10 第十二章 GA 1.ppt

1、Auxin activity,Auxins stimulate genes in cells associated with plant growth.,一 GA的發(fā)現(xiàn) Discovery 二 GA結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution 三 GA的合成和代謝 Metabolis of Gibberellines 四 GA生理效應(yīng) Physiological Effects GA 作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn)和種類,赤霉素(gibberellins，GA)，天然生長(zhǎng)物質(zhì),19

2、26年，日本黑澤英研究水稻植株 徒長(zhǎng)的惡苗病(不結(jié)子) ；,1935年，日本藪田貞次從水稻惡苗病 菌中分離得到并定名為赤霉素；,1938年，藪田和住木從赤霉菌培養(yǎng)基 的濾液中分離出了兩種結(jié)晶，定名為 赤霉素A、赤霉素B。,Discovered in association with Foolish disease of rice (Gibberella fujikuroi),Infected感病,Uninfected未感病,1926年，日本黑澤英研究水稻植株徒長(zhǎng)的惡苗?。?以發(fā)現(xiàn)的先后編碼為GA1、GA2、GA3，鄰近編碼的赤霉素并不意味著它們?cè)诨瘜W(xué)上或代謝上有什么聯(lián)系。,1958年，高等植物

3、中第一個(gè)赤霉素被分離鑒定，定名為GA1 。,2005年為止，已知的赤霉素類物質(zhì)有136種。,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery 二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,Gibberellin A136,Molecular Weight = 348.4 Molecular formula = C19H24

4、O6 Gibberellin A136 was initially identified in Eriobotrya japonica,二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類,赤霉烷的基本結(jié)構(gòu),赤霉素是一類雙萜酸化合物，基本結(jié)構(gòu)赤霉烷,結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution,赤霉素分子中碳原子總數(shù)的不同可分為 GA19 和 GA20 兩類. GA20 類的生理活性都不高。 由于這兩類赤霉素都含有羧基, 所以赤霉素呈酸性, 其中 GA3、GA4、GA7 和 GA14 的生理活性較高。,C19赤霉素,C20赤霉素,3-羥基 ； 7位碳原子上的羧基、 3，13-二羥基或1，2不飽和鍵是赤霉素

5、具有最高生物活性的特征； 具有2-羥基的赤霉素不具備生物活性； C19-GAs相對(duì)生物活性比C20-GAs要高；,活性赤霉素結(jié)構(gòu)特征,生理活性較高,不具備活性,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery 二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素A作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibbere

6、llines,赤霉素合成階段 赤霉素合成器官特異性 赤霉素合成部位和運(yùn)輸 赤霉素合成的調(diào)控,前質(zhì)體,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),赤霉素生物合成途徑,(GGPP),GA12醛,胞質(zhì)中,位 置：前質(zhì)體 關(guān)鍵酶：環(huán)化酶 抑制劑:AMO1618; Cycocel, Phosphon D,步驟一 環(huán)化反應(yīng)生成貝殼杉烯,位 置：內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 關(guān)鍵酶：P450單加氧酶 抑制劑：多效唑 烯效唑,步驟二 氧化反應(yīng)生成GA12醛,所有GA物質(zhì)共同前體,位 置：細(xì)胞質(zhì) 關(guān)鍵酶：雙加氧酶 抑制劑：Cyclohexanetriones,步驟三 由GA12醛形成所有其它GAx,GA 的生物合成途徑,珂巴基焦磷酸,基本的生物異戊二烯單元是異戊烯基焦

7、磷酸 (isopentenyl pyrophosphate or diphosphate, IPP)。綠色組織中GA 合成所用的 IPP 是由三磷酸甘油醛和丙酮酸在質(zhì)體合成的. 但在富含 GA 的南瓜胚乳中, IPP 是從甲瓦龍酸在細(xì)胞質(zhì)中合成的。 因此, 不同組織中用于 GAs 合成的 IPP 可能來(lái)自不同的細(xì)胞器。,赤霉素合成器官特異性,高等植物中不同的器官組織、不同發(fā)育階段內(nèi)起調(diào)節(jié)作用的赤霉素種類不同，相應(yīng)的生物合成途徑也不盡相同，也就是說(shuō)。 赤霉素生物活性及其生物合成具有器官特異性。,Le,le,莖的伸長(zhǎng)與GA1 的水平密切相關(guān),GA 少,GA 中,GA 高,na an extreme

8、 dwarf Almost no GAs.,ent-kaurene na GA12-aldehyde,GA20 le GA1,Ultratall mutant: Constitutive response mutant.,水稻（日本晴）在不同發(fā)育階段內(nèi)源赤霉素GA4含量的變化,GA4更多地是在植物的生殖生長(zhǎng)中起著調(diào)節(jié)作用。,早期C13羥化途徑合成的GA1主要存在于植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和營(yíng)養(yǎng)器官中，促進(jìn)莖葉生長(zhǎng)； 早期C13非羥化途徑合成的GA4主要存在于植物的生殖生長(zhǎng)階段和生殖器官中，促進(jìn)花果發(fā)育和生長(zhǎng)。,水稻不同生長(zhǎng)階段活性赤霉素的器官特異性作用示意圖,發(fā)芽,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),花器官分化,成熟,生殖生

9、長(zhǎng),穗軸,/,節(jié)間生長(zhǎng),莖葉生長(zhǎng),/,/,合成最活躍植物器官是發(fā)育中的種子和果實(shí)；幼芽、幼葉和上部莖節(jié)；,莖中合成的赤霉素可以通過(guò)韌皮部運(yùn)輸?shù)街仓甑钠渌糠?尚沒(méi)有確切證據(jù)說(shuō)明根系可以合成赤霉素,赤霉素合成部位和運(yùn)輸,成熟葉片的葉肉細(xì)胞不能進(jìn)行貝殼杉烯的合成，但可以進(jìn)行赤霉素第三步驟的合成，前體就是從莖的分生組織轉(zhuǎn)移而來(lái)，在葉片中被轉(zhuǎn)化為活性赤霉素,長(zhǎng)日照可能是通過(guò)增加GA20ox的活性促進(jìn)GA1合成的。,赤霉素生物合成的調(diào)控,光周期的影響,隨著日照長(zhǎng)度的增加，莖節(jié)逐漸開(kāi)始伸長(zhǎng)，,C13羥化途徑,溫度影響,莖尖是植物感受低溫的部位，推測(cè)在莖尖中低溫影響組織內(nèi)赤霉素的代謝來(lái)影響莖節(jié)伸長(zhǎng)和開(kāi)花等生

10、理反應(yīng),- GA， 不冷處理,每天施10gGA3為期一周,冷處理六周,莖尖內(nèi)積累了大量的貝殼杉烯酸，低溫處理之后，貝殼杉烯酸7羥化酶的活性升高，貝殼杉烯酸被轉(zhuǎn)化為GA9，GA9是GA4的直接前體,Expression of a L. temulentum 20-oxidase GA biosynthesis gene. Compared with an 8h short day, LD exposure of the leaf (8h SD extended by 9.5h using incandescent lamps) led to a large increase in gene ex

11、pression. (Semi-quantitative RT PCR assays from Blundell, MacMillan, and King; unpublished).,環(huán)境控制,赤霉素生物合成的控制,反饋控制（Feedback control）,wt,gai,反饋控制（Feedback control）,植物體內(nèi)赤霉素GA1水平的影響因素,赤霉素的代謝,赤霉素的失活主要是2-羥化反應(yīng)，使活性赤霉素以及活性赤霉素前體不可逆地失去活性。,調(diào)節(jié)其在植物組織內(nèi)水平的一個(gè)重要手段，赤霉素結(jié)合物有儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)墓δ?赤霉素糖酯,赤霉素糖苷,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery 二 赤霉素結(jié)

12、構(gòu)和分類 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines 四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素A作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,四 赤霉素的生理效應(yīng),1 促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)2 調(diào)節(jié)植物幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)換3 影響花芽分化和性別控制誘導(dǎo)開(kāi)花4 打破休眠促進(jìn)萌發(fā) 5 其他效應(yīng),促進(jìn)莖的伸長(zhǎng),促進(jìn)整株植物生長(zhǎng) 促進(jìn)節(jié)間的伸長(zhǎng) 不存在超最適濃度的抑制作用,用GA處理，能顯著促進(jìn)植株莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，對(duì)矮生突變品種的效

13、果特別明顯。 GA對(duì)離體莖切段的伸長(zhǎng)沒(méi)有明顯的促進(jìn)作用，而IAA對(duì)整株植物的生長(zhǎng)影響較小，卻對(duì)離體莖切段的伸長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。,左為矮生突變體，右為施用GA3植株長(zhǎng)高至正常植株的高度,1 促進(jìn)整株植物生長(zhǎng),對(duì)照,100pgGA3,1ngGA3,矮化植物、蓮座植物和一些禾本科植物,赤霉素促進(jìn)禾本科植物莖節(jié)的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)效果非常顯著，作用的靶組織是莖節(jié)的居間分生組織。,對(duì)植物根系的生長(zhǎng)促進(jìn)效果很小或者沒(méi)有,GA 促進(jìn)矮化水稻的伸長(zhǎng)生長(zhǎng) 4-day-old rice seedlings were treated with different amounts of GA and allowed to g

14、row for another 5 days.,GA 施用導(dǎo)致短日照下植物莖的伸長(zhǎng)及花的發(fā)育. 同時(shí), 許多植物的莖的伸長(zhǎng)與開(kāi)花需要通過(guò)低溫處理, GA 可代替此作用.,GA主要作用于已有節(jié)間伸長(zhǎng)，不促進(jìn)節(jié)數(shù)的增加。導(dǎo)致莖干直徑減小、葉片變小、葉色變淺,外源GA1對(duì)正常的和矮生（dl）玉米的作用。赤霉素促進(jìn)了矮生突變體莖干的明顯伸長(zhǎng)，但是對(duì)野生型的植株卻沒(méi)有或僅有很小的效果,+GA,-GA,-GA,+GA,dwarf,dwarf,wt,wt,2 促進(jìn)節(jié)間的伸長(zhǎng),3 不存在超最適濃度的抑制作用,赤霉素調(diào)節(jié)植物幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,植物種類的不同，外源施用赤霉素可以控制植物在幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)

15、變。,GA3可以誘導(dǎo)常春藤(Hedera helix)從成熟態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛讘B(tài)； GA4+GA7處理可以誘導(dǎo)許多幼態(tài)的針葉植物進(jìn)入成熟態(tài)；,赤霉素可以影響花芽分化和性別控制,單子葉，玉米，外源赤霉素對(duì)花性別決定的主要作用是抑制雄花發(fā)育,雙子葉植物上，外源赤霉素會(huì)促進(jìn)雄花的形成，而赤霉素生物合成抑制劑可以促進(jìn)雌花的發(fā)育,對(duì)于蘋果，外源赤霉素具有促進(jìn)坐果的作用,打破休眠，促進(jìn)萌發(fā),GA可以刺激胚芽的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，松弛胚周圍的胚乳層細(xì)胞，降低對(duì)胚生長(zhǎng)的壓迫；GA可以誘導(dǎo)水解酶的合成，分解種子儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。,GA可代替光照和低溫打破休眠，需光和需低溫萌發(fā)的種子，如萵苣、紫蘇、李和蘋果等的種子， GA催化種子內(nèi)

16、貯藏物質(zhì)的降解，供胚的生長(zhǎng)發(fā)育所需。 在萌發(fā)谷類種子中，GA可誘導(dǎo)糊粉層-淀粉酶、蛋白酶產(chǎn)生，加速釀造時(shí)的糖化過(guò)程，并降低萌芽的呼吸消耗，從而降低成本。,如 0.51 ppm (0.51 g/g) 赤霉素就可打破馬鈴薯的休眠.,其他效應(yīng) * 促進(jìn)植物的座果和果實(shí)生長(zhǎng) 在梨、杏、草莓、葡萄及番茄、辣椒上已得到證實(shí); * 引起單性結(jié)實(shí); * 延緩衰老; * 對(duì)不定根的形成起抑制作用.,GA對(duì)葡萄果實(shí)生長(zhǎng)有促進(jìn)效應(yīng),GA 對(duì)無(wú)籽葡萄生長(zhǎng)有促進(jìn)效應(yīng),一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery 二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution 三 赤霉素的合成和代謝 Metaboli

17、sm of Gibberellines 四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,五 GA作用機(jī)理 Mechanisms of GA Action,赤霉素誘導(dǎo)淀粉酶的分子機(jī)制 赤霉素促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂的機(jī)制,赤霉素誘導(dǎo)淀粉酶的分子機(jī)制,單子葉禾本科植物（種子的糊粉層是一種高度特化的分泌組織，它的重要功能就是在種子萌發(fā)過(guò)程中合成并分泌水解酶類，完成這個(gè)生理功能后，這部分細(xì)胞就開(kāi)始衰老和死亡。,糊粉層,de novo synthesis vacuoles are

18、indicated (v). The level of calcium corresponding to the colors is in the lower scale. (A) Untreated protoplast. (B) GA-treated protoplast. (C) Protoplast treated with both abscisic acid (ABA) and GA. Abscisic acid opposes the effects of GA in aleurone cells. (From Ritchie and Gilroy 1998.),GA處理糊粉層細(xì)

19、胞約1小時(shí)后，細(xì)胞內(nèi)cGMP水平有一個(gè)瞬時(shí)的升高過(guò)程，鳥苷酸環(huán)化酶（催化GTP形成cGMP的酶）抑制劑會(huì)阻抑GA誘導(dǎo)的淀粉酶合成和分泌；外源添加cGMP可以克服這種抑制。 cGMP參與了赤霉素誘導(dǎo)淀粉酶合成和分泌的信號(hào)傳遞過(guò)程,cGMP和cAMP，在動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)起著第二信使的作用,淀粉酶基因表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制,這些與GA誘導(dǎo)活性密切相關(guān)的序列被稱為赤霉素響應(yīng)元件（GARE）。 淀粉酶基因啟動(dòng)子中包含三種GARE：TAACAAA盒、TATCCAC盒和C/TCTTTTC/T盒。 這三個(gè)短序列盒構(gòu)成赤霉素響應(yīng)復(fù)合體，它們?cè)趩?dòng)子內(nèi)的位置、順序和定向在各種谷類植物中是高度保守的。 GARC是實(shí)現(xiàn)赤霉素誘導(dǎo)

20、所必須的構(gòu)造，如果這三個(gè)元件任何一個(gè)發(fā)生了突變，GA3誘導(dǎo)基因表達(dá)的能力都會(huì)大大降低，所以完全的赤霉素感受能力需要這三個(gè)GARE的協(xié)同作用。,赤霉素誘導(dǎo)糊粉層細(xì)胞淀粉酶合成的分子機(jī)理,GA和細(xì)胞質(zhì)膜上的受體結(jié)合,G蛋白介導(dǎo)的信號(hào)傳遞系統(tǒng),活化了既存的活化因子,活化因子和GA-MYB 基因的抑制子結(jié)合,合成GA-MYB蛋白,MYB蛋白，淀粉酶基因啟動(dòng)子上的GA響應(yīng)元件結(jié)合,誘導(dǎo)淀粉酶合成,分泌到胚乳中發(fā)揮作用,所謂轉(zhuǎn)錄因子，就是與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控部位結(jié)合的蛋白質(zhì)，或稱DNA結(jié)合蛋白，起促進(jìn)或抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用。,赤霉素促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂的機(jī)制,赤霉素促進(jìn)細(xì)胞分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng) 調(diào)節(jié)居間分生組織細(xì)胞的細(xì)

21、胞周期,赤霉素不僅促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，而且也促進(jìn)細(xì)胞的分裂。,沒(méi)有細(xì)胞壁酸化現(xiàn)象；其次赤霉素對(duì)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)促進(jìn)的遲滯期較長(zhǎng)23小時(shí)（IAA10-15min）。,XET 從分子鏈內(nèi)部水解木葡聚糖，并將水解的木葡聚糖片段轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)木葡聚糖的末端,赤霉素對(duì)細(xì)胞壁伸展性的增加，與它能促進(jìn)細(xì)胞壁中的木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶XET活性密切相關(guān)。誘導(dǎo)XET活性的增加是赤霉素的特異作用。,XET增加細(xì)胞壁的伸展性可能是它增加了細(xì)胞壁對(duì)擴(kuò)張蛋白的透性。擴(kuò)張蛋白在酸性條件下可以弱化細(xì)胞壁多糖之間的氫鍵。 根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)，GA和IAA在促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中是協(xié)同作用的關(guān)系，即赤霉素誘導(dǎo)XET酶的活性增加，改善了細(xì)胞

22、壁對(duì)擴(kuò)張蛋白的透性，使大量的擴(kuò)張蛋白進(jìn)入細(xì)胞壁；生長(zhǎng)素促進(jìn)質(zhì)子的分泌，酸化細(xì)胞壁環(huán)境，活化擴(kuò)張蛋白，使細(xì)胞壁的伸展性得到促進(jìn)。,GA通過(guò)增加細(xì)胞壁伸展促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的,GA 調(diào)節(jié) IAA 水平GA 與 IAA 的作用有相似之處, 也有不完全相同的地方, 兩者之間有密切關(guān)系, GA 可以調(diào)節(jié) IAA 的水平, 因?yàn)?GA 促進(jìn)合成生長(zhǎng)素的前體色氨酸進(jìn)一步合成生長(zhǎng)素;,GA 又能促進(jìn)蛋白酶活性, 加速蛋白質(zhì)水解, 積累更多的水解產(chǎn)物色氨酸, 也有利于 IAA 的合成; GA 抑制 IAA 氧化酶活性, 抑制 IAA 的氧化分解; GA 可使體內(nèi)束縛態(tài) IAA 轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài).,IAA up-reg

23、ulates the transcription of GA 3b-hydroxylase (forming GA1).,0 hr 2 hr 4 hr 6hr 8 hr Con. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA intact,GA 3ox mRNA,inactive,IAA 的存在促進(jìn)GA 3ox 和阻抑GA 2ox 的轉(zhuǎn)錄; 反之則逆轉(zhuǎn).,調(diào)節(jié)居間分生組織細(xì)胞的細(xì)胞周期,air,2d submerged,調(diào)節(jié)居間分生組織細(xì)胞的細(xì)胞周期,GA首先誘導(dǎo)細(xì)胞的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，然后誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)行分裂。GA通過(guò)細(xì)胞體積的擴(kuò)大，誘導(dǎo)G2期的分生細(xì)胞進(jìn)入M期，GA誘

24、導(dǎo)細(xì)胞分裂是GA促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的間接效應(yīng)。 GA促進(jìn)水稻居間分生組織細(xì)胞從G2期向M期的過(guò)渡是因?yàn)樗龠M(jìn)了其中的CDC2基因的表達(dá)，而且還促進(jìn)了有絲分裂特異的周期素（cyclin）基因的表達(dá)。 赤霉素誘導(dǎo)水稻莖節(jié)居間分生組織細(xì)胞的分裂和CDK系統(tǒng)是具有密切關(guān)系。,GA與IAA作用的比較與相互關(guān)系,IAA GA 促進(jìn)細(xì)胞分裂 + + 促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng) + + 促進(jìn)整株植物生長(zhǎng) - + 促進(jìn)愈傷組織形成 + - 促進(jìn)酶活性 + + 極性運(yùn)輸 + - 頂端優(yōu)勢(shì)，抑制腋芽 + - 打破休眠，促進(jìn)種子萌發(fā) - + 促進(jìn)某些二年生植物 - + 抽苔開(kāi)苔 誘導(dǎo)花性別 - + 誘導(dǎo)無(wú)籽果實(shí) + +,Figure

25、 3 Following the addition of GA to barley aleurone protoplasts, a multiple-component signaling pathway is initiated. The timing of some of these events is shown. CaM = calmodulin. (After Bethke et al. 1997.),Figure 1 Gibberellin causes elongation of the leaf sheath of rice seedlings, and this response is used in the dwarf rice leaf sheath bioassay. Here, 4-day-old seedlings were treated with increasing amounts of GA3 and allowed to grow for another 5 days. (Courtesy of P. Davies.),Figure 1 The use of specifi