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件靠近TGTCTC元件。他们进一步的研究表明,TGTCTC元件虽不足以单独构成生长素诱导的启动子,但却是必需的。Ulmasov等[50]采用胡萝卜原生质体瞬间表达和转基因拟南芥实生苗的研究还表明,人工合成的生长素响应启动子DR5(其含有包括TGTCTC元件的11bp重复序列)对生长素的诱导比天然存在的生长素响应启动子(如GH3等)更敏感。
5 转基因植物在生长素生理作用研究中的应用
在传统的研究植物内源生长素的方法中,由于外源生长素的吸收与运输以及内源生长素在细胞中定位和在植物组织中分布的测定困难较大,再加上众多内外因素的干扰,因此植物体中内源生长素的实际含量和生长素在组织中的相对分布与植物反应之间的关系不十分清楚。如果采用植物遗传转化的方法,这些问题可望得到解决。例如将外源生长素代谢的有关基因(iaaM、iaaH和iaaL基因)置于不同发育时期或器官特异的启动子之后并导入植物基因组,所获得的转基因植株即可直接用于研究特定器官中或特定发育时期的IAA过量表达,或形成结合物导致游离IAA水平的下降引起的生理作用。关于iaaM和iaaH基因前面已作了介绍,而iaaL基因则来自橄榄瘤肿病原菌(Pseu-domonassavastanoi),它催化IAA和赖氨酸形成IAA-赖氨酸结合物,此结合物象其它IAA-氨基酸结合物一样也没有生物活性。天然存在的IAA-氨基酸结合物在植物中水解后可以释放IAA,但是IAA-赖氨酸在天然的植物中是不存在的,而且难水解,所以,iaaL基因的表达可以降低植物中的游离IAA库,从而导致游离(活性)IAA水平的的降低。杨洪全等[51]的研究表明,引起游离IAA水平下降的iaaL基因在烟草花器官和绒毡层组织特异表达后,上述组织中游离的IAA水平下降,导致花器官和花粉胚的发育异常。此外,在生长素响应的启动子驱动下,转基因植物体内报告基因的表达水平与生长素浓度密切相关,这就为用传统方法较难解决的组织中生长素相对分布和细胞中定位的研究提供了一个简单而有效的方法。如李义等[52]利用导入SAUR-GUS转基因烟草为材料(SAUR是生长素诱导的启动子),证明植物茎因向地性而弯曲时,其中生长素呈不对称分布。6 展望
随着分子生物学和遗传学的发展,人们已可在分子和细胞两个水平上研究生长素及其极性运输的生理作用。人们采用模式植物拟南芥已在生长素研究领域取得了一系列的进展,例如生长素结合蛋白、生长素外运载体以及生长素早期响应基因的克隆。另外随着生长素功能研究的深入,人们对生长素及其极性运输作用机理的知识也将不断增加,如拟南芥、芥菜等植物中生长素输出载体基因及其同源基因的克隆,遗传转化技术使生长素输出载体能在植物的整体或不同组织器官中表达等,对人们深入了解生长素极性运输与植物生长和发育的关系将有推动作用。还有,在生长素诱导的启动子驱动下,报道基因(如GUS等)能在模式植物拟南芥中表达,这对研究植物各个发育阶段,特别是胚胎发育过程中生长素的相对分布与植物的生长和发育之间的关系也将会得到有益的启示。此外,生长素极性运输中来说,外源吲哚乙酰胺(iaaH基因编码的吲哚乙酰胺水解酶的底物)并不能使其恢复野生型的表型[40]。这一结果表明,内源生长素含量的提高对pin-1突变体野生型表型的恢复毫无用处。所有这些表明,在正常的花序形成中,生长素极性运输是不可缺少的。
3.4 生长素极性运输与维管束的发育 控制维管组织发育的机制至今仍不甚明了。但是生长素确可以诱导维管发育[41],采用外源生长素可以诱导新维管束的形成。且在外源生长素过量表达的转基因植物中维管组织数量大大增加。组织学研究表明,拟南芥pin-1突变体的花茎维管组织的发育受到影响,其上部紧邻叶的花茎横切面中,靠近叶一侧的维管组织严重木质化,这可能是pin-1突变体的生长素极性运输下降导致邻近幼嫩组织地下部组织中合成的生长素积累,从而促进此处维管组织的分化之故。最近为探讨生长素极性运输在维管模式形成中可能的作用,Sieburth等[43]在拟南芥萌发时,于培养基中加入生长素极性运输抑制剂后,子叶维管组织的模式并没有为此而改变,但子叶维管组织的形态则受到很大的影响。说明生长素极性运输对维管组织的发育是不可缺少,而且也是必需的。4 生长素的响应基因
生长素响应基因可以分为正响应基因和负响应基因两大类。当以外源生长素处理细胞培养物、叶、根和伸长的组织后,生长素正响应基因的表达水平大大增加,而生长素负响应基因的表达水平则降低10~100倍。生长素正响应基因包括DNA结合蛋白基因、钙调蛋白基因、细胞分裂周期相关基因(如cdc2基因等)、细胞壁相关蛋白基因和一些未知功能的基因(如saur、gh3)等。生长素负响应基因包括gl43、chn50等病原体(pathogensis)相关基因,tdc、sss等次生代谢基因。
生长素响应基因已分别从不同的实验系统(如细胞培养物、叶、根、伸长的组织和悬浮培养的实生苗等)中获得。采用高浓度生长素可引起其它激素或逆境的反应,例如用100Lmol#L-1IAA处理豌豆茎的节间,乙烯生物合成基因acs和cco的mRNA分别在1和2h内即有明显的升高[45]。acs编码ACC合成酶,cco编码ACC氧化酶,这是两个乙烯合成的关键酶。到目前为止,几乎所有的生长素响应基因均取自用外源生长素处理的细胞、组织和幼苗,其意义当然不及采用生长中的植物研究内源生长素相关的响应基因的表达大,将测定微量的植物体内组织(数毫克鲜重)中内源生长素[46]和基因表达的原位杂交两种技术结合使用或许能解决这一问题。
外源生长素处理后,生长素响应基因表达水平改变的时间因基因的不同而有较大的差异,一些基因表达水平的改变在处理2~3min后就能检测到,这些基因称为生长素早期响应基因,有的则在处理长达数天后才检测到[44]。迄今,已发现的生长素早期响应基因为数不多,其中有豌豆PS-IAA4/5基因[48]、大豆GH3基因[49]和大豆SAUR15A基因[49]等。Guilfoyle等[47]的研究结果表明,GH3基因的启动子至少含有3个生长素响应的元件(auxinresponsiveelement,AuxREs),它们分别是E1、D1和D4,这3个元件彼此独立地发挥作用:D1和D4都需要一个临近的基本元[47]
[44][44][42]
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和生长素生物合成中各个步骤的突变体也可为生长素领域的进一步研究提供线索。
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植物缺硼的生理伤害
王春利(陕西省杂交油菜研究中心,陕西大荔许庄715105)
PhysiologicalInjuryCausedbyDeficientBoroninPlants
WANGChun-Li(HybridRapeseedResearchCenterofShaanxiProvince,XuzhuangDaliShaanxi715105) 提要 硼在作物体内能以3种不同的形式与富羟基化合物络合。文章介绍近10年来有关缺硼引起植物细胞壁结构改变、膜透性变化、糖运输受阻、相关酶活性变化、有毒物质积累等一系列生理伤害和机制等方面的研究进展。 关键词 缺硼 生理伤害 机制
我国大部分耕作土壤缺硼,缺硼会引起诸如油菜的花而不实、大豆的有荚无粒、甜菜的腐心病和萝卜的褐腐病等一类问题。近年来,硼素的研究取得了很大进展。本文就植物缺硼的生理伤害及机制作一综述,并就今后需要加强研究的几个方面进行讨论。1 缺硼对细胞壁结构的影响
细胞壁中含有大量的果胶物质,D-半乳糖醛酸的多糖是果胶的主要成份,它们的性质可代表整个果胶多糖的性质。聚半乳糖醛酸可以通过与Ca2+的结合形成稳定的交联网络,即酸性果胶与Ca2+形成/蛋盒结构0的稳定交联,使细胞壁具有更大的机械强度[1,2]。但是若果胶中某些残基的羧基基团被甲酯化,便无法与Ca2+结合[1]。甲酯化果收稿 2000-05-16 修定 2001-02-06
胶与硼结合后,细胞壁即具有更大的延展性[1~3]。在细胞中,甲酯化果胶是作为细胞壁物质的前体首先被合成并转运到生长区[3],酸性果胶质的形成,要通过果胶甲酯酶催化掺入顶端壁的甲脂化果胶去甲酯化作用[3]。果胶甲酯酶的活性与pH值和Ca
2+
[4]
2+
浓度有关,Ca在细胞壁中的分布
与硼有关,且二者协同作用[5,6]。因此,硼可能是通过影响pH值和Ca2+浓度影响果胶甲脂酶活性,也可能硼作为协同因子,通过影响果胶甲脂酶的活性控制果胶层的成份和网状结构。
鼠李半乳糖醛酸聚糖是果胶质的主要成分之一,含有丰富的D-半乳糖醛酸残基。Matoh等[7]的研究结果显示,在悬浮培养的烟草细胞中,98%以上的硼存在于细胞壁中,并以硼-多糖复合物(BPC)的形式存在。Kobayashi等[8]进而证明了BPC实际上是硼交联两条单链鼠李半乳糖醛酸-ò(RG-ò)形成的。Fleischer等[6]报道,缺硼培养的藜(Chenopodiunalbum)细胞的细胞壁中单链RG-ò含量大大
