細(xì)胞分裂素具體介紹

1、細(xì)胞分裂素具體介紹三、細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn)和種類一、細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn)和種類 生長素和赤霉素的主要作用都是促進(jìn)細(xì)胞的伸長，雖然它們也能促進(jìn)細(xì)胞分裂，但是次要的，而細(xì)胞分裂素類則是以促進(jìn)細(xì)胞分裂為主的一類植物激素。(一)細(xì)胞分裂素的發(fā)現(xiàn) 斯庫格(F.Skoog)和崔氵山王攵(1948)等在尋找促進(jìn)組織培養(yǎng)中細(xì)胞分裂的物質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)生長素存在時(shí)腺嘌呤具有促進(jìn)細(xì)胞分裂的活性。1954年，雅布隆斯基(J.R.Jablonski)和斯庫格發(fā)現(xiàn)煙草髓組織在只含有生長素的培養(yǎng)基中細(xì)胞不分裂而只長大，如將髓組織與維管束接觸，則細(xì)胞分裂。后來他們發(fā)現(xiàn)維管組織、椰子乳汁或麥芽提取液中都含有誘導(dǎo)細(xì)胞分裂的物質(zhì)。1955年米

2、勒(C.O.Miller)和斯庫格等偶然將存放了4年的鯡魚精細(xì)胞DNA加入到煙草髓組織的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)也能誘導(dǎo)細(xì)胞的分裂，且其效果優(yōu)于腺嘌呤，但用新提取的DNA卻無促進(jìn)細(xì)胞分裂的活性，如將其在pH4的條件下進(jìn)行高壓滅菌處理，則又可表現(xiàn)出促進(jìn)細(xì)胞分裂的活性。他們分離出了這種活性物質(zhì)，并命名為激動(dòng)素(kinetin,KT)。1956年，米勒等從高壓滅菌處理的鯡魚精細(xì)胞DNA分解產(chǎn)物中純化出了激動(dòng)素結(jié)晶，并鑒定出其化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖7-15)為6-呋喃氨基嘌呤(N6-furfurylaminopurine)，分子式為C10H9N50，分子量為215.2，接著又人工合成了這種物質(zhì)。激動(dòng)素并非DNA的組成部分

3、，它是DNA在高壓滅菌處理過程中發(fā)生降解后的重排分子。激動(dòng)素只存在于動(dòng)物體內(nèi)，在植物體內(nèi)迄今為止還未發(fā)現(xiàn)。盡管植物體內(nèi)不存在激動(dòng)素，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)廣泛分布著能促進(jìn)細(xì)胞分裂的物質(zhì)。1963年，萊撒姆(D.S.Letham)從未成熟的玉米籽粒中分離出了一種類似于激動(dòng)素的細(xì)胞分裂促進(jìn)物質(zhì)，命名為玉米素(zeatin,Z，ZT)，1964年確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)為6-(4-羥基-3-甲基 -反式-2-丁烯基氨基)嘌呤6-(4-hydroxyl-3-methy-trans-2-butenylamino)purine,分子式為C10H13N50，分子量為129.7(圖7-15)。玉米素是最早發(fā)現(xiàn)的植物天然細(xì)胞

4、分裂素，其生理活性遠(yuǎn)強(qiáng)于激動(dòng)素。 圖 7-15 常見的天然細(xì)胞分裂素和人工合成的細(xì)胞分裂素的結(jié)構(gòu)式1965年斯庫格等提議將來源于植物的、其生理活性類似于激動(dòng)素的化合物統(tǒng)稱為細(xì)胞分裂素(cytokinin, CTK，CK)，目前在高等植物中已至少鑒定出了30多種細(xì)胞分裂素。（二）細(xì)胞分裂素的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 天然細(xì)胞分裂素可分為兩類，一類為游離態(tài)細(xì)胞分裂素，除最早發(fā)現(xiàn)的玉米素外，還有玉米素核苷(zeatin riboside)、二氫玉米素(dihydrozeatin)、異戊烯基腺嘌呤(isopentenyladenine，iP)等。 v另一類為結(jié)合態(tài)細(xì)胞分裂素。結(jié)合態(tài)細(xì)胞分裂素有異戊烯基腺苷(is

5、opentenyl adenosine，iPA)、甲硫基異戊烯基腺苷、甲硫基玉米素等，它們結(jié)合在tRNA上，構(gòu)成tRNA的組成成分。細(xì)胞分裂素都為腺嘌呤的衍生物，是腺嘌呤6位和9位上N原子以及2位C原子上的H被取代的產(chǎn)物(圖7-15)。常見的人工合成的細(xì)胞分裂素有：激動(dòng)素(KT)、6-芐基腺嘌呤(6-benzyl adenine,BA，6-BA)(圖7-15)和四氫吡喃芐基腺嘌呤(tetrahydropyranyl benzyladenine,又稱多氯苯甲酸，簡稱PBA)等。在農(nóng)業(yè)和園藝上應(yīng)用得最廣的細(xì)胞分裂素是激動(dòng)素和6-芐基腺嘌呤。有的化學(xué)物質(zhì)雖然不具腺嘌呤結(jié)構(gòu)，但仍然具有細(xì)胞分裂素的生理

6、作用，如二苯脲(diphenylurea)。 二、細(xì)胞分裂素的運(yùn)輸與代謝 （一）含量與運(yùn)輸 在高等植物中細(xì)胞分裂素主要存在于可進(jìn)行細(xì)胞分裂的部位，如莖尖、根尖、未成熟的種子、萌發(fā)的種子和生長著的果實(shí)等。一般而言，細(xì)胞分裂素的含量為11000ngg-1植物干重。從高等植物中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞分裂素，大多數(shù)是玉米素或玉米素核苷。 一般認(rèn)為，細(xì)胞分裂素的合成部位是根尖，然后經(jīng)過木質(zhì)部運(yùn)往地上部產(chǎn)生生理效應(yīng)。在植物的傷流液中含有細(xì)胞分裂素。隨著試驗(yàn)研究的深入，發(fā)現(xiàn)根尖并不是細(xì)胞分裂素合成的唯一部位。陳政茂(1978)等首先證明標(biāo)記的腺嘌呤能摻入無根的煙草組織的地上部，合成異戊烯基腺嘌呤等?？逻_(dá)(Koda)等在

7、培養(yǎng)石刁柏莖頂端時(shí)，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基和莖中的細(xì)胞分裂素總量有所增加，這說明莖頂端也能合成細(xì)胞分裂素。冠癭組織在無細(xì)胞分裂素的培養(yǎng)基中生長良好，而測定表明，其組織中含有豐富的細(xì)胞分裂素。此外萌發(fā)的種子和發(fā)育著的果實(shí)也可能是細(xì)胞分裂素的合成部位。但這些研究都是在離體的情況下進(jìn)行的，尚需研究這些部位在整株條件下合成細(xì)胞分裂素的情況。 （二）細(xì)胞分裂素的代謝植物體內(nèi)游離型細(xì)胞分裂素一部分來源于tRNA的降解，其中的細(xì)胞分裂素游離出來。另外也可以從其它途徑合成細(xì)胞分裂素。細(xì)胞分裂素合成的關(guān)鍵步驟是異戊烯基焦磷(isopentenyl pyrophosphate,iPP)和AMP，在異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(isopen

8、tenyl tansferase)催化下，形成異戊烯基腺苷-5-磷酸，進(jìn)而在水解酶作用下形成異戊烯基腺嘌呤。異戊烯基腺嘌呤如進(jìn)一步氧化，就能形成玉米素(圖7-16)。圖7-16 細(xì)胞分裂素的生物合成途徑細(xì)胞分裂素常常通過糖基化、乙?；确绞睫D(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)形式。細(xì)胞分裂素的結(jié)合態(tài)形式較為穩(wěn)定，適于貯藏或運(yùn)輸。在細(xì)胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase)的作用下，玉米素、玉米素核苷和異戊烯基腺嘌呤等可轉(zhuǎn)變?yōu)橄汆堰始捌溲苌?，?xì)胞分裂素氧化酶可能對(duì)細(xì)胞分裂素起鈍化作用，防止細(xì)胞分裂素積累過多，產(chǎn)生毒害。已在多種植物中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞分裂素氧化酶的存在。三、細(xì)胞分裂素的生理效應(yīng) （一）促進(jìn)細(xì)胞分

9、裂 細(xì)胞分裂素的主要生理功能就是促進(jìn)細(xì)胞的分裂。生長素、赤霉素和細(xì)胞分裂素都有促進(jìn)細(xì)胞分裂的效應(yīng)，但它們各自所起的作用不同。細(xì)胞分裂包括核分裂和胞質(zhì)分裂兩個(gè)過程，生長素只促進(jìn)核的分裂(因促進(jìn)了DNA的合成)，而與細(xì)胞質(zhì)的分裂無關(guān)。而細(xì)胞分裂素主要是對(duì)細(xì)胞質(zhì)的分裂起作用，所以，細(xì)胞分裂素促進(jìn)細(xì)胞分裂的效應(yīng)只有在生長素存在的前提下才能表現(xiàn)出來。而赤霉素促進(jìn)細(xì)胞分裂主要是縮短了細(xì)胞周期中的G1期(DNA合成準(zhǔn)備期)和S期(DNA合成期)的時(shí)間，從而加速了細(xì)胞的分裂。（二）促進(jìn)芽的分化促進(jìn)芽的分化是細(xì)胞分裂素最重要的生理效應(yīng)之一。1957年斯庫格和米勒在進(jìn)行煙草的組織培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂素(激動(dòng)素)和

10、生長素的相互作用控制著愈傷組織根、芽的形成。當(dāng)培養(yǎng)基中CTK/IAA的比值高時(shí)，愈傷組織形成芽；當(dāng)CTK/IAA的比值低時(shí)，愈傷組織形成根；如二者的濃度相等，則愈傷組織保持生長而不分化；所以，通過調(diào)整二者的比值，可誘導(dǎo)愈傷組織形成完整的植株。 （三）促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)大細(xì)胞分裂素可促進(jìn)一些雙子葉植物如菜豆、蘿卜的子葉或葉圓片擴(kuò)大（圖7-17），這種擴(kuò)大主要是因?yàn)榇龠M(jìn)了細(xì)胞的橫向增粗。由于生長素只促進(jìn)細(xì)胞的縱向伸長，而赤霉素對(duì)子葉的擴(kuò)大沒有顯著效應(yīng)，所以CTK這種對(duì)子葉擴(kuò)大的效應(yīng)可作為CTK的一種生物測定方法。 圖7-17 細(xì)胞分裂素對(duì)蘿卜子葉膨大的作用本實(shí)驗(yàn)描述了光和細(xì)胞分裂素的作用是加性的。T0表示

11、實(shí)驗(yàn)開始之前萌發(fā)的蘿卜幼苗，離體的子葉在加或不加2.5mM玉米素的情況下在暗中或光下培養(yǎng)三天（T3）。結(jié)果表明，在暗中或光下，玉米素處理的子葉都比對(duì)照子葉明顯膨大。（四）促進(jìn)側(cè)芽發(fā)育，消除頂端優(yōu)勢 CTK能解除由生長素所引起的頂端優(yōu)勢，促進(jìn)側(cè)芽生長發(fā)育。如豌豆苗第一真葉葉腋內(nèi)的側(cè)芽，一般處于潛伏狀態(tài)，但若以激動(dòng)素溶液滴加于葉腋部分，腋芽則可生長發(fā)育。（五）延緩葉片衰老 如在離體葉片上局部涂以激動(dòng)素，則在葉片其余部位變黃衰老時(shí)，涂抹激動(dòng)素的部位仍保持鮮綠(圖7-18A、B)。這不僅說明了激動(dòng)素有延緩葉片衰老的作用，而且說明了激動(dòng)素在一般組織中是不易移動(dòng)的。 細(xì)胞分裂素延緩衰老是由于細(xì)胞分裂素能夠

12、延緩葉綠素和蛋白質(zhì)的降解速度，穩(wěn)定多聚核糖體(蛋白質(zhì)高速合成的場所)，抑制DNA酶、RNA酶及蛋白酶的活性，保持膜的完整性等。此外，CTK還可調(diào)動(dòng)多種養(yǎng)分向處理部位移動(dòng)(圖7-18C)，因此有人認(rèn)為CTK延緩衰老的另一原因是由于促進(jìn)了物質(zhì)的積累，現(xiàn)在有許多資料證明激動(dòng)素有促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)合成的作用。例如細(xì)胞分裂素可抑制與衰老有關(guān)的一些水解酶(如纖維素酶、果膠酶、核糖核酸酶等)的mRNA的合成，所以，CTK可能在轉(zhuǎn)錄水平上起防止衰老的作用。 圖7-18 激動(dòng)素的保綠作用及對(duì)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊?由于CTK有保綠及延緩衰老等作用，故可用來處理水果和鮮花等以保鮮、保綠，防止落果。如用400mgL-1的6-

13、BA水溶液處理柑橘幼果，可顯著防止第一次生理脫落，對(duì)照的坐果率為21%，而處理的可達(dá)91%，且果梗加粗，果實(shí)濃綠，果實(shí)也比對(duì)照顯著增大。 (六)打破種子休眠 需光種子，如萵苣和煙草等在黑暗中不能萌發(fā)，用細(xì)胞分裂素則可代替光照打破這類種子的休眠，促進(jìn)其萌發(fā)。四、細(xì)胞分裂素的作用機(jī)理 （一）細(xì)胞分裂素結(jié)合蛋白 關(guān)于細(xì)胞分裂素的結(jié)合位點(diǎn)有多種不同的報(bào)道。埃里奧和?？怂?Erion and Fox，1981)以小麥胚的核糖體為材料，發(fā)現(xiàn)其中含有一種高度專一性和高親和力的細(xì)胞分裂素結(jié)合蛋白，分子量為183 000，含有四個(gè)不同的亞基。福克斯等(1992)進(jìn)一步分析不同來源的小麥及不同禾谷作物胚芽的細(xì)胞分

14、裂素結(jié)合蛋白，證實(shí)其亞基數(shù)不同，這也說明細(xì)胞分裂素結(jié)合蛋白的多樣性。細(xì)胞分裂素結(jié)合蛋白存在于核糖體上，提示其可能與RNA翻譯作用有關(guān)。有報(bào)道認(rèn)為綠豆線粒體有與細(xì)胞分裂素高親和力的結(jié)合蛋白。黃海等(1987)發(fā)現(xiàn)小麥葉片葉綠體中也存在細(xì)胞分裂素受體，也有認(rèn)為細(xì)胞分裂素結(jié)合蛋白可能參與葉綠體能量轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)。（二）細(xì)胞分裂素對(duì)轉(zhuǎn)錄和翻譯的控制 激動(dòng)素能與豌豆芽染色質(zhì)結(jié)合，調(diào)節(jié)基因活性，促進(jìn)RNA合成。6-BA加入到大麥葉染色體的轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中，增加了RNA聚合酶的活性。在蠶豆細(xì)胞中，6-BA或受體蛋白單獨(dú)存在時(shí)，都不能促進(jìn)RNA合成，只有兩者同時(shí)存在下，3H-UTP摻入核酸中的量才顯著增多。這表明細(xì)胞分

15、裂素有促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的作用。 多種細(xì)胞分裂素是植物tRNA的組成成分，占tRNA結(jié)構(gòu)中約30個(gè)稀有堿基的小部分。這些細(xì)胞分裂素成分都在tRNA反密碼子(anti-codon)的3末端的鄰近位置，由于tRNA反密碼子與mRNA密碼子之間相互作用，因此曾設(shè)想，細(xì)胞分裂素有可能通過它在tRNA上的功能，在翻譯水平發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，由此通過控制特殊蛋白質(zhì)合成來發(fā)揮作用。但是，玉米種子tRNA含有順式玉米素，而游離玉米素則是反式的，這使人們懷疑細(xì)胞分裂素與tRNA的關(guān)系。然而現(xiàn)已從菜豆 (Phasolus vulgaris) 種子中分離出玉米素順反異構(gòu)酶(zeatin cis-trans-isomerase),暗

16、示了細(xì)胞分裂素和tRNA之間確實(shí)存在某種關(guān)系。 細(xì)胞分裂素可以促進(jìn)蛋白質(zhì)的生物合成。因?yàn)榧?xì)胞分裂素存在于核糖體上，促進(jìn)核糖體與mRNA結(jié)合，形成多核糖體，加快翻譯速度，形成新的蛋白質(zhì)。試驗(yàn)證實(shí)，細(xì)胞分裂素可誘導(dǎo)煙草細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成，形成新的硝酸還原酶。此外，細(xì)胞分裂素還促進(jìn)mRNA的合成，克羅韋爾(Crowell，1990)從大豆細(xì)胞得到20種DNA克隆及所產(chǎn)生的mRNA，細(xì)胞分裂素處理后4h內(nèi)，這些mRNA明顯增加，比對(duì)照高2倍20倍。不同的細(xì)胞分裂素表現(xiàn)相似的效果。這些mRNA的變化發(fā)生在生長反應(yīng)之前，且受生長素的影響。 （三）細(xì)胞分裂素與鈣信使的關(guān)系 細(xì)胞分裂素的作用可能與鈣密切相關(guān)。在多種依賴細(xì)胞分裂素的植物生理試驗(yàn)中，鈣與細(xì)胞分裂素表現(xiàn)相似的或相互增強(qiáng)的效果，如延緩玉米葉片老化，擴(kuò)大蒼耳子葉面積等。森德斯和赫普勒(Sunders and Hepler，1982)用葫蘆蘚絲體為試驗(yàn)材料，測定細(xì)胞分裂素促進(jìn)芽分化效果與鈣分布的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞分裂素處理12h后原絲體尖端細(xì)胞中鈣含量顯著增加，后來芽即從這個(gè)鈣累積部位分化。森德斯(1990)用免疫技術(shù)顯示了細(xì)胞分裂素在絲體內(nèi)的分布。在不能分化成芽的絲體尖端細(xì)胞內(nèi)沒有細(xì)胞分裂素積累，但在具有芽分化能力的絲體尖端卻呈現(xiàn)強(qiáng)烈的