第十二章脱落酸.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一 脱落酸的发现,Discovery,二脱落酸的结构与活性,Structure&activity,三脱落酸的生物合成、运输和代谢,Metabolism of ABA,四脱落酸的生理功能,Physiological Effects,五脱落酸的作用机制,Mechanisms of ABA Action,第五节 脱落酸,Abscisic Acid,一 ABA的发现,1963年,F.T.Addicott等(美),研究棉花幼果脱落，提纯、结晶一种物质：,脱落素(abscisin),P.F.Wareing等(英),桦树,促进芽休眠的物质:,休眠素,1965年确定了化学结构式；,1967年第六届国际植物生长物质会议上统一定名为,脱落酸(absiaisic acid，ABA),。,一 脱落酸的发现,Discovery,二脱落酸的结构与活性,Structure&activity,三脱落酸的生物合成、运输和代谢,Metabolism of ABA,四脱落酸的生理功能,Physiological Effects,五脱落酸的作用机制,Mechanisms of ABA Action,第五节 脱落酸,Abscisic Acid,基本单位：异戊二烯,植物体内的天然形式主要,是右旋、顺式的ABA,15C的倍半萜羧酸，,C,15,H,20,O,4,有旋光性,和顺反式,二 脱落酸的结构与活性,生物合成的ABA构型是S对映体，,人工合成的ABA是S和R对映体的消旋混合物。,脱落酸的生物合成,ABA的生物合成主要发生在叶绿体和其他质体内,逆境下根与叶片大量合成ABA,脱落酸生物合成的途径主要有两条,1,C15途径 （,直接途径,）,类萜途径,ABA的合成是由,异戊烯焦磷酸（IPP）法尼基焦磷酸（FPP）脱落酸（ABA）,2,C40途径（,间接途径,）,IPP FPP 类胡萝卜素,（玉米黄素、紫黄素、新黄素）,黄质醛 脱落酸醛脱落酸,脱落酸的生物合成C40和C15途径,紫黄质,叶黄质,C15途径，,类萜烯途径,C40途径，,类胡萝卜素途径,wt,aba,vp,叶中,合成的ABA主要沿韧皮部向下运输。,根中,合成的ABA可随导管汁液迅速运至叶片。,主要以游离型的ABA为运输形式。,脱落酸的运输,土壤水分状况良好时，向日葵植株的木质部液内的ABA浓度大约是1.0-15.0nM，土壤水分胁迫时，ABA浓度可以上升到3.0M。ABA是作为一种干旱信号传输到地上部叶片，通过诱导气孔关闭来降低叶片水分蒸腾。,水分胁迫条件下ABA在叶片内的移动情况,ABA是作为一种干旱信号传输到地上部叶片运输途中，大量的ABA在蒸腾流经过叶片时被叶肉细胞吸收并代谢掉。为了防止这种损失，发生水分胁迫的早期，木质部液的,pH会从6.3上升到7.2，,木质部液的,碱化,有利于ABA羧基的解离，荷负电的ABA,-,不容易透过细胞质膜扩散到细胞内。,pH升高，有助于促进叶片气孔快速关闭,脱落酸的代谢,例如,在发育的种子中，ABA水平可以在几天的时间内,100倍，然后会随着成熟度的,而,几乎为0的水平；,在水分胁迫的条件下，叶片中的ABA水平可以在48小时内,50倍，随着水分条件的改善，ABA水平又会在相同的时间内,到正常水平。,植物体内特定器官内ABA水平的变化会随着环境条件的变化发生大幅度的波动。,水分胁迫条件下的叶片中ABA水平的是由下列几个原因共同作用,叶片内ABA生物合成的增加、,叶肉细胞内储存ABA的释放,根系内合成的ABA通过蒸腾流向叶片的运输。,钝化,氧化,ABA的失活代谢包括氧化降解和形成结合物两个途径,脱落酸的代谢,1.氧化降解,ABA可被氧化为：,红花菜豆酸(,PA，,活性低),或,二羟,红花菜,豆酸,（DPA）,无活性,2.钝化,ABA与单糖或氨基酸共价结合，,如：ABA-GE,结合态无活性，贮藏形式。,红花菜豆酸,二羟红花菜豆酸,ABA-D-葡萄糖酯,ABA,氧化,结合,ABA氧化失活反应,ABA结合物的形成,诱导气孔的关闭,抑制GA诱导糊粉层,-淀粉酶,无ABA活性,钝化,无活性（贮藏）,ABA的失活代谢包括氧化降解和形成结合物两个途径,生物合成,活性,GA,1,运输,糖结合物,失活,代谢,生物合成,活性,运输,结合物,失活,代谢,一 脱落酸的发现,Discovery,二脱落酸的结构与活性,Structure&activity,三脱落酸的生物合成、运输和代谢,Metabolism of ABA,四脱落酸的生理功能,Physiological Effects,五脱落酸的作用机制,Mechanisms of ABA Action,第五节 脱落酸,Abscisic Acid,四 ABA的生理功能,ABA与种子发育,ABA与种子休眠,ABA与逆境,ABA促进叶片衰老,ABA的生理促进作用,种子的发育,ABA促进种子成熟,种子胚胎发育的第一阶段，ABA含量,，到发育中期时，ABA水平达到,，随着种子的成熟逐渐,。,第一阶段是以细胞分裂增殖为特征，从受精卵开始形成胚胎组织和胚乳组织；,第二阶段以储藏物积累为特征，细胞停止分裂，淀粉、脂肪、蛋白质等储藏物质大量积累，种子脱水，此时胚胎的耐干燥性也逐渐增强；,种子胚胎发育的第一阶段，ABA含量,，到发育中期时，ABA水平达到,，随着种子的成熟逐渐,。,ABA对种子的发育和成熟具有重要的生理作用,ABA是控制储藏物质积累的一个重要因素,。,晚期胚胎富含蛋白,（late embryogenesi-abundant proteins，,LEA,），具有极强的亲水性和热稳定性，可防止细胞内组分的结晶，保护细胞不受脱水的伤害。增强胚胎抗干燥性。,LEA蛋白mRNA水平的增加与胚胎中ABA的水平同步,ABA处理发育早期的胚胎可以使LEA提前合成,说明LEA蛋白的合成受ABA的调节和控制,。,第一阶段：以细胞分裂增殖为特征，从受精卵开始形成胚胎组织和胚乳组织；,第二阶段：以储藏物积累为特征，细胞停止分裂，淀粉、脂肪、蛋白质等储藏物质大量积累，种子脱水，胚胎的耐干燥性逐渐增强,LEA,ABA,晚期胚胎富含蛋白（late-embryogenesis-abundant proteins，LEA）,ABA是储藏蛋白合成必要的控制因子,拟南芥ABA生物合成缺陷型,aba/abi3-1,双突变体种子中储藏蛋白的合成量极少，而且在种子未成熟前就停止合成了。,在ABA缺陷型的玉米突变体种子内有同样的现象。,ABA,与种子休眠 与,GA,拮抗,ABA/GA比例控制种子休眠,种皮型休眠（coat-imposed dormancy）ABA,胚胎型休眠（embryo dormancy）ABA/GA,拟南芥ABA缺陷型突变体（,aba,）种子没有休眠性，外源ABA不能诱导,aba,突变体胚胎产生休眠;,拟南芥的ABA不敏感型突变体,abi1,和,abi3,的休眠性也很弱。,番茄ABA缺陷型突变体种子也表现相似的性质；,所以，ABA对维持种子胚胎休眠具有重要意义,种子发育过程中，ABA水平的,高峰,期与种子内GA水平的,低峰,期重合；,休眠打破时，GA水平高峰期与种子内ABA水平低峰期重合；,ABA和GA在种子生长发育过程中是此消彼涨的关系。,第一个拟南芥ABA缺陷型突变体的试验。GA缺陷型突变体的种子在缺乏外源GA的培养基上是不能发芽的，将这些种子诱变处理，然后筛选能够发芽的突变株。能发芽的植株不是GA合成的回复突变株，是ABA缺陷型突变体，突变株能够发芽的,原因是种子内的ABA:GA的比例与野生型种子相同，而两种激素的绝对水平都比野生型要低。,ABA,促进休眠，抑制萌发,所谓胎萌现象，是指种子在未脱离母体植株前就开始萌发的现象。,ABA合成缺陷型突变体的胎萌现象可以用外源ABA处理加以抑制,ABA,与逆境,ABA在植物的抗旱、抗寒和抗盐的生理过程中具有重要的作用,“逆境激素”,调节气孔运动,抗逆激素,外源ABA处理，也可提高抗逆性。有人建议将ABA改为“诱抗素”。,一般来说，干旱、寒冷、高温、盐渍和水涝等逆境都能使植物体内ABA迅速增加，同时抗逆性增强。因此，ABA被称为应激激素或胁迫激素(stress hormone)。,水分胁迫过程中木质部汁液的碱化作用导致ABA在叶片中的重新分布,调节气孔运动,水分胁迫条件下叶片内ABA水平的升高促进了气孔的关闭、减少了蒸腾，维持了叶片的水分平衡,ABA使保卫细胞中K+等发生外渗,wt,wt,wt,aba,aba,aba,aba,aba,aba,aba,aba,aba,wt,aba,ABA合成缺陷型突变体通常表现为,萎蔫突变体,，这些突变体丧失了正常的气孔关闭功能。,外源ABA会恢复这些突变体的气孔关闭，恢复叶片细胞的膨压。,wt,aba,wt,aba,抗逆激素,除水分胁迫，盐胁迫、低温胁迫甚至高温胁迫等逆境条件下ABA水平都会升高。,使细胞的膨压下降等，而细胞的膨压变化会诱导ABA合成的增加；,外源,ABA,处理会增强植物抵抗霜冻和盐害的能力；,抗盐性研究中，发现NaCl处理或脱落酸处理都可以诱导烟草产生一种渗透素（osmotin）,一种保护性蛋白，在其他植物中也广泛存在。,ABA,促进叶片衰老,（与,CTK,拮抗）,ABA在叶片的衰老过程中起着重要的调节作用，由于ABA酸促进了叶片的衰老，增加了乙烯的生成，,间接,地促进了叶片的,脱落,。,离体燕麦叶片切段的衰老过程中，ABA作用在衰老过程的早期，启动和诱导的作用；而乙烯作用在衰老的后期；,ABA衰老的促进作用并非以乙烯为中介，而是直接发挥作用。,比较ABA和乙烯处理对wt和乙烯不敏感型突变体两种拟南芥叶片衰老的影响时发现，无论在光照条件还是在黑暗条件，,无任何处理,，wt拟南芥叶片的黄化要比乙烯不敏感突变体拟南芥叶片快得多；,乙烯处理,大幅度增加wt拟南芥叶片的黄化速度，而突变体叶片不受影响；,ABA处理,同时促进两种拟南芥叶片的黄化速度。,说明ABA促进叶片衰老的生理作用是区别于乙烯的独立作用。,ABA,的生理促进作用,较低浓度处理可以促进发芽和生根，促进茎叶生长，抑制离层形成，促进果实肥大，促进开花等等,生育促进性质与其抗逆激素性质是密切相关,对低温、盐碱等逆境条件下的作物表现最为显著。ABA改善了植物逆境适应性，增强了生长活性，所以在许多情况下表现出有益的生理促进作用,脱落酸诱导的抗病性,1、脱落酸诱导植物产生抗虫蛋白，抑制害虫生长和生殖,2、脱落酸自身抑制昆虫的生殖能力,脱落酸诱导的抗虫性,一 脱落酸的发现,Discovery,二脱落酸的结构与活性,Structure&activity,三脱落酸的生物合成、运输和代谢,Metabolism of ABA,四脱落酸的生理功能,Physiological Effects,五脱落酸的作用机制,Mechanisms of ABA Action,第五节 脱落酸,Abscisic Acid,ABA调节气孔运动的分子及生理机制,ABA诱导基因及其表达的调控,五 脱落酸的作用机制,ABA,调节气孔运动的分子及生理机制,（1）ABA和受体结合激活下游的信号传递途径；,（2）ABA诱导膜上钙离子通道的开放，R型Cl-通道的活化，质膜的快速去极化反应；,（3）促进了S型Cl-通道的开放，进一步延长和加速质膜的去极化过程；,（4）ABA诱导IP3的生成；,（5）IP3诱导液泡上钙离子通道的开放，使液泡内钙离子释放到细胞质内；,（6）胞质钙离子浓度的增加激活Cl-通道的开放，抑制内向的K+通道，这种阴离子的净流出使质膜的去极化得到进一步的加强和维持；,（7）ABA刺激胞内pH升高；,（8）活化外向K+通道，促进K+的外流。导致保卫细胞膨压下降，气孔关闭,用同位素标记的ABA进行的实验发现，ABA只与保卫细胞质膜的外表面结合；,直接将ABA导入紫露草（,Spiderwort commelina,）叶片的保卫细胞内，使胞内ABA浓度达到50200M，远远超过外源施用时诱导气孔关闭所需的脱落酸水平，但是细胞内的ABA对气孔关闭没有影响；,在ABA抑制赤霉素诱导-淀粉酶合成的实验中，也发现直接注入细胞内的ABA不抑制赤霉素对-淀粉酶的诱导；,脱落酸的受体存在于细胞质膜表面。,脱落酸调节气孔运动的的信号传递途径,Ca,2+,与IP,3,ABA处理保卫细胞诱导的初始反应是保卫细胞质膜的去极化。,大量胞内阴离子通过质膜上的阴离子通道流出，随着短暂的细胞质内钙离子水平的上升。ABA诱导的保卫细胞质膜的快速脱极化反应可能与ABA激活钙离子通道有关,钙离子在调节气孔开闭过程中的重要性,将包装Ca,2+,注入保卫细胞，用短暂的紫外光照射释放 Ca,2+,进入细胞质内。细胞质内的Ca,2+,浓度上升到600nM以上时，就会诱导气孔关闭；,用同样的方法将包装IP3导入保卫细胞，诱导细胞质内Ca,2+,水平的上升和气孔的关闭。,因为IP3是细胞内的第二信使，可以诱导液泡膜和内质网膜上的钙离子通道打开，将其中储存的Ca,2+,释放到细胞质内,外源导入的IP,3,诱导气孔关闭的实验表明肌醇脂质信使系统可能也参与了ABA的信号传递过程。,ABA的确刺激了蚕豆叶片保卫细胞内磷酸肌醇的代谢,例如在用Li+抑制肌醇磷酸酶的前提下，ABA处理可以在10秒内将胞内IP3的水平提高90。,第二信使IP,3,的参与,ABA+受体,诱导胞外Ca,2+,通过质膜上钙离子通道进入胞内,通过第二信使IP3诱导细胞液泡或内质网内储存的Ca,2+,释放到细胞质内,胞质内的钙离子水平上升,外向阴离子通道和,外向,K+通道的活性,抑制,内向,K+通道的活性,利于细胞水势的升高,膨压下降，气孔关闭,蛋白磷酸化/去磷酸化反应,蛋白激酶抑制剂可以抑制ABA诱导的气孔关闭，是因为降低了保卫细胞质膜上S型阴离子通道的磷酸化水平；,蛋白磷酸酶抑制剂冈田酸（okadaic acid）可以在缺乏ATP的情况下维持S型阴离子通道的活性。,阴离子通道维持活性必须是磷酸化状态，脱磷酸化会导致通道活性的丧失。,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化在ABA诱导气孔关闭的信号传递过程中具有重要意义,ABA激活蛋白激酶（ABA-activated protein kinase，AAPK）的发现更证实了蛋白质磷酸化/脱磷酸化是ABA信号传递重要机制之一,wt,abi1,ABI1是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶。,aba1,对ABA的敏感性丧失，例如降低种子的休眠性、气孔开闭不正常引起的叶片萎蔫，许多ABA诱导基因表达的降低等。,ABI1可能是通过调节靶蛋白的磷酸化状态来影响其活性。,3um ABA,10um ABA,wt,abi1,ABI1蛋白是ABA调节气孔关闭信号传递链上一个重要的信号蛋白。,ABI1,基因转化烟草，使ABA丧失对细胞质膜上内向和外向K+离子通道的调节活性。但是,ABI1,基因不影响质膜上S型阴离子通道的活性调节，也不影响诱导细胞溶质pH升高。,ABI1蛋白磷酸酶特异地调节K+通道的活性。ABI1蛋白磷酸酶还降低外向K+通道对胞质pH的敏感性。,ABA诱导基因及其表达的调控,ABA诱导基因,ABA诱导基因的调控,ABA诱导基因,ABA是介导环境胁迫和植物抗逆反应的调节物质，所以称为“逆境激素”,种子发育的中晚期，ABA水平上升，同时伴随着一些ABA诱导基因的表达和积累。,例如和种子抗脱水能力相关的一些蛋白质，如LEA蛋白，DHN蛋白的mRNA水平与内源ABA水平同步升高，外源ABA也可以提前诱导这些蛋白的mRNA水平的增加。,植物凝集素基因、储藏蛋白基因、酶抑制剂基因等等，也受ABA的诱导，外源ABA处理也可以使这些基因提前表达。,ABA诱导基因的调控,ABA诱导基因的启动子上也存在着许多ABA响应元件（ABA-response elements,ABREs）。,ABREs就是所谓的ABA诱导基因的顺式作用元件，而和这些顺式作用元件相结合的DNA结合蛋白质（转录因子），起着促进或抑制转录作用，,反式作用因子,。,ABA诱导基因的顺式作用元件非常多，其中比较典型的是小麦,Em,基因的,Em1a,元件和水稻,rab16A,基因的,Motif1,元件。,各种ABREs的基序（sequence motif）具有很高的保守性,。,例如,Em1a,元件和,Motif1,元件十分相似，都具有CACGTG基元（motif），该基元序列也称为G-box，与G-box有关的一些基元参与多种环境因子对基因表达的调控，如光、厌氧条件等。其它一些ABA响应元件也含有上述ACGT核心的基序。,Em1a,元件和,Motif1,元件是小麦,Em,基因和水稻,rab16A,基因表达所必不可少的，这些基因的完全表达，还必须依赖其它元件的协同作用,具有bZIP（basic leucine zipper，bZIP），转录因子家族的特征。bZIP蛋白和含有ACGT元件的ABREs产生专一性结合，调节ABA诱导基因的转录活性。,反式作用因子,