第三节　脱落酸及其对植物茎伸长生长的调控

脱落酸（abscisic acid，ABA）是五大经典植物激素之一，是一种类倍半萜植物激素。在绝大多数高等植物中都能发现ABA的存在，尤其是在成熟、衰老的组织或即将进入休眠的器官中含量丰富，当植物遭遇逆境胁迫时，体内ABA含量也会剧烈升高。在以往的报道中，ABA的生理功能主要集中在对植物成熟、衰老、抗逆等过程的调控。然而，ABA在茎（节间）伸长生长过程也具有调控作用。Hoffmann BS等［80］利用深水稻研究表明：淹水处理能够促进水稻节间迅速伸长，而这种迅速伸长效应能够被ABA处理所抑制。给深水稻幼苗施加类胡萝卜素合成抑制剂氟啶酮（fluridone），致使体内 ABA含量降低后，水稻胚芽鞘比对照增长67%。随后，宋平等［81］的试验表明，携带半矮秆基因的水稻品种的内源ABA含量显著高于高秆品种，且水稻株高、苗高与ABA含量呈显著负相关。这些结果暗示了ABA抑制水稻茎（节间）伸长生长。

一、脱落酸的代谢

1.脱落酸的合成

高等植物体内可能存在直接和间接两条ABA合成途径。直接途径是由三个异戊烯单位聚合成 C15前体——法呢基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate，FPP），然后FPP经环化和氧化直接形成ABA；而间接途径由甲羟戊酸（mevalonic acid，MVA）聚合成C40前体——类胡萝卜素，再由类胡萝卜素裂解成C15的化合物，如黄质醛（xanthoxin，XAN），最后由黄质醛转变成ABA［82］。目前，C40途径被公认为是高等植物ABA的主要合成途径。高等植物细胞内ABA的合成涉及质体和细胞质两个区域，质体内发生的反应主要包括叶黄素的合成和降解，形成黄质素。黄质素通过质体被膜进入细胞质，经过两步氧化过程最终形成ABA［83］。

如图2.7所示，在高等植物中，ABA合成的前半部分步骤在质体中进行，ABA的最初前体来自于C40类胡萝卜素玉米黄质，在玉米黄质环氧酶ZEP 的催化作用下玉米黄质转变为紫黄质。紫黄质随后在9-顺-新黄质合成酶作用下形成 9-顺-新黄质。然后9-顺-新黄质在酶催化作用下形成9-顺-环氧类胡萝卜素。ABA合成的关键限速步骤是9-顺-环氧类胡萝卜素被裂解成C15的ABA前体黄质醛，此步骤由9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶NCED催化完成。此后，黄质醛从叶绿体被转运到细胞质中。在胞质中，黄质醛被一种短链脱氢/还原酶转变为ABA醛。最后ABA醛在ABA醛氧化酶AAO的催化下形成有生物活性的ABA［82］。

图2.7　高等植物中脱落酸合成的主要途径（C40途径）

2.脱落酸的失活代谢

研究表明，活性ABA含量不仅受合成调控还受失活代谢调控。活性ABA含量降低主要通过氧化分解代谢和共价结合失活两条途径完成［82］。ABA氧化失活主要有三个位点，即ABA的7'、8'和9'位甲基发生羟基化反应，分别生成7'-羟基-ABA（7'-OH-ABA）、8'-羟基-ABA（8'-OH-ABA）和9'-羟基-ABA（9'-OH-ABA），继而引发进一步失活，其中8'-位甲基羟基化途径是高等植物ABA分解代谢的主要途径［83］。另外，在有些植物中还检测到ABA4'-位酮基还原产物——1'，4'-反-二醇ABA或1'，4'-顺-二醇ABA等的少量积累，它们是ABA还原途径的代谢产物［84］。ABA的结合失活是指ABA与一些小分子如单糖、氨基酸等形成共价键，进而丧失活性。例如，ABA一旦结合生成ABA葡萄糖酯（ABA- glucose ester，ABA-GE）和ABA葡萄糖苷（ABA glucose ether，ABA-GS）等物质就丧失了ABA 的生物活性。此外，被叶绿体膜包围的ABA也发挥不了生理功能，这部分ABA被视为束缚态ABA。供水良好的植物细胞90%以上ABA存在于叶绿体膜内，只有极小部分ABA分布于细胞质中；遇到逆境时，束缚态ABA被释放到质体外成为游离态ABA［82］。

二、脱落酸的信号转导

自 2009年在拟南芥中发现ABA胞内的可溶性受体 PYR/PYLs/RCAR以来［85，86］，ABA信号转导的主干通路已经基本建立。ABA信号主干通路主要包括四个层次的信号元件（图2.8）：①ABA受体 Pyrabactin Resistance1（PYR1）/ Pyrabactin Resistance1-Like（PYL）/Regulatory Components of ABA Receptor（RCAR）家族成员；②Clade A type 2C protein phosphatases（clade A PP2C）家族成员；③Snf1-Related Protein Kinase 2（SnRK2）家族蛋白激酶；④ABA响应转录因子。其中 PYR/PYLs/RCAR与 SnRK2s是 ABA正调控元件，而clade A PP2C是 ABA负调控元件。在没有 ABA的情况下，clade A PP2C家族成员如 ABI1、ABI2与下游 subclass Ⅲ SnRK2如 SnRK2.2、SnRK2.3、SnRK2.6 互作并抑制其自磷酸化激活［87］。而当ABA含量上升时，ABA受体 PYR/PYLs/RCAR可以结合 ABA并进一步与 clade A PP2C互作［85， 86］，解除 PP2C对 SnRK2的抑制。随后，第Ⅲ亚类的SnRK2可以通过自磷酸化（也可能被别的蛋白激酶磷酸化）激活，并进一步通过磷酸化下游bZIP类转录因子，如拟南芥中的ABl5或 ARABI/ABF2等，从而开启 ABA激活的相关生理效应［82］。另外，第Ⅲ亚类的SnRK2与细胞膜靠近，磷酸化并激活阴离子通道SLAC1，引起阴离子外流和保卫细胞去极化，并最终导致气孔关闭；同时质膜K+通道KAT1和 NADPH 氧化酶 Atrbohf也被证明是SnRK2磷酸化靶标，KAT1被SnRK2磷酸化而失活并阻断K+内流，Atrbohf受SnRK2激活将产生H2O2进而激活外向K+通道并抑制内向K+通道，KAT1和Atrbohf的激活共同导致保卫细胞内K+浓度和渗透压下降并促进气孔关闭（图2.8）［82］。

图2.8　脱落酸信号转导途径［82］

clade A PP2C是ABA信号转导通路中的负调控因子。拟南芥中 clade A PP2C一共有 9个成员：ABI1、ABI2、HAB1、HAB2、HAI1、HAI2、HAI3、AHG1、AHG3。ABI1、ABI2是 ABA信号最重要的负调控元件，其功能获得型点突变体 abi1-1、abi2-1具有 ABA不敏感的表型。李骋翔［88］对三个水稻clade A PP2C ［OsABI-LIKE1（OsABIL1，Os01g40094）、OsABI-LIKE2（OsABIL2，Os05g51510）和 OsABI-LIKE3（OsABIL3，Os05g46040）］ 进行过研究。实验结果表明，OsABIL2在水稻各组织器官中都有表达，而且相对而言在叶片和叶鞘中表达较高。类似于 OsABIL2、OsABIL3也在所有检测的组织器官中有表达，并且在叶片和叶鞘中相对富集。而OsABIL1和它的两个同源基因相比有更加均一的表达谱，在叶片和叶鞘中的表达量只微弱地高于其他组织。近一步研究发现，这三个水稻clade A PP2C成员在生殖器官中表达水平显著低于它们在营养器官中的表达水平。这些结果暗示着水稻的这三个 clade A PP2C 成员可能在营养生长中扮演着更为重要的角色。过量表达OsABIL1基因的转基因水稻对ABA的敏感性显著降低，植株叶鞘、叶片、节间等伸长生长显著强于野生型。

SnRK2是ABA信号转导途径中正向作用元件，在ABA信号转导过程中发挥重要作用。SnRK2为植物所特有的蛋白激酶家族成员，并在高等植物中高度保守。在水稻和拟南芥中有10 个成员，并可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个亚类［82］。水稻中的10个SnRK2分别命名为OsSAPK1～OsSAPK10［89］。属于Ⅰ亚类的成员是：OsSAPK1、OsSAPK2、OsSAPK3；属于Ⅱ亚类的成员是：OsSAPK4、OsSAPK5、OsSAPK6、OsSAPK7；属于Ⅲ亚类的成员是：OsSAPK8、OsSAPK9、OsSAPK10。进一步研究发现，SnRK2成员被诱导激活的方式是有差异的，例如第Ⅰ亚类SnRK2在渗透胁迫下转录水平迅速上升，从而编码SnRK2蛋白，但这类SnRK2无法被外源ABA激活；第Ⅱ和Ⅲ亚类可以在渗透胁迫下以及ABA处理下被激活，其中外源ABA处理可以在半小时内诱导激活第Ⅲ亚类的SnRK2，第Ⅱ亚类SnRK2对ABA的响应没有第Ⅲ亚类强烈［89］。为了研究第Ⅲ类SnRK2在ABA过程中的作用，利用拟南芥第Ⅲ类SnRK2的三突变体srk2d/srk2e/srk2i进行研究发现，在突变体中大多数受ABA诱导发生的生理反应都消失，被ABA诱导激活的蛋白激酶的活性也显著降低，这说明第Ⅲ类SnRK2是ABA信号转导途径中关键的正向作用元件［90］。

三、脱落酸对植物茎伸长生长的调控

ABA参与调控植物体很多重要的生长发育过程，例如种子发育、种子休眠、萌发、果实成熟、叶片衰老、对环境胁迫的适应性反应（如干旱和盐胁迫），ABA的这些生理作用主要是抑制细胞的分裂与伸长，从而抑制叶、胚、胚芽鞘、茎、下胚轴和根的生长。为了验证矮秆品种和高秆品种中内源ABA的含量的差异，宋平等［81］利用HPLC外标法检测了矮秆和高秆水稻品种中内源ABA含量，其研究结果表明高秆水稻品种中内源ABA含量显著低于矮秆、半矮秆品种中的含量，株高和品种的内源ABA含量呈显著负相关。对深水水稻的研究发现，处于浸水状态下的节间会有一个快速剧烈的伸长效应，这个效应是因为内源GA含量升高，促进节间居间分生组织来完成的，对离体的深水水稻茎段做浸水处理发现，离体的茎也有剧烈伸长的效应，利用不同浓度的ABA处理浸水的茎段后发现，茎的剧烈伸长效应随着ABA浓度的增加被逐步抑制，当ABA的处理浓度达到100μmol/L时，观察不到浸水诱导的节间剧烈伸长效应。外源ABA合成抑制剂氟啶酮（fluridone）处理可以显著降低深水稻幼苗中ABA的含量，进而显著促进深水稻幼苗胚芽鞘生长［80］。由此可见，ABA在水稻叶鞘、茎等营养器官伸长生长过程具有抑制作用。