第十二次课

授课题目（教学章、节或主题）： 第八章 植物生长物质 第一节 生长素类 一、 生长素的种类和化学结构 二、 生长素在植物体内的分布和运输 三、生长素的生物合成和降解 四、生长素的信号转导途径 五、生长素的生理作用 六、人工合成的生素类及其应用 第二节 赤霉素类 一、赤霉素的结构和种类 二、赤霉素的分布与运输 三、赤霉素的生物合成 四、赤霉素的信号转导途径 五、赤霉素的生理作用和应用 第三节 细胞分裂素类 一、细胞分裂素种类和结构 二、细胞分裂素分布和运输 三、细胞分裂素的生物合成和代谢 四、细胞分裂素的信号 导途径 五、细胞分裂素的生理作用和应用	教学器材与工具	多媒体设施、黑板与笔
	授课时间	第12周周一第1-3 节
教学目的、要求（例如识记、理解、简单应用、综合应用等层次）： 1、 了解植物生长物质的概念和种类。 2、理解生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类的结构、种类、生理作用、运输和生物合成途径 3、了解植物生长物质生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类在农业生产上的应用。
教学内容（包括基本内容、重点、难点）：

基本内容

第八章 植物生长物质（plant growth substance）

植物生长物质（plant growth substance）是一些调节植物生长发育的物质。植物生长物质可分为两类：1）植物激素（plant hormone或phytohormone）；2）植物生长调节剂（plant growth regulator）。植物激素是指一些在植物体内合成，并从产生之处运送到别处，对生长发育产生显著作用的微量（1 μmo1•L^-1以下）有机物；而植物生长调节剂是指一些具有植物激素活性的人工合成的物质。

目前，大家公认的植物激素有5类，即生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯和脱落酸。近来发现的植物激素还有油菜素内酯、多胺和茉莉酸等。

第一节 生长素类（auxin）

生长素（auxin）是最早发现的一种植物激素。英国的Charles Darwin（1880）在进行植物向光性实验时，发现在单方向光照射下，胚芽鞘向光弯曲；如果切去胚鞘的尖端或在尖端套以锡箔小帽，即使是单侧光照也不会使胚芽鞘向光弯曲；如果单侧光只照射胚芽鞘尖端而不照射胚芽鞘下部，胚芽鞘还是会向光弯曲（图8-1）。因此，他认为胚芽鞘产生向光弯曲是由于幼苗在单侧光照下，产生某种影响，从上部传到下部，造成背光面和向光面生长快慢不同。

荷兰的F.W.Went（1928）把燕麦胚芽鞘尖端切下，放在琼脂薄片上，约1h后，移去芽鞘尖端，将琼脂切成小块，再把这些琼脂小块放在去顶胚芽鞘一侧，置于暗中，胚芽鞘就会向放琼脂的对侧弯曲。如果放的是纯琼脂块，则不弯曲（图8-1），这证明促进生长的影响从鞘尖传到琼脂，再传到去顶胚芽鞘，这种影响确是化学本质，Went称之为生长素。根据这个原理，他创作燕麦试法（Avena test），定量测定生长素含量，推动了植物激素的研究。

一、生长素的种类和化学结构

荷兰的F·Kogl(1934)等从玉米油、根霉、麦芽等分离和纯化刺激生长的物质，经鉴定是吲哚乙酸（indole acetic acid, IAA），其分子式为C₁₀ H₉O₂N，相对分子质量为175.19。这个工作大大推动了植物激素研究向前发展。

图8-1 生长素发现的一些关键性试验

现已证明，除了IAA以外，植物体内还有其他生长素类物质。例如，苯乙酸（phenylacetic acid, PAA）存在于一些作物（番茄、烟草等）中，4-氯-3-吲哚乙酸（4-chloro-3-indole acetic acid,4-Cl-IAA）存在于豌豆、山黧豆等未成熟种子中，吲哚丁酸（indole butyric acid,IBA）也是植物的内源生长素类物质（图8-2）。

图8-2 几种内源生长素类

二、生长素在植物体内的分布和运输

生长素在高等植物中分布很广，根、茎、叶、花、果实、种子及胚芽鞘中都有。它的含量甚微，1 g鲜重植物材料一般含10～100 ng生长素。生长素大多集中在生长旺盛的部分（如胚芽鞘、芽和根尖端的分生组织、形成层、受精后的子房、幼嫩种子等），而在趋向衰老的组织和器官中则甚少。以烟草研究得知，细胞内约有2/3的生长素在叶绿体内，余下部分分布在胞质溶胶。

生长素在植物组织内呈不同化学状态。人们把易于从各种溶剂中提取的生长素称为自由生长素（free auxin），而把通过酶解、水解或自溶作用从束缚物释放出来的那部分生长素，称为束缚生长素（bound auxin）。自由生长素具有活性，而束缚生长素则没有活性。自由生长素和束缚生长素可相互转变。束缚生长素是生长素与其他化合物（糖、氨基酸）结合而形成的，类型不同，生理作用也有差异。

束缚生长素在植物体内的作用可能有下列几个方面：1）作为贮藏形式。吲哚乙酸与葡萄糖形成吲哚乙酰葡糖（indole acetyl glucose），在种子和贮藏器官中特别多，是生长素的贮藏形式。2）作为运输形式。吲哚乙酸与肌醇形成吲哚乙酰肌醇（indole acetyl inositol）贮存于种子中，发芽时，比吲哚乙酸更易于运输到地上部。3）解毒作用。自由生长素过多时，往往对植物产生毒害。吲哚乙酸和天门冬氨酸结合成的吲哚乙酰天冬氨酸（indole actyl aspartic acid），具有解毒功能。4）调节自由生长素含量。根据植物体对自由生长素的需要程度，束缚生长素会与束缚物分离或结合，使植物体内自由生长素呈稳衡状态，调节到一个适合生长的水平。

在高等植物中，生长素运输方式有2种：一种和其他同化产物一样，通过韧皮部运输，运输速度约为1～2.4 cm•h^-1，运输方向决定于两端有机物浓度差等因素；另一种是仅局限于胚芽鞘、幼茎、幼根的薄壁细胞之间短距离单方向的极性运输（polar transport）。

生长素极性运输是指生长素只能从植物体的形态学上端向下端运输。如图8-3所示，把含有生长素的琼胶小块放在一段切头去尾的燕麦胚芽鞘的形态学上端，把另一块不含生长素的琼胶小块接在下端，过些时间，下端的琼胶中即含有生长素。但是，假如把这一段胚芽鞘颠倒过来，把形态学的下端向上，作同样的试验，生长素就不向下运输。

图8-3 生长素的极性运输

生长素极性运输是一种主动的运输过程，因为其运输速度比物理扩散约快10倍；缺氧会严重地阻碍生长素的运输；生长素可以逆浓度梯度运输。一些化合物如2，3，5-三碘苯甲酸（2，3，5-triiodobenzoicacid， TIBA）和萘基邻氨甲酰苯甲酸（naphthyphthalamic acid，简称NPA）能抑制生长素的极性运输。（图8-4）

图8-4 两种抑制生长素极性运输的化合物

关于生长素极性运输的机理，Goldsmith（1977）提出化学渗透极性扩散假说（chemiosmotic polar diffusion hypothesis）去解释这种现象。如图8-5所示，质膜的质子泵把ATP水解，提供能量，同时把H⁺从细胞质释放到细胞壁，所以细胞壁pH较低（pH5）。生长素的pKa是4.75，在酸性环境中羧基不易解离，主要呈非解离型（IAAH），较亲脂。IAAH被动地扩散透过质膜进入胞质溶胶；与此同时，阴离子型（IAA^-）通过透性酶主动地与H⁺协同转运进入胞质溶胶。IAA就通过上述两种机理进入细胞质。胞质溶胶的pH高（pH7），所以胞质溶胶中大部分IAA呈阴离子型（IAA^-），IAA^-比IAAH较难透过质膜。细胞基部的质膜上有专一的生长素输出载体（auxin efflux carrier），它们集中在细胞基部，可促使IAA^-被动地输出到细胞壁，继而进入下一个细胞，这就形成极性运输。免疫荧光显微试验证实，抑制生长素极性运输的NPA能与生长素输出载体蛋白结合，阻止IAA^-向外流出。

图8-5 生长素的化学渗透极性扩散假说

三、生长素的生物合成和降解

（一） 生长素的生物合成

生长素在植物体中的合成部位主要是叶原基、嫩叶和发育中的种子。成熟叶片和根尖也产生生长素，但数量很微。生长素生物合成的前体主要是色氨酸（tryptophan）。色氨酸转变为生长素时，其侧链要经过转氨作用、脱羧作用和两个氧化步骤。生长素生物合成的途径主要有4条（图8-6）。

1.吲哚丙酮酸途径（indole pyruvate pathway） 色氨酸通过转氨作用，形成吲哚丙酮酸（indole pyruvic acid），再脱羧形成吲哚乙醛，后者经过脱氢变成吲哚乙酸。许多高等植物组织和组织匀浆提取物中都发现上述各步骤的酶。本途径在高等植物中占优势，对一些植物来说是唯一的生长素合成途径（图8-6C）。

2.色胺途径 色氨酸脱羧形成色胺（tryptamine），再氧化转氨形成吲哚乙醛，最后形成吲哚乙酸。本途径在植物中占少数，而大麦、燕麦、烟草和番茄枝条中则同时进行吲哚丙酮酸途径与本途径（图8-6D）。

3．吲哚乙腈途径 一些十字花科、禾本科和芭蕉科中，色氨酸首先转变为吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetalcloxime）,进而形成吲哚乙腈（indole acetonitrile）,后在经过腈水解酶作用生成吲哚乙酸（图8-6B）。

4.吲哚乙酰胺途径——在一些病原菌如假单孢杆菌和农杆菌中，色氨酸在两种酶作用下，经过吲哚乙酰胺（indole-3-acetamide）最后形成吲哚乙酸。本途径是细菌途径，最终使寄生植物形态发生改变（图8-6A）。

图8-6 植物和细菌中的吲哚乙酸生物合成途径

（二）生长素的降解

生长素的降解主要有两方面：酶促降解和光氧化。

1.酶促降解 生长素的酶促降解可分为脱羧降解（decarboxylated degradation）和不脱羧降解（non-decarboxylated degradation）（图8-7）。

脱羧降解 汤玉玮和J.Bonner在1947年发现一种能使IAA氧化的吲哚乙酸氧化酶（IAA oxidase），广泛分布于高等植物。IAA氧化酶是一种起着氧化酶作用的过氧化物酶，其氧化产物除CO₂外，还有其它产物，如3-亚甲基羟吲哚（3-methylene oxindole）等。

不脱羧降解 不脱羧的降解物仍然保留IAA侧链的两个碳原子，如，羟-3-吲哚乙酸（oxindole-3-acetic acid）和二羟-3-吲哚乙酸（dioxindole-3-acetic acid）等。

2.光氧化 在强光下体外的吲哚乙酸在核黄素催化下，可被光氧化，产物是吲哚醛（indole aldehyde）和亚甲基羟吲哚。

由此可见，植物体内自由生长素水平是通过生物合成、生物降解、运输、结合和区域化（贮存在IAA库）等途径来调节，以适应生长发育的需要(图8-8)。

图8-7 IAA的酶促降解 （A）脱羧途径，支径；（B）两条非脱羟途径，主径。

图8-8 自由生长素水平的调节途径

四、生长素的信号转导途径

（一） 受体

植物激素深刻地影响植物的生长发育，但植物激素并不直接掺入酶和辅酶的组分之中，而必须与激素受体结合，才能发挥其生理、生化作用。所谓激素受体（hormone receptor），是指那些特异地识别激素并能与激素高度结合，进一步引起一系列生理、生化变化的物质。不同激素各有其受体。生长素受体（auxin receptor）是激素受体的一种。

目前，位于内质网上的生长素结合蛋白1（auxin-binding protein 1,ABP1）被确认为生长素受体，它的分子质量为22 kDa的糖蛋白，无论单子叶植物或双子叶植物都发现有ABP1同系物。最近研究发现，尽管ABP1主要定位于内质网，但有少数可分泌到质膜外面，与IAA相互作用使原生质体膨胀，H⁺泵活化。实验证明，ABP1与生长素诱导的生理效应非常密切。用NAA处理烟草叶肉原生质体，在短短1-2分钟就导致质膜超极化（hyperpolization）；如果事先加入ABP1抗体，则抑制质膜超极化。这就说明ABP1参与了生长素诱导质膜超极化的生理过程。

（二）信号转导途径

1．生长素诱导基因

当生长素与其受体结合后，引起的信号转录途径的重要功能之一是活化一些转录因子，这些转录因子进入胞核，促进专一基因的表达。根据转录因子的不同，生长素诱导基因分为两类：

（1）早期基因（early gene）或初级反应基因（primary response gene）。早期基因的表达是被原来已有的转录基因活化刺激所致，所以外施蛋白质合成抑制剂如环已酰亚胺不能堵塞早期基因的表达。早期基因表达所需时间很短，从几分钟到几小时，例如，AUX/IAA基因家族编码短命转录因子，加入生长素5~60分钟后，大部分AUX/IAA家族就表达。

（2）晚期基因（late qene）或次级反应基因（secondary response gene）。某些早期基因编码的蛋白能够调节晚期基因的转录。晚期基因转录对激素是长期反应。因为晚期基因需要重新合成蛋白质，所以其表达被蛋白质合成抑制剂堵塞。

生长素响应因子（auxin response factor, ARF）会调节早期生长素基因表达。在没有IAA条件下，ARF与AUX/IAA 蛋白质结合形成不活化的异源二聚体(heterodimer)，堵塞 AUX/IAA和其它早期基因的转录，所以无生长素响应。当加入IAA后，活化的泛素连接酶（ubiquitin ligase）把AUX/IAA蛋白质破坏，降解，就形成活化ARF同源二聚体(homodimer)。活化ARF同源二聚体与早期基因启动子的回文生长素响应元件（auxin reoponse elemcnt）(AuxRE)结合，转录就活化。早期基因的转录引起生长素的响应，表现出生理反应。

现将生长素早期响应基因转录活化的生长素调节模式表示如图8-9。

泛素

图8-9 生长素早期响应基因转录活化的生长素调节模式图

五、生长素的生理作用和应用

生长素的生理作用是广泛的，它影响细胞分裂、伸长和分化，也影响营养器官和生殖器官的生长、成熟和衰老，具体作用将于以后有关章节叙述。现将生长素的生理作用扼要总结如下：

1．促进作用 促进雌花增加，单性结实，子房壁生长，细胞分裂，维管束分化，光合产物分配，叶片扩大，茎伸长，偏上性生长，乙烯产生，叶片脱落，形成层活性，伤口愈合，不定根形成，种子发芽，侧根形成，根瘤形成，种子和果实生长，座果，顶端优势。

2．抑制作用 抑制花朵脱落，侧枝生长，块根形成，叶片衰老。

必须指出，生长素对细胞伸长的促进作用，与生长素浓度、细胞年龄和植物器官种类有关。一般生长素在低浓度时可促进生长，浓度较高则会抑制生长，如果浓度更高则会使植物受伤。细胞年龄不同对生长素的敏感程度不同。一般来说，幼嫩细胞对生长素反应非常敏感，老细胞则比较迟钝。不同器官对生长素的反应敏感程度也不一样，根最敏感，其最适浓度是10^-10 mol•L^-1左右；茎最不敏感，最适浓度是10^-4 mol•L^-1左右；芽居中，最适浓度是10^-8 mol•L^-1左右。

六、人工合成的生长素类及其应用

利用生长素的生物鉴定法，不仅可以研究植物体内各部分生长素的分布和含量，同时，也从人工合成的一些有机化合物中筛选出多种与生长素有类似生理效应的植物生长调节剂。最早发现的是吲哚丙酸（indolepropionic acid， IPA）和吲哚丁酸（indolebutyric acid, IBA），它们和吲哚乙酸一样都具有吲哚环，只是侧链的长度不同。以后又发现没有吲哚环而具有萘环的化合物，如α-萘乙酸（α-naphthalene acetic acid，NAA），以及具有苯环的化合物，如2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-dichlorophenoxy acetic acid，2，4-D），也都有吲哚乙酸的生理活性。还发现和这些化合物有关的化合物，如萘氧乙酸（naphthoxyacetic acid，NOA）、2，4，5-三氯苯氧乙酸（2，4，5-trichlorophenoxy acetic acid，2，4，5-T）等都有类似的生理效应（图8-10）。

图8-10 几种人工合成的生长素类化合物

此外，还有一类合成的生长素衍生物，如α-（对氯苯氧基）异丁酸[α-（p-chlorophenoxy）isobutyic acid，PCIB]，它本身不具或具很少生长素活性，但在植物体内与生长素竞争受体，对生长素有专一的抑制效应，故称为抗生长素（antiauxin）。

有些人工合成的生长素，如NAA，2，4-D等，由于原料丰富，生产过程简单，可以大量制造。此外，它们还不像IAA那样在体内受吲哚乙酸氧化酶的破坏，效果稳定。因此，生长素类在农业上得到了广泛的推广使用。

人工合成的生长素类应用于农业生产，主要促进插枝生根、阻止器官脱落，促进菠萝开花，番茄座果等，评见第11、12两章有关题目（附表）。

第二节 赤霉素类（gibberellin）

赤霉素（gibberellin）是日本人黑泽英一（Kurosawa E.）1926年从水稻恶苗病的研究中发现的。患恶苗病的水稻植株之所以发生徒长,是由病菌分泌出来的物质引起的。这种病菌称为赤霉菌(Gibberella fujikuroi),赤霉素的名称由此而来。1959年确定其化学结构。现已知，植物体内普遍存在赤霉素。它是调节植株高度的激素。

一、 赤霉素的结构和种类

赤霉素是一种双萜，由4个异戊二烯单位组成。其基本结构是赤霉素烷（gibberellane），有4个环。在赤霉素烷上，由于双键、羟基数目和位置的不同，形成了各种赤霉素。根据赤霉素分子中碳原子总数的不同，可分为C₁₉和C₂₀两类赤霉素。GA_{1，2，3，7，9，22}等属于C₁₉赤霉素，GA_{12，13，25，27}等属于C₂₀赤霉素（图8-11）。前者包含的赤霉素种类大大多于后者。前者的生理活性高，而后者生理活性低。各类赤霉素都含有羧酸，所以赤霉素呈酸性。几种常用的赤霉素的结构如图8-11所示。

图8-11 赤霉素烷，C₂₀-GA、C₁₉-GA的结构

图8-11 GA₁，GA₃和GA₇的结构

生理活性强的赤霉素有GA₁，GA₃，GA₇，GA₃₀，GA₃₂，GA₃₈等，生理活性弱的赤霉素有GA₁₃，GA₁₇，GA₂₅，GA₂₈，GA₃₉等。市售的赤霉素主要是赤霉酸（GA₃），分子式是C₁₉H₂₂O₆，相对分子质量为346。

赤霉素有自由赤霉素（free gibberellin）和结合赤霉素（conjugated gibberellin）之分。自由赤霉素不以键的形式与其他物质结合，易被有机溶剂提取出来。结合赤霉素是赤霉素和其他物质（如葡萄糖）结合，要通过酸水解或蛋白酶分解才能释放出自由赤霉素。结合赤霉素无生理活性。赤霉素的种类很多，1955年分离出GA₁，GA₂和GA₃三种，以后陆续发现，现已知有125种赤霉素GA₁₂₅。GA右下角的数字代表该赤霉素发现早晚的顺序。

二、 赤霉素的分布和运输

赤霉素广泛分布于被子植物、裸子植物、蕨类植物、褐藻、绿藻、真菌和细菌中。

赤霉素和生长素一样，较多存在于生长旺盛的部分，如茎端、嫩叶、根尖和果实种子。高等植物的赤霉素含量一般是1～1 000 ng•g^-1鲜重，果实和种子（尤其是未成熟种子）的赤霉素含量比营养器官的多两个数量级。每个器官或组织都含有两种以上的赤霉素，而且赤霉素的种类、数量和状态（自由态或结合态）都因植物发育时期而异。

赤霉素在植物体内的运输没有极性。根尖合成的赤霉素沿导管向上运输，而嫩叶产生的赤霉素则沿筛管向下运输。至于运输速度，不同植物差异很大，如矮生豌豆是5 cm•h^-1，豌豆是2.1 mm•h^-1，马铃薯0.42 mm•h^-1。

三、 赤霉素的生物合成

赤霉素在高等植物中生物合成的位置至少有三处：发育着的果实（或种子），伸长着的茎端和根部。赤霉素在细胞中的合成部位是质体、内质网和细胞质溶胶等处。

赤霉素的生物合成可分为3个步骤（图8-12）：

步骤1在质体进行，由拢牛儿拢牛儿焦磷酸（GGPP，见图5-7），通过内根—古巴焦磷酸转变为内根—贝壳杉烯。

步骤2在内质网中进行。内根—贝壳杉烯转变为GA₁₂-醛，接着转变为GA₁₂或GA₅₃，依赖于GA的C-13是否羟基化。

步骤3在胞质溶胶中进行。GA₁₂和GA₅₃转变为其他GA。这些转变是在C₂₀处进行一系列氧化。在β羟基途径中产生GA₂₀。GA₂₀于是氧化为活化的GA₁，如果3β羟基化则成为GA₄，最后GA₂₀和GA₁的C-2羟基化，则分别形成不活化的GA₂₉和GA₈。

调节赤霉素生物合成的酶主要有两种：一是GA₂₀-氧化酶，它不断氧化GA₅₃和GA₁₂的C-20，把C-20以CO₂形式除去；二是GA₃-氧化酶是3β-羟化酶，把OH基加到C-3形成活化的GA₁。调节赤霉素代谢的酶有1种，即GA₂-氧化酶，它把OH基加到C-2上，使GA₁不活化。

图8-12 赤霉素生物合成

从1968年始就能人工合成赤霉素，现已合成GA₃、GA₁、GA₁₉等，但成本较高，目前生产上使用的GA₃等仍然是从赤霉菌的培养液中提取出来的，价格较低。

植物体内的活化GA₁₁水平是通过合成、运输、与糖结合和分解钝化等环节而调节，以适应生长发育的需要（图8-13）。

图8-13 植物组织中活化GA₁保持稳定水平的步骤

四、 赤霉素的信号转导途径

GA诱导大麦种子糊粉层α-淀粉酶（α-amylase）合成的生化机制和分子生物学机制研究比较全面，基本符合GA的其他反应，有启发意义。

（一）GA诱发糊粉层产生α-淀粉酶

我们首先了解大麦种子结构及其发芽时释放的酶和碳水化合物的移动情况（图8-14）。

赤霉素诱导α-淀粉酶合成和分泌的分子机制如图8-15。

（二）受体

赤霉素的受体定位于糊粉层细胞质膜的外表面。种子发芽时胚产生的赤霉素，不是新形成的，而来自原来已形成的GA库，因此干种子的赤霉素含量极低，发芽时才逐渐增多。发芽时胚里的赤霉素通过盾片分泌到糊粉层细胞表面，与受体结合，成为赤霉素受体复合物。它与异源三聚体G-蛋白相互作用，诱发出两条信号传递链：环鸟苷酸（cGMP）途径（Ca²⁺不依赖信号转导途径）和钙调素及蛋白激酶途径（Ca²⁺依赖信号转导途径）。

（三）cGMP，Ca²⁺和蛋白激酶可能是信号中间体

cGMP是植物细胞内起着第二信使的作用。用赤霉素处理糊粉层细胞约1 h后，细胞内的cGMP水平骤然升高。故认为cGMP是激活信号转导的中间体，Ca²⁺-钙调素和蛋白激酶也可能是。

这些活化信号中间体进入胞核，与胞核内的阻遏物蛋白结合。就刺激GA-MYB基因和其他基因表达，经过转录、加工和翻译，合成GA-MYB mRNA。GA-MYB mRNA在细胞质内和GA-MYB转录因子作用，形成新合成的GA-MYB蛋白，进入胞核，与α-淀粉酶和其他水解酶的启动子基因结合，激活这些酶的转录加工和翻译，合成α-淀粉酶mRNA和其他水解酶mRNA，运输到细胞质的粗内质网，合成α-淀粉酶和其他水解酶，以后就通过高尔基体把α-淀粉酶等分泌到胚乳去。

Ca²⁺也是植物细胞中的重要第二信使。实验表明，赤霉素处理可使糊粉层细胞内的Ca²⁺水平和钙调素水平都显著增高，说明Ca²⁺和钙调素参与赤霉素的信号传递链，同时说明α-淀粉酶的分泌需要赤霉素的刺激并且经过Ca²⁺-钙调素依赖信号转导途径的。

有关赤霉素促进细胞延长的内容见第十章第二节。

图8-15 赤霉素诱发大麦糊粉层α-淀粉酶合成的模式

五、赤霉素的生理作用和应用

赤霉素的生理作用可归纳如下：

促进作用 促进两性花的雄花形成，单性结实，某些植物开花，细胞分裂，叶片扩大，抽苔，茎延长，侧枝生长，胚轴弯钩变直，种子发芽，果实生长，某些植物座果。

抑制作用 抑制成熟，侧芽休眠，衰老，块茎形成。

赤霉素在生产上的应用主要有下述几方面：

1．促进麦芽糖化 赤霉素诱发α-淀粉酶的形成这一发现，已被应用到啤酒生产中。过去啤酒生产都以大麦芽为原料，借用大麦发芽后产生的淀粉酶，使淀粉糖化和蛋白质分解。大麦发芽要消耗大量养分（约占原料大麦干重的10%），同时，又要求较多的人力和设备。现在只要加上赤霉素使糊粉层中形成淀粉酶，就可以完成糖化过程，不需要种子发芽。因此，可节约粮食，降低成本，并能缩短生产期1～2天，不影响啤酒品质。

2．促进营养生长

3．打破休眠

第三节 细胞分裂素类(cytokinin)

细胞分裂素类则是一类调节细胞分裂的激素，此类物质中最早被发现的是激动素。

1955年F.Skoog等培养烟草髓部组织时，偶然在培养基中加入放置很久的鲱鱼精子DNA，髓部细胞分裂就加快；如加入新鲜的DNA，则完全无效；可是当把新鲜的DNA与培养基一起高压灭菌后，又能促进细胞分裂。后来从高压灭菌过的DNA降解物中分离出一种物质，化学成分是6-呋喃氨基嘌呤（6-furfurylaminopurine），它能促进细胞分裂，被命名为激动素（kinetin，KN），它的分子式为C₁₀H₉N₅O，相对分子质量为215.2。在激动素被发现后，又发现了多种天然的和人工合成的具有激动素生理活性的化合物。当前，把具有和激动素相同生理活性的天然的和人工合成的化合物，都称为细胞分裂素（cytokinin，CK）。

一、 细胞分裂素的种类和化学结构

细胞分裂素是腺嘌呤（adenine，即6-aminopurine，6-氨基嘌呤）的衍生物（图7-17）。当第6位氨基、第2位碳原子和第9位氮原子上的氢原子被取代时，则形成各种不同的细胞分裂素。细胞分裂素可分为天然的和人工合成的两大类。

（一）天然的细胞分裂素

天然存在的细胞分裂素又可分为游离的细胞分裂素和在tRNA中的细胞分裂素。

1.游离的细胞分裂素 植物和微生物中都含有游离的细胞分裂素，共20多种。其中玉米素（zeatin，Z）是在1963年首次由澳大利亚的Letham从甜玉米未成熟种子中提取出来的天然细胞分裂素，相对分子质量为219.2，其生理活性比激动素强得多；后来在椰子乳中发现另一种促进细胞分裂的物质--玉米素核苷（zeatin riboside，[9R]Z）；还有从黄羽扇豆分离出来的二氢玉米素（dihydrozeatin，[diH]Z），从菠菜、豌豆和荸荠球茎中分离出来的异戊烯基腺苷（isopentenyl adenosine，[9R]iP）（图8-16）

图8-16 细胞分裂素通式及几种天然细胞分裂素的结构

2.在tRNA中的细胞分裂素 细胞分裂素本身就是tRNA的组成部分。植物tRNA中的细胞分裂素主要有异戊烯基腺苷、玉米素核苷、甲硫基异戊烯基腺苷、甲硫基玉米素核苷。

（二）人工合成的细胞分裂素

根据激动素的结构，人们合成了大量的衍生物，它们都具促进细胞分裂能力的作用。常用的有激动素、6-苄基腺嘌呤（6-benzyladenine，6-BA）和四氢吡喃苄基腺嘌呤（tetrahydropyranyl benzyladenine，PBA）。二苯脲（dipheny1 urea）的结构则特殊，它不具腺嘌呤的结构，但却有细胞分裂素的生理功能。

图8-17 几种人工合成的细胞分裂素和细胞分裂素拮抗剂

细胞分裂素也有自由细胞分裂素和结合细胞分裂素两种存在形式。自由细胞分裂素主要有玉米素、二氢玉米素和异戊烯基腺苷等，具生理活性；结合细胞分裂素是指细胞分裂素与其他有机物形成的结合体。以玉米素为例，玉米素与葡萄糖结合形成玉米素葡糖苷[7G]Z，与木糖结合形成木糖玉米素（OX）Z，与核糖结合形成玉米素核苷[9R]Z，与丙氨酸结合形成丙氨酸玉米素[9Ala]Z。其中细胞分裂素葡糖苷在植物中最普遍，有贮存作用。

二、 细胞分裂素的分布和运输

细胞分裂素分布于细菌、真菌、藻类和高等植物中。高等植物的细胞分裂素主要存在于进行细胞分裂的部位，如茎尖、根尖、未成熟的种子、萌发的种子和生长着的果实等。一般来说，细胞分裂素的含量为1～1 000 ng•g^-1DW。从高等植物中发现的细胞分裂素，大多数是玉米素或玉米素核苷。

细胞分裂素在植物体内的运输，主要是从根部合成处通过木质部运到地上部，少数在叶片合成的细胞分裂素也可能从韧皮部运走。

三、 细胞分裂素的生物合成和代谢

一般认为，细胞分裂素在根尖合成，经木质部运到地上部分。但是随着研究的深入，发现根并不是细胞分裂素唯一的合成部位。陈政茂等（1978）首先证明标记的腺嘌呤能掺入无根的烟草组织的地上部，合成异戊烯基腺嘌呤等。Koda等（1980）培养石刁柏茎顶端，培养基及茎中的细胞分裂素总含量有所增加，这说明茎端能合成细胞分裂素。萌发着的种子和发育着的果实、种子也可能是合成细胞分裂素的部位。

细胞分裂素生物合成是在细胞的微粒体中进行的。

植物细胞合成细胞分裂素，冠瘿细胞也可以合成。因为引起冠瘿的致瘤农杆菌（agrobacterium tumefaciens）中的T-DNA基因可以引起细胞分裂素和生长素的生物合成。

细胞分裂素生物合成的第1步是甲戊烯转移酶（isopentenyl transferase, IPT酶）催化下，把二甲烯丙基二磷酸（dimethylallyl diphosphate, DMAPP）的异戊烯基转移到腺苷部分，与植物的ATP/ADP或细菌的AMP分别合成iPTP（异戊烯腺苷-5’-三磷酸）/iPDP（异戊烯腺苷-5’-二磷酸）或iPMP（异戊烯腺苷-5’-一磷酸），它们经过水解酶转变为反式玉米素（图8-18）。

图8-18 细胞分裂素生物合成途径

DMAPP的异戊烯基加入腺苷部分，在植物和细菌的IPT酶分别利用ATP/ADP和AMP，形成iPTP/iPDP和iPMP，进一步在水解酶作用下，转变为玉米素。

细胞分裂素在细胞内的降解主要是由细胞分裂素氧化酶催化的。它以分子氧为氧化剂，催化玉米素、玉米素核苷、iP及它们的N-葡糖苷的N⁶上不饱和侧链裂解，释放出腺嘌呤等，彻底失去活性（图8-19）。

图8-19 异戊烯腺嘌呤（iP）被细胞分裂素氧化酶不可逆地分解

细胞分裂素氧化酶不可逆地钝化细胞分裂素，因此它调节或限制此激素的作用。结合细胞分裂素侧链上的有机物，也可以被葡糖苷酶（glucosidase）分开，产生自由细胞分裂素。

植物体就是通过细胞分裂素的生物合成、降解、结合态、自由态等的转化，维持体内的细胞分裂素水平，满足生长发育的需要。

四、细胞分裂素的信号转导途径

（一）受体

对细胞分裂素受体的了解来自CKI1基因的发现。在培养植物时，需要加入细胞分裂素才能使细胞分裂，分化成苗。科学家经过大量的愈伤组织筛选，得出一些在没有细胞分裂素存在条件下也可正常生长分裂的突变体，其中一种命名为细胞分裂素独立1（cytokinin independent,CKI1）。

CKI1基因编码的蛋白与细菌二元组分的组氨酸蛋白激酶（HPK）序列相似。后来发现了细胞分裂素受体1（cytokinin receptor 1, CRE1）基因，它与CKI1一样，编码HPK类似蛋白，它们都是细胞分裂素的受体。

（二）信号传递

随着细胞分裂素受体的发现，近年来的研究已经勾画出在诱导拟南芥细胞分裂时，细胞分裂素信号转导的大致途径（图8-21）。

细胞分裂素生理反应

图8-20 拟南芥中细胞分裂素信号传导途径模式

CRE1可能是二聚体，当与细胞分裂素结合之后，激活受体的激酶活性，HPK将磷酸基团传递给接受区域（D）的天冬氨酸残基。接着，磷酸基团通过拟南芥组氨酸磷酸转移（Arabidopsis Histidine Phosphotransfer, AHP）蛋白传递到细胞核里。在细胞核中存在着类似二元组分系统的反应调节蛋白，它们作用是接收磷酸基团输出的信号。拟南芥反应调节蛋白（Arabidopsis response reguator, ARR）是多基因家族编码的，它可分为两种类型；类型A-ARR基因和类型B-ARR基。活化的AHP进入细胞核后，一方面将磷酸基团传给类型B-ARR基因，后者进一步诱导类型A-ARR基因表达；另一方面，AHP直接使类型A-ARR磷酸化而进一步传递刺激。两种ARR与各种效应子相互作用，导致细胞功能的改变，如细胞周期等。

五、细胞分裂素的生理作用和应用

细胞分裂素的生理作用如下：

促进作用 促进细胞分裂，地上部分化，侧芽生长，叶片扩大，气孔张开，偏上性生长，伤口愈合，种子发芽，形成层活动，根瘤形成，果实生长，某些植物座果。

抑制作用 抑制不定根形成，侧根形成，叶片衰老（延缓）。

关于细胞分裂素促进细胞分裂，根芽分化、延缓到片衰老的具体生理影响。

重点：

1、重点讲授植物生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类的结构、种类、生理作用、运输和生物合成途径。

2、植物生长物质生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类在农业生产上的应用。

难点：讲授植物生长素类、赤霉素类和细胞分裂素类的作用机理。

教学过程设计（要求阐明对教学基本内容的展开及教学方法与手段的应用、讨论、作业布置）：

教学方法与手段：利用课件结合板书介绍植物生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类的结构、种类、生理作用、运输和生物合成过程。

作业和思考：

1、生长素是在植物体的哪些部位合成的？生长素的合成有哪些途径？

2、根尖和茎尖的薄壁细胞有哪些特点与生长素的极性运输是相适应的？

3、植物体内的赤霉素、细胞分裂素和脱落酸的生物合成有何联系？

4、细胞分裂素是怎样促进细胞分裂的？

参考资料（含参考书、文献等）：

李宗霆，周 燮。 植物激素及其免疫检测技术。江苏科学技术出版社，南京，1996

潘瑞炽，李 玲。植物生长发育的化学控制（第3版）。广东高等教育出版社，广州，2002

倪为民，陈晓亚，许智宏等。生长素极性运输研究进展。 植物学报，2000，42（3）：221-228

潘瑞炽。赤霉素的生物合成，代谢和作用机理。见：余叔文，汤章城主编，植物生理与分子 生

物学，第二版，科学出版社，北京，1998，439-457

赵毓桔。细胞分裂素的生物合成，代谢和作用机理 。见：余叔文，汤章城主编，植物生理 与

分子生物学，第二版，科学出版社，北京，1998，458-475

周 燮，夏 凯。脱落酸的生物合成，代谢与作用机理。见：余叔文，汤章城主编，植物生 理

与分子生物学，第二版，科学出版社，北京，1998，476-492

李振国。乙烯的生物合成和信号转导。见：余叔文，汤章城主编，植物生理与分子生物学， 第

二版，科学出版社，北京，1998，493-511

填表说明：1、每项页面大小可自行添减；2、教案要有电子版本。