第七章 植物生长物质改(IAA作用机理-GA-CTK生理作用)

测定含量
作用机制
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
长度增加 不定根数增加 弯曲角度 鲜重增加
小麦切段垂直生长法 小麦胚芽鞘切段 绿豆生根法 豌豆劈茎法 土豆或菊芋称重法 绿豆下胚轴切段 豌豆直劈茎 土豆或菊芋园片
赤霉素生物鉴定法
方法 植物材料 观察指标 叶鞘长度
水稻幼苗叶鞘伸长法 水稻幼苗
1.向光弯曲感受光的部位是胚芽鞘的尖端。
2.伸长的部位是在胚芽鞘尖端以下的部位。
3.受光照射后，产生刺激生长的物质向下运输，
而且均匀分布，引起伸长区不均匀生长。
温特把这种物质称为生长素。
生长素的种类
CH 2COOH H
N
-COOH (CH2)3 H
N
天然生长素类
Indole-3-acetic acid (IAA) 吲哚-3-乙酸
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
4.生长素的其他效应
IAA---Eth
生长素调节花和叶片脱落
四、生长素的作用机理
促进生长
IAA
受体
？？
诱导不定根 调运营养
1. 酸生长理论
2. 基因活化学说
….
3. 生长素的受体
2. 植物生长调节剂：
生理效应与植物激素相似，人工合成的有机化合物， 用于调节植物生长发育。
特点：
人工合成，外源的；微量（1mM）；可从施用部位移动 到作用部位；种类多，作用各不相同。
二、生长物质的研究方法
提取（合适的有机溶剂） 1.生物鉴定法 2. 物理、化学方法 3.免疫法 1. 分子生物学 2. 遗传学 3. 突变体 …… 纯化（萃取或层析）
AUX
PIN
IAA在细胞内的合成、运输和信号转导示意图 schematic of IAA biosynthesis, transport and signaling in a plant cell
知识拓展：生长素极性运输蛋白PIN1
Jiri Friml 比利时根特大学
定位 PIN1~ PIN8
pin1突变体
生理反应
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﹡
一、生长素的发现和种类
燕麦胚芽鞘的向光性生长
一、生长素的发现和种类
达尔文实验
薄伊森－詹森实验
云母片
一、生长素的发现和种类
拜尔实验
温特实验 琼胶块
得出结论
1.分布(Distribution)：
大多集中在生长旺盛的部位
2. 生长素的运输（Transport)
IAA的极性运输
从形态学上端→形态学下端。
仅限于胚芽鞘、幼茎、幼 根
的薄壁细胞之间。 需要能量的主动运输 竹子切段倒置
胚芽鞘切段内IAA的极性运输
为什么？
生 长 载体是？ 素 极 性 运 输 流出载体只存在 机 于细胞的基端 理
三、生长素的生理效应
2.促进插条不定根的形成
IAA
CK
三、生长素的生理效应
3. 对营养的调运作用
48h后放射自显影
IAA
IAA对草莓“果实”的影响
4.生长素的其他效应
引起顶端优势；
促进形成层细胞向木质部细胞分化；
促进叶片的扩大，光合产物的运输等；
促进菠萝开花；
以及生长素还可延迟花的脱落和叶子脱落。
吲哚乙酰肌醇、 吲哚乙酰天冬氨酸、
IAA-葡聚糖、
IAA-糖蛋白
IAA的降解有两条途径：
酶氧化降解
主要途径
脱羧途径
光氧化降解
吲哚乙酸氧化酶（IAA oxidase） 是一种含Fe的血红蛋白。
非脱羧途径
过氧化物酶
过氧化物酶也能分介 IAA，所以有人认为 IAA氧化酶可能是过氧 化物酶的一种同功酶。
3-亚甲基氧化吲哚
现代酸生长理论
是扩张蛋白在细胞壁的酸生长过程中起疏松细胞壁的 作用,弱化细胞壁多糖组分间的氢健。
不认为有水解酶参与细胞的酸生长过程。
四、生长素的作用机理
2. 基因活化学说
－快速反应
生长素活化处于“休眠”状态的基 因，从而转录并翻译出新的蛋白质。
3. 生长素受体
定位于细胞质膜的外侧与促进细胞壁松 弛有关。
1、酸生长理论(Acid-growth theory)-快速反应
IAA
激活H＋-ATPase 胞外[H＋] 胞间介质酸化 细胞扩大
激活纤维素酶等 多种壁水解酶
壁组分降解
壁伸展性加大
酸生长理论(Acid-growth theory):
Rayle & Cleland ( 1970 )雷利和克莱兰
纤维素微纤丝
特点：
内源的；微量；可移动；多种生理效应，促进或抑 制双重效应。
传统的五大类植物激素
•生长素（auxin） •赤霉素（gibberellins） •细胞分裂素（cytokinins） •脱落酸（abscisic acid） •乙烯 （ethylene）
其他植物生长物质
•油菜素内酯( Steroidal Plant Hormones Brassinosteroids) •茉莉酸（酯）（jasminate） •水杨酸（酯） （salicylic acid） •多胺（polyamines） •系统素（systemin） •寡糖素（oligosaccharide ） •开花素（florigen） •... ...
植物生长物质
Plant Growth Substances
生活中的植物激素
香山科学会议第286次学术讨论会
植物激素与绿色革命
2016 International Conference on Arabidopsis Research (Korea)
• • • • • • • • • Abiotic Stress 1 Abiotic Stress 2 Plant-Microbe interaction 1 Plant-Microbe interaction 2 Hormone-CK, Auxin Hormone-GA, BR, Ethylene Hormone-Peptide Development-Vasculature DevelopmentEmbryogensis • Development-Reproductive and flowering • Development-Shoot • Development-Root • • • • • • • • • • • • • • Photobiology Plant Lipids Circadian Rhythm Transporters Metabolism-Energy Cell Cycle/Cell division Organellar Biology 1 Organellar Biology 2 Systems Biology Genome Editing Evolutionary genomics Epigenetics RNA Biology Plant Biotech
大麦胚乳试法
豌豆、玉米试法 莴苣下胚轴试法 苋红素抑制法
大麦种子
矮生豌豆或玉米 莴苣下胚轴 尾穗苋子叶
－淀粉酶活性
伸长度 下胚轴长度 光下抑制苋红素产生
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
苋红素合成法 子叶扩张法 小麦叶片试法
大豆、烟草愈伤组织
尾穗苋种子子叶 萝卜子叶 小麦叶片
国家自然科学基金委员会启动“植物激素作用的 分子机理”重大研究计划
本研究计划自2007年始， 实施期限为8年，拟投入经 费15 000万元，
许智宏院士和薛红卫研究员 主编 2012年
植物生长物质
第一节 植物生长物质的概念和研究方法 第二节 生长素类 （*）
第二节 赤霉素类（*）
第四节 细胞分裂素类（*）
质子泵
钝化
H+ IAA ATP ADP
木葡聚糖 氢键 其它细胞壁多糖 共价键
活化
细胞质
细胞膜
细胞壁
问题----酸生长理论尚有不足：
生长素诱导的细胞伸长生长是一个需能过程， 呼吸抑制剂存在时，呼吸代谢受抑制，生长 素诱导的生长也受抑制。但对H＋诱导的伸长 无影响。 生长素对某些双子叶植物(如豌豆茎)诱导的质 子外流不很明显。
Indole-3-butyric acid (IBA) 吲哚-3-丁酸
CH2 COOH O-CH 2COOH 人工合成生长素类 Cl
Naphthalene acetic acid (NAA) 萘乙酸
Cl
2,4-dichlorophenoacetic acid (2,4-D) 2,4-二氯苯氧乙酸
二、生长素在植物体内的分布与运输
第五节 脱落酸（*）
第六节 乙烯 （*） 第七节 其他植物生长物质 第八节 植物生长物质在农业生产上的应用
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
的主要生理功能（机理） 3. 乙烯的生物合成及其调控 4. 植物激素之间的相互作用
植物生长物质
知识拓展：色氨酸不依赖的途径
吲哚-3-甘油磷酸
李家洋院士 中科院遗传所
TSA、TSB突变体中IAA含 量很高
TSA的同源基因： indole synthase (INS)
Tryptophan-independent auxin biosynthesis contributes to early embryogenesis in Arabidopsis. PNAS, 2015, March 23
鲜重增加
无光下苋红素形成量 扩大或增重 离体叶片保绿 芽的形成数
葫芦藓芽萌发试法葫芦藓
黄瓜子叶法
黄瓜子叶
光下转绿速度
脱落酸生物鉴定法
棉花幼株外植体试法：
检查棉花幼苗叶柄脱落
乙烯生物鉴定法
黄化豌豆幼苗“三重反应” 菜豆幼苗弯钩展开
原理：不同物质---不同分配系数
物理化学方法 免疫分析法
薄层层析，气相色谱，液相 色谱，质谱分析等 放射免疫（RIA）
第一节 植物生长物质的概念和研究方法
一、植物生长物质 二、植物生长物质的研究方法
一、植物生长物质
调节和控制植物生长发育的微量生理活性物质。
植物生长物质的种类 二类： 1. 植物激素 2. 植物生长调节剂
1. 植物激素
植物体内代谢产生的微量生理活性物质，它产生于植 物的一定部位，并能转移到其它部位起作用，在极低 的浓度（< 1mol）下就有明显的生理效应，调节植 物的生长发育。
根
芽
茎
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
生长素浓度（mol/L）
三、生长素的生理效应
1.促进生长
③对离体器官和整体植物效应不同
生长素对离体器官的生长具有明显的促进作用，而对 整株植物的效应则不明显。
生长素促进生长作用—小结
①双重作用 ②不同器官对生长素敏感不同 ③对离体器官和整体植物效应不同
－酸生长理论
在细胞质中，可能与 mRNA 的基因转 录过程有关。
－基因活化学说
生长素的作用机理—总结
假说1
IAA 激活质膜上 已存在的ATPase
高尔基体 细胞核
假说2 IAA 增加质膜上 的ATPase数量
细胞壁内的质子 活化扩张蛋白 激活扩张蛋白
ห้องสมุดไป่ตู้
酶氧化降解
三、生长素的生理效应
1.促进生长
（1)生长素促进生长的双重作用
WT
IAA过表达
三、生长素的生理效应
1.促进生长

（2）不同器官对生长素的敏感性不同
促进 10-10
敏感性： 根>芽>茎 （10-10，10-8，10-5）
10-8
10-4
幼嫩时较敏感， -11 10 老细胞则敏感性降低。
抑制
3. IAA的合成途径：色氨酸依赖的途径
色氨酸 (合成前体)
色氨酸脱羧酶 色氨酸 转氨酶
色胺
胺氧化酶
吲哚丙酮酸
吲哚丙酮 酸脱羧酶
芸薹葡糖硫苷 (吲哚乙醇途径) 葡糖硫苷酶 吲哚乙醇 吲哚乙腈
吲哚乙醇 氧化酶 腈水解酶
吲哚乙醛
(色胺途径)
(直接前体) 吲哚乙醛 脱氢酶
吲哚乙酸 (吲哚丙酮酸途径)
(吲哚乙腈途径)
Trp Trp:色氨酸 IGP:吲哚-3-甘油磷酸
IAA的代谢途径
生长素的代谢
色氨酸途径 非色氨酸途径
结合态 游离态运输
氧化脱羧
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，没有生物活性 束缚型生长素是贮存与运输形式。 吲哚乙酰葡萄糖、
两种形式可以 进行相互转化
酶联免疫（ELISA）
原理 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。 特点：高度专一，高度灵敏，简便
植物生长物质
生长素类 赤霉素类 细胞分裂素类
脱落酸
乙烯
基本知识
研究进展
信号
学 习 导 图
发现/种类
受体
分布 磷酸化、泛素化等
运输
转录因子 生理作用 基因表达 作用机制