1、第八章 植物生長(zhǎng)物質(zhì)Chapter 8 Plant Growth Substance,Plant hormone Plant growth substance （調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)） Plant regulator 植物激素：在植物體內(nèi)合成，并自產(chǎn)生部位移動(dòng)到作用部位，在極低濃度下就有明顯的生理效應(yīng)的微量有機(jī)物質(zhì)。 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑：具有植物激素活性的人工合成的物質(zhì)。,1905，E. H. Starling (英)首次采用激素(Hormone)一詞描述哺乳動(dòng)物中調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育的化學(xué)物質(zhì)；約在1928年H. Fitting將其引用到植物生理學(xué)中,Plant Hormones are natura

2、lly occurring, organic substances that, at low concentration, exert a profound influence on physiological processes. 植物激素為天然存在的有機(jī)化合物，以極低的濃度調(diào)控植物的生理過程。,植物激素（plant hormone or phytohormone）： 主要（經(jīng)典種類：生長(zhǎng)素類、赤霉素類、細(xì)胞分裂素類、脫落酸、乙烯。 新型種類：茉莉酸類、水楊酸類、油菜素甾體類、多胺等。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑(Plant growth regulators)： 主要用于化學(xué)工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，指化學(xué)合成

3、的具有激素生理效應(yīng)的化合物。植物生長(zhǎng)物質(zhì)(Plant growth substances)： 為植物激素和調(diào)節(jié)劑的總稱。,植物激素作用的2個(gè)特點(diǎn)：1、 作用方式： 依賴濃度 2、 H+被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞壁空間，酸化細(xì)胞壁； 3、酸使細(xì)胞壁中纖維素分子之間的交聯(lián)鍵打開，使壁松馳，增加壁的伸展性。,生長(zhǎng)素誘導(dǎo)玉米胚芽鞘切段伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線,階段I (快反應(yīng)): IAA處理后20-60min達(dá)到最大，該階段可以被酸替代。說明，IAA通過酸化細(xì)胞壁引起快速伸長(zhǎng)。 階段II(慢反應(yīng)): 緊接階段I，生長(zhǎng)速率以保持恒定或略為降低，該階段持續(xù)16h。說明：生長(zhǎng)素誘導(dǎo)與生長(zhǎng)相關(guān)的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)形成。 據(jù)報(bào)道：

4、大豆下胚軸在IAA處理后，有3040種翻譯產(chǎn)物增加。玉米等材料在IAA處理后，mRNA 含量可增加50倍。 IAA對(duì)完整植株莖的伸長(zhǎng)幾乎不表現(xiàn)出促進(jìn)效應(yīng)。,10-5M IAA， Added at time = 0 min Removed after 5 or 80 min,2、調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化,快速生長(zhǎng)幼葉中產(chǎn)生的IAA誘導(dǎo)幼苗中維管束的分化。葉柄基部維管束分化與流過的IAA成正比。 在組織培養(yǎng)中，生長(zhǎng)素誘導(dǎo)愈傷組織生成根。,損傷錦紫蘇維管束，并用IAA處理受傷部位，可誘導(dǎo)維管束再生。,3、維持植物的頂端優(yōu)勢(shì)大多數(shù)高等植物的頂芽不同程度地抑制著側(cè)芽的生長(zhǎng),菜豆的頂端優(yōu)勢(shì),寶塔型樹木,生長(zhǎng)素可以取

5、代莖尖，起到維持頂端優(yōu)勢(shì)的作用。,4、刺激插枝生根,切枝在其基部形成不定根，該特性廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、園藝生產(chǎn)中； 生長(zhǎng)素類處理切枝基部可促進(jìn)不定根形成； 一般采用NAA和IBA共同處理。,生長(zhǎng)素誘導(dǎo)生根的作用可能與其極性運(yùn)輸相關(guān)?；⑽蔡m葉片切口上部邊緣形成根,5、促進(jìn)果實(shí)發(fā)育發(fā)育中的種子提供果實(shí)生長(zhǎng)所需生長(zhǎng)素的來源。,草莓的瘦果,菜豆莢果的橫切面,6、促進(jìn)根的伸長(zhǎng)僅在極低的濃度下表現(xiàn)促進(jìn)效應(yīng)，超過一定濃度則起抑制作用。一般就對(duì)生長(zhǎng)素的敏感性來說： 根 芽 莖 7、影響葉子脫落可能通過誘導(dǎo)乙烯形成而起作用 9、促進(jìn)瓜類的雌花形成可能通過誘導(dǎo)乙烯形成而起作用 10、 促進(jìn)鳳梨科植物開花可能通過誘導(dǎo)

6、乙烯形成而起作用,第二節(jié) 赤霉素類 (gibberellins, GAs)一、 GAs 的發(fā)現(xiàn),19世紀(jì)末，日本稻田，stupid seedlings; 發(fā)現(xiàn)由藤倉赤霉菌感染所引起； 1926，Kurosawa,將滅菌的赤霉菌提取液用于稻苗，引起稻苗瘋長(zhǎng)，提示：引起瘋長(zhǎng)的因子來自赤霉菌分泌的物質(zhì)； 1938，Yabuta 從赤霉菌中分離并結(jié)晶出該物質(zhì)，命名為赤霉素A； 1958，來自高等植物中的第一個(gè)GA從紅花菜豆未成熟的種子中被分離，命名為GA1； 迄今，在植物和微生物中分離出的 GAs達(dá)120余種。,二、 GAs 的結(jié)構(gòu),4個(gè)異戊二烯單位組成的雙萜，以赤霉烷環(huán)為基本結(jié)構(gòu)； 因雙鍵、-OH的

7、數(shù)目和位置不同，形成各種GAs,C20-GAs 因其第19位和第20位的C原子發(fā)生縮合反應(yīng)而形成C19-GAs。,GAs 的編號(hào)按其發(fā)現(xiàn)順序而定； 120余種GAs 中，僅有少部分表現(xiàn)生物活性，其他則為合成前體、中間物或代謝產(chǎn)物； 每種植物中僅含有幾十種GAs； 高活性GAs 所需的結(jié)構(gòu)：7-COOH, 3-OH、13-OH, 1,2-不飽和鍵。 2-OH則可使GAs 失活。,GA1，高等植物中主要的、促進(jìn)莖伸長(zhǎng)的GA,GA3，生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的GA，由赤霉菌發(fā)酵而來。,三、分布和運(yùn)輸,幼葉、芽、莖尖、根尖等組織均可合成； 發(fā)育中的種子中，GAs 含量高；種子成熟時(shí)，含量降低； 運(yùn)輸無極性，根尖

8、合成的GAs 沿木質(zhì)部上運(yùn)，葉片合成的GAs 沿韌皮部下運(yùn)或上上運(yùn)。,Histochemical localization of GA1 promoter activity during the development of transgenic Arabidopsis GA1 promoter-GUS gene,A：1天齡幼苗 B：5天齡幼苗 C：3周齡蓮座狀植株 D：花序 E：開放的花：注意染色的花粉(p) F：發(fā)育的胚 G：根尖（lp為側(cè)根原基）,四、生物合成1、從MVA到GA12-7-醛,由MVA開始； GA12-7-醛是GAs 合成途徑中第一個(gè)帶赤霉烷環(huán)的化合物，為所有GAs 合成所

9、共有的前體； 植物生長(zhǎng)延緩劑(反赤霉素)：A，由GGPP合成內(nèi)貝殼杉烯，為2步環(huán)化，抑制環(huán)化的物質(zhì)有amo-1618,福方D，矮壯素(ccc)，助壯素 (Pix)等；B，由內(nèi)貝殼杉烯合成貝殼杉烯酸，為3步氧化，抑制氧化的物質(zhì)有Ancymidol,多效唑(PP333)，烯效唑 (S3307)等。 反赤霉素已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。,2、GA12-7-醛到其他GAs,GA12-7-醛之后的途徑因植物種類不同而異； 右：豌豆中的合成途徑： 13-羥化途徑(粗線)，生成GA20和GA1，可能是高等植物中廣泛存在的途徑； *表示已確定的內(nèi)源GAs。,五、GAs 的生理效應(yīng)1、促進(jìn)莖伸長(zhǎng),外源GA3顯著促進(jìn)莖（節(jié)

10、間）伸長(zhǎng)； 與生長(zhǎng)素僅促進(jìn)離體幼莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)不同，GAs 可以促進(jìn)完整植株的莖的伸長(zhǎng),天然存在一些矮生性的突變體：體內(nèi)的GAs 合成的某個(gè)環(huán)節(jié)受阻(基因突變)，內(nèi)源GAs 缺乏所致,Left plants 7d after treatment with GA3,No.9 dwarf pea seedlings,GA誘導(dǎo)莖伸長(zhǎng)：涉及到光的影響,8-day-old pea seedlings Left 4 plants: Tall cultivars Right 4 plants: Dwarf cultivars 4 plants at either end: Grown in dark The

11、center 4 plants: Grown in light,GA誘導(dǎo)莖伸長(zhǎng)：改變細(xì)胞質(zhì)內(nèi)微管的排列方向,左：均勻擴(kuò)大的細(xì)胞 右：縱向伸長(zhǎng)的細(xì)胞。 注：微管的排列方向與伸長(zhǎng)方向垂直。,GAs 誘導(dǎo)莖伸長(zhǎng)：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要性,利用GA促進(jìn)伸長(zhǎng)：雜交水稻生產(chǎn)、莖葉類蔬菜、木材、麻等；,利用反赤霉素抑制伸長(zhǎng)：稻、麥、油菜等的壯苗、作物的矮化、花卉與觀賞植物的造型、地下經(jīng)濟(jì)器官的膨大。,2、促進(jìn)種子萌發(fā),GAs 廣泛性地促進(jìn)種子萌發(fā)。 一些種子難以發(fā)芽的原因在于其內(nèi)源GAs 水平不足，應(yīng)用外源GAs 可以打破其休眠。,禾谷類種子的結(jié)構(gòu),GAs 促進(jìn)種子萌發(fā),萌發(fā)時(shí)，胚中產(chǎn)生GA，擴(kuò)散至糊粉層細(xì)胞；

12、GA誘導(dǎo)糊粉層細(xì)胞產(chǎn)生-淀粉酶及蛋白水解酶等； 水解酶分泌至胚乳中，水解其中的貯藏物質(zhì)，供胚生長(zhǎng)所需。,GA促進(jìn)-淀粉酶分泌實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?GA促進(jìn)-淀粉酶分泌實(shí)驗(yàn)結(jié)果上述模式，反應(yīng)2448小時(shí)后，加入KII溶液。,無GA 低GA 高GA,GA對(duì)大麥糊粉層a-淀粉酶生物合成的調(diào)控,糊粉層分泌蛋白的電泳圖譜 From left to right: GA, control,GA,CK,GA對(duì)a-淀粉酶 mRNA 水平的調(diào)節(jié),糊粉層RNA電泳，用與-淀粉酶基因互補(bǔ)的cDNA 為探針進(jìn)行雜交。 Lane 1: control Lane 2: GA3,3、促進(jìn)蓮座狀植物的開花：菠菜、甘藍(lán)、油菜等在幼苗期經(jīng)過需

13、一段時(shí)間的低溫和長(zhǎng)日照條件，始能抽苔和開花,外源GA3可代替低溫和長(zhǎng)日照，誘導(dǎo)油菜的莖伸長(zhǎng)和開花,菠菜至短日照條件轉(zhuǎn)入長(zhǎng)日照條件后，其莖的伸長(zhǎng)情況和內(nèi)源GAs 的變化。,在長(zhǎng)日照下，GA19(C20-GA, 無活性)下降，GA20(C20-GA,有活性)相應(yīng)升高；說明長(zhǎng)日照促進(jìn)GA19向GA20的轉(zhuǎn)化。,4、改變蘋果果型 GA4與GA7混劑 5、促進(jìn)座果和果實(shí)生長(zhǎng) 葡萄、辣椒、番茄、梨、草莓等。引起葡萄等單性結(jié)實(shí),第三節(jié) 細(xì)胞分裂素類,19401950: F.Skoog 研究組(Wisconsin Univ.): 煙草莖 切段的組織培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn):維管組織提取液、 椰子乳和酵母均能刺激細(xì)胞分裂。

14、 C.O. Miller(Postdoc. in Skoogs lab):從 酵母浸提液中分離主要的活性物質(zhì) - 一種嘌呤。 Skoog 及崔徵:腺嘌呤能刺激煙草髓培養(yǎng)組織發(fā)生細(xì)胞分裂。 在富含腺嘌呤的核酸制劑中尋找活性物質(zhì)。 1956：Miller (Now at Indiana Univ.)等，高壓滅菌的鯡魚精子DNA，分離到N6-呋喃甲基腺嘌吟(N6-furfurylaminopurine)。命名為激動(dòng)素(kinetin，KT)。 1965：Skoog 等，建議使用細(xì)胞分裂素(cytokinin, CTK)名稱。,1960初，Miller和D.S. Letham(Australia)獨(dú)立

15、地從嫩玉米種子和李子的小果中提取到類似激動(dòng)素特性的一種嘌呤，即玉米素（zeatin）。其他CTKs 物質(zhì)相繼被提取和鑒定。CTKs 是一類在N6位置上取代的腺嘌呤衍生物。玉米素分布最廣。CTKs 還有:二氫玉米素(diHZ)、異戊烯基腺嘌呤(iP) ?；瘜W(xué)合成6BA。,6BA,CTKs 在腺嘌呤第9位結(jié)合一個(gè)核糖分子（形成核苷），或結(jié)合一個(gè)核糖磷酸分子（形成核苷酸）,玉米素核苷,玉米素核苷酸,一、CTKs 生物合成,部位：細(xì)胞分裂旺盛的根尖、生長(zhǎng)中的果實(shí)和種子。 9R-5P iP為重要中間產(chǎn)物，其他 CTKs的前體； 催化AMP轉(zhuǎn)化為9R-5PiP 的酶：isopentenyl transfe

16、rase (ipt，異戊烯基轉(zhuǎn)移酶)。激素基因工程中的重要對(duì)象。,Fruits of tomato plants transformed with ipt gene轉(zhuǎn)移 ipt基因的番茄果實(shí),The ipt gene is under the control of the fruit-specific 2A11 promoter The fruits contain 10- to 100-fold higher than in control,二、CTKs 代謝1. 形成結(jié)合態(tài),氨基酸結(jié)合態(tài),葡萄糖結(jié)合態(tài),2、 氧化降解,由細(xì)胞分裂素氧化酶催化,三、CTKs 生理功能1、促進(jìn)細(xì)胞分裂和參與形態(tài)

17、建成,證據(jù)1：CTKs 分布于旺盛分裂的組織； 證據(jù)2：Crown gall tumor on a tomato plant 用野生型根瘤農(nóng)桿菌接種一月齡番茄的莖部，一個(gè)月后照相 根癌農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒T-DNA上含有合成IAA和CTKs 的基因(iaaM, iaaH; ipt),CTK/ IAA ratio: 細(xì)胞分化的控制理論,Skoog Middle: theobroxide Right: SD,JA促進(jìn)水稻穎花的開放,4 mM JA處理離體稻穗 (左5穗：對(duì)照；右5穗：處理),JA促進(jìn)稻花開放的作用在雜交水稻制種中具有重要的實(shí)踐意義,雜交稻制種：10行雄性不育系（矮），間排2行恢復(fù)系（高)

18、,雜交稻種子產(chǎn)量低。穎花結(jié)實(shí)率通常不足10%,JA用于水稻的田間實(shí)驗(yàn)效果,JA對(duì)父母本花期的調(diào)節(jié)（左：對(duì)照； 右：處理）,對(duì)雄性不育系(母本)施用JA效果:籽粒結(jié)實(shí)率提高400%,JA可能介導(dǎo)卷須形成中的信號(hào)傳遞,四、水楊酸類(Salicylic acid, SA),The main endogenous SAs in higher plants,SA促進(jìn)呼吸電子沿交替途徑進(jìn)行，使佛焰花序產(chǎn)熱,海芋屬植物的佛焰花序,The response voodoo lily appendix to application of SA,SA與植物的抗病性相關(guān),Necrotic lesions on the

19、 leaf of resistant tobacco formed in response to infection with TMV,Concentrations of free and conjugated SA in leaves of resistant tobacco after mock and TMV inoculations,Upper: inoculations carried out at 24oC Lower: inoculations carried out at 32oC，but 10 hours later the plants were transferred t

20、o 24oC,系統(tǒng)（全株）獲得性抗性,病程相關(guān)蛋白（PR）,Induction of PR1 protein as a function of leaf SA,提取煙草葉片蛋白，電泳，銀染 最下排數(shù)字代表該葉片中的實(shí)際SA含量(ng.gFW-1),第一次接種誘導(dǎo)了SAR的形成，使其他葉片 獲得了抵抗TMV的能力,第一次接種（右）和挑戰(zhàn)接種葉片（左）中壞死斑的比較,第七節(jié) 生長(zhǎng)抑制物質(zhì),生長(zhǎng)抑制物質(zhì)是指對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有抑制作用的化合物。 根據(jù)其抑制生長(zhǎng)的作用方式分為2大類： 1）生長(zhǎng)抑制劑（growth inhibitor） 2）生長(zhǎng)延緩劑（growth retartant）,一、生長(zhǎng)抑制劑（gro

21、wth inhibitor）,抑制頂端分生組織生長(zhǎng)，使植物喪失頂端優(yōu)勢(shì)，植株形態(tài)發(fā)生很大變化。是一類抗生長(zhǎng)素類物質(zhì)，作用只能為生長(zhǎng)素類所恢復(fù)，不能被GA恢復(fù)。 天然生長(zhǎng)抑制劑：脫落酸、肉桂酸、香豆素、水楊酸、綠原酸、咖啡酸和茉莉酸。 人工合成生長(zhǎng)抑制劑：三碘苯甲酸、整形素等。,（一）三碘苯甲酸 (2.3.5-triidobenzoid acid，TIBA),抑制IAA極性運(yùn)輸。促進(jìn)腋芽萌發(fā)，抑制頂端優(yōu)勢(shì)。 100 ppm 噴施大豆使植株矮化，花芽分化與結(jié)莢量增多，提早成熟，防止倒?fàn)睢?（二）馬來酰肼（maleic hydrazide, MH）,我國(guó)又稱青鮮素。 其作用正好與生長(zhǎng)素相反。 結(jié)構(gòu)與尿嘧啶相似，MH進(jìn)入植物體