生長素的作用機理

1、 生長素的作用機理學院：農業(yè)資源與環(huán)境 專業(yè)：10農資 學號：2010310501 姓名：夏選發(fā)一、生長素的發(fā)現和種類 生長素(auxin)是最早被發(fā)現的植物激素，它的發(fā)現史可追溯到1872年波蘭園藝學家西斯勒克(Ciesielski)對根尖的伸長與向地彎曲的研究。 他發(fā)現，置于水平方向的根因重力影響而彎曲生長，根對重力的感應部分在根尖，而彎曲主要發(fā)生在伸長區(qū)。 他認為可能有一種從根尖 .，生長素(auxin)是最早被發(fā)現的植物激素，它的發(fā)現史可追溯到1872年波蘭園藝學家西斯勒克(Ciesielski)對根尖的伸長與向地彎曲的研究。 他發(fā)現，置于水平方向的根因重力影響而彎曲生長，根對重力的感

2、應部分在根尖，而彎曲主要發(fā)生在伸長區(qū)。 他認為可能有一種從根尖向基部傳導的剌激性物質使根的伸長區(qū)在上下兩側發(fā)生不均勻的生長。它能調控細胞伸長、細胞分裂與分化、頂端優(yōu)勢、向性生長、根原基的發(fā)生、胚的形成和維管分化等。很多研究表明, 生長素是莖伸長生長所必需的, 生長素的虧缺(deficiency)會導致莖伸長受阻。外源生長素處理能促進莖切段的伸長, 促進虧缺生長素的整體植株莖伸長。作為植物的一種重要的內源激素，生長素參與植物生長和發(fā)育的諸多過程，如根和莖的發(fā)育和生長、器官的衰老、維管束組織的形成和分化發(fā)育，以及植物的向地和向光反應等。研究生長素的作用機制對深入認識植物生長發(fā)育的許多生理過程有重要

3、意義。早在上個世紀30年代有關生長素作用機制的研究就已經開始，到60年代末、70年代初形成兩派學說，即基因表達學說和酸生長學說。之后，隨著生物化學和生物學技術的發(fā)展，兩種學說都有了新的發(fā)展，但同時其所存在的不足之處也日益暴露。近年來，由于分子生物學和遺傳工程實驗手段的廣泛應用，在分子水平上的生長素作用機制研究日益深入，尤其是生長素信號轉導途徑的研究已經成為當前的熱點。1.生長素的作用機理生長素, 如IAA作用于細胞核上, 作為基因的脫阻抑劑, 首先是被阻抑的基因活化。隨之, 在已活化的基因控制下, 通過調節(jié)酶蛋白的種類和數量來表現其繼發(fā)的生理作用 2 。生長素的生物試驗表明，用生長素處理時，細

4、胞壁變軟，因而增加了其可塑性?？伤苄允侵讣毎诓豢赡孓D的伸展張力。 生長試驗證明，在生長素的影響下，細胞壁可塑性的變化與生長素所促進的生長增加幅度是很相似的。因此可以認為，生長的增加確實是通過細胞壁可塑性的變化而實現的。這些生長試驗，必須以活的器官或組織為材料，并在呼吸作用能夠順利進行的條件才能完成。這就表明，生長素誘導生長是在原生質內進行的。試驗證明，在生長素的影響下，原生質的粘度下降、流動性增加、呼吸作用增強，對水和溶質的透性也提高，從而導致更多的營養(yǎng)物質和水分進入細胞，為細胞增大體積提供了必要的物質條件。1.1酸生長理論PMRay 3 將燕麥胚芽鞘切段放入一定濃度的 IAA溶液中, 發(fā)現

5、 1015min后切段開始迅速伸長, 同時介質的pH值下降, 細胞壁的可塑性增加。將切段放入含IAA的pH值為4的緩沖溶液中, 切段也表現出伸長;如將切段轉入含IAA的pH值為7的緩沖溶液中, 則切段的伸長停止; 若再轉入含IAA的pH值為4的緩沖溶液中, 則切段重新伸長。將胚芽鞘切段放入不含IAA的pH值為3.23.5的緩沖溶液中, 則1min后可檢測出切段的伸長, 且細胞壁的可塑性也增加; 如將切段轉入pH值為7的緩沖溶液中, 則切段的伸長停止; 若再轉入pH值為3.23.5的緩沖溶液中, 則切段重新表現出伸長 2 ?；谏鲜? Rayle和Cleland于1970年提出了生長素作用機理的

6、酸生長理論, 認為: (1) 原生質膜上存在著非活化的質子泵 (H+-ATP酶 )， 生長素作為泵的變構效應劑, 與泵蛋白結合后使其活化; (2) 活化了的質子泵消耗能量 (ATP) 將細胞內的 H+泵到細胞壁中,導致細胞壁基質溶液的pH值下降; (3) 在酸性條件下, H +一方面使細胞壁中對酸不穩(wěn)定的鍵 (如氫鍵 )斷裂, 另一方面 (也是主要的方面) 使細胞壁中的某些多糖水解酶 (如纖維素酶) 活化或增加, 從而使連接木葡聚糖與纖維素微纖絲之間的鍵斷裂, 細胞壁松馳; (4) 細胞壁松馳后, 細胞的壓力勢下降, 導致細胞的水勢下降, 細胞吸水, 體積增大而發(fā)生不可逆增長。由于生長素與H

7、+-ATP酶的結合和隨之帶來的 H+的主動分泌都需要一定的時間, 所以生長素所引起伸長的滯后期(1015min) 比酸所引起伸長的滯后期 (1min) 長。1.2基因活化學說植物細胞具有全能性, 但在一般情況下, 絕大部分基因是處于抑制狀態(tài)的, 生長素的作用就是解除這種抑制, 使某些處于“休眠”狀態(tài)的基因活化, 從而轉錄并翻譯出新的蛋白質。當IAA與質膜上的激素受體蛋白(可能就是質膜上的質子泵) 結合后, 激活細胞內的第2信使, 并將信息轉導至細胞核內, 使處于抑制狀態(tài)的基因解阻遏, 基因開始轉錄和翻譯, 合成新的mRNA和蛋白質, 為細胞質和細胞壁的合成提供原料, 并由此產生一系列的生理生化

8、反應 3 。由于生長素所誘導的生長既有快速反應, 又有長期效應, 因此提出了生長素促進植物生長的作用方式的基因活化學說 2 (圖 1)。2.生長素受體生長素所產生的各種生理作用是生長素與細胞中的生長素受體結合后實現的, 這也是生長素在細胞中作用的開始。生長素受體是激素受體的一種。所謂激素受體是指能與激素特異結合的、并能引發(fā)特殊生理生化反應的蛋白質。作為生長素的受體, 必須具有以下特征 4 。(1) 與生長素之間有很強的接合力; (2) 與生長素結合后被活化, 并引起相應的一系列生理生化反應。據此說明許多能與生長素緊密結合的物質并非均是受體, 只可稱其為某激素的結合蛋白。學術界還有一種觀點認為,

9、 生長素的活化作用不是直接的, 它作為“第一信使”在細胞中某一專一的部位激活別的分子, 后者被認為是腺苷酸環(huán)化酶。被激活的腺苷酸環(huán)化酶作用AIP導致了5-環(huán)式腺苷酸磷酸 (CAMP) 的形成。CAMP作為“第2信使”激活蛋白質激酶或別的無活性的前體,于是誘發(fā)許多生理效應 2 。3. 生長素的激活（感知）、活化、信號轉導和基因表達（轉錄、翻譯、合成）3.1生長素的激活（感知） 在20世紀80年代，用生物化學方法發(fā)現與生長素結合的蛋白質1（ABP1)與生長素結合的活性高，時候選受體。后來，對抗生長素或生長素轉運抑制劑的擬南芥突變體的基因篩選確定數個遺傳位點參與生長素信號轉導，如運轉抑制劑反應TIR

10、1，最近確定T1R1為生長素受體。F-box蛋白T1R1是SCF復合體為E3泛素連接酶的重要組成部分，亦為蛋白質降解泛素蛋白酶體途徑的一部分。T1R1的底物Aus/IAA轉錄阻遏蛋白生長素依賴方式與T1R1結合。結合后，阻遏物被降解。對以上相互作用進行晶體學分析表明，IAA結合到同一個T1R1孔穴的基部，使Aus/IAA蛋白?？吭贗AA的頂部，這占據了T1R1孔穴的其他部分。為了驗證T1R1是感知生長素的主要受體，對合成的IAA類似物，2,4D和1-NAA進行了實驗。實驗也表明T1R1也與這些合成生長素結合。此外，許多生長素反應由轉錄介導，因此與T1R1受體家族相關。然而，在快速的生長素響應中

11、，如在細胞擴展中生長素誘導的離子流，一種信號傳導途徑，它可能是由與生長素結合的膜蛋白1（ABP1)與相關的蛋白進行轉導。ABP1可能與植物自有的影響ABP1作用的生長素協調細胞的分化和拓展。3.2生長素的活化 許多實驗證明，激素的受體是蛋白質。至于激素的的位置，有兩種不同的看法。一種認為，激素受體是在細胞質或細胞核內，它與激素結合后，調節(jié)核酸和蛋白質的合成，也調節(jié)酶的合成，最終引起一系列的生理生化反應，有促進作用。里一種看法認為，激素受體是在質膜上，受體與激素結合后，引起膜的透性核電荷的改變，釋放出一些酶來，從而引起生理生化的改變?？焖俜磻琴|膜受體說法的重要證據。試驗證明，大豆下胚軸質膜對生

12、長素的反應是迅速的，幾分鐘后就產生反應。另外有人在洋蔥鱗莖的質膜碎片制劑中加入2,4-D，它便與質膜結合的B-1,3-葡聚糖合成酶的活性增大1030%，這就說明質膜是激素受體的所在地。然而，近年來有把兩種看法統一起來的趨勢，也就是：當外加生長素后，質膜上的受體與生長素結合，后來受體把轉錄因子即促進RNA聚合酶活性提高的物質（可能是一種糖脂）釋放出來，通過細胞質進入細胞膜，活化聚合酶，再將RNA聚合酶釋放到細胞質，影響基因組的轉錄和翻譯，形成蛋白質，酶等，并進行生長活動。3.2生長素的信號轉導3.2.1 ABP1（生長素信號感應） 近20年來，生長素受體的研究主要集中在分離、鑒定與生長素結合的蛋

13、白，已經鑒定到一些生長素結合蛋白，其中研究最深入的事ABP1。ABP1是最初在玉米胚芽鞘中分離到的一種22KD的糖蛋白，它和生長素的結合具有高度的特異性和親和性。作為受體的一個重要特性是當信號分子和受體結合后會引起相應的生理生化反應，免疫學和轉基因研究為ABP1發(fā)揮受體功能提供了一些證據。外源施加不能進入細胞內的ABP1抗體，會干擾生長素誘導的某些反應，如原生質體的超級化，細胞的擴大和分裂，氣孔的關閉等，在表達ABP1的轉基因煙草植物中，葉肉細胞增大，而反應抑制ABP1則能消除生長素誘導的細胞伸長和抑制細胞分裂。在一些植物激素中，直接的遺傳篩選時鑒定受體和其它信號轉導祖墳的好方法，但這種方法并

14、沒有鑒定到生長素的受體。最近反向遺傳學的運用使這方面取得重要進展，Chen等在擬南芥中分離得到ABP1基因，其純合突變體abpl的表型為在胚胎發(fā)育的早期（球形胚時期）致死，這說明ABP1在植物的生長發(fā)育中發(fā)揮關鍵性作用。因此要對ABP1在胚后期的功能進行研究，需進一步鑒定一些條件型突變體來進行相關研究。3.2.2 G蛋白和信號轉導的第二信使（生長素信號在細胞質的傳遞） 生長素被膜上的受體感知后，會激活G蛋白，進而誘導生長素胞內信號的轉導，已經鑒定到了多個第二信使，并已確定生長素在胞內的傳導包括不依賴于磷酸酯酶A2的途徑和依賴于磷酸酯酶A2的途徑。 異三聚體G蛋白定位于細胞膜的內側，并與質膜緊密

15、相連，一些證據表明，異三聚體G蛋白參與生長素的信號轉導。當生長素在膜上被ABP1和跨膜蛋白構成的受體復合物感知后，會激活G蛋白，被激活的G蛋白進而誘導生長素的胞內信號轉導。G蛋白的亞基在幾個信號轉導中發(fā)揮不同作用，在脫落酸信號轉導中起負向調節(jié)作用，而在生長素誘導的細胞分裂中和赤霉素信號轉導中起正向調節(jié)作用。由于G-突變體研究中對生長素信號轉導中的確切作用機理還不清楚，反向遺傳學研究和擬南芥的基因組學的發(fā)展渴望在不久的將來在這一領域取得較大進展。胞質中PH的調節(jié)可能是生長素信號在細胞質中傳導的第二信使，胞質中的PH的調節(jié)主要通過膜上的離子通道或H+-APTase質子泵的作用來實現。因而，生長素信

16、號轉導途徑的一個分枝就是不通過基因調節(jié)反應直接引起蛋白質的活化。生長素 ABP1 停泊蛋白其他受體其他受體 PLA2抑制劑G蛋白細胞膜？ PH,K+通過 iPLA2 ？ H+-ATPase 脂活化蛋白激酶 PINOIDMAPK - 細胞質 蛋白酶體中降解 -泛素化IAA蛋白 原初基因細胞核 修飾？ ARFIAA蛋白復合體 次級基因 ARF蛋白 生長素信號轉導模型3.3生長素的基因表達 （轉錄、翻譯、合成） 3.3.1轉錄 我們知道染色質的主要成分為DNA和組蛋白。而組蛋白又對染色質上的基因表達起限制作用，即遮蓋染色質，是基因不活化，DNA不能形成mRNA（信使RNA）。若加入放線菌素D等RNA

17、合成抑制劑，則抑制了細胞中淀粉酶的積累，說明淀粉酶的產生和分泌需要連續(xù)合成RNA。另一方面，加入rRNA和tRNA(轉移核糖核酸）合成的選擇性抑制劑5-氟尿嘧啶，則不達影響淀粉酶的產生。因而認定，淀粉酶淀粉酶的產生是依賴于mRNA的。3.3.2翻譯生長素在翻譯水平上促進氨基酸合成蛋白質。用生長素處理豌豆上胚軸，不只增加mRNA水平，還能促進氨基酸參加到蛋白質中去，形成纖維素酶?？磥?，生長素之所以刺激芽鞘延長，與生長素在翻譯水平上促進蛋白質合成有密切關系。3.3.3合成由于與生長素合成的蛋白質很多，其中可能有ABPs,盡管目前還沒有充分證據表明。但通過對植物激素的研究，人們認為細胞對激素信號的識

18、別是由激素受體完成的，激素與其受體間特異性結合，引起一系列生理和生化變化，從而調節(jié)植物的生長和發(fā)育。4.參考文獻 1 毛麗君 , 林位夫. 植物生長素在農業(yè)中的應用. 河北農業(yè)科學, 2008, 12 (2) : 80 - 81, 84. 2 吳國輝. 植物生長素的作用機理 J . 農機化研究，2004, (6) : 288. 3 王 忠. 植物生理學 M . 北京: 中國農業(yè)出版社，2000. 4 呂 劍, 喻景權. 植物生長素的作用機制 J . 植物生理學通訊， 2004, 40 (5) : 624 - 628. 5 周 索, 龐振凌, 龐發(fā)虎, 等. 不同生長素誘導對擬南芥根生長發(fā)育的影

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