[收稿日期]2006-02-21
[作者简介]李利(1971—),女,安徽怀远人,中国林业科学研究院华北林业实验中心在读硕士研究生。孙长忠(1957—),男,中国林业科学研究院华北林业实验中心主任,博士后,教授。
几种新型“植物激素”与根系生长发育的关系
李利,孙长忠
(中国林业科学研究院华北林业实验中心,北京102300)
[摘要]根系是植物体的一个重要组成部分,发达的根系对植物体正常的生命活动及抵抗不良
环境具有决定性的作用,其生长发育与植物生长物质的调控息息相关。文章概述了四种新型“植物激素”———油菜素甾醇类、
水杨酸类、茉莉酸类和多胺等对植物根系生长发育影响的最新研究进展。[关键词]根系;植物激素;油菜素甾醇类;水杨酸类;茉莉酸类;多胺
[中图分类号]Q945[文献标识码]A[文章编号]1009-9530(2006)03-0016-03fried
植物激素(Planthormones)是指在植物体内某些部位合成的、可被运送到其他部位发生特殊的生理作用的微量有机物质。目前公认的五大类经典植物激素是:生长素(Auxin)、赤霉素(Gibberelin,GA)、细胞分裂素(Cytokinin)、脱落酸(Abscisic
acid,ABA)、
乙烯(Ethylene)。近年来,在植物激素的研究过程中,陆续发现了多种微量有机化合物,在不同情况下对植物生长发育表现出特殊的调节
作用,如:油菜素甾醇类(Brassinosteroids,BRs)、
水杨酸类(Salicylates,SA)、
茉莉酸类(JasmonatesJAs)和多胺(Polyamines,PAs)等。但因其性质不完全符合植物激素的严格定义,这些物质尚未被完全接纳在植物激素之列,一般称其为植物激素类似物[1]。目前,有资料显示有人将此四种活性物质归为新型的植物激素。如,Moore(l989)将油菜素内酯类作为第六大植物激素,与五大植物激素并列写入教科书[2]。谢尔(1995)在第十五届国际植物学大会开幕式的主题报告中把水杨酸、茉莉酸列为新的植物激素。水杨酸
(SA)在16届国际植物生长物质会议上被接受为新型的植物激素。这些生理活性调节物质的归属较为混乱。根系是植物体的一个重要组成部分,发达的根系对植物体正常的生命活动及抵抗不良环境具有决定性的作用。侧根和根毛能够大幅度增加根系的吸收面积,其数量、分布及发育状况的好坏直接影响水肥的吸收,从而影响到植物体在多种条件下的生长状况,最终影响到植物体的产量。那么,这四种新型“植物激素”
innocence of muslims
怎样调控植物根系生长发育的呢?笔者对近些年国内外的研究作一阐述归纳[3,4,5]。
1油菜素内酯与根系生长发育的关系
美国农学家Mitchell等在上世纪1970年代初
期从油菜花粉中提取出一种生理活性物质,定名为
油菜素(Brassin)。后来Grove(1979)分离鉴定为油菜素内酯(Brassinolide)。目前已发现6O多种,总称为油菜素甾醇类(BrassinosteroidesBRs,云苔甾类)。其在很低的浓度水平(nmol或μmol)就表现出强的生物活性。有实验表明在黄化水稻幼苗第二叶片弯曲试验中,油菜素内脂在0.005mg・L-1时即可产生明显的倾斜效应。而生长素、赤霉素虽也有此反应,但一般在较高浓度下,才表现出倾斜效应。与传统的五
大类植物激素相比,其作用机理独特、生理效应广泛、生理活性极高,但用量仅是五大激素的千分之一。
李海航以0~10-6mo1・L-1的油菜素内酯(brassinolide,BR)溶液处理绿豆下胚轴,观察到随着BR浓度的增加,生根率降低[6]。酪蛋白激酶(caseinkinase,CKI)基因OsCKI1在水稻各种组织中表达时,受BR和ABA正调控。反义RNA技术研究发现,OsCKI1与水稻侧根和不定根发育有关,转反义OsCKI1基因水稻侧根和不定根数目减少,主根比未作处理的短,原因是细胞伸长受抑制;外源IAA能恢复转基因水稻的根正常发育。据此他们推测,OsCKI1可能参与生长素代谢或影响生长素含量。BR能诱导早期生长素响应基因IAA5和IAA19表达,但和IAA的诱导动力学特点不同[7]。Nakamara(2003)等进一步的工作发现,BR诱导IAA响应基因的表达是通过激活生长素响应因子进行的。这暗示BR和生长素在不定根发育中可能存在相互作用[8]。HiraiK(1991)研究表明:在低温条件下表油菜素内酯能增加水稻苗的高度、根系长
度和数量[5]
。Rǒnsch等研究表明,用表高油菜素内酯处理挪威云杉插穗,可使不定根生根率从对照的
淮南师范学院学报
JOURNALOFHUAINANTEACHERSCOLLEGE
tribord2006年第3期第8卷(总第37期)
No.3,2006
GeneralNo.37,Vol.8
第3期
50%增加到92%[9]。赵毓橘(1986)的研究结果表明,用0.05~0.5μg/g的表油菜素内酯(ep_brassinolide,epiBR)水溶液浸泡小麦种子24h,在光下培养5d后测定,结果表明表油菜素内酯对小麦根系的生长有促进作用,其中0.5μg/g浓度处理最为明显[10]。但高浓度却抑制根的产生和生长。
总之,油菜素内酯类化合物的促进效应及其作用机理现在仅限于初步的观察。油菜素内酯对生长素活性有增效作用,但这种增效作用是否由于影响植物对生长素的敏感性,仍待研究。
2水杨酸与根系生长发育的关系
水杨酸是一种植物体内普遍存在的酚类物质,大量实验证明,外源SA或乙酰水杨酸(ASA)影响植物体内许多生理过程,如对天南星科植物花序的产热、诱导成花、促进种子萌发、抑制伤信号转导,逆转气孔关闭,促进马铃薯块茎的形成等具有重要作用[11,12]。尤其重要的是,SA还是诱导烟草、黄瓜等植物产生全株获得性抗性(systemicaequiedresistance,SAR)的重要抗病信号物质。由于其不仅直接参与植物的生长发育,还可通过影响其它内源植物激素的水平来调节植物的生长发育。因此,目前,SA已被确定为一种新型的植物激素。
高夕全[13]等(2000)研究表明:一定浓度(10~500mg・L-1)的SA对根系的作用明显。尤其是50mg・L-1的SA对根系生长的促进作用最强烈,其中长度和鲜重分别比对照增加11.02%和12.47%。SA处理的浓度在0~50mg・L-1范围内,硝酸还原酶活性(NRA)随浓度的增加而增大,且50mg・L-1的SA对NRA的诱导作用最强烈,比对照增加68.12%。但随着浓度的继续加大,NRA呈下降趋势,经500mg・L-1的SA处理的幼苗的NRA仅比对照增加3.83%。因此,SA对NRA的诱导作用具有浓度效应。适宜浓度的水杨酸可以诱导硝酸还原酶的活性,并促进了根系的生长发育。SA在提高NRA的同时,可以显著提高幼苗的内源细胞分裂素和生长素的水平、降低ABA的水平。由于外源植物激素往往是通过调节内源激素的水平来发挥作用的,因此,SA对硝酸还原酶的诱导作用可能是通过提高内源细胞分裂素和生长素的水平以及降低脱落酸的水平来实现的。硝酸还原酶(NR)则反映了植物利用硝酸根
转化吸收氮素的能力强弱,硝酸还原酶活性(NRA)的高低和根系生长的状况在一定程度上关系到植物生长发育的状况。刘新等研究蚕豆幼苗生长结果进一步证明SA对内源激素确有影响,因而也影响植物生长,特别是从根饲喂SA后5d,根中IAA和iPA的明显增加与幼苗生长的加快一致[14]。
Kling和Meyer(1983)发现水杨酸(salicylicacid,SA)可促进绿豆去根芽的不定根形成,且与IAA有协同效应[15]。江玲等证实,10-6mo1・L-1SA处理莴苣幼苗初生根36h,可促进侧根原基形成,与生长素配合处理时有加成效应[16]。李玲报道,10~100mg・L-1SA抑制绿豆插条不定根形成,抑制程度随其处理浓度的加大而增加[17]。
3茉莉酸类与根系生长发育的关系
早在1971年人们就已分离出了茉莉酸,但直到1980年Ueda等才开始注意到这类化合物具有生长物质活性。植物胚的分化、种子萌发、生根和开花、气孔运动、色素台成、叶片衰老与脱落等生长发育过程以及植物在机械伤害、病虫害、干旱、盐胁迫等条件下的抗逆反应都与茉莉酸类化合物的作用密切相关。
在拟南芥中有两个LOX(茉莉酸合成过程中第一个关键酶)基因:Atloxl(Melanet
al,1993)、Atlox2(Belletal,1993,1995)。AtloxlmRNA在幼苗、花序、根、叶中均有表达,根和幼苗中表达较高。Atlox2蛋白具叶绿体导肽,定位于叶绿体,Aflox2mRNA在叶和花序中表达较高,而在种子、根、茎中较低。Kiyoshi(1998)研究结果表明10-9~10-8mol・L-1的JA能启动番茄侧根的萌发并促进其伸长,但对主根的影响很小;10-7mol・L-1的JA能迅速阻碍根的生长;10-5mol・L-1的JA能阻止主根的生长,同时也降低根细胞的伸长,增加液泡化程度,使得根尖变粗,根毛增加并且集中在根尖[18]。JA能增加细胞中的蔗糖的积累,促进微管微丝的增粗从而促进细胞膨大;JA也可以加速细胞的分裂,植物经JA处理后芽和根增粗、增厚,根毛增多变短,块茎变粗。阿月浑子Pistaciavera的茎尖微繁过程中,在生根培养基中加入1.0μmol・L-1的MJA,25℃条件下生根率能提高到80%以上。
李海航将绿豆下胚轴插条基部浸在不同浓度茉莉酸甲酯(methyljasmonate,MeJA)溶液中24h,发现10-5~10-3mo1・L-1MeJA处理的不定根数目显著增加。此外,1mmol・L-1MJA处理的绿豆,生根数比对照增加2.75倍[19]。
王树才(Wangetal,2002a;2002b)等研究结果已经表明,茉莉酸可以显著促进水稻侧根的发生,并且其作用似乎与生长素无关。但它是否能够促进其它植物侧根的发生,促进水稻侧根发生的机制及其与生长素的关系等都还需要进一步的研究。黄胜琴(2002)等研究结果表明
阴天的英文低浓度(10-7mol・L-1)的MeJA表现出对根有促进作用,对下胚轴有较明显的促进作用[20]。开心点
4多胺与根系生长发育的关系
多胺(Polyamines,PAs)是一组进化上高度保守的具有生物活性的低分子脂肪族含氮碱,如腐胺(Put)、亚精胺(Spd)、精胺(Spm)等的总称,它在植物体防御、受精、生长和发育方面作用重大[21]。
更换高等植物中PAs以阳离子状态存在于细胞中,它们能与DNA、RNA等大分子阴离子相结合,从而促进细胞分裂、促进植物生长。PAs也能促进植物体细胞胚的形成、不定芽的发生、根的形成和发生、子房和果实的发育、花原基的形成、花芽分化以及块茎的形成等。PAs还能抑制乙烯的合成,延缓离体叶片及果实的衰老。另外,PAs不仅调节植物的生长发育,还参与植物的胁迫反应。一般来说,多胺生物合成最活跃的地方,细胞分裂最旺盛。多胺的浓度及其生物合成速度的提高总是先于或与DNA和蛋白质的增加同时发生[22]。
在多胺类化合物与植物生长关系的试验中,广泛应用PA合成抑制剂,包括DFMA、DFMO、MGBG及CHA等,加深了对PA与生长发育关系的了解。
红岩故事李利,孙长忠:几种新型“植物激素”与根系生长发育的关系17
淮南师范学院学报第8卷
应用PA合成抑制剂的试验结果表明PA含量与植物根分化及生长有正相关,但也有相反的结果。虽然如此,一般的结论是PA合成抑制剂能阻碍生长发育,某些试验指出这种抑制现象能被外源PA所逆转[1]。
Shih与Galston(1985)报道腐胺/亚精胺浓度比率与豌豆根生长呈正相关,可见腐胺的可能重要作用[23]。离体烟草叶片分化内腐胺香豆酸结合体含量显著上升,施用多胺合成抑制剂DFMA及DFMO不但抑制腐胺合成,并且阻止根的分化(Burtin等,1990)[24]。但据苹果幼苗侧根形成与内源PA含量的分析结果(孙文全,1989)精胺含量的变化较精胺及腐胺更为显著[25]。又据石玉瑶与高景辉(1985)的报道,亚精胺、精胺及其前体鸟氨酸均能促进绿豆下胚轴的生根,但PA促进生根的效应必需有叶片存在,提示胚轴中某种来自叶片的物质与PA交互作用而促进生根。
在离体培养中,菊芋块状薄片的生长受到多胺的促进,这种促进作用与加入IAA或NAA的效果相同。JarviS(1983)等发现,Spm单独或与IBA合用都能提高绿豆幼茎插条的生根数,并且多胺与IBA在诱导生根方面有相加效应,同时,IBA诱导的生根过程中,多胺合成速度也加快,含量增加。由此看来,生长素类物质促进生长可能是通过多胺来实现的[26]。
近年来,在揭示植物激素调节根发育研究方面有很大进展。如BR和IAA都能诱导IAA5和IAA19的表达,但BR诱导IAA5和IAA19表达慢而持久。这就证实不同激素间的确存在共同的信号转导成员。因此,根发生发育过程中,共同的激素信号转导成员的时空表达行为值得研究。根的发生发育是一个复杂的过程,有多种植物激素参与。迄今,对新型“植物激素”根生长发育中的相互作用研究还很少,且较多还停留在传统的植物生理学水平上。因此,借助侧根或不定根发育的突变体,特别是激素信号转导和激素合成的突变体,合理地运用分子生物学和遗传学手段,再结合合适的模式植物来研究根的发育,将会极大地促进激素调控根发育的分子机制和信号网络的研究。
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