛倒過來，把形態(tài)學(xué)的下端向下，做同樣的實驗，生長素就不向下運輸。 圖8-3 生長素的極性運輸 生長

15、素的極性運輸是一種可以逆濃度梯度的主動運輸過程，其運輸速度比物理的擴散速度約大10倍。在缺氧的條件下會嚴(yán)重地阻礙生長素的運輸，一些化合物如2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA）和萘基鄰氨甲酰苯甲酸（NPA）能抑制生長素的極性運輸（圖8-4）。 2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA） 萘基鄰氨甲酰苯甲酸（NPA） 圖8-4 兩種抑制生長素極性運輸?shù)幕衔? 生長素的極性運輸與植物的發(fā)育有密切的關(guān)系，如扦插枝條不定根形成時的極性和頂芽產(chǎn)生的生長素向基運輸所形成的頂端優(yōu)勢等。對植物莖尖用人工合成的生長素處理時，生長素在植物體內(nèi)的運輸也是

16、極性。 人工合成的生長素類的化學(xué)物質(zhì)，在植物體內(nèi)也表現(xiàn)出極性運輸，且活性越強，極性運輸也越強。如α-萘乙酸(α-naphthalene acetic acid,α-NAA)具有類似生長素的活性，從而也具有極性運輸?shù)男再|(zhì)，而β-萘乙酸(β-NAA)無活性，因此也不表現(xiàn)出極性運輸。又如2，4，5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid,2，4，5-T)的活性比2，4，6-三氯苯氧乙酸(2，4，6-T)的強，所以其運輸?shù)臉O性也要強得多。 關(guān)于生長素極性運輸?shù)臋C制，Goldsmith（1977）提出化學(xué)滲透擴散假說（chemiosmotic polar d

17、iffusion hypothesis）來解釋這種現(xiàn)象。如圖8-5所示，該假說認(rèn)為：位于某個細(xì)胞基部的IAA載體從細(xì)胞內(nèi)單向輸出IAA－，IAA－進(jìn)入細(xì)胞壁空間后即被質(zhì)子化為IAAH，IAAH擴散通過細(xì)胞壁，順著其濃度梯度進(jìn)入其下部相鄰的細(xì)胞內(nèi)。在下部細(xì)胞內(nèi)部，由IAAH脫質(zhì)子化產(chǎn)生的IAA－通過擴散或者由細(xì)胞質(zhì)流輸送至該細(xì)胞的基部，再一次被該細(xì)胞基部的IAA載體輸送到細(xì)胞壁空間。按此規(guī)律，IAA順序通過縱向排列的細(xì)胞柱向形態(tài)學(xué)下端運輸。在此過程中，位于質(zhì)膜上的H+－ATPase不斷地將H＋在胞內(nèi)泵出，以防止H＋在胞內(nèi)積累，并維持細(xì)胞壁酸性環(huán)境和適宜的跨膜電勢。 三、生長素的代謝 （一）

18、生長素的生物合成 在多數(shù)高等植物中，IAA的合成通常認(rèn)為生長素是由色氨酸(tryptophan)轉(zhuǎn)變來的。色氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯L素時，其側(cè)鏈要經(jīng)過轉(zhuǎn)氨、脫羧、氧化等反應(yīng)，其合成的途徑如圖7-6所示，有以下幾條支路。 此外，近年來，還發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌中存在經(jīng)吲哚－3－乙酰胺（IMA）水解也可以生成IAA的途徑以及某些植物中存在吲哚－3－乙腈水解生產(chǎn)IAA的途徑等。 （二）生長素的結(jié)合與降解 植物體內(nèi)具活性的生長素濃度一般都保持在最適范圍內(nèi)，對于多余的生長素(IAA)，植物一般是通過結(jié)合(鈍化)和降解進(jìn)行自動調(diào)控的。 1、 束縛型和游離型生長素 植物體內(nèi)的IAA可與細(xì)胞內(nèi)的糖、氨基酸等結(jié)合而形

19、成束縛型生長素(bound auxin)，反之，沒有與其他分子以共價鍵結(jié)合的易從植物中提取的生長素叫游離型生長素(free auxin)。束縛型生長素是生長素的貯藏或鈍化形式，約占組織中生長素總量的50%～90%。束縛型生長素?zé)o生理活性，在植物體內(nèi)的運輸也沒有極性，當(dāng)束縛型生長素再度水解成游離型生長素時，又表現(xiàn)出生物活性和極性運輸。 圖8－5 生長素的化學(xué)滲透極性擴散假說 2、生長素的降解 吲哚乙酸的降解有兩條途徑，即酶氧化降解和光氧化降解。酶氧化降解是IAA的主要降解過程，生長素的酶促降解可以分為脫羧降解和不脫羧降解兩種類型（圖8－7）。脫羧降解途徑主要通過吲哚乙酸氧化酶

20、的作用(IAA oxidase)將IAA氧化稱為CO2和3-亞甲基羥吲哚。IAA氧化酶是一種含F(xiàn)e的血紅蛋白。IAA的酶促氧化包括釋放CO2和消耗等摩爾的O2。IAA氧化酶的活性需要兩個輔助因子，即Mn2+和一元酚化合物，鄰二酚則起抑制作用。植物體內(nèi)天然的IAA氧化酶輔助因子有對香豆酸、4-羥苯甲酸和堪菲醇等；抑制劑有咖啡酸、綠原酸、兒茶酚和櫟精等。IAA氧化酶在植物體內(nèi)的分布與生長速度有關(guān)。一般生長旺盛的部位IAA氧化酶的含量比老組織中少，而莖中又常比根中少。不脫羧降解途徑中，降解物仍然保留IAA側(cè)鏈的兩個碳原子，如，羥吲哚－3－乙酸和二羥吲哚－3－乙酸等 ① ② ④ ⑤ ③

21、 ⑥ ⑦ ⑧ 吲哚－3－丙酮酸 吲哚－3－乳酸 吲哚－3－乙酰－肌醇 吲哚－3－乙酸（IAA） 吲哚－3－乙醇 吲哚－3－乙醛 色胺 色胺酸 ① 色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶；② 吲哚－3－丙酮酸脫羧酶；③ 吲哚－3－乙醛脫氫酶；④色氨酸脫羧酶； ⑤胺氧化酶；⑥ 吲哚－3－乙醛氧化脫氫酶；⑦ 乳酸脫氫酶；⑧ 吲哚－3－乙酰－肌醇裂解酶 圖 8－6 IAA的生物合成途徑 IAA的光氧化產(chǎn)物和酶氧化產(chǎn)物相同，都為亞甲基氧代吲哚(及其衍生物)和吲哚醛。IAA的光氧化過程需要相對較大的光劑量。在配制IAA水溶液或從植物體提取IAA時要注意光氧化問題。水溶液中的IAA照

22、光后很快分解，在有天然色素(可能是核黃素或紫黃質(zhì))或合成色素存在的情況下，其光氧化作用將大大加速。這種情況表明，在自然條件下很可能是植物體內(nèi)的色素吸收光能促進(jìn)了IAA的氧化。 在田間對植物施用IAA時，上述兩種降解過程能同時發(fā)生。而人工合成的生長素類物質(zhì)，如α-NAA和2，4-D等則不受吲哚乙酸氧化酶的降解作用，能在植物體內(nèi)保留較長時間，比外用IAA有較大的穩(wěn)定性。所以，在大田中一般不用IAA而施用人工合成的生長素類調(diào)節(jié)劑。 圖8－7 IAA的酶促降解途徑 A. 脫羧途徑；B.非脫羧途徑 （三）生長素代謝的調(diào)節(jié) 植物體內(nèi)的生長素通常都處于比較適宜的濃度，以保持植物體在不

23、同發(fā)育階段對生長素的需要。 束縛型生長素在植物體內(nèi)的作用可能有下列幾個方面：①作為貯藏形式。吲哚乙酸與葡萄糖形成吲哚乙酰葡萄糖(indole acetyl glucose)，在適當(dāng)時釋放出游離型生長素。②作為運輸形式。吲哚乙酸與肌醇形成吲哚乙酰肌醇(indole acetyl inositol)貯存于種子中，發(fā)芽時，吲哚乙酰肌醇比吲哚乙酸更易運輸?shù)降厣喜?。③解毒作用。游離型生長素過多時，往往對植物產(chǎn)生毒害。吲哚乙酸和天門冬氨酸結(jié)合成的吲哚乙酰天冬氨酸(indoleacetyl aspartic acid)通常是在生長素積累過多時形成，它具有解毒功能。④防止氧化。游離型生長素易被氧化，如易被吲

24、哚乙酸氧化酶氧化，而束縛型生長素穩(wěn)定，不易被氧化。⑤調(diào)節(jié)游離型生長素含量。根據(jù)植物體對游離型生長素的需要程度，束縛型生長素與束縛物分解或結(jié)合，使植物體內(nèi)游離生長素呈穩(wěn)衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)到一個適合生長的水平。 生長素的代謝受其它植物激素調(diào)節(jié)。如細(xì)胞分裂素可以抑制生長素與氨基酸的結(jié)合，也可通過影響IAA氧化酶活性，從而影響生長素在體內(nèi)的含量。赤霉素處理往往可增加植物IAA的含量。 酚類化合物可能抑制IAA與氨基酸的結(jié)合，影響IAA側(cè)鏈的氧化進(jìn)程，并可抑制IAA的極性運輸，使IAA在體內(nèi)的分布受到影響。 總之，生長素的含量由多種因素所調(diào)控。諾曼利(Normanly)等(1995)提出植物細(xì)胞中I

25、AA水平的影響因素如下（圖8－8）： ? 依賴色氨酸的生物合成 不依賴色氨酸的生物合成 ? 運 輸 IAA 束縛型生長素 ? 生理效應(yīng) 氧化脫羧 圖8－8 植物體內(nèi)IAA總量的調(diào)控方式 四、生長素的作用機理 生長素最明顯的生理效應(yīng)是促進(jìn)細(xì)胞的伸長生長。用生長素處理莖切段后，細(xì)胞伸長、細(xì)胞壁有新物質(zhì)的合成，原生質(zhì)的量也增加。由于植物細(xì)胞周圍有一個半剛性的細(xì)胞壁，所以生長素處

26、理后所引起細(xì)胞的生長必然包含了細(xì)胞壁的松馳和新物質(zhì)的合成。對生長素的作用機理前人先后提出了“酸生長理論”和“基因活化學(xué)說”。 （一）酸生長理論 雷(P.M.Ray)將燕麥胚芽鞘切段放入一定濃度生長素的溶液中，發(fā)現(xiàn)10～15min后切段開始迅速伸長，同時介質(zhì)的pH下降，細(xì)胞壁的可塑性增加。將切段放入含IAA的pH4的緩沖溶液中，切段也表現(xiàn)出伸長；如將切段轉(zhuǎn)入含IAA的pH7的緩沖溶液中，則切段的伸長停止；若再轉(zhuǎn)入含IAA的pH4的緩沖溶液中，則切段重新伸長。將胚芽鞘切段放入不含IAA的pH3.2～3.5的緩沖溶液中，則1min后可檢測出切段的伸長，且細(xì)胞壁的可塑性也增加；如將切段轉(zhuǎn)入pH7

27、的緩沖溶液中，則切段的伸長停止；若再轉(zhuǎn)入pH3.2～3.5的緩沖溶液中，則切段重新表現(xiàn)出伸長(表8-1)。 8－1 基于上述結(jié)果，雷利和克萊蘭(Rayle and Cleland)于1970年提出了生長素作用機理的酸生長理論(acid growth theory)。其要點：①原生質(zhì)膜上存在著非活化的質(zhì)子泵(H+-ATP酶)，生長素作為泵的變構(gòu)效應(yīng)劑，與泵蛋白結(jié)合后使其活化。②活化了的質(zhì)子泵消耗能量(ATP)將細(xì)胞內(nèi)的H+泵到細(xì)胞壁中，導(dǎo)致細(xì)胞壁基質(zhì)溶液的pH下降。③在酸性條件下，H+一方面使細(xì)胞壁中對酸不穩(wěn)定的鍵(如氫鍵)斷裂，另一方面(也是主要的方面)使細(xì)胞壁中的某些多糖水解酶(如纖

28、維素酶)活化或增加，從而使連接木葡聚糖與纖維素微纖絲之間的鍵斷裂，細(xì)胞壁松馳。④細(xì)胞壁松馳后，細(xì)胞的壓力勢下降，導(dǎo)致細(xì)胞的水勢下降，細(xì)胞吸水，體積增大而發(fā)生不可逆增長。 由于生長素與H+-ATP酶的結(jié)合和隨之帶來的H+的主動分泌都需要一定的時間，所以生長素所引起伸長的滯后期(10～15min)比酸所引起伸長的滯后期(1min)長。 為什么由生長素或H+引起細(xì)胞的生長主要是縱向伸長而不是寬度的伸展?這是由于細(xì)胞壁中纖維素微纖絲是縱向螺旋排列的，當(dāng)細(xì)胞壁松馳后，細(xì)胞的伸長生長會優(yōu)于徑向生長。生長素誘導(dǎo)的細(xì)胞伸長生長是一個需能過程，呼吸抑制劑，如氰化物(CN-)和二硝基酚(DNP)可抑制生長素

29、的這種效應(yīng)，但對H+誘導(dǎo)的伸長則無影響。此外，生長素所誘導(dǎo)的細(xì)胞壁可塑性的增加只有對活細(xì)胞才有效，對死細(xì)胞不起作用；而H+所引起的這種效應(yīng)對死、活細(xì)胞都有效。這是因為質(zhì)膜上的質(zhì)子泵是一種蛋白質(zhì)，只有活細(xì)胞并在ATP的參與下才具活性，使得H+泵出細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞壁，酸生長反應(yīng)才可進(jìn)行。 圖8－9 細(xì)胞伸長的酸生長理論 a. 細(xì)胞壁聚合物中的多糖交錯結(jié)合：（1）限制了細(xì)胞的擴張，質(zhì)膜H+-ATPase將H+從細(xì)胞質(zhì)中泵入到細(xì)胞壁空間以酸化細(xì)胞壁；（2）作用于細(xì)胞膜和細(xì)胞壁上的膨壓引起多糖與多糖交錯結(jié)合斷裂；（3）造成細(xì)胞的伸長。b. IAA激活H+-ATPase的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程圖解 酸

30、生長理論不足以解釋細(xì)胞伸長的所有問題，如綠色的莖切段雖然能夠響應(yīng)IAA，但是對酸的響應(yīng)則很弱。另外，酸刺激胚芽鞘產(chǎn)生短暫的生長反應(yīng)，其速率在30～60min達(dá)到最高。緊接著的另一個階段中，生長速率在16 h內(nèi)保持恒定或者緩慢下降。對這種兼具塊和慢反應(yīng)兩個階段的合理解釋是，酸生長反應(yīng)僅限于最初的快速反應(yīng)，而維持隨后的長時間的生長反應(yīng)則需要IAA誘導(dǎo)的其他因素，可能涉及到基因的表達(dá)和生長刺激蛋白的合成等。 （二）基因活化學(xué)說 生長素作用機理的“酸生長理論”雖能很好地解釋生長素所引起的快速反應(yīng)，但許多研究結(jié)果表明，在生長素所誘導(dǎo)的細(xì)胞生長過程中不斷有新的原生質(zhì)成分和細(xì)胞壁物質(zhì)合成，且這種過程能

31、持續(xù)幾個小時，而完全由H+誘導(dǎo)的生長只能進(jìn)行很短時間。由核酸合成抑制劑放線菌素D(actinmycin D)和蛋白質(zhì)合成抑制劑亞胺環(huán)己酮(cycloheximide)的實驗得知，生長素所誘導(dǎo)的生長是由于它促進(jìn)了新的核酸和蛋白質(zhì)的合成。進(jìn)一步用5-氟尿嘧啶(抑制除mRNA以外的其它RNA的合成)試驗證明，新合成的核酸為mRNA。此外還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在生長過程中細(xì)胞壁的厚度基本保持不變，因此，還必須合成更多的纖維素和交聯(lián)多糖。 20世紀(jì)80年代許多工作證明，生長素與質(zhì)膜上或細(xì)胞質(zhì)中的受體結(jié)合后，會誘發(fā)形成肌醇三磷酸(簡稱IP3)，IP3打開細(xì)胞器的鈣通道，釋放液泡等細(xì)胞器中的Ca2+，增加細(xì)胞溶質(zhì)中

32、Ca2+水平，Ca2+進(jìn)入液泡，置換出H+，剌激質(zhì)膜ATP酶活性，使蛋白質(zhì)磷酸化，于是活化的蛋白質(zhì)因子與生長素結(jié)合，形成了蛋白質(zhì)生長素復(fù)合物，再移到細(xì)胞核，合成特殊mRNA，最后在核糖體上形成蛋白質(zhì)。 從以上資料得知，生長素的長期效應(yīng)是在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)的合成而影響生長的。由此提出了生長素作用機理的基因活化學(xué)說。該學(xué)說對生長素所誘導(dǎo)生長的長期效應(yīng)解釋如下：植物細(xì)胞具有全能性，但在一般情況下，絕大部分基因是處于抑制狀態(tài)的，生長素的作用就是解除這種抑制，使某些處于“休眠”狀態(tài)的基因活化，從而轉(zhuǎn)錄并翻譯出新的蛋白質(zhì)。當(dāng)IAA與質(zhì)膜上的激素受體蛋白(可能就是質(zhì)膜上的質(zhì)子泵)結(jié)合后，激

33、活細(xì)胞內(nèi)的第二信使，并將信息轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核內(nèi)，使處于抑制狀態(tài)的基因解阻遏，基因開始轉(zhuǎn)錄和翻譯，合成新的mRNA和蛋白質(zhì)，為細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞壁的合成提供原料，并由此產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)。 由于生長素所誘導(dǎo)的生長既有快速反應(yīng)，又有長期效應(yīng)，因此提出了生長素促進(jìn)植物生長的作用方式設(shè)想(圖8-10)。 （三）生長素受體 生長素所產(chǎn)生的各種生理作用是生長素與細(xì)胞中的生長素受體結(jié)合后而實現(xiàn)的，這也是生長素在細(xì)胞中作用的開始。生長素受體是激素受體的一種。所謂激素受體(hormone receptor)，是指能與激素特異結(jié)合的、并能引發(fā)特殊生理生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)。然而，能與激素結(jié)合的蛋白質(zhì)卻并非都是激

34、素受體，只可稱其為某激素的結(jié)合蛋白(binding protein)。激素受體的一個重要特性是激素分子和受體結(jié)合后能激活一系列的胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而使細(xì)胞作出反應(yīng)。 生長素受體在細(xì)胞中的存在位置有多種說法，但主要有兩種：一種存在于質(zhì)膜上；另一種存在于細(xì)胞質(zhì)(或細(xì)胞核)中，前者促進(jìn)細(xì)胞壁松馳，是酸生長理論的基礎(chǔ)，后者促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)的合成，是基因活化學(xué)說的基礎(chǔ)。 圖8－10 已分離到一些生長素結(jié)合蛋白(auxin-binding protein,ABP)。其中有三類，分別位于質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或液泡膜上。如

35、玉米胚芽中分離出的一種質(zhì)膜ABP，其分子量為40 000，含兩個亞基，每一亞基分子量為20 000。質(zhì)膜ABP可促進(jìn)質(zhì)膜上H+-ATPase的活性，從而促進(jìn)伸長生長。另外，在煙草愈傷組織中鑒定出了存在于泡液及細(xì)胞核內(nèi)的ABP，這些ABP能顯著促進(jìn)生長素誘導(dǎo)的mRNA的增加。 五、 生長素的生理效應(yīng) 生長素的生理作用十分廣泛，包括對細(xì)胞分裂、伸長和分化，營養(yǎng)器官和生殖器官的生長、成熟和衰老的調(diào)控等方面。 (一)促進(jìn)生長　 溫特曾經(jīng)說過："沒有生長素，就沒有生長"，可見生長素對生長的重要作用。生長素最明顯的效應(yīng)就是在外用時可促進(jìn)莖切段和胚芽鞘切段的伸長生長，其原因主要是促進(jìn)了細(xì)胞的伸長。

36、在一定濃度范圍內(nèi)，生長素對離體的根和芽的生長也有促進(jìn)作用。此外，生長素還可促進(jìn)馬鈴薯和菊芋的塊莖、組織培養(yǎng)中愈傷組織的生長。 生長素對生長的作用有三個特點： ①雙重作用 生長素在較低濃度下可促進(jìn)生長，而高濃度時則抑制生長。在低濃度的生長素溶液中，根切段的伸長隨濃度的增加而增加；當(dāng)生長素濃度超過一定臨界點時，對根切段伸長的促進(jìn)作用逐漸減少；當(dāng)濃度增加繼續(xù)增加時，則對根切段的伸長表現(xiàn)出明顯的抑制作用。生長素對莖和芽生長的效應(yīng)與根相似，只是濃度不同。因此，任何一種器官，生長素對其促進(jìn)生長時都有一個最適濃度，低于這個濃度時稱亞最適濃度，這時生長隨濃度的增加而加快，高于最適濃度時稱超最適濃度，這時促

37、進(jìn)生長的效應(yīng)隨濃度的增加而逐漸下降。當(dāng)濃度高到一定值后則抑制生長，這是由于高濃度的生長素誘導(dǎo)了乙烯的產(chǎn)生。②不同器官對生長素的敏感性不同，根對生長素的最適濃度最小，莖的最適濃度為最大，而芽則處于根與莖之間。由于根對生長素十分敏感，所以濃度稍高就超最適濃度而起抑制作用。不同年齡的細(xì)胞對生長素的反應(yīng)也不同，幼嫩細(xì)胞對生長素反應(yīng)靈敏，而老的細(xì)胞敏感性則下降。高度木質(zhì)化和其它分化程度很高的細(xì)胞對生長素都不敏感。黃化莖組織比綠色莖組織對生長素更為敏感。③對離體器官和整株植物效應(yīng)有別，生長素對離體器官的生長具有明顯的促進(jìn)作用，而對整株植物往往效果不太明顯。 (二) 促進(jìn)插條不定根的形成 生長素可以

38、有效促進(jìn)插條不定根的形成，這主要是剌激了插條基部切口處細(xì)胞的分裂與分化，誘導(dǎo)了根原基的形成。用生長素類物質(zhì)促進(jìn)插條形成不定根的方法已在苗木的無性繁殖上廣泛應(yīng)用。 （三）對養(yǎng)分的調(diào)運作用 生長素具有很強的吸引與調(diào)運養(yǎng)分的效應(yīng)。從天竺葵葉片進(jìn)行的試驗中（圖8－11）可以看出，14C標(biāo)記的葡萄糖向著IAA濃度高的地方移動。利用這一特性，用IAA處理，可促使子房及其周圍組織膨大而獲得無籽果實 (四) 生長素的其它效應(yīng) 生長素還廣泛參與許多其它生理過程。如促進(jìn)菠蘿開花、引起頂端優(yōu)勢(即頂芽對側(cè)芽生長的抑制)、誘導(dǎo)雌花分化(但效果不如乙烯)、促進(jìn)形成層細(xì)胞向木質(zhì)部細(xì)胞分化，促進(jìn)光合產(chǎn)物的運輸、葉

39、片的擴大和氣孔的開放等。此外，生長素還可抑制花朵脫落、葉片老化和塊根形成等。 第三節(jié) 赤霉素類 一、赤霉素的發(fā)現(xiàn)及其種類 (一) 赤霉素的發(fā)現(xiàn) 　赤霉素(gibberellin,GA)最早最早是由日本植物病理學(xué)學(xué)家研究的水稻惡苗病（Rice bakanae）時發(fā)現(xiàn)的，它是指具有赤霉烷骨架，并能剌激細(xì)胞分裂和伸長的一類化合物的總稱。 1898年，Shotaro Hori 發(fā)表了有關(guān)水稻惡苗病病因的第一篇論文，指出水稻惡苗病是由一種鐮刀菌的感染造成的。1912年，Sawada在《臺灣農(nóng)業(yè)評論》（Formosan Agricultural Review）發(fā)表一篇題為“The

40、Diseases of Crops in Taiwan”的文章，指出水稻幼苗的徒長可能源于所感染真菌菌絲的刺激。隨后，Eiichi Kurosawa（1926）發(fā)現(xiàn)利用干枯的水稻幼苗的培養(yǎng)濾液也能顯著地造成水稻幼苗和其他水草的伸長，并斷定惡苗病菌通過分泌一種化合物刺激莖的延伸、抑制葉綠素的形成和根的生長。20世紀(jì)30年代，經(jīng)過科學(xué)家的努力，最終將水稻惡苗病菌正式命名為藤倉赤霉（Gibberella fujikuroi (Saw.) Wr），其無性態(tài)命名為禾谷鐮刀菌（Fusarium moniliforme (Sheldon)）。有性態(tài)名字來源于兩個著名的日本植物病理學(xué)家的名稱Yosaburo

41、Fujikuro 和Kenkichi Sawada。 1934年，Teijiro Yabuta 最先從惡苗病菌的發(fā)酵濾液中獲得有效成分的結(jié)晶體，發(fā)現(xiàn)該成分在任何供試濃度下都能抑制水稻幼苗的生長，并于1935年正式命名為赤霉素（gibberellin,GA）。1938年Yabuta和Yusuke Sumiki 又從赤霉菌培養(yǎng)基的過濾液中分離出了兩種具有生物活性的結(jié)晶，命名為"赤霉素A"和"赤霉素B"。 直到50年代初，英、美科學(xué)家從真菌培養(yǎng)液中首次獲得了這種物質(zhì)的化學(xué)純產(chǎn)品，英國科學(xué)家稱之為赤霉酸(1954)，美國科學(xué)家稱之為赤霉素X(1955)。后來證明赤霉酸和赤霉素X為同一物質(zhì)，都是GA

42、3。1955年東京大學(xué)的科學(xué)家對他們的赤霉素A進(jìn)行了進(jìn)一步的純化，從中分離出了三種赤霉素，即赤霉素A1、赤霉素A2和赤霉素A3。通過比較發(fā)現(xiàn)赤霉素A3與赤霉酸和赤霉素X是同一物質(zhì)。1957年東京大學(xué)的科學(xué)家又分離出了一種新的赤霉素A，叫赤霉素A4。此后，對赤霉素A系列(赤霉素An)就用縮寫符號GAn表示。后來，很快又發(fā)現(xiàn)了幾種新的GA，并在未受赤霉菌感染的高等植物中也發(fā)現(xiàn)了許多與GA有同樣生理功能的物質(zhì)。1959年克羅斯(B.E.Cross)等測出了GA3、GA1和GA5的化學(xué)結(jié)構(gòu)。同時，MacMillan和Suter報道一些植物的未成熟種子中分離得到GA1結(jié)晶，說明GAS是高等植物的天然物質(zhì)

43、。 （二）赤霉素的種類。 目前，分別從植物、真菌和細(xì)菌中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)赤霉素類物質(zhì)超過140種。赤霉素類是根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)來確定的，它們均含有赤霉烷環(huán)（gibberelane）地基本結(jié)構(gòu)（圖8－12）。GAS的編號是按照它們被發(fā)現(xiàn)的先后順序來確定的，而不是表示它們化學(xué)結(jié)構(gòu)上有什么關(guān)系。在所有的GAS種，GA3可以從赤霉菌發(fā)酵液中大量提取，是目前主要的商品化和農(nóng)用形式。GA1和GA20可能活性最高，在高等植物中最為重要的GAS。 在GAS家族中，多數(shù)的成員沒有生物活性或者活性很低。其中一部分是合成GAS的前體物質(zhì)，另一部分是活性GAS的代謝產(chǎn)物。生理活性強的赤霉素有GA1，GA3，GA7，GA30，

44、GA38等，生理活性弱的有GA13，GA25，GA39等。任何一種植物或其某個器官中很有的GAS種類是較少的，有活性的GAS則更少。在高等植物中，GA1可能是最主要的調(diào)控莖伸長生長的物質(zhì)。 GA1 GA2 GA3 GA4 GA20

45、 GA27 GA40 GA63 GA85 GA136 GA131 GA107 圖8－12 一些赤霉素類的化學(xué)結(jié)構(gòu) 二、赤霉素的分布與運輸 赤霉素廣泛分布于各種植物、真菌和細(xì)菌中（表8－2） 表8－2赤霉素類在部分植物、真菌和細(xì)菌體內(nèi)的分布情況 植物(屬) 赤霉

46、素類 小麥 （Triticum aestivum） GA1，GA3，GA4，GA7，GA8，GA9，GA15，GA17，GA19，GA20，GA24，GA29，GA34，GA44，GA53，GA54，GA55，GA60，GA61，GA62，GA79，GA90，GA91，GA92，GA93，GA94，GA97，GA98 玉米 （Zea mays） GA1，GA3，GA4，GA5，GA7，GA8，GA9，GA12，GA15，GA17，GA19，GA20，GA24，GA29，GA34，GA44，GA53 水稻 （Oryza sativa） GA1，GA4，GA9，GA17，GA19

47、，GA20，GA24，GA29，GA34，GA44，GA51，GA53 黃瓜 （Cucumis sativus） GA1，GA3，GA4 柑橘 （Citrus unshiu） GA1，GA4，GA8，GA9，GA17，GA19，GA20，GA24，GA25，GA29，GA44，GA53 巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense) GA1，GA3 生脂固氮螺菌（Azospirillum lipoferum） GA1，GA3 菜豆根瘤菌 （Rhizobium phaseoli） GA1，GA4 藤倉赤霉 （Gibberella fujikuroi）

48、 GA1，GA2，GA3，GA4，GA7，GA7，GA10，GA11，GA12，GA13，GA14，GA15，GA16，GA20，GA24，GA25，GA36，GA37，GA40，GA41，GA42，GA47，GA54，GA55，GA56，GA57，GA78 Phaeospheria sp GA1，GA4，GA9，GA12，GA15，GA20，GA24，GA82 赤霉素較多存在于生長旺盛的部分，如莖端、嫩葉、根尖和果實種子。高等植物的赤霉素含量一般是1～1 000ng/g鮮重，果實和種子（未成熟的種子）的赤霉素含量比營養(yǎng)器官多兩個數(shù)量級。每個器官或者組織都含有兩種以上的赤霉素，而且

49、赤霉素的種類、數(shù)量和狀態(tài)都因植物發(fā)育時期而異。 GA在植物體內(nèi)的運輸沒有極性，可以雙向運輸。根尖合成的GA通過木質(zhì)部向上運輸，而葉原基產(chǎn)生的GA則是通過韌皮部向下運輸，其運輸速度與光合產(chǎn)物相同，為50～100cm·h-1，不同植物間運輸速度的差異很大。 GA合成以后在體內(nèi)的降解很慢，然而卻很容易轉(zhuǎn)變成無生物活性的束縛型GA(conjugated gibberellin)。植物體內(nèi)的束縛型GA主要有GA-葡萄糖酯和GA-葡萄糖苷等。束縛型GA是GA的貯藏和運輸形式。在植物的不同發(fā)育時期，游離型與束縛型GA可相互轉(zhuǎn)化。如在種子成熟時，游離型的GA不斷轉(zhuǎn)變成束縛型的GA而貯藏起來；而在種子萌發(fā)時

50、，束縛型的GA又通過酶促水解轉(zhuǎn)變成游離型的GA而發(fā)揮其生理調(diào)節(jié)作用。 三、赤霉素生物合成及其調(diào)控 （一）赤霉素的生物合成 赤霉素在高等植物中生物合成的位置主要是發(fā)育著的種子（果實），伸長著的莖端和根部。赤霉素在細(xì)胞中的合成部位是質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì)溶膠等處。 1、GAS合成的前體（precursor）—牻牛兒牻牛兒焦磷酸 (geranylgeranyl pyrophosphate ,GGPP)的形成途徑。GGPP是由異戊烯二磷酸（isopentenyl diphosphate，IPP）轉(zhuǎn)變來的。近來發(fā)現(xiàn)植物不同細(xì)胞器如線粒體、葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自身能合成GGPP,而不是轉(zhuǎn)運來（圖8－13

51、）。植物細(xì)胞內(nèi)的GGPP形成途徑有兩條:：甲羥戊酸（mevalonic acid,MVA）途徑和非甲羥戊酸途徑。 圖8－13植物細(xì)胞合成GGPP的兩種途徑[ GA12－7－醛（GA12－7－aldehyde）是GAS生物合成途徑中的第一個真正帶有赤霉烷結(jié)構(gòu)的化合物，以GA12－7－醛為中心，可以把GAS合成分為以下兩個階段（圖8－13）。 2、由甲瓦龍酸到GA12－7－醛的合成。該過程是赤霉菌和高等植物所共有，因此，GA12－7－醛可能是所有GAS的前體，在此過程中，牻牛兒牻牛兒焦磷酸（GGPP）為重要的樞紐，由此可以產(chǎn)生多種萜類化合物。 3、由GA12－7－醛合成其他GAS。

52、GA12－7－醛的第7位上的醛基被氧化為羧基，生成GA12。這是重要的第一步，因為第7位羧基為所有GAS所共有，也是生物活性所必需。后續(xù)過程中的一個重要步驟是氧化除去第20位碳原子，生成具有不同程度生物活性的19個碳原子的GAS。雖然GA12－7－醛以前的步驟為所有植物共有，但是其后的步驟因不同植物種類乃至不同的植物組織而異。 圖8－14 赤霉素的生物合成 多種化合物能阻斷GAS的生物合成，表現(xiàn)出抑制節(jié)間伸長的效應(yīng)，它們被稱為植物生長延緩劑（plant growth retardant）或者抗赤霉素（antigibberellins）。GAS合成途徑中自GGPP開始，經(jīng)過兩個環(huán)化步驟后

53、形成內(nèi)－貝殼杉烯，分別由內(nèi)－貝殼杉烯合成酶A和B所控制。抑制這兩個環(huán)化步驟的化合物主要有AMO-1618、Cycocel（CCC）、Phosphon-D和縮節(jié)胺等。緊接著環(huán)化步驟之后，內(nèi)－貝殼杉烯的19位進(jìn)行連續(xù)三步的氧化反應(yīng)生產(chǎn)內(nèi)－貝殼杉烯酸（ent-kaurenoic acid），受內(nèi)－貝殼杉烯氧化酶催化。嘧啶醇（ancymidol）和多效唑（paclobutrazol,PP333）對其具有抑制作用。 二、赤霉素生物合成的調(diào)節(jié) （一）、赤霉素生物合成的反饋調(diào)節(jié) 植物通常保持赤霉素在體內(nèi)的平衡，如生物活性GAS的濃度保持在某一范圍，其中包含了GA生物合成的反饋調(diào)節(jié)。生物活性GAS會降低

54、編碼GA20－氧化酶和GA3β－羥基化酶的基因的表達(dá)，擬南芥GA5和GA4基因的轉(zhuǎn)錄水平在GA缺陷植物中很高，而當(dāng)這些植物用GA處理時GA5和GA4的轉(zhuǎn)錄水平下降。用生物活性GA處理野生型豌豆也降低GA20－氧化酶mRNA和GA1含量。將黃化豌豆幼苗轉(zhuǎn)移至光下，4ｈ后GA20－氧化酶和GA3β－羥基化酶轉(zhuǎn)錄的表達(dá)增加了5倍。如果在光處理之前給黃化幼苗供應(yīng)外源的GA1，會抑制光誘導(dǎo)的GA20－氧化酶和GA3β－羥基化酶mRNA的累積。說明活性GAS在ＧＡ生物合成反饋抑制過程中起重要作用。 在ＧＡ響應(yīng)突變體中，如小麥Rht3、玉米Dwarf8和擬南芥gai，雖然它們都是矮生突變體，但它們含有大量

55、生物活性GAS。相反，細(xì)長突變體如豌豆的lacrys突變體生長得就像它們用大量GA處理過，而實際上它們含有較少量的生物活性GAS。起初這似乎自相矛盾，因為莖伸長通常是由生物活性GA的量控制的，但它揭示了GA響應(yīng)和GA生物合成之間的聯(lián)系。矮生突變體不能響應(yīng)GA，也不能降低GA生物合成，說明這些基因在正常情況下很可能參與了GA信號的接收或傳遞過程，如圖2所示。而細(xì)長突變體中GA生物合成受到明顯降低，很可能是由于相應(yīng)的基因在GA信號的接收或傳遞過程中起著負(fù)調(diào)節(jié)的作用。因此,克隆這些基因?qū)ξ覀兞私猓牵恋淖饔脵C理有重要意義。 圖8－15 GA生物合成的反饋調(diào)節(jié) (二)、赤霉素生物合成的光周期調(diào)

56、節(jié) 在許多蓮座狀植物中莖快速伸長(抽苔)伴隨著開花的光周期誘導(dǎo)受GAS調(diào)控。在這些植物中赤霉素的C-20氧化是受光周期控制的主要步驟。在菠菜這種專性的長日植物中，GA5(GA20－氧化酶)基因的表達(dá)在長日照下較高，并與莖伸長的增加相關(guān)，而在短日照下表達(dá)較低。這一表達(dá)模式在光周期改變后2ｄ內(nèi)建立起來。擬南芥這種兼性的長日植物，抽苔在長日照下加快。當(dāng)植株從長日照轉(zhuǎn)移到短日照條件下，C19-GAS：GA9，GA20，GA1和GA8的含量上升，表明GA20－氧化酶活性受長日照條件促進(jìn)。在短日照條件下莖伸長至少部分歸因于GA5表達(dá)的增加，而GA4 (3β－羥基化酶)的表達(dá)不受光周期控制。在植物種子萌發(fā)

57、階段情況不太一樣。光敏色素對萵苣種子萌發(fā)的調(diào)節(jié)可能主要通過內(nèi)源生物活性GA水平的改變來進(jìn)行，內(nèi)源GA1的含量在紅光處理后增加。 四、赤霉素的生理效應(yīng) (一) 促進(jìn)莖的伸長生長 赤霉素最顯著的生理效應(yīng)就是促進(jìn)植物的生長，這主要是它能促進(jìn)細(xì)胞的伸長。GA促進(jìn)生長具有以下特點 　1.促進(jìn)整株植物生長，尤其是對矮生突變品種的效果特別明顯（圖8-15）。但GA對離體莖切段的伸長沒有明顯的促進(jìn)作用，而IAA對整株植物的生長影響較小，卻對離體莖切段的伸長有明顯的促進(jìn)作用。GA促進(jìn)矮生植株伸長的原因是由于矮生種內(nèi)源GA的生物合成受阻，使得體內(nèi)GA含量比正常品種低的緣故。 圖8－15 GA3對矮玉

58、米的影響 GA3對正常植株效應(yīng)較小，但是可以促進(jìn)矮生植株長高，達(dá)到正常植株的高度 　2.GA一般促進(jìn)節(jié)間的伸長而不是促進(jìn)節(jié)數(shù)的增加。 　3.GA對生長的促進(jìn)作用不存在超最適濃度的抑制作用，即使?jié)舛群芨?，仍可表現(xiàn)出最大的促進(jìn)效應(yīng)，這與生長素促進(jìn)植物生長具有最適濃度的情況顯著不同。 　4.GA促進(jìn)細(xì)胞伸長的機理 4.1誘導(dǎo)膨脹素的產(chǎn)生和活性增加 1992年，在黃瓜幼苗中發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞壁松弛蛋白質(zhì)，稱膨脹素(expansins)，該蛋白質(zhì)通過斷裂細(xì)胞壁多聚體間（例如微纖絲和半纖維素間）的非離子鍵,引起細(xì)胞壁松弛而促進(jìn)細(xì)胞伸長。已有充分的證據(jù)表明，膨脹素是促進(jìn)植物細(xì)胞伸長的關(guān)鍵因子

59、。在水稻中expansins主要存在于節(jié)間的居間分生組織和伸長區(qū)中。免疫印跡分析法顯示，深水稻浸水節(jié)間細(xì)胞的細(xì)胞壁比空氣中節(jié)間細(xì)胞的細(xì)胞壁含有更多的膨脹素。到目前為止，已在深水稻中鑒定出4個膨脹素基因。據(jù)報道，浸水和GA處理能夠在深水稻節(jié)間生長速率加快前增加膨脹素基因os-EXP4RNA的積累。 4.2　提高木葡聚糖內(nèi)葡糖基酶(XET)的活性 木葡聚糖是植物初生壁的主要成分之一。木葡聚糖除了受纖維素酶催化外，也受木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶（Xyloglucanen-dotransglycosylasa,XET）作用。XET可以使木葡聚糖產(chǎn)生內(nèi)轉(zhuǎn)基作用，把木葡聚糖切開，并重新形成另一個木葡聚糖分子，

60、再排列微木葡聚—纖維網(wǎng)，從而使細(xì)胞壁延長。GA能顯著提高XET的活性。水稻中有4種XET相關(guān)的基因(XTR)：OsXTR1，OsXTR2，OsXTR3和OsXTR4，其中OsXTR1，OsXTR3主要在節(jié)間伸長區(qū)表達(dá)。水稻矮稈突變體WaitoC中OsXTR1，OsXTR3 mRNA水平比野生植株中低，外源GA3增加OsXTR1，OsXTR3的表達(dá)水平，表明GA通過提高XET相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平促進(jìn)細(xì)胞伸長。 4.3促進(jìn)微管與細(xì)胞長軸呈垂直排列 植物細(xì)胞壁的主要組成是纖維素，呈晶體形微纖絲，這種微纖絲無伸展性，要使細(xì)胞伸展，一定要把微纖絲拆開。無伸展能力的細(xì)胞，其微纖絲是隨機取向的，當(dāng)微纖絲與

61、細(xì)胞長軸呈垂直排列時，就會使細(xì)胞伸長。許多研究結(jié)果表明，微纖絲在細(xì)胞壁中的取向由分布于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的排列方向所控制，并與微管的排列方向平行。赤霉素促使微管的排列方向與生長著的細(xì)胞的長軸垂直。在緩慢生長的節(jié)間中，其居間分生組織以上的細(xì)胞內(nèi)微管方向發(fā)生傾斜，這種構(gòu)型抑制生長。在GA處理的迅速生長的深水稻節(jié)間中，其居間分生組織以上的細(xì)胞內(nèi)微管由水平方向逐漸變化及至伸長區(qū)頂部呈傾斜構(gòu)型，因而有利于細(xì)胞伸長。 (二) 誘導(dǎo)開花 　　某些高等植物花芽的分化是受日照長度(即光周期)和溫度影響的。例如，對于二年生作物，需要一定日數(shù)的低溫處理(即春化)才能開花，否則表現(xiàn)出蓮座狀生長而不能抽薹開花。若對這些未經(jīng)春

62、化的作物施用GA，則不經(jīng)低溫過程也能誘導(dǎo)開花，且效果很明顯。此外，也能代替長日照誘導(dǎo)某些長日植物開花，但GA對短日植物的花芽分化無促進(jìn)作用 對于花芽已經(jīng)分化的植物，GA對其花的開放具有顯著的促進(jìn)效應(yīng)。如GA能促進(jìn)甜葉菊、鐵樹及柏科、杉科植物的開花。 （三）打破休眠 　用2～3μg·g-1的GA處理休眠狀態(tài)的馬鈴薯能使其很快發(fā)芽，從而可滿足一年多次種植馬鈴薯的需要。對于需光和需低溫才能萌發(fā)的種子，如萵苣、煙草、紫蘇、李和蘋果等的種子，GA可代替光照和低溫打破休眠，這是因為GA可誘導(dǎo)α-淀粉酶、蛋白酶和其它水解酶的合成，催化種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的降解，以供胚的生長發(fā)育所需。在啤酒制造業(yè)中，用GA處

63、理萌動而未發(fā)芽的大麥種子，可誘導(dǎo)α-淀粉酶的產(chǎn)生，加速釀造時的糖化過程，并降低萌芽的呼吸消耗，從而降低成本。 （四）促進(jìn)雄花分化 　　對于雌雄異花同株的植物，用GA處理后，雄花的比例增加；對于雌雄異株植物的雌株，如用GA處理，也會開出雄花。GA在這方面的效應(yīng)與生長素和乙烯相反。 （五）其它生理效應(yīng) 　　GA還可加強IAA對養(yǎng)分的動員效應(yīng)，促進(jìn)某些植物座果和單性結(jié)實、延緩葉片衰老等。 此外，GA也可促進(jìn)細(xì)胞的分裂和分化，GA促進(jìn)細(xì)胞分裂是由于縮短了G1期和S期。但GA對不定根的形成卻起抑制作用，這與生長素又有所不同。 五、赤霉素的作用機理 圖8－16：GA對大麥糊粉層產(chǎn)生的α

64、－淀粉酶的影響 (一) GA與酶的合成 關(guān)于GA與酶合成的研究主要集中在GA如何誘導(dǎo)禾谷類種子α-淀粉酶的形成上。大麥種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)主要是淀粉，發(fā)芽時在α-淀粉酶的作用下水解為糖以供胚生長的需要。如種子無胚，則不能產(chǎn)生α-淀粉酶，但外加GA可代替胚的作用，誘導(dǎo)無胚種子產(chǎn)生α-淀粉酶。如既去胚又去糊粉層，即使用GA處理，淀粉仍不能水解(圖8-16)，這證明糊粉層細(xì)胞是GA作用的靶細(xì)胞。GA促進(jìn)無胚大麥種子合成α-淀粉酶具有高度的專一性和靈敏性，現(xiàn)已用來作為GA的生物鑒定法，在一定濃度范圍內(nèi)，α-淀粉酶的產(chǎn)生與外源GA的濃度成正比。 　 大麥籽粒在萌發(fā)時，貯藏在胚中的束縛型GA水

65、解釋放出游離的GA，通過胚乳擴散到糊粉層，并誘導(dǎo)糊粉層細(xì)胞合成α淀粉酶，酶擴散到胚乳中催化淀粉水解，水解產(chǎn)物供胚生長需要。 （二）GA調(diào)節(jié)IAA水平 　　許多研究表明，GA可使內(nèi)源IAA的水平增高。這是因為一方面GA降低了IAA氧化酶的活性，另一方面GA促進(jìn)蛋白酶的活性，使蛋白質(zhì)水解，IAA的合成前體(色氨酸)增多。此外，GA還促進(jìn)束縛型IAA釋放出游離型IAA。以上三個方面都增加了細(xì)胞內(nèi)IAA的水平，從而促進(jìn)生長。所以，GA和IAA在促進(jìn)生長、誘導(dǎo)單性結(jié)實和促進(jìn)形成層活動等方面都具有相似的效應(yīng)(圖7-14)。但GA在打破芽和種子的休眠、誘導(dǎo)禾谷類種子α淀粉酶的合成、促進(jìn)未春化的二

66、年生及長日植物成花，以及促進(jìn)矮生植株節(jié)間的伸長等方面的功能IAA所不具有的。 第四節(jié) 細(xì)胞分裂素類 一、 細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn)和種類 　　生長素和赤霉素的主要作用都是促進(jìn)細(xì)胞的伸長，雖然它們也能促進(jìn)細(xì)胞分裂，但是次要的，而細(xì)胞分裂素類則是以促進(jìn)細(xì)胞分裂為主的一類植物激素。 (一) 細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn) 1913年，Gottlieb Haberlandt 發(fā)現(xiàn)植物韌皮部的一些化合物具有刺激細(xì)胞分裂的能力，1941年，Johannes van Overbeek發(fā)現(xiàn)椰子的乳狀胚乳也具有刺激植物細(xì)胞分裂的能力。 20世紀(jì)40至50年度，植物生理學(xué)家開始利用植物組織培養(yǎng)來研究細(xì)胞分裂和發(fā)育。美國Wisconsin大學(xué)的斯庫格（F.Skoog）在尋找促進(jìn)組織培養(yǎng)中細(xì)胞分裂的物質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)生長素存在時腺嘌呤具有促進(jìn)細(xì)胞分裂的活性。1954年，雅布隆斯基（J.R.Jablonski）和斯庫格發(fā)現(xiàn)煙草髓組織在只含有生長素的培養(yǎng)基中細(xì)胞不分裂而只長大，如將髓組織與維管束接觸，則細(xì)胞分裂。后來他們發(fā)現(xiàn)維管組織、椰子乳汁或麥芽提取液中都含有誘導(dǎo)細(xì)胞分裂的物質(zhì)。1955年米勒（C.