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第八章 植物生长物质

第八章 植物生长物质. Chapter 8 Plant Growth Substance. 第三节 细胞分裂素类. 一、 CTK 的发现和种类. 1940－1950: F.Skoog 研究 组 ( Wisconsin Univ.): 烟草茎切段的组织培养, 发现:维管组织提取液、椰子乳和酵母均能刺激细胞分裂。 C.O. Miller(Postdoc. in Skoog’s lab): 从酵母浸提液中分离主要的活性物质 --- 一种嘌呤。 Skoog 及崔徵:腺嘌呤能刺激烟草髓培养组织发生细胞分裂。在富含腺嘌呤的核酸制剂中寻找活性物质。

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第八章 植物生长物质

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Presentation Transcript

  1. 第八章 植物生长物质 Chapter 8 Plant Growth Substance

  2. 第三节 细胞分裂素类 一、CTK的发现和种类 • 1940－1950: • F.Skoog 研究组(Wisconsin Univ.): 烟草茎切段的组织培养, 发现:维管组织提取液、椰子乳和酵母均能刺激细胞分裂。 • C.O. Miller(Postdoc. in Skoog’s lab):从酵母浸提液中分离主要的活性物质 --- 一种嘌呤。 • Skoog 及崔徵:腺嘌呤能刺激烟草髓培养组织发生细胞分裂。在富含腺嘌呤的核酸制剂中寻找活性物质。 • 1955年米勒(Millu)和Skoog等发现存放了4年的DNA也能诱导细胞分裂→激动素(KT)。 • 1956：Miller (Now at Indiana Univ.)等，高压灭菌的鲱鱼精子DNA，分离到N6-呋喃甲基腺嘌吟(N6-furfurylaminopurine)。命名为激动素(kinetin，KT)。

  3. 1963年，Miller和D.S. Letham (Australia)独立地从嫩玉米种子和李子的小果中提取到类似激动素特性的一种嘌呤，即玉米素(zeatin，Z，ZT)，是最早发现的植物天然细胞分裂素。其他CTKs 物质相继被提取和鉴定。 1965：Skoog 等，建议使用细胞分裂素(cytokinin, CTK)名称。

  4. CTKs都是腺嘌呤的衍生物，是一类在N6位置上取代的腺嘌呤衍生物。天然CTK：玉米素，玉米素核苷、二氢玉米素、异戊烯基腺嘌呤(iP), 异戊烯基腺苷(iPA)等。人工合成的CTK：激动素(KT)、6-苄基腺嘌呤(6-BA), 应用最广。 种类和结构特点

  5. 腺嘌呤 DNA高压灭菌时产生 激动素, KT 人工合成

  6. 首次从植物体分离出的天然CTK 玉米素，ZT

  7. 人工合成 6-苄基腺嘌呤，6-BA

  8. CTKs 在腺嘌呤第9位结合一个核糖分子（形成核苷），或结合一个核糖磷酸分子（形成核苷酸）

  9. 一、CTKs 的分布和生物合成 分布：茎尖、根尖、未成熟的种子等 1～1000 ng·g-1 DW 生物合成 合成部位:根尖，怎样证明？ 合成途径： 由tRNA水解产生 从头合成，前体: 甲瓦龙酸

  10. 从头合成，前体: 甲瓦龙酸 • 部位：细胞分裂旺盛的根尖、生长中的果实和种子。 • [9R-5’P] iP为重要中间产物，其他CTKs的前体； • 催化AMP转化为[9R-5’P]iP 的酶：isopentenyl transferase (ipt，异戊烯基转移酶)。激素基因工程中的重要对象。

  11. Fruits of tomato plants transformed with ipt gene转移ipt基因的番茄果实 • The ipt gene is under the control of the fruit-specific 2A11 promoter • The fruits contain 10- to 100-fold higher than in control

  12. 二、CTKs 代谢1. 形成结合态 氨基酸结合态 葡萄糖结合态

  13. 由细胞分裂素氧化酶催化 2、 氧化降解

  14. 三、细胞分裂素的生理效应 • 促进细胞分裂（细胞质）与扩大（横向） • 促进侧芽发育（消除顶端优势） • 延迟叶片衰老（特有） • 刺激块茎形成 • 促进叶绿素合成 • 促进组织、器官分化（IAA/CTK） • 促进花芽分化 • 促进气孔开放 • 打破休眠，促进发芽（光种子）

  15. 1、促进细胞分裂和参与形态建成 • 证据1：CTKs 分布于旺盛分裂的组织； • 证据2：Crown gall tumor on a tomato plant用野生型根瘤农杆菌接种一月龄番茄的茎部，一个月后照相，根癌农杆菌Ti质粒T-DNA上含有合成IAA和CTKs 的基因(iaaM, iaaH; ipt)

  16. 叶面涂施CTK (100mg·L-1) 对照 CTK对萝卜子叶膨大的作用

  17. 2、CTK/ IAA ratio：细胞分化的控制理论 比值高 根 芽 比值低 IAA / CTK 愈伤组织 比值中等 • Skoog & Miller，烟草愈伤组织培养实验 • 组织培养的重要技术 比值适宜 根 + 芽 约相等摩尔浓度 低比值 高比值

  18. Induction of Arabidopsis callus production by auxin and cytokinin生长素和细胞分裂素诱导拟南芥愈伤组织的分化 • 左：培养基中含IBA，仅有根的形成； • 右：培养基中含高比值Zeatin/IBA，则有芽的形成。

  19. 3、延缓衰老 外源生长素诱导叶柄基部根的产生，该叶片可在数周内保持健康状态。 原因：根部合成的CTKs 输送到叶片。 不断剔除新根，加速叶片衰老。 外源CTKs 延缓衰老的启动； 衰老组织中内源CTKs 水平显著降低。

  20. Model system for CTK: Regreening in tobacco • 左：开花植株基部老叶，观察与检测不到叶绿素 • 右：切去该叶所处节间的上部枝条，并用CTK处理该叶，叶片则恢复绿色。 • 附：叶绿体特征蛋白电泳图

  21. The green islands exhibited in a dandelion leaf蒲公英叶片上的绿岛 • 病原真菌引起其侵染部位CTK浓度的升高，延缓侵染部位周围组织的衰老，延长病原菌的生存时间。

  22. Autoregulated expression of the ipt gene in tobacco 烟草中的ipt基因表达自动调节 • 左：野生型植株 • 右：转基因植株：ipt基因与一个受衰老特异诱导的启动子相连接

  23. 14C-氨基丁酸施用于叶片右部黑点处 The role of cytokinin in nutrient mobilization

  24. CTK 延缓叶片衰老机制 ？ • 清除活性氧 • 阻止水解酶的产生，保护核酸、蛋白质、叶绿素不被破坏 • 阻止营养物质外流

  25. 外源CTKs 能刺激多种植物侧芽的萌动和生长； Witch’s broom on white pine. 由真菌侵染，刺激过量CTKs 生成，而刺激侧芽生长的结果。 4、 解除顶端优势

  26. 四季杜鹃，通过施用CTK代替摘心

  27. Transgenic tobacco expressing the ipt gene under the control of the CaMV 35S promoter表达受CaMV 35S 启动子调控的ipt基因的转基因烟草 • 植株中CTKs水平显著升高 • 植株的表型类似于施用外源CTKs的效果，如：顶端优势的解除、叶片衰老延缓等。

  28. 侧芽释放 加速衰老 衰老延缓， 注意根！ 基部叶衰老 Cytokinin cotrol ofsenescence and budgrowth in tobaccoTransformation with (a heat shock promoter + ipt gene) 转基因植株，常温 12周龄转基因 植株，42℃ 1周 对照植株 热激 对照植株 常温

  29. CTK的作用机理 • CTK的结合位点： • CTK对转录和翻译的控制： CTK能与豌豆染色体结合，调节基因活性，促进RNA合成； CTK是tRNA 的组成成分； CTK可以促进蛋白质的合成。 • CTK与钙信使的关系： CTK与钙在分布上的相关性提示可能是细胞分裂素信息传递系统的一部分。

  30. 细胞分裂素受体 CKI1是细胞分裂素的受体? 早期获得了拟南芥细胞分裂素相关的功能获得性突变体cki1（cytokinin independent 1）。cki1突变体是由于过量表达CKI1基因，突变的结果造成细胞分裂素过量合成，CKI1基因编码一个组氨酸蛋白激酶，由信号接受区、跨膜区和组氨酸蛋白激酶的激酶区三部分组成。 CRE1是CTK的受体（Inoue等2001）! 后来，分离和鉴定了另一个拟南芥细胞分裂素不敏感的突变体cre1（cytokinin response 1）。该突变体的细胞生长不依赖于外源细胞分裂素。CRE1编码的蛋白与乙烯的受体ETR1相似，属于组氨酸蛋白激酶，N端是CTK的结合部位；CRE1蛋白还有一个接受域结构。同时，拟南芥的原生质体和酵母激酶突变体表型恢复性试验也证明了CRE1是CTK的受体（Inoue等2001）。CRE1作为受体的特征表现为：（1）CRE1能够与细胞分裂素结合；（2）结合细胞分裂素后能够诱导CRE1的激酶活性；（3）CRE1能够将磷酸基团转移给酵母固有的Hpt（His phosphotransfer）结构域蛋白，从而启动双组分级联系统。但CRE1并不调节所有的细胞分裂素反应，说明还可能有其它的细胞分裂素受体，如AHK2和AHK3等。

  31. CTK作用机理 • 保护tRNA不被水解？ 酵母丝氨酸 tRNA的结构

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