植物生長(zhǎng)素的生物活性及其應(yīng)用

植物生長(zhǎng)素的生物活性及其應(yīng)用

高等植物的代謝、生長(zhǎng)和形態(tài)的形成，以及其他生物和非生物的反應(yīng)系由信號(hào)分子決定。植物激素的調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)。信號(hào)分子通過(guò)與特定的細(xì)胞蛋白即受體作用而發(fā)揮作用。生長(zhǎng)素是一種重要的植物激素,包括吲哚-3-乙酸(IAA),是高等植物主要的天然生長(zhǎng)素和與IAA作用相仿的相關(guān)內(nèi)源性物質(zhì)。由于IAA影響植物生長(zhǎng)和發(fā)展的每個(gè)方面,因此IAA被認(rèn)為是與其他植物激素作用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的重要激素。一般生長(zhǎng)素調(diào)控細(xì)胞的分化、伸長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程,包括微管組織、花分生組織的分化、葉的形成以及花序、衰老和根的形成。在向性反應(yīng)中,生長(zhǎng)素起著重要的作用。早在20世紀(jì)40年代,人們就可以合成許多IAA衍生物,有1-萘乙酸(1-NAA)、苯氧羧酸類的2-甲基-4-氯苯氧乙酸(2甲4氯)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-滴)。這些是當(dāng)今最具有生長(zhǎng)素活性的物質(zhì)之一。這些物質(zhì)的作用與IAA相同,但時(shí)間更長(zhǎng),作用更強(qiáng),特別是在植物體內(nèi)更穩(wěn)定。IAA等天然生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)通過(guò)共軛和降解等多種途徑快速失活。當(dāng)?shù)蜐舛茸饔糜诩?xì)胞位點(diǎn)時(shí),生長(zhǎng)素刺激植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。隨著植物組織中生長(zhǎng)素濃度和活性的增加,植物的生長(zhǎng)受到干擾和致命的損壞。因此,對(duì)這些合成的類似物的研究來(lái)探明生長(zhǎng)素在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用方面的作用具有重要的意義。合成生長(zhǎng)素不僅用作生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,以增加園藝和農(nóng)業(yè)植物的產(chǎn)量,而且可以作為除草劑控制雜草的危害。在二戰(zhàn)后,隨著生長(zhǎng)素被引入全球市場(chǎng),被稱為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑或生長(zhǎng)素除草劑的2,4-滴和2甲4氯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中開創(chuàng)了雜草防除的新時(shí)代。這些物質(zhì)有選擇性,特別是對(duì)谷物作物中的雙子葉雜草活性高,具有內(nèi)吸作用。在過(guò)去的幾十年中,人們已經(jīng)合成和商業(yè)化了不同種類的生長(zhǎng)素除草劑,這些物質(zhì)具有不同的雜草譜和選擇性。目前,生長(zhǎng)素包括以下幾種類型:苯氧羧酸、苯甲酸、吡啶羧酸、芳氧羧酸甲酯衍生物和喹啉羧酸(圖1)。生長(zhǎng)素在單子葉植物和雙子葉植物間,以及不同的雙子葉植物間的選擇性不同,重要原因是由于生長(zhǎng)素除草劑代謝為無(wú)植物毒性物質(zhì)和對(duì)靶標(biāo)位點(diǎn)敏感的物質(zhì)所致。具生長(zhǎng)素活性的物質(zhì),其離解分子的羧基必須帶有強(qiáng)的負(fù)電荷。合成生長(zhǎng)素的生物活性譜不僅受其濃度的影響,還取決于組織的敏感性,主要由組織的類型、生理階段、植物種類決定,它們的活性譜也可能由不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑介導(dǎo)。當(dāng)合成生長(zhǎng)素被用于除草劑時(shí),它可使植物變形和抑制植物生長(zhǎng),其作用與在組織中以非常高的濃度存在的IAA相同。此現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于生長(zhǎng)素超劑量或內(nèi)源性生長(zhǎng)素濃度高導(dǎo)致組織內(nèi)生長(zhǎng)素動(dòng)態(tài)不平衡以及與其他激素作用遭到破壞所致。然而,自從Gilbert在1946年提出生長(zhǎng)素除草劑能引起敏感植物死亡觀點(diǎn)后,此論說(shuō)一直盛行到近來(lái)發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素可引起植物生長(zhǎng)異常并隨之死亡。本文中指出了,生長(zhǎng)素可使植物細(xì)胞分化和生長(zhǎng)異常,導(dǎo)致植物代謝被持續(xù)刺激引起生長(zhǎng)的緩慢,并致使相關(guān)植物生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)不健全。然而,大多數(shù)生長(zhǎng)素除草劑具有高的選擇性以及很快的作用,但有時(shí)在低使用濃度時(shí)有立體選擇性[即除草活性物質(zhì)(+)-D-對(duì)映體如精2,4-滴丙酸]表明其具有抑制植物生長(zhǎng)和使植物死亡的特有的作用方式和機(jī)制。1超劑量生長(zhǎng)素和植物生長(zhǎng)失去了很好的調(diào)節(jié)作用1.1生長(zhǎng)素的激活過(guò)程當(dāng)生長(zhǎng)素在植物組織中的濃度不斷增加和在植物的分布呈梯度發(fā)展時(shí),測(cè)定生長(zhǎng)素對(duì)植物的作用過(guò)程,發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素除草劑或IAA在高濃度對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)失控過(guò)程分為3個(gè)階段。圖2為文獻(xiàn)中雙子葉雜草中生長(zhǎng)素的作用情況。在生長(zhǎng)素除草劑用后幾個(gè)小時(shí)內(nèi),是生長(zhǎng)素刺激植物的階段,為第一階段。這個(gè)過(guò)程包括代謝過(guò)程的激活,如誘導(dǎo)芽組織中1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)合成酶(1～2h);隨后,植物出現(xiàn)生長(zhǎng)異常的癥狀(3～4h),如葉偏上生長(zhǎng)、組織腫大和莖卷曲。KlausGrossmann了解到在細(xì)胞的伸長(zhǎng)中,生長(zhǎng)素在數(shù)分鐘內(nèi)激活膜離子通道和質(zhì)膜H+—ATP酶。隨后,5～8h后可以在芽組織中檢測(cè)到脫落酸(ABA)積累。第二個(gè)階段發(fā)生在生長(zhǎng)素應(yīng)用后的24h內(nèi),包括根的生長(zhǎng)抑制和幼芽的生長(zhǎng)被最大程度的抑制,伴隨節(jié)間的伸長(zhǎng)降低和葉面積減少,以及綠葉著色加深。同時(shí),發(fā)現(xiàn)氣孔關(guān)閉,呼吸減少,碳同化和淀粉的形成,以及活性氧分子(ROS)的過(guò)量產(chǎn)生。第三個(gè)階段是植物衰老和組織衰敗的階段,主要是葉綠體破壞和漸進(jìn)的萎黃病所致的葉子加速衰老,以及膜和維管系統(tǒng)的完整性遭到破壞,最后植物萎蔫、壞死。所以生長(zhǎng)素的刺激和隨后的抑制過(guò)程都對(duì)植物的代謝和生長(zhǎng)有影響,由于它們對(duì)植物組織持續(xù)的高強(qiáng)度的作用,最后除草劑生長(zhǎng)素產(chǎn)生毒性作用。從分子角度看,生長(zhǎng)素被受體大量地感知,進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)以及在細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中快速地激活膜離子通道和質(zhì)膜H+—ATP酶,這個(gè)過(guò)程被認(rèn)為是除草劑的主要作用,結(jié)果內(nèi)源生長(zhǎng)素濃度超量。1.2關(guān)于aux/iaa的晶體學(xué)研究幾十年以來(lái),進(jìn)行生長(zhǎng)素分子生物學(xué)研究的目的一直為確定受體。在20世紀(jì)80年代,用生物化學(xué)方法發(fā)現(xiàn)與生長(zhǎng)素結(jié)合的蛋白質(zhì)1(ABP1)與生長(zhǎng)素結(jié)合的活性高,是候選受體。后來(lái),對(duì)抗生長(zhǎng)素或生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑的擬南芥突變體的基因篩選確定數(shù)個(gè)遺傳位點(diǎn)參與生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo),如轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑反應(yīng)T1R1。最近確定T1R1蛋白為生長(zhǎng)素受體,以及發(fā)現(xiàn)在ABA生物合成中在生長(zhǎng)素、乙烯和9-順式環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)的上調(diào)的信號(hào)傳輸中存在一種新的激素相互作用方式,為生長(zhǎng)素除草劑介導(dǎo)的作用的主要部分(圖3)。F-box蛋白T1R1是SCF復(fù)合體為(Skp1-Cullin1-F-box)E3泛素連接酶的一個(gè)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Aux/IAA轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白以生長(zhǎng)素依賴方式與T1R1結(jié)合。結(jié)合后,阻遏物被降解。對(duì)以上相互作用進(jìn)行晶體學(xué)分析表明,IAA結(jié)合到同一個(gè)T1R1孔穴的基部,使Aux/IAA蛋白?？吭贗AA的頂部,這占據(jù)了T1R1孔穴的其他部分。在這方面,IAA作為“分子黏膠劑”增加了T1R1-AUX/IAA蛋白的相互作用力。為了驗(yàn)證T1R1是感知生長(zhǎng)素的主要受體,對(duì)合成的IAA類似物、2,4-滴和1-NAA進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明T1R1也與這些合成生長(zhǎng)素結(jié)合。此外,與生長(zhǎng)素配體IAA、2,4-滴和1-NAA有關(guān)的T1R1晶體結(jié)構(gòu)表明,IAA與T1R1受體孔穴基部的部分兼容位點(diǎn)結(jié)合,這也能為合成的生長(zhǎng)素提供空間。有趣的是,IAA以最大的親和力與T1R1結(jié)合,結(jié)合部分包括側(cè)鏈羧基基團(tuán)和環(huán)。計(jì)算機(jī)模擬的T1R1結(jié)構(gòu)表明合成的其他類型的生長(zhǎng)素,包括苯甲酸類的麥草畏,喹啉羧酸類的二氯喹啉酸和精喹禾靈,它們也符合生長(zhǎng)素與受體的空穴結(jié)合理論。最后,IAA或合成生長(zhǎng)素與T1R1結(jié)合使Aux/IAA阻遏物與受體的相互作用穩(wěn)定,這促使SCF復(fù)合體以共價(jià)方式使泛素與Aux/IAA蛋白結(jié)合,表明T1R1作為底物被265酶蛋白體降解。Aux/IAA阻遏物蛋白的損失導(dǎo)致現(xiàn)有的DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄激活蛋白受體,即生長(zhǎng)素相應(yīng)因子(ARFs)的抑制被解除。它們不斷地激活生長(zhǎng)素反應(yīng)因子基因轉(zhuǎn)錄,包括乙烯生物合成中的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基酸(ACC)合成酶,反饋抑制作用的Aux/IAA阻遏物以及在組織中生長(zhǎng)素濃度保持高水平。擬南芥基因組編碼有5個(gè)T1R1同類物,其中3個(gè)物質(zhì),生長(zhǎng)素結(jié)合F-box蛋白AFB1,AFB2和AFB3也介導(dǎo)生長(zhǎng)素的反應(yīng)。所以,擬南芥tir1afb1afb2afb3四倍突變幼苗對(duì)生長(zhǎng)素不敏感,表現(xiàn)出嚴(yán)重的發(fā)展和形態(tài)表型。這表明4個(gè)同類物一同調(diào)節(jié)植物對(duì)IAA和2,4-滴的反應(yīng)。此外,已發(fā)現(xiàn)T1R1同系物AFB5的突變體有抗性,特別是對(duì)吡啶類羧酸生長(zhǎng)素除草劑有抗性,對(duì)2,4-滴或IAA只有很低的交互抗性,表明生長(zhǎng)素對(duì)不同類型生長(zhǎng)素除草劑的化學(xué)專一性主要是由不同生長(zhǎng)素受體蛋白引起。然而,是否T1R1受體家族能解釋所有生長(zhǎng)素的化學(xué)信號(hào)多樣性和生物活性取決于組織的敏感性、生長(zhǎng)階段和植物生物型和種類,這些問(wèn)題還有待研究。這也包括是否生長(zhǎng)素除草劑的選擇性是由單子葉和雙子葉植物體內(nèi)的受體不同所致。Aux/IAA阻遏蛋白和ARF轉(zhuǎn)錄因子的多樣性和組織專一性能說(shuō)明生長(zhǎng)素特有反應(yīng)過(guò)多。此外,許多生長(zhǎng)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(zhǎng)素響應(yīng)中,如在細(xì)胞擴(kuò)展中生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的離子流,一種信號(hào)傳導(dǎo)途徑,它可能是由與生長(zhǎng)素結(jié)合的膜結(jié)合蛋白1(ABP1)與相關(guān)的蛋白進(jìn)行傳導(dǎo)。ABP1可能與植物自有的影響ABP1作用的生長(zhǎng)素協(xié)調(diào)細(xì)胞的分化和擴(kuò)展。1.3生長(zhǎng)素國(guó)際農(nóng)藝抑制劑對(duì)植物生長(zhǎng)和酶活性的影響新發(fā)現(xiàn)的T1R1/AFB受體與高濃度的生長(zhǎng)素除草劑或IAA結(jié)合,會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子豐富和生長(zhǎng)素反應(yīng)基因的過(guò)渡表達(dá),隨后依次產(chǎn)生一系列與除草劑作用有關(guān)的生化和生理反應(yīng)。在本文中,當(dāng)生長(zhǎng)素被用于敏感植物或其在轉(zhuǎn)基因植物中過(guò)量生成時(shí),在植物的生物合成中,它誘導(dǎo)ACC合成酶過(guò)度刺激ACC和乙烯的形成是人們?cè)缫阎赖脑缙谄毡榇嬖诘姆磻?yīng)。ACC同工型合成酶是受多基因ACS家族編碼,它們是早期生長(zhǎng)素效應(yīng)基因。在IAA和生長(zhǎng)素除草劑應(yīng)用后的數(shù)分鐘內(nèi),它們的表達(dá)不同,或轉(zhuǎn)錄后或翻譯后受IAA和生長(zhǎng)素的調(diào)控。生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的ACC合成酶活性導(dǎo)致ACC濃度的快速上升,與之緊密相關(guān)的是乙烯生成增加。在試驗(yàn)中,使用含有ACC合成酶反義基因LE-ACS2的轉(zhuǎn)基因番茄,和抗生長(zhǎng)素或乙烯不敏感品系植物(擬南芥、野生芥菜、番茄),除草劑誘導(dǎo)的形態(tài)癥狀減少或情況完全相反。乙烯是氣體激素,它參與植物對(duì)外界環(huán)境脅迫的反應(yīng),調(diào)節(jié)植物衰老和生長(zhǎng)。乙烯使微管從橫向向縱向排列,促進(jìn)側(cè)向細(xì)胞擴(kuò)展,導(dǎo)致植物莖和根長(zhǎng)粗。此外,乙烯還調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的作用,如葉的脫落和偏上性,通過(guò)抑制生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)植物固有的生長(zhǎng)素的水平。所以,生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的乙烯快速的產(chǎn)生是植物生長(zhǎng)異常和衰老的原因(圖3)。涉及生長(zhǎng)素抑制植物生長(zhǎng)和其植物毒性的重要因素是ABA的過(guò)渡生成。在生長(zhǎng)素誘導(dǎo)ACC合成酶活性和乙烯形成后,ABA在根和幼芽中積累,其濃度是對(duì)照的70倍。試驗(yàn)表明與不同種類的生長(zhǎng)素除草劑和IAA抑制植物幼芽和根生長(zhǎng)關(guān)系密切,它們誘導(dǎo)許多雙子葉植物產(chǎn)生ABA,這些植物包括茜草科、茄科、傘形科、豆科、玄參科和旋花科。相比,對(duì)生長(zhǎng)素除草劑有天然抗性的作物在生長(zhǎng)素的作用下ACC合成酶的活性并無(wú)提高,ABA的含量也沒(méi)有改變,這表明生長(zhǎng)素很可能選擇性地作用于受體。例如,IAA和生長(zhǎng)素除草劑促進(jìn)高度敏感的雙子葉植物鵝草體內(nèi)ABA的生物合成。在用生長(zhǎng)素處理的鵝草細(xì)胞的懸浮液中,處理后3h,ABA的濃度就增加了,這說(shuō)明激素信號(hào)傳導(dǎo)后植物直接產(chǎn)生反應(yīng)。對(duì)反應(yīng)途徑中間體的分析表明增加葉黃素的裂解可特有地誘導(dǎo)幼芽中ABA的生物合成,增加ABA前體黃氧素的產(chǎn)生。此途徑中主要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)受質(zhì)體酶NCED催化,此酶被NCED基因編碼。通過(guò)對(duì)使用生物合成抑制劑或感知缺陷的番茄突變體,或乙烯或ABA的合成的方法進(jìn)行研究,結(jié)果表明生長(zhǎng)素刺激產(chǎn)生的乙烯是ABA積累的觸發(fā)器。最近,KlausGrossmann對(duì)豬殃殃屬植物體內(nèi)生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的GaNCED1基因的表達(dá)和乙烯及ABA的生物合成的時(shí)間進(jìn)程進(jìn)行了研究,結(jié)果為在根被處理后的1h內(nèi),IAA和不同種類生長(zhǎng)素除草劑,包括氯甲喹啉酸、麥草畏和毒莠定(圖1),只使幼芽中CaNCED1mRNA的含量暫時(shí)增加。處理后3h,轉(zhuǎn)錄水平達(dá)最大值,是對(duì)照的40倍,此后其水平下降。在此期間,幼芽中水含量和滲透勢(shì)沒(méi)變,這表明GaNCED1基因表達(dá)不因生長(zhǎng)素介導(dǎo)的膨壓變化而增加。ABA開始增加的時(shí)間要滯后2h,在24h后其濃度是對(duì)照的24倍。有趣的是,GaNCED1轉(zhuǎn)錄水平的增加早于其在ACC合成酶活性,ACC和乙烯的產(chǎn)生。所以,乙烯或ACC不是NCED基因激活的主要觸發(fā)器。據(jù)此,所用的乙烯生物合成抑制劑對(duì)GaNCED1基因表達(dá)的影響較小。然而,乙烯抑制劑較大程度地減少了生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的ABA的積累,這說(shuō)明生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的乙烯是ABA積累所必需的,但在NCED基因表達(dá)中的作用較小?？偟膩?lái)說(shuō),IAA和生長(zhǎng)素除草劑先刺激乙烯生物合成中的基因表達(dá),后直接激發(fā)NCED的基因活性,這是上調(diào)ABA生物合成(圖3)所需要的。然而,至于在NCED基因表達(dá)中生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)是否也涉及SCF介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄遏阻物的降解,如Aux/IAA,這個(gè)問(wèn)題仍未知曉。同樣,生長(zhǎng)素對(duì)NCED基因表達(dá)的誘導(dǎo)是否是生長(zhǎng)素對(duì)敏感植物的普遍的作用,此還需進(jìn)一步的研究闡明。已發(fā)現(xiàn)在不同的雙子葉植物中生長(zhǎng)素能誘導(dǎo)ABA積累,所以這種情況可能性很大。生長(zhǎng)素是NCED基因表達(dá)的主要觸發(fā)物,而由于轉(zhuǎn)錄后NCED的上調(diào)使乙烯促進(jìn)ABA的生物合成。乙烯介導(dǎo)NCED活性的增加可能是基于酶蛋白合成、活性和/或穩(wěn)定性增加的緣故。據(jù)此,對(duì)2,4-滴處理的擬南芥轉(zhuǎn)錄物組分析表明NCED1的表達(dá)和基因參與了乙烯的信號(hào)傳導(dǎo)和生物合成。最后,ABA在幼芽組織中積累和在植物內(nèi)系統(tǒng)地轉(zhuǎn)移。在生長(zhǎng)素的作用中(圖3),ABA和乙烯是激素第二信使。ABA被作為促進(jìn)葉片衰老和控制植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要激素,它影響植物氣孔的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞的分化和擴(kuò)展。事實(shí)上,ABA在植物體內(nèi)的增加過(guò)程和氣孔的關(guān)閉,以及隨后的呼吸受抑制、二氧化碳的同化、植物的生長(zhǎng)以及漸進(jìn)的葉組織破壞有密切的關(guān)系。其后面的作用伴隨著活性氧(ROS)的過(guò)量生成,如過(guò)氧化氫,是受光合活性的下降所觸發(fā),而光合活性的下降是由于ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉所致。此外,ABA誘導(dǎo)激活的質(zhì)膜NADPH氧化酶可能參與過(guò)氧化氫的生成。而Cu/Zn超氧化物歧化酶在葉組織中的量增加,進(jìn)一步促進(jìn)了過(guò)氧化氫的積累。外來(lái)的ABA對(duì)以上過(guò)程的作用類似于生長(zhǎng)素。這與已知的ABA在氣孔關(guān)閉、生長(zhǎng)抑制和促進(jìn)葉衰老的激素作用一致。比較不同種類生長(zhǎng)素除草劑的作用,會(huì)發(fā)現(xiàn)ABA和ROS的過(guò)量生成,如超氧自由基和過(guò)氧化氫,同時(shí)植物組織的破壞是所有生長(zhǎng)素除草劑的常見(jiàn)作用。過(guò)氧化氫的積累一般被認(rèn)為導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化和可能的衰老過(guò)程信號(hào)傳導(dǎo),而有助于氧化組織的破壞。相應(yīng)地,用過(guò)氧化氫處理豬殃殃屬植物的幼芽,幼芽出現(xiàn)了與生長(zhǎng)素除草劑同樣的植物毒性癥狀,如葉片黃化,隨后枯萎,組織壞死,和植物死亡。總的來(lái)說(shuō),生長(zhǎng)素的作用和生長(zhǎng)素刺激產(chǎn)生的乙烯和ABA是生長(zhǎng)素除草劑和IAA在高于內(nèi)源的濃度時(shí)對(duì)植物產(chǎn)生毒性的主要原因。特別是,ABA和過(guò)氧化氫的過(guò)量產(chǎn)生是生長(zhǎng)素作用和植物生長(zhǎng)受抑制、衰老和組織腐爛的之間長(zhǎng)期探究的關(guān)系。所以,在生長(zhǎng)素感知和信號(hào)傳導(dǎo)中激素相互作用方面通過(guò)合成生物素研究,確定了新的作用原理,認(rèn)為激素的相互作用在對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)中生長(zhǎng)素和乙烯和ABA生物合成的上調(diào)之間發(fā)揮作用。此外,相關(guān)的結(jié)果使人們認(rèn)為激素的相互作用也是其他相關(guān)的生長(zhǎng)素作用的信號(hào)傳導(dǎo)的模式,如根向地性、頂端優(yōu)勢(shì)對(duì)側(cè)芽的抑制。當(dāng)乙烯和ABA信號(hào)傳導(dǎo)鏈呈現(xiàn)部分重疊和干擾時(shí),乙烯和ABA間相互作用對(duì)乙烯生物合成有很強(qiáng)的刺激作用。這些包括脅迫條件誘導(dǎo)的衰老,細(xì)胞激動(dòng)素引發(fā)的生長(zhǎng)抑制,根癌農(nóng)桿菌誘導(dǎo)的植物腫瘤的發(fā)生和果實(shí)的成熟。2生長(zhǎng)素消毒中的氰化物作用2.1生物活性化合物生長(zhǎng)素除草劑能較好地控制雙子葉雜草,但選擇性生長(zhǎng)素除草劑二氯喹啉酸例外,它還能防除水稻田重要的禾本科雜草,如稗屬、馬唐屬和狗尾草屬雜草。它引起的主要癥狀是抑制植物生長(zhǎng),表現(xiàn)為首先最新長(zhǎng)出的葉片的生長(zhǎng)區(qū)域不斷褪色,隨后,整個(gè)幼芽萎蔫、壞死。對(duì)二氯喹磷酸對(duì)禾本科雜草的作用機(jī)制研究表明它誘導(dǎo)ABA和過(guò)氧化氫的增加不足以導(dǎo)致這些癥狀的產(chǎn)生。Tittle等人報(bào)道首次表明在刺激的乙烯生物合成過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氰化物在生長(zhǎng)素除草劑2,4-滴的作用方式和選擇性方面的作用。然而,試驗(yàn)表明二氯喹啉酸作為生長(zhǎng)素除草劑以相似的方式對(duì)禾本科雜草有防除作用。2.2產(chǎn)業(yè)資源模擬氰化物在自然界普遍存在,它可由廣泛分布的多種前體形成。約2500多種植物能產(chǎn)生氰化物,也就是說(shuō)能產(chǎn)生氰化氫(HCN)。生氰作用在雙子葉植物(如石榴和豆科植物)和禾本科雜草中普遍存在,包括重要的糧食作物如玉米、水稻、小麥和大麥。大多數(shù)植物產(chǎn)生氰化氫的機(jī)制是氰苷的降解。60多個(gè)氰苷已為人們所知,而且被認(rèn)為可以防御食草動(dòng)物,作為糖和氮的儲(chǔ)藏物質(zhì),它們的苦味和釋放有毒的HCN通過(guò)干擾組織的功能來(lái)達(dá)到防御作用。此外,有報(bào)道可在氨基酸氧化酶和過(guò)氧化物酶作用下由組氨酸形成氰化氫,由鹽酸鹽同化作用可能生成中間體羥胺,和由光呼吸產(chǎn)物乙醛酸形成氰化氫。自20世紀(jì)80年代早期發(fā)現(xiàn)氰化物是植物激素乙烯生物合成過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物以來(lái),有人就提出了此代謝物在植物中的重要生理作用。2.3細(xì)胞毒性活性產(chǎn)生的氰化物在化學(xué)量上與乙烯的相等。1-氨基環(huán)丙烷甲酸(ACC)在ACC氧化酶的作用下氧化產(chǎn)生乙烯、CO2、HCN。乙烯合成反應(yīng)的廣泛存在表明此途徑是許多植物體內(nèi)內(nèi)源自由氰化物的主要來(lái)源。乙烯對(duì)植物的多方面的生理發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)作用,如生長(zhǎng)、衰老和成熟,而氰化物則是一個(gè)對(duì)植物有毒的物質(zhì)。它是一個(gè)眾所周知抑制劑,特別對(duì)金屬酶和其他蛋白質(zhì)的抑制活性高,這些酶參與氰化物和希夫堿中間體或底物反應(yīng)生成抑制活性化合物的反應(yīng)。這些酶參與植物的一些重要的代謝過(guò)程,如呼吸、碳和氮的同化、碳水化合物的代謝和防御減毒氧反應(yīng)。氰化物也與銅蛋白質(zhì)體氰相互作用,抑制光合成電子傳遞。對(duì)氰化物最敏感的酶有硝酸鹽/亞硝酸鹽還原酶、固氮酶、過(guò)氧化氫酶、Cu/Zn超氧化歧化酶、過(guò)氧化物酶、二磷酸核酮糖羧化酶和細(xì)胞色素氧化酶。對(duì)敏感酶的抑制率為50%的內(nèi)源性氫化物的濃度一般為5～10μM。高等植物中使HCN去毒的主要酶為氰丙氨酸合成酶(CAS),它是磷酸吡哆醛依賴性酶,催化半胱氨酸和氰化物反應(yīng)生成H2S和氰內(nèi)氨酸(圖3)。氰丙氨酸隨后在氰丙氨酸水解酶作用下轉(zhuǎn)化為天冬酰胺。在老的植物組織和有分生組織活性植物部位發(fā)現(xiàn)氰丙氨酸合成酶的活性高,這和氰化物的產(chǎn)生以及乙烯的濃度有關(guān)。乙烯和氰化物能影響氰化物的產(chǎn)生和代謝。乙烯能影響其自身的生物合成,因此通過(guò)增加(自動(dòng)刺激)或降低(自動(dòng)抑制)乙烯的生成速率影響其副產(chǎn)物氰化物的生物合成。乙烯能調(diào)節(jié)ACC的合成酶和ACC氧化酶的活性在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平,能誘導(dǎo)氰丙氨酸合成酶的合成。已發(fā)現(xiàn)氰化物能上調(diào)ACC合成酶基因表達(dá),催化激活和鈍化ACC氧化酶反應(yīng),增加氰丙氨酸合成酶活性。然而,細(xì)胞內(nèi)ACC氧化酶是唯一一個(gè)細(xì)胞胞漿酶,因此其反應(yīng)產(chǎn)物乙烯和HCN最初被釋放到細(xì)胞質(zhì)中。而氰丙氨酸合成酶主要分布在線粒體中。因此,氰化物在細(xì)胞內(nèi)不同點(diǎn)的釋放和氰化物的失活導(dǎo)致氰化物在細(xì)胞內(nèi)分布不均。清除在植物線粒體外的細(xì)胞隔室中氰化物的效果可能不佳,且能導(dǎo)致細(xì)胞隔室中氰化物的濃度迅速直線上升,如在細(xì)胞質(zhì)中和葉綠體中。線粒體中氰化物的有效脫毒能特有地保護(hù)氫化物敏感性呼吸中的細(xì)胞色度c氧化酶,阻止ROS的形成。然而,其他高敏感性酶如硝酸還原酶和Cu/Zn超氧化歧化酶位于細(xì)胞質(zhì)中,而二磷酸核酮糖羧化酶分布在葉綠體中,過(guò)氧化氫酶在過(guò)氧化質(zhì)體中。這使它們對(duì)氫化物抑制劑更敏感,因?yàn)榍杌镌诩?xì)胞中的移動(dòng)性很高。在25℃溶液中氫氰酸的pka值約為9.2。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)pH約為中性時(shí),在ACC氧化酶反應(yīng)存在時(shí)大部分氰化物以非游離態(tài)釋放。其為非離子,親脂性高,因此能較易地穿過(guò)膜進(jìn)入細(xì)胞隔室。HCN在細(xì)胞內(nèi)濃度瞬間升高時(shí)不均的分布,導(dǎo)致在細(xì)胞中達(dá)到具有毒性的濃度,可能對(duì)代謝有多種影響,氰化物引起植物死亡。然而,由于人們已發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生大量(即1650nmol/g·h)乙烯的植物組織中測(cè)到高活性的β-CAS,以及組織中氰化物的濃度低于對(duì)敏感酶的非毒性濃度,因此Yip和Yang認(rèn)為植物組織足可以使乙烯生物合成中生成的HCN解毒。所以,在過(guò)去氰化物在植物體內(nèi)可能的代謝和生理作用被忽略。在20世紀(jì)90年代,在對(duì)生長(zhǎng)素除草劑的作用方式的研究中重新檢驗(yàn)了這個(gè)問(wèn)題,研究了被刺激的乙烯和氰化物的生物合成參與誘導(dǎo)細(xì)胞和植物死亡的情況。2.4氰化物對(duì)植物的影響首先以禾本科雜草稗草為例,二氯喹啉酸主要的作用位點(diǎn)在根部,但內(nèi)源ACC的量、乙烯的形成和氰化物的積累的增加主要發(fā)生在植物的幼芽,此部位是癥狀表現(xiàn)之所在。二氯喹啉酸只誘導(dǎo)植物根部ACC合成酶的活性,使ACC的量在處理后1h增加(圖3)。過(guò)量的ACC被轉(zhuǎn)移到植物的幼芽,在ACC氧化酶的作用下被轉(zhuǎn)化為大量的乙烯和氰化物。由于ACC和氰化物誘導(dǎo)幼芽中ACC合成酶活性增加,所以過(guò)程有自我放大作用。用ACC對(duì)從稗草分離的幼芽進(jìn)行處理(通過(guò)對(duì)維管的作用)后,增加了ACC合成酶和乙烯和氰化物的生成量。用1mMACC處理后6h,ACC合成酶的活性是對(duì)照的5倍。在培養(yǎng)的53h中,組織中氰化物的濃度由5μM增加到18μM。此外,應(yīng)用的氰化物可能通過(guò)誘導(dǎo)ACC合成酶基因的轉(zhuǎn)錄,使幼芽中ACC合成酶活性增加。對(duì)于其他敏感的雜草,如馬唐、寬葉臂形草和狗尾草,幼芽中氰化物的濃度也增加。增加的程度與除草劑的濃度、應(yīng)用次數(shù)有關(guān),與除草劑的作用也密切相關(guān),如雜草生長(zhǎng)受抑制情況、葉綠素的減少和碳的同化作用。同時(shí),發(fā)現(xiàn)增加了內(nèi)源的氰化物的濃度,在稗草和馬唐的幼芽中分別增加了3倍和9倍,在處理后96h達(dá)到了最大值,分別約為30和50μM。其他類型的生長(zhǎng)素除草劑,包括麥草畏和1-