10 第十二章 ga 1

1、Auxin activity,Auxins stimulate genes in cells associated with plant growth.,一 GA的發(fā)現(xiàn) Discovery二 GA結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution三 GA的合成和代謝 Metabolis of Gibberellines四 GA生理效應(yīng) Physiological Effects G

2、A 作用機理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn)和種類,赤霉素(gibberellins，GA)，天然生長物質(zhì),1926年，日本黑澤英研究水稻植株徒長的惡苗病(不結(jié)子) ；,1935年，日本藪田貞次從水稻惡苗病菌中分離得到并定名為赤霉素；,1938年，藪田和住木從赤霉菌培養(yǎng)基的濾液中分離出了兩種結(jié)晶，定名為赤霉素A、赤霉素B。,Disc

3、overed in association with Foolish disease of rice (Gibberella fujikuroi),Infected感病,Uninfected未感病,1926年，日本黑澤英研究水稻植株徒長的惡苗??；,以發(fā)現(xiàn)的先后編碼為GA1、GA2、GA3……，鄰近編碼的赤霉素并不意味著它們在化學上或代謝上有什么聯(lián)系。,1958年，高等植物中第一個赤霉素被分離鑒定，定名為GA1 。,2005年為止，已知的

4、赤霉素類物質(zhì)有136種。,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素作用機理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，G

5、As,Gibberellin A136,Molecular Weight = 348.4 Molecular formula = C19H24O6 Gibberellin A136 was initially identified in Eriobotrya japonica,二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類,赤霉烷的基本結(jié)構(gòu),赤霉素是一類雙萜酸化合物，基本結(jié)構(gòu) ——赤霉烷,結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distributi

6、on,赤霉素分子中碳原子總數(shù)的不同可分為 GA19 和 GA20 兩類.GA20 類的生理活性都不高。由于這兩類赤霉素都含有羧基, 所以赤霉素呈酸性, 其中 GA3、GA4、GA7 和 GA14 的生理活性較高。,C19赤霉素,C20赤霉素,3β-羥基 ；7位碳原子上的羧基、 3β，13-二羥基或1，2不飽和鍵是赤霉素具有最高生物活性的特征； 具有2β-羥基的赤霉素不具備生物活性；C19-GAs相對生物活性比C20-GAs要

7、高；,活性赤霉素結(jié)構(gòu)特征,,生理活性較高,不具備活性,,,,,,,,,,,,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素A作用機理 Mechanisms of GA Act

8、ion,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism of Gibberellines,赤霉素合成階段赤霉素合成器官特異性赤霉素合成部位和運輸赤霉素合成的調(diào)控,前質(zhì)體,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),赤霉素生物合成途徑,(GGPP),GA12醛,胞質(zhì)中,位 置：前質(zhì)體關(guān)鍵酶：環(huán)化酶抑制劑:AMO1618; Cycocel, Phosphon D,步驟一 環(huán)

9、化反應(yīng)生成貝殼杉烯,位 置：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)關(guān)鍵酶：P450單加氧酶抑制劑：多效唑 烯效唑,步驟二 氧化反應(yīng)生成GA12醛,所有GA物質(zhì)共同前體,位 置：細胞質(zhì)關(guān)鍵酶：雙加氧酶抑制劑：Cyclohexanetriones,步驟三 由GA12醛形成所有其它GAx,,,GA 的生物合成途徑,珂巴基焦磷酸,基本的生物異戊二烯單元是異戊烯基焦磷酸 (isopentenyl pyrophosphate or dipho

10、sphate, IPP)。綠色組織中GA 合成所用的 IPP 是由三磷酸甘油醛和丙酮酸在質(zhì)體合成的. 但在富含 GA 的南瓜胚乳中, IPP 是從甲瓦龍酸在細胞質(zhì)中合成的。因此, 不同組織中用于 GAs 合成的 IPP 可能來自不同的細胞器。,赤霉素合成器官特異性,高等植物中不同的器官組織、不同發(fā)育階段內(nèi)起調(diào)節(jié)作用的赤霉素種類不同，相應(yīng)的生物合成途徑也不盡相同，也就是說。赤霉素生物活性及其生物合成具有器官特異性。,Le,le,莖

11、的伸長與GA1 的水平密切相關(guān),GA 少,GA 中,GA 高,na – an extreme dwarf? Almost no GAs.,ent-kaurenena ┴ GA12-aldehyde,GA20le ┴ GA1,Ultratall mutant:Constitutive response mutant.,水稻（日本晴）在不同發(fā)育階段內(nèi)源赤霉素GA4含量的變化,GA4更多地是在植物的生殖生長中起著調(diào)節(jié)作用。,

12、早期C13羥化途徑合成的GA1主要存在于植物的營養(yǎng)生長階段和營養(yǎng)器官中，促進莖葉生長；早期C13非羥化途徑合成的GA4主要存在于植物的生殖生長階段和生殖器官中，促進花果發(fā)育和生長。,水稻不同生長階段活性赤霉素的器官特異性作用示意圖,,發(fā)芽,,營養(yǎng)生長,,花器官分化,成熟,,生殖生長,,穗軸,/,節(jié)間生長,,,,莖葉生長,/,/,合成最活躍植物器官是發(fā)育中的種子和果實；幼芽、幼葉和上部莖節(jié)；,莖中合成的赤霉素可以通過韌皮部運輸?shù)街仓甑钠?/p>

13、他部分,尚沒有確切證據(jù)說明根系可以合成赤霉素,赤霉素合成部位和運輸,成熟葉片的葉肉細胞不能進行貝殼杉烯的合成，但可以進行赤霉素第三步驟的合成，前體就是從莖的分生組織轉(zhuǎn)移而來，在葉片中被轉(zhuǎn)化為活性赤霉素,長日照可能是通過增加GA20ox的活性促進GA1合成的。,赤霉素生物合成的調(diào)控,光周期的影響,隨著日照長度的增加，莖節(jié)逐漸開始伸長，,C13羥化途徑,溫度影響,莖尖是植物感受低溫的部位，推測在莖尖中低溫影響組織內(nèi)赤霉素的代謝來影響莖節(jié)伸長

14、和開花等生理反應(yīng),- GA，不冷處理,每天施10µgGA3為期一周,冷處理六周,莖尖內(nèi)積累了大量的貝殼杉烯酸，低溫處理之后，貝殼杉烯酸7β－羥化酶的活性升高，貝殼杉烯酸被轉(zhuǎn)化為GA9，GA9是GA4的直接前體,Expression of a L. temulentum 20-oxidase GA biosynthesis gene. Compared with an 8h short day, LD exposure of

15、the leaf (8h SD extended by 9.5h using incandescent lamps) led to a large increase in gene expression. (Semi-quantitative RT PCR assays from Blundell, MacMillan, and King; unpublished).,環(huán)境控制,赤霉素生物合成的控制,反饋控制（Feedback cont

16、rol）,wt,gai,反饋控制（Feedback control）,植物體內(nèi)赤霉素GA1水平的影響因素,赤霉素的代謝,赤霉素的失活主要是2β-羥化反應(yīng)，使活性赤霉素以及活性赤霉素前體不可逆地失去活性。,調(diào)節(jié)其在植物組織內(nèi)水平的一個重要手段，赤霉素結(jié)合物有儲存和運輸?shù)墓δ?赤霉素糖酯,赤霉素糖苷,一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution三 赤霉素的

17、合成和代謝 Metabolism of Gibberellines四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素A作用機理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,,四 赤霉素的生理效應(yīng),1 促進莖的伸長2 調(diào)節(jié)植物幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)換3 影響花芽分化和性別控制誘導(dǎo)開花4 打破休眠促進萌發(fā)5 其他效應(yīng),

18、3;促進莖的伸長,①促進整株植物生長②促進節(jié)間的伸長③不存在超最適濃度的抑制作用,用GA處理，能顯著促進植株莖的伸長生長，對矮生突變品種的效果特別明顯。 GA對離體莖切段的伸長沒有明顯的促進作用，而IAA對整株植物的生長影響較小，卻對離體莖切段的伸長有明顯的促進作用。,左為矮生突變體，右為施用GA3植株長高至正常植株的高度,1 促進整株植物生長,對照,100pgGA3,1ngGA3,矮化植物、蓮座植物和一些禾本科植物,赤霉素促進

19、禾本科植物莖節(jié)的伸長生長效果非常顯著，作用的靶組織是莖節(jié)的居間分生組織。,對植物根系的生長促進效果很小或者沒有,GA 促進矮化水稻的伸長生長4-day-old rice seedlings were treated with different amounts of GA and allowed to grow for another 5 days.,GA 施用導(dǎo)致短日照下植物莖的伸長及花的發(fā)育.同時, 許多植物的莖的伸長與開花需

20、要通過低溫處理, GA 可代替此作用.,GA主要作用于已有節(jié)間伸長，不促進節(jié)數(shù)的增加。導(dǎo)致莖干直徑減小、葉片變小、葉色變淺,外源GA1對正常的和矮生（dl）玉米的作用。赤霉素促進了矮生突變體莖干的明顯伸長，但是對野生型的植株卻沒有或僅有很小的效果,+GA,-GA,-GA,+GA,dwarf,dwarf,wt,wt,2 促進節(jié)間的伸長,3 不存在超最適濃度的抑制作用,·赤霉素調(diào)節(jié)植物幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,植物種類的不同，外源

21、施用赤霉素可以控制植物在幼態(tài)和成熟態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。,GA3可以誘導(dǎo)常春藤(Hedera helix)從成熟態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛讘B(tài)；GA4+GA7處理可以誘導(dǎo)許多幼態(tài)的針葉植物進入成熟態(tài)；,·赤霉素可以影響花芽分化和性別控制,單子葉，玉米，外源赤霉素對花性別決定的主要作用是抑制雄花發(fā)育,雙子葉植物上，外源赤霉素會促進雄花的形成，而赤霉素生物合成抑制劑可以促進雌花的發(fā)育,對于蘋果，外源赤霉素具有促進坐果的作用,,·打破休眠，促進萌

22、發(fā),GA可以刺激胚芽的營養(yǎng)生長，松弛胚周圍的胚乳層細胞，降低對胚生長的壓迫；GA可以誘導(dǎo)水解酶的合成，分解種子儲存的營養(yǎng)物質(zhì)。,GA可代替光照和低溫打破休眠，需光和需低溫萌發(fā)的種子，如萵苣、紫蘇、李和蘋果等的種子， GA催化種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的降解，供胚的生長發(fā)育所需。 在萌發(fā)谷類種子中，GA可誘導(dǎo)糊粉層α-淀粉酶、蛋白酶產(chǎn)生，加速釀造時的糖化過程，并降低萌芽的呼吸消耗，從而降低成本。,如 0.5~1 ppm (0.5~1 μg/g)

23、 赤霉素就可打破馬鈴薯的休眠.,其他效應(yīng)* 促進植物的座果和果實生長在梨、杏、草莓、葡萄及番茄、辣椒上已得到證實;* 引起單性結(jié)實;* 延緩衰老;* 對不定根的形成起抑制作用.,GA對葡萄果實生長有促進效應(yīng),GA 對無籽葡萄生長有促進效應(yīng),一 赤霉素的發(fā)現(xiàn) Discovery二 赤霉素結(jié)構(gòu)和分類 Structure and Distribution三 赤霉素的合成和代謝 Metabolism

24、of Gibberellines四 赤霉素生理效應(yīng) Physiological Effects 赤霉素作用機理 Mechanisms of GA Action,第三節(jié) 赤霉素 Gibberellins，GAs,五 GA作用機理 Mechanisms of GA Action,赤霉素誘導(dǎo)?－淀粉酶的分子機制赤霉素促進細胞伸長和分裂的機制,赤霉素誘導(dǎo)?－淀粉酶的分子機制,單子葉禾本科植物（種子的糊粉層

25、是一種高度特化的分泌組織，它的重要功能就是在種子萌發(fā)過程中合成并分泌水解酶類，完成這個生理功能后，這部分細胞就開始衰老和死亡。,糊粉層,de novo synthesis & its detection,GA 對 a-淀粉酶合成和 mRNA 轉(zhuǎn)錄的影響,大麥去胚種子 + 糊粉層?無 a-淀粉酶 去胚種子 + 胚?產(chǎn)生 a-淀粉酶去胚種子 + GA3 + 糊粉層? 產(chǎn)生 a-淀粉酶,糊粉層細胞是 GA 作用

26、的靶細胞,Half-seed test,,,,GA誘導(dǎo)去胚種子胚乳中淀粉的水解,“半種子實驗” （half-seed test）中，除去胚的種子不能分泌α－淀粉酶，但把胚和去胚的種子放在一起培養(yǎng)，就有α－淀粉酶的分泌和淀粉的水解。這說明胚分泌的一種可以擴散的因子誘導(dǎo)了糊粉層合成并分泌α－淀粉酶。,糊粉層分泌 α －淀粉酶依賴胚的存在,赤霉素GA3可以取代胚來誘導(dǎo)糊粉層 a－淀粉酶的合成。,GA-induced a-amylase syn

27、thesis in dormant seeds,Dormant seeds No added GA promotes little starch hydrolysis,Dormant seeds plus added GA results in production of enzymes that break down starch,大麥糊粉層細胞質(zhì)膜外表面GA結(jié)合蛋白對誘導(dǎo)α-淀粉酶基因表達、蛋白質(zhì)合成及其分泌，極為重要。,細胞質(zhì)

28、膜上的GA受體,赤霉素作為激素信號的感受部位存在于細胞質(zhì)膜上,赤霉素信號傳遞的兩條途徑,Ca2+-依賴依賴途徑（鈣調(diào)素）,非Ca2+-依賴途徑（cGMP）,Ca2+-依賴依賴途徑（鈣調(diào)素）GA誘導(dǎo)α-淀粉酶分泌的信號傳遞,非Ca2+-依賴途徑（cGMP）GA誘導(dǎo)初始反應(yīng)基因GAMYB表達的信號傳遞途徑,鈣離子是動植物細胞中重要的第二信使,●在GA誘導(dǎo)α－淀粉酶合成和分泌的信號傳遞過程中， Ca2+及鈣調(diào)素都扮演著重要的角色。GA處理可以

29、在1-4hr內(nèi)提高糊粉層細胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+水平，在2hr內(nèi)將細胞內(nèi)的鈣調(diào)素水平提高2倍，而且發(fā)生在α－淀粉酶合成和分泌之前。●在糊粉層細胞溫育液中除去Ca2+，會抑制胞內(nèi)Ca 2+水平的升高，也會抑制α－淀粉酶的分泌?！癜l(fā)現(xiàn)GA誘導(dǎo)Ca2+水平增加主要集中在質(zhì)膜附近。上述實驗不僅證明Ca2+及鈣調(diào)素參與了赤霉素的信號傳遞鏈，而且可能與赤霉素誘導(dǎo)合成的α－淀粉酶的分泌有關(guān)。,Figure Increase in calcium

30、 in barley aleurone protoplasts following GA addition can be seen from this false-color image; vacuoles are indicated (v). The level of calcium corresponding to the colors is in the lower scale. (A) Untreated protoplast.

31、 (B) GA-treated protoplast. (C) Protoplast treated with both abscisic acid (ABA) and GA. Abscisic acid opposes the effects of GA in aleurone cells. (From Ritchie and Gilroy 1998.),GA處理糊粉層細胞約1小時后，細胞內(nèi)cGMP水平有一個瞬時的升高過程，鳥苷酸環(huán)化

32、酶（催化GTP形成cGMP的酶）抑制劑會阻抑GA誘導(dǎo)的α－淀粉酶合成和分泌；外源添加cGMP可以克服這種抑制。cGMP參與了赤霉素誘導(dǎo)α－淀粉酶合成和分泌的信號傳遞過程,cGMP和cAMP，在動植物細胞內(nèi)起著第二信使的作用,?－淀粉酶基因表達的調(diào)節(jié)機制,這些與GA誘導(dǎo)活性密切相關(guān)的序列被稱為赤霉素響應(yīng)元件（GARE）。α－淀粉酶基因啟動子中包含三種GARE：TAACAAA盒、TATCCAC盒和C/TCTTTTC/T盒。 這三

33、個短序列盒構(gòu)成赤霉素響應(yīng)復(fù)合體，它們在啟動子內(nèi)的位置、順序和定向在各種谷類植物中是高度保守的。GARC是實現(xiàn)赤霉素誘導(dǎo)所必須的構(gòu)造，如果這三個元件任何一個發(fā)生了突變，GA3誘導(dǎo)基因表達的能力都會大大降低，所以完全的赤霉素感受能力需要這三個GARE的協(xié)同作用。,赤霉素誘導(dǎo)糊粉層細胞α－淀粉酶合成的分子機理,GA和細胞質(zhì)膜上的受體結(jié)合,G蛋白介導(dǎo)的信號傳遞系統(tǒng),活化了既存的活化因子,活化因子和GA-MYB 基因的抑制子結(jié)合,合成GA-M

34、YB蛋白,MYB蛋白，α－淀粉酶基因啟動子上的GA響應(yīng)元件結(jié)合,誘導(dǎo)α－淀粉酶合成,分泌到胚乳中發(fā)揮作用,,,,,,,所謂轉(zhuǎn)錄因子，就是與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控部位結(jié)合的蛋白質(zhì)，或稱DNA結(jié)合蛋白，起促進或抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用。,赤霉素促進細胞伸長和分裂的機制,赤霉素促進細胞分裂和細胞伸長調(diào)節(jié)居間分生組織細胞的細胞周期,赤霉素不僅促進細胞的伸長生長，而且也促進細胞的分裂。,沒有細胞壁酸化現(xiàn)象；其次赤霉素對細胞伸長生長促進的遲滯期較長2~3小時

35、（IAA10-15min）。,XET 從分子鏈內(nèi)部水解木葡聚糖，并將水解的木葡聚糖片段轉(zhuǎn)移到另外一個木葡聚糖的末端,赤霉素對細胞壁伸展性的增加，與它能促進細胞壁中的木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶XET活性密切相關(guān)。誘導(dǎo)XET活性的增加是赤霉素的特異作用。,XET增加細胞壁的伸展性可能是它增加了細胞壁對擴張蛋白的透性。擴張蛋白在酸性條件下可以弱化細胞壁多糖之間的氫鍵。根據(jù)這個觀點，GA和IAA在促進細胞伸長生長過程中是協(xié)同作用的關(guān)系，即赤霉素誘

36、導(dǎo)XET酶的活性增加，改善了細胞壁對擴張蛋白的透性，使大量的擴張蛋白進入細胞壁；生長素促進質(zhì)子的分泌，酸化細胞壁環(huán)境，活化擴張蛋白，使細胞壁的伸展性得到促進。,GA通過增加細胞壁伸展促進細胞伸長生長的,GA 調(diào)節(jié) IAA 水平GA 與 IAA 的作用有相似之處, 也有不完全相同的地方, 兩者之間有密切關(guān)系, GA 可以調(diào)節(jié) IAA 的水平, 因為 GA 促進合成生長素的前體—色氨酸進一步合成生長素;,GA 又能促進蛋白酶活性, 加速

37、蛋白質(zhì)水解, 積累更多的水解產(chǎn)物——色氨酸, 也有利于 IAA 的合成;GA 抑制 IAA 氧化酶活性, 抑制 IAA 的氧化分解;GA 可使體內(nèi)束縛態(tài) IAA 轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài).,IAA up-regulates the transcription of GA 3b-hydroxylase (forming GA1).,0 hr 2 hr 4 hr

38、 6hr 8 hrCon. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA Con. IAA intact,GA 3ox mRNA,,inactive,IAA 的存在促進GA 3ox 和阻抑GA 2ox 的轉(zhuǎn)錄; 反之則逆轉(zhuǎn).,調(diào)節(jié)居間分生組織細胞的細胞周期,air,2d submerged,調(diào)節(jié)居間分生組織細胞的

39、細胞周期,GA首先誘導(dǎo)細胞的伸長生長，然后誘導(dǎo)細胞進行分裂。GA通過細胞體積的擴大，誘導(dǎo)G2期的分生細胞進入M期，GA誘導(dǎo)細胞分裂是GA促進細胞伸長生長的間接效應(yīng)。GA促進水稻居間分生組織細胞從G2期向M期的過渡是因為它促進了其中的CDC2基因的表達，而且還促進了有絲分裂特異的周期素（cyclin）基因的表達。 赤霉素誘導(dǎo)水稻莖節(jié)居間分生組織細胞的分裂和CDK系統(tǒng)是具有密切關(guān)系。,GA與IAA作用的比較與相互關(guān)系,IAA

40、 GA促進細胞分裂 + + 促進細胞伸長 + +促進整株植物生長 - + 促進愈傷組織形成 +

41、 -促進酶活性 + +極性運輸 + -頂端優(yōu)勢，抑制腋芽 +

42、 -打破休眠，促進種子萌發(fā) - +促進某些二年生植物 - + 抽苔開苔 誘導(dǎo)花性別 - +誘導(dǎo)無籽果實

43、 + +,Figure 3   Following the addition of GA to barley aleurone protoplasts, a multiple-component signaling pathway is initiated. The timing of some of these events

44、 is shown. CaM = calmodulin. (After Bethke et al. 1997.),Figure 1   Gibberellin causes elongation of the leaf sheath of rice seedlings, and this response is used in the dwarf rice leaf sheath bioassay. Here, 4-

45、day-old seedlings were treated with increasing amounts of GA3 and allowed to grow for another 5 days. (Courtesy of P. Davies.),Figure 1   The use of specific growth retardants (GA biosynthesis inhibitors) and t

46、he reversal of the effects of the growth retardants by different GAs can show which steps in GA biosynthesis are regulated by environmental change, in this case the effect of long days on stem growth in spinach. The cont

47、rol lacks inhibitors or added GA. (After Zeevaart et al. 1993.),Figure 1   The Arabidopsis spy mutation causes the negation of a growth repressor, so the plants look as if they were treated with gibberellin. Fr

48、om left to right: wild type, ga1 (GA-deficient), ga1/spy double mutant, and spy. (Courtesy of N. Olszewski.),Figure 2   Tuberization of potatoes is promoted by short days. Potato (Solanum tuberosum spp. Andigen