1、第七章 植物生長物質(plant growth substance)教學時數：8學時左右。教學目的與要求：使學生了解五大類植物激素的發現、作用及作用機理；掌握植物生長物質的研究和應用現狀及應用方法；達到理論聯系實際，能應用植物生長物質解決農、林、果、蔬及花卉生產中實際問題的目的。教學重點：植物生長物質的發現、作用、作用機理及應用。五大類植物激素的生物合成。教學難點：生長素極性運輸的機理；五大類植物激素的作用機理。本章主要閱讀文獻資料：1.王鏡巖主編：生物化學（第三版），高等教育出版社。2.宋叔文、湯章城主編：植物生理與分子生物學（第二版），科學出版社。3.王寶山主編：植物生理學，科學出版社，2

2、004年版。本章講授內容：植物生長物質（plant growth substance）：是指一些能夠調節和控制植物生長發育的物質。 植物激素（plant hormone）：天然的、內源的、含量低、作用明顯。植物生長物質 植物生長調節劑（plant growth regulator）：人工合成的、外源的、分子結構多樣，其中一部分是模擬植物激素的結構而合成的。20世紀30年代至今，人們在高等植物體內陸續發現多種具有植物激素作用的物質，但被國際植物生長物質大會公布，即國際公認的仍為3060年代（19341967）的5大類：生長素類、赤霉素類、細胞分裂素類、乙烯、脫落酸。第一節 生長素類一、生長素的發

3、現與化學本質生長素（auxin）是發現最早，研究最多的一類植物激素。1.1880年，Charles Darwin（英國，達爾文）父子的植物向光性試驗論文發表于1880年，題目：植物的運動本領。P.168圖8-1：正常完整胚芽鞘的向光彎曲；和.切去鞘尖或鞘尖遮光，胚芽鞘不發生向光彎曲；.鞘尖戴透明小帽，胚芽鞘發生向光彎曲；.鞘尖暴露單側光，下部遮光，胚芽鞘發生向光彎曲。結論：只有胚芽鞘頂端能接受光的刺激，而引起胚芽鞘的向光運動。達爾文父子論文的要點：當胚芽鞘暴露于單側光時，某些影響由上部傳到下部，因而引起后者發生彎曲。只有幼苗的頂端能接受光的刺激，當把幼苗遮光時，則不發生向光彎曲。2.1928年

4、，FWWent（荷蘭，溫特）的試驗P168圖8-1：.切下鞘尖置于瓊脂塊上，約1h后移去鞘尖；.瓊脂切成小塊，置于去頂胚芽鞘殘樁的一側，黑暗處。.一段時間后，胚芽鞘向放瓊脂小塊的對側彎曲。結論：胚芽鞘尖端的“影響”是一種促進細胞生長的物質，可通過瓊脂塊傳遞給胚芽鞘殘樁。Went稱其為“生長素”。Went創立的燕麥實驗法，用來定量測定生長素（P170圖）：在彎曲角度為0200的范圍內，燕麥胚芽鞘的彎曲度與瓊脂塊中生長素的含量成正比。生長素在瓊脂塊中的含量以燕麥單位表示。一個燕麥單位在黑暗處，2223和相對濕度92%的條件下，使燕麥胚芽鞘彎曲10度時，2mm3瓊脂小塊中生長素的含量。3.1934年

5、，KKgl（荷蘭，郭葛）等人郭葛首先從人尿中分離提取出生長素從玉米油、燕麥胚芽鞘、麥芽等分離和純化了生長素，經鑒定為：吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）；后來證明植物體內還存在其他生長素類物質：苯乙酸（phenylacetic acid，PAA）、4-氯-3-吲哚乙酸（4-chloro-3-indole acetic acid，4-Cl-IAA）、吲哚丁酸（indole butyric acid，IBA）二、生長素在植物體內的分布和傳導1.分布生長素廣泛分布于高等植物的各個組織和器官，一般在幼嫩的部位、生長發育旺盛的部位含量較高，而衰老的部位生長素含量較少。2.傳導（運輸

6、）運輸特點：主要是極性運輸；運輸通道為：韌皮部；運輸性質：是一種主動運輸的過程（A.速度比擴散大10倍；B.缺氧呼吸受阻時運輸也受阻；C.可逆濃度運輸）；運輸機理：1997年，Goldsmith提出的化學滲透極性擴散假說。要點：由于韌皮部篩管細胞形態學上下兩端膜上的組成不同（下端膜上有生長素陰離子運輸蛋白，而上端無），以及細胞內外pH值的不同（外低內高），從而引起了IAA在篩管中的極性運輸。具體內容（P170圖8-5）：韌皮部篩管細胞膜具有ATP酶H+泵，水解ATP釋放能量將H+泵到膜外，造成膜外pH值低（pH=5）和膜內pH值高（pH=7）；IAA（酸性）在膜外（酸性）呈分子態（不解離），親

7、脂的IAA分子易透過細胞膜而進入細胞；膜內（pH值高）IAA分子解離（ 和H+），IAA不易透過細胞膜；IAA在細胞中移動到底部（下部）時，通過生長素陰離子（IAA）運輸蛋白被動到達下部膜外。IAA在膜外與H+結合為分子態，進入下一個篩管細胞。三、生長素的存在形式與代謝1.生長素的存在形式游離型、結合型2.生長素的代謝1）生長素的生物合成植物體的幼嫩部位，生長素合成較多。一般認為，莖尖是合成生長素的中心，根尖生長素的合成也很多。在多數高等植物體內，生長素（IAA）合成的原料是色氨酸，色氨酸主要通過4條途徑合成IAA：吲哚丙酮酸途徑（indole pyruvate pathway）色氨酸氧化脫氨

8、形成吲哚丙酮酸，然后脫羧形成吲哚乙醛再氧化為吲哚乙酸（IAA）。色胺途徑（tryptamine pathway）色氨酸脫羧形成色胺，然后氧化脫氨形成吲哚乙醛再氧化為吲哚乙酸（IAA）。吲哚乙睛途徑（indole acetonitrile pathway）主要存在于十字花科的植物中（P171圖8-6）。吲哚乙酰胺途徑（indole acetamide pathway）存在于侵染植物的病原微生物中的一條合成吲哚乙酸（IAA）的途徑。色氨酸在兩種酶作用下，經過吲哚乙酰胺最后轉變為吲哚乙酸（IAA）。2）生長素的分解代謝轉變為束縛生長素自由生長素（游離型生長素）：單獨存在，不與任何物質結合，易于提取，

9、具有生理活性。束縛生長素（結合型生長素）：與體內的某些物質結合，無生理活性，在一定條件下可水解為自由生長素從而恢復生理活性。酶促降解在IAA氧化酶的作用下降解產物多樣，分為側鏈脫羧和側鏈不脫羧兩種。光氧化降解可見光、紫外光、X射線等，都可使IAA轉變為無生長素活性的物質。光可提高IAA氧化酶的活性，使IAA加速分解；光可促進游離型生長素轉變為束縛生長素。四、生長素的作用機理生長素的主要作用是促進細胞體積的擴大，主要通過兩種方式實現：增加細胞壁的可塑性（酸化）增加細胞原生質及壁物質的含量首先，細胞膜上具有生長素受體。激素受體（hormone receptor）是指那些特異地識別激素并與激素高度結

10、合，進一步引起一系列生理生化變化的物質。實質上，大多數激素的受體為蛋白質。生長素受體有兩種：第一種（多數的生長素受體）是位于膜（質膜、液泡膜、內質網膜等）上的生長素結合蛋白，主要起質子泵的作用，將膜內的H+泵到膜外。第二種（少數的生長素受體）是位于細胞質或細胞核中的可溶性生長素結合蛋白，促進細胞原生質的合成（例如，mRNA，蛋白質等）。1.細胞壁的酸化作用（酸生長學說）1970年Rayle和Cleland（雷利和克萊藍）提出，要點：生長素促進質子泵活化，將質子（H+）泵到細胞壁使之酸化，壁物質瓦解，細胞壁可塑性增加而導致細胞伸長。質子泵活化的兩種情況：生長素直接活化質膜上已存在的ATP酶H+泵

11、，速度較快；生長素可通過受體（細胞內）和信號轉導促使細胞內合成新的mRNA，進一步合成有活性的ATP酶H+泵到達質膜，速度較慢。2.生長素促進核酸和蛋白質的合成生長素與細胞內受體結合，通過信號（IP3、Ca2+等）轉導活化某些基因，促使細胞內DNA復制、RNA轉錄和蛋白質的合成，從而使細胞中原生質的含量增加，這些物質的進一步代謝又合成了壁物質，對壁起補充作用。五、生長素類物質的應用人工合成的生長素類物質（2,4D、NAA等）廣泛應用于生產中，主要有以下幾個方面：1.促進插枝生根用2,4D或NAA處理，可使多種不易生根的植物扎根早、返青快、長勢好、提高成活率。2.促進座果及形成無籽果實 用NAA

12、或2,4D溶液噴樹冠可控制落果，浸花或噴花可形成無籽果實。3.誘導菠蘿開花和瓜類植物開雌花 用生長素處理，可使菠蘿在2個月后開花，在一年任何月份均可處理；生長素處理可使瓜類植物多開雌花，提高產量。4.無根豆芽的培養 植物的根、莖、芽三種器官對生長素的敏感程度不同，其中根對生長素最敏感，莖對生長素最不敏感，芽的敏感程度界于二者之間。用促進莖生長的生長素濃度浸種催芽，即可促進下胚軸的生長而抑制根的生長，從而長出無根豆芽。例如：用12mg/LIAA水溶液浸種催芽，生出的豆芽根短，但莖桿粗壯鮮嫩。5.殺除雜草 高濃度的2,4D溶液在禾本科作物田間噴施，雙子葉雜草被殺死而對作物無害。第二節 赤霉素類（G

13、ibberellin，GA）一、赤霉素的發現1926年，黑澤英一（日本）在水稻惡苗病菌（赤霉菌）的培養液中發現一種能引起水稻徒長的物質，但沒有命名，更沒有確定其化學結構。1938年，藪田貞次郎和住木諭介（日本）首次從水稻惡苗病菌（赤霉菌）中提取結晶出這種強烈刺激植物生長的物質，并命名為赤霉素，但沒有分析和證明其化學結構。1959年，確定化學結構。二、赤霉素的結構、分布和運輸1.結構赤霉烷，4個環組成的，含有1920個的雙萜類化合物。赤霉烷目前，在高等植物體內已經發現的赤霉素有100多種，其中19C的種類多于20C，生理活性也高于20C。赤霉素分子中有一個游離的羧基，因此呈酸性。2.分布赤霉素廣

14、泛分布于高等植物的各個組織和器官，一般在幼嫩的部位、生長發育旺盛的部位含量較高，而衰老的部位生長素含量較少。生長發育最旺盛的部位也是其合成和活性最高的部位。GA在植物體內也分自由和束縛兩種狀態，自由態具有生理活性，易被有機溶劑提取，束縛態的GA往往與糖或蛋白質結合而失去其生物學活性，不易被有機溶劑提取。酸或蛋白酶可使其分離釋放出自由態的GA。3.運輸赤霉素在高等植物體內的運輸形式靈活多樣，上下左右均可，木質部和韌皮部皆行。三、赤霉素的生物合成因為GA是萜類化合物，所以合成原料是3分子的乙酰CoA（CH3SCoA），經甲羥戊酸（MVA）和異戊烯焦磷酸（IPP）而合成的：3分子的乙酰CoA 甲羥戊

15、酸（MVA） 異戊烯焦磷酸（IPP）（4分子）牻牛牻牛焦磷酸（GGPP） 咕吧焦磷酸（CPP） 環化為內根貝殼杉烯 進一步轉化為GA。由于赤霉素結構復雜，人工合成較為困難，有些種類可人工合成（GA3、GA19、GA1等），但成本較高。目前多采用從人工培養赤霉菌的培養液中進行提取的方法來生產。四、赤霉素的生理作用及作用機理1.生理作用GA的作用主要為從機促進和抑制兩個方面，P180了解。2.作用機理GA調節植物體內IAA的水平及對生長的促進作用（GA能提高植物體內IAA的含量）GA促進植物體內IAA的生物合成：A.GA促進色氨酸轉變為IAA；B.GA提高蛋白酶的活性，促使蛋白質分解，形成較多的色

16、氨酸，為IAA的合成提供更多的原料；GA抑制IAA氧化酶的活力，降低IAA的破壞速度。GA促進束縛態的IAA轉變為自由態的IAA。GA對細胞生長的直接作用GA使壁中的Ca2+減少，細胞壁伸展性加大；GA促進細胞壁物質的合成GA促進細胞內RNA和蛋白質的合成完整種子：（有GA）胚乳淀粉水解去掉胚的種子：（無GA）胚乳淀粉水解緩慢去掉胚的種子GA，胚乳淀粉水解萌發的大麥種子 用剝離的糊粉層細胞進行仔細研究表明，GA不但誘導糊粉層細胞中-淀粉酶的產生，而且也誘導其他水解酶的產生，例如：蛋白酶、核酸酶等。五、赤霉素的應用1.麥芽糖化大麥發芽時，胚產生的GA誘導糊粉層細胞中合成-淀粉酶、蛋白酶、核酸酶等

17、，將大麥胚乳中貯藏的有機物分解，產生大量的可溶性糖、氨基酸等添加于啤酒中，使其營養豐富。但發芽消耗原料并且浪費人、物力及時間。生產中用GA浸泡大麥種子直接誘導糊粉層細胞中酶的合成，不需要發芽的過程，可節約糧食10%，縮短生產周期12天，啤酒的質量不受影響。2.促進營養生長GA主要促進植株的伸長生長，使莖桿高大。例如，GA處理可使麻類增高，纖維的產量和質量均提高。3.誘導抽苔開花GA可代替低溫或長日照使某些越冬植物在種植的當年開花。4.促進果實生長及誘導無籽果實5.打破休眠，促進發芽促進包括營養繁殖器官（塊莖、塊根、鱗莖等）和種子的發芽。6.性別控制GA可促進瓜類植物開雄花，多用于遺傳育種方面。

18、第三節 細胞分裂素類（cytokinin，CTK）一、細胞分裂素類的發現1941年Van Oveibeek（俄佛比克）等人，在培養離體種子胚時，將椰汁加入培養基，能活躍促進細胞分裂。1948年美國威斯康辛大學的F.S.Skoog（斯庫格）和中國的崔澂（中科院植物研究所）等人，在煙草髓細胞培養時發現，腺嘌呤的衍生物對細胞分裂和芽的分化有促進作用。1955年F.S.Skoog等人發現，DNA的降解物能促進細胞分裂，在培養基中加入放置很久的鯡魚精子DNA，細胞分裂加快；如在培養基中加入新鮮的DNA，則不能促進細胞分裂。后來把DNA進行高壓滅菌處理使其降解，然后進行提取分離，經純化后發現其促進細胞分裂

19、的物質是：6-呋喃氨基嘌呤，后命名為激動素（kinetin，KT）。二、細胞分裂素的種類天然的主要CTK類物質：玉米素、二氫玉米素、玉米素核苷、異戊烯基腺苷等。人工合成的CTK類物質主要是：6-BA、KT三、CTK的分布、運輸及生物合成1.分布廣泛分布于各個器官和組織，多集中在強烈進行細胞分裂的部位。2.運輸主要由根尖合成，通過木質部運到地上各個器官，為被動運輸。3.生物合成天然CTK組成：腺嘌呤異戊烯側鏈。腺嘌呤來源：AMP；異戊烯側鏈來源：IPP。3乙酰CoA 甲羥戊酸（MVA） IPP四、CTK的作用機理1.CTK對轉錄和翻譯的控制 促進RNA聚合酶的活力，促進RNA合成；2.保護tRA

20、N 阻止核酸酶對tRAN上iP側鏈的水解作用；3.提高蛋白質含量和酶活力 CTK可以促進a- 淀粉酶、PEPC、PuBPC等酶蛋白的合成，還可激活二肽酶等酶的活力。CTK與鈣信使的關系：CTK與鈣在分布上的相關性提示可能是細胞分裂素信息傳遞系統的一部分。五、細胞分裂素的生理作用及應用1.促進細胞分裂與擴大（橫向）2.誘導芽的分化（IAA/CTK高時利于根的分化，低時利于芽分化，中等水平時愈傷組織生長不分化。）3.延遲葉片衰老（阻止核酸酶、蛋白酶等酶的活力；吸引營養物質的定向運輸。）4.促進氣孔開放5.促進側芽發育（消除頂端優勢）6.促進組織與器官分化7.促進某些色素的生物合成第四節 脫落酸（a

21、bscisic acid,ABA）一、脫落酸的發現及化學結構1.脫落酸的發現1963年，美國的F.T.Addicot（阿迪科特）等，發現一種促進棉桃脫落的萜類化合物，命名為脫落素；同時英國的P.F.Wareing（韋爾林）等在將要脫落的槭樹葉片中提取了一種促進休眠的物質命名為休眠素。二者為同種物質，1965年確定化學結構，1967年命名為脫落酸。2.脫落酸的化學結構ABA是由三個異戊二烯單位組成含15C的倍半萜類化合物。二、脫落酸的分布和代謝1.脫落酸的分布各種組織、器官分布均有，分布特點：A.衰老的葉片及果實中含量最高；B.休眠的器官的含量高于正在生長的器官；C.遇逆境時，植物體內的ABA含

22、量迅速升高。2.脫落酸的運輸運輸形式：游歷型；ABA糖苷型3.脫落酸的生物合成1）合成部位莖、種子等，葉片中合成較多，并能在葉綠體中大量積累。2）合成途徑萜類途徑：類胡蘿卜素途徑：注意：ABA和GA都是萜類化合物，其合成前體均為IPP，環境條件控制IPP的合成方 向。長日照下GA合成占優勢；短日條件下ABA合成較多。三、脫落酸的作用機理ABA結合蛋白（受體）：根據ABA的作用判斷，其受體可能在質膜和核中。ABA阻止DNA、RNA和 蛋白質的合成ABA抑制大麥胚乳中-淀粉酶的合成作用。ABA與Ca2+CaM系統的關系：ABA受體（質膜） IP3 打開Ca2+通道胞質中Ca2+增加 活化離子通道（

23、K+、Cl-等） 氣孔關閉等過程。四、脫落酸的生理作用及應用1.抑制生長2.促進脫落3.促進休眠4.促進氣孔關閉（可作為抗蒸騰劑使用）5.提高植物的抗逆性植物在逆境條件下ABA 產生迅速增加，調整生理活動，適應不良環境。ABA又稱“應激激素”。第五節 乙烯（ethylene,ETH）一、乙烯的發現1901年，俄國Neljubow報道，照明氣中的乙烯會引起黑暗中生長的豌豆幼苗產生“三重反應”，初步認為乙烯可能是一種植物生長物質。20世紀初，發現乙烯可使綠色的檸檬變黃成熟。30年代，在研究果蔬貯藏與運輸時發現，乙烯對果實、蔬菜和花卉的成熟及衰老具有強烈地促進作用，并將其稱為“成熟激素”。二、乙烯的

24、分布、生物合成及鈍化1.乙烯的分布廣泛分布于高等植物的各個組織和器官，成熟的器官和部位（例如，成熟的果實和將要凋謝的花）乙烯含量較高。2.乙烯的生物合成1977年美國加州大學的亞當斯（ D.O.Adams ）和楊祥發（ S.F.Yang ）發現乙烯合成的蛋氨酸循環。蛋氨酸循環總結：1）發現人是亞當斯（D.O.Adams ）和楊祥發（S.F.Yang ）；2）原料為蛋氨酸（Met），第3、4碳；3）直接轉變為乙烯的物質是ACC（1-氨基環丙烷-1-羧酸）；4）兩次利用ATP的反應。第一個的意義：攜帶甲硫基，使其循環利用；為下一個蛋氨酸提供碳源；第二個的意義：活化甲硫基核糖；5）Eth的碳最終來自

25、ATP的核糖。乙烯合成過程中三種重要的酶：1.ACC合成酶果實成熟、器官衰老、IAA合成等內因和逆境等外因均能提高該酶的活力。乙烯的“自我催化”和“自我抑制”是乙烯合成的重要特征。2.ACC氧化酶（乙烯形成酶）該酶在有氧條件下將ACC氧化為乙烯。有明顯的“自我催化”和“自我抑制”的特征。3.ACC丙二酰基轉移酶該酶的存在和活力的大小調節著植物體內乙烯的生物合成。三、乙烯的作用機理1.乙烯對酶活力的調節乙烯受體（膜上的蛋白二聚體） 鈍化負調節物 活化離子通道（跨膜蛋白） 離子轉運進入細胞 活化轉錄因子 基因表達乙烯促進特定mRNA轉錄，合成的蛋白主要是纖維素酶和果膠酶（即多聚半乳糖醛酸酶）。分解

26、細胞壁 離層 脫落2.乙烯對IAA的作用抑制IAA的極性運輸；抑制IAA的生物合成；促進IAA的分解（促進IAA氧化酶的活力）。3.ETH增加細胞膜的透性，促進物質的吸收和轉運四、乙烯的生理作用及應用1.引起三重反應和偏上生長 三重反應：乙烯抑制黃化豌豆幼苗莖的伸長生長，促進莖的加粗生長，使莖失去負向地性向水平方向彎曲生長。偏上生長：乙烯使番茄植株出現葉柄下彎，葉片下垂的現象。2.促進果實成熟（誘發呼吸躍變）；3.促進衰老與脫落；4.促進菠蘿開花；5.增加瓜類植物雌花；6.促進次生物質排出，例如促進橡膠排膠等。第六節 其他天然的植物生長物質一、油菜素內酯（brassinolide，BR）1.油菜素內酯的發現和化學結構1970年美國Mithell等從油菜花粉中分離出一種具有很強生理活性的物質，稱為油菜素或蕓薹素。1977年Grove等用227kg油菜花粉得到10mg BR結晶。BR是一種甾體類物質，具有很強的生理活性。2.油菜素內酯的分布和生理作用分布高等植物的枝、葉、花等各個器官均有，以花粉中含量最高。生理作用促進細胞的伸長和分裂；提高葉綠素含量，促進光合作用；提高植物的抗逆性。二、多胺（polyamines, PA）1.多胺的種類、分布及生物合成種類二胺：腐胺、尸胺等三