第八章 植物生长物质 一、教学时数 计划教学时数 16 学时，其中理论课12学时，实验课 4 学时。 二、教学大纲基本要求 了解植物生长物质、植物激素、植物生长调节剂、极性运输、生长素的“二重作用”及乙烯的“三重反应”、偏上生长、激素受体等基本概念；了解植物生长物质的种类、结构和性质；掌握研究植物生长物质的方法；了解植物激素在植物体内的分布与运输的基本特征；了解植物激素的发现过程和作用机理；熟知植物激素和植物生长调节剂各自的主要生理效应；了解植物激素间的相互关系；掌握植物生长物质在农业生产上的应用技术及注意事项。 三、教学重点和难点 （一）重点 1 ．植物生长物质、植物激素、植物生长调节剂的基本概念。 2 ．生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯、油菜素内脂、茉莉酸甲酯等植物激素的基本结构和主要生理作用。 3 ．生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯在植物体内的生物合成和运输。 4 ．植物生长调节剂种类及其在生产上的应用。 （二）难点 1．植物激素作用机理。 2．植物激素的相互作用。 3．研究植物生长物质的方法。植物的正常生长发育，不但需要水分、矿质元素和有机物的供应，而且还需要一类微量的具有特殊作用的生长物质来调节与控制植物体内的各种代谢过程，以适应外界环境条件的变化。 植物生长物质的概念和种类 植物生长物质(plant growth substances)是指植物激素、植物生长调节剂和植物体内其他调节植物生长的微量有机物。 植物激素(plant hormones或phytohormones)是指在植物体内合成的、通常从合成部位运往作用部位、对植物的生长发育产生显著调节作用的微量有机物质。植物激素这个名词最初是从动物激素衍用过来的。植物激素与动物激素有某些相似之处，然而它们的作用方式和生理效应却差异显著。例如，动物激素的专一性很强，并有产生某激素的特殊腺体和确定的"靶"器官，表现出单一的生理效应。而植物没有产生激素的特殊腺体，也没有明显的"靶"器官。植物激素可在植物体的任何部位起作用，且同一激素有多种不同的生理效应，不同种激素之间还有相互促进或相互拮抗的作用。植物激素的研究可以追溯到1758年D.du.Monceau所发现的木本植物茎的环割区上方的凸起部位会形成根这一现象。为解释该现象，J.Sachs于1860年提出，植物中存在特定的器官形成的物质。然而，植物激素研究的真正开端源于C.Darwin（1880）所作的向光性性实验，约半个世纪后，H.Fitting正式将“激素”一词引入植物生理学知识中。 到目前为止，有五大类植物激素得到大家公认，它们分别是：生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、脱落酸和乙烯。人们习惯上称为五大植物激素。近年来，人们在植物体内还陆续发现了其它一些对生长发育有调节作用的物质。如油菜花粉中的油菜素内酯，苜蓿中的三十烷醇，菊芋叶中的菊芋素(heliangint)，半支莲叶中的半支莲醛(potulai)，罗汉松中的罗汉松内酯(podolactone)，月光花叶中的月光花素(colonyctin)，还有广泛存在的多胺类化合物等都能调节植物的生长发育。此外，还有一些天然的生长抑制物质，如植物各器官中都存在的茉莉酸、茉莉酸甲酯、酚类物质中的酚酸和肉桂酸族以及苯醌中的胡桃醌等。这些物质虽然还没被公认为植物激素，但在调节植物生长发育的过程中起着不可忽视的作用。 植物体内激素的含量甚微，7 000～10 000株玉米幼苗顶端只含有1μg生长素；1kg向日葵鲜叶中的玉米素(一种细胞分裂素)约为5～9μg。 植物生长调节剂(plant growth regulators)是指人工合成的或从微生物中提取的具有类似植物激素有生理活性的物质。这类物质能作低浓度下对植物的生长发育表现出明显的促进或者抑制作用，包括生长促进剂、生长抑制剂、生长延缓剂等，其中有一些分子结构和生理效应与植物激素类似的有机化合物，如吲哚丙酸、吲哚丁酸等；还有一些物质的结构与植物激素差别较大，但是具有类似的生理效应，如萘乙酸、矮壮素、乙烯利等。植物生长调节剂已经广泛应用于促进种子萌发，促进插条生根、促进开花、疏花疏果、促进结实、促进果实成熟、延缓植物衰老和防除杂草等方面，发挥了巨大的作用。 第二节 生长素类 一、 生长素的发现和种类 生长素（auxin，AUX）是最早被发现的植物激素，它的发现史可追溯到1872年波兰园艺学家西斯勒克（Ciesielski）对根尖的伸长与向地弯曲的研究。他发现，置于水平方向的根因重力影响而弯曲生长，根对重力的感应部分在根尖，而弯曲主要发生在伸长区。他认为可能有一种从根尖向基部传导的剌激性物质使根的伸长区在上下两侧发生不均匀的生长。同时代的英国科学家达尔文父子（C.Darwin和F.Darwin）利用金丝雀艹鬲鸟草（Phalaris canariensis）胚芽鞘进行向光性实验，发现在单方向光照射下，胚芽鞘向光弯曲；如果切去胚芽鞘的尖端或在尖端套以锡箔小帽，单侧光照便不会使胚芽鞘向光弯曲；如果单侧光线只照射胚芽鞘尖端而不照射胚芽鞘下部，胚芽鞘还是会向光弯曲(图8-1A)。他们在1880年出版的《The Power of Movement in Plants》一书中指出：胚芽鞘产生向光弯曲是由于幼苗在单侧光照下产生某种影响，并将这种影响从上部传到下部，造成背光面和向光面生长速度不同。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质的云母片，他们发现只有当云母片放入背光面时，向光性才受到阻碍。如在切下的胚芽鞘尖和胚芽鞘切口间放上一明胶薄片，其向光性仍能发生(图8-1B)。1919年，帕尔（Paál）发现，将燕麦胚芽鞘尖切下，把它放在切口的一边，即使不照光，胚芽鞘也会向一边弯曲(图8-1C)。荷兰的温特(F.W.Went，1926)把燕麦胚芽鞘尖端切下，放在琼胶薄片上，约1小时后，移去芽鞘尖端，将琼胶切成小块，然后把这些琼胶小块放在去顶胚芽鞘一侧，置于暗中，胚芽鞘就会向放琼胶的对侧弯曲(图8-1D)。如果放纯琼胶块，则不弯曲，这证明促进生长的影响可从鞘尖传到琼胶，再传到去顶胚芽鞘，这种影响与某种促进生长的化学物质有关，温特将这种物质称为生长素。根据这个原理，他创立了植物激素的一种生物测定法——燕麦试法（avena test），即用低浓度的生长素处理燕麦芽鞘的一侧，引起这一侧的生长速度加快，而向另一侧弯曲，其弯曲度与所用的生长素浓度在一定范围内成正比，以此定量测定生长素含量，推动了植物激素的研究 Went的研究促进了活性物质的提取工作，1934年，科戈(Kogl)等人从人尿、根霉、麦芽中分离和纯化了一种刺激生长的物质，经鉴定为吲哚乙酸（indole-3-acetic acid,IAA），C10H9O2N，分子量为175.19，从此IAA就成了生长素的代号。除IAA外，还在大麦、番茄、烟草及玉米等植物中先后发现苯乙酸（phenylactic acid,PAA）、4-氯-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，它们都不同程度的具有类似于生长素的生理活性。以后人工合成了多种生长素类的植物生长调节剂，如2，4-D、萘乙酸等。 图 8-2 具有生长素活性的生长物质(A)和抗生长素类物质(B) 二、生长素的分布与运输 （一）分布 植物体内生长素的含量很低，一般每克鲜重为10～100ng。各种器官中都有生长素的分布，但较集中在生长旺盛的部位，如正在生长的茎尖和根尖，正在展开的叶片、胚、幼嫩的果实和种子，禾谷类的居间分生组织等，衰老的组织或器官中生长素的含量则更少。寄生和共生的微生物也可产生生长素，并影响寄主的生长。如豆科植物根瘤的形成就与根瘤菌产生的生长素有关，其它一些植物肿瘤的形成也与能产生生长素的病原菌的入侵有关。 生长素在植物组织内呈现不同的化学状态，人们把易于从各种溶剂中提取的生长素称为自由生长素或者游离生长素（free anxin），把通过酶解、水解或者自溶作用从束缚状态释放出来的那部分生长素称为束缚生长素或者结合生长素（bound auxin）。自由生长素具有活性，而束缚生长素则没有活性。在一定条件下，两者之间可以互相转变。束缚生长素在植物体内具有贮存生长素、促进生长素运输、调节生长素含量以及解除过量生长素对植物的危害等多种作用。 天然生长素类

吲哚-3-乙酸（IAA） 吲哚-3-丁酸（IBA）

4-氯－吲哚-3-乙酸（IAA） 苯乙酸（PAA） 化学合成生长素类

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） 图8－2 一些天然和化学合成的生长素类结构 （二）运输 在高等植物体内，生长素的运输存在两种方式，一种是通过韧皮部运输，运输方向取决于两端有机物浓度差；另一种是仅局限于胚芽鞘、幼根、幼芽的薄壁细胞之间的短距离单方向的极性运输（polar transport）。 生长素的极性运输是指生长素只能从植物体的形态学上端向下端运输。如图8-3所示，把含有生长素的琼脂小块放在一段切头去尾的燕麦胚芽鞘的形态学上端，把另一块不含生长素的琼脂小块放在下端，一段时间后，下端的琼脂中即含有生长素。但是，如果把这一段胚芽鞘颠倒过来，把形态学的下端向下，做同样的实验，生长素就不向下运输。 图8-3 生长素的极性运输 生长素的极性运输是一种可以逆浓度梯度的主动运输过程，其运输速度比物理的扩散速度约大10倍。在缺氧的条件下会严重地阻碍生长素的运输，一些化合物如2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA）和萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA）能抑制生长素的极性运输（图8-4）。

2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA） 萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA） 图8-4 两种抑制生长素极性运输的化合物 生长素的极性运输与植物的发育有密切的关系，如扦插枝条不定根形成时的极性和顶芽产生的生长素向基运输所形成的顶端优势等。对植物茎尖用人工合成的生长素处理时，生长素在植物体内的运输也是极性。 人工合成的生长素类的化学物质，在植物体内也表现出极性运输，且活性越强，极性运输也越强。如α-萘乙酸(α-naphthalene acetic acid,α-NAA)具有类似生长素的活性，从而也具有极性运输的性质，而β-萘乙酸(β-NAA)无活性，因此也不表现出极性运输。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)的强，所以其运输的极性也要强得多。 关于生长素极性运输的机制，Goldsmith（1977）提出化学渗透扩散假说（chemiosmotic polar diffusion hypothesis）来解释这种现象。如图8-5所示，该假说认为：位于某个细胞基部的IAA载体从细胞内单向输出IAA－，IAA－进入细胞壁空间后即被质子化为IAAH，IAAH扩散通过细胞壁，顺着其浓度梯度进入其下部相邻的细胞内。在下部细胞内部，由IAAH脱质子化产生的IAA－通过扩散或者由细胞质流输送至该细胞的基部，再一次被该细胞基部的IAA载体输送到细胞壁空间。按此规律，IAA顺序通过纵向排列的细胞柱向形态学下端运输。在此过程中，位于质膜上的H+－ATPase不断地将H＋在胞内泵出，以防止H＋在胞内积累，并维持细胞壁酸性环境和适宜的跨膜电势。 三、生长素的代谢 （一）生长素的生物合成 在多数高等植物中，IAA的合成通常认为生长素是由色氨酸(tryptophan)转变来的。色氨酸转变为生长素时，其侧链要经过转氨、脱羧、氧化等反应，其合成的途径如图7-6所示，有以下几条支路。 此外，近年来，还发现在细菌中存在经吲哚－3－乙酰胺（IMA）水解也可以生成IAA的途径以及某些植物中存在吲哚－3－乙腈水解生产IAA的途径等。 （二）生长素的结合与降解 植物体内具活性的生长素浓度一般都保持在最适范围内，对于多余的生长素(IAA)，植物一般是通过结合(钝化)和降解进行自动调控的。 束缚型和游离型生长素 植物体内的IAA可与细胞内的糖、氨基酸等结合而形成束缚型生长素(bound auxin)，反之，没有与其他分子以共价键结合的易从植物中提取的生长素叫游离型生长素(free auxin)。束缚型生长素是生长素的贮藏或钝化形式，约占组织中生长素总量的50%～90%。束缚型生长素无生理活性，在植物体内的运输也没有极性，当束缚型生长素再度水解成游离型生长素时，又表现出生物活性和极性运输。
图8－5 生长素的化学渗透极性扩散假说 2、生长素的降解 吲哚乙酸的降解有两条途径，即酶氧化降解和光氧化降解。酶氧化降解是IAA的主要降解过程，生长素的酶促降解可以分为脱羧降解和不脱羧降解两种类型（图8－7）。脱羧降解途径主要通过吲哚乙酸氧化酶的作用(IAA oxidase)将IAA氧化称为CO2和3-亚甲基羟吲哚。IAA氧化酶是一种含Fe的血红蛋白。IAA的酶促氧化包括释放CO2和消耗等摩尔的O2。IAA氧化酶的活性需要两个辅助因子，即Mn2+和一元酚化合物，邻二酚则起抑制作用。植物体内天然的IAA氧化酶辅助因子有对香豆酸、4-羟苯甲酸和堪菲醇等；抑制剂有咖啡酸、绿原酸、儿茶酚和栎精等。IAA氧化酶在植物体内的分布与生长速度有关。一般生长旺盛的部位IAA氧化酶的含量比老组织中少，而茎中又常比根中少。不脱羧降解途径中，降解物仍然保留IAA侧链的两个碳原子，如，羟吲哚－3－乙酸和二羟吲哚－3－乙酸等
① 色氨酸氨基转移酶；② 吲哚－3－丙酮酸脱羧酶；③ 吲哚－3－乙醛脱氢酶；④色氨酸脱羧酶； ⑤胺氧化酶；⑥ 吲哚－3－乙醛氧化脱氢酶；⑦ 乳酸脱氢酶；⑧ 吲哚－3－乙酰－肌醇裂解酶 图 8－6 IAA的生物合成途径 IAA的光氧化产物和酶氧化产物相同，都为亚甲基氧代吲哚(及其衍生物)和吲哚醛。IAA的光氧化过程需要相对较大的光剂量。在配制IAA水溶液或从植物体提取IAA时要注意光氧化问题。水溶液中的IAA照光后很快分解，在有天然色素(可能是核黄素或紫黄质)或合成色素存在的情况下，其光氧化作用将大大加速。这种情况表明，在自然条件下很可能是植物体内的色素吸收光能促进了IAA的氧化。 在田间对植物施用IAA时，上述两种降解过程能同时发生。而人工合成的生长素类物质，如α-NAA和2，4-D等则不受吲哚乙酸氧化酶的降解作用，能在植物体内保留较长时间，比外用IAA有较大的稳定性。所以，在大田中一般不用IAA而施用人工合成的生长素类调节剂。
图8－7 IAA的酶促降解途径 脱羧途径；B.非脱羧途径 （三）生长素代谢的调节 植物体内的生长素通常都处于比较适宜的浓度，以保持植物体在不同发育阶段对生长素的需要。 束缚型生长素在植物体内的作用可能有下列几个方面：①作为贮藏形式。吲哚乙酸与葡萄糖形成吲哚乙酰葡萄糖(indole acetyl glucose)，在适当时释放出游离型生长素。②作为运输形式。吲哚乙酸与肌醇形成吲哚乙酰肌醇(indole acetyl inositol)贮存于种子中，发芽时，吲哚乙酰肌醇比吲哚乙酸更易运输到地上部。③解毒作用。游离型生长素过多时，往往对植物产生毒害。吲哚乙酸和天门冬氨酸结合成的吲哚乙酰天冬氨酸(indoleacetyl aspartic acid)通常是在生长素积累过多时形成，它具有解毒功能。④防止氧化。游离型生长素易被氧化，如易被吲哚乙酸氧化酶氧化，而束缚型生长素稳定，不易被氧化。⑤调节游离型生长素含量。根据植物体对游离型生长素的需要程度，束缚型生长素与束缚物分解或结合，使植物体内游离生长素呈稳衡状态，调节到一个适合生长的水平。 生长素的代谢受其它植物激素调节。如细胞分裂素可以抑制生长素与氨基酸的结合，也可通过影响IAA氧化酶活性，从而影响生长素在体内的含量。赤霉素处理往往可增加植物IAA的含量。 酚类化合物可能抑制IAA与氨基酸的结合，影响IAA侧链的氧化进程，并可抑制IAA的极性运输，使IAA在体内的分布受到影响。 总之，生长素的含量由多种因素所调控。诺曼利(Normanly)等(1995)提出植物细胞中IAA水平的影响因素如下（图8－8）： ? 依赖色氨酸的生物合成 不依赖色氨酸的生物合成 ? 运 输 IAA 束缚型生长素 ? 生理效应 氧化脱羧 图8－8 植物体内IAA总量的调控方式 四、生长素的作用机理 生长素最明显的生理效应是促进细胞的伸长生长。用生长素处理茎切段后，细胞伸长、细胞壁有新物质的合成，原生质的量也增加。由于植物细胞周围有一个半刚性的细胞壁，所以生长素处理后所引起细胞的生长必然包含了细胞壁的松驰和新物质的合成。对生长素的作用机理前人先后提出了“酸生长理论”和“基因活化学说”。 （一）酸生长理论 雷(P.M.Ray)将燕麦胚芽鞘切段放入一定浓度生长素的溶液中，发现10～15min后切段开始迅速伸长，同时介质的pH下降，细胞壁的可塑性增加。将切段放入含IAA的pH4的缓冲溶液中，切段也表现出伸长；如将切段转入含IAA的pH7的缓冲溶液中，则切段的伸长停止；若再转入含IAA的pH4的缓冲溶液中，则切段重新伸长。将胚芽鞘切段放入不含IAA的pH3.2～3.5的缓冲溶液中，则1min后可检测出切段的伸长，且细胞壁的可塑性也增加；如将切段转入pH7的缓冲溶液中，则切段的伸长停止；若再转入pH3.2～3.5的缓冲溶液中，则切段重新表现出伸长(表8-1)。 基于上述结果，雷利和克莱兰(Rayle and Cleland)于1970年提出了生长素作用机理的酸生长理论(acid growth theory)。其要点：①原生质膜上存在着非活化的质子泵(H+-ATP酶)，生长素作为泵的变构效应剂，与泵蛋白结合后使其活化。②活化了的质子泵消耗能量(ATP)将细胞内的H+泵到细胞壁中，导致细胞壁基质溶液的pH下降。③在酸性条件下，H+一方面使细胞壁中对酸不稳定的键(如氢键)断裂，另一方面(也是主要的方面)使细胞壁中的某些多糖水解酶(如纤维素酶)活化或增加，从而使连接木葡聚糖与纤维素微纤丝之间的键断裂，细胞壁松驰。④细胞壁松驰后，细胞的压力势下降，导致细胞的水势下降，细胞吸水，体积增大而发生不可逆增长。 由于生长素与H+-ATP酶的结合和随之带来的H+的主动分泌都需要一定的时间，所以生长素所引起伸长的滞后期(10～15min)比酸所引起伸长的滞后期(1min)长。 为什么由生长素或H+引起细胞的生长主要是纵向伸长而不是宽度的伸展?这是由于细胞壁中纤维素微纤丝是纵向螺旋排列的，当细胞壁松驰后，细胞的伸长生长会优于径向生长。生长素诱导的细胞伸长生长是一个需能过程，呼吸抑制剂，如氰化物(CN-)和二硝基酚(DNP)可抑制生长素的这种效应，但对H+诱导的伸长则无影响。此外，生长素所诱导的细胞壁可塑性的增加只有对活细胞才有效，对死细胞不起作用；而H+所引起的这种效应对死、活细胞都有效。这是因为质膜上的质子泵是一种蛋白质，只有活细胞并在ATP的参与下才具活性，使得H+泵出细胞进入细胞壁，酸生长反应才可进行。
图8－9 细胞伸长的酸生长理论 a. 细胞壁聚合物中的多糖交错结合：（1）限制了细胞的扩张，质膜H+-ATPase将H+从细胞质中泵入到细胞壁空间以酸化细胞壁；（2）作用于细胞膜和细胞壁上的膨压引起多糖与多糖交错结合断裂；（3）造成细胞的伸长。b. IAA激活H+-ATPase的信号转导过程图解 酸生长理论不足以解释细胞伸长的所有问题，如绿色的茎切段虽然能够响应IAA，但是对酸的响应则很弱。另外，酸刺激胚芽鞘产生短暂的生长反应，其速率在30～60min达到最高。紧接着的另一个阶段中，生长速率在16 h内保持恒定或者缓慢下降。对这种兼具块和慢反应两个阶段的合理解释是，酸生长反应仅限于最初的快速反应，而维持随后的长时间的生长反应则需要IAA诱导的其他因素，可能涉及到基因的表达和生长刺激蛋白的合成等。 （二）基因活化学说 生长素作用机理的“酸生长理论”虽能很好地解释生长素所引起的快速反应，但许多研究结果表明，在生长素所诱导的细胞生长过程中不断有新的原生质成分和细胞壁物质合成，且这种过程能持续几个小时，而完全由H+诱导的生长只能进行很短时间。由核酸合成抑制剂放线菌素D(actinmycin D)和蛋白质合成抑制剂亚胺环己酮(cycloheximide)的实验得知，生长素所诱导的生长是由于它促进了新的核酸和蛋白质的合成。进一步用5-氟尿嘧啶(抑制除mRNA以外的其它RNA的合成)试验证明，新合成的核酸为mRNA。此外还发现，细胞在生长过程中细胞壁的厚度基本保持不变，因此，还必须合成更多的纤维素和交联多糖。 20世纪80年代许多工作证明，生长素与质膜上或细胞质中的受体结合后，会诱发形成肌醇三磷酸(简称IP3)，IP3打开细胞器的钙通道，释放液泡等细胞器中的Ca2+，增加细胞溶质中Ca2+水平，Ca2+进入液泡，置换出H+，剌激质膜ATP酶活性，使蛋白质磷酸化，于是活化的蛋白质因子与生长素结合，形成了蛋白质生长素复合物，再移到细胞核，合成特殊mRNA，最后在核糖体上形成蛋白质。 从以上资料得知，生长素的长期效应是在转录和翻译水平上促进核酸和蛋白质的合成而影响生长的。由此提出了生长素作用机理的基因活化学说。该学说对生长素所诱导生长的长期效应解释如下：植物细胞具有全能性，但在一般情况下，绝大部分基因是处于抑制状态的，生长素的作用就是解除这种抑制，使某些处于“休眠”状态的基因活化，从而转录并翻译出新的蛋白质。当IAA与质膜上的激素受体蛋白(可能就是质膜上的质子泵)结合后，激活细胞内的第二信使，并将信息转导至细胞核内，使处于抑制状态的基因解阻遏，基因开始转录和翻译，合成新的mRNA和蛋白质，为细胞质和细胞壁的合成提供原料，并由此产生一系列的生理生化反应。 由于生长素所诱导的生长既有快速反应，又有长期效应，因此提出了生长素促进植物生长的作用方式设想(图8-10)。 （三）生长素受体 生长素所产生的各种生理作用是生长素与细胞中的生长素受体结合后而实现的，这也是生长素在细胞中作用的开始。生长素受体是激素受体的一种。所谓激素受体(hormone receptor)，是指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。然而，能与激素结合的蛋白质却并非都是激素受体，只可称其为某激素的结合蛋白(binding protein)。激素受体的一个重要特性是激素分子和受体结合后能激活一系列的胞内信号转导，从而使细胞作出反应。 生长素受体在细胞中的存在位置有多种说法，但主要有两种：一种存在于质膜上；另一种存在于细胞质(或细胞核)中，前者促进细胞壁松驰，是酸生长理论的基础，后者促进核酸和蛋白质的合成，是基因活化学说的基础。 已分离到一些生长素结合蛋白(auxin-binding protein,ABP)。其中有三类，分别位于质膜、内质网或液泡膜上。如玉米胚芽中分离出的一种质膜ABP，其分子量为40 000，含两个亚基，每一亚基分子量为20 000。质膜ABP可促进质膜上H+-ATPase的活性，从而促进伸长生长。另外，在烟草愈伤组织中鉴定出了存在于泡液及细胞核内的ABP，这些ABP能显著促进生长素诱导的mRNA的增加。 五、 生长素的生理效应 生长素的生理作用十分广泛，包括对细胞分裂、伸长和分化，营养器官和生殖器官的生长、成熟和衰老的调控等方面。 (一)促进生长　 温特曾经说过："没有生长素，就没有生长"，可见生长素对生长的重要作用。生长素最明显的效应就是在外用时可促进茎切段和胚芽鞘切段的伸长生长，其原因主要是促进了细胞的伸长。在一定浓度范围内，生长素对离体的根和芽的生长也有促进作用。此外，生长素还可促进马铃薯和菊芋的块茎、组织培养中愈伤组织的生长。 生长素对生长的作用有三个特点： ①双重作用 生长素在较低浓度下可促进生长，而高浓度时则抑制生长。在低浓度的生长素溶液中，根切段的伸长随浓度的增加而增加；当生长素浓度超过一定临界点时，对根切段伸长的促进作用逐渐减少；当浓度增加继续增加时，则对根切段的伸长表现出明显的抑制作用。生长素对茎和芽生长的效应与根相似，只是浓度不同。因此，任何一种器官，生长素对其促进生长时都有一个最适浓度，低于这个浓度时称亚最适浓度，这时生长随浓度的增加而加快，高于最适浓度时称超最适浓度，这时促进生长的效应随浓度的增加而逐渐下降。当浓度高到一定值后则抑制生长，这是由于高浓度的生长素诱导了乙烯的产生。②不同器官对生长素的敏感性不同，根对生长素的最适浓度最小，茎的最适浓度为最大，而芽则处于根与茎之间。由于根对生长素十分敏感，所以浓度稍高就超最适浓度而起抑制作用。不同年龄的细胞对生长素的反应也不同，幼嫩细胞对生长素反应灵敏，而老的细胞敏感性则下降。高度木质化和其它分化程度很高的细胞对生长素都不敏感。黄化茎组织比绿色茎组织对生长素更为敏感。③对离体器官和整株植物效应有别，生长素对离体器官的生长具有明显的促进作用，而对整株植物往往效果不太明显。 (二) 促进插条不定根的形成 生长素可以有效促进插条不定根的形成，这主要是剌激了插条基部切口处细胞的分裂与分化，诱导了根原基的形成。用生长素类物质促进插条形成不定根的方法已在苗木的无性繁殖上广泛应用。 （三）对养分的调运作用 生长素具有很强的吸引与调运养分的效应。从天竺葵叶片进行的试验中（图8－11）可以看出，14C标记的葡萄糖向着IAA浓度高的地方移动。利用这一特性，用IAA处理，可促使子房及其周围组织膨大而获得无籽果实 (四) 生长素的其它效应 生长素还广泛参与许多其它生理过程。如促进菠萝开花、引起顶端优势(即顶芽对侧芽生长的抑制)、诱导雌花分化(但效果不如乙烯)、促进形成层细胞向木质部细胞分化，促进光合产物的运输、叶片的扩大和气孔的开放等。此外，生长素还可抑制花朵脱落、叶片老化和块根形成等。 第三节 赤霉素类 一、赤霉素的发现及其种类 (一) 赤霉素的发现 　赤霉素(gibberellin,GA)最早最早是由日本植物病理学学家研究的水稻恶苗病（Rice bakanae）时发现的，它是指具有赤霉烷骨架，并能剌激细胞分裂和伸长的一类化合物的总称。 1898年，Shotaro Hori 发表了有关水稻恶苗病病因的第一篇论文，指出水稻恶苗病是由一种镰刀菌的感染造成的。1912年，Sawada在《台湾农业评论》（Formosan Agricultural Review）发表一篇题为“The Diseases of Crops in Taiwan”的文章，指出水稻幼苗的徒长可能源于所感染真菌菌丝的刺激。随后，Eiichi Kurosawa（1926）发现利用干枯的水稻幼苗的培养滤液也能显著地造成水稻幼苗和其他水草的伸长，并断定恶苗病菌通过分泌一种化合物刺激茎的延伸、抑制叶绿素的形成和根的生长。20世纪30年代，经过科学家的努力，最终将水稻恶苗病菌正式命名为藤仓赤霉（Gibberella fujikuroi (Saw.) Wr），其无性态命名为禾谷镰刀菌（Fusarium moniliforme (Sheldon)）。有性态名字来源于两个著名的日本植物病理学家的名称Yosaburo Fujikuro 和Kenkichi Sawada。 1934年，Teijiro Yabuta 最先从恶苗病菌的发酵滤液中获得有效成分的结晶体，发现该成分在任何供试浓度下都能抑制水稻幼苗的生长，并于1935年正式命名为赤霉素（gibberellin,GA）。1938年Yabuta和Yusuke Sumiki 又从赤霉菌培养基的过滤液中分离出了两种具有生物活性的结晶，命名为"赤霉素A"和"赤霉素B"。 直到50年代初，英、美科学家从真菌培养液中首次获得了这种物质的化学纯产品，英国科学家称之为赤霉酸(1954)，美国科学家称之为赤霉素X(1955)。后来证明赤霉酸和赤霉素X为同一物质，都是GA3。1955年东京大学的科学家对他们的赤霉素A进行了进一步的纯化，从中分离出了三种赤霉素，即赤霉素A1、赤霉素A2和赤霉素A3。通过比较发现赤霉素A3与赤霉酸和赤霉素X是同一物质。1957年东京大学的科学家又分离出了一种新的赤霉素A，叫赤霉素A4。此后，对赤霉素A系列(赤霉素An)就用缩写符号GAn表示。后来，很快又发现了几种新的GA，并在未受赤霉菌感染的高等植物中也发现了许多与GA有同样生理功能的物质。1959年克罗斯(B.E.Cross)等测出了GA3、GA1和GA5的化学结构。同时，MacMillan和Suter报道一些植物的未成熟种子中分离得到GA1结晶，说明GAS是高等植物的天然物质。 （二）赤霉素的种类。 目前，分别从植物、真菌和细菌中已经发现赤霉素类物质超过140种。赤霉素类是根据化学结构来确定的，它们均含有赤霉烷环（gibberelane）地基本结构（图8－12）。GAS的编号是按照它们被发现的先后顺序来确定的，而不是表示它们化学结构上有什么关系。在所有的GAS种，GA3可以从赤霉菌发酵液中大量提取，是目前主要的商品化和农用形式。GA1和GA20可能活性最高，在高等植物中最为重要的GAS。 在GAS家族中，多数的成员没有生物活性或者活性很低。其中一部分是合成GAS的前体物质，另一部分是活性GAS的代谢产物。生理活性强的赤霉素有GA1，GA3，GA7，GA30，GA38等，生理活性弱的有GA13，GA25，GA39等。任何一种植物或其某个器官中很有的GAS种类是较少的，有活性的GAS则更少。在高等植物中，GA1可能是最主要的调控茎伸长生长的物质。


GA1 GA2 GA3


GA4 GA20 GA27


GA40 GA63 GA85


GA136 GA131 GA107 图8－12 一些赤霉素类的化学结构 二、赤霉素的分布与运输 赤霉素广泛分布于各种植物、真菌和细菌中（表8－2） 表8－2赤霉素类在部分植物、真菌和细菌体内的分布情况 植物(属) 赤霉素类  小麦 （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，GA20，GA24，GA29，GA34，GA44，GA51，GA53  黄瓜 （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  藤仓赤霉 （Gibberella fujikuroi） 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   赤霉素较多存在于生长旺盛的部分，如茎端、嫩叶、根尖和果实种子。高等植物的赤霉素含量一般是1～1 000ng/g鲜重，果实和种子（未成熟的种子）的赤霉素含量比营养器官多两个数量级。每个器官或者组织都含有两种以上的赤霉素，而且赤霉素的种类、数量和状态都因植物发育时期而异。 GA在植物体内的运输没有极性，可以双向运输。根尖合成的GA通过木质部向上运输，而叶原基产生的GA则是通过韧皮部向下运输，其运输速度与光合产物相同，为50～100cm·h-1，不同植物间运输速度的差异很大。 GA合成以后在体内的降解很慢，然而却很容易转变成无生物活性的束缚型GA(conjugated gibberellin)。植物体内的束缚型GA主要有GA-葡萄糖酯和GA-葡萄糖苷等。束缚型GA是GA的贮藏和运输形式。在植物的不同发育时期，游离型与束缚型GA可相互转化。如在种子成熟时，游离型的GA不断转变成束缚型的GA而贮藏起来；而在种子萌发时，束缚型的GA又通过酶促水解转变成游离型的GA而发挥其生理调节作用。 三、赤霉素生物合成及其调控 （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发育着的种子（果实），伸长着的茎端和根部。赤霉素在细胞中的合成部位是质体、内质网和细胞质溶胶等处。 1、GAS合成的前体（precursor）—牻牛儿牻牛儿焦磷酸 (geranylgeranyl pyrophosphate ,GGPP)的形成途径。GGPP是由异戊烯二磷酸（isopentenyl diphosphate，IPP）转变来的。近来发现植物不同细胞器如线粒体、叶绿体和内质网自身能合成GGPP,而不是转运来（图8－13）。植物细胞内的GGPP形成途径有两条:：甲羟戊酸（mevalonic acid,MVA）途径和非甲羟戊酸途径。 图8－13植物细胞合成GGPP的两种途径[ GA12－7－醛（GA12－7－aldehyde）是GAS生物合成途径中的第一个真正带有赤霉烷结构的化合物，以GA12－7－醛为中心，可以把GAS合成分为以下两个阶段（图8－13）。 2、由甲瓦龙酸到GA12－7－醛的合成。该过程是赤霉菌和高等植物所共有，因此，GA12－7－醛可能是所有GAS的前体，在此过程中，牻牛儿牻牛儿焦磷酸（GGPP）为重要的枢纽，由此可以产生多种萜类化合物。 3、由GA12－7－醛合成其他GAS。GA12－7－醛的第7位上的醛基被氧化为羧基，生成GA12。这是重要的第一步，因为第7位羧基为所有GAS所共有，也是生物活性所必需。后续过程中的一个重要步骤是氧化除去第20位碳原子，生成具有不同程度生物活性的19个碳原子的GAS。虽然GA12－7－醛以前的步骤为所有植物共有，但是其后的步骤因不同植物种类乃至不同的植物组织而异。 图8－14 赤霉素的生物合成 多种化合物能阻断GAS的生物合成，表现出抑制节间伸长的效应，它们被称为植物生长延缓剂（plant growth retardant）或者抗赤霉素（antigibberellins）。GAS合成途径中自GGPP开始，经过两个环化步骤后形成内－贝壳杉烯，分别由内－贝壳杉烯合成酶A和B所控制。抑制这两个环化步骤的化合物主要有AMO-1618、Cycocel（CCC）、Phosphon-D和缩节胺等。紧接着环化步骤之后，内－贝壳杉烯的19位进行连续三步的氧化反应生产内－贝壳杉烯酸（ent-kaurenoic acid），受内－贝壳杉烯氧化酶催化。嘧啶醇（ancymidol）和多效唑（paclobutrazol,PP333）对其具有抑制作用。 二、赤霉素生物合成的调节 （一）、赤霉素生物合成的反馈调节 植物通常保持赤霉素在体内的平衡，如生物活性GAS的浓度保持在某一范围，其中包含了GA生物合成的反馈调节。生物活性GAS会降低编码GA20－氧化酶和GA3β－羟基化酶的基因的表达，拟南芥GA5和GA4基因的转录水平在GA缺陷植物中很高，而当这些植物用GA处理时GA5和GA4的转录水平下降。用生物活性GA处理野生型豌豆也降低GA20－氧化酶mRNA和GA1含量。将黄化豌豆幼苗转移至光下，4ｈ后GA20－氧化酶和GA3β－羟基化酶转录的表达增加了5倍。如果在光处理之前给黄化幼苗供应外源的GA1，会抑制光诱导的GA20－氧化酶和GA3β－羟基化酶mRNA的累积。说明活性GAS在ＧＡ生物合成反馈抑制过程中起重要作用。 在ＧＡ响应突变体中，如小麦Rht3、玉米Dwarf8和拟南芥gai，虽然它们都是矮生突变体，但它们含有大量生物活性GAS。相反，细长突变体如豌豆的lacrys突变体生长得就像它们用大量GA处理过，而实际上它们含有较少量的生物活性GAS。起初这似乎自相矛盾，因为茎伸长通常是由生物活性GA的量控制的，但它揭示了GA响应和GA生物合成之间的联系。矮生突变体不能响应GA，也不能降低GA生物合成，说明这些基因在正常情况下很可能参与了GA信号的接收或传递过程，如图2所示。而细长突变体中GA生物合成受到明显降低，很可能是由于相应的基因在GA信号的接收或传递过程中起着负调节的作用。因此,克隆这些基因对我们了解ＧＡ的作用机理有重要意义。
图8－15 GA生物合成的反馈调节 (二)、赤霉素生物合成的光周期调节 在许多莲座状植物中茎快速伸长(抽苔)伴随着开花的光周期诱导受GAS调控。在这些植物中赤霉素的C-20氧化是受光周期控制的主要步骤。在菠菜这种专性的长日植物中，GA5(GA20－氧化酶)基因的表达在长日照下较高，并与茎伸长的增加相关，而在短日照下表达较低。这一表达模式在光周期改变后2ｄ内建立起来。拟南芥这种兼性的长日植物，抽苔在长日照下加快。当植株从长日照转移到短日照条件下，C19-GAS：GA9，GA20，GA1和GA8的含量上升，表明GA20－氧化酶活性受长日照条件促进。在短日照条件下茎伸长至少部分归因于GA5表达的增加，而GA4 (3β－羟基化酶)的表达不受光周期控制。在植物种子萌发阶段情况不太一样。光敏色素对莴苣种子萌发的调节可能主要通过内源生物活性GA水平的改变来进行，内源GA1的含量在红光处理后增加。 四、赤霉素的生理效应 (一) 促进茎的伸长生长 赤霉素最显著的生理效应就是促进植物的生长，这主要是它能促进细胞的伸长。GA促进生长具有以下特点 　1.促进整株植物生长，尤其是对矮生突变品种的效果特别明显（图8-15）。但GA对离体茎切段的伸长没有明显的促进作用，而IAA对整株植物的生长影响较小，却对离体茎切段的伸长有明显的促进作用。GA促进矮生植株伸长的原因是由于矮生种内源GA的生物合成受阻，使得体内GA含量比正常品种低的缘故。
　2.GA一般促进节间的伸长而不是促进节数的增加。 　3.GA对生长的促进作用不存在超最适浓度的抑制作用，即使浓度很高，仍可表现出最大的促进效应，这与生长素促进植物生长具有最适浓度的情况显著不同。 　4.GA促进细胞伸长的机理 4.1诱导膨胀素的产生和活性增加 1992年，在黄瓜幼苗中发现了一种细胞壁松弛蛋白质，称膨胀素(expansins)，该蛋白质通过断裂细胞壁多聚体间（例如微纤丝和半纤维素间）的非离子键,引起细胞壁松弛而促进细胞伸长。已有充分的证据表明，膨胀素是促进植物细胞伸长的关键因子。在水稻中expansins主要存在于节间的居间分生组织和伸长区中。免疫印迹分析法显示，深水稻浸水节间细胞的细胞壁比空气中节间细胞的细胞壁含有更多的膨胀素。到目前为止，已在深水稻中鉴定出4个膨胀素基因。据报道，浸水和GA处理能够在深水稻节间生长速率加快前增加膨胀素基因os-EXP4RNA的积累。 4.2　提高木葡聚糖内葡糖基酶(XET)的活性 木葡聚糖是植物初生壁的主要成分之一。木葡聚糖除了受纤维素酶催化外，也受木葡聚糖内转糖基酶（Xyloglucanen-dotransglycosylasa,XET）作用。XET可以使木葡聚糖产生内转基作用，把木葡聚糖切开，并重新形成另一个木葡聚糖分子，再排列微木葡聚—纤维网，从而使细胞壁延长。GA能显著提高XET的活性。水稻中有4种XET相关的基因(XTR)：OsXTR1，OsXTR2，OsXTR3和OsXTR4，其中OsXTR1，OsXTR3主要在节间伸长区表达。水稻矮秆突变体WaitoC中OsXTR1，OsXTR3 mRNA水平比野生植株中低，外源GA3增加OsXTR1，OsXTR3的表达水平，表明GA通过提高XET相关基因的转录水平促进细胞伸长。 4.3促进微管与细胞长轴呈垂直排列 植物细胞壁的主要组成是纤维素，呈晶体形微纤丝，这种微纤丝无伸展性，要使细胞伸展，一定要把微纤丝拆开。无伸展能力的细胞，其微纤丝是随机取向的，当微纤丝与细胞长轴呈垂直排列时，就会使细胞伸长。许多研究结果表明，微纤丝在细胞壁中的取向由分布于质膜内侧的排列方向所控制，并与微管的排列方向平行。赤霉素促使微管的排列方向与生长着的细胞的长轴垂直。在缓慢生长的节间中，其居间分生组织以上的细胞内微管方向发生倾斜，这种构型抑制生长。在GA处理的迅速生长的深水稻节间中，其居间分生组织以上的细胞内微管由水平方向逐渐变化及至伸长区顶部呈倾斜构型，因而有利于细胞伸长。 (二) 诱导开花 　　某些高等植物花芽的分化是受日照长度(即光周期)和温度影响的。例如，对于二年生作物，需要一定日数的低温处理(即春化)才能开花，否则表现出莲座状生长而不能抽薹开花。若对这些未经春化的作物施用GA，则不经低温过程也能诱导开花，且效果很明显。此外，也能代替长日照诱导某些长日植物开花，但GA对短日植物的花芽分化无促进作用 对于花芽已经分化的植物，GA对其花的开放具有显著的促进效应。如GA能促进甜叶菊、铁树及柏科、杉科植物的开花。 （三）打破休眠 　用2～3μg·g-1的GA处理休眠状态的马铃薯能使其很快发芽，从而可满足一年多次种植马铃薯的需要。对于需光和需低温才能萌发的种子，如莴苣、烟草、紫苏、李和苹果等的种子，GA可代替光照和低温打破休眠，这是因为GA可诱导α-淀粉酶、蛋白酶和其它水解酶的合成，催化种子内贮藏物质的降解，以供胚的生长发育所需。在啤酒制造业中，用GA处理萌动而未发芽的大麦种子，可诱导α-淀粉酶的产生，加速酿造时的糖化过程，并降低萌芽的呼吸消耗，从而降低成本。 （四）促进雄花分化 　　对于雌雄异花同株的植物，用GA处理后，雄花的比例增加；对于雌雄异株植物的雌株，如用GA处理，也会开出雄花。GA在这方面的效应与生长素和乙烯相反。 （五）其它生理效应 　　GA还可加强IAA对养分的动员效应，促进某些植物座果和单性结实、延缓叶片衰老等。此外，GA也可促进细胞的分裂和分化，GA促进细胞分裂是由于缩短了G1期和S期。但GA对不定根的形成却起抑制作用，这与生长素又有所不同。 五、赤霉素的作用机理 (一) GA与酶的合成 关于GA与酶合成的研究主要集中在GA如何诱导禾谷类种子α-淀粉酶的形成上。大麦种子内的贮藏物质主要是淀粉，发芽时在α-淀粉酶的作用下水解为糖以供胚生长的需要。如种子无胚，则不能产生α-淀粉酶，但外加GA可代替胚的作用，诱导无胚种子产生α-淀粉酶。如既去胚又去糊粉层，即使用GA处理，淀粉仍不能水解(图8-16)，这证明糊粉层细胞是GA作用的靶细胞。GA促进无胚大麦种子合成α-淀粉酶具有高度的专一性和灵敏性，现已用来作为GA的生物鉴定法，在一定浓度范围内，α-淀粉酶的产生与外源GA的浓度成正比。 　 大麦籽粒在萌发时，贮藏在胚中的束缚型GA水解释放出游离的GA，通过胚乳扩散到糊粉层，并诱导糊粉层细胞合成α淀粉酶，酶扩散到胚乳中催化淀粉水解，水解产物供胚生长需要。 （二）GA调节IAA水平 　　许多研究表明，GA可使内源IAA的水平增高。这是因为一方面GA降低了IAA氧化酶的活性，另一方面GA促进蛋白酶的活性，使蛋白质水解，IAA的合成前体(色氨酸)增多。此外，GA还促进束缚型IAA释放出游离型IAA。以上三个方面都增加了细胞内IAA的水平，从而促进生长。所以，GA和IAA在促进生长、诱导单性结实和促进形成层活动等方面都具有相似的效应(图7-14)。但GA在打破芽和种子的休眠、诱导禾谷类种子α淀粉酶的合成、促进未春化的二年生及长日植物成花，以及促进矮生植株节间的伸长等方面的功能IAA所不具有的。 第四节 细胞分裂素类 一、 细胞分裂素的发现和种类 　　生长素和赤霉素的主要作用都是促进细胞的伸长，虽然它们也能促进细胞分裂，但是次要的，而细胞分裂素类则是以促进细胞分裂为主的一类植物激素。 (一) 细胞分裂素的发现 1913年，Gottlieb Haberlandt 发现植物韧皮部的一些化合物具有刺激细胞分裂的能力，1941年，Johannes van Overbeek发现椰子的乳状胚乳也具有刺激植物细胞分裂的能力。 20世纪40至50年度，植物生理学家开始利用植物组织培养来研究细胞分裂和发育。美国Wisconsin大学的斯库格（F.Skoog）在寻找促进组织培养中细胞分裂的物质时，发现生长素存在时腺嘌呤具有促进细胞分裂的活性。1954年，雅布隆斯基（J.R.Jablonski）和斯库格发现烟草髓组织在只含有生长素的培养基中细胞不分裂而只长大，如将髓组织与维管束接触，则细胞分裂。后来他们发现维管组织、椰子乳汁或麦芽提取液中都含有诱导细胞分裂的物质。1955年米勒（C.O.Miller）和斯库格等偶然将存放了4年的鲱鱼精细胞DNA加入到烟草髓组织的培养基中，发现也能诱导细胞的分裂，且其效果优于腺嘌呤，但用新提取的DNA却无促进细胞分裂的活性，如将其在pH＜4的条件下进行高压灭菌处理，则又可表现出促进细胞分裂的活性。他们分离出了这种活性物质，并命名为激动素（kinetin，KT）。1956年，米勒等从高压灭菌处理的鲱鱼精细胞DNA分解产物中纯化出了激动素结晶，并鉴定出其化学结构为6-呋喃氨基嘌呤（N6-furfurylaminopurine），分子式为C10H9N5O，分子量为215.2，接着又人工合成了这种物质。激动素并非DNA的组成部分，它是DNA在高压灭菌处理过程中发生降解后的重排分子。激动素只存在于动物体内，在植物体内迄今为止还未发现。 尽管植物体内不存在激动素，但实验发现植物体内广泛分布着能促进细胞分裂的物质。1963年，莱撒姆（D.S.Letham）从未成熟的玉米籽粒中分离出了一种类似于激动素的细胞分裂促进物质，命名为玉米素(zeatin,Z，ZT)，1964年确定其化学结构为6-(4-羟基-3-甲基-反式-2-丁烯基氨基)嘌呤〔6-(4-hydroxyl-3-methy-trans-2-butenylamino)purine〕,分子式为C10H13N5O，分子量为129.7(图8－17)。玉米素是最早发现的植物天然细胞分裂素，其生理活性远强于激动素。 1965年斯库格等提议将来源于植物的、其生理活性类似于激动素的化合物统称为细胞分裂素(cytokinins, CTKs，CK)，目前在高等植物中已至少鉴定出了30多种细胞分裂素。
图8－17：几种细胞分裂素的结构 （二）细胞分裂素的种类和结构特点 　　天然细胞分裂素可分为两类，一类为游离态细胞分裂素，除最早发现的玉米素外，还有玉米素核苷（zeatinriboside)、二氢玉米素(dihydrozeatin)、异戊烯基腺嘌呤(isopentenyla denine，iP)等。 　　另一类为结合态细胞分裂素。结合态细胞分裂素有异戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine，iPA)、甲硫基异戊烯基腺苷、甲硫基玉米素等，它们结合在tRNA上，构成tRNA的组成成分。 　　细胞分裂素都为腺嘌呤的衍生物，是腺嘌呤6位和9位上N原子以及2位C原子上的H被取代的产物。 　　常见的人工合成的细胞分裂素有：激动素(KT)、6-苄基腺嘌呤(6-benzyl adenine,BA，6-BA)和四氢吡喃苄基腺嘌呤(tetrahydropyranyl benzyladenine,又称多氯苯甲酸，简称PBA)等。在农业和园艺上应用得最广的细胞分裂素是激动素和6-苄基腺嘌呤。有的化学物质虽然不具腺嘌呤结构，但仍然具有细胞分裂素的生理作用，如二苯脲(diphenylurea)。 二、细胞分裂素的运输与代谢 (一)含量与运输 　　在高等植物中细胞分裂素主要存在于可进行细胞分裂的部位，如茎尖、根尖、未成熟的种子、萌发的种子和生长着的果实等。一般而言，细胞分裂素的含量为1～1000ng·g-1植物干重。从高等植物中发现的细胞分裂素，大多数是玉米素或玉米素核苷。 　　一般认为，细胞分裂素的合成部位是根尖，然后经过木质部运往地上部产生生理效应。在植物的伤流液中含有细胞分裂素。随着试验研究的深入，发现根尖并不是细胞分裂素合成的唯一部位。陈政茂(1978)等首先证明标记的腺嘌呤能掺入无根的烟草组织的地上部，合成异戊烯基腺嘌呤等。柯达(Koda)等在培养石刁柏茎顶端时，发现培养基和茎中的细胞分裂素总量有所增加，这说明茎顶端也能合成细胞分裂素。冠瘿组织在无细胞分裂素的培养基中生长良好，而测定表明，其组织中含有丰富的细胞分裂素。此外萌发的种子和发育着的果实也可能是细胞分裂素的合成部位。但这些研究都是在离体的情况下进行的，尚需研究这些部位在整株条件下合成细胞分裂素的情况。 （二）细胞分裂素的代谢 植物体内游离型细胞分裂素一部分来源于tRNA的降解，其中的细胞分裂素游离出来。另外也可以从其它途径合成细胞分裂素。细胞分裂素合成的关键步骤是异戊烯基焦磷(isopentenyl pyrophosphate，iPP)和AMP，在异戊烯基转移酶(isopentenyl tansferase)催化下，形成异戊烯基腺苷-5′-磷酸，进而在水解酶作用下形成异戊烯基腺嘌呤。异戊烯基腺嘌呤如进一步氧化，就能形成玉米素(图8-18)。 细胞分裂素的代谢包括细胞分裂素结合物的形成，即细胞分裂素和其他有机物形成的结合体和细胞分裂素氧化分解等过程。 细胞分裂素常常通过糖基化、乙酰基化等方式转化为结合态形式。细胞分裂素的结合态形式较为稳定，适于贮藏或运输。在细胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase)的作用下，玉米素、玉米素核苷和异戊烯基腺嘌呤等可转变为腺嘌呤及其衍生物，细胞分裂素氧化酶可能对细胞分裂素起钝化作用，防止细胞分裂素积累过多，产生毒害。已在多种植物中发现了细胞分裂素氧化酶的存在。 植物体中细胞分裂素的种类繁多,形式最简单的是异戊烯基腺嘌呤（iP）和玉米素（Ｚ），更多的是由iP和Ｚ通过Ｎ－糖基化、Ｎ－丙酰基化或Ｏ－糖基化、Ｏ－乙酰基化等方式转变为结合态形式。一般认为，细胞分裂素结合态形式较为稳定，但在有关酶的作用下，非结合态与结合态细胞分裂素之间可以互变，植物可以在一定程度上，以形成不同程度结合态的方式来调节植物体内细胞分裂素的水平。细胞分裂素嘌呤环系统的Ｎ3－ 、Ｎ7－ 和Ｎ9－ 位置可葡糖基化。研究表明，嘌呤环的Ｎ7－位和Ｎ9－位结合葡糖基以后，能不可逆地削弱细胞分裂素的活性。此外，发现Ｏ－糖基化的细胞分裂素也是无活性的，且不被细胞分裂素氧化酶分解，但在β－葡糖苷酶的作用下，它能转化成有活性的细胞分裂素。结合态的细胞分裂素主要起贮藏和避免其被氧化分解的作用，因而结合态细胞分裂素的形成是维持细胞分裂素活性水平的重要调节手段之一。 嘌呤环系统Ｎ6－侧链的Ｏ－葡糖基结合是所有植物中普遍存在的结合态细胞分裂素的形式。此外，据报道，在菜豆属植物，中存在Ｏ－木糖基结合。早在1989年，Dixon等就从菜豆中纯化得到相应的糖基转移酶，这类酶对玉米素、二氢玉米素和糖基供体具高度底物专一性。如玉米素－Ｏ－葡糖基转移酶（ZOG1）主要利用UDP-Glc为糖基供体,而玉米素-Ｏ-木糖基转移酶（ZOX1）则专一性地利用UDP-Xyl为糖基供体。现在已从菜豆中分离到ZOG1和ZOX1两个基因，并通过结构域交换实验，绘出UDP-Glc的结合位点图谱。顺式-玉米素-Ｏ-葡糖基转移酶（cis ZOG1）也已得到分离，该酶对顺式异构体具高度专一性,专一性地使顺式玉米素葡糖基化。 细胞分裂素在细胞内分解是由细胞分裂素氧化酶（CKO）催化的，它以分子氧为氧化剂，催化细胞分裂素Ｎ6－上不饱和侧链裂解，使其彻底丧失活性，此反应不可逆。现已从多种植物组织中分离纯化得到细胞分裂素氧化酶，这类酶由多种蛋白质组成。目前，已从玉米中分离出2个同源性较大的细胞分裂素氧化酶的基因，这2个基因在甲醇酵母，和苔藓植物，中的异源表达，证明它们的编码产物具有细胞分裂素氧化酶的活性。玉米细胞分裂素氧化酶含有一个促分泌的信号序列，但有关该酶在活体内的定位研究，目前尚未见报道。 Werner等把玉米细胞分裂素氧化酶的基因整合到烟草植株中，并利用花椰菜花叶病毒（CaMV） 35Ｓ启动子使其在烟草中过量表达而获得了转基因植株。转基因植株的细胞分裂素氧化酶活性比野生型植株高,因而内源细胞分裂素水平下降,转基因植株茎的发育受到严重抑制,因而生长受到阻碍;相反,转基因植株根系统的生长则得到加强。表明细胞分裂素对茎的发育和根的发育起相反的作用。同样,由于转基因植株内源细胞分裂素水平下降,导致顶端分生组织细胞增殖也下降,细胞数量较少。转基因植株叶片的大小约是相同条件下野生型植株叶片大小的15%。这与细胞分裂素在体内调节细胞分裂的功能是一致的。 三、细胞分裂素的生理效应 （一）促进细胞分裂 细胞分裂素的主要生理功能就是促进细胞的分裂。生长素、赤霉素和细胞分裂素都有促进细胞分裂的效应，但它们各自所起的作用不同。细胞分裂包括核分裂和胞质分裂两个过程，生长素只促进核的分裂，而与细胞质的分裂无关。而细胞分裂素主要是对细胞质的分裂起作用，所以，细胞分裂素促进细胞分裂的效应只有在生长素存在的前提下才能表现出来。而赤霉素促进细胞分裂主要是缩短了细胞周期中的G1期(DNA合成准备期)和S期(DNA合成期)的时间，从而加速了细胞的分裂。 (二) 促进芽的分化 　　促进芽的分化是细胞分裂素最重要的生理效应之一。1957年斯库格和米勒在进行烟草的组织培养时发现，细胞分裂素(激动素)和生长素的相互作用控制着愈伤组织根、芽的形成。当培养基中［CTK］/［IAA］的比值高时，愈伤组织形成芽；当［CTK］/［IAA］的比值低时，愈伤组织形成根；如二者的浓度相等，则愈伤组织保持生长而不分化；所以，通过调整二者的比值，可诱导愈伤组织形成完整的植株。 （三）促进细胞扩大 细胞分裂素可促进一些双子叶植物如菜豆、萝卜的子叶或叶圆片扩大，这种扩大主要是因为促进了细胞的横向增粗。因生长素只促进细胞的纵向伸长，赤霉素对子叶的扩大没有显著效应，所以CTK这种对子叶扩大的效应已作为CTK的一种生物测定方法(图8-19)。
图8－18 细胞分裂素的生物合成及其代谢 图8-19 细胞分裂素对萝卜子叶膨大的作用 T0表示实验开始之前萌发的萝卜幼苗，离体的子叶在加或不加2.5mM玉米素的情况下在暗中或光下培养三天（T3） （四）促进侧芽发育，消除顶端优势 　　CTK能解除由生长素所引起的顶端优势，促进侧芽生长发育。如豌豆苗第一真叶腋内的侧芽，一般处于潜伏状态，但若以激动素溶液滴加于叶腋部分，腋芽则可生长发育。 （五）延缓叶片衰老 如在离体叶片上局部涂以激动素，则在叶片其余部位变黄衰老时，涂抹激动素的部位仍保持鲜绿(图8-20A、B)。这不仅说明了激动素有延缓叶片衰老的作用，同时也说明了激动素在一般组织中不易移动。 细胞分裂素延缓衰老是由于细胞分裂素能够延缓叶绿素和蛋白质的降解速度，稳定多聚核糖体(蛋白质高速合成的场所)，抑制DNA酶、RNA酶及蛋白酶的活性，保持膜的完整性等。此外，CTK还可调动多种养分向处理部位移动(图8-20C)，因此有人认为CTK延缓衰老是由于促进了物质积累的结果，现在有许多资料证明激动素有促进核酸和蛋白质合成的作用。例如细胞分裂素可抑制与衰老有关的一些水解酶(如纤维素酶、果胶酶、核糖核酸酶等)的mRNA的合成，所以，CTK可能在转录水平上起防止衰老的作用。 图8-20：激动素的保绿作用及其对物质运输的影响 　　由于CTK有保绿及延缓衰老等作用，故可用来处理水果和鲜花等以保鲜、保绿，防止落果。如用400mg·L-1的6-BA水溶液处理柑桔幼果，可显著防止第一次生理脱落，对照的座果率为21%，而处理的可达91%，且处理的果实果梗加粗，果实浓绿，果实也比对照显著加大。 (六) 打破种子休眠 　　需光种子，如莴苣和烟草等在黑暗中不能萌发，用细胞分裂素则可代替光照打破这类种子的休眠，促进其萌发。 四、细胞分裂素的作用机理 　　（一）细胞分裂素结合蛋白 　　关于细胞分裂素的结合位点有多种不同的报道。埃里奥和福克斯(Erion and Fox，1981)以小麦胚的核糖体为材料，发现其中含有一种高度专一性和高亲和力的细胞分裂素结合蛋白，分子量为183 000，含有四个不同的亚基。福克斯等(1992)进一步分析不同来源的小麦及不同禾谷作物胚芽的细胞分裂素结合蛋白，证实其亚基数不同，这也说明细胞分裂素结合蛋白的多样性。细胞分裂素结合蛋白存在于核糖体上，提示其可能与RNA翻译作用有关。有报道认为绿豆线粒体有与细胞分裂素高亲和力的结合蛋白。黄海等(1987)发现小麦叶片叶绿体中也存在细胞分裂素受体，也有认为细胞分裂素结合蛋白可能参与叶绿体能量转换的调节。 　　（二）细胞分裂素对转录和翻译的控制 　　激动素能与豌豆芽染色质结合，调节基因活性，促进RNA合成。6-BA加入到大麦叶染色体的转录系统中，增加了RNA聚合酶的活性。在蚕豆细胞中，6-BA或受体蛋白单独存在时，都不能促进RNA合成，只有两者同时存在下，3H-UTP掺入核酸中的量才显著增多。这表明细胞分裂素有促进转录的作用。 　　多种细胞分裂素是植物tRNA的组成成分，占tRNA结构中约30个稀有碱基的小部分。这些细胞分裂素成分都在tRNA反密码子(anti-codon)的3′末端的邻近位置，由于tRNA反密码子与mRNA密码子之间相互作用，因此曾设想，细胞分裂素有可能通过它在tRNA上的功能，在翻译水平发挥调节作用，由此通过控制特殊蛋白质合成来发挥作用。但是，玉米种子tRNA含有顺式玉米素，而游离玉米素则是反式的，这使人们怀疑细胞分裂素与tRNA的关系。然而现已从菜豆 (Phasolus vulgaris) 种子中分离出玉米素顺反异构酶(zeatin cis-trans-isomerase),暗示了细胞分裂素和tRNA之间确实存在某种关系。 　　细胞分裂素可以促进蛋白质的生物合成。因为细胞分裂素存在于核糖体上，促进核糖体与mRNA结合，形成多核糖体，加快翻译速度，形成新的蛋白质。试验证实，细胞分裂素可诱导烟草细胞的蛋白质合成，形成新的硝酸还原酶。此外，细胞分裂素还促进mRNA的合成，克罗韦尔(Crowell，1990)从大豆细胞得到20种DNA克隆及所产生的mRNA，细胞分裂素处理后4h内，这些mRNA明显增加，比对照高2倍～20倍。不同的细胞分裂素表现相似的效果。这些mRNA的变化发生在生长反应之前，且受生长素的影响。 　　（三）细胞分裂素与钙信使的关系 　　细胞分裂素的作用可能与钙密切相关。在多种依赖细胞分裂素的植物生理试验中，钙与细胞分裂素表现相似的或相互增强的效果，如延缓玉米叶片老化，扩大苍耳子叶面积等。森德斯和赫普勒(Sunders and Hepler，1982)用葫芦藓丝体为试验材料，测定细胞分裂素促进芽分化效果与钙分布的相关性，发现在细胞分裂素处理12h后原丝体尖端细胞中钙含量显著增加，后来芽即从这个钙累积部位分化。森德斯(1990)用免疫技术显示了细胞分裂素在丝体内的分布。在不能分化成芽的丝体尖端细胞内没有细胞分裂素积累，但在具有芽分化能力的丝体尖端却呈现强烈的荧光，这表明细胞分裂素在该处明显地累积。细胞分裂素在可分化成芽的靶细胞内可能与受体结合。免疫荧光技术已证实钙离子最初在靶细胞的核中累积，然后转移到特定的分裂位置，可能在染色体移动时起重要作用。细胞分裂素与钙在分布上的相关性提示钙可能是细胞分裂素信息传递系统的一部分。 　　钙往往通过钙—钙调素复合体而作为第二信使。一些研究表明，细胞分裂素作用还与钙调素活性有关。此外，细胞分裂素与钙的关系还可因细胞发育阶段而变化。如大豆下胚轴质膜中存在依赖ATP的钙离子泵，这种钙离子泵对细胞分裂素的敏感性会随细胞生长过程而不同。 第五节 脱落酸 一、脱落酸的发现和性质 (一)脱落酸的发现 　　脱落酸(abscisic acid，ABA)是指能引起芽休眠、叶子脱落和抑制生长等生理作用的植物激素。它是人们在研究植物体内与休眠、脱落和种子萌发等生理过程有关的生长抑制物质时发现的。 　　1961年刘(W.C.liu)等在研究棉花幼铃的脱落时，从成熟的干棉壳中分离纯化出了促进脱落的物质，并命名这种物质为脱落素(后来阿迪柯特将其称为脱落素Ⅰ)。1963年大熊和彦和阿迪柯特（K.Ohkuma and F.T.Addicott）等从225kg 4～7天龄的鲜棉铃中分离纯化出了9mg具有高度活性的促进脱落的物质，命名为脱落素Ⅱ(abscisinⅡ)。 　　在阿迪柯特领导的小组研究棉铃脱落的同时，英国的韦尔林和康福思领导的小组正在进行着木本植物休眠的研究。几乎就在脱落素Ⅱ发现的同时，伊格尔斯(C.F.Eagles)和韦尔林从桦树叶中提取出了一种能抑制生长并诱导旺盛生长的枝条进入休眠的物质，他们将其命名为休眠素(dormin)。1965年康福思等从28kg秋天的干槭树叶中得到了260μg的休眠素纯结晶，通过与脱落素Ⅱ的分子量、红外光谱和熔点等的比较鉴定，确定休眠素和脱落素Ⅱ是同一物质。1967年在渥太华召开的第六届国际生长物质会议上，这种生长调节物质正式被定名为脱落酸。 （二）ABA的结构特点 　　ABA是以异戊二烯为基本单位的倍半萜羧酸(图8-21)，化学名称为5-(1′-羟基2′，6′，6′-三甲基-4′-氧代-2′-环己烯-1′-基)-3-甲基-2-顺-4-反-戊二烯酸〔5-(1′-hydroxy-2′,6′,6′-trimethyl-4′-oxo-2′-cyclohexen-1′-yl)-3-methyl-2-cis-4-trans-pentadienoic acid〕，分子式为C15H20O4，分子量为264.3。ABA环1′位上为不对称碳原子，故有两种旋光异构体。植物体内的天然形式主要为右旋ABA即(+)-ABA，又写作(S)-ABA。
图 8-21 脱落酸的化学结构 (三) ABA的分布与运输 　　脱落酸存在于全部维管植物中，包括被子植物、裸子植物和蕨类植物。苔类和藻类植物中含有一种化学性质与脱落酸相近的生长抑制剂，称为半月苔酸（lunlaric acid），此外，在某些苔藓和藻类中也发现存在有ABA。 　　高等植物各器官和组织中都有脱落酸，其中以将要脱落或进入休眠的器官和组织中较多，在逆境条件下ABA含量会迅速增多。水生植物的ABA含量很低，一般为3～5μg·kg-1；陆生植物含量高些，温带谷类作物通常含50～500μg·kg-1，鳄梨的中果皮与团花种子含量高达10mg·kg-1与11.7mg·kg-1。 　　脱落酸运输不具有极性。在菜豆叶柄切段中，14C-脱落酸向基运输的速度是向顶运输速度的2倍～3倍。脱落酸主要以游离型的形式运输，也有部分以脱落酸糖苷的形式运输。脱落酸在植物体的运输速度很快，在茎或叶柄中的运输速率大约是20mm·h-1。 二、脱落酸的代谢 　　脱落酸的合成部位主要是根冠和萎蔫的叶片，茎、种子、花和果等器官也有合成脱落酸的能力。例如，在菠菜叶肉细胞的细胞质中能合成脱落酸，然后将其运送到细胞各处。脱落酸是弱酸，而叶绿体的基质呈高pH，所以脱落酸以离子化状态大量积累在叶绿体中。 (一) ABA的生物合成 脱落酸生物合成的途径主要有两条： 1、类萜途径(terpenoid pathway) 脱落酸的合成是由甲瓦龙酸(MVA)经过法呢基焦磷酸（farnesylpyrophosphate,FPP），再经过一些未明的过程而形成脱落酸。此途径亦称为C15直接途径。 MVA→→FPP→→ABA 2、类胡萝卜素途径(carotenoid pathway) 脱落酸的碳骨架与一些类胡萝卜素的末端部分相似。塔勒（Tarlor）等将类胡萝卜素曝露在光下，会产生生长抑制物。后来发现紫黄质（violaxanthin）在光下产生的抑制剂是2－顺式－黄质醛（xanthoxin），在一些植物的枝叶中也检出这种物质。黄质醛迅速代谢成为脱落酸。近几年发现，除了紫黄质外，其他类胡萝卜素（如新黄质neoxanthix，叶黄素lutein等）都可光解或在脂氧合酶（lipoxygenase）作用下，转变为黄质醛，最终形成脱落酸(图8-22)。由类胡萝卜素氧化分解生成ABA的途径称为ABA合成的间接途径。通常认为在高等植物中，主要以间接途径合成ABA。 直接途径是指从C15化合物(FPP)直接合成ABA的过程。间接途径则是指从C40化合物经氧化分解生成ABA 的过程。
图8-22 高等植物中生物合成脱落酸的可能途径 直接途径是指从C15化合物(FPP)直接合成ABA的过程。间接途径则是指从C40化合物经氧化分解生成ABA 的过程。 (二) ABA的钝化 ABA可与细胞内的单糖或氨基酸以共价键结合而失去活性。结合态的ABA可水解重新释放出ABA。因而结合态ABA是ABA的贮藏形式。但干旱所造成的ABA迅速增加并不是来自于结合态ABA的水解，而是重新合成的。 (三) ABA的氧化 ABA的氧化产物是红花菜豆酸(phaseic acid，PA)和二氢红花菜豆酸(dihydrophasei acid，DPA)。红花菜豆酸的活性极低，而二氢红花菜豆酸无生理活性。 三、脱落酸的生理效应 (一) 促进休眠 外用ABA时，可使旺盛生长的枝条停止生长而进入休眠，这是它最初也被称为"休眠素"的原因。在秋天的短日条件下，叶中甲瓦龙酸合成GA的量减少，而合成的ABA量不断增加，使芽进入休眠状态以便越冬。种子休眠与种子中存在脱落酸有关，如桃、蔷薇的休眠种子的外种皮中存在脱落酸，所以只有通过层积处理，脱落酸水平降低后，种子才能正常发芽。(二) 促进气孔关闭 ABA可引起气孔关闭，降低蒸腾，这是ABA最重要的生理效应之一（图8－23）。科尼什（K.Cornish，1986）发现水分胁迫下叶片保卫细胞中的ABA含量是正常水分条件下含量的18倍。ABA促使气孔关闭的原因是它使保卫细胞中的K+外渗，从而使保卫细胞的水势高于周围细胞的水势而失水。ABA还能促进根系的吸水与溢泌速率，增加其向地上部的供水量，因此ABA是植物体内调节蒸腾的激素，也可作为抗蒸腾剂使用。 图8－23　ABA促进气孔的关闭 A.培养在缓冲液中的蚕豆表皮　　　B.缓冲液中加入ABA后几分钟内气孔就关闭 (三) 抑制生长 　　ABA能抑制整株植物或离体器官的生长，也能抑制种子的萌发。ABA的抑制效应比植物体内的另一类天然抑制剂--酚要高千倍。酚类物质是通过毒害发挥其抑制效应的，是不可逆的，而ABA的抑制效应则是可逆的，一旦去除ABA，枝条的生长或种子的萌发又会立即开始。 (四)促进脱落 ABA是在研究棉花幼铃脱落时发现的。ABA促进器官脱落主要是促进了离层的形成。将ABA涂抹于去除叶片的棉花外植体叶柄切口上，几天后叶柄就开始脱落（图8-24），此效应十分明显，已被用于脱落酸的生物检定。 (五)增加抗逆性 一般来说，干旱、寒冷、高温、盐渍和水涝等逆境都能使植物体内ABA迅速增加，同时抗逆性增强。如ABA可显著降低高温对叶绿体超微结构的破坏，增加叶绿体的热稳定性；ABA可诱导某些酶的重新合成而增加植物的抗冷性、抗涝性和抗盐性。因此，ABA被称为应激激素或胁迫激素(stress hormone) 　　 图8-24：促进落叶物质的检定法 四、脱落酸的作用机理 在植物体内，ABA不仅存在多种抑制效应，还有多种促进效应。在各种实验系统中，它的最适浓度可跨4个数量级(0.1～200μmol·L-1)。对于不同组织，它可以产生相反的效应。例如，它可促进保卫细胞的胞液Ca2+水平上升，却诱导糊粉层细胞的胞液Ca2+水平下降。通常把这些差异归因于各种组织与细胞的ABA受体的性质与数量的不同。ABA及其受体的复合物一方面可通过第二信使系统诱导某些基因的表达，另一方面也可直接改变膜系统的性状，干预某些离子的跨膜运动。 （一）脱落酸结合蛋白 ABA含有α与β不饱和酮结构，能接受光的剌激而成为高度活跃状态，容易与蛋白质中氨基酸的氢原子结合。霍恩伯格和韦尔勒(Hornberg and Weiler，1984)利用这种原理使蚕豆叶片气孔保卫细胞原生质体的结合蛋白质产生光亲和标记(photoaffinity lable)。2-顺式ABA的几何异构体2-反式ABA对气孔保卫细胞缺乏生物活性，结果显示保卫细胞原生质体与具有强生物活性的2-顺式ABA发生专一性结合，这种结合有高亲和性、饱和性及可逆性，解离常数为3×10-9～4×10-9mol·L-1。所得结果与促进气孔关闭的ABA有效浓度颇为接近。叶肉细胞的原生质体对ABA的亲和性仅为气孔保卫细胞原生质体的1/10，提示ABA结合蛋白在植物体内分布的专一性。据估计每一细胞原生质体含有19.5×105个ABA结合位置，它们存在于质膜的外表面。ABA衍生物取代在结合位置的ABA的效率与它们的生物活性呈正相关。ABA结合蛋白包含3个亚基，其分子量分别为19 300、20 200及24 300。在高pH环境下，ABA与20 200多肽结合；在低pH环境下，ABA与其他两种多肽结合。这种特性与ABA在碱性及酸性条件下都能引起气孔关闭的生理作用吻合，以上试验结果提示气孔保卫细胞内ABA结合蛋白质具有受体功能。 （二）ABA与Ca2+·CaM系统的关系 在研究ABA与Ca2+·CaM 系统的关系时，有两类实验材料被广泛使用，一类是ABA诱导胞液Ca2+水平升高的，如鸭跖草或蚕豆的表皮、保卫细胞原生质体和大麦居间分生组织的原生质体，另一类是ABA诱导胞液Ca2+水平下降的，如大麦糊粉层细胞的原生质体。 在研究ABA促使鸭跖草气孔关闭的机制时发现，ABA促进鸭跖草气孔关闭有赖于可利用Ca2+的存在，在缺钙条下，ABA几乎不抑制气孔开放。在不缺钙条件下，ABA能诱导鸭跖草下表皮保卫细胞的胞液游离Ca2+水平迅速升高，而且这种升高现象比气孔关闭现象出现得早。当鸭跖草的下表皮受到10-6mol·L-1ABA处理时，不到2min，保卫细胞胞液的Ca2+水平由静息态的70nmol·L-1上升至第一个高峰，随后，其峰值愈来愈高，10min时达到1μmol·L-1，而气孔开度在5min后才开始变小，当气孔接近完全关闭时，Ca2+水平早已上升至最高值并已开始下降。由此可确认Ca2+是ABA诱导气孔关闭过程中的一种第二信使。 通过测定ABA对大麦糊粉层细胞原生质胞液Ca2+浓度的影响，结果表明，胞液静息态Ca2+浓度约为200nmol·L-1。经200μmol·L-1ABA处理，可在5s内降至50nmoL-1左右。Ca2+浓度的下降值与外源ABA剂量之间存在良好的线性关系。王梅等(1991)认为这种ABA引起胞液Ca2+浓度的下降与质膜Ca2+浓度ATP酶的活化有关，这也是ABA与第二信使关系的又一实验证据。另有研究表明ABA能影响细胞质膜、液泡膜等生物膜的性质，从而影响离子的跨膜运动。如ABA使保卫细胞的K+与Cl-外渗量急剧上升，从而使其渗透物质减少，水势上升，气孔关闭。 （三）ABA对基因表达的调控 当植物受到渗透胁迫(osmotic stress)时，其体内的ABA水平会急剧上升，同时出现若干个特殊基因的表达产物。倘若植物体并未受到干旱、盐渍或寒冷引起的渗透胁迫，而只是吸收了相当数量的ABA，其体内也会出现这些基因的表达产物。近几年来，已从水稻、棉花、小麦、马铃薯、萝卜、番茄、烟草等植物中分离出10多种受ABA诱导而表达的基因，这些基因表达的部位包括种子、幼苗、叶、根和愈伤组织等。 ABA可改变某些酶的活性，如ABA能抑制大麦糊粉层中α-淀粉酶的合成，这与RNA合成抑制剂——放线菌素D的抑制情况相似(图8-25)。有人认为ABA是阻碍了RNA聚合酶的活性，致使DNA到RNA的转录不能进行。
图8-25 脱落酸及放线菌素D对大麦糊粉层α-淀粉酶合成的抑制作用 糊粉层在0.1μmol·L-1GA溶液中保温11h，此时加入ABA(5μmol·L-1)或放线菌素D(10 μg·L-1)，加入后2.5、5、10h测定α-淀粉酶合成。 ? 第六节 乙烯 一、乙烯的发现与结构特点 早在上个世纪中叶(1864)就有关于燃气街灯漏气会促进附近的树落叶的报道，但直到 1901年，俄国的植物学家奈刘波夫(Neljubow)才首先证实是照明气中的乙烯在起作用，他还发现乙烯能引起黄化豌豆苗的三重反应。第一个发现植物材料能产生一种气体并对邻近植物材料的生长产生影响的人是卡曾斯，他发现橘子产生的气体能催熟同船混装的香蕉。 虽然1930年以前人们就已认识到乙烯对植物具有多方面的影响，但直到1934年甘恩(Gane)才获得植物组织确实能产生乙烯的化学证据。 1959年，由于气相色谱的应用，伯格(S.P.Burg)等测出了未成熟果实中有极少量的乙烯产生，随着果实的成熟，产生的乙烯量不断增加。此后几年，在乙烯的生物化学和生理学研究方面取得了许多成果，并证明高等植物的各个部位都能产生乙烯，还发现乙烯对许多生理过程、包括从种子萌发到衰老的整个过程都起重要的调节作用。1965年在柏格的提议下，乙烯才被公认为是植物的天然激素。 乙烯(ethylene,ET，ETH)是一种不饱和烃，其化学结构为CH2=CH2，是各种植物激素中分子结构最简单的一种。乙烯在常温下是气体，分子量为28，轻于空气。乙烯在极低浓度(0.01～0.1μl·L-1)时就对植物产生生理效应。种子植物、蕨类、苔藓、真菌和细菌都可产生乙烯。 二、乙烯的生物合成及运输 (一) 生物合成及其调节 乙烯的生物合成前体为蛋氨酸（methionine，Met)，其直接前体为1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC)。 蛋氨酸经过蛋氨酸循环，形成5′-甲硫基腺苷(5′-methylthioribose，MTA)和ACC，前者通过循环再生成蛋氨酸，而ACC则在ACC氧化酶(ACC oxidase)的催化下氧化生成乙烯(图8-26)。在植物的所有活细胞中都能合成乙烯。乙烯的生物合成受到许多因素的调节，这些因素包括发育因素和环境因素(图8-26)。在植物正常生长发育的某些时期，如种子萌发、果实后熟、叶的脱落和花的衰老等阶段都会诱导乙烯的产生。成熟组织释放乙烯量一般为0.01～10nl·g-1FW·h-1。对于具有呼吸跃变的果实，当后熟过程一开始，乙烯就大量产生，这是由于ACC合成酶和ACC氧化酶的活性急剧增加的结果。 IAA也可促进乙烯的产生。IAA诱导乙烯产生是通过诱导ACC的产生而发挥作用的，这可能与IAA从转录和翻译水平上诱导了ACC合成酶的合成有关。 影响乙烯生物合成的环境条件有O2、AVG(氨基乙氧基乙烯基甘氨酸，aminoethoxyvinyl glycine)、AOA(氨基氧乙酸，aminoxyacetic acid)、某些无机元素和各种逆境。从ACC形成乙烯是一个双底物(O2和ACC)反应的过程，所以缺O2将阻碍乙烯的形成。AVG和AOA能通过抑制ACC的生成来抑制乙烯的形成。所以在生产实践中，可用AVG和AOA来减少果实脱落，抑制果实后熟，延长果实和切花的保存时间。在无机离子中，Co2+、Ni2+和Ag+都能抑制乙烯的生成。 各种逆境如低温、干旱、水涝、切割、碰撞、射线、虫害、真菌分泌物、除草剂、O3、SO2和一定量CO2等化学物质均可诱导乙烯的大量产生，这种由于逆境所诱导产生的乙烯叫逆境乙烯(stress ethylene)。 水涝诱导乙烯的大量产生是由于在缺O2条件下，根中及地上部分ACC合成酶的活性被增加的结果。虽然根中由ACC形成乙烯的过程在缺O2条件下受阻，但根中的ACC能很快地转运到叶中，在那里大量地形成乙烯。 ACC除了形成乙烯以外，也可转变为非挥发性的N-丙二酰ACC(N-malonyl-ACC，MACC)，此反应是不可逆反应。当ACC大量转向MACC时，乙烯的生成量则减少，因此MACC的形成有调节乙烯生物合成的作用。 (二) 乙烯的运输 乙烯在植物体内易于移动，并遵循虎克扩散定律。此外，乙烯还可穿过被电击死了的茎段。这些都证明乙烯的运输是被动的扩散过程，但其生物合成过程一定要在具有完整膜结构的活细胞中才能进行。 一般情况下，乙烯就在合成部位起作用。乙烯的前体ACC可溶于水溶液，因而推测ACC可能是乙烯在植物体内远距离运输的形式。 （三）乙烯的代谢 乙烯在植物体内形成以后会分解为CO2和乙烯氧化物等气体代谢物，也会形成可溶性代谢物，如乙烯乙二醇（ethylene glycol）和乙烯葡萄糖结合体等。乙烯代谢的功能是除去乙烯或者使乙烯钝化，使植物体内的乙烯含量达到适合植物体生长发育需要的水平。 （四）乙烯的抑制 乙烯形成以后，还需要与金属蛋白质结合，进一步通过代谢后才能起生理作用，Ag+抑制乙烯的作用，可能使该离子影响乙烯与受体结合后的变化。EDTA螯合Fe后形成的Fe-EDTA也具有抑制乙烯的作用。 三、乙烯的生理效应 (一) 改变生长习性 乙烯对植物生长的典型效应是：抑制茎的伸长生长、促进茎或根的横向增粗及茎的横向生长(即使茎失去负向重力性)，这就是乙烯所特有的"三重反应"(triple response)(图8-27A)。 乙烯促使茎横向生长是由于它引起偏上生长所造成的。所谓偏上生长，是指器官的上部生长速度快于下部的现象。乙烯对茎与叶柄都有偏上生长的作用，从而造成了茎横生和叶下垂(图8-27B)。 (二) 促进成熟 催熟是乙烯最主要和最显著的效应，因此乙烯也称为催熟激素。乙烯对果实成熟、棉铃开裂、水稻的灌浆与成熟都有显著的效果。 在实际生活中我们知道，一旦箱里出现了一只烂苹果，如不立即除去，它会很快使整个一箱苹果都烂掉。这是由于腐烂苹果产生的乙烯比正常苹果的多，触发了附近的苹果也大量产生乙烯，使箱内乙烯的浓度在较短时间内剧增，诱导呼吸跃变，加快苹果完熟和贮藏物质消耗的缘故。又如柿子，即使在树上已成熟，但仍很涩口，不能食用，只有经过后熟过程后才能食用。由于乙烯是气体，易扩散，故散放的柿子后熟过程很慢，放置十天半月后仍难食用。若将容器密闭(如用塑料袋封装)，果实产生的乙烯就不会扩散掉，再加上自身催化作用，后熟过程加快，一般5天后就可食用了。 (三) 促进脱落 乙烯是控制叶片脱落的主要激素。这是因为乙烯能促进细胞壁降解酶--纤维素酶的合办成并且控制纤维素酶由原生质体释放到细胞壁中，从而促进细胞衰老和细胞壁的分解，引起离区近茎侧的细胞膨胀，从而迫使叶片、花或果实机械地脱离。 (四) 促进开花和雌花分化 乙烯可促进菠萝和其它一些植物开花，还可改变花的性别，促进黄瓜雌花分化，并使雌、雄异花同株的雌花着生节位下降。乙烯在这方面的效应与IAA相似，而与GA相反，现在知道IAA增加雌花分化就是由于IAA诱导产生乙烯的结果。 (五) 乙烯的其它效应 乙烯还可诱导插枝不定根的形成，促进根的生长和分化，打破种子和芽的休眠，诱导次生物质(如橡胶树的乳胶)的分泌等。 四、乙烯的作用机理 由于乙烯能提高很多酶，如过氧化物酶、纤维素酶、果胶酶和磷酸酯酶等的含量及活性，因此，乙烯可能在翻译水平上起作用。但乙烯对某些生理过程的调节作用发生得很快，如乙烯处理可在5min内改变植株的生长速度，这就难以用促进蛋白质的合成来解释了。因此，有人认为乙烯的作用机理与IAA的相似，其短期快速效应是对膜透性的影响，而长期效应则是对核酸和蛋白质代谢的调节。黄化大豆幼苗经乙烯处理后，能促进染色质的转录作用，使RNA水平大增；乙烯促进鳄梨和番茄等果实纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶的mRNA增多，随后酶活性增加，水解纤维素和果胶，果实变软、成熟。近年来通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana)乙烯反应突变体的研究，发现了分子量为147 000的ETR1蛋白作为乙烯受体在乙烯信号转导过程的最初步骤上起作用。乙烯信号转导过程中某些组分的分子特性正在被阐明，但受体与乙烯结合的机理尚不清楚，正在研究之中。 第七节 其它植物生长物质 植物体内除了有上述五大类激素外，还有很多微量的有机化合物对植物生长发育表现出特殊的调节作用。此外，众多的植物生长调节剂也可对植物生长发育起重要的调节控制作用。一、油菜素甾体类 1970年，美国的米切尔(Mitchell)等报道在油菜的花粉中发现了一种新的生长物质，它能引起菜豆幼苗节间伸长、弯曲、裂开等异常生长反应，并将其命名为油菜素(brassin)。1979年，格罗夫(Grove)等用227kg油菜花粉提取得到10mg的高活性结晶物，因是甾醇内酯化合物而将其命名为油菜素内酯（brassinolide,BR1）。此后，油菜素内酯及多种结构相似的化合物纷纷从多种植物中被分离鉴定，这些以甾醇为基本结构的具有生物活性的天然产物统称为油菜素甾体类化合物（brassinosteroids,BR，BRs），BR在植物体内含量极少，但生理活性很强。目前，已经从各种植物中分离得到40多种油菜素甾体类化合物，分别表示为BR1、BR2……BRn。 目前，BR以及多种类似化合物已被人工合成，用于生理生化及田间试验，这一类化合物的生物活性可用水稻叶片倾斜以及菜豆幼苗第二节间生长等生物测定法来鉴定。 (一) 油菜素甾体类化合物种类及分布 1.BR的结构特点与性质 现在已从植物中分离得到40多种油菜素甾体类化合物，分别表示为BR1、BR2……BRn。最早发现的油菜素内酯(BR1)其熔点274～275℃，分子式C28H48O6，分子量475.65，经质谱、红外及X射线晶体分析，它的结构式如图7-25所示，化学名称是2α、3α、22α、23α-4羟基-24α-甲基-B-同型-7-氧-5α-胆甾烯-6-酮。BR的基本结构是有一个甾体核，在核的C-17上有一个侧链。已发现的各种天然BR，根据其B环中含氧的功能团的性质，可分为3类，即内酯型、酮型和脱氧型(还原型)。
图8－28 油菜素内酯的化学结构 2.BR的分布 BR在植物界中普遍存在。油菜花粉是BR1的丰富来源，但其含量极低，只有100～200μg·kg-1，BR1也存在于其他植物中。BR2在已分析的植物中分布最广。 BR虽然在植物体内各部分都有分布，但不同组织中的含量不同。通常BR的含量是：花粉和种子1～1000ng·kg-1，枝条1～100ng·kg-1，果实和叶片1～10ng·kg-1。某些植物的虫瘿中BR的含量显著高于正常植物组织。 (二) 油菜素甾体类化合物的生理效应及应用 1.促进细胞伸长和分裂 用10ng·L-1的油菜素内酯处理菜豆幼苗第二节间，便可引起该节间显著伸长弯曲，细胞分裂加快，节间膨大，甚至开裂，这一综合生长反应被用作油菜素内酯的生物测定法(bean bioassay)。BR1促进细胞的分裂和伸长，其原因是增强了RNA聚合酶活性，促进了核酸和蛋白质的合成；BR1还可增强ATP酶活性，促进质膜分泌H+到细胞壁，使细胞伸长。 2.促进光合作用 BR可促进小麦叶RuBP羧化酶的活性，因此可提高光合速率。BR1处理花生幼苗后9天，叶绿素含量比对照高10%～12%，光合速率加快15%。放射性CO2示踪试验表明，BR1对叶片中光合产物向穗部运输有促进作用。 3.提高抗逆性 水稻幼苗在低温阴雨条件下生长，若用10-4mg·L-1BR1溶液浸根24小时，则株高、叶数、叶面积、分蘖数、根数都比对照高，且幼苗成活率高、地上部干重显著增多。此外，BR1也可使水稻、茄子、黄瓜幼苗等抗低温能力增强。 除此之外，BR还能通过对细胞膜的作用，增强植物对干旱、病害、盐害、除草剂、药害等逆境的抵抗力，因此有人将其称为"逆境缓和激素"。 BR主要用于增加农作物产量，减轻环境胁迫，有些也可用于插枝生根和花卉保鲜。随着对BR研究的深入和更有效而成本更低的人工合成类似物的出现，BR在农业生产上的应用必将越来越广泛，一些科学家已提议将油菜素甾醇类列为植物的第六类激素。 二、多胺 多胺（polyamine）是一类具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱基化合物。包括二胺、三胺、四胺和其他胺。在高等植物中，二胺主要是腐胺（putrescine，Put）、尸胺（cadaverine，Cad），三胺主要有亚精胺（spermidine，Spd），四胺有精胺(spermine，Spm)等，多胺作为一类小分子脂肪族化合物，它们可以通过离子键和氢键形式与核酸、蛋白质及带负电荷基团的磷脂等生物大分子相结合，并通过调节它们的生物活性，在植物生长发育中发挥广泛的生物学功能。 多胺广泛分布于原核生物和真核生物中，甚至在植物的RNA病毒和植物肿瘤中也有发现。在高等植物中，多胺主要以游离形式存在,其分布具有组织和器官特异性。植物细胞分裂最旺盛的地方多胺生物合成也最为活跃，不同类型多胺分布具有差异。对玉米的研究发现，精胺主要分布于玉米根部的分生组织区，腐胺主要分布在玉米芽鞘基部(以细胞伸长生长为主)，越向上含量越少，亚精胺则均匀分布。植物细胞发育阶段不同，多胺在细胞器中的分布也有差异。年幼细胞中，大部分多胺位于原生质体内，而较老细胞中多胺则主要结合在细胞壁上。 多胺由精氨酸和赖氨酸生物合成而来，此外，亚精胺和精胺的生物合成涉及到SAM，SAM也是乙烯生物合成的中间产物，因此，多胺和乙烯合成相互竞争SAM。在植物细胞中，多胺常与羟基肉桂酸、香豆酸和咖啡酸等酚类化合物结合。 多胺在细胞中可通过氧化脱氨而降解生成醛或其衍生物、NH3和H2O2。 多胺的生理功能是多方面的： 1、促进花芽分化 游离或结合多胺可在外植体成花过程中积累。Marcel Aribaud和Josette Martin-Tanguy通过研究多胺在正常和不育菊花中的代谢发现，多胺结合物在分生组织转化成花结构的过程中在顶端分生组织中出现，这些复合物在花形态建成前在花原始体上积累，可育植物中亚精胺结合物在花起始期间显著，而雄性不育植物只有腐胺结合物能被检测到。抑制试验表明，多胺也是成花的物质基础。Ap plewhite等报道，应用酶抑制剂减少培养基中亚精胺的滴定度，几乎可以完全抑制拟南芥抽苔和成花，而将该植物转移到没有抑制剂的培养基时，抽苔和成花可以恢复。在水稻的研究中发现，水稻花芽分化与Spd含量有关，水稻不育花药中Put、Spd、Spm的含量明显低于可育花药。RitaBiasi等发现,高浓度游离和不溶于三氯乙酸的结合多胺与花粉退化有关。Kaur-Sawhney等报道，烟草的成花过程可被在培养基中施加的亚精胺所诱导。Chiu ng-KueiHuang等通过研究日照中性植物晚香玉发现，与营养阶段相比，花起始早期球茎中尸胺和亚精胺含量分别增加了29%和21%,腐胺和精胺则分别减少了26%和35%，他们认为这些数据的变化与花起始早期有关。近年来的研究表明，果树花芽形成和分化可能受到植物激素、遗传物质、营养物质和多胺的共同调节。
图8－29 多胺的生物合成 2、延缓衰老 多胺可以延缓植物叶片衰老进程。尹路明（1994）发现，多胺和激动素抑制稀脉浮萍离体叶状体在暗诱导衰老过程中叶绿素的损失，且多胺的作用大于激动素。张青等（1997）发现，外施精胺和亚精胺可明显抑制离体小麦叶片老化过程中蛋白水解酶活性的上升。赵福庚（1999）对大田条件下花生的研究结果表明，不同发育阶段多胺代谢酶活性和多胺含量发生规律性变化。随花生叶片衰老，精氨酸脱羧酶（ADC）和鸟氨酸脱羧酶（ODC）活性降低，而DAO(二胺氧化酶)和PAO(多胺氧化酶)活性升高，多胺含量下降。有证据显示，多胺调节果实和花的衰老过程。JiangYM和ChenF（1995）发现，外施多胺可以延缓贮藏中荔枝果实的衰老；Hong等（1996）详细研究了两种番茄果实成熟过程中多胺的变化后认为,多胺延缓果实衰老主要是稳定和保护了细胞膜。 3、参与植物适应胁迫反应 多胺与非生物胁迫反应多胺可以提高细胞对逆境的适应能力，高精胺(Hspm)、降精胺(Nspm)、高亚精胺(Hspd)、降亚精胺（Nspd）等多胺被认为是植物适应极端环境时特定的保护物质。缺钾和缺镁时，植物体内ADC活性可以提高几倍到几十倍并大量积累腐胺，影响细胞内的pH值。在高NaCl、山梨糖醇、甘露醇等渗透胁迫条件和遭受臭氧、水分、盐渍、低温和大气污染等影响时，豌豆、燕麦、大麦等的ADC活性显著加强,Put含量增加。不同植物对盐度的应答多与多胺的形成有关。PedroJ和Zapata等（2004）发现，植物体内多胺浓度随环境中盐度的改变而改变，主要表现为Put浓度下降，Spd、Spm浓度上升。在研究的物种中，(Spd+Spm)/Put随盐度增加而上升将使盐耐受性增加；Put浓度下降，Spd、Spm浓度上升则被认为是幼苗对盐胁迫的普遍应答而且可能是抗盐的保护应答反应。Di egoH.sanchez等（2004）通过利用温和盐耐植物lotusglaber进行的实验表明，游离亚精胺和精胺可能是盐胁迫应答反应的生化指示剂，由于亚精胺随植物种类和生长条件的不同表现为降低或增加，而精胺在胁迫反应中累积,因此认为，精胺可能是植物盐胁迫应答中的一种可能与胁迫信号有关的生物分子。 多胺与生物胁迫反应。多胺含量在植物对生物胁迫如病原体感染中发生改变，HCAAs在植物与病原体免疫应答中可能起着重要的作用。许多研究表明，HCAAs在多数植物与病原体的非亲和互作中积累，并表现出直接的抗真菌特性。Cow leyandWalters（2002）发现，大麦对白粉病过敏反应中游离腐胺、精胺和结合形式的腐胺、亚精胺和精胺在接种14d后大大增加，同时伴随着ODC、ADC、SAMDC和DAO、PAO酶活性的增加。研究表明，DAO和PAO活性可以导致H2O2和活性氧成分（Reactiveoxygenspecies，ROS）的产生，而H2O2和ROS直接参与了细胞的程序性死亡，并有直接的抗微生物效果。DAO和PAO活性提高所产生的H2O2和ROS可能是大麦对白粉病抗性增加的一个原因。在后来的研究中发现，HCAAs可能有助于形成酚的屏障，使细胞壁对酶水解有更强的抗性。 三、茉莉酸类 (一)茉莉酸的代谢和分布 茉莉酸类（jasmonates,Jas）是广泛存在于植物体内的一类化物，现已发现了30多种。茉莉酸（jasmonic acid，JA）和茉莉酸甲酯（methyl jasmonate,JA-Me）是其中最重要的代表(图8-30)。13S-HPOT.13-过氧羟基亚麻酸〔13(S)-hydroperox-y9(Z),11(E),(Z)-octadecatrinoic acid〕； 12-OXO-PDA.12-氧代-植物二烯酸(12-oxophyto-dienoic acid); OPC-8∶0. 3氧代-(2′-戊烯基)-环戊烷-1-辛酸〔3-oxo-(2′-pentenyl)-cyclopentane-1-octanoic acid〕 图8-30 代表性的茉莉酸类化合物的分子结构 游离的茉莉酸首先是从真菌培养滤液中分离出来的，后来发现许多高等植物中都含有JA。而JA－Me则是1962年从茉莉属（Jasminum）的素馨花(Jasminum officinale var. grandiflorum)中分离出来作为香精油的有气味化合物。 茉莉酸的化学名称是3-氧-2-(2′-戊烯基)-环戊烷乙酸〔3-oxo-2-(2′- pentenyl)cyclopentanic acetic acid〕，其生物合成前体来自膜脂中的亚麻酸，目前认为JA的合成既可在细胞质中，也可在叶绿体中(图8-31)。亚麻酸经脂氧合酶（lipoxygenase） 催化加氧作用产生脂肪酸过氧化氢物，再经过氧化氢物环化酶（hydroperoxide cyclase）的作用转变为18碳的环脂肪酸（cyclic fatty acid），最后经还原及多次β-氧化而形成JA。 诺菲尔(Knofel，1984，1990)应用放射免疫检测等技术调查表明，代表160多个科的206种植物材料中均有茉莉酸类物质的存在。被子植物中JAs分布最普遍，裸子植物、藻类、蕨类、藓类和真菌中也有分布。通常JA在茎端、嫩叶、未成熟果实、根尖等处含量较高，生殖器官特别是果实比营养器官如叶、茎、芽的含量丰富，前者如蚕豆中含量为3 100ng·g-1FW，大豆中为1 260ng·g-1FW，而后者约为10～100ng·g-1FW。 JAs通常在植物韧皮部系统中运输，也可在木质部及细胞间隙运输。 (二) 茉莉酸类的生理效应及应用 JAs可引起多种形态或生理效应，这些效应大多与ABA的效应相似，但也有独特之处。 1、抑制生长和萌发 JA能显著抑制水稻幼苗第二叶鞘长度、莴苣幼苗下胚轴和根的生长以及GA3对它们伸长的诱导作用，JA-Me可抑制珍珠稗幼苗生长、离体黄瓜子叶鲜重和叶绿素的形成以及细胞分裂素诱导的大豆愈伤组织的生长。用10和100μg·L-1的JA处理莴苣种子，45小时后萌发率分别只有对照的86%和63%。茶花粉培养基中外加JA，则能强烈抑制花粉萌发。 2. 促进生根 JA-Me能显著促进绿豆下胚轴插条生根，10-8～10-5mol·L-1处理对不定根数目无明显影响，但可增加不定根干重(10-5mol·L-1处理的根重比对照增加一倍)；10-4～10-3mol·L-1处理则显著增加不定根数(10-3mol·L-1处理的根数比对照增加2.75倍)，但根干重未见增加。 3.促进衰老 从苦蒿中提取的JA-Me能加快燕麦叶片切段叶绿素的降解。用高浓度乙烯利处理后，JA-Me能促进豇豆叶片离层的产生。JA-Me还可使郁金香叶的叶绿素迅速降解，叶黄化，叶形改变，加快衰老进程。 4. 抑制花芽分化 烟草培养基中加入JA或JAMe则抑制外植体花芽形成。 5. 提高抗性 经JA-Me预处理的花生幼苗，在渗透逆境下，植物电导率减少，干旱对其质膜的伤害程度变小。JA-Me预处理也能提高水稻幼苗对低温(5～7℃，3天)和高温(46℃，24小时)的抵抗能力。 此外，JA还能抑制光和IAA诱导的含羞草小叶的运动，抑制红花菜豆培养细胞和根端切段对ABA的吸收。茉莉酸与脱落酸结构有相似之处，其生理效应也有许多相似的地方，例如抑制生长、抑制种子和花粉萌发、促进器官衰老和脱落、诱导气孔关闭、促进乙烯产生、抑制含羞草叶片运动、提高抗逆性等等。但是，JA与ABA也有不同之处，例如在莴苣种子萌发的生物测定中，JA不如ABA活力高，JA不抑制IAA诱导燕麦芽鞘的伸长弯曲，不抑制含羞草叶片的蒸腾，不抑制茶的花粉萌发。茉莉酸类物质的生理效应非常广泛，包括促进、抑制和诱导等多个方面。故JAs作为生理活性物质，已被第16届国际植物生长会议接受为一类新的植物激素。 四、水杨酸 (一) 水杨酸的发现 1763年英国的斯通（E.Stone）首先发现柳树皮有很强的收敛作用，可以治疗疟疾和发烧。后来发现这是柳树皮中所含的大量水杨酸糖苷在起作用，于是经过许多药物学家和化学家的努力，医学上便有了阿斯匹林（aspirin）药物的问世。阿斯匹林即乙酰水杨酸(acetylsalicylic acid)，在生物体内可很快转化为水杨酸（salicylic acid，SA）。本世纪60年代后，人们开始发现了SA在植物中的重要生理作用。

水杨酸 乙酰水杨酸 (二)水杨酸的分布和代谢 水杨酸能溶于水，易溶于极性的有机溶剂。在植物组织中，非结合态SA能在韧皮部中运输。SA在植物体中的分布一般以产热植物的花序较多，如天南星科的一种植物花序，含量达3μg·g-1鲜重，西番莲花为1.24μg·g-1鲜重。在不产热植物的叶片等器官中也含有SA，在水稻、大麦、大豆中均检测到SA的存在。植物体内SA的合成来自反式肉桂酸(trans-cinnamic acid)，即由莽草酸（shikimic acid）经苯丙氨酸(phenylalanine)形成的反式肉桂酸可经邻香豆酸（ocoumaric acid）或苯甲酸转化成SA。SA也可被UDP-葡萄糖∶水杨酸葡萄糖转移酶催化转变为β-O-D-葡萄糖水杨酸，这个反应可防止植物体内因SA含量过高而产生不利影响。 (三) 水杨酸的生理效应和应用 1.生热效应 天南星科植物佛焰花序的生热现象很早就引起了人们的注意。早就有人指出，这一突发的代谢变化是由一种生热素引起的。为了寻找这种生热素，人们整整经历了五十年的研究，直到1987年拉斯金(Raskin)等的试验才证明这种生热素就是SA。外源施用SA可使成熟花上部佛焰花序的温度增高12℃。在测试的33种SA类似物中，只有2，6-二羟苯甲酸和乙酰水杨酸有与SA同样的作用。生热现象实质上是与抗氰呼吸途径的电子传递系统有关。有人从枯苞 (Sauromatum guttatum)中分离出了编码交替氧化酶的核基因，经纯化的百合雄花提取液和SA都可激活该基因，这就直接证明了SA可激活抗氰呼吸途径。在严寒条件下花序产热，保持局部较高温度有利于开花结实，此外，高温有利于花序产生具有臭味的胺类和吲哚类物质的蒸发，以吸引昆虫传粉。可见，SA诱导的生热效应是植物对低温环境的一种适应。 2.诱导开花 用5.6μmol·L-1的SA处理可使长日植物浮萍gibba G3在非诱导光周期下开花。在其它浮萍上也发现了类似现象。后来发现这一诱导是依赖于光周期的，即是在光诱导以后的某个时期与开花促进或抑制因子相互作用而促进开花的。进一步研究表明，SA能使长日性浮萍gibba G3和短日性浮萍Paucicostata 6746的光临界值分别缩短和延长约两小时。 北京大学的试验发现SA还可显著影响黄瓜的性别表达，抑制雌花分化，促进较低节位上分化雄花，并且显著抑制根系发育。由于良好的根系可合成更多的有助于雌花分化的细胞分裂素，所以，SA抑制根系发育可能是其抑制雌花分化的部分原因。 3.增强抗性 某些植物在受病毒、真菌或细菌侵染后，侵染部位的SA水平显著增加，同时出现坏死病斑，即过敏反应(hypersensitive reaction，HR)，并引起非感染部位SA含量的升高，从而使其对同一病原或其它病原的再侵染产生抗性。某些抗病植物在受到病原侵染后，其体内SA含量立即升高，SA能诱导抗病基因的活化而使植株产生抗性。感病植物也含有有关的抗性基因，只是病原的侵染不能导致SA含量的增加，因而抗性基因不能被活化，这时施用外源SA可以达到类似的效果。SA可诱导植物产生某些病原相关蛋白（pathogenesis related proteins，PRs)。有人报道，抗性烟草植株感染烟草花叶病毒(TMV)后，产生的系统抗性与9种mRNA的诱导活化有关，施用外源SA也可诱导这些mRNA。进一步研究表明，病菌的侵染或外源SA的施用能使本来处于不可翻译态的mRNA转变为可翻译态。 第八节 植物生长调节剂及其合理应用 由于植物内源的激素含量非常低，不可能大量提取应用于生产，因此人们就采用化学方法合成多种与植物内源激素结构类似，同时具有激素功能的化合物，也就是植物生长调节剂。此外，生产中使用的GA3等少数天然激素主要是通过微生物发酵而来，也将其列入广义的植物生长调节剂的范围。 植物生长调节剂问世之后，迅速被应用于农、林和园艺等生产中。用植物生长调节剂去调节和控制植物生长发育的手段，简称为植物化学控制。与传统的农业技术相比，化学控制具有成本低、收效快、效益高等优点，已经成为现代农业的一项重要措施。 一、植物生长调节剂的类型 （一）人工合成的植物激素类 IAA易于化学合成，已作为外源药物用于扦插生根等生产中。GA3是目前生产中应用最为广泛的激素类物质，由赤霉菌发酵液中提取而来。在不同的pH溶液中，GA3的稳定性有着显著的差异。在pH 3～4时，其水溶液最稳定；在中性或微碱性条件下，其稳定性下降；在碱性溶液中则失效。因此不能和碱性农药混用。目前，利用葡萄灰孢霉已能大量发酵生产ABA。 （二）激素类似物 指在结构和功能上均类似于植物激素的化学合成物质。生长素类调节剂在生产中已经广泛使用。它们能够抵御降解IAA的酶类，因而具有更高的稳定性，效应持续期长。此外，他们一般比IAA具有更强的活性，并兼具有诱导乙烯合成的效应，常用的化合物有IBA、NAA、2,4－D，2,4,5-T等 在细胞分裂素调节剂中，应用最广泛的N6-苄基腺嘌呤（6－BA），其次是激动素（KT）、玉米素。玉米素的生物活性比激动素高10倍，但是因供应不普遍以及价格昂贵而受到限制。 在脱落酸类似物中，目前已经有一个近似品种赛苯隆（thidiazuron）已经工业化生产，它能促进棉花叶柄与茎之间离层的形成而脱落，便于机械收获，并使棉花收获期提前10天，棉花的品质也得到改善。 乙烯是气体，在田间不便大规模使用，目前生产中应用比较多的乙烯利（ethephon），乙烯利在小于pH 3的水溶液中较为稳定，在被植物吸收后，因植物细胞的pH 大于4.1，则水解而释放出乙烯。乙烯利在使用时候如遇到酸度或者温度变化时效果不稳定 （三）植物生长抑制物质 植物生长抑制物质可以分为植物生长抑制剂和植物生长延缓剂。植物生长抑制剂对植物顶芽或分生组主都有破坏作用，并且破坏作用是长期的，不为赤霉素所逆转，及时在浓度很低的情况下，对植物也没有促进生长的作用。施用于植物后，植物生长停止或生长缓慢。植物生长延缓剂指示对亚顶端分生组织具有暂时的抑制作用，延缓细胞的分裂和伸长生长，过一段时间后，植物即可恢复生长，而且其效应可以被赤霉素逆转。 植物生长抑制物质在农业生产中的作用是：抑制徒长、培育壮苗、延缓茎叶衰老、推迟成熟、诱导花芽分化、控制顶端优势、改造株型等。代表品种有矮壮素（CCC）。比久（B9）、缩节胺、多效唑（pp333）等。 二、植物生长调节剂常见品种 （一）乙烯利（ethephon，Ethrel，一试灵）
化学名称：2－氯乙基磷酸 主要理化特性：纯品为白色针状结晶，熔点74～75℃。易溶于水和乙醇，难溶于苯和二氯乙烷，对碱比较敏感。 生物活性：乙烯利是促进成熟的植物生长调节剂。在酸性介质中十分稳定，但是在pH大于4时，则分解放出乙烯。乙烯利可由植物的叶片、树皮、果实或者种子进入植物体内，然后传导到作用的部位，释放出乙烯，能起到内源激素乙烯所起的生理功能。乙烯利属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为4 229mg/kg。 （二）比久（daminogide，B9，丁酰肼）
化学名称：N,N－二甲基琥珀酰肼酸 主要理化特性：纯品为带有微臭白色结晶，熔点154～156℃。在25℃时水中的溶解度为10g/100g，丙酮中2.5g/100g，甲醇中5g/100g，不溶于一般碳氢化合物。贮存稳定性好。 生物活性：比久系植物生长延缓剂，可以被植物根、茎、叶吸收，进入体内后主要集中于顶端或者亚顶端分升组织，影响细胞分裂素和生长素的活性。从而抑制细胞分裂和纵向生长，使植物矮化粗壮，但是不影响开花和结果，使植物的抗寒、抗旱能力增强。另外还有促进次年花叶的形成、防止落花、落果、促进果实着色以及延长贮藏期等作用。比久属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为8 400mg/kg。 （三）助壮素（mepiquat chloride，Pix，甲哌啶） 化学名称：1,1－二甲基哌啶氯化物 主要理化特性：纯品为无色无味白色结晶，熔点285℃。在20℃时水中的溶解度为100g/100g，乙醇中16.2g/100g，氯仿中1.1g/100g，不可燃，不爆炸。50℃以下贮存稳定期2年以上。 生物活性：助壮素是内吸性植物生长调节剂，可被植物绿色部位吸收并传导至全株。能抑制植物体内赤霉素的合成，调节营养生长和生殖生长的矛盾。使节间缩短、叶片增厚、面积变小，因而株型紧凑粗壮，田间群体结构合理。助壮素还能增加叶绿素含量和光合效率，并使植物提前开花，提高结实率。助壮素属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为1 490mg/kg。 （四）多效唑（paclobutrazol，Bonzi）
化学名称：（2RS,3RS）－1－（4－氯苯基）－4,4－二甲基－2－（1H－1,2,4－三唑－1－基）戊－3－醇。 主要理化特性：纯品为白色固体，熔点165～166℃。在水中的溶解度为100mg/L，溶于甲醇、丙酮等有机溶剂。不可燃，不爆炸。50℃以下贮存稳定期6个月。 生物活性：多效唑是三唑类植物生长调节剂，是内源赤霉素合成的抑制剂，可以明显减弱顶端优势，促进侧芽滋生，茎变粗，植株矮化紧凑；能增加叶绿素、蛋白质和核酸的含量；可降低植株体内赤霉素类物质的含量，还可降低吲哚乙酸的含量和增加乙烯的释放量。多效唑主要通过根系吸收而起作用。多效唑属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为2 000mg/kg。 （五）吲哚丁酸（indoiebutyric acid，Seradix，生根素）
化学名称：3－吲哚丁酸。 主要理化特性：纯品为白色结晶，熔点123～125℃。不溶于水和氯仿，易溶于丙酮、乙醚、甲醇、乙醇等有机溶剂，对酸稳定。 生物活性：吲哚丁酸是一个活泼的植物生长物质，对根部有生物活性，可以促进植物根部的生长，是一种光谱高效生根促进剂。本品在植物体内转运少，容易保持在施药部位，具有促进形成层细胞分裂并通过再分化而长出新根的作用。本品属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为5 000mg/kg。 （六）矮壮素（chlormeguat，Cycocel，CCC）
化学名称：2－氯乙基三甲基铵氯化物。 主要理化特性：纯品为白色结晶，熔点123～125℃。易吸潮，在20℃水中溶解74％，溶于低级醇，难溶于乙醚以及烃类有机溶剂，遇碱分解，对金属有腐蚀作用。 生物活性：矮壮素是赤霉素的拮抗剂，可经叶片，幼枝、芽、根系和种子进入植物体内。其作用原理是抑制植株体内赤霉素的生物合成，它的生理功能是控制植株的徒长，促进生殖生长，使植株节间缩短而矮，壮，根系发达，抗倒伏。同时叶色加深，叶片增厚，叶绿素含量增多，光合作用增强，提高植物的抗逆性。本品属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为883mg/kg。 （七）赛苯隆（thidiazuron，Dropp，脱叶灵）

化学名称：N－苯基－N’－（1,2,3－噻二唑－5－基）脲。 主要理化特性：纯品为无色无味晶粒，熔点210.5～212.5℃。在23℃在水中的溶解度为20mg/L，在二甲酰胺中为50％，在环己酮中2.1％。pH5～9时稳定。在60℃下，贮存稳定期超过60天。 生物活性：它能促进棉花叶柄与茎之间离层的形成而脱落，便于机械收获，并使棉花收获期提前10天，棉花的品质也得到改善。本品属于低毒药物，原药大白鼠急性经口LD50为4 000mg/kg。 ????思考题 （一）名词解释： ????植物激素；植物生长调节剂；植物生长物质；敏感性；极性运输；酸生长理论；三重反应；激素受体；结合蛋白；植物生长延缓剂；生物试法????（二）写出下列符号的中文名称：????AUXs； AA； NAA； IBA；TIBA；NPA； 2,4-D； ABP1； GAs; P333； CCC； Pix； CTKs； ABA； PA； DPA； ETH； ACC； JAs； BRs; SAs Rs； SAR????（三）问答题????1. 相比于动物激素，植物激素有哪些特点？????2. 为什么切去顶芽会刺激腋芽的发育？如何解释生长素抑制腋芽生长而不抑制产生生长素的顶芽的生长？????3. 生长素和赤霉素都影响茎的伸长，茎对生长素和赤霉素的反应在哪些方面表现出差异？????4. 植物激素对开花有哪些影响？????5. 为什么很低浓度的激素就会对生理过程表现出如此显著的效应？????6. 激素受体所必需满足的4个条件是什么？有什么证据说明ABP1是生长素的受体？????7. 一些种子会积累生长素结合物，这在生理上可能具有哪些意义？????8.生长素具有极性运输的方式，这种方式为什么是主动运输？????9. 试用基因激活假说与酸生长理论解释生长素是如何促进细胞生长的？????10. GAs水平随着种子成熟过程而降低，而同时ABA的水平却上升，这有什么生理意义？????11.描述谷类种子萌发过程中，碳水化合物的动员过程及激素的调控。????12.植物生长调节剂在农业生产中应用在哪些方面？应注意些什么？

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