植物生长物质与细胞信号转导(细胞分裂素类)

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（二）细胞分裂素类的代谢和运输
CTKs的主要合成部位：根尖及生长中的种子和 果实细胞内的微粒体。 CTKs的合成前体：腺苷-5’-单磷酸 (adenosine-5’-monophosphate，AMP)； 重要的中间产物： [9R-5’P]iP——[9核糖-5’磷酸]异戊烯基 腺嘌呤（异物烯基腺苷-5’-磷酸）。
在氧化酶的作用下，首先变成8’ –羟基ABA,该物质极不稳定， 很快变成红花菜豆酸（PA），接着PA的4′﹣ 酮基被还原，形成 二氢红花菜豆酸(DPA)。在一些植物组织中，DPA进一步形成 葡糖苷。 DPA及其葡糖苷没有生物活性，而PA在大多数生物 实验中表现的生物活性均低于ABA。
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（三）脱落酸的生理作用
（1)抑制生长 ABA可抑制幼苗和离体器官的生长，与GA和IAA作用相反， 如用ABA处理可抑制小麦胚芽鞘和豌豆幼苗的生长，去掉外施 ABA后，幼苗或离体器官可重新生长。
（2）促进种子成熟 ABA能抑制胚在成熟前的早萌即穗上发芽。ABA能促进营养 物质的积累并诱导成熟期种子的程序化脱水。 研究表明，ABA促进胚在发育后期积累大量的蛋白质，即胚形成 后期富有蛋白（late embryogenesis abundants, LEAs）,其 中一部分为种子贮藏蛋白，另一部分则与种子发育后期的脱 水有关，称为脱水素。
脱落酸
一、脱落酸的发现和化学结构 二、脱落酸的代谢和运输 三、脱落酸的生理作用 四、脱落酸的作用机制及信号 转导途径
（一）脱落酸的发现和化学结构
1953年，Bennet-Clark和Kefford发现一种抑制 燕麦胚芽鞘生长的物质—“抑制剂-β ”。 1963年，Wareing等从将要脱落的槭树叶中分离 出一种促进芽休眠的物质—“休眠素(dormin)”。 1964年，Addicott从即将脱落的未成熟棉铃中 提取一种促进芽休眠的物质—“脱落素 (abscisin)Ⅱ”。 休眠素和脱落素具有相同的化学结构（一种倍 半萜化合物），属同一种物质。
细胞分裂素的生物合成
• 细胞分裂素的生物合成有两条途径：一是tRNA水解；另一条 是从头合成。 • 基于细胞分裂素本身就是tRNA的组成部分，最初认为tRNA 分解作为细胞分裂素合成的一种可能的途径。Mark等发现 tRNA分解释放出来的顺式玉米素，在顺反异构酶的催化下， 能转化成高活性的反式玉米素。然而tRNA的代谢速率很低， 对于形成植物体内大量的细胞分裂素是丌够的，这说明由 tRNA分解产生细胞分裂素这条途径是次要的。1978年，Taya 等首次从黏菌中鉴定出一种酶，该酶可催化腺苷酸（AMP） 和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）转化成有活性的细胞分裂 素异戊烯基腺苷–5’ –磷酸（iPMP）。后来，科学家又发现 根癌农杆菌中的T–DNA基因可以诱发冠瘿瘤细胞中产生大量 的CTKs,因此冠瘿瘤是提取CTKs及其合成途径的有用材料。 之后科学家经过一系列科学研究，发现高等植物CTKs主要是 从头合成的。
1967年的国际植物生长物质会议上将其命名为脱落酸 (abscisic acid， ABA)。 ABA是一种倍半萜化合物，具有两种旋光异构体： 右旋(+或S表示) 左旋(-或R表示) 这两种形式的ABA均能抑制种子发芽与某些蛋白质合成， 只有(+)-ABA才具有促使气孔关闭的效应。 两种几何异构体： 顺式（2-cis）和反式（2-trans) 植物体内的ABA是2-cis (+)-ABA(顺式右旋型），有时 也存在痕量的2-trans(+)-ABA。 人工合成的ABA是与各半的混合物，为外消旋型。 ABA的化学合成成本很高，难以应用于农业生产；但现可通 过葡萄灰孢菌（Botrytis cinerea）发酵大规模生产。
ABA的运输：无极性运输 途径是木质部和韧皮部， 根中的ABA通过木质部向上运输，在土壤缺水时，根 中就可大量合成ABA，沿木质部向上运输。叶片合成 的ABA通过韧皮部运输。如将放射性ABA涂抹与叶片上， 可通过韧皮部向上向下两个方向运输。ABA主要以游离
的形式运输。
ABA的降解：主要是通过氧化作用。
CTKs的降解：植物组织中的CTKs的降解主要通过细胞分 裂素氧化酶（cytokinin oxidase.CKX）的氧化作用。
已从烟草组织、玉米种子和冠瘿瘤组织中纯化到细胞分裂 素氧化酶.该酶可以从玉米素.ip或者它们的核糖基衍生物分子 上裂解出异戊烯基侧链。
CTKs氧 化酶 +O2
细胞分裂素的运输
天然的细胞分裂素：
玉米素（zeatin）；
其他的天然细胞分裂素：
反式-玉米素核苷 (transzeatinriboside)； 异戊烯基腺嘌呤[6-(2isopentenyladenine, iP] 异戊烯基腺苷[6-(2-isopentenyl) adenosine, iPA]等。
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CTKs
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1956年，Miller等从灭菌的鲱鱼精子DNA中分 离到一种能刺激培养组织的细胞分裂的物质：N6呋喃甲基腺嘌吟(N6-furfurylaminopurine), 被 命名为激动素(kinetin)。 此后，Miller和澳大利亚的D. S. Letham分 别独立地从幼嫩的玉米种子和李子中提取到类似 激动素特性的一种嘌呤：6-(4-羟基-3-甲基-反 式-2-丁烯基氨基)嘌呤[6-(4-hydroxy-3methyl-trans-2-butenylamino) purine]，俗称 为玉米素 （zeatin）。 随后，其他CTKs物质相继被提取和鉴定。它 们都是腺嘌吟在N6位置上取代的衍生物。
CTKs/IAA比值接近时不分化； CTKs/IAA比值高时促进芽分化； CTKs/IAA比值低时促进根分化。
（2）延缓衰老
施用外源CTKs可延缓蛋白质及叶绿素的降解， 从而延缓衰老。 延缓衰老的可能原因：吸引营养物质向CTKs 浓度高的部位运输。
（3）CTKs其他生理功能 促进细胞扩大，解除顶端优势，促进结实和 气孔开放。
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（四）细胞分裂素的作用机制及信号转导
一、作用机制
CTKs及其结合蛋白存在于核糖体上，能调节基 因活性，促进mRNA和新的蛋白质的合成。 在培养 的大豆细胞中，CTKs能引起蛋白质合成总速率增加， 并可改变35S-甲硫氨酸掺入蛋白质的方式。其作用 还体现在能引起培养细胞中多聚核糖体含量增加， 这可能是由于CTK促进了mRNA的转录速率或增加了 mRNA的稳定性。有实验证明，CTK的作用与钙分布 和钙调素活性有结构 二、细胞分裂素类的代谢和运输 三、细胞分裂素类的生理作用 四、细胞分裂素类的作用机制及信 号转导途径
（一）细胞分裂素类的发现和化学结构
20世纪40至50年代，美国Wisconsin大学F. Skoog研究组在研究烟草茎切段的培养组织对营养 物质的需求时发现，如果茎外植体含有木质部维 管组织，就能在含有生长素的培养基上增生；然 而，在同样的培养基上，不含有维管组织的外 植体 只发生细胞扩大，不进行细胞 分裂。 1955 年,Skoog等发现久置 的鲱鱼精 子 DNA能刺激烟草髓部细胞分裂。 1965年，Skoog等人建议将 此类物质称为细胞 分裂素(cytokinin, CTK)
（4）增强植物的抗逆性 ABA常被称为胁迫激素，在各种逆境下，植物内源ABA水平 都会急剧地上升。 最典型的例子是叶片受干旱胁迫时，ABA迅速增加，引起气 孔关闭，减少水分散失，抗旱能力增强。 （5）促进脱落和休眠：促进叶柄、果实等器官的脱落。
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四、脱落酸的作用机制及信号转导
• 作用机制 • 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～ 200μ mol·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 。 • 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。 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 。
二、信号转导途径
•
目前在拟南芥细胞分裂时，已发现CTK有两个受 体，一是CTK独立1（CKi1）蛋白，二是CTK受体 （GRE1）蛋白。GRE1基因能编码一种具有组氨酸激 酶（HPK）或活性的蛋白组分，其N末端为信号感受 区域，随后是信号的接受区与传递区。当CTK与GRE1 结合之后，会激发组氨酸蛋白激酶（HPK）将磷酸基 团传递到细胞核里，有拟南芥反映调节蛋白（ARR） 接收磷酸基团输出的信号，两种类型（A、B）ARR调 控基因表达，产生细胞反应，如细胞分裂。 返回
(2)细胞分裂素类的结合物、氧化和运输
CTKs的结合物主要有三类：不葡萄糖、氨基酸、核 糖或木糖等形成结合物。结合形式有两种:结合态；非 结合态。结合态形式较为稳定但活性低，非结合态则易 被细胞分裂素氧化酶催化而氧化分解。其一，不葡萄糖 结合形成的N—葡糖苷属于结合态，而另一种O—葡糖 苷则属于非结合态;不丙氨酸形成的结合物也属于结合 态；玉米素可不核苷生成玉米素核苷。 植物细胞的细胞分裂素水平主要受到：(1)细胞分裂 素合成速率,(2)细胞分裂素运输速率,(3)细胞分裂素衍生 物形成和修饰物去除,(4)细胞分裂素氧化降解等4个方面 的影响.
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（二）脱落酸的代谢和运输
脱落酸的生物合成
脱落酸的合成部位：合成器官是根尖、成熟的花、 果实与种子等，细胞内合成ABA的主要部位是质体。 ABA的合成前体：甲羟戊酸(mevalonic acid， MVA)--直接途径，或叶黄素（xanthophyll）--间接 途径。 ABA的生物合成主要有两条途径： （1）15个碳原子的直接途径，由MVA合成而来 （2）40个碳原子的间接途径，由叶黄素 （xanthophyll）(一种加氧类胡萝卜素)裂解而来。
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（三）细胞分裂素类的生理作用
（1） 促进细胞分裂和形态建成
CTKs主要分布于正在进行细胞分裂的组织如根尖、茎尖、和 成长中的胚，这种选择性的分布提示CTKs与细胞分裂的密切关系。 在植物冠瘿瘤中，内源CTKs对细胞分裂表现出显著的促进效 应。根癌农杆菌Ti质粒的T-DNA片断含有编码CTKs及IAA合成中关 键酶的基因，受感染的植物组织中合成大量的CTKs及IAA，导致 细胞迅速分裂生长，形成冠瘿瘤。 CTKs还能影响组织培养中愈伤组织的形态建成
（3）促进气孔关闭 脱落酸促进气孔关闭，在缺水条件下，叶 片萎焉，含量大大增加，或增大40倍。 ABA促进气孔关闭的原因：ABA可使保卫细胞胞质 中IP3增加，打开Ca2+通道，使液泡贮存的Ca2+ 释放到胞质中，从而抑制质膜上的内向K+通道。 同时，ABA会引起胞质溶胶pH升高，从而激活 质膜上外向K+通道，K+外流。 ABA还会活化外向Cl-通道，Cl-外流，保卫细 胞内K+、Cl-减少，水势升高，水分流出，膨压 下降，气孔关闭。
植物组织中ABA的消长幅度与周转速率非常高。在萎焉的大 豆叶片中，ABA的约为3h, ABA可以与糖结合，形成ABA葡糖酯和ABA-葡糖苷。(葡糖苷：一种以葡萄糖作为糖成 分的配糖体。是具有各种配质与葡萄糖还原基结合的结构，这 类化合物总称为葡糖苷。作为配质的有醇,酚,异硫氰酸例如， 而蔗糖、麦芽糖等也可说是广义的葡糖苷。葡糖酯（葡萄糖脂 肪酸酯）：是糖基脂肪酸（糖脂）的一种。）
• 由于细胞分裂素只能在特定的组织和细胞中合成，因 此，必须通过扩散或主动运输（即运输无极性）的方式运 输到靶位细胞才能正常行使功能。目前已有的证据表明两 类蛋白可能参不了细胞分裂素的运输，即嘌呤透性酶 （PUPs）和核苷转运蛋白，利用酵母细胞进行的生化研究 表明，这两种蛋白都能转运自由态和核苷形式的细胞分裂 素。 目前认为在植物体内，细胞分裂素主要以核苷的形式 运输。 • 根尖合成的CTKs由木质部导管运输到地上部分。植物 的伤流液中均含有CTKs. 导管丌是唯一的运输通道，少 数在叶片合成的细胞分裂素也可通过韧皮部运送到其他部 位。