植物生長(zhǎng)物質(zhì)與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(細(xì)胞分裂素類)課件

1、細(xì)胞分裂素類一、細(xì)胞分裂素類的發(fā)現(xiàn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)二、細(xì)胞分裂素類的代謝和運(yùn)輸三、細(xì)胞分裂素類的生理作用四、細(xì)胞分裂素類的作用機(jī)制及信 號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（一）細(xì)胞分裂素類的發(fā)現(xiàn)和化學(xué)結(jié)構(gòu) 20世紀(jì)40至50年代，美國(guó)Wisconsin大學(xué)F. Skoog研究組在研究煙草莖切段的培養(yǎng)組織對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果莖外植體含有木質(zhì)部維管組織，就能在含有生長(zhǎng)素的培養(yǎng)基上增生；然而，在同樣的培養(yǎng)基上，不含有維管組織的外 植體 只發(fā)生細(xì)胞擴(kuò)大，不進(jìn)行細(xì)胞分裂。 1955 年,Skoog等發(fā)現(xiàn)久置的鯡魚精 子 DNA能刺激煙草髓部細(xì)胞分裂。 1965年，Skoog等人建議將此類物質(zhì)稱為細(xì)胞 分裂素(cytokini

2、n, CTK)返回 1956年，Miller等從滅菌的鯡魚精子DNA中分離到一種能刺激培養(yǎng)組織的細(xì)胞分裂的物質(zhì)：N6-呋喃甲基腺嘌吟(N6-furfurylaminopurine), 被命名為激動(dòng)素(kinetin)。 此后，Miller和澳大利亞的D. S. Letham分別獨(dú)立地從幼嫩的玉米種子和李子中提取到類似激動(dòng)素特性的一種嘌呤：6-(4-羥基-3-甲基-反式-2-丁烯基氨基)嘌呤6-(4-hydroxy-3-methyl-trans-2-butenylamino) purine，俗稱為玉米素 （zeatin）。 隨后，其他CTKs物質(zhì)相繼被提取和鑒定。它們都是腺嘌吟在N6位置上取代的

3、衍生物。 天然的細(xì)胞分裂素： 玉米素（zeatin）；其他的天然細(xì)胞分裂素： 反式-玉米素核苷(transzeatinriboside)；異戊烯基腺嘌呤6-(2-isopentenyladenine, iP異戊烯基腺苷6-(2-isopentenyl) adenosine, iPA等。返回（二）細(xì)胞分裂素類的代謝和運(yùn)輸CTKs的主要合成部位：根尖及生長(zhǎng)中的種子和 果實(shí)細(xì)胞內(nèi)的微粒體。 CTKs的合成前體：腺苷-5-單磷酸(adenosine-5-monophosphate，AMP)； 重要的中間產(chǎn)物：9R-5PiP9核糖-5磷酸異戊烯基 腺嘌呤（異物烯基腺苷-5-磷酸）。細(xì)胞分裂素的生物合成細(xì)

4、胞分裂素的生物合成有兩條途徑：一是tRNA水解；另一條是從頭合成。 基于細(xì)胞分裂素本身就是tRNA的組成部分，最初認(rèn)為tRNA分解作為細(xì)胞分裂素合成的一種可能的途徑。Mark等發(fā)現(xiàn)tRNA分解釋放出來的順式玉米素，在順反異構(gòu)酶的催化下，能轉(zhuǎn)化成高活性的反式玉米素。然而tRNA的代謝速率很低，對(duì)于形成植物體內(nèi)大量的細(xì)胞分裂素是不夠的，這說明由tRNA分解產(chǎn)生細(xì)胞分裂素這條途徑是次要的。1978年，Taya等首次從黏菌中鑒定出一種酶，該酶可催化腺苷酸（AMP）和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）轉(zhuǎn)化成有活性的細(xì)胞分裂素異戊烯基腺苷5 磷酸（iPMP）。后來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)根癌農(nóng)桿菌中的TDNA基因可以

5、誘發(fā)冠癭瘤細(xì)胞中產(chǎn)生大量的CTKs,因此冠癭瘤是提取CTKs及其合成途徑的有用材料。 之后科學(xué)家經(jīng)過一系列科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)高等植物CTKs主要是從頭合成的。 (2)細(xì)胞分裂素類的結(jié)合物、氧化和運(yùn)輸 CTKs的結(jié)合物主要有三類：與葡萄糖、氨基酸、核糖或木糖等形成結(jié)合物。結(jié)合形式有兩種:結(jié)合態(tài)；非結(jié)合態(tài)。結(jié)合態(tài)形式較為穩(wěn)定但活性低，非結(jié)合態(tài)則易被細(xì)胞分裂素氧化酶催化而氧化分解。其一，與葡萄糖結(jié)合形成的N葡糖苷屬于結(jié)合態(tài)，而另一種O葡糖苷則屬于非結(jié)合態(tài);與丙氨酸形成的結(jié)合物也屬于結(jié)合態(tài)；玉米素可與核苷生成玉米素核苷。 植物細(xì)胞的細(xì)胞分裂素水平主要受到：(1)細(xì)胞分裂素合成速率,(2)細(xì)胞分裂素運(yùn)輸速率

6、,(3)細(xì)胞分裂素衍生物形成和修飾物去除,(4)細(xì)胞分裂素氧化降解等4個(gè)方面的影響. CTKs的降解：植物組織中的CTKs的降解主要通過細(xì)胞分裂素氧化酶（cytokinin oxidase.CKX）的氧化作用。 已從煙草組織、玉米種子和冠癭瘤組織中純化到細(xì)胞分裂素氧化酶.該酶可以從玉米素.ip或者它們的核糖基衍生物分子上裂解出異戊烯基側(cè)鏈。CTKs氧化酶+O2細(xì)胞分裂素的運(yùn)輸 由于細(xì)胞分裂素只能在特定的組織和細(xì)胞中合成，因此，必須通過擴(kuò)散或主動(dòng)運(yùn)輸（即運(yùn)輸無極性）的方式運(yùn)輸?shù)桨形患?xì)胞才能正常行使功能。目前已有的證據(jù)表明兩類蛋白可能參與了細(xì)胞分裂素的運(yùn)輸，即嘌呤透性酶（PUPs）和核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，

7、利用酵母細(xì)胞進(jìn)行的生化研究表明，這兩種蛋白都能轉(zhuǎn)運(yùn)自由態(tài)和核苷形式的細(xì)胞分裂素。 目前認(rèn)為在植物體內(nèi)，細(xì)胞分裂素主要以核苷的形式運(yùn)輸。 根尖合成的CTKs由木質(zhì)部導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)降厣喜糠帧Ｖ参锏膫饕褐芯蠧TKs. 導(dǎo)管不是唯一的運(yùn)輸通道，少數(shù)在葉片合成的細(xì)胞分裂素也可通過韌皮部運(yùn)送到其他部位。返回（2）延緩衰老 施用外源CTKs可延緩蛋白質(zhì)及葉綠素的降解，從而延緩衰老。 延緩衰老的可能原因：吸引營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向CTKs濃度高的部位運(yùn)輸。（3）CTKs其他生理功能 促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)大，解除頂端優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)結(jié)實(shí)和氣孔開放。返回（四）細(xì)胞分裂素的作用機(jī)制及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 一、作用機(jī)制 CTKs及其結(jié)合蛋白存在于核糖體上

8、，能調(diào)節(jié)基因活性，促進(jìn)mRNA和新的蛋白質(zhì)的合成。 在培養(yǎng)的大豆細(xì)胞中，CTKs能引起蛋白質(zhì)合成總速率增加，并可改變35S-甲硫氨酸摻入蛋白質(zhì)的方式。其作用還體現(xiàn)在能引起培養(yǎng)細(xì)胞中多聚核糖體含量增加，這可能是由于CTK促進(jìn)了mRNA的轉(zhuǎn)錄速率或增加了mRNA的穩(wěn)定性。有實(shí)驗(yàn)證明，CTK的作用與鈣分布和鈣調(diào)素活性有關(guān)。脫落酸一、脫落酸的發(fā)現(xiàn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)二、脫落酸的代謝和運(yùn)輸三、脫落酸的生理作用四、脫落酸的作用機(jī)制及信號(hào) 轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（一）脫落酸的發(fā)現(xiàn)和化學(xué)結(jié)構(gòu) 1953年，Bennet-Clark和Kefford發(fā)現(xiàn)一種抑制燕麥胚芽鞘生長(zhǎng)的物質(zhì)“抑制劑-”。 1963年，Wareing等從將要脫落的槭

9、樹葉中分離出一種促進(jìn)芽休眠的物質(zhì)“休眠素(dormin)”。 1964年，Addicott從即將脫落的未成熟棉鈴中提取一種促進(jìn)芽休眠的物質(zhì)“脫落素(abscisin)”。 休眠素和脫落素具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)（一種倍半萜化合物），屬同一種物質(zhì)。 1967年的國(guó)際植物生長(zhǎng)物質(zhì)會(huì)議上將其命名為脫落酸(abscisic acid， ABA)。 ABA是一種倍半萜化合物，具有兩種旋光異構(gòu)體： 右旋(+或S表示) 左旋(-或R表示) 這兩種形式的ABA均能抑制種子發(fā)芽與某些蛋白質(zhì)合成，只有(+)-ABA才具有促使氣孔關(guān)閉的效應(yīng)。 兩種幾何異構(gòu)體： 順式（2-cis）和反式（2-trans) 植物體內(nèi)的ABA

10、是2-cis (+)-ABA(順式右旋型），有時(shí)也存在痕量的2-trans(+)-ABA。 人工合成的ABA是與各半的混合物，為外消旋型。 ABA的化學(xué)合成成本很高，難以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；但現(xiàn)可通過葡萄灰孢菌（Botrytis cinerea）發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)。返回（二）脫落酸的代謝和運(yùn)輸 脫落酸的生物合成 脫落酸的合成部位：合成器官是根尖、成熟的花、果實(shí)與種子等，細(xì)胞內(nèi)合成ABA的主要部位是質(zhì)體。 ABA的合成前體：甲羥戊酸(mevalonic acid，MVA)-直接途徑，或葉黃素（xanthophyll）-間接途徑。 ABA的生物合成主要有兩條途徑： （1）15個(gè)碳原子的直接途徑，由MVA合

11、成而來 （2）40個(gè)碳原子的間接途徑，由葉黃素（xanthophyll）(一種加氧類胡蘿卜素)裂解而來。 在氧化酶的作用下，首先變成8 羥基ABA,該物質(zhì)極不穩(wěn)定，很快變成紅花菜豆酸（PA），接著PA的4 酮基被還原，形成二氫紅花菜豆酸(DPA)。在一些植物組織中，DPA進(jìn)一步形成葡糖苷。 DPA及其葡糖苷沒有生物活性，而PA在大多數(shù)生物實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)的生物活性均低于ABA。返回（三）脫落酸的生理作用（1)抑制生長(zhǎng) ABA可抑制幼苗和離體器官的生長(zhǎng)，與GA和IAA作用相反，如用ABA處理可抑制小麥胚芽鞘和豌豆幼苗的生長(zhǎng)，去掉外施ABA后，幼苗或離體器官可重新生長(zhǎng)。（2）促進(jìn)種子成熟 ABA能抑制胚

12、在成熟前的早萌即穗上發(fā)芽。ABA能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累并誘導(dǎo)成熟期種子的程序化脫水。研究表明，ABA促進(jìn)胚在發(fā)育后期積累大量的蛋白質(zhì)，即胚形成后期富有蛋白（late embryogenesis abundants, LEAs）,其中一部分為種子貯藏蛋白，另一部分則與種子發(fā)育后期的脫水有關(guān)，稱為脫水素。 （4）增強(qiáng)植物的抗逆性 ABA常被稱為脅迫激素，在各種逆境下，植物內(nèi)源ABA水平都會(huì)急劇地上升。 最典型的例子是葉片受干旱脅迫時(shí)，ABA迅速增加，引起氣孔關(guān)閉，減少水分散失，抗旱能力增強(qiáng)。（5）促進(jìn)脫落和休眠：促進(jìn)葉柄、果實(shí)等器官的脫落。返回四、脫落酸的作用機(jī)制及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用機(jī)制 在植物體內(nèi)，AB

13、A不僅存在多種抑制效應(yīng)，還有多種促進(jìn)效應(yīng)。在各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，它的最適濃度可跨4個(gè)數(shù)量級(jí)(0.1200molL-1)。對(duì)于不同組織，它可以產(chǎn)生相反的效應(yīng)。例如，它可促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞的胞液Ca2+水平上升，卻誘導(dǎo)糊粉層細(xì)胞的胞液Ca2+水平下降。通常把這些差異歸因于各種組織與細(xì)胞的ABA受體的性質(zhì)與數(shù)量的不同。ABA及其受體的復(fù)合物一方面可通過第二信使系統(tǒng)誘導(dǎo)某些基因的表達(dá)，另一方面也可直接改變膜系統(tǒng)的性狀，干預(yù)某些離子的跨膜運(yùn)動(dòng) 。脫落酸結(jié)合蛋白 ABA含有與不飽和酮結(jié)構(gòu)，能接受光的剌激而成為高度活躍狀態(tài)，容易與蛋白質(zhì)中氨基酸的氫原子結(jié)合。 ABA結(jié)合蛋白包含3個(gè)亞基，其分子量分別為19 300、2

14、0 200及24 300。在高pH環(huán)境下，ABA與20 200多肽結(jié)合；在低pH環(huán)境下，ABA與其他兩種多肽結(jié)合。這種特性與ABA在堿性及酸性條件下都能引起氣孔關(guān)閉的生理作用吻合 。ABA與Ca2+CaM系統(tǒng)的關(guān)系 在研究ABA與Ca2+CaM 系統(tǒng)的關(guān)系時(shí)，有兩類實(shí)驗(yàn)材料被廣泛使用，一類是ABA誘導(dǎo)胞液Ca2+水平升高的，如鴨跖草或蠶豆的表皮、保衛(wèi)細(xì)胞原生質(zhì)體和大麥居間分生組織的原生質(zhì)體，另一類是ABA誘導(dǎo)胞液Ca2+水平下降.如大麥糊粉層細(xì)胞的原生質(zhì)體。 在研究ABA促使鴨跖草氣孔關(guān)閉的機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，ABA促進(jìn)鴨跖草氣孔關(guān)閉有賴于可利用Ca2+的存在，在缺鈣條下，ABA幾乎不抑制氣孔開放。在

15、不缺鈣條件下，ABA能誘導(dǎo)鴨跖草下表皮保衛(wèi)細(xì)胞的胞液游離Ca2+水平迅速升高，而且這種升高現(xiàn)象比氣孔關(guān)閉現(xiàn)象出現(xiàn)得早。當(dāng)鴨跖草的下表皮受到6-10molL-1ABA處理時(shí)，不到2min，保衛(wèi)細(xì)胞胞液的Ca2+水平由靜息態(tài)的70nmolL-1上升至第一個(gè)高峰，隨后，其峰值愈來愈高，10min時(shí)達(dá)到1molL-1，而氣孔開度在5min后才開始變小，當(dāng)氣孔接近完全關(guān)閉時(shí)，Ca2+水平早已上升至最高值并已開始下降。由此可確認(rèn)Ca2+是ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉過程中的一種第二信使。 通過測(cè)定ABA對(duì)大麥糊粉層細(xì)胞原生質(zhì)胞液Ca2+濃度的影響，結(jié)果表明，胞液靜息態(tài)Ca2+濃度約為200nmolL-1。經(jīng)200m

16、olL-1ABA處理，可在5s內(nèi)降至50nmoL-1左右。Ca2+濃度的下降值與外源ABA劑量之間存在良好的線性關(guān)系。王梅等(1991)認(rèn)為這種ABA引起胞液Ca2+濃度的下降與質(zhì)膜Ca2+濃度ATP酶的活化有關(guān)，這也是ABA與第二信使關(guān)系的又一實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 另有研究表明ABA能影響細(xì)胞質(zhì)膜、液泡膜等生物膜的性質(zhì)，從而影響離子的跨膜運(yùn)動(dòng)。如ABA使保衛(wèi)細(xì)胞的K+與Cl-外滲量急劇上升，從而使其滲透物質(zhì)減少，水勢(shì)上升，氣孔關(guān)閉。ABA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控當(dāng)植物受到滲透脅迫時(shí)，其體內(nèi)的ABA水平會(huì)急劇上升，同時(shí)出現(xiàn)若干個(gè)特殊基因的表達(dá)產(chǎn)物。倘若植物體并未受到干旱、鹽漬或寒冷引起的滲透脅迫，而只是吸收了相

17、當(dāng)數(shù)量的ABA，其體內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)這些基因的表達(dá)產(chǎn)物。近幾年來，已從水稻、棉花、小麥、馬鈴薯、蘿卜、番茄、煙草等植物中分離出10多種受ABA誘導(dǎo)而表達(dá)的基因，這些基因表達(dá)的部位包括種子、幼苗、葉、根和愈傷組織等。ABA可改變某些酶的活性，如ABA能抑制大麥糊粉層中-淀粉酶的合成，這與RNA合成抑制劑放線菌素D的抑制情況相似有人認(rèn)為ABA是阻礙了RNA聚合酶的活性，致使DNA到RNA的轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行。 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)植物激素脫落酸（ABA）調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育過程和植物對(duì)逆境的適應(yīng)。ABA信號(hào)首先通過細(xì)胞受體被識(shí)別，然后引起一系列細(xì)胞內(nèi)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件，最終導(dǎo)致生物學(xué)效應(yīng)。研究證明，ABA信號(hào)受體有多種，包括細(xì)胞表面受體和細(xì)胞內(nèi)受體。張大鵬研究組以前鑒定了一種細(xì)胞內(nèi)葉綠體中的ABA受體，命名為ABAR。ABAR是一個(gè)跨越葉綠體被膜的蛋白質(zhì)，其C-