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1、植物生长物质 Plant Growth Substances,第七章,第七章 植物生长物质,7.1 植物生长物质的概念和种类 7.2 生长素类 7.3 赤霉素类 7.4 细胞分裂素类 7.5 脱落酸 7.6 乙烯 7.7 植物激素间的相互作用 7.8 其他天然的植物生长物质及生长调节剂,本章重点,1. 植物生长物质,植物激素,植物生长调节剂概念,2. 生长素,赤霉素,细胞分裂素,脱落酸,乙烯 基本结构和主要生理功能（机理）,3. 生长素,赤霉素,细胞分裂素,脱落酸,乙烯 生物合成及运输,4. 植物生长调节剂种类及生产上的应用,植物生长物质,调节与控制植物生长发育的物质,植物激素（Plant h
2、ormones或Phytohormones）,植物生长调节剂（Plant growth regulators）,1. 植物激素,体内合成-微量-运送到别处-影响生长发育,特点,内生性-正常代谢产物；,可运性-运至其它部位发挥调控作用;,调节性-极低浓度下生理效应 （微量高效性， 1mol/L),第一节 植物生长物质的概念和研究方法,一、植物生长物质的概念及种类,植物激素,2.植物生长调节剂,人工合成具有植物激素的活性物质,生长素类 赤霉素类 细胞分裂素类 乙烯 脱落酸,五大类,生长促进剂 生长抑制剂 生长延缓剂,二、研究植物生长物质的方法,激素含量低，不稳定，易受干扰-难测定,生物鉴定法,通过
3、测定激素生理生化效应强度 -推测激素含量,特点,1.灵敏度高；但并不绝对。,2.对某些激素特异性强；,3.技术要求不高；,4.样品不需要纯化。,物理和化学方法,免疫分析法,原理：不同物质-不同分配系数,薄层层析，气相色谱，液相色谱，质谱分析等,放射免疫（RIA） 酶联免疫（ELISA）,免疫性,导入抗原- 产生抗体-分离抗体 根据抗原与抗体反应 -检测抗原（植物激素）量,原理,特点：高度专一，高度灵敏，简便,第二节 生长素类(Auxin ),一、生长素的发现和种类 二、生长素在植物体内的分布与运输 三、生长素的生理效应 四、生长素的作用机理,1880年（英），达尔文父子-向光性实验（金丝雀鹝草
4、）,推测：胚芽鞘-向光弯曲(某种物质存在）,达尔文实验,薄伊森詹森实验,拜尔实验,温特实验,1928年，温特（Went） -燕麦试法（avena test）,生长素提出,1934年，Kogl等分离和纯化 吲哚乙酸 （Indoleacetic acid，IAA）,天然类,Indole-3-acetic acid (IAA) 吲哚-3-乙酸,4-chloroindole-3-acetic acid (4-CI-IAA) 4-氯吲哚-3-乙酸,Indole-3-butyric acid (IBA) 吲哚-3-丁酸,phenylacetic acid (PAA) 苯乙酸,生长素种类,人工合成类,Nap
5、hthalene acetic acid (NAA) 萘乙酸,2-methoxy-3,6-dichlorobenozic acid (dicamba) 2-甲基氧-3,6-苯乙酸,2,4-dichlorophenoacetic acid (2,4-D) 2,4-二氯苯氧乙酸,2,4,5-trichlorophenoacetic acid (2,4,5-T) 2,4,5-三氯苯氧乙酸,分布(Distribution)： 多在生长旺盛部位,二、生长素在体内的分布和运输 1.植物体内分布与运输,黄化燕麦幼苗中生长素的分布,IAA （唯一）：极性运输 （形态学上端 下端，不能逆向运输）,运输:,测定生
6、长素极性运输的标准方法,运输（Transport)： IAA极性运输,根从形态学基部长出,竹段倒置,生长素极性运输机制 -Goldsmith (1977 ),生长素极性运输的化学渗透模型,2.生长素的代谢,色氨酸脱羧酶,色胺,胺氧化酶,(吲哚丙酮酸途径),(直接前体),色氨酸,(合成前体),色氨酸 转氨酶,吲哚丙酮酸,吲哚丙酮 酸脱羧酶,吲哚乙醛,吲哚乙醛 脱氢酶,吲哚乙酸,(吲哚乙腈途径),吲哚乙醛肟,吲哚乙腈,腈水解酶,(吲哚乙醇途径),色胺,胺氧化酶,(色胺途径),色胺,胺氧化酶,生长素合成与锌有关,吲哚 + 丝氨酸 色氨酸,色氨酸合成酶,Zn2+,缺Zn2+阻碍色氨酸合成，果树出现“小
7、叶病”,3.生长素存在形式与分解,两种形式存在,游离型：不与任何物质结合，有生物活性。,束缚型：与其它物质结合，无活性； 贮存与运输形式。,生长素的分解,（1）酶氧化降解，IAA氧化酶 （2）光氧化降解,转化,三、生长素的生理效应,1.促进生长,双重作用,Left: wild-type plant Right: IAA-over-producing plant expressing Agrobacterium tumefaciens iaaH and iaaM genes under the control of the CaMV 35S promotor,低-促进生长,较高-抑制作用,高-杀
8、死植物 （乙烯产生）,过量IAA对烟草茎伸长的抑制作用,器官敏感性不同 根 芽 茎,插条不定根形成,对照,IAA,2促进器官与组织分化,杜鹃花（忍冬）,高浓度,低浓度,水,黄瓜茎组织中IAA诱导的伤口周围木质部的再生作用 （A）进行伤口再生实验的方法 （B）荧光显微照片显示了伤口周围再生的维管组织,3促进结实,瘦果,花托,4.养分征调作用,生长素调运养分的作用,“征调”营养，延迟离层细胞形成-防脱落,5.生长素的其他效应,影响性别分化,促进黄瓜雌花分化,促进菠萝开花,维持植物顶端优势,蔬花蔬果,杀除杂草,四、生长素的作用机理,(一）酸生长理论(Acid-growth theory)快速反应,酸
9、生长理论(Acid-growth theory),Rayle & Cleland ( 1970 ),（a）H+引起的细胞生长,(b) 生长素引起伸长 (滞后于酸引起，且对活细胞有效（需能），H+对死活细胞均有效),（二）基因活化学说长期反应,IAA能够促进核酸和蛋白质合成,学说,IAA与受体结合 信号转导 蛋白质磷酸化 活化的蛋白质因子 与IAA结合 作用于细胞核 活化特殊mRNA 合成新蛋白质,（三）生长素受体,激素受体(hormone receptor): 能与激素特异结合的、并能引发特殊生理生化反应的蛋白质。,生长素受体位置,质膜-酸生长理论,细胞质或细胞核-基因活化学说,快速反应 长期
10、效应,五、人工合成生长素类物质及其应用,人工合成生长素类物质 吲哚丁酸（IBA） 吲哚丙酸（IPA） 萘乙酸（NAA） 2,4-D 2,4,5-T 4-碘苯乙酸（增产灵）,不受IAA氧化酶破坏，效果稳定，来源丰富，生产中大量应用。,生长素生物鉴定法,方法 植物材料 观察指标 燕麦弯曲法 燕麦胚芽鞘 弯曲度 小麦切段垂直生长法 小麦胚芽鞘切段 长度增加 绿豆生根法 绿豆下胚轴切段 不定根数增加 豌豆劈茎法 豌豆直劈茎 弯曲角度 土豆或菊芋称重法 土豆或菊芋园片 鲜重增加,一、赤霉素的发现及其种类 二、赤霉素的分布和运输 三、赤霉素的生理效应 四、赤霉素的作用机理,第三节 赤霉素类(Gibbere
11、llins),(一)赤霉素的发现 赤霉素（gibberellin，GA） 1926年，（日）黑英泽一：水稻恶苗病 1959年，克罗斯(B.E.Cross)等 测出GA3、GA1和GA5的化学结构 确定其化学结构。,一、赤霉素的发现及其种类,目前发现120多种， 赤霉酸GA3活性最强,最多的一种激素,赤霉素的结构,赤霉烷骨架,（二）化学结构,双萜，4个异戊二烯组成，4个环。 环上双键、羟基数目和位置的不同，形成各种赤霉素。,骨架化合物,赤霉烷,B,二、赤霉素的分布和运输,分布,生长旺盛部位含量较高,运输,无极性，双向运输,途径,嫩叶合成-韧皮部筛管向下运输 根尖合成- 木质部导管向上运输,两种形
12、式,自由赤霉素,结合赤霉素（GA-葡萄糖酯和GA-葡萄糖苷） 贮藏和运输形式,木质部,韧皮部,合成前体： 甲羟戊酸 （甲瓦龙酸） 合成部位： 顶端幼嫩部分 （根、茎尖） GA来源丰富- 生长中种子和果实,赤霉素生物合成的3个阶段,赤霉素的生物合成,(一)生物合成,赤霉素的生物合成细胞定位,三、赤霉素的生理效应,1、促进整株植物生长,（一）促进茎的伸长生长,GA处理促进矮生水稻叶鞘的伸长（处理3天）,CK,100pg GA/seeding,1ng GA/seeding,GA对矮生豌豆苗茎干伸长进程的影响,2.促进节间的伸长,克服遗传矮生性状 （GA合成受阻）,3.不存在超最适浓度的抑制作用,自左
13、到右： 矮生玉米 矮生玉米（GA处理） 正常玉米（GA处理） 正常玉米,3.不存在超最适浓度的抑制作用,（二）诱导开花（代替低温、长日照）,对照,（冷 + 10gGA3）（1周）,冷（6周）,需寒胡萝卜品种开花时间GA处理后的效果,甘蓝,短光照下保持丛生状,赤霉素处理可诱导其伸长和开花,GA可代替长日照处理,GA促使植物抽薹开花,GA促使白菜抽薹开花,GA可代替低温或长日照要求，促使植物抽薹开花,（三）打破休眠 诱导-淀粉酶形成,实验证明,大麦种子去胚后，淀粉不分解；,去胚后，加GA处理，淀粉水解；,去糊粉层，淀粉不水解；,去糊粉层，加GA处理，淀粉不水解。,（不产生GA）,（缺靶细胞）,该性
14、质-应用于啤酒工业,赤霉素诱导Thompson无籽葡萄生长,（四）影响性别分化,促进黄瓜多开雄花 (与生长素和乙烯相反),（五） 促进座果,与IAA相同，GA促进子房膨大，发育成无籽果实。,（六） 诱导单性结实,未处理,赤霉素喷施,产生-淀粉酶,不产生-淀粉酶,四、赤霉素的作用机理,（一）诱导酶合成,胚产生的赤霉素运到糊粉层诱导淀粉酶产生,（二）GA调节IAA水平,GA增高内源IAA水平 （1）GA降低IAA氧化酶活性 （2）GA促进蛋白酶活性，使蛋白质水解，IAA合成前体(色氨酸)增多。 （3）GA促进束缚型IAA释放出游离型IAA。,GA与IAA形成关系,调节部位,生物合成,促进,抑制,赤
15、霉素结合蛋白,胡利(Hooley)等(1993)首次报道 野燕麦糊粉层中- 分子量60000 GA特异结合蛋白 (gibberellin binding protein,GBP) GBP在与GA1结合时-需Ca2+参与 (GA1促进-淀粉酶合成也需要Ca2+的缘故) GA + GBP GA-GBP 基因表达,方法 植物材料 观察指标 水稻幼苗叶鞘伸长法 水稻幼苗 叶鞘长度 大麦胚乳试法 大麦种子 -淀粉酶活性 豌豆、玉米试法 矮生豌豆或玉米 伸长度 莴苣下胚轴试法 莴苣下胚轴 下胚轴长度 苋红素抑制法 尾穗苋子叶 光下抑制苋红素产生,赤霉素生物鉴定法,第四节 细胞分裂素类(Cytokinins
16、 ，CTK),一、细胞分裂素的发现和种类 二、细胞分裂素的运输和代谢 三、细胞分裂素的生理效应 四、细胞分裂素的作用机理,培养烟草 髓部组织 (Skoog),新鲜鲱鱼精子DNA 高压灭菌 （DNA降解）,促进分裂,新鲜鲱鱼精子DNA,不促进分裂,久置鲱鱼精子DNA,分裂加快,促进细胞分裂的活性物质 （6-呋喃氨基腺嘌呤；N6-furfurylaminopurine),一、细胞分裂素的发现和种类,(一) 发现,1955,1956， Miller等,灭菌鲱鱼精子DNA,分离,激动素（kinetin, KT）,动物,具有激动素活性的所有天然与人工合成的化合物,细胞分裂素,高等植物-30多种,1963
17、年,C.O.Miller和D.S.Letham(澳),玉米,未成熟种子胚乳,玉米素(zeatin,Z，ZT),最早天然细胞分裂素,活性远高于激动素,常见天然细胞分裂素和人工合成细胞分裂素结构式,腺嘌呤（6-氨基嘌呤）的衍生物,基本结构 腺嘌呤 + 侧链,（二）细胞分裂素的种类,天然CTK,游离态CTK：玉米素 玉米素核苷 二氢玉米素 异戊烯基腺嘌呤(iP),结合态CTK：结合在tRNA上，构成tRNA组分。 常与葡萄糖、氨基酸、核苷形成结合物 适于运输或储藏,二、细胞分裂素的运输与代谢,（一）分布与运输 分布：细胞分裂部位（根、茎尖等） 合成部位：根尖(主要) 运输：经木质部向上运输-无极性
18、运输形式：玉米素、玉米素核苷,CTK降解主要方式通过细胞分裂素氧化酶氧化,（二）代谢,合成前体 甲羟戊酸（甲瓦龙酸-美际华人陈政茂发现烟草),三、细胞分裂素的生理效应,（一）促进细胞分裂,带产生CTK类物质的菌的针，对番茄茎刺伤后，产生恶性肿瘤。,感染冠瘿菌-瘤(创伤处理并用冠瘿菌病毒),CTK - 质分裂；横向增粗 IAA - 核分裂；纵向伸长（促进DNA合成） GA -缩短DNA合成G1 （准备期）; S 期（合成期）,促进细胞分裂（核与质）,加速细胞分裂,(二) 促进芽的分化,烟草,拟南芥,生长素与细胞分裂素对组织分化的作用,总结 CTK/IAA比值高，愈伤组织形成芽； CTK/IAA比
19、值低时，愈伤组织形成根； 二者浓度相等，则愈伤组织保持生长而不分化；,组织培养,调整二者比值，可诱导愈伤组织形成完整植株,（三）促进细胞扩大,CTK对子叶扩大效应 -CTK的一种生物测定方法（IAA与GA无此效应）,细胞分裂素对萝卜叶膨大作用,叶面涂施CTK (100mgL-1),对照,光加强玉米素对萝卜子叶扩展的影响,（3天）,（四）促进侧芽发育，消除顶端优势,解除生长素所引起的顶端优势； 促进侧芽生长发育。,转ipt基因的烟草,香脂冷杉上的众生枝,（五）延缓叶片衰老,激动素的保绿作用及对物质运输的影响,离体绿色叶片,变黄,氨基酸移动,细胞分裂素诱导氨基酸移动试验,滴加,黄瓜幼苗子叶,过量合
20、成CTK的转基因烟草植株,左,右,对照 （非转基因植株）,(六) 打破种子休眠,打破葡萄芽休眠 促进种子萌发-莴苣，烟草、白三叶等,四、细胞分裂素的作用机理,1细胞分裂素结合蛋白 2对基因（转录和翻译）表达的调节 3CTK与钙信使,存在多样性,核糖体上可能与RNA翻译有关,叶绿体上可能参与叶绿体能量转化的调节,细胞分裂素生物鉴定法,方法 植物材料 观察指标 愈伤组织试法 大豆、烟草愈伤组织 鲜重增加 苋红素合成法 尾穗苋种子子叶 无光下苋红素形成量 子叶扩张法 萝卜子叶 扩大或增重 小麦叶片试法 小麦叶片 离体叶片保绿 葫芦藓芽萌发试法 葫芦藓 芽的形成数 黄瓜子叶法 黄瓜子叶 光下转绿速度,