抑制植物生長的激素-脫落酸

引言歷代文學(xué)創(chuàng)作中，秋天的落葉總能勾起文人墨客“悲秋”的情緒，例如唐代詩人賈島“秋風(fēng)生渭水，落葉滿長安”的名句就描繪了一幅秋風(fēng)落葉圖，渲染出蕭瑟的氣氛。通常植物在春天開始生根發(fā)芽，夏天時變得枝繁葉茂，秋冬時節(jié)則開始衰敗凋落，然而這種我們早已熟知的變化規(guī)律背后卻是各種植物激素（planthormone）相互作用的結(jié)果。植物激素種類頗多，其中脫落酸因在落葉或其他將要脫落的器官中濃度較高而得名，它和生長素、細胞分裂素、乙烯以及赤霉素并稱為“五類植物激素”。圖1

其他常見的四類植物激素脫落酸的發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)40年代，瑞典植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)馬鈴薯塊莖的休眠時間和塊莖中某種可溶性酸性物質(zhì)的濃度之間存在正相關(guān)。然而，直到1963年，這種影響植物休眠的物質(zhì)才由美國植物學(xué)家通過紙色譜技術(shù)首次從棉鈴中分離出來并命名為“abscisinII”。與此同時，英國研究者也從梧桐葉中分離出一種能夠誘導(dǎo)植物休眠的因子“dormin”。1965年，通過燃燒分析和多種譜學(xué)技術(shù)成功確定了“abscisinII”的化學(xué)結(jié)構(gòu)，隨后人們意識到“abscisinII”和“dormin”其實是相同物質(zhì)，該物質(zhì)最后也正式更名為abscisicacid（脫落酸）并沿用至今。圖2

脫落酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)脫落酸的生物合成自從1963年脫落酸被發(fā)現(xiàn)以來，全世界范圍內(nèi)的科學(xué)家對其進行了長期深入研究，并且在除植物以外的微生物甚至人體中發(fā)現(xiàn)了脫落酸的存在。因此，脫落酸的生物合成途徑引起了科學(xué)家們的極大興趣，目前脫落酸的生物合成途徑可大致分為間接途徑（高等植物）和直接途徑（真菌），前者以2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate，MEP）為起始原料，經(jīng)過復(fù)雜步驟合成關(guān)重要中間體?-胡蘿卜素，隨后?-胡蘿卜素再通過一系列氧化、環(huán)氧化、異構(gòu)化等步驟合成關(guān)鍵中間體黃質(zhì)醛（Xanthoxin）。黃質(zhì)醛后續(xù)經(jīng)過黃質(zhì)醛脫氫酶（Xanthoxindehydrogenase）和脫落醛氧化酶（abscisicaldehydeoxygenase）兩步氧化生成脫落酸（圖3，a）。不同于高等植物，真菌普遍采用法尼基焦磷酸（Farnesylpyrophosphate，F(xiàn)PP）為原料合成脫落酸，但具體合成路徑因物種不同存在一定差異，此處以灰葡萄尾孢菌為例簡要介紹真菌合成脫落酸的路徑。首先，F(xiàn)PP在酶的作用下環(huán)化生成α-芷香乙烷，隨后它經(jīng)過兩次氧化得到1′,4′-ABA二醇，最后在短鏈脫氫酶作用下生成脫落酸（圖3，b）。圖3

脫落酸的生物合成脫落酸的化學(xué)合成脫落酸的首次化學(xué)合成是在1965年完成，他們利用已知方法合成關(guān)鍵中間體3-甲基-5-(2,

6,

6-三甲基-1,3-環(huán)己二烯基)-(2Z,

4E)-戊二烯酸A，然后在氧氣存在下光照生成過氧化物中間體B，最后該中間體與NaOH共熱即可斷裂過氧鍵并脫水生成脫落酸，但遺憾的是他們僅能獲得外消旋的產(chǎn)物（圖4，a）。此后，諸多課題組圍繞脫落酸的全合成開展了系列工作，許多特色鮮明的合成路線相繼涌現(xiàn)，其中在1992年綜合了前人工作的優(yōu)缺點，不但解決了雙鍵順反異構(gòu)問題，對映選擇性問題也在很大程度上得以解決，使得該路線成為目前合成手性脫落酸最為理想的方法之一（圖4，b）。他們根據(jù)前人報道首先合成“砌塊”C，然后利用鋅試劑對醛基親核加成引入側(cè)鏈基團（Reformatsky反應(yīng)）生成中間體D，與此同時還會得到少量羥基對酯基分子內(nèi)進攻環(huán)化的產(chǎn)物E。幸運的是，兩種產(chǎn)物均可以水解生成相同的產(chǎn)物F，隨后F可以通過一步轉(zhuǎn)化將環(huán)氧結(jié)構(gòu)在酸性條件下開環(huán)得到脫落酸，也可通過分步法，即先脫去縮酮保護再進行開環(huán)同樣生成目標(biāo)化合物。圖4

脫落酸的化學(xué)合成脫落酸的作用及應(yīng)用脫落酸的主要功能是促進植物芽的休眠和抑制其萌發(fā)，另一個明顯的生理作用是引起氣孔迅速關(guān)閉，例如植物在干旱條件下其葉子內(nèi)脫落酸的含量會大量增加。脫落酸的含量增加時，氣孔關(guān)閉，水分的蒸騰減少；澆水后脫落酸含量則下降，氣孔又張開，不難看出脫落酸調(diào)節(jié)氣孔的開閉反應(yīng)是快速和可逆的，因此脫落酸還有調(diào)節(jié)蒸騰的作用。此外，脫落酸還有抑制營養(yǎng)器官的生長，促進葉片等器官的衰老和棉花幼果的脫落等作用。鑒于脫落酸在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育及抗逆性方面的作用，合理利用脫落酸對農(nóng)作物的增產(chǎn)、增收及改良作物品種都具有十分重要的意義。目前，市面上有較多商品化的脫落酸產(chǎn)品，它們對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。結(jié)束語植物激素的研究一直是植物科學(xué)的前沿和熱點領(lǐng)域之一，脫落酸作為內(nèi)源性植物激素的代表在調(diào)控植物的生長發(fā)育和增產(chǎn)增收發(fā)面發(fā)揮了重要作用。然而，我們目前對于脫落酸的認(rèn)知還不夠徹底，特別是對其分子作用機制方面的了解還不夠深入。此外，近年來也有研究揭示