6.5 脱落酸

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很早以前，人们认为内源抑制剂可调节植物的生长发育，酚类物质是植物内源抑制物质的主要成分。直至1963年，美国的Addicott等从未成熟的棉桃中分离出一种物质，它能促使棉桃的早熟脱落和最终脱落，并称之为脱落素Ⅱ(abscisin Ⅱ)。几乎同时，英国的Wareing等也从槭树叶片中分离出一种物质，它能导致芽的休眠，故称之为休眠素(dormin)。后来证实脱落素Ⅱ和休眠素是同一种物质，1965年确定其化学结构，1967年在第六届国际生长物质会议上统一称为脱落酸（abscicic acid , ABA）。

6.5.1脱落酸的化学结构、分布与运输

脱落酸是一种以异戊二烯为基本单位的含15碳的倍半萜羧酸，化学名称是5-（1’-羟基-2’，6’，6’-三甲基-4’-氧代-2’-环己烯-1’-基）-3-甲基-2-顺-4-反-戊二烯酸，分子式是C₁₅H₂₀O₄，相对分子质量为264.3。ABA难溶于水和石油醚等，但易溶于甲醇、乙醇和丙酮中。从图6-29所示：1’-C为一个不对称碳原子，因此脱落酸有两种旋光异构体，即右旋型（以+或S表示）和左旋型（以-或R表示）；由于C₂与C₃之间的双键，脱落酸又可形成两种几何异构体，即2-顺式（cis）和2-反式（trans），顺式ABA有生理效应，而反式ABA生理活性极弱。植物体内天然的脱落酸是顺式右旋的，以2- cis（S）-ABA或2- cis（+）-ABA表示，有时也存在痕量的2- trans（+）-ABA。人工合成的脱落酸是一种左右旋各占一半的外消旋混合物，以RS-ABA或（±）-ABA表示。左右旋ABA在多数情况下具有相同的生物活性，但在促进气孔关闭方面只有右旋ABA才具有活性。ABA因其化学合成品的价格极其昂贵，迄今仍不能广泛应用于农业生产中。

脱落酸广泛分布于植物界，包括被子植物、裸子植物、蕨类和苔藓。此外，在绿藻和某些真菌内也有脱落酸。高等植物从根冠到顶芽的各器官和组织中都能测到脱落酸的存在，其中以将要脱落或进入休眠的器官和组织中含量较多。当植物受到干旱、盐渍或寒冷引起的渗透胁迫时，其体内的脱落酸含量会迅速增加。脱落酸在高等植物体内的含量相差很大，如水生植物一般是3~5ng/g鲜重，而毛白杨幼嫩组织为420 ng/g鲜重，鳄梨果肉高达10000 ng/g鲜重。

 

                 图6-29 顺式-ABA和反式-ABA结构

  

脱落酸运输不具有极性，在菜豆叶柄切段中，¹⁴C-脱落酸向基部运输的速度是向顶部运输的速度的2-3倍。在木质部和韧皮部的汁液、以及维管组织外部的薄壁细胞中均发现ABA的存在，所以脱落酸可通过木质部、韧皮部和薄壁细胞进行运输。脱落酸在植物体内的运输速度很快，在茎中或在叶柄中的运输速度大约是 20mm/h。脱落酸主要以游离型的形式运输，也有部分是以脱落酸糖苷的形式运输。

6.5.2 脱落酸的生物合成和代谢

   在植物的根、茎、叶、花、果实和种子中都能合成脱落酸，其主要的合成部位是根尖和萎蔫的叶片，细胞内合成脱落酸的主要场所是质体（如叶绿体）。

6.5.2.1  脱落酸的生物合成

   脱落酸的生物合成主要有两条途径。（1）C₁₅的直接途径：由甲瓦龙酸（MVA）生成法呢基焦磷酸（FPP），再形成ABA，即MVA→FPP→ABA。这一途径是否存在于高等植物中，目前证据尚不充分。（2）C₄₀的间接途径：ABA由类胡萝卜素如紫黄质(violaxanthin)裂解形成。李义和Walton（1990）发现干旱中的黄化菜豆叶片内，有3种叶黄素的含量下降伴随着ABA含量的上升，这3种叶黄素分别是全反式堇菜黄素(all-trans- violaxanthin )、9’-顺式堇菜黄素(9’-cis- violaxanthin)和9’-顺式新黄素(9’-cis-neoxanthin)。9’-顺式新黄素是ABA直接的未裂解前体，因此9’-顺式新黄素的裂解反应在ABA合成过程中起限速作用，催化此反应的酶存在于叶绿体中。干旱等胁迫条件下，该酶的合成量或活性增加，使黄质醛（xanthoxin , XAN）形成加快，ABA大量合成。另外研究还表明，ABA

醛只是ABA直接前体的一种。总之，目前普遍认为高等植物体内ABA合成的主要途径是C₄₀的间接途径（图6-30）。   

图6-30  ABA生物合成的C₄₀间接途径（引自潘瑞炽，2001）

 

以上可看出，甲瓦龙酸代谢在植物激素生物合成过程中起重要的作用，因在不同条件下，它的中间产物——异戊烯基焦磷酸（iPP）能形成赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和类胡萝卜素（图6-31）。因此，甲瓦龙酸在植物激素生物合成过程中的代谢方向对植物的生长发育及对环境的适应具有重要意义。

    

  图6-31 赤霉素、细胞分裂素和脱落酸三者之间的合成关系（引自潘瑞炽，2001）

 

6.5.2.2  脱落酸的代谢

    植物体内脱落酸的代谢具有多条途径，而脱落酸的降解主要通过氧化和结合作用这两条途径进行（图6-32）。

1、氧化降解途径  ABA在单加氧酶的作用下，首先形成8’-羟基ABA，该物质极不稳定，很容易氧化形成略有活性的红花菜豆酸（phaseic acid , PA），PA进一步被还原为完全失去活性的二氢红花菜豆酸(dihydrophaseic acid , DPA)。脱落酸氧化降解的产物8’-羟基ABA 、PA和DPA均可形成相应的结合态，如在苍耳、芒果等中存在的PA-β-葡萄糖酯，从鳄梨和葡萄中发现的DPA-4’-O-葡萄糖苷。

2、结合失活途径   脱落酸有3种结合态：ABA-葡萄糖酯、ABA -葡萄糖苷和ABA-酰胺。其中以ABA-葡萄糖酯、ABA-葡萄糖苷为主，因它们是ABA在导管或筛管等中的运输形式。结合态ABA主要存在于液泡中，所以液泡化程度较低的幼嫩组织，其结合态ABA含量较低。结合态ABA和游离态ABA在植物体内可相互转化。在正常情况下，植物组织中游离态ABA含量较少，但当出现环境胁迫时，结合态ABA可转变为游离态ABA，待胁迫解除后部分游离态ABA又可恢复为结合态ABA。所以干旱等环境胁迫使植物体内ABA含量迅速增加，一方面是重新合成，另一方面是结合态转变为游离态的结果。

  

      图6-32  ABA氧化降解和结合态ABA形成的过程（引自曾广文等，2000）

 6.5.3  脱落酸的生理作用    

脱落酸除了对植物的生长发育有抑制作用外，还具有多种生理功能。

6.5.3.1 促进气孔关闭

    脱落酸具有明显地促进气孔关闭的生理效应。将极低浓度的ABA(1µmol/L)施于叶片时，气孔就会关闭。拟南芥、西红柿和玉米等ABA-缺乏型突变体，也因为内源ABA水平低，导致叶片的气孔开度过大和水分丧失过快，表现出持续的萎蔫现象，但喷洒外源ABA即可以使气孔关闭，缓解这种萎蔫现象。ABA促进气孔关闭的原因：ABA可使保卫细胞胞质中IP₃增加，打开Ca²⁺ 通道，使液泡中的Ca²⁺ 释放到细胞质中，从而抑制保卫细胞质膜上的内向K⁺ 通道，保卫细胞内K⁺ 浓度减少；与此同时，ABA引起细胞质pH值升高，从而启动质膜上外向K⁺通道， K⁺ 外流；ABA还活化外向Cl^- 通道，Cl^- 外流，保卫细胞内Cl^- 溶度减少。这些离子变化结果使保卫细胞膨压下降，气孔关闭。

6.5.3.2 促进休眠

    脱落酸与赤霉素的作用恰恰相反，它能促进多种多年生木本植物芽休眠和种子休眠。如将ABA施用在木本植物旺盛生长的枝条上，结果枝条停止生长而进入休眠状态。目前认为，植物的休眠和生长，是由脱落酸和赤霉素这两种激素调节的。现已知，脱落酸与赤霉素合成都来自于甲瓦龙酸;在光敏色素作用下，长日照条件形成赤霉素，短日照条件下形成脱落酸。一般木本植物从秋季到冬季，随日照缩短，植物体内脱落酸含量渐增，树芽进入休眠；从春季到夏季，随日照延长，植物体内脱落酸含量减少并消失，而赤霉素含量却提高，使树木发芽并生长。脱落酸是许多植物种子内发芽的抑制物，种子一般要经过低温层积等处理，使种子内脱落酸含量下降，赤霉素含量增高，才能打破休眠促进萌发。ABA-缺乏型的拟南芥突变体试验结果表明脱落酸具有促进种子休眠的作用。通常对种子来说，脱落酸诱导休眠，细胞分裂素拮抗脱落酸的作用，而赤霉素促进种子萌发。

6.5.3.3  促进器官脱落

    脱落酸具有明显促进器官脱落的作用。如将带第一对叶的棉花幼苗茎切下来，用注射器把含有脱落酸的琼脂注于叶柄切面或茎切面上，经一段时间后，在叶柄上施加一定的外力，叶柄就会脱落，并以注于叶柄切面上的效果更好。此效应已被用于脱落酸的生物鉴定。但是如果在整体植株上进行脱落酸试验，则脱落现象不明显，因为脱落是一种相关现象，它是由植物体内促进型和抑制型激素间相互作用的结果。在整体植株上，如果把脱落酸施于幼小叶片上，则其促进脱落的效果很差；但若施于成熟叶片上，则其促进脱落的效果明显。这说明脱落酸只能促进已经开始衰老的过程加速进行，而不是诱发衰老的起因。

6.5.3.4  提高抗逆性

    在干旱、水涝或盐渍等逆境中，植物体内脱落酸含量会急剧增加，增加的速度及其持续时间取决于逆境胁迫的强度和时间以及植物基因型，但这种增加会使植物体从生理、生化和分子水平上产生了适应性变化，从而增加植物的抗逆性，故脱落酸常被称为胁迫激素（stress hormone ）。如小麦正常叶片的ABA含量为44µ g/kg（鲜重），在干燥气流中叶片萎蔫4h，ABA含量就会上升到257µ g/kg（鲜重）。在干旱等逆境中形成的ABA，从叶肉细胞或根部迅速地运到保卫细胞，使保卫细胞ABA浓度提高，气孔关闭，减少水分丧失，提高植物抗旱能力，所以脱落酸又有抗蒸腾剂（antitranspirant）之称。现已知，在逆境胁迫下，脱落酸还有增加脯氨酸含量、稳定膜结构和诱导逆境蛋白（如脱水蛋白，dehydrin）形成等效应。一般植物体内脱落酸的积累与抗逆性的增强有显著的正相关，外施脱落酸也能增强植物对多种逆境的抗性。

    脱落酸还具有其它的生理功能。如脱落酸对植物器官分化具有调节作用：促进不定根的形成；抑制腋枝的生长；与块茎形成有关；促进花器官的分化和发育；参与合子胚发育的调控；促进多种植物“人工种子”胚状体的正常化和同步化以及提高成株率。脱落酸还能诱导种子储存蛋白的合成，促进光合产物运往发育着的种子，促进根系的吸水和某些果实的成熟以及抑制植物多种器官生长等。

6.5.4  脱落酸的作用机理

6.5.4.1脱落酸的受体和信号传导

    自Hornberg和 Weiler(1984)证明蚕豆叶片保卫细胞质膜上存在脱落酸的高亲和结合位点以来,人们相继又在玉米幼苗根尖和水稻幼叶等材料的微粒体膜上、细胞质和细胞核中发现有脱落酸结合蛋白的存在。并在蚕豆和玉米等材料中分离得到多种不同分子量的脱落酸结合蛋白。这些说明不同的植物、器官和细胞类型可能存在不同的脱落酸结合蛋白，它们分别行使不同的功能。

    气孔保卫细胞试验表明，脱落酸的信号传导途径可能是：ABA与质膜上的受体结合后，激活G蛋白，G蛋白再活化磷脂酶C而导致IP₃的释放。IP₃一方面促使Ca²⁺从液泡和/或内质网转移到细胞质中，另一方面促进胞外Ca²⁺通过阳离子通道进入细胞质，引起胞质中Ca²⁺浓度的升高。但在大麦糊粉层和番茄试验中，却发现存在不同的ABA信号转导途径（图6-33）。ABA在不同植物中可以通过不同的途径调控多种酶的活性、离子通道和基因的表达。而这些多样的信号途径之间又以不同方式的相互交叉联系，形成复杂的信号网络系统。一种胞外刺激所引起的主要信号传递途径通常会影响其它途径，而产生多种效应，从而调节基因表达，发生生理反应。

                  图6-33  ABA信号转导途径模式图（引自刘璞等，2000）

             （ cADPR：环腺苷二磷酸核糖； ABI1、 ABI2 ：蛋白磷酸酶）

 

6.5.4.2 脱落酸对基因表达的调控

脱落酸能表现出多种生理作用，是与它对基因表达的调控分不开的。目前已知150余种植物基因可受外源脱落酸的诱导，其中大部分在种子发育晚期和/或受环境胁迫的营养组织中表达。ABA能在不同水平上调控着特异基因的表达。如小麦胚蛋白（Em）基因的表达对ABA的响应发生在转录水平。将小麦胚置于含ABA的基质中，编码Em的mRNA含量相应地增加。但脱落酸处理大麦糊粉层细胞后，在转录水平上却阻遏GA诱导的a-淀粉酶mRNA的积累，并且在翻译水平上也抑制a-淀粉酶的合成。另一方面，贺端华等（1979）和Higgins等（1980）的结果表明，脱落酸处理大麦糊粉层细胞后，至少有16种新肽形成并迅速转变为蛋白质。看来脱落酸对基因表达调控的机制还比较复杂，有待更进一步深入的研究。

6.6  植物激素间的相互关系

    植物体内各种激素是同时存在的，它们之间的生理效应有相互促进的方面也有相互拮抗的方面。植物生长发育的任何阶段都不可能是某一种激素单独在起作用，而是由多种激素相互作用（interactions）的结果。正是由于植物激素间的共同作用相互协调的结果，才能达到调控植物适度生长发育的结果。因此，在植物激素的理论和应用研究时，越来越重视这种相互作用关系的研究。

6.6.1  不同激素间的比值对生理效应的影响

1、对器官分化的影响  在组织培养中，细胞分裂素和生长素间的比值调控着愈伤组织的生长和分化。当CTK/IAA比值低时，愈伤组织分化根；比值高时分化芽；比值处于中间水平时只有愈伤组织的生长。另外，赤霉素与生长素的比例控制着形成层的分化。当GA/IAA比值高时，有利于韧皮部的分化，反之有利于木质部的分化。

2、对性别分化的影响  植物激素相互作用控制雌雄异花和雌雄异株植物花性别的分化。乙烯与赤霉素浓度比值高时有利于黄瓜雌花的分化，相反的情况则有利于雄花的分化。在雌雄异株的大麻、菠菜等植物中，花性别的分化则取决于细胞分裂素与赤霉素的浓度比值。在试验中发现，当去掉大麻等植株的叶片时，根部合成的细胞分裂素直接运至顶芽并促进其分化雌花；当去掉根系时，叶片中合成的赤霉素直接运至顶芽并促进其分化雄花。在自然状况下，根部与叶片中形成的激素间是基本保持平衡的，因此雌雄植株的比例基本相同。

6.6.2  不同激素间的拮抗作用对生理效应的影响

    一类激素的作用可以抵消另一类激素的作用,称为拮抗作用。生长素、细胞分裂素和赤霉素均有促进植物生长的效应，而脱落酸均能拮抗这三者的促进效应。如赤霉素能诱导a-淀粉酶的合成，有促进种子萌发的作用,此效应可被脱落酸抑制。细胞分裂素能抑制叶绿素、核酸和蛋白质的降解，从而抑制叶片的衰老，而脱落酸却通过抑制核酸和蛋白质的合成并提高核酸酶活性等，促进叶片的衰老。所以，细胞分裂素和脱落酸对器官的衰老进程起着调节作用。另外，细胞分裂素和脱落酸对气孔运动的调节也表现出相互拮抗效应。

    生长素、细胞分裂素和赤霉素虽然对植物生长有促进作用，但它们间也存在相互对抗的一面。如生长素抑制侧芽萌发，维持植物的顶端优势，而细胞分裂素却能消除顶端优势，促进侧芽生长。生长素促进黄瓜雌花的分化，赤霉素却促进雄花的分化，并且赤霉素能抵消生长素的作用，反之亦然。

6.6.3  不同激素间代谢的相互关系对生理效应的影响

    一类植物激素可以通过影响其他激素的合成、代谢和运输，来改变其他激素的内源水平，从而达到影响植物的生长发育。如较高浓度的生长素可通过促进ACC合酶的活性，来提高植物体内乙烯的含量；而乙烯产生一定数量后，却反过来提高IAA氧化酶的活性，抑

           图6-34 生长素和赤霉素对离体豌豆节间切段伸长生长的效应

制生长素的合成与极性运输，结果使植物体内生长素浓度下降。生长素与乙烯间这种负反馈关系可起到调控植物器官脱落的作用。再如细胞分裂素能抑制生长素结合态的形成及氧化酶的活性，从而提高生长素的浓度；赤霉素能抑制生长素氧化酶的活性，促进生长素的生物合成，从而表现出对生长素的协同增效作用。图6-34表明，低浓度生长素对离体豌豆茎切段的伸长有促进作用，赤霉素也有相似的效果，但两者合用时，促进效果更明显。

6.6.4   不同激素间的连锁性作用对生长发育的调控

    研究表明,植物内源激素的含量往往伴随着生长发育进程而有显著的动态变化，这说明在植物生长发育的不同阶段是由某一或某些特定的激素起着定向的作用。对整个生长发育过程而言，各种激素起着连锁性作用。如小麦种子发育过程中，几种激素含量有顺序地出现高峰，其变化规律正好与种子发育进程同步。即胚发育早期出现细胞分裂素的高峰，此时细胞分裂的速率也最高；当种子进入快速生长期时，细胞分裂素水平下降，而赤霉素与生长素的水平上升；当胚发育开始进入后期，赤霉素与生长素的水平开始下降，而脱落酸水平开始上升；到了成熟期，种子的体积和干重都达最大时，脱落酸水平也达到高峰。

综上所述，植物生长发育过程受内源激素多方面调节和控制。植物除含这五大激素外，还含有许多微量有机化合物，如油菜素内酯和多胺等，它们对植物生长发育也表现出特殊的调节作用，它们与激素间也有相互作用，并综合影响着植物的生长发育进程。应该说，目前人们对植物激素间相互关系已经有了一定的了解，也已经将这些知识应用于指导生产实践。但是，由于我们所掌握的这些知识基本上还是处于定性水平而非定量水平上，因此这些已经掌握的知识在指导应用上作用还是有限的，还需要不断做出更多的努力。