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第四节 细胞分裂素类
作者:植物生理…    文章来源:扬州大学农学院    点击数:1829    更新时间:2007/7/4
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一、细胞分裂素的发现和种类
  生长素和赤霉素的主要作用都是促进细胞的伸长,虽然它们也能促进细胞分裂,但是次要的,而细胞分裂素类则是以促进细胞分裂为主的一类植物激素。
  (一)细胞分裂素的发现
  斯库格(F.Skoog)和崔氵山王攵(1948)等在寻找促进组织培养中细胞分裂的物质时,发现生长素存在时腺嘌呤具有促进细胞分裂的活性。1954年,雅布隆斯基(J.R.Jablonski)和斯库格发现烟草髓组织在只含有生长素的培养基中细胞不分裂而只长大,如将髓组织与维管束接触,则细胞分裂。后来他们发现维管组织、椰子乳汁或麦芽提取液中都含有诱导细胞分裂的物质。1955年米勒(C.O.Miller)和斯库格等偶然将存放了4年的鲱鱼精细胞DNA加入到烟草髓组织的培养基中,发现也能诱导细胞的分裂,且其效果优于腺嘌呤,但用新提取的DNA却无促进细胞分裂的活性,如将其在pH<4的条件下进行高压灭菌处理,则又可表现出促进细胞分裂的活性。他们分离出了这种活性物质,并命名为激动素(kinetin,KT)。1956年,米勒等从高压灭菌处理的鲱鱼精细胞DNA分解产物中纯化出了激动素结晶,并鉴定出其化学结构(图7-15)为6-呋喃氨基嘌呤(N6-furfurylaminopurine),分子式为C10H9N50,分子量为215.2,接着又人工合成了这种物质。激动素并非DNA的组成部分,它是DNA在高压灭菌处理过程中发生降解后的重排分子。激动素只存在于动物体内,在植物体内迄今为止还未发现。
  尽管植物体内不存在激动素,但实验发现植物体内广泛分布着能促进细胞分裂的物质。1963年,莱撒姆(D.S.Letham)从未成熟的玉米籽粒中分离出了一种类似于激动素的细胞分裂促进物质,命名为玉米素(zeatin,Z,ZT),1964年确定其化学结构为6-(4-羟基-3-甲基-反式-2-丁烯基氨基)嘌呤〔6-(4-hydroxyl-3-methy-trans-2-butenylamino)purine〕,分子式为C10H13N50,分子量为129.7(图7-15)。玉米素是最早发现的植物天然细胞分裂素,其生理活性远强于激动素。

  图 7-15 常见的天然细胞分裂素和人工合成的细胞分裂素的结构式
  1965年斯库格等提议将来源于植物的、其生理活性类似于激动素的化合物统称为细胞分裂素(cytokinin, CTK,CK),目前在高等植物中已至少鉴定出了30多种细胞分裂素。  
  (二)细胞分裂素的种类和结构特点
  天然细胞分裂素可分为两类,一类为游离态细胞分裂素,除最早发现的玉米素外,还有玉米素核苷(zeatin riboside)、二氢玉米素(dihydrozeatin)、异戊烯基腺嘌呤(isopentenyladenine,iP)等。
v另一类为结合态细胞分裂素。结合态细胞分裂素有异戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine,iPA)、甲硫基异戊烯基腺苷、甲硫基玉米素等,它们结合在tRNA上,构成tRNA的组成成分。
  细胞分裂素都为腺嘌呤的衍生物,是腺嘌呤6位和9位上N原子以及2位C原子上的H被取代的产物(图7-15)。
  常见的人工合成的细胞分裂素有:激动素(KT)、6-苄基腺嘌呤(6-benzyl adenine,BA,6-BA)(图7-15)和四氢吡喃苄基腺嘌呤(tetrahydropyranyl benzyladenine,又称多氯苯甲酸,简称PBA)等。在农业和园艺上应用得最广的细胞分裂素是激动素和6-苄基腺嘌呤。有的化学物质虽然不具腺嘌呤结构,但仍然具有细胞分裂素的生理作用,如二苯脲(diphenylurea)。

二、细胞分裂素的运输与代谢
  (一)含量与运输
  在高等植物中细胞分裂素主要存在于可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。一般而言,细胞分裂素的含量为1~1000ng·g-1植物干重。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。
  一般认为,细胞分裂素的合成部位是根尖,然后经过木质部运往地上部产生生理效应。在植物的伤流液中含有细胞分裂素。随着试验研究的深入,发现根尖并不是细胞分裂素合成的唯一部位。陈政茂(1978)等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。柯达(Koda)等在培养石刁柏茎顶端时,发现培养基和茎中的细胞分裂素总量有所增加,这说明茎顶端也能合成细胞分裂素。冠瘿组织在无细胞分裂素的培养基中生长良好,而测定表明,其组织中含有丰富的细胞分裂素。此外萌发的种子和发育着的果实也可能是细胞分裂素的合成部位。但这些研究都是在离体的情况下进行的,尚需研究这些部位在整株条件下合成细胞分裂素的情况。
  (二)细胞分裂素的代谢
  植物体内游离型细胞分裂素一部分来源于tRNA的降解,其中的细胞分裂素游离出来。另外也可以从其它途径合成细胞分裂素。细胞分裂素合成的关键步骤是异戊烯基焦磷(isopentenyl pyrophosphate,iPP)和AMP,在异戊烯基转移酶(isopentenyl tansferase)催化下,形成异戊烯基腺苷-5′-磷酸,进而在水解酶作用下形成异戊烯基腺嘌呤。异戊烯基腺嘌呤如进一步氧化,就能形成玉米素(图7-16)。

  图7-16 细胞分裂素的生物合成途径
  细胞分裂素常常通过糖基化、乙酰基化等方式转化为结合态形式。细胞分裂素的结合态形式较为稳定,适于贮藏或运输。在细胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase)的作用下,玉米素、玉米素核苷和异戊烯基腺嘌呤等可转变为腺嘌呤及其衍生物,细胞分裂素氧化酶可能对细胞分裂素起钝化作用,防止细胞分裂素积累过多,产生毒害。已在多种植物中发现了细胞分裂素氧化酶的存在。

三、细胞分裂素的生理效应
  (一)促进细胞分裂
  细胞分裂素的主要生理功能就是促进细胞的分裂。生长素、赤霉素和细胞分裂素都有促进细胞分裂的效应,但它们各自所起的作用不同。细胞分裂包括核分裂和胞质分裂两个过程,生长素只促进核的分裂(因促进了DNA的合成),而与细胞质的分裂无关。而细胞分裂素主要是对细胞质的分裂起作用,所以,细胞分裂素促进细胞分裂的效应只有在生长素存在的前提下才能表现出来。而赤霉素促进细胞分裂主要是缩短了细胞周期中的G1期(DNA合成准备期)和S期(DNA合成期)的时间,从而加速了细胞的分裂。
  (二)促进芽的分化
  促进芽的分化是细胞分裂素最重要的生理效应之一。1957年斯库格和米勒在进行烟草的组织培养时发现,细胞分裂素(激动素)和生长素的相互作用控制着愈伤组织根、芽的形成。当培养基中[CTK]/[IAA]的比值高时,愈伤组织形成芽;当[CTK]/[IAA]的比值低时,愈伤组织形成根;如二者的浓度相等,则愈伤组织保持生长而不分化;所以,通过调整二者的比值,可诱导愈伤组织形成完整的植株。
  (三)促进细胞扩大
  细胞分裂素可促进一些双子叶植物如菜豆、萝卜的子叶或叶圆片扩大(图7-17),这种扩大主要是因为促进了细胞的横向增粗。由于生长素只促进细胞的纵向伸长,而赤霉素对子叶的扩大没有显著效应,所以CTK这种对子叶扩大的效应可作为CTK的一种生物测定方法。

  图7-17 细胞分裂素对萝卜子叶膨大的作用
  本实验描述了光和细胞分裂素的作用是加性的。T0表示实验开始之前萌发的萝卜幼苗,离体的子叶在加或不加2.5mM玉米素的情况下在暗中或光下培养三天(T3)。结果表明,在暗中或光下,玉米素处理的子叶都比对照子叶明显膨大。
  (四)促进侧芽发育,消除顶端优势
  CTK能解除由生长素所引起的顶端优势,促进侧芽生长发育。如豌豆苗第一真叶叶腋内的侧芽,一般处于潜伏状态,但若以激动素溶液滴加于叶腋部分,腋芽则可生长发育。
  (五)延缓叶片衰老
  如在离体叶片上局部涂以激动素,则在叶片其余部位变黄衰老时,涂抹激动素的部位仍保持鲜绿(图7-18A、B)。这不仅说明了激动素有延缓叶片衰老的作用,而且说明了激动素在一般组织中是不易移动的。
  细胞分裂素延缓衰老是由于细胞分裂素能够延缓叶绿素和蛋白质的降解速度,稳定多聚核糖体(蛋白质高速合成的场所),抑制DNA酶、RNA酶及蛋白酶的活性,保持膜的完整性等。此外,CTK还可调动多种养分向处理部位移动(图7-18C),因此有人认为CTK延缓衰老的另一原因是由于促进了物质的积累,现在有许多资料证明激动素有促进核酸和蛋白质合成的作用。例如细胞分裂素可抑制与衰老有关的一些水解酶(如纤维素酶、果胶酶、核糖核酸酶等)的mRNA的合成,所以,CTK可能在转录水平上起防止衰老的作用。

  图7-18 激动素的保绿作用及对物质运输的影响
  由于CTK有保绿及延缓衰老等作用,故可用来处理水果和鲜花等以保鲜、保绿,防止落果。如用400mg·L-1的6-BA水溶液处理柑橘幼果,可显著防止第一次生理脱落,对照的坐果率为21%,而处理的可达91%,且果梗加粗,果实浓绿,果实也比对照显著增大。
  (六)打破种子休眠
  需光种子,如莴苣和烟草等在黑暗中不能萌发,用细胞分裂素则可代替光照打破这类种子的休眠,促进其萌发。
四、细胞分裂素的作用机理
  (一)细胞分裂素结合蛋白
  关于细胞分裂素的结合位点有多种不同的报道。埃里奥和福克斯(Erion and Fox,1981)以小麦胚的核糖体为材料,发现其中含有一种高度专一性和高亲和力的细胞分裂素结合蛋白,分子量为183 000,含有四个不同的亚基。福克斯等(1992)进一步分析不同来源的小麦及不同禾谷作物胚芽的细胞分裂素结合蛋白,证实其亚基数不同,这也说明细胞分裂素结合蛋白的多样性。细胞分裂素结合蛋白存在于核糖体上,提示其可能与RNA翻译作用有关。有报道认为绿豆线粒体有与细胞分裂素高亲和力的结合蛋白。黄海等(1987)发现小麦叶片叶绿体中也存在细胞分裂素受体,也有认为细胞分裂素结合蛋白可能参与叶绿体能量转换的调节。
  (二)细胞分裂素对转录和翻译的控制
  激动素能与豌豆芽染色质结合,调节基因活性,促进RNA合成。6-BA加入到大麦叶染色体的转录系统中,增加了RNA聚合酶的活性。在蚕豆细胞中,6-BA或受体蛋白单独存在时,都不能促进RNA合成,只有两者同时存在下,3H-UTP掺入核酸中的量才显著增多。这表明细胞分裂素有促进转录的作用。
  多种细胞分裂素是植物tRNA的组成成分,占tRNA结构中约30个稀有碱基的小部分。这些细胞分裂素成分都在tRNA反密码子(anti-codon)的3′末端的邻近位置,由于tRNA反密码子与mRNA密码子之间相互作用,因此曾设想,细胞分裂素有可能通过它在tRNA上的功能,在翻译水平发挥调节作用,由此通过控制特殊蛋白质合成来发挥作用。但是,玉米种子tRNA含有顺式玉米素,而游离玉米素则是反式的,这使人们怀疑细胞分裂素与tRNA的关系。然而现已从菜豆 (Phasolus vulgaris) 种子中分离出玉米素顺反异构酶(zeatin cis-trans-isomerase),暗示了细胞分裂素和tRNA之间确实存在某种关系。
  细胞分裂素可以促进蛋白质的生物合成。因为细胞分裂素存在于核糖体上,促进核糖体与mRNA结合,形成多核糖体,加快翻译速度,形成新的蛋白质。试验证实,细胞分裂素可诱导烟草细胞的蛋白质合成,形成新的硝酸还原酶。此外,细胞分裂素还促进mRNA的合成,克罗韦尔(Crowell,1990)从大豆细胞得到20种DNA克隆及所产生的mRNA,细胞分裂素处理后4h内,这些mRNA明显增加,比对照高2倍~20倍。不同的细胞分裂素表现相似的效果。这些mRNA的变化发生在生长反应之前,且受生长素的影响。
  (三)细胞分裂素与钙信使的关系
  细胞分裂素的作用可能与钙密切相关。在多种依赖细胞分裂素的植物生理试验中,钙与细胞分裂素表现相似的或相互增强的效果,如延缓玉米叶片老化,扩大苍耳子叶面积等。森德斯和赫普勒(Sunders and Hepler,1982)用葫芦藓丝体为试验材料,测定细胞分裂素促进芽分化效果与钙分布的相关性,发现在细胞分裂素处理12h后原丝体尖端细胞中钙含量显著增加,后来芽即从这个钙累积部位分化。森德斯(1990)用免疫技术显示了细胞分裂素在丝体内的分布。在不能分化成芽的丝体尖端细胞内没有细胞分裂素积累,但在具有芽分化能力的丝体尖端却呈现强烈的荧光,这表明细胞分裂素在该处明显地累积。细胞分裂素在可分化成芽的靶细胞内可能与受体结合。免疫荧光技术已证实钙离子最初在靶细胞的核中累积,然后转移到特定的分裂位置,可能在染色体移动时起重要作用。细胞分裂素与钙在分布上的相关性提示钙可能是细胞分裂素信息传递系统的一部分。
  钙往往通过钙—钙调素复合体而作为第二信使。一些研究表明,细胞分裂素作用还与钙调素活性有关。此外,细胞分裂素与钙的关系还可因细胞发育阶段而变化。如大豆下胚轴质膜中存在依赖ATP的钙离子泵,这种钙离子泵对细胞分裂素的敏感性会随细胞生长过程而不同。
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