生長素的作用機理

1、 生長素的作用機理學(xué)院：農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境 專業(yè)：10農(nóng)資 學(xué)號：2010310501 姓名：夏選發(fā)一、生長素的發(fā)現(xiàn)和種類 生長素(auxin)是最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素，它的發(fā)現(xiàn)史可追溯到1872年波蘭園藝學(xué)家西斯勒克(Ciesielski)對根尖的伸長與向地彎曲的研究。 他發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(xiàn)的植物激素，它的發(fā)現(xiàn)史可追溯到1872年波蘭園藝學(xué)家西斯勒克(Ciesielski)對根尖的伸長與向地彎曲的研究。 他發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(dǎo)的剌激性物質(zhì)使根的伸長區(qū)在上下兩側(cè)發(fā)生不均勻的生長。它能調(diào)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(dǎo)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(nèi)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(yīng)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(jì)30年代有關(guān)生長素作用機制的研究就已經(jīng)開始，到60年代末、70年代初形成兩派學(xué)說，即基因表達學(xué)說和酸生長學(xué)說。之后，隨著生物化學(xué)和生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，兩種學(xué)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(xué)和遺傳工程實驗手段的廣泛應(yīng)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(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究已經(jīng)成為當(dāng)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(diào)節(jié)酶蛋白的種類和數(shù)量來表現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(dǎo)生長是在原生質(zhì)內(nèi)進行的。試驗證明，在生長素的影響下，原生質(zhì)的粘度下降、流動性增加、呼吸作用增強，對水和溶質(zhì)的透性也提高，從而導(dǎo)致更多的營養(yǎng)物質(zhì)和水分進入細胞，為細胞增大體積提供了必要的物質(zhì)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(xiàn)

5、 1015min后切段開始迅速伸長, 同時介質(zhì)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(xiàn)出伸長;如將切段轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)入pH值為7的緩沖溶液中, 則切段的伸長停止; 若再轉(zhuǎn)入pH值為3.23.5的緩沖溶液中, 則切段重新表現(xiàn)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(zhì)膜上存在著非活化的質(zhì)子泵 (H+-ATP酶 )， 生長素作為泵的變構(gòu)效應(yīng)劑, 與泵蛋白結(jié)合后使其活化; (2) 活化了的質(zhì)子泵消耗能量 (ATP) 將細胞內(nèi)的 H+泵到細胞壁中,導(dǎo)致細胞壁基質(zhì)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(dǎo)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(jié)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(xué)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(zhuǎn)錄并翻譯出新的蛋白質(zhì)。當(dāng)IAA與質(zhì)膜上的激素受體蛋白(可能就是質(zhì)膜上的質(zhì)子泵) 結(jié)合后, 激活細胞內(nèi)的第2信使, 并將信息轉(zhuǎn)導(dǎo)至細胞核內(nèi), 使處于抑制狀態(tài)的基因解阻遏, 基因開始轉(zhuǎn)錄和翻譯, 合成新的mRNA和蛋白質(zhì), 為細胞質(zhì)和細胞壁的合成提供原料, 并由此產(chǎn)生一系列的生理生化

8、反應(yīng) 3 。由于生長素所誘導(dǎo)的生長既有快速反應(yīng), 又有長期效應(yīng), 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(xué)說 2 (圖 1)。2.生長素受體生長素所產(chǎn)生的各種生理作用是生長素與細胞中的生長素受體結(jié)合后實現(xiàn)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(jié)合的、并能引發(fā)特殊生理生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)。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(jié)合后被活化, 并引起相應(yīng)的一系列生理生化反應(yīng)。據(jù)此說明許多能與生長素緊密結(jié)合的物質(zhì)并非均是受體, 只可稱其為某激素的結(jié)合蛋白。學(xué)術(shù)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(dǎo)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(zhì)激酶或別的無活性的前體,于是誘發(fā)許多生理效應(yīng) 2 。3. 生長素的激活（感知）、活化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達（轉(zhuǎn)錄、翻譯、合成）3.1生長素的激活（感知） 在20世紀(jì)80年代，用生物化學(xué)方法發(fā)現(xiàn)與生長素結(jié)合的蛋白質(zhì)1（ABP1)與生長素結(jié)合的活性高，時候選受體。后來，對抗生長素或生長素轉(zhuǎn)運抑制劑的擬南芥突變體的基因篩選確定數(shù)個遺傳位點參與生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如運轉(zhuǎn)抑制劑反應(yīng)TIR

10、1，最近確定T1R1為生長素受體。F-box蛋白T1R1是SCF復(fù)合體為E3泛素連接酶的重要組成部分，亦為蛋白質(zhì)降解泛素蛋白酶體途徑的一部分。T1R1的底物Aus/IAA轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白生長素依賴方式與T1R1結(jié)合。結(jié)合后，阻遏物被降解。對以上相互作用進行晶體學(xué)分析表明，IAA結(jié)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(jù)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(jié)合。此外，許多生長素反應(yīng)由轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)，因此與T1R1受體家族相關(guān)。然而，在快速的生長素響應(yīng)中

11、，如在細胞擴展中生長素誘導(dǎo)的離子流，一種信號傳導(dǎo)途徑，它可能是由與生長素結(jié)合的膜蛋白1（ABP1)與相關(guān)的蛋白進行轉(zhuǎn)導(dǎo)。ABP1可能與植物自有的影響ABP1作用的生長素協(xié)調(diào)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(zhì)。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(zhì)或細胞核內(nèi)，它與激素結(jié)合后，調(diào)節(jié)核酸和蛋白質(zhì)的合成，也調(diào)節(jié)酶的合成，最終引起一系列的生理生化反應(yīng)，有促進作用。里一種看法認為，激素受體是在質(zhì)膜上，受體與激素結(jié)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?yīng)是質(zhì)膜受體說法的重要證據(jù)。試驗證明，大豆下胚軸質(zhì)膜對生

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

13、白，已經(jīng)鑒定到一些生長素結(jié)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(jié)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(dāng)信號分子和受體結(jié)合后會引起相應(yīng)的生理生化反應(yīng)，免疫學(xué)和轉(zhuǎn)基因研究為ABP1發(fā)揮受體功能提供了一些證據(jù)。外源施加不能進入細胞內(nèi)的ABP1抗體，會干擾生長素誘導(dǎo)的某些反應(yīng)，如原生質(zhì)體的超級化，細胞的擴大和分裂，氣孔的關(guān)閉等，在表達ABP1的轉(zhuǎn)基因煙草植物中，葉肉細胞增大，而反應(yīng)抑制ABP1則能消除生長素誘導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)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(xué)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(guān)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(guān)研究。3.2.2 G蛋白和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使（生長素信號在細胞質(zhì)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(dǎo)生長素胞內(nèi)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，已經(jīng)鑒定到了多個第二信使，并已確定生長素在胞內(nèi)的傳導(dǎo)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(nèi)側(cè)，并與質(zhì)膜緊密

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

16、號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的一個分枝就是不通過基因調(diào)節(jié)反應(yīng)直接引起蛋白質(zhì)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(zhì) 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(fù)合體 次級基因 ARF蛋白 生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模型3.3生長素的基因表達 （轉(zhuǎn)錄、翻譯、合成） 3.3.1轉(zhuǎn)錄 我們知道染色質(zhì)的主要成分為DNA和組蛋白。而組蛋白又對染色質(zhì)上的基因表達起限制作用，即遮蓋染色質(zhì)，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(chǎn)生和分泌需要連續(xù)合成RNA。另一方面，加入rRNA和tRNA(轉(zhuǎn)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(chǎn)生。因而認定，淀粉酶淀粉酶的產(chǎn)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(zhì)。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(zhì)中去，形成纖維素酶?？磥恚L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(zhì)合成有密切關(guān)系。3.3.3合成由于與生長素合成的蛋白質(zhì)很多，其中可能有ABPs,盡管目前還沒有充分證據(jù)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(jié)合，引起一系列生理和生化變化，從而調(diào)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(nóng)業(yè)中的應(yīng)用. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 12 (2) : 80 - 81, 84. 2 吳國輝. 植物生長素的作用機理 J . 農(nóng)機化研究，2004, (6) : 288. 3 王 忠. 植物生理學(xué) M . 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社，2000. 4 呂 劍, 喻景權(quán). 植物生長素的作用機制 J . 植物生理學(xué)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(dǎo)對擬南芥根生長發(fā)育的影

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