高 级 植 物 生 理 1植物激素

1、高 级 植 物 生 理 学植 物 激 素在植物生长发育过程中，植物体内有多种有机物与无机物，通过代谢作用供给细胞生长与分化所必须的基本物质。植物激素在生长发育中起着重要调节作用，调控植物和细胞生长与分化方向与进度： 如提早或延迟开花结果、促进或延缓果实成熟;促进根发育、茎叶伸长生长（纤维植物，蔬菜、烟叶）等。 通过对植物体内激素的合成、代谢、运输与分布以及激素生理作用的研究，对植物生长发育进行有效的调控，从而提高农作物产量与品质。Ø 遗传调控:通过遗传转化品种改良，改变植物内源激素水平，调节植物生长发育,如转ACS基因促进果实成熟。ipt转化以延缓植物衰老。Ø 化学调控：用

2、外源生长调节剂，改变植物体内源激素平衡，控制植物生长发育。GA对伸长生长作用，IAA对生根作用等。Ø 环境调控：通过控制环境水分、温度、矿质营养，改变植物激素水平，调节植物生长发育过程。水肥增加细胞分裂素、生长素水平；果实贮藏增加温度促进乙烯产生而激素果实成熟等。近年来对于植物激素的生理功能、作用机理、生物合成等方面的研究都取得了很大进展，对许多问题从分子生物学的角度进行研究，有了新的更深刻的认识。植物激素是一种化学信号，对它的感知、传递和反应等方面的研究中有了全面新的认识、新技术、新研究成果不断涌现，已成为当前国际上研究的热点。一、植物激素的定义植物激素（ Plant hormon

3、es）是植物体内天然存在的一系列有机化合物，含量非常低，生理活性强，调控植物生命活动的整个进程。植物生长调节剂（Plant growth regulators）人工合成的化合物具有内源激素相似的生理活性或能影响内源激素合成、运输、代谢或生理作用。植物激素与植物生长调节剂统称为植物生长物质（Plant growth substance）。植物激素特点：产生于植物体内特定部位，是植物正常生长发育过程中或特殊环境下的代谢产物；能够从合成部位运输到作用部位；不是营养物质，低浓度产生各种特殊的调控作用（生长、抑制）。激素合成部位:IAA在分生组织及种子内合成；GA主要在生长的种子中合成；CTK主要在根尖

4、合成；ABA和乙烯能在不同器官合成，在成熟、衰老和胁迫环境下能在特殊部位大量产生。激素运输特点: 植物激素运输主要为微管系统，IAA在胚芽鞘及幼茎组织的细胞间短距离运输有极性运输特点，而且与细胞的伸长有关，其它激素无极性运输。二、植物激素的种类及相互之间的作用目前公认的植物激素有五大类： 生长素类（IAA）、赤霉素类（GA）、细胞分裂素类(CTK）、乙烯(ETH)、脱落酸（ABA）。 植物体内存在油菜甾体类（BR）、多胺（PA）、茉莉酸（MJ）、水杨酸（SA）、寡糖素等也具有近似激素的特性。我国科学家发现玉米赤烯酮等 一般认为一种激素对某一种植物生理作用具有专一性。例如： 生长素促进细胞体积扩

5、大； 赤霉素促进茎伸长生长； 细胞分裂素促进细胞分裂； 脱落酸促进休眠以及乙烯促进果实成熟等。 研究发现,在植物体内上述每一种生理现象的控制因素极为复杂，不是一种激素起一种作用，是各种激素之间相互作用的综合表现。1. 不同激素间浓度和比例的影响 生长素与细胞分裂素共同控制烟草愈伤组织器官分化及生长(芽根）作用取决于生长素和细胞分裂素的各自浓度与适当的比例，表现出两种激素相辅相成的作用，尤其在组织培养器官形成极为典型。 植物激素相互控制雌雄异花及雌雄异株花植物的性别分化，乙烯与赤霉素的浓度比值高低有利于黄瓜雌花分化，相反的情况则有利于雄花的分化。在雌雄异株的大麻及菠菜实验中，花性别分化取决于细胞

6、分裂素与赤霉素浓度的比值。 2. 不同激素间的拮抗作用 不同激素间的拮抗作用，生长素与细胞分裂素对对植物顶端优势有相反的效应；生长素与乙烯对叶片脱落也有相反的作用，脱落酸与赤霉素或细胞分裂素的生理作用也有分别的拮抗作用，如种子萌发。3. 某种激素通过影响其它激素的合成、运输及代谢而改变后者浓度。 生长素提高乙烯：较高浓度的生长素对植物体内乙烯合成有显著的促进作用，生长素提高乙烯合成效率，乙烯抑制生长素在植物体内运输并影响生长素的代谢。 GA促进生长素水平：GA抑制生长素结合态的形成及氧化酶的活性，从而提高内原生长素的浓度；赤霉素则能促进生长素的生物合成作用。4. 不同激素的连锁性作用。 植物内

7、源激素的含量往往伴随生长发育进程而有显著的变化，这种现象揭示在不同生长发育阶段相应由不同激素起着特定作用。对整个生长发育过程而言，各种激素起着连锁性的作用。 小麦成熟阶段种子中内源细胞分裂素、赤霉素、生长素与脱落酸的含量在其灌浆至成熟过程中相继出现高峰；种子萌发阶段，由休眠、后熟直至萌芽阶段，其内源激素含量的变化趋势与上述过程相反。 所以：从种子萌发幼苗生长开花结实衰老休眠，各种激素在不同生育期起着不同生理作用。三、植物激素的测定方法 激素在植物体内含量极低，性质又不稳定，加之细胞中其他化合物的干扰，故测定方法必须十分灵敏和专一。通常先用合适的有机溶剂来提取，既要避免许多干扰物质，又要防止激素

8、破坏。其次采取各种萃取或层析步骤，使激素得到部分提纯，然后用生物的、物理或化学方法测定其含量。 1生物测定法 是通过测定激素作用于植物或离体器官后，所产生的特异生理生化效应的强度，从而推算出植物激素含量的方法。 IAA:IAA小麦胚芽鞘切段伸长法。 GA:根据赤霉素与淀粉酶活性原理，用半粒种子法；水稻幼苗根茎伸长法。 CTK:细胞分裂素用萝卜子叶增重法；叶绿素合成法。 ABA:ABA棉花叶柄脱落法； ETH:乙烯黄花豌豆上胚轴“三反应”等。2物理和化学方法 植物激素的测定分析采用薄层层析、气相色谱（gas chromatography，GC）、高效液相层析（high liquid perfor

9、mance chromatography，HPLC）、质谱分析（mass spectrography，MS）等，其原理大都是基于不同物质在不同介质中的分配系数。测定生长素含量可以达到10-12g的水平。如GC测定乙烯含量；气质联谱（GC-MS）分析赤霉素。 3免疫分析法 利用抗原与抗体的特异性反应来检测激素的一种方法根据不同的已知浓度的抗原与抗原抗体沉淀量的关系式，便可计算出样品中激素的含量。(激素与蛋白结合形成抗原，将此注射到动物体诱导产生抗体，分离抗体用来检测植物体内激素含量）。当前常用的两种激素定量技术。 放射免疫法：如用放射性抗原，则可通过测定放射性强度来定量。如放射免疫测定法， 酶联

10、免疫吸附检测法：采用酶标记的抗体来指示抗原抗体结合的微量测定法。酶作用底物的呈色反应鉴定激素含量。四、植物激素的研究方法 过去研究激素的生理作用及作用机理，多采用外源激素及对内源激素水平的检测。观察对植物生长发育影响。这种方法为人们认识激素的功能积累了大量的知识。但却存在很大的局限性，例如受到吸收、运转和内外因素的干扰。在细胞中的有效浓度，有很大的差异。但是外源激素生理效应研究为生长调节剂应用开辟广阔前景。 现代分子生物学和遗传学的手段在研究植物激素领域中的应用和发展，大大地促进了人们对激素作用的认识。 通过在自然界筛选或化学诱变，得到了适合于不同研究目的突变体（mutant）和营养缺陷型（a

11、uxotroph），激素合成基因突变体。 通过基因工程的方法，成功地从农杆菌和假单孢菌中克隆出生长素和细胞分裂素代谢基因，获得了转基因植物（transgenic plant），使人们有可能改变植物内源激素水平，特别是生长素和细胞分裂素浓度和分布，重新检查各种生理现象。从遗传基上础改变内原激素代谢及生长发育进程，调控植物生长发育。五、激素受体研究 过去认为，植物激素本身可以作用于DNA，它们有可能和DNA某些碱基上的基团发生反应，导致特定基因的活化引起生理反应。现代生物学的研究成果来看，五大类激素的分子量都不大，激素和DNA分子的直接作用不可能导致特定基因的表达。现在研究结果表明，激素必须首先与

12、受体结合，引起受体蛋白激活，激活的受体将引起某些生理反应，如某些离子的吸收与释放，特定蛋白质的磷酸化和去磷酸化。这些生化上的变化可引起一系列的连锁反应，最终导致特定基因表达。从激素与受体结合到激素诱导基因表达的过程，称为激素的信号传导（signal transduction）。植物激素受体研究是指激素的结合蛋白，受体蛋白与其激素分子之间应有很强的亲和力及特异性，激素受体的一个重要特性是激素分子和受体结合后能使受体激活，激活受体可引起细胞生理反应。 生长素受体研究较快，已分离出数种生长素受体，其中有三种位于膜上，其他激素受体研究进展研究较慢，有在蚕豆保卫细胞原生质体中分离到ABA结合蛋白，有10

13、12KD乙烯结合蛋白。生长素受体TIR1（烟草生长素结合蛋白ABP1）。六、激素的基因工程和转基因植物 致癌农杆菌所引起的冠瘿瘤细胞在组织培育过程中不需要外加植物激素即可无限地分裂生长，这是因为Ti质粒上有一段特定的DNA区域，称为T-DNA（transferred DNA）。T-DNA的长度大约为23kb，其中有一段9kb的高度保守区。在这个区已鉴定出几个基因，基因1、2和4。经过转座子突变证明，基因1、2与生长素合成有关，基因4与细胞分裂素合成有关。 基因1编码的iaaM（色氨酸单加氧酶） 在冠瘿瘤中的合成IAA中间产物吲哚乙酰胺; 基因2编码的iaaH（吲哚乙酰胺水解酶）;由吲哚乙酰形成

14、吲哚乙酸。 基因4编码异戊烯基转移酶（isopentenyl transferase gene,ipt)，这此酶催化细胞分裂素生物合成中最重要的一个限速反应。 除农杆菌外，从假单孢菌也分离出iaaL(吲哚已酰赖氨酸合成酶），可用以转化植物，可以选用不同的起动子（promoter）来控制基因的表达活性，从而提高植物体内激素的合成，或降低体内的激素水平，以便能更深入地研究激素地作用机理，有效地控制植物地生长发育。由于植物激素在体内没有十分专一的合成部位，不象在动物中那样，通过切除或移植腺体的方法，以调节激素的水平。采用基因工程的方法，就使人为的控制激素在植物体内的合成成为可能。Ø Spe

15、na，Romano (1991） 将iaaL基因导入烟草、马铃薯和拟南芥植物内都有表达，结合态IAA含量增加，游离态IAA含量下降。对照相比，可明显低发现，含iaaL基因的马铃薯和烟草的顶端优势减弱，初生根减少，叶生长不正常。 Ø 将iaaM和 iaaH基因从农杆菌Ti质粒上克隆下来，再与组织特异性不同的起动子相结合，然后通过农杆菌载体整合到矮牵牛的基因组中，获得了矮牵牛转基因植株。Ø 将花椰菜花叶病毒19S起动子与iaaM引入植物后，iaaM基因在所有植物组织中都能表达，组织中IAA和吲哚已酰胺的含量比未转基因的对照植株增加10100倍。在形态上也发生很大变化，顶端优势加

16、强，不定根增多等典型的生长素反应。转基因植株可以形成新品种，优良性状可以稳定地在后代保留下来。近年来通过乙烯基因工程培育耐贮藏的蔬菜、果实新品种有重大突破，有的已上市。 可以看出，十多年来分子生物学和遗传学已成为植物生长物质研究领域中不可缺少的部分。研究已发展到分子水平上，受体、信号传导基因表达等内容。 采用的分子生物学技术，如基因分离、克隆重组、体外翻译和转录、反义RNA技术和转座子的研究，激素突变体筛选。在深入了解激素生理功能和作用机理的基础上，将可望通过基因工程、细胞工程（分子和细胞水平上）改造植物，为遗传育种展示了广阔的前景。生长素(Auxin)Ø Charles Darwi

17、n （1880）金丝雀隔草的向光性实验。认为向光弯曲，尖端产生一种影响，向下传递的结果。使胚芽鞘向光面和背光面生长不均匀所制。Ø 荷兰的 F.W.Went（1928）燕麦胚芽鞘试验。为以后生长素的生物学鉴定提供技术，燕麦试验（avena test）。Ø F.Kogl Thimann（1944）从人尿或麦芽中提取，并鉴定为吲哚乙酸（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离到4-氯吲哚乙酸，在玉米、大麦中分离苯乙酸（PAA）。此外是人工合成生长素类。Bouchet (1993)研究IAA促进绿豆下胚轴生长的两个显然不

18、同的阶段。IAA处理后810分钟开始表现生长的促进，3060分钟生长率达到高峰，以后下降，2小时后生长率再度上升。 对这种生长现象解释： 第一阶段的迅速短暂生长是由于H+分泌及细胞壁酸化而引起细胞壁的伸展。 第二阶段的持续生长是由于细胞壁构成物质的产生，细胞内有机物合成增加所引起。生长素在细胞组织作用方式Ø Masuda 及Yamamoto（1972）认为，生长素作用于胚芽鞘及幼茎的表皮最明显，认为茎表皮是生长素作用的靶细胞。Ø Kutachera等（1987）报道，IAA促进豌豆节间细胞壁非纤维多糖合成。IAA增加表皮组织干重，但皮层组织的干重反而减少。IAA对表皮促进早

19、于大于皮层组织，皮层生长及内含物的充实较慢。所以植物的生长首先是基本结构（细胞壁生长，表皮组织的生长）形成，之后物质的合成与填充。 生长素浓度与茎生长的关系Ø Law和Davies（1990）报道，3种豌豆细长型突变品系和其它品种(IAA与茎高度的关系),茎伸长生长部位内源IAA含量与收获时株高呈正相关(r=+0.944)，细长突变种133cm、188cm、197cm的植株高度及IAA含量均高于其它品系。 在许多豌豆遗传突变品种中，节间长度由赤霉素GA所控制，但这三种细长突变系的节间长度不受GA合成抑制剂的影响，提高GA并非其直接控制因子，这个提示内源IAA含量也参与控制整株植物的伸

20、长生长。已知GA能促进IAA合成及增加IAA含量，生长素与赤霉素均可增加细胞壁伸展性及伸长生长。但它通过IAA作用机理： 生长素促进细胞壁伸展的作用机理（李宗霆和周燮1996）有两种可能：Ø 生长素提高细胞膜上ATPase活性，促进质子向质膜之外运输，pH降低使细胞壁酸化，从而打断细胞壁结构中对酸不稳定的键。Ø 生长素可对ATPase活性的促进是非直接作用，极有可能通过第二信使作用，因为生长素能刺激Ca2+的释放，增加游离态Ca2+的浓度， Ca2+或Ca2+-CaM能激化蛋白激酶，促进蛋白质磷酸化反应。第二信使增强水解酶活性，从而打开细胞壁纤维素结构间交结点的键。

21、6; 近年来研究结果表明，生长素可以通过诱导扩张蛋白(expansin)的表达(Caderas等2000;Greenwood等2006)，进而促进细胞壁伸展。伸展蛋白结合在纤维素微纤丝和基质多糖之间的界面上，可打断聚合成分间交互作用的非共价键，致使胞壁多糖间的结合变弱，邻近胞壁多糖间的粘着力减小，以致局部充实肿胀的胞壁多聚物滑动，细胞壁伸展受到促进。Ø 细胞壁的扩张蛋白在细胞壁的酸生长过程中起着疏松细胞壁的作用，扩张蛋白不仅可以在酸性缓冲液中恢复细胞壁的伸展性，甚至可以疏松完全由纤维素组成的滤纸。生长素诱导增加了质膜上的H+-ATPase及其稳定性，促进H+分泌，导致细胞壁酸化，扩张

22、蛋白在酸性条件下可以弱化细胞壁多糖组分间的氢键，因而疏松细胞壁。生长素诱导RNA和蛋白质的合成 20世纪80年代许多研究证明：Ø 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(IP3);Ø 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，当 Ca2+进入液泡，置换出H+。H+在细胞质内剌激质膜ATP酶活性，使蛋白质磷酸化。Ø 被活化（磷酸化）的蛋白质因子与生长素结合，形成了蛋白质生长素复合物。Ø 复合物再移到细胞核，促进mRNA转录，最后在核糖体上形成蛋白质。 生长素调控基因表达是： 当生长素缺乏时，AU

23、X/IAA蛋白与基因启动子上的ARF相结合，使之处于非活化状态，基因表达受到抑制。 当生长素与TIR1(transport inhibitor rensponse protein1,运输抑制剂响应蛋白1）结合后，SCFTIR1复合体被激活(The SCF complex is composed of 4 major subunits )，促使AUX/IAA蛋白泛素化，进而被26S蛋白体降解。 AUX/IAA蛋白的降解解除了ARF(auxin response element,ARF)抑制状态，ARF作为转录促进因子激活相应的基因转录。 （泛素是一类低分量的蛋白质，泛素化是指泛素分子在一系列酶作

24、用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程。一些特殊的酶将细胞内的蛋白质分类,从中选出靶蛋白分子。这些酶包括泛素激活酶，结合酶、连结酶和降解酶等系列的修饰过程）它在蛋白质的定位、代谢、功能、调节和降解中都起着十分重要的作用。 2. 生长素与植物的向性 向性（Tropism）是植物对单方向环境因子的刺激而发生趋向或背向生长的反应。 分别称之为正向性与负向性，引起植物向性反应的环境因子包括光、重力、接触、温度、水分、化学物质及电场等，向性反应是因感受刺激的部位发生正反两侧生长率差异或膨压变化所致。 茎叶的向光性（phototropism）。 根向重力性（positive gravitropism）顺着重力

25、作用方向的生长 。 茎负向重力性（negative gravitropism）逆着重力作用方向的生长 。 植物茎叶的向光性 向光性可以增加茎叶对光能吸收利用，是一种重要的生态反应。Went(1928)最早观察到生长素不对称分布与燕麦胚芽鞘向光性的关系，而关于向光性研究多以黄化单子叶胚芽鞘或双子叶豌豆、向日葵上胚轴为材料，这与感受向光性受体有关。 向光性反应必须有敏感性高的色素作为光受体，不同波长光与向光性反应关系的实验表明，蓝光最为有效，高峰436、440、480nm，其次为近紫外光，370nm。 研究发现植物向光性的作用光谱与核黄素（Riboflavin VB2）和黄光素(3-甲基异咯嗪)及

26、胡萝卜素（carotene）的吸收光谱为接近。向光性敏感的植物组织中含有胡萝卜素，浓度为7nmol/L，足以受感光刺激而产生生长反应，黄素(Flavins)可能也是向光反应中的光受体。因此，（Ninnemann 1980 和Dennison 1984)认为黄素类作为光的受体可能性较大。向光性作用机理之一：Went（1928）提出生长素浓度分布的差异。生物测定法显示生长素活性的分布比率向光面32%、背光面68%。据此学说，植物向光性是因为光刺激生长素自顶端向背光面侧向运输，背光面生长素浓度高于向光面，背光面生长快，而发生向光弯曲想象。通过去顶实验表明，胚芽鞘顶端确是生长素的来源，放射性外源IAA

27、标记也证实IAA在向光面与背光面分布为4：6。向光性机理之二：Shen-Miller(1969)光可抑制生长素在燕麦胚芽鞘内极性运输，向光性可能是由于生长素自上而下运输，在向光面受抑制缘故，并非生长素侧向运输而分布不匀。 Bashin(1986)指出施用于玉米胚芽鞘向光面的IAA不能运输到背光面，在向光面施加IAA后，观察到仍然是背光面生长促进，向光面有被抑制现象。（Bruinsma 1990）并用气液层析电子捕获器分析向日葵、萝卜等双子叶植物内源IAA含量，发现其向光和背光面的IAA含量相似。结果测定出其下胚轴向光面的生长抑制物高于背光面。1986年鉴定了这两种抑制物质，顺反式两种：萝卜宁和

28、萝卜酰胺 ，从玉米胚芽鞘分离鉴定出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，它们的浓度与受光强度呈正相关，而生长素含量没有明显差异。 在向光面抑制物浓度增加，可妨碍IAA与其受体蛋白结合，减少了生长素诱导与生长有关的mRNA的转录和蛋白质合成，进而阻止表皮细胞的微管方向的重排，表现为伸长受阻。 植物根的向重力性 根据Cholodny-went假说，植物根的向重力性也受生长素的控制。根向重力性反应过程可分为信息感受、传递与转化及植物反应三个阶段。植物根冠中含淀粉粒（Amyloplast）的小柱(Columella)

29、细胞群，可能是感受重力的部位。在垂直生长的根内，这种组织内的淀粉粒沉淀在细胞的下方，生长素极性运输，伸长区生长，产生向重性反应。 当根横放时，这些淀粉在1分钟内即向下侧沉降。在平放的根内因受重力影响而发生不均匀分布，其浓度在向地一侧较高，抑制生长，导致根向地弯曲。如先除去根冠，横放的根即失去向重力性反应，表明根冠是感受重力的部位。淀粉粒的重新分布可能与信息传递有关。Evans(1986)把根向重力性信息感受及传递的可能过程归纳几个阶段：Ø 根由垂直位置改为横放后，小柱细胞下部的淀粉粒改随重力方向移动，这一想象被视为信息感受阶段。（信息感受转化）Ø 这些淀粉粒落在内质网上，从

30、而促进Ca2+从内质网上释放。 Ca2+在细胞内与CaM结合，根冠中存在较高含量的CaM。（第二信使传导）Ø Ca2+ -CaM复合体激化质膜的ATPase。（蛋白质磷酸化）Ø 活化的ATPase分别把IAA与Ca2+由不同渠道送到细胞外，如此，IAA与Ca2+同时从根尖向后运输，且下侧生长素浓度相对增高受到抑制，相对根上侧生长较快而向下弯曲，即向重性反应。（生理反应） 重力怎样使IAA在根内有不均匀分布现象，研究指出IAA与Ca2+运输分布的主要关系，Ca2+是IAA极性运输所必须。玉米根冠部分预先用EGTA处理后，重力影响的IAA极性运输随之消失。但在根横放前用Ca2+

31、处理根冠，IAA极性运输恢复。Evans（1990）进一步发现在重力影响下IAA在横放玉米根冠内向下侧运输的多少与根向地弯曲快慢呈正相关。IAA在横放的根冠内向上侧及下侧两个方向运输，但向下多于向上，其比率最高为1.6，并受钙的影响。 植物茎的负向重力性 负向重力性是指植物茎部横放后向上弯曲的生长现象。弯曲部位在叶鞘与节间的基部。谷类作物水稻、小麦、大麦在倒伏后4天内其茎部可恢复垂直位置。茎的负向重力性是一种非常重要的生物学和生态现象，可以减少因倒伏而引起的产量损失。茎的负向重力性反应机理可能与根的向重力性相似。谷类作物茎部的重力感受中心可能在节间基部皮层组织的薄壁细胞及叶鞘基部含有叶绿体的细

32、胞，淀粉粒在细胞内的位置因茎倒伏而发生很快的变化。 以玉米幼苗为例，在横放处理3分钟后，中胚轴内开始发生IAA部对称分布，下侧IAA浓度高于上侧，由于植物茎对生长素反应的生理效应与根不同，茎下侧相对高的生长素会加快该部位生长速度，5分钟后中胚轴开始表现向上弯曲生长（Bandurshi等1984），同时GA含量也有明显的变化。 茎的负向重力性有关的激素可能只有两种，已知的有IAA及GA。研究发现茎下侧IAA浓度比上侧高1.5倍。此外茎上侧含的GA 主要为结合态，茎下侧转移以游离态GA较多。测定横放处理后在燕麦茎内同位素标记GA的分布，结果显示下侧放射性强度高于上侧。表明茎在横放条件下，两种激素在

33、茎下侧含量高，生长快而产生负向重性反应。 植物向重性的意义： 根的向重力性是为了能够得到土壤更深层的水分和养分。这些都是植物在漫长的进化过程中为了更好了适应环境，与其他植物争夺生存空间，在自然选择下形成的。 茎的负向重性则有利于叶片伸展，并从空间获得足够的空气与光照，有利于植物光合作用。 空间科学和植物向重性Ø 随着科学技术的发展，人类的活动扩大到了地球外的太空，那是一个微重力或零重力的环境。植物在地球引力的束缚下生长了千万年，如果离开地球，进入太空，植物还能正常生长吗 Ø 科研人员通过对太空中或者模拟微重力环境里植物的观察发现，植物一旦被带进微重力环境，生长就失去了重力方

34、向的引导，如果再没有其他如光等单向外界因素的刺激，就会出现在随机方向上的生长，这种情况和我们在地面上看到的现象大为不同。Ø 在微重力条件下，由于植物根部或茎部的重力感受器接收不到重力方向的信号而发挥不了作用，即无法调控钙离子、三磷酸肌醇、生长素等在含量和分布上的定向变化，从而影响植物细胞的生理生化功能导致植物生长发育的变化。3 生长素与根的分化 离体幼茎或分枝切段能在其基部产生不定根，是自然界中生存繁殖方式之一。生长素具有明显促进不定根和侧根发生和生长的作用。 生长素能促进枝条生根是1934年由Thimann和Went所发现。此后，生长素促进生根的研究迅速展开。在应用方面发现IBA、

35、NAA和2,4-D比IAA稳定、效果好；在理论研究方面发现IAA能促进乙烯合成，于是研究中心转移到乙烯与枝条生根的关系上来。实验结果指出，乙烯的确能促进不定根及根毛的产生。由此看来，IAA对枝条生根的促进似乎不是直接的作用。 Riov及杨祥发（1989）报道，IBA处理的绿豆幼苗下胚轴切段时，会产生较多的乙烯及其前体ACC。同时使用ACC合成酶抑制剂时，能显著减少IBA对不定根的促进效应。可见IBA促进生根作用也与ACC及乙烯有密切关系。IBA在生长素类中促进生根的效果最好，应用最广。IBA比IAA有更强的生根效果。可能是其具有稳定性有关，可使施用部位持续地促进ACC及乙烯合成。从上述可知，生

36、长素促进生根的实验结果由外源IAA及IBA所获得，有关内源生长素含量与根分化关系一向缺乏可靠的分析资料。 据Nordsstron(1991)报道，豌豆枝条次生根的产生受茎端的控制，因在根发生期间，其生根部位的IAA含量不变，切除茎顶端可使生根部位IAA含量减少，根分化完全停止。因此认为生根部位的IAA是由茎端供应（切除茎顶段，有利于IAA向基运输）。 在完整植株中，生长素能抑制根的伸长；促进胚轴和茎的伸长；调节根和芽的向地性；促进侧根和不定根的形成；促进根毛的形成。 研究发现内源生长素含量高的嫩枝比冬季休眠枝容易生根；带有芽和叶的插穗比去掉芽和叶的插穗生根率高。有些试验表明不带芽的茎段也能生根

37、。这些结果均是从解剖学和生理学的方法获得的。 近年来随相关研究深入，不定根及侧根形成过程中生长素诱导基因表达及相关分子生物学报道较多，已经有很多基因和蛋白质被分离鉴定出来。4 生长素与植物组织培养 在多数情况下，外源生长素及细胞分裂素都是培养中的植物细胞和组织与器官生长所必须的激素。这两种激素的配合不但满足细胞分裂及扩张的需要，而且能控制细胞分化。 Skoog及Miller（1957）烟草愈伤组织实验，其细胞的分化与生长是由生长素和细胞分裂素共同控制，适量的IAA促进根分化，而高浓度细胞分裂素与低IAA配合显著促进芽分化。从而为后来植物组织培养研究提供了有效手段，可使离体组织或单细胞再生成植株

38、，成为植物组织工程、遗传工程技术的一个重要部分。虽然不是所有的实验植物都具有与烟草细胞相似的反应，但烟草实验结果显然是一个很好的启示，那就是指出了人为控制植物细胞分化的可能性。 植物组织培养常用的生长素大部分为人工合成的如：IBA、NAA、2,4-D两种生长素的稳定性及效果均比IAA好，单子叶植物如稻类作物组织培养往往需较高浓度的2,4-D，人工合成的生长素很多，不同植物对不同生长素反应不一样。5 生长素与开花 生长素对菠萝及其它Bromelicaceae类植物开花有促进作用，一般认为生长素刺激乙烯的合成，而乙烯对菠萝开花有显著的促进效果。生长素对其它植物诱导开花的环境中表现抑制作用，如短日植

39、物藜、裂叶牵牛；长日植物毒麦、白芥及需低温植物，这些抑制通过乙烯作用发生的。 Tran Thanh Van (1974)应用已开花的烟草茎部组织建立了一种试管开花实验法，他们发现IAA对这种组织花芽的分化有促进作用，其最有效浓度为1mol/L。 Hatori等（1991）指出短日处理的烟草叶片输出的开花物质与低浓度生长素对花芽分化有增效作用。此外，生长素对雌雄异花的瓜类植物的雌花分化有促进作用，适宜的生长素处理能提高黄瓜雌花的分化。6 生长素与库源关系的调节 植物体内有机物完全来自光合产物，光合产物的运输分配直接控制植物产量及经济价值，由此可见源库关系的重要性，一般认为，光合产物蔗糖浓度在库源

40、之间的梯度是其运输速率及分配的主要决定因素。生长素对运输过程的源、库、流都有调节作用。源库关系及其调节作用在果树及部分农作物（大豆、棉花等）中较为重要。分析库源关系的整个过程限制因素包括：叶片光合作用效率；叶片内蔗糖合成效率；蔗糖在叶片内装载进入韧皮部的速率；蔗糖在韧皮部系统中的运输速率；蔗糖由韧皮部卸入库速率；蔗糖在库的特殊细胞内积累的效率。生长素对这些过程有重要的影响。从机理上来讲，有机物（蔗糖）的装载（phloem loading）必须通过质膜，糖和H+运转的协同作用（共运转），与ATPase作用有关，IAA能促进蔗糖向韧皮部内运输，而ABA表现为抑制(Lucas 1985），IAA的促

41、进与质子泵的活化有关。施加IAA于去顶的菜豆植株切口， P32标记，IAA可刺激整个韧皮部物质运输，能使光合产物向IAA施用的位置积累。 由此推测，生长素可能通过对质膜ATPase的影响而控制韧皮部系统的钾离子浓度，从而影响膨压与蔗糖在韧皮部内长距离运输。 光合产物从韧皮部卸出（unloading）在库细胞储存是库源关系的最后阶段，在豆科及谷类作物中，蔗糖卸出后直接在胚乳或子叶细胞累积，果实的发育是光合产物向果实内运输的一个重要促进因素，这种现象可能与果实内含有大量的植物激素有关。 在生长中的大豆种子内IAA的分布随部位及生长时期有显著的变化（Hein等1984 b）。种子、种皮与胚轴内生长素

42、会先高后低，最后升高。这种IAA分布不均匀与蔗糖在种子中运输积累有关。库源关系的整个过程，受不同种类激素的调控。从库源关系的观点，适当应用激素可达到提高作物产量，激素对库源关系的调节有几点： 源的活力即光合作用，增加叶片中IAA、GA、CTK含量及减少叶片中ABA含量均有利于增强源活动，防止源衰老。 维管束运输，光合产物在韧皮部从源向库运输受IAA、ABA、CTK分布的影响，IAA含量能促进光合产物在韧皮部系统内的运输。 增加种子内ABA和细胞分裂素含量有利于光合产物从韧皮部的卸出。 应用激素知识于源库关系的改善： 一是通过育种，以理想的激素浓度变化与分布为目标，增进源库的效率。内原激素水平及

43、变化调节和增加源库效率。 二是使用外源激素与调节剂，如促进子粒形成及果实膨大。 三是人工措施调节，针对特殊阶段的需要，提高源库效率。如打顶整枝，直接作用是调节养分分配，间接作用是影响内原激素水平。生长素为果实生长所必须的激素，草莓是生长素控制果实生长的最好实验例证（Nitsh 1950，Dreher 及Poovaiah 1982）。草莓是花托发育而成的假果，在花托的表面有许多瘦果，瘦果内含丰富的生长素及其它激素。在生长过程中如除去瘦果，果实生长立刻停止。如应用外源生长素代替瘦果，果实生长恢复。可见瘦果内的内源生长素对花托生长的重要性。生长素是唯一能维持草莓果实长期生长的激素。7 生长素与衰老

44、衰老（老化）是植物生长发育的最后阶段，使器官或整株植物的生命功能衰退以致死亡。植物衰老现象是一个复杂的生理生化过程，受许多内在及环境因素影响。植物激素、多胺、钙等物质均显著改变衰老的方式及过程，光、水分、温度与养分供应等环境也影响衰老。 自上世纪50年代以来，已有大量文献报道植物激素对植物器官如叶片、子叶、叶柄与茎老化的影响。一般细胞分裂素、赤霉素与低浓度的生长素能延缓衰老。脱落酸、乙烯及高浓度生长素能促进衰老。由于生长素是乙烯合成的促进剂，高浓度的生长素对衰老的作用是通过乙烯的作用。 在控制落叶的各种因素中，生长素与乙烯有极重要的影响。在叶片生长发育活动旺盛期间，IAA在叶片内合成，然后经叶

45、柄不断向上运输抑制衰老脱落；而当叶片衰老时，叶片内IAA含量降低，诱发乙烯开始衰老，叶片中IAA的浓度因叶片所在位置而有显著差异。 第二节 赤霉素（Gibberellin）赤霉素(gibberellin,GA)是日本的黑择英一在研究水稻恶苗病时发现，指具有赤霉烷骨架，剌激细胞分裂和伸长的一类化合物总称。1935年日本科学家薮田从诱发恶苗病的赤霉菌中分离得到了能促进生长的非结晶固体，并称之为赤霉素。1959年克罗斯(B.E.Cross)等测出了GA3、GA1和GA5的化学结构。到目前已发现有136种。赤霉素在植物体内广泛存在。一、赤霉素生理作用1. 赤霉素与种子成长、休眠及萌发的关系 种子生长

46、GA可在胚柄合成，这时如切除胚柄，胚发育停止，而使用外源GA，胚发育恢复。胚柄中GA对种子发育非常重要。研究表明，种子中GA的积累与从光合作用输入可溶性糖类用于子叶和胚乳生长密切相关，除GA外，发育种子中含生长素、细胞分裂素及ABA；种子成熟时，GA转为结合态，激素的生物活性下降，ABA增加，大分子物质合成及转化能力增加。 种子萌发 GA显著刺激种子的发芽，榛树种子经过低温处理后，GA含量上升，低温促进种子萌发可能与GA作用有关。 Karssen (1987)以GA却是的拟南芥突变品系种子萌芽实验说明。这种突变种子因缺乏内源GA而不能萌发，外源GA处理显著促进萌芽，浓度达10mol/L以上发芽

47、率达100%，但外源生长素对该品系种子萌发无影响，表明GA对种子萌发具有特殊作用。2. GA对节间伸长的促进作用 赤霉素的发现始于对水稻叶片、叶鞘与节间伸长的促进作用，后来人们以玉米及豌豆等植物单基因矮化突变系和GA合成专一性抑制剂为研究手段，确立了GA与节间伸长的特定关系。豌豆有五个主要控制节间长度基因，目前已从拟南芥中克隆到6个GA合成的相关基因（武涛等，2005），这些基因分别控制GA合成途径中的不同步骤，GA1是促进生长的主要赤霉素。赤霉素促进生长作用不存在超浓度抑制现象。油菜内酯（BR）和多胺（PA）也参与茎杆生长。 番茄（Zcovaart 1984）、大豆（Bensen1990）、

48、豌豆（Cross 1990）等植物矮化突变系实验证实GA1是节间伸长的控制因子，GA1主要分布在幼茎及幼叶中。 在大豆实验中，缺水处理使生长减少62%，GA1含量降低87%，恢复供水后24小时，GA1含量增加8倍，生长速率恢复正常。赤霉素与节间伸长的关系可从油菜(brassica rapa)的不同遗传型品系分析结果（Rood等1990）作进一步探讨。矮化品系茎部赤霉素含量（包括GA1、GA3）只有正常品系36%，但过长品系茎部赤霉素含量是正常品系的3倍，这三种油菜在生长上表现出明显的差异。 电子显微扫描照片显示，矮化品系细胞极短（a） ，过长品系（c）的细胞长度均比正常品系（b）长。值得关注的

49、是赤霉素含量与茎伸长生长的关系通过使用外源GA与多效唑于正常油菜品系的实验证实，施用多效唑的结果细胞短，与矮化品系相似；施用外源激素GA3的结果，细胞伸长，与含高浓度赤霉素的过长品系相似。3. 赤霉素对开花的影响 GA影响植物开花是一个极显著极复杂的现象，其效果视不同植物种类及反应型而异。施加GA能促进多种长日植物或需低温处理植物在非诱导条件下开花，但对短日植物及中间型植物没效果。 由于GA种类繁多代谢复杂，对控制开花因素及机理缺乏了解，还不能确定GA与开花的直接作用。不同的GA与开花的关系因植物的种类及光周期类型不同而有很大差别。 Pharis (1992) 研究毒麦中GA结构与开花的关系，

50、这种植物对长日照有显著的反应，一次日照处理可诱导其开花。用高压液相层析测定毒麦中GA含量，显示长日照处理可增加多种GA合成，其中以多位羟基取代的GA最为显著；利用外源的多位羟基的如GA32能有效促进开花。诱导开花与促进营养体生长需要不同的GA。例如：GA1能有效地促进茎的伸长生长，但不能促进开花，GA4/7促进松柏科植物花芽分化，GA5促进油菜花芽分化。Chailakhyan (1938)提出开花物质(Florigen)的存在，多年来虽有很多嫁接实验及相关实验结果支持这个假说，仍不能解释所有的开花现象，他在1979年进一步提出GA与开花物质共同影响植物开花观点： 植物开花是由GA和开花素共同决

51、定的，长日植物在长日条件下即可以合成GA又可以合成开花素，所以开花；但长日植物在短日照环境下能合成开花物质，但不能合成GA，故不能开花。 同样短日植物在短日条件下同样可合成GA和开花素；但短日植物在长日条件下可以合成GA，而缺乏开花物质，因此也不能开花。 此假说也只能解释一部分开花实验结果，植物由营养生长转为生殖生长是基因选择表达的结果，直接与间接控制这种表达因素很多，包括GA在内，但目前对此尚缺乏相应的知识，今后通过对开花物质的鉴定，有关开花突变品系的发展与应用，以及基因表达与开花关系的研究，可能会加深对GA与开花关系了解。GA对雄花的发育促进作用。 植物花性别类型：完全花（两性花）；雌雄同

52、株异花；雌雄异株。其中后两类形成除受遗传因子影响，还明显受环境因子（光期、温度、氮等）。 植物激素的影响，黄瓜是研究激素影响花性别分化的常用材料，花芽开始分化都是为雌雄同花，同一花芽内兼有两性原基，但在发育过程中，只有雄性或雌性器官继续生长，形成单性花。 在花芽分化初期施用GA能促进雄花发育，施用生长素及乙烯则促进雌花发育，说明不同激素对花性别影响。此外，施用GA合成抑制剂有促进雌花发育的趋向。 黄瓜单性发育受GA和生长素影响。内源激素含量分析结果支持这一结论。此外，环境因素中日照长度（长日照诱导雄花，短日照诱导较多雌花）也能影响黄瓜的发育方向，这种影响与内源GA与乙烯含量水平有关。4.诱导果

53、实形成 赤霉素是种类最多的激素，对于果实生长与种子的发育至关重要。其中GA1、GA2可诱导多种园艺植物坐果。而外源GA诱导无子果实却小于有子果实，表明果实生长和发育还需要其它激素参与。在研究豌豆和番茄研究中发现生长素和赤霉素在果实生长过程中的协同作用，两种激素可能共同或顺次作用于果实坐果，调节果实生长发育。Ø Ozga等（2009）研究发现4-Cl-IAA可诱导GA合成，生长素在种子内合成，运输到果皮诱导GA合成，进而调控果实生长发育。Ø 研究发现（Serrani等2008），利用生长素处理子房将会导致与赤霉素合成相关基因表达。Ø 拟南芥研究（Dorcey等200

54、9）也得到相似结果，授粉能引起子房生长素相关反应及活性赤霉素合成增加。说明激素在调控植物不同果实坐果方面机理非常相似，同时也证明活性赤霉素合成及信号转导受生长素控制。二、作用机理 1. 促进基因表达，诱导种子水解酶合成 GA处理影响大麦、小麦种子在萌发期间酶的变化，这方面研究工作开展较早，对揭示GA的作用机理尤其是诱导蛋白质合成方面贡献较大。大麦及小麦种子糊粉层（Aleurone layer）是研究GA作用机理的最理想材料，美国Vanner教授等为此作出重大贡献，种子萌发初期，胚芽中产生的GA刺激糊粉层细胞合成与分泌水解酶，其主要为-淀粉酶，一粒大麦（喜马拉雅品系）种子糊粉层在萌发24小时内可

55、产生30g -淀粉酶。一些作为啤酒原料的大麦种子的-淀粉酶产量更高，这些水解酶分泌到胚乳内，促进淀粉及其它物质分解，供给幼苗生长所需原料。 赤霉素刺激的-淀粉酶为新生的蛋白质，赤霉素能促进转录和翻译过程，这是植物激素控制基因表达的范例。Beach等（1985），用大麦种子糊粉层细胞核进行转录实验。显示在GA处理12小时内，-淀粉酶mRNA含量开始增加。15小时达高峰，其含量比对照增加50倍，说明GA促进-淀粉酶主要来自新产生的mRNA翻译的结果。糊粉层细胞经GA刺激而合成的蛋白质约有70%是几个基因表达产物，其中-淀粉酶存在同功酶，大麦与小麦的-淀粉酶基因有两组，分布在两条染色体上，这两组基因

56、共同控制-淀粉酶同功酶的合成。赤霉素诱导-淀粉酶合成的信号转到过程，GA具有促进钙单向运输的功能，Gilroy（1993）用大麦种子糊粉层为材料研究GA3及CaM对Ca2+吸收的影响，发现GA3处理46小时内显著促进CaM及内质网的钙含量，其上升曲线的斜率与所用GA3剂量呈正相关。因此，GA3促进Ca2+在内质网积累可能是通过CaM的作用，Ca2+与CaM含量增加发生在-淀粉酶释放之前，-淀粉酶含有Ca2+组成物，在内质网上合成。ABA抑制这个过程，表明，GA与CaM作为第二信使参与-淀粉酶合成。 Hooley等(1993)首次报道了野燕麦糊粉层中有一种分子量为60KD的GA特异结合蛋白(gibberellin binding protein,GBP) GA + GBP ® GA-GBP ® Ca2+CaM ®基因表达赤霉素诱导大麦糊粉层淀粉酶合成GA两条信号传递链:Ø 环鸟苷酸(cGMP)途径(Ca2+不依赖信号转导途径)Ø 钙调蛋白及蛋白激酶途径(Ca2+依赖信号转导途径) cGMP途径：ü GA与受体结合，G蛋白转化的活化信号中间体进入细胞核；ü 与细胞核内的阻遏物蛋白结合,刺激GA-MYB基因合成GA-MYBmRNA；ü GA-MYBmRNA在细胞质内形成新合