植物生理学教案12

基本内容第八章植物生长物质（plant growth substance）植物生长物质（plant growth substance）是一些调节植物生长发育的物质。

植物生长物质可分为两类：1）植物激素（plant hormone或phytohormone）；2）植物生长调节剂（plant growth regulator）。

植物激素是指一些在植物体内合成，并从产生之处运送到别处，对生长发育产生显著作用的微量（1 μmo1•L-1以下）有机物；而植物生长调节剂是指一些具有植物激素活性的人工合成的物质。

目前，大家公认的植物激素有5类，即生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯和脱落酸。

近来发现的植物激素还有油菜素内酯、多胺和茉莉酸等。

第一节生长素类（auxin）生长素（auxin）是最早发现的一种植物激素。

英国的Charles Darwin（1880）在进行植物向光性实验时，发现在单方向光照射下，胚芽鞘向光弯曲；如果切去胚鞘的尖端或在尖端套以锡箔小帽，即使是单侧光照也不会使胚芽鞘向光弯曲；如果单侧光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8-1）。

因此，他认为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，从上部传到下部，造成背光面和向光面生长快慢不同。

荷兰的F.W.Went（1928）把燕麦胚芽鞘尖端切下，放在琼脂薄片上，约1h 后，移去芽鞘尖端，将琼脂切成小块，再把这些琼脂小块放在去顶胚芽鞘一侧，置于暗中，胚芽鞘就会向放琼脂的对侧弯曲。

如果放的是纯琼脂块，则不弯曲（图8-1），这证明促进生长的影响从鞘尖传到琼脂，再传到去顶胚芽鞘，这种影响确是化学本质，Went称之为生长素。

根据这个原理，他创作燕麦试法（Avena test），定量测定生长素含量，推动了植物激素的研究。

一、生长素的种类和化学结构荷兰的F·Kogl(1934)等从玉米油、根霉、麦芽等分离和纯化刺激生长的物质，经鉴定是吲哚乙酸（indole acetic acid, IAA），其分子式为C10 H9O2N，相对分子质量为175.19。

这个工作大大推动了植物激素研究向前发展。

图8-1 生长素发现的一些关键性试验现已证明，除了IAA以外，植物体内还有其他生长素类物质。

例如，苯乙酸（phenylacetic acid, PAA）存在于一些作物（番茄、烟草等）中，4-氯-3-吲哚乙酸（4-chloro-3-indole acetic acid,4-Cl-IAA）存在于豌豆、山黧豆等未成熟种子中，吲哚丁酸（indole butyric acid,IBA）也是植物的内源生长素类物质（图8-2）。

图8-2 几种内源生长素类二、生长素在植物体内的分布和运输生长素在高等植物中分布很广，根、茎、叶、花、果实、种子及胚芽鞘中都有。

它的含量甚微，1 g鲜重植物材料一般含10～100 ng生长素。

生长素大多集中在生长旺盛的部分（如胚芽鞘、芽和根尖端的分生组织、形成层、受精后的子房、幼嫩种子等），而在趋向衰老的组织和器官中则甚少。

以烟草研究得知，细胞内约有2/3的生长素在叶绿体内，余下部分分布在胞质溶胶。

生长素在植物组织内呈不同化学状态。

人们把易于从各种溶剂中提取的生长素称为自由生长素（free auxin），而把通过酶解、水解或自溶作用从束缚物释放出来的那部分生长素，称为束缚生长素（bound auxin）。

自由生长素具有活性，而束缚生长素则没有活性。

自由生长素和束缚生长素可相互转变。

束缚生长素是生长素与其他化合物（糖、氨基酸）结合而形成的，类型不同，生理作用也有差异。

束缚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糖（indole acetyl glucose），在种子和贮藏器官中特别多，是生长素的贮藏形式。

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，比吲哚乙酸更易于运输到地上部。

3）解毒作用。

自由生长素过多时，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（indole actyl aspartic acid），具有解毒功能。

4）调节自由生长素含量。

根据植物体对自由生长素的需要程度，束缚生长素会与束缚物分离或结合，使植物体内自由生长素呈稳衡状态，调节到一个适合生长的水平。

在高等植物中，生长素运输方式有2种：一种和其他同化产物一样，通过韧皮部运输，运输速度约为1～2.4 cm•h-1，运输方向决定于两端有机物浓度差等因素；另一种是仅局限于胚芽鞘、幼茎、幼根的薄壁细胞之间短距离单方向的极性运输（polar transport）。

生长素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，把含有生长素的琼胶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胶小块接在下端，过些时间，下端的琼胶中即含有生长素。

但是，假如把这一段胚芽鞘颠倒过来，把形态学的下端向上，作同样的试验，生长素就不向下运输。

图8-3 生长素的极性运输生长素极性运输是一种主动的运输过程，因为其运输速度比物理扩散约快10倍；缺氧会严重地阻碍生长素的运输；生长素可以逆浓度梯度运输。

一些化合物如2，3，5-三碘苯甲酸（2，3，5-triiodobenzoicacid，TIBA）和萘基邻氨甲酰苯甲酸（naphthyphthalamic acid，简称NPA）能抑制生长素的极性运输。

（图8-4）图8-4 两种抑制生长素极性运输的化合物关于生长素极性运输的机理，Goldsmith（1977）提出化学渗透极性扩散假说（chemiosmotic polar diffusion hypothesis）去解释这种现象。

如图8-5所示，质膜的质子泵把ATP水解，提供能量，同时把H+从细胞质释放到细胞壁，所以细胞壁pH较低（pH5）。

生长素的pKa是4.75，在酸性环境中羧基不易解离，主要呈非解离型（IAAH），较亲脂。

IAAH被动地扩散透过质膜进入胞质溶胶；与此同时，阴离子型（IAA-）通过透性酶主动地与H+协同转运进入胞质溶胶。

IAA就通过上述两种机理进入细胞质。

胞质溶胶的pH高（pH7），所以胞质溶胶中大部分IAA呈阴离子型（IAA-），IAA-比IAAH较难透过质膜。

细胞基部的质膜上有专一的生长素输出载体（auxin efflux carrier），它们集中在细胞基部，可促使IAA-被动地输出到细胞壁，继而进入下一个细胞，这就形成极性运输。

免疫荧光显微试验证实，抑制生长素极性运输的NPA能与生长素输出载体蛋白结合，阻止IAA-向外流出。

图8-5 生长素的化学渗透极性扩散假说三、生长素的生物合成和降解（一）生长素的生物合成生长素在植物体中的合成部位主要是叶原基、嫩叶和发育中的种子。

成熟叶片和根尖也产生生长素，但数量很微。

生长素生物合成的前体主要是色氨酸（tryptophan）。

色氨酸转变为生长素时，其侧链要经过转氨作用、脱羧作用和两个氧化步骤。

生长素生物合成的途径主要有4条（图8-6）。

1.吲哚丙酮酸途径（indole pyruvate pathway）色氨酸通过转氨作用，形成吲哚丙酮酸（indole pyruvic acid），再脱羧形成吲哚乙醛，后者经过脱氢变成吲哚乙酸。

许多高等植物组织和组织匀浆提取物中都发现上述各步骤的酶。

本途径在高等植物中占优势，对一些植物来说是唯一的生长素合成途径（图8-6C）。

2.色胺途径色氨酸脱羧形成色胺（tryptamine），再氧化转氨形成吲哚乙醛，最后形成吲哚乙酸。

本途径在植物中占少数，而大麦、燕麦、烟草和番茄枝条中则同时进行吲哚丙酮酸途径与本途径（图8-6D）。

3．吲哚乙腈途径一些十字花科、禾本科和芭蕉科中，色氨酸首先转变为吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetalcloxime）,进而形成吲哚乙腈（indole acetonitrile）,后在经过腈水解酶作用生成吲哚乙酸（图8-6B）。

4.吲哚乙酰胺途径——在一些病原菌如假单孢杆菌和农杆菌中，色氨酸在两种酶作用下，经过吲哚乙酰胺（indole-3-acetamide）最后形成吲哚乙酸。

本途径是细菌途径，最终使寄生植物形态发生改变（图8-6A）。

图8-6 植物和细菌中的吲哚乙酸生物合成途径（二）生长素的降解生长素的降解主要有两方面：酶促降解和光氧化。

1.酶促降解生长素的酶促降解可分为脱羧降解（decarboxylated degradation）和不脱羧降解（non-decarboxylated degradation）（图8-7）。

脱羧降解汤玉玮和J.Bonner在1947年发现一种能使IAA氧化的吲哚乙酸氧化酶（IAA oxidase），广泛分布于高等植物。

IAA氧化酶是一种起着氧化酶作用的过氧化物酶，其氧化产物除CO2外，还有其它产物，如3-亚甲基羟吲哚（3-methylene oxindole）等。

不脱羧降解不脱羧的降解物仍然保留IAA侧链的两个碳原子，如，羟-3-吲哚乙酸（oxindole-3-acetic acid）和二羟-3-吲哚乙酸（dioxindole-3-acetic acid）等。

2.光氧化在强光下体外的吲哚乙酸在核黄素催化下，可被光氧化，产物是吲哚醛（indole aldehyde）和亚甲基羟吲哚。

由此可见，植物体内自由生长素水平是通过生物合成、生物降解、运输、结合和区域化（贮存在IAA库）等途径来调节，以适应生长发育的需要(图8-8)。

图8-7 IAA的酶促降解（A）脱羧途径，支径；（B）两条非脱羟途径，主径。

图8-8 自由生长素水平的调节途径四、生长素的信号转导途径（一）受体植物激素深刻地影响植物的生长发育，但植物激素并不直接掺入酶和辅酶的组分之中，而必须与激素受体结合，才能发挥其生理、生化作用。

所谓激素受体（hormone receptor），是指那些特异地识别激素并能与激素高度结合，进一步引起一系列生理、生化变化的物质。

不同激素各有其受体。

生长素受体（auxin receptor）是激素受体的一种。

目前，位于内质网上的生长素结合蛋白1（auxin-binding protein 1,ABP1）被确认为生长素受体，它的分子质量为22 kDa的糖蛋白，无论单子叶植物或双子叶植物都发现有ABP1同系物。

最近研究发现，尽管ABP1主要定位于内质网，但有少数可分泌到质膜外面，与IAA相互作用使原生质体膨胀，H+泵活化。

实验证明，ABP1与生长素诱导的生理效应非常密切。

用NAA处理烟草叶肉原生质体，在短短1-2分钟就导致质膜超极化（hyperpolization）；如果事先加入ABP1抗体，则抑制质膜超极化。