[理化生]高中生物 第八章 植物生长物质.doc

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。第一节 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54用心 爱心 专心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 00010 000株玉米幼苗顶端只含有1g生长素；1kg向日葵鲜叶中的玉米素(一种细胞分裂素)约为59g。 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图8-1 导致生长素发现的实验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10100ng。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82 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-萘乙酸(-naphthalene acetic acid,-NAA)具有类似生长素的活性，从而也具有极性运输的性质，而-萘乙酸(-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。1、 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85 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87）。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 吲哚3丙酮酸吲哚3乳酸吲哚3乙酰肌醇吲哚3乙酸（IAA）吲哚3乙醇吲哚3乙醛色胺色胺酸 色氨酸氨基转移酶； 吲哚3丙酮酸脱羧酶； 吲哚3乙醛脱氢酶；色氨酸脱羧酶； 胺氧化酶； 吲哚3乙醛氧化脱氢酶； 乳酸脱氢酶； 吲哚3乙酰肌醇裂解酶图 86 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-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87 IAA的酶促降解途径A. 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：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。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。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。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。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88）：  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88 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1015min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pH3.23.5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pH3.23.5的缓冲溶液中，则切段重新表现出伸长(表8-1)。81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：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。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。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。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(1015min)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89 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3060min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。图810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： 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。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。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811）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812）。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812 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82）表82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，GA78Phaeospheria spGA1，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11 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50100cm·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813