抑制植物生長的激素-脫落酸

引言歷代文學創(chuàng)作中，秋天的落葉總能勾起文人墨客“悲秋”的情緒，例如唐代詩人賈島“秋風生渭水，落葉滿長安”的名句就描繪了一幅秋風落葉圖，渲染出蕭瑟的氣氛。通常植物在春天開始生根發(fā)芽，夏天時變得枝繁葉茂，秋冬時節(jié)則開始衰敗凋落，然而這種我們早已熟知的變化規(guī)律背后卻是各種植物激素（planthormone）相互作用的結果。植物激素種類頗多，其中脫落酸因在落葉或其他將要脫落的器官中濃度較高而得名，它和生長素、細胞分裂素、乙烯以及赤霉素并稱為“五類植物激素”。圖1

其他常見的四類植物激素脫落酸的發(fā)現(xiàn)早在20世紀40年代，瑞典植物學家就發(fā)現(xiàn)馬鈴薯塊莖的休眠時間和塊莖中某種可溶性酸性物質的濃度之間存在正相關。然而，直到1963年，這種影響植物休眠的物質才由美國植物學家通過紙色譜技術首次從棉鈴中分離出來并命名為“abscisinII”。與此同時，英國研究者也從梧桐葉中分離出一種能夠誘導植物休眠的因子“dormin”。1965年，通過燃燒分析和多種譜學技術成功確定了“abscisinII”的化學結構，隨后人們意識到“abscisinII”和“dormin”其實是相同物質，該物質最后也正式更名為abscisicacid（脫落酸）并沿用至今。圖2

脫落酸的化學結構脫落酸的生物合成自從1963年脫落酸被發(fā)現(xiàn)以來，全世界范圍內的科學家對其進行了長期深入研究，并且在除植物以外的微生物甚至人體中發(fā)現(xiàn)了脫落酸的存在。因此，脫落酸的生物合成途徑引起了科學家們的極大興趣，目前脫落酸的生物合成途徑可大致分為間接途徑（高等植物）和直接途徑（真菌），前者以2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate，MEP）為起始原料，經(jīng)過復雜步驟合成關重要中間體?-胡蘿卜素，隨后?-胡蘿卜素再通過一系列氧化、環(huán)氧化、異構化等步驟合成關鍵中間體黃質醛（Xanthoxin）。黃質醛后續(xù)經(jīng)過黃質醛脫氫酶（Xanthoxindehydrogenase）和脫落醛氧化酶（abscisicaldehydeoxygenase）兩步氧化生成脫落酸（圖3，a）。不同于高等植物，真菌普遍采用法尼基焦磷酸（Farnesylpyrophosphate，F(xiàn)PP）為原料合成脫落酸，但具體合成路徑因物種不同存在一定差異，此處以灰葡萄尾孢菌為例簡要介紹真菌合成脫落酸的路徑。首先，F(xiàn)PP在酶的作用下環(huán)化生成α-芷香乙烷，隨后它經(jīng)過兩次氧化得到1′,4′-ABA二醇，最后在短鏈脫氫酶作用下生成脫落酸（圖3，b）。圖3

脫落酸的生物合成脫落酸的化學合成脫落酸的首次化學合成是在1965年完成，他們利用已知方法合成關鍵中間體3-甲基-5-(2,

6,

6-三甲基-1,3-環(huán)己二烯基)-(2Z,

4E)-戊二烯酸A，然后在氧氣存在下光照生成過氧化物中間體B，最后該中間體與NaOH共熱即可斷裂過氧鍵并脫水生成脫落酸，但遺憾的是他們僅能獲得外消旋的產(chǎn)物（圖4，a）。此后，諸多課題組圍繞脫落酸的全合成開展了系列工作，許多特色鮮明的合成路線相繼涌現(xiàn)，其中在1992年綜合了前人工作的優(yōu)缺點，不但解決了雙鍵順反異構問題，對映選擇性問題也在很大程度上得以解決，使得該路線成為目前合成手性脫落酸最為理想的方法之一（圖4，b）。他們根據(jù)前人報道首先合成“砌塊”C，然后利用鋅試劑對醛基親核加成引入側鏈基團（Reformatsky反應）生成中間體D，與此同時還會得到少量羥基對酯基分子內進攻環(huán)化的產(chǎn)物E。幸運的是，兩種產(chǎn)物均可以水解生成相同的產(chǎn)物F，隨后F可以通過一步轉化將環(huán)氧結構在酸性條件下開環(huán)得到脫落酸，也可通過分步法，即先脫去縮酮保護再進行開環(huán)同樣生成目標化合物。圖4

脫落酸的化學合成脫落酸的作用及應用脫落酸的主要功能是促進植物芽的休眠和抑制其萌發(fā)，另一個明顯的生理作用是引起氣孔迅速關閉，例如植物在干旱條件下其葉子內脫落酸的含量會大量增加。脫落酸的含量增加時，氣孔關閉，水分的蒸騰減少；澆水后脫落酸含量則下降，氣孔又張開，不難看出脫落酸調節(jié)氣孔的開閉反應是快速和可逆的，因此脫落酸還有調節(jié)蒸騰的作用。此外，脫落酸還有抑制營養(yǎng)器官的生長，促進葉片等器官的衰老和棉花幼果的脫落等作用。鑒于脫落酸在調節(jié)植物生長發(fā)育及抗逆性方面的作用，合理利用脫落酸對農(nóng)作物的增產(chǎn)、增收及改良作物品種都具有十分重要的意義。目前，市面上有較多商品化的脫落酸產(chǎn)品，它們對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。結束語植物激素的研究一直是植物科學的前沿和熱點領域之一，脫落酸作為內源性植物激素的代表在調控植物的生長發(fā)育和增產(chǎn)增收發(fā)面發(fā)揮了重要作用。然而，我們目前對于脫落酸的認知還不夠徹底，特別是對其分子作用機制方面的了解還不夠深入。此外，近年來也有研究揭示