1、高 級 植 物 生 理 學植 物 激 素在植物生長發育過程中，植物體內有多種有機物與無機物，通過代謝作用供給細胞生長與分化所必須的基本物質。植物激素在生長發育中起著重要調節作用，調控植物和細胞生長與分化方向與進度： 如提早或延遲開花結果、促進或延緩果實成熟;促進根發育、莖葉伸長生長（纖維植物，蔬菜、煙葉）等。 通過對植物體內激素的合成、代謝、運輸與分布以及激素生理作用的研究，對植物生長發育進行有效的調控，從而提高農作物產量與品質。Ø 遺傳調控:通過遺傳轉化品種改良，改變植物內源激素水平，調節植物生長發育,如轉ACS基因促進果實成熟。ipt轉化以延緩植物衰老。Ø 化學調控：用

2、外源生長調節劑，改變植物體內源激素平衡，控制植物生長發育。GA對伸長生長作用，IAA對生根作用等。Ø 環境調控：通過控制環境水分、溫度、礦質營養，改變植物激素水平，調節植物生長發育過程。水肥增加細胞分裂素、生長素水平；果實貯藏增加溫度促進乙烯產生而激素果實成熟等。近年來對于植物激素的生理功能、作用機理、生物合成等方面的研究都取得了很大進展，對許多問題從分子生物學的角度進行研究，有了新的更深刻的認識。植物激素是一種化學信號，對它的感知、傳遞和反應等方面的研究中有了全面新的認識、新技術、新研究成果不斷涌現，已成為當前國際上研究的熱點。一、植物激素的定義植物激素（ Plant hormon

3、es）是植物體內天然存在的一系列有機化合物，含量非常低，生理活性強，調控植物生命活動的整個進程。植物生長調節劑（Plant growth regulators）人工合成的化合物具有內源激素相似的生理活性或能影響內源激素合成、運輸、代謝或生理作用。植物激素與植物生長調節劑統稱為植物生長物質（Plant growth substance）。植物激素特點：產生于植物體內特定部位，是植物正常生長發育過程中或特殊環境下的代謝產物；能夠從合成部位運輸到作用部位；不是營養物質，低濃度產生各種特殊的調控作用（生長、抑制）。激素合成部位:IAA在分生組織及種子內合成；GA主要在生長的種子中合成；CTK主要在根尖

4、合成；ABA和乙烯能在不同器官合成，在成熟、衰老和脅迫環境下能在特殊部位大量產生。激素運輸特點: 植物激素運輸主要為微管系統，IAA在胚芽鞘及幼莖組織的細胞間短距離運輸有極性運輸特點，而且與細胞的伸長有關，其它激素無極性運輸。二、植物激素的種類及相互之間的作用目前公認的植物激素有五大類： 生長素類（IAA）、赤霉素類（GA）、細胞分裂素類(CTK）、乙烯(ETH)、脫落酸（ABA）。 植物體內存在油菜甾體類（BR）、多胺（PA）、茉莉酸（MJ）、水楊酸（SA）、寡糖素等也具有近似激素的特性。我國科學家發現玉米赤烯酮等 一般認為一種激素對某一種植物生理作用具有專一性。例如： 生長素促進細胞體積擴

5、大； 赤霉素促進莖伸長生長； 細胞分裂素促進細胞分裂； 脫落酸促進休眠以及乙烯促進果實成熟等。 研究發現,在植物體內上述每一種生理現象的控制因素極為復雜，不是一種激素起一種作用，是各種激素之間相互作用的綜合表現。1. 不同激素間濃度和比例的影響 生長素與細胞分裂素共同控制煙草愈傷組織器官分化及生長(芽根）作用取決于生長素和細胞分裂素的各自濃度與適當的比例，表現出兩種激素相輔相成的作用，尤其在組織培養器官形成極為典型。 植物激素相互控制雌雄異花及雌雄異株花植物的性別分化，乙烯與赤霉素的濃度比值高低有利于黃瓜雌花分化，相反的情況則有利于雄花的分化。在雌雄異株的大麻及菠菜實驗中，花性別分化取決于細胞

6、分裂素與赤霉素濃度的比值。 2. 不同激素間的拮抗作用 不同激素間的拮抗作用，生長素與細胞分裂素對對植物頂端優勢有相反的效應；生長素與乙烯對葉片脫落也有相反的作用，脫落酸與赤霉素或細胞分裂素的生理作用也有分別的拮抗作用，如種子萌發。3. 某種激素通過影響其它激素的合成、運輸及代謝而改變后者濃度。 生長素提高乙烯：較高濃度的生長素對植物體內乙烯合成有顯著的促進作用，生長素提高乙烯合成效率，乙烯抑制生長素在植物體內運輸并影響生長素的代謝。 GA促進生長素水平：GA抑制生長素結合態的形成及氧化酶的活性，從而提高內原生長素的濃度；赤霉素則能促進生長素的生物合成作用。4. 不同激素的連鎖性作用。 植物內

7、源激素的含量往往伴隨生長發育進程而有顯著的變化，這種現象揭示在不同生長發育階段相應由不同激素起著特定作用。對整個生長發育過程而言，各種激素起著連鎖性的作用。 小麥成熟階段種子中內源細胞分裂素、赤霉素、生長素與脫落酸的含量在其灌漿至成熟過程中相繼出現高峰；種子萌發階段，由休眠、后熟直至萌芽階段，其內源激素含量的變化趨勢與上述過程相反。 所以：從種子萌發幼苗生長開花結實衰老休眠，各種激素在不同生育期起著不同生理作用。三、植物激素的測定方法 激素在植物體內含量極低，性質又不穩定，加之細胞中其他化合物的干擾，故測定方法必須十分靈敏和專一。通常先用合適的有機溶劑來提取，既要避免許多干擾物質，又要防止激素

8、破壞。其次采取各種萃取或層析步驟，使激素得到部分提純，然后用生物的、物理或化學方法測定其含量。 1生物測定法 是通過測定激素作用于植物或離體器官后，所產生的特異生理生化效應的強度，從而推算出植物激素含量的方法。 IAA:IAA小麥胚芽鞘切段伸長法。 GA:根據赤霉素與淀粉酶活性原理，用半粒種子法；水稻幼苗根莖伸長法。 CTK:細胞分裂素用蘿卜子葉增重法；葉綠素合成法。 ABA:ABA棉花葉柄脫落法； ETH:乙烯黃花豌豆上胚軸“三反應”等。2物理和化學方法 植物激素的測定分析采用薄層層析、氣相色譜（gas chromatography，GC）、高效液相層析（high liquid perfor

9、mance chromatography，HPLC）、質譜分析（mass spectrography，MS）等，其原理大都是基于不同物質在不同介質中的分配系數。測定生長素含量可以達到10-12g的水平。如GC測定乙烯含量；氣質聯譜（GC-MS）分析赤霉素。 3免疫分析法 利用抗原與抗體的特異性反應來檢測激素的一種方法根據不同的已知濃度的抗原與抗原抗體沉淀量的關系式，便可計算出樣品中激素的含量。(激素與蛋白結合形成抗原，將此注射到動物體誘導產生抗體，分離抗體用來檢測植物體內激素含量）。當前常用的兩種激素定量技術。 放射免疫法：如用放射性抗原，則可通過測定放射性強度來定量。如放射免疫測定法， 酶聯

10、免疫吸附檢測法：采用酶標記的抗體來指示抗原抗體結合的微量測定法。酶作用底物的呈色反應鑒定激素含量。四、植物激素的研究方法 過去研究激素的生理作用及作用機理，多采用外源激素及對內源激素水平的檢測。觀察對植物生長發育影響。這種方法為人們認識激素的功能積累了大量的知識。但卻存在很大的局限性，例如受到吸收、運轉和內外因素的干擾。在細胞中的有效濃度，有很大的差異。但是外源激素生理效應研究為生長調節劑應用開辟廣闊前景。 現代分子生物學和遺傳學的手段在研究植物激素領域中的應用和發展，大大地促進了人們對激素作用的認識。 通過在自然界篩選或化學誘變，得到了適合于不同研究目的突變體（mutant）和營養缺陷型（a

11、uxotroph），激素合成基因突變體。 通過基因工程的方法，成功地從農桿菌和假單孢菌中克隆出生長素和細胞分裂素代謝基因，獲得了轉基因植物（transgenic plant），使人們有可能改變植物內源激素水平，特別是生長素和細胞分裂素濃度和分布，重新檢查各種生理現象。從遺傳基上礎改變內原激素代謝及生長發育進程，調控植物生長發育。五、激素受體研究 過去認為，植物激素本身可以作用于DNA，它們有可能和DNA某些堿基上的基團發生反應，導致特定基因的活化引起生理反應。現代生物學的研究成果來看，五大類激素的分子量都不大，激素和DNA分子的直接作用不可能導致特定基因的表達。現在研究結果表明，激素必須首先與

12、受體結合，引起受體蛋白激活，激活的受體將引起某些生理反應，如某些離子的吸收與釋放，特定蛋白質的磷酸化和去磷酸化。這些生化上的變化可引起一系列的連鎖反應，最終導致特定基因表達。從激素與受體結合到激素誘導基因表達的過程，稱為激素的信號傳導（signal transduction）。植物激素受體研究是指激素的結合蛋白，受體蛋白與其激素分子之間應有很強的親和力及特異性，激素受體的一個重要特性是激素分子和受體結合后能使受體激活，激活受體可引起細胞生理反應。 生長素受體研究較快，已分離出數種生長素受體，其中有三種位于膜上，其他激素受體研究進展研究較慢，有在蠶豆保衛細胞原生質體中分離到ABA結合蛋白，有10

13、12KD乙烯結合蛋白。生長素受體TIR1（煙草生長素結合蛋白ABP1）。六、激素的基因工程和轉基因植物 致癌農桿菌所引起的冠癭瘤細胞在組織培育過程中不需要外加植物激素即可無限地分裂生長，這是因為Ti質粒上有一段特定的DNA區域，稱為T-DNA（transferred DNA）。T-DNA的長度大約為23kb，其中有一段9kb的高度保守區。在這個區已鑒定出幾個基因，基因1、2和4。經過轉座子突變證明，基因1、2與生長素合成有關，基因4與細胞分裂素合成有關。 基因1編碼的iaaM（色氨酸單加氧酶） 在冠癭瘤中的合成IAA中間產物吲哚乙酰胺; 基因2編碼的iaaH（吲哚乙酰胺水解酶）;由吲哚乙酰形成

14、吲哚乙酸。 基因4編碼異戊烯基轉移酶（isopentenyl transferase gene,ipt)，這此酶催化細胞分裂素生物合成中最重要的一個限速反應。 除農桿菌外，從假單孢菌也分離出iaaL(吲哚已酰賴氨酸合成酶），可用以轉化植物，可以選用不同的起動子（promoter）來控制基因的表達活性，從而提高植物體內激素的合成，或降低體內的激素水平，以便能更深入地研究激素地作用機理，有效地控制植物地生長發育。由于植物激素在體內沒有十分專一的合成部位，不象在動物中那樣，通過切除或移植腺體的方法，以調節激素的水平。采用基因工程的方法，就使人為的控制激素在植物體內的合成成為可能。Ø Spe

15、na，Romano (1991） 將iaaL基因導入煙草、馬鈴薯和擬南芥植物內都有表達，結合態IAA含量增加，游離態IAA含量下降。對照相比，可明顯低發現，含iaaL基因的馬鈴薯和煙草的頂端優勢減弱，初生根減少，葉生長不正常。 Ø 將iaaM和 iaaH基因從農桿菌Ti質粒上克隆下來，再與組織特異性不同的起動子相結合，然后通過農桿菌載體整合到矮牽牛的基因組中，獲得了矮牽牛轉基因植株。Ø 將花椰菜花葉病毒19S起動子與iaaM引入植物后，iaaM基因在所有植物組織中都能表達，組織中IAA和吲哚已酰胺的含量比未轉基因的對照植株增加10100倍。在形態上也發生很大變化，頂端優勢加

16、強，不定根增多等典型的生長素反應。轉基因植株可以形成新品種，優良性狀可以穩定地在后代保留下來。近年來通過乙烯基因工程培育耐貯藏的蔬菜、果實新品種有重大突破，有的已上市。 可以看出，十多年來分子生物學和遺傳學已成為植物生長物質研究領域中不可缺少的部分。研究已發展到分子水平上，受體、信號傳導基因表達等內容。 采用的分子生物學技術，如基因分離、克隆重組、體外翻譯和轉錄、反義RNA技術和轉座子的研究，激素突變體篩選。在深入了解激素生理功能和作用機理的基礎上，將可望通過基因工程、細胞工程（分子和細胞水平上）改造植物，為遺傳育種展示了廣闊的前景。生長素(Auxin)Ø Charles Darwi

17、n （1880）金絲雀隔草的向光性實驗。認為向光彎曲，尖端產生一種影響，向下傳遞的結果。使胚芽鞘向光面和背光面生長不均勻所制。Ø 荷蘭的 F.W.Went（1928）燕麥胚芽鞘試驗。為以后生長素的生物學鑒定提供技術，燕麥試驗（avena test）。Ø F.Kogl Thimann（1944）從人尿或麥芽中提取，并鑒定為吲哚乙酸（indole-3-acetic acid IAA），在十字花科植物中提取吲哚乙氰；未成熟的豌豆子粒分離到4-氯吲哚乙酸，在玉米、大麥中分離苯乙酸（PAA）。此外是人工合成生長素類。Bouchet (1993)研究IAA促進綠豆下胚軸生長的兩個顯然不

18、同的階段。IAA處理后810分鐘開始表現生長的促進，3060分鐘生長率達到高峰，以后下降，2小時后生長率再度上升。 對這種生長現象解釋： 第一階段的迅速短暫生長是由于H+分泌及細胞壁酸化而引起細胞壁的伸展。 第二階段的持續生長是由于細胞壁構成物質的產生，細胞內有機物合成增加所引起。生長素在細胞組織作用方式Ø Masuda 及Yamamoto（1972）認為，生長素作用于胚芽鞘及幼莖的表皮最明顯，認為莖表皮是生長素作用的靶細胞。Ø Kutachera等（1987）報道，IAA促進豌豆節間細胞壁非纖維多糖合成。IAA增加表皮組織干重，但皮層組織的干重反而減少。IAA對表皮促進早

19、于大于皮層組織，皮層生長及內含物的充實較慢。所以植物的生長首先是基本結構（細胞壁生長，表皮組織的生長）形成，之后物質的合成與填充。 生長素濃度與莖生長的關系Ø Law和Davies（1990）報道，3種豌豆細長型突變品系和其它品種(IAA與莖高度的關系),莖伸長生長部位內源IAA含量與收獲時株高呈正相關(r=+0.944)，細長突變種133cm、188cm、197cm的植株高度及IAA含量均高于其它品系。 在許多豌豆遺傳突變品種中，節間長度由赤霉素GA所控制，但這三種細長突變系的節間長度不受GA合成抑制劑的影響，提高GA并非其直接控制因子，這個提示內源IAA含量也參與控制整株植物的伸

20、長生長。已知GA能促進IAA合成及增加IAA含量，生長素與赤霉素均可增加細胞壁伸展性及伸長生長。但它通過IAA作用機理： 生長素促進細胞壁伸展的作用機理（李宗霆和周燮1996）有兩種可能：Ø 生長素提高細胞膜上ATPase活性，促進質子向質膜之外運輸，pH降低使細胞壁酸化，從而打斷細胞壁結構中對酸不穩定的鍵。Ø 生長素可對ATPase活性的促進是非直接作用，極有可能通過第二信使作用，因為生長素能刺激Ca2+的釋放，增加游離態Ca2+的濃度， Ca2+或Ca2+-CaM能激化蛋白激酶，促進蛋白質磷酸化反應。第二信使增強水解酶活性，從而打開細胞壁纖維素結構間交結點的鍵。

21、6; 近年來研究結果表明，生長素可以通過誘導擴張蛋白(expansin)的表達(Caderas等2000;Greenwood等2006)，進而促進細胞壁伸展。伸展蛋白結合在纖維素微纖絲和基質多糖之間的界面上，可打斷聚合成分間交互作用的非共價鍵，致使胞壁多糖間的結合變弱，鄰近胞壁多糖間的粘著力減小，以致局部充實腫脹的胞壁多聚物滑動，細胞壁伸展受到促進。Ø 細胞壁的擴張蛋白在細胞壁的酸生長過程中起著疏松細胞壁的作用，擴張蛋白不僅可以在酸性緩沖液中恢復細胞壁的伸展性，甚至可以疏松完全由纖維素組成的濾紙。生長素誘導增加了質膜上的H+-ATPase及其穩定性，促進H+分泌，導致細胞壁酸化，擴張

22、蛋白在酸性條件下可以弱化細胞壁多糖組分間的氫鍵，因而疏松細胞壁。生長素誘導RNA和蛋白質的合成 20世紀80年代許多研究證明：Ø 生長素與質膜上或細胞質中的受體結合后，會誘發形成肌醇三磷酸(IP3);Ø IP3打開細胞器的鈣通道，釋放液泡等細胞器中的Ca2+，增加細胞溶質中Ca2+水平，當 Ca2+進入液泡，置換出H+。H+在細胞質內剌激質膜ATP酶活性，使蛋白質磷酸化。Ø 被活化（磷酸化）的蛋白質因子與生長素結合，形成了蛋白質生長素復合物。Ø 復合物再移到細胞核，促進mRNA轉錄，最后在核糖體上形成蛋白質。 生長素調控基因表達是： 當生長素缺乏時，AU

23、X/IAA蛋白與基因啟動子上的ARF相結合，使之處于非活化狀態，基因表達受到抑制。 當生長素與TIR1(transport inhibitor rensponse protein1,運輸抑制劑響應蛋白1）結合后，SCFTIR1復合體被激活(The SCF complex is composed of 4 major subunits )，促使AUX/IAA蛋白泛素化，進而被26S蛋白體降解。 AUX/IAA蛋白的降解解除了ARF(auxin response element,ARF)抑制狀態，ARF作為轉錄促進因子激活相應的基因轉錄。 （泛素是一類低分量的蛋白質，泛素化是指泛素分子在一系列酶作

24、用下，對靶蛋白進行特異性修飾的過程。一些特殊的酶將細胞內的蛋白質分類,從中選出靶蛋白分子。這些酶包括泛素激活酶，結合酶、連結酶和降解酶等系列的修飾過程）它在蛋白質的定位、代謝、功能、調節和降解中都起著十分重要的作用。 2. 生長素與植物的向性 向性（Tropism）是植物對單方向環境因子的刺激而發生趨向或背向生長的反應。 分別稱之為正向性與負向性，引起植物向性反應的環境因子包括光、重力、接觸、溫度、水分、化學物質及電場等，向性反應是因感受刺激的部位發生正反兩側生長率差異或膨壓變化所致。 莖葉的向光性（phototropism）。 根向重力性（positive gravitropism）順著重力

25、作用方向的生長 。 莖負向重力性（negative gravitropism）逆著重力作用方向的生長 。 植物莖葉的向光性 向光性可以增加莖葉對光能吸收利用，是一種重要的生態反應。Went(1928)最早觀察到生長素不對稱分布與燕麥胚芽鞘向光性的關系，而關于向光性研究多以黃化單子葉胚芽鞘或雙子葉豌豆、向日葵上胚軸為材料，這與感受向光性受體有關。 向光性反應必須有敏感性高的色素作為光受體，不同波長光與向光性反應關系的實驗表明，藍光最為有效，高峰436、440、480nm，其次為近紫外光，370nm。 研究發現植物向光性的作用光譜與核黃素（Riboflavin VB2）和黃光素(3-甲基異咯嗪)及

26、胡蘿卜素（carotene）的吸收光譜為接近。向光性敏感的植物組織中含有胡蘿卜素，濃度為7nmol/L，足以受感光刺激而產生生長反應，黃素(Flavins)可能也是向光反應中的光受體。因此，（Ninnemann 1980 和Dennison 1984)認為黃素類作為光的受體可能性較大。向光性作用機理之一：Went（1928）提出生長素濃度分布的差異。生物測定法顯示生長素活性的分布比率向光面32%、背光面68%。據此學說，植物向光性是因為光刺激生長素自頂端向背光面側向運輸，背光面生長素濃度高于向光面，背光面生長快，而發生向光彎曲想象。通過去頂實驗表明，胚芽鞘頂端確是生長素的來源，放射性外源IAA

27、標記也證實IAA在向光面與背光面分布為4：6。向光性機理之二：Shen-Miller(1969)光可抑制生長素在燕麥胚芽鞘內極性運輸，向光性可能是由于生長素自上而下運輸，在向光面受抑制緣故，并非生長素側向運輸而分布不勻。 Bashin(1986)指出施用于玉米胚芽鞘向光面的IAA不能運輸到背光面，在向光面施加IAA后，觀察到仍然是背光面生長促進，向光面有被抑制現象。（Bruinsma 1990）并用氣液層析電子捕獲器分析向日葵、蘿卜等雙子葉植物內源IAA含量，發現其向光和背光面的IAA含量相似。結果測定出其下胚軸向光面的生長抑制物高于背光面。1986年鑒定了這兩種抑制物質，順反式兩種：蘿卜寧和

28、蘿卜酰胺 ，從玉米胚芽鞘分離鑒定出6-甲氧基-2-苯并噻唑啉酮（6-methoxy-2-benzoxazolinone,MBOA),向光面比背光面高1.5倍，它們的濃度與受光強度呈正相關，而生長素含量沒有明顯差異。 在向光面抑制物濃度增加，可妨礙IAA與其受體蛋白結合，減少了生長素誘導與生長有關的mRNA的轉錄和蛋白質合成，進而阻止表皮細胞的微管方向的重排，表現為伸長受阻。 植物根的向重力性 根據Cholodny-went假說，植物根的向重力性也受生長素的控制。根向重力性反應過程可分為信息感受、傳遞與轉化及植物反應三個階段。植物根冠中含淀粉粒（Amyloplast）的小柱(Columella)

29、細胞群，可能是感受重力的部位。在垂直生長的根內，這種組織內的淀粉粒沉淀在細胞的下方，生長素極性運輸，伸長區生長，產生向重性反應。 當根橫放時，這些淀粉在1分鐘內即向下側沉降。在平放的根內因受重力影響而發生不均勻分布，其濃度在向地一側較高，抑制生長，導致根向地彎曲。如先除去根冠，橫放的根即失去向重力性反應，表明根冠是感受重力的部位。淀粉粒的重新分布可能與信息傳遞有關。Evans(1986)把根向重力性信息感受及傳遞的可能過程歸納幾個階段：Ø 根由垂直位置改為橫放后，小柱細胞下部的淀粉粒改隨重力方向移動，這一想象被視為信息感受階段。（信息感受轉化）Ø 這些淀粉粒落在內質網上，從

30、而促進Ca2+從內質網上釋放。 Ca2+在細胞內與CaM結合，根冠中存在較高含量的CaM。（第二信使傳導）Ø Ca2+ -CaM復合體激化質膜的ATPase。（蛋白質磷酸化）Ø 活化的ATPase分別把IAA與Ca2+由不同渠道送到細胞外，如此，IAA與Ca2+同時從根尖向后運輸，且下側生長素濃度相對增高受到抑制，相對根上側生長較快而向下彎曲，即向重性反應。（生理反應） 重力怎樣使IAA在根內有不均勻分布現象，研究指出IAA與Ca2+運輸分布的主要關系，Ca2+是IAA極性運輸所必須。玉米根冠部分預先用EGTA處理后，重力影響的IAA極性運輸隨之消失。但在根橫放前用Ca2+

31、處理根冠，IAA極性運輸恢復。Evans（1990）進一步發現在重力影響下IAA在橫放玉米根冠內向下側運輸的多少與根向地彎曲快慢呈正相關。IAA在橫放的根冠內向上側及下側兩個方向運輸，但向下多于向上，其比率最高為1.6，并受鈣的影響。 植物莖的負向重力性 負向重力性是指植物莖部橫放后向上彎曲的生長現象。彎曲部位在葉鞘與節間的基部。谷類作物水稻、小麥、大麥在倒伏后4天內其莖部可恢復垂直位置。莖的負向重力性是一種非常重要的生物學和生態現象，可以減少因倒伏而引起的產量損失。莖的負向重力性反應機理可能與根的向重力性相似。谷類作物莖部的重力感受中心可能在節間基部皮層組織的薄壁細胞及葉鞘基部含有葉綠體的細

32、胞，淀粉粒在細胞內的位置因莖倒伏而發生很快的變化。 以玉米幼苗為例，在橫放處理3分鐘后，中胚軸內開始發生IAA部對稱分布，下側IAA濃度高于上側，由于植物莖對生長素反應的生理效應與根不同，莖下側相對高的生長素會加快該部位生長速度，5分鐘后中胚軸開始表現向上彎曲生長（Bandurshi等1984），同時GA含量也有明顯的變化。 莖的負向重力性有關的激素可能只有兩種，已知的有IAA及GA。研究發現莖下側IAA濃度比上側高1.5倍。此外莖上側含的GA 主要為結合態，莖下側轉移以游離態GA較多。測定橫放處理后在燕麥莖內同位素標記GA的分布，結果顯示下側放射性強度高于上側。表明莖在橫放條件下，兩種激素在

33、莖下側含量高，生長快而產生負向重性反應。 植物向重性的意義： 根的向重力性是為了能夠得到土壤更深層的水分和養分。這些都是植物在漫長的進化過程中為了更好了適應環境，與其他植物爭奪生存空間，在自然選擇下形成的。 莖的負向重性則有利于葉片伸展，并從空間獲得足夠的空氣與光照，有利于植物光合作用。 空間科學和植物向重性Ø 隨著科學技術的發展，人類的活動擴大到了地球外的太空，那是一個微重力或零重力的環境。植物在地球引力的束縛下生長了千萬年，如果離開地球，進入太空，植物還能正常生長嗎 Ø 科研人員通過對太空中或者模擬微重力環境里植物的觀察發現，植物一旦被帶進微重力環境，生長就失去了重力方

34、向的引導，如果再沒有其他如光等單向外界因素的刺激，就會出現在隨機方向上的生長，這種情況和我們在地面上看到的現象大為不同。Ø 在微重力條件下，由于植物根部或莖部的重力感受器接收不到重力方向的信號而發揮不了作用，即無法調控鈣離子、三磷酸肌醇、生長素等在含量和分布上的定向變化，從而影響植物細胞的生理生化功能導致植物生長發育的變化。3 生長素與根的分化 離體幼莖或分枝切段能在其基部產生不定根，是自然界中生存繁殖方式之一。生長素具有明顯促進不定根和側根發生和生長的作用。 生長素能促進枝條生根是1934年由Thimann和Went所發現。此后，生長素促進生根的研究迅速展開。在應用方面發現IBA、

35、NAA和2,4-D比IAA穩定、效果好；在理論研究方面發現IAA能促進乙烯合成，于是研究中心轉移到乙烯與枝條生根的關系上來。實驗結果指出，乙烯的確能促進不定根及根毛的產生。由此看來，IAA對枝條生根的促進似乎不是直接的作用。 Riov及楊祥發（1989）報道，IBA處理的綠豆幼苗下胚軸切段時，會產生較多的乙烯及其前體ACC。同時使用ACC合成酶抑制劑時，能顯著減少IBA對不定根的促進效應。可見IBA促進生根作用也與ACC及乙烯有密切關系。IBA在生長素類中促進生根的效果最好，應用最廣。IBA比IAA有更強的生根效果。可能是其具有穩定性有關，可使施用部位持續地促進ACC及乙烯合成。從上述可知，生

36、長素促進生根的實驗結果由外源IAA及IBA所獲得，有關內源生長素含量與根分化關系一向缺乏可靠的分析資料。 據Nordsstron(1991)報道，豌豆枝條次生根的產生受莖端的控制，因在根發生期間，其生根部位的IAA含量不變，切除莖頂端可使生根部位IAA含量減少，根分化完全停止。因此認為生根部位的IAA是由莖端供應（切除莖頂段，有利于IAA向基運輸）。 在完整植株中，生長素能抑制根的伸長；促進胚軸和莖的伸長；調節根和芽的向地性；促進側根和不定根的形成；促進根毛的形成。 研究發現內源生長素含量高的嫩枝比冬季休眠枝容易生根；帶有芽和葉的插穗比去掉芽和葉的插穗生根率高。有些試驗表明不帶芽的莖段也能生根

37、。這些結果均是從解剖學和生理學的方法獲得的。 近年來隨相關研究深入，不定根及側根形成過程中生長素誘導基因表達及相關分子生物學報道較多，已經有很多基因和蛋白質被分離鑒定出來。4 生長素與植物組織培養 在多數情況下，外源生長素及細胞分裂素都是培養中的植物細胞和組織與器官生長所必須的激素。這兩種激素的配合不但滿足細胞分裂及擴張的需要，而且能控制細胞分化。 Skoog及Miller（1957）煙草愈傷組織實驗，其細胞的分化與生長是由生長素和細胞分裂素共同控制，適量的IAA促進根分化，而高濃度細胞分裂素與低IAA配合顯著促進芽分化。從而為后來植物組織培養研究提供了有效手段，可使離體組織或單細胞再生成植株

38、，成為植物組織工程、遺傳工程技術的一個重要部分。雖然不是所有的實驗植物都具有與煙草細胞相似的反應，但煙草實驗結果顯然是一個很好的啟示，那就是指出了人為控制植物細胞分化的可能性。 植物組織培養常用的生長素大部分為人工合成的如：IBA、NAA、2,4-D兩種生長素的穩定性及效果均比IAA好，單子葉植物如稻類作物組織培養往往需較高濃度的2,4-D，人工合成的生長素很多，不同植物對不同生長素反應不一樣。5 生長素與開花 生長素對菠蘿及其它Bromelicaceae類植物開花有促進作用，一般認為生長素刺激乙烯的合成，而乙烯對菠蘿開花有顯著的促進效果。生長素對其它植物誘導開花的環境中表現抑制作用，如短日植

39、物藜、裂葉牽牛；長日植物毒麥、白芥及需低溫植物，這些抑制通過乙烯作用發生的。 Tran Thanh Van (1974)應用已開花的煙草莖部組織建立了一種試管開花實驗法，他們發現IAA對這種組織花芽的分化有促進作用，其最有效濃度為1mol/L。 Hatori等（1991）指出短日處理的煙草葉片輸出的開花物質與低濃度生長素對花芽分化有增效作用。此外，生長素對雌雄異花的瓜類植物的雌花分化有促進作用，適宜的生長素處理能提高黃瓜雌花的分化。6 生長素與庫源關系的調節 植物體內有機物完全來自光合產物，光合產物的運輸分配直接控制植物產量及經濟價值，由此可見源庫關系的重要性，一般認為，光合產物蔗糖濃度在庫源

40、之間的梯度是其運輸速率及分配的主要決定因素。生長素對運輸過程的源、庫、流都有調節作用。源庫關系及其調節作用在果樹及部分農作物（大豆、棉花等）中較為重要。分析庫源關系的整個過程限制因素包括：葉片光合作用效率；葉片內蔗糖合成效率；蔗糖在葉片內裝載進入韌皮部的速率；蔗糖在韌皮部系統中的運輸速率；蔗糖由韌皮部卸入庫速率；蔗糖在庫的特殊細胞內積累的效率。生長素對這些過程有重要的影響。從機理上來講，有機物（蔗糖）的裝載（phloem loading）必須通過質膜，糖和H+運轉的協同作用（共運轉），與ATPase作用有關，IAA能促進蔗糖向韌皮部內運輸，而ABA表現為抑制(Lucas 1985），IAA的促

41、進與質子泵的活化有關。施加IAA于去頂的菜豆植株切口， P32標記，IAA可刺激整個韌皮部物質運輸，能使光合產物向IAA施用的位置積累。 由此推測，生長素可能通過對質膜ATPase的影響而控制韌皮部系統的鉀離子濃度，從而影響膨壓與蔗糖在韌皮部內長距離運輸。 光合產物從韌皮部卸出（unloading）在庫細胞儲存是庫源關系的最后階段，在豆科及谷類作物中，蔗糖卸出后直接在胚乳或子葉細胞累積，果實的發育是光合產物向果實內運輸的一個重要促進因素，這種現象可能與果實內含有大量的植物激素有關。 在生長中的大豆種子內IAA的分布隨部位及生長時期有顯著的變化（Hein等1984 b）。種子、種皮與胚軸內生長素

42、會先高后低，最后升高。這種IAA分布不均勻與蔗糖在種子中運輸積累有關。庫源關系的整個過程，受不同種類激素的調控。從庫源關系的觀點，適當應用激素可達到提高作物產量，激素對庫源關系的調節有幾點： 源的活力即光合作用，增加葉片中IAA、GA、CTK含量及減少葉片中ABA含量均有利于增強源活動，防止源衰老。 維管束運輸，光合產物在韌皮部從源向庫運輸受IAA、ABA、CTK分布的影響，IAA含量能促進光合產物在韌皮部系統內的運輸。 增加種子內ABA和細胞分裂素含量有利于光合產物從韌皮部的卸出。 應用激素知識于源庫關系的改善： 一是通過育種，以理想的激素濃度變化與分布為目標，增進源庫的效率。內原激素水平及

43、變化調節和增加源庫效率。 二是使用外源激素與調節劑，如促進子粒形成及果實膨大。 三是人工措施調節，針對特殊階段的需要，提高源庫效率。如打頂整枝，直接作用是調節養分分配，間接作用是影響內原激素水平。生長素為果實生長所必須的激素，草莓是生長素控制果實生長的最好實驗例證（Nitsh 1950，Dreher 及Poovaiah 1982）。草莓是花托發育而成的假果，在花托的表面有許多瘦果，瘦果內含豐富的生長素及其它激素。在生長過程中如除去瘦果，果實生長立刻停止。如應用外源生長素代替瘦果，果實生長恢復。可見瘦果內的內源生長素對花托生長的重要性。生長素是唯一能維持草莓果實長期生長的激素。7 生長素與衰老

44、衰老（老化）是植物生長發育的最后階段，使器官或整株植物的生命功能衰退以致死亡。植物衰老現象是一個復雜的生理生化過程，受許多內在及環境因素影響。植物激素、多胺、鈣等物質均顯著改變衰老的方式及過程，光、水分、溫度與養分供應等環境也影響衰老。 自上世紀50年代以來，已有大量文獻報道植物激素對植物器官如葉片、子葉、葉柄與莖老化的影響。一般細胞分裂素、赤霉素與低濃度的生長素能延緩衰老。脫落酸、乙烯及高濃度生長素能促進衰老。由于生長素是乙烯合成的促進劑，高濃度的生長素對衰老的作用是通過乙烯的作用。 在控制落葉的各種因素中，生長素與乙烯有極重要的影響。在葉片生長發育活動旺盛期間，IAA在葉片內合成，然后經葉

45、柄不斷向上運輸抑制衰老脫落；而當葉片衰老時，葉片內IAA含量降低，誘發乙烯開始衰老，葉片中IAA的濃度因葉片所在位置而有顯著差異。 第二節 赤霉素（Gibberellin）赤霉素(gibberellin,GA)是日本的黑擇英一在研究水稻惡苗病時發現，指具有赤霉烷骨架，剌激細胞分裂和伸長的一類化合物總稱。1935年日本科學家藪田從誘發惡苗病的赤霉菌中分離得到了能促進生長的非結晶固體，并稱之為赤霉素。1959年克羅斯(B.E.Cross)等測出了GA3、GA1和GA5的化學結構。到目前已發現有136種。赤霉素在植物體內廣泛存在。一、赤霉素生理作用1. 赤霉素與種子成長、休眠及萌發的關系 種子生長

46、GA可在胚柄合成，這時如切除胚柄，胚發育停止，而使用外源GA，胚發育恢復。胚柄中GA對種子發育非常重要。研究表明，種子中GA的積累與從光合作用輸入可溶性糖類用于子葉和胚乳生長密切相關，除GA外，發育種子中含生長素、細胞分裂素及ABA；種子成熟時，GA轉為結合態，激素的生物活性下降，ABA增加，大分子物質合成及轉化能力增加。 種子萌發 GA顯著刺激種子的發芽，榛樹種子經過低溫處理后，GA含量上升，低溫促進種子萌發可能與GA作用有關。 Karssen (1987)以GA卻是的擬南芥突變品系種子萌芽實驗說明。這種突變種子因缺乏內源GA而不能萌發，外源GA處理顯著促進萌芽，濃度達10mol/L以上發芽

47、率達100%，但外源生長素對該品系種子萌發無影響，表明GA對種子萌發具有特殊作用。2. GA對節間伸長的促進作用 赤霉素的發現始于對水稻葉片、葉鞘與節間伸長的促進作用，后來人們以玉米及豌豆等植物單基因矮化突變系和GA合成專一性抑制劑為研究手段，確立了GA與節間伸長的特定關系。豌豆有五個主要控制節間長度基因，目前已從擬南芥中克隆到6個GA合成的相關基因（武濤等，2005），這些基因分別控制GA合成途徑中的不同步驟，GA1是促進生長的主要赤霉素。赤霉素促進生長作用不存在超濃度抑制現象。油菜內酯（BR）和多胺（PA）也參與莖桿生長。 番茄（Zcovaart 1984）、大豆（Bensen1990）、

48、豌豆（Cross 1990）等植物矮化突變系實驗證實GA1是節間伸長的控制因子，GA1主要分布在幼莖及幼葉中。 在大豆實驗中，缺水處理使生長減少62%，GA1含量降低87%，恢復供水后24小時，GA1含量增加8倍，生長速率恢復正常。赤霉素與節間伸長的關系可從油菜(brassica rapa)的不同遺傳型品系分析結果（Rood等1990）作進一步探討。矮化品系莖部赤霉素含量（包括GA1、GA3）只有正常品系36%，但過長品系莖部赤霉素含量是正常品系的3倍，這三種油菜在生長上表現出明顯的差異。 電子顯微掃描照片顯示，矮化品系細胞極短（a） ，過長品系（c）的細胞長度均比正常品系（b）長。值得關注的

49、是赤霉素含量與莖伸長生長的關系通過使用外源GA與多效唑于正常油菜品系的實驗證實，施用多效唑的結果細胞短，與矮化品系相似；施用外源激素GA3的結果，細胞伸長，與含高濃度赤霉素的過長品系相似。3. 赤霉素對開花的影響 GA影響植物開花是一個極顯著極復雜的現象，其效果視不同植物種類及反應型而異。施加GA能促進多種長日植物或需低溫處理植物在非誘導條件下開花，但對短日植物及中間型植物沒效果。 由于GA種類繁多代謝復雜，對控制開花因素及機理缺乏了解，還不能確定GA與開花的直接作用。不同的GA與開花的關系因植物的種類及光周期類型不同而有很大差別。 Pharis (1992) 研究毒麥中GA結構與開花的關系，

50、這種植物對長日照有顯著的反應，一次日照處理可誘導其開花。用高壓液相層析測定毒麥中GA含量，顯示長日照處理可增加多種GA合成，其中以多位羥基取代的GA最為顯著；利用外源的多位羥基的如GA32能有效促進開花。誘導開花與促進營養體生長需要不同的GA。例如：GA1能有效地促進莖的伸長生長，但不能促進開花，GA4/7促進松柏科植物花芽分化，GA5促進油菜花芽分化。Chailakhyan (1938)提出開花物質(Florigen)的存在，多年來雖有很多嫁接實驗及相關實驗結果支持這個假說，仍不能解釋所有的開花現象，他在1979年進一步提出GA與開花物質共同影響植物開花觀點： 植物開花是由GA和開花素共同決

51、定的，長日植物在長日條件下即可以合成GA又可以合成開花素，所以開花；但長日植物在短日照環境下能合成開花物質，但不能合成GA，故不能開花。 同樣短日植物在短日條件下同樣可合成GA和開花素；但短日植物在長日條件下可以合成GA，而缺乏開花物質，因此也不能開花。 此假說也只能解釋一部分開花實驗結果，植物由營養生長轉為生殖生長是基因選擇表達的結果，直接與間接控制這種表達因素很多，包括GA在內，但目前對此尚缺乏相應的知識，今后通過對開花物質的鑒定，有關開花突變品系的發展與應用，以及基因表達與開花關系的研究，可能會加深對GA與開花關系了解。GA對雄花的發育促進作用。 植物花性別類型：完全花（兩性花）；雌雄同

52、株異花；雌雄異株。其中后兩類形成除受遺傳因子影響，還明顯受環境因子（光期、溫度、氮等）。 植物激素的影響，黃瓜是研究激素影響花性別分化的常用材料，花芽開始分化都是為雌雄同花，同一花芽內兼有兩性原基，但在發育過程中，只有雄性或雌性器官繼續生長，形成單性花。 在花芽分化初期施用GA能促進雄花發育，施用生長素及乙烯則促進雌花發育，說明不同激素對花性別影響。此外，施用GA合成抑制劑有促進雌花發育的趨向。 黃瓜單性發育受GA和生長素影響。內源激素含量分析結果支持這一結論。此外，環境因素中日照長度（長日照誘導雄花，短日照誘導較多雌花）也能影響黃瓜的發育方向，這種影響與內源GA與乙烯含量水平有關。4.誘導果

53、實形成 赤霉素是種類最多的激素，對于果實生長與種子的發育至關重要。其中GA1、GA2可誘導多種園藝植物坐果。而外源GA誘導無子果實卻小于有子果實，表明果實生長和發育還需要其它激素參與。在研究豌豆和番茄研究中發現生長素和赤霉素在果實生長過程中的協同作用，兩種激素可能共同或順次作用于果實坐果，調節果實生長發育。Ø Ozga等（2009）研究發現4-Cl-IAA可誘導GA合成，生長素在種子內合成，運輸到果皮誘導GA合成，進而調控果實生長發育。Ø 研究發現（Serrani等2008），利用生長素處理子房將會導致與赤霉素合成相關基因表達。Ø 擬南芥研究（Dorcey等200

54、9）也得到相似結果，授粉能引起子房生長素相關反應及活性赤霉素合成增加。說明激素在調控植物不同果實坐果方面機理非常相似，同時也證明活性赤霉素合成及信號轉導受生長素控制。二、作用機理 1. 促進基因表達，誘導種子水解酶合成 GA處理影響大麥、小麥種子在萌發期間酶的變化，這方面研究工作開展較早，對揭示GA的作用機理尤其是誘導蛋白質合成方面貢獻較大。大麥及小麥種子糊粉層（Aleurone layer）是研究GA作用機理的最理想材料，美國Vanner教授等為此作出重大貢獻，種子萌發初期，胚芽中產生的GA刺激糊粉層細胞合成與分泌水解酶，其主要為-淀粉酶，一粒大麥（喜馬拉雅品系）種子糊粉層在萌發24小時內可

55、產生30g -淀粉酶。一些作為啤酒原料的大麥種子的-淀粉酶產量更高，這些水解酶分泌到胚乳內，促進淀粉及其它物質分解，供給幼苗生長所需原料。 赤霉素刺激的-淀粉酶為新生的蛋白質，赤霉素能促進轉錄和翻譯過程，這是植物激素控制基因表達的范例。Beach等（1985），用大麥種子糊粉層細胞核進行轉錄實驗。顯示在GA處理12小時內，-淀粉酶mRNA含量開始增加。15小時達高峰，其含量比對照增加50倍，說明GA促進-淀粉酶主要來自新產生的mRNA翻譯的結果。糊粉層細胞經GA刺激而合成的蛋白質約有70%是幾個基因表達產物，其中-淀粉酶存在同功酶，大麥與小麥的-淀粉酶基因有兩組，分布在兩條染色體上，這兩組基因

56、共同控制-淀粉酶同功酶的合成。赤霉素誘導-淀粉酶合成的信號轉到過程，GA具有促進鈣單向運輸的功能，Gilroy（1993）用大麥種子糊粉層為材料研究GA3及CaM對Ca2+吸收的影響，發現GA3處理46小時內顯著促進CaM及內質網的鈣含量，其上升曲線的斜率與所用GA3劑量呈正相關。因此，GA3促進Ca2+在內質網積累可能是通過CaM的作用，Ca2+與CaM含量增加發生在-淀粉酶釋放之前，-淀粉酶含有Ca2+組成物，在內質網上合成。ABA抑制這個過程，表明，GA與CaM作為第二信使參與-淀粉酶合成。 Hooley等(1993)首次報道了野燕麥糊粉層中有一種分子量為60KD的GA特異結合蛋白(gibberellin binding protein,GBP) GA + GBP ® GA-GBP ® Ca2+CaM ®基因表達赤霉素誘導大麥糊粉層淀粉酶合成GA兩條信號傳遞鏈:Ø 環鳥苷酸(cGMP)途徑(Ca2+不依賴信號轉導途徑)Ø 鈣調蛋白及蛋白激酶途徑(Ca2+依賴信號轉導途徑) cGMP途徑：ü GA與受體結合，G蛋白轉化的活化信號中間體進入細胞核；ü 與細胞核內的阻遏物蛋白結合,刺激GA-MYB基因合成GA-MYBmRNA；ü GA-MYBmRNA在細胞質內形成新合