植物生長素的生物活性及其應用

植物生長素的生物活性及其應用

高等植物的代謝、生長和形態(tài)的形成，以及其他生物和非生物的反應系由信號分子決定。植物激素的調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)。信號分子通過與特定的細胞蛋白即受體作用而發(fā)揮作用。生長素是一種重要的植物激素,包括吲哚-3-乙酸(IAA),是高等植物主要的天然生長素和與IAA作用相仿的相關(guān)內(nèi)源性物質(zhì)。由于IAA影響植物生長和發(fā)展的每個方面,因此IAA被認為是與其他植物激素作用的復雜網(wǎng)絡(luò)中的重要激素。一般生長素調(diào)控細胞的分化、伸長和發(fā)育過程,包括微管組織、花分生組織的分化、葉的形成以及花序、衰老和根的形成。在向性反應中,生長素起著重要的作用。早在20世紀40年代,人們就可以合成許多IAA衍生物,有1-萘乙酸(1-NAA)、苯氧羧酸類的2-甲基-4-氯苯氧乙酸(2甲4氯)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-滴)。這些是當今最具有生長素活性的物質(zhì)之一。這些物質(zhì)的作用與IAA相同,但時間更長,作用更強,特別是在植物體內(nèi)更穩(wěn)定。IAA等天然生長素在植物體內(nèi)通過共軛和降解等多種途徑快速失活。當?shù)蜐舛茸饔糜诩毎稽c時,生長素刺激植物的生長和發(fā)育。隨著植物組織中生長素濃度和活性的增加,植物的生長受到干擾和致命的損壞。因此,對這些合成的類似物的研究來探明生長素在基礎(chǔ)研究和應用方面的作用具有重要的意義。合成生長素不僅用作生長調(diào)節(jié)劑,以增加園藝和農(nóng)業(yè)植物的產(chǎn)量,而且可以作為除草劑控制雜草的危害。在二戰(zhàn)后,隨著生長素被引入全球市場,被稱為生長調(diào)節(jié)劑或生長素除草劑的2,4-滴和2甲4氯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中開創(chuàng)了雜草防除的新時代。這些物質(zhì)有選擇性,特別是對谷物作物中的雙子葉雜草活性高,具有內(nèi)吸作用。在過去的幾十年中,人們已經(jīng)合成和商業(yè)化了不同種類的生長素除草劑,這些物質(zhì)具有不同的雜草譜和選擇性。目前,生長素包括以下幾種類型:苯氧羧酸、苯甲酸、吡啶羧酸、芳氧羧酸甲酯衍生物和喹啉羧酸(圖1)。生長素在單子葉植物和雙子葉植物間,以及不同的雙子葉植物間的選擇性不同,重要原因是由于生長素除草劑代謝為無植物毒性物質(zhì)和對靶標位點敏感的物質(zhì)所致。具生長素活性的物質(zhì),其離解分子的羧基必須帶有強的負電荷。合成生長素的生物活性譜不僅受其濃度的影響,還取決于組織的敏感性,主要由組織的類型、生理階段、植物種類決定,它們的活性譜也可能由不同的信號傳導途徑介導。當合成生長素被用于除草劑時,它可使植物變形和抑制植物生長,其作用與在組織中以非常高的濃度存在的IAA相同。此現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于生長素超劑量或內(nèi)源性生長素濃度高導致組織內(nèi)生長素動態(tài)不平衡以及與其他激素作用遭到破壞所致。然而,自從Gilbert在1946年提出生長素除草劑能引起敏感植物死亡觀點后,此論說一直盛行到近來發(fā)現(xiàn)生長素可引起植物生長異常并隨之死亡。本文中指出了,生長素可使植物細胞分化和生長異常,導致植物代謝被持續(xù)刺激引起生長的緩慢,并致使相關(guān)植物生長結(jié)構(gòu)不健全。然而,大多數(shù)生長素除草劑具有高的選擇性以及很快的作用,但有時在低使用濃度時有立體選擇性[即除草活性物質(zhì)(+)-D-對映體如精2,4-滴丙酸]表明其具有抑制植物生長和使植物死亡的特有的作用方式和機制。1超劑量生長素和植物生長失去了很好的調(diào)節(jié)作用1.1生長素的激活過程當生長素在植物組織中的濃度不斷增加和在植物的分布呈梯度發(fā)展時,測定生長素對植物的作用過程,發(fā)現(xiàn)生長素除草劑或IAA在高濃度對植物生長調(diào)節(jié)失控過程分為3個階段。圖2為文獻中雙子葉雜草中生長素的作用情況。在生長素除草劑用后幾個小時內(nèi),是生長素刺激植物的階段,為第一階段。這個過程包括代謝過程的激活,如誘導芽組織中1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)合成酶(1～2h);隨后,植物出現(xiàn)生長異常的癥狀(3～4h),如葉偏上生長、組織腫大和莖卷曲。KlausGrossmann了解到在細胞的伸長中,生長素在數(shù)分鐘內(nèi)激活膜離子通道和質(zhì)膜H+—ATP酶。隨后,5～8h后可以在芽組織中檢測到脫落酸(ABA)積累。第二個階段發(fā)生在生長素應用后的24h內(nèi),包括根的生長抑制和幼芽的生長被最大程度的抑制,伴隨節(jié)間的伸長降低和葉面積減少,以及綠葉著色加深。同時,發(fā)現(xiàn)氣孔關(guān)閉,呼吸減少,碳同化和淀粉的形成,以及活性氧分子(ROS)的過量產(chǎn)生。第三個階段是植物衰老和組織衰敗的階段,主要是葉綠體破壞和漸進的萎黃病所致的葉子加速衰老,以及膜和維管系統(tǒng)的完整性遭到破壞,最后植物萎蔫、壞死。所以生長素的刺激和隨后的抑制過程都對植物的代謝和生長有影響,由于它們對植物組織持續(xù)的高強度的作用,最后除草劑生長素產(chǎn)生毒性作用。從分子角度看,生長素被受體大量地感知,進而調(diào)節(jié)基因表達以及在細胞伸長過程中快速地激活膜離子通道和質(zhì)膜H+—ATP酶,這個過程被認為是除草劑的主要作用,結(jié)果內(nèi)源生長素濃度超量。1.2關(guān)于aux/iaa的晶體學研究幾十年以來,進行生長素分子生物學研究的目的一直為確定受體。在20世紀80年代,用生物化學方法發(fā)現(xiàn)與生長素結(jié)合的蛋白質(zhì)1(ABP1)與生長素結(jié)合的活性高,是候選受體。后來,對抗生長素或生長素轉(zhuǎn)運抑制劑的擬南芥突變體的基因篩選確定數(shù)個遺傳位點參與生長素信號傳導,如轉(zhuǎn)運抑制劑反應T1R1。最近確定T1R1蛋白為生長素受體,以及發(fā)現(xiàn)在ABA生物合成中在生長素、乙烯和9-順式環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)的上調(diào)的信號傳輸中存在一種新的激素相互作用方式,為生長素除草劑介導的作用的主要部分(圖3)。F-box蛋白T1R1是SCF復合體為(Skp1-Cullin1-F-box)E3泛素連接酶的一個重要組成部分,亦為蛋白質(zhì)降解泛素蛋白酶體途徑的一部分。T1R1的底物Aux/IAA轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白以生長素依賴方式與T1R1結(jié)合。結(jié)合后,阻遏物被降解。對以上相互作用進行晶體學分析表明,IAA結(jié)合到同一個T1R1孔穴的基部,使Aux/IAA蛋白?？吭贗AA的頂部,這占據(jù)了T1R1孔穴的其他部分。在這方面,IAA作為“分子黏膠劑”增加了T1R1-AUX/IAA蛋白的相互作用力。為了驗證T1R1是感知生長素的主要受體,對合成的IAA類似物、2,4-滴和1-NAA進行了試驗。試驗表明T1R1也與這些合成生長素結(jié)合。此外,與生長素配體IAA、2,4-滴和1-NAA有關(guān)的T1R1晶體結(jié)構(gòu)表明,IAA與T1R1受體孔穴基部的部分兼容位點結(jié)合,這也能為合成的生長素提供空間。有趣的是,IAA以最大的親和力與T1R1結(jié)合,結(jié)合部分包括側(cè)鏈羧基基團和環(huán)。計算機模擬的T1R1結(jié)構(gòu)表明合成的其他類型的生長素,包括苯甲酸類的麥草畏,喹啉羧酸類的二氯喹啉酸和精喹禾靈,它們也符合生長素與受體的空穴結(jié)合理論。最后,IAA或合成生長素與T1R1結(jié)合使Aux/IAA阻遏物與受體的相互作用穩(wěn)定,這促使SCF復合體以共價方式使泛素與Aux/IAA蛋白結(jié)合,表明T1R1作為底物被265酶蛋白體降解。Aux/IAA阻遏物蛋白的損失導致現(xiàn)有的DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄激活蛋白受體,即生長素相應因子(ARFs)的抑制被解除。它們不斷地激活生長素反應因子基因轉(zhuǎn)錄,包括乙烯生物合成中的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基酸(ACC)合成酶,反饋抑制作用的Aux/IAA阻遏物以及在組織中生長素濃度保持高水平。擬南芥基因組編碼有5個T1R1同類物,其中3個物質(zhì),生長素結(jié)合F-box蛋白AFB1,AFB2和AFB3也介導生長素的反應。所以,擬南芥tir1afb1afb2afb3四倍突變幼苗對生長素不敏感,表現(xiàn)出嚴重的發(fā)展和形態(tài)表型。這表明4個同類物一同調(diào)節(jié)植物對IAA和2,4-滴的反應。此外,已發(fā)現(xiàn)T1R1同系物AFB5的突變體有抗性,特別是對吡啶類羧酸生長素除草劑有抗性,對2,4-滴或IAA只有很低的交互抗性,表明生長素對不同類型生長素除草劑的化學專一性主要是由不同生長素受體蛋白引起。然而,是否T1R1受體家族能解釋所有生長素的化學信號多樣性和生物活性取決于組織的敏感性、生長階段和植物生物型和種類,這些問題還有待研究。這也包括是否生長素除草劑的選擇性是由單子葉和雙子葉植物體內(nèi)的受體不同所致。Aux/IAA阻遏蛋白和ARF轉(zhuǎn)錄因子的多樣性和組織專一性能說明生長素特有反應過多。此外,許多生長素反應由轉(zhuǎn)錄介導,因此與T1R1受體家族相關(guān)。然而,在快速的生長素響應中,如在細胞擴展中生長素誘導的離子流,一種信號傳導途徑,它可能是由與生長素結(jié)合的膜結(jié)合蛋白1(ABP1)與相關(guān)的蛋白進行傳導。ABP1可能與植物自有的影響ABP1作用的生長素協(xié)調(diào)細胞的分化和擴展。1.3生長素國際農(nóng)藝抑制劑對植物生長和酶活性的影響新發(fā)現(xiàn)的T1R1/AFB受體與高濃度的生長素除草劑或IAA結(jié)合,會導致轉(zhuǎn)錄因子豐富和生長素反應基因的過渡表達,隨后依次產(chǎn)生一系列與除草劑作用有關(guān)的生化和生理反應。在本文中,當生長素被用于敏感植物或其在轉(zhuǎn)基因植物中過量生成時,在植物的生物合成中,它誘導ACC合成酶過度刺激ACC和乙烯的形成是人們早已知道的早期普遍存在的反應。ACC同工型合成酶是受多基因ACS家族編碼,它們是早期生長素效應基因。在IAA和生長素除草劑應用后的數(shù)分鐘內(nèi),它們的表達不同,或轉(zhuǎn)錄后或翻譯后受IAA和生長素的調(diào)控。生長素誘導的ACC合成酶活性導致ACC濃度的快速上升,與之緊密相關(guān)的是乙烯生成增加。在試驗中,使用含有ACC合成酶反義基因LE-ACS2的轉(zhuǎn)基因番茄,和抗生長素或乙烯不敏感品系植物(擬南芥、野生芥菜、番茄),除草劑誘導的形態(tài)癥狀減少或情況完全相反。乙烯是氣體激素,它參與植物對外界環(huán)境脅迫的反應,調(diào)節(jié)植物衰老和生長。乙烯使微管從橫向向縱向排列,促進側(cè)向細胞擴展,導致植物莖和根長粗。此外,乙烯還調(diào)節(jié)生長素的作用,如葉的脫落和偏上性,通過抑制生長素的轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)植物固有的生長素的水平。所以,生長素誘導的乙烯快速的產(chǎn)生是植物生長異常和衰老的原因(圖3)。涉及生長素抑制植物生長和其植物毒性的重要因素是ABA的過渡生成。在生長素誘導ACC合成酶活性和乙烯形成后,ABA在根和幼芽中積累,其濃度是對照的70倍。試驗表明與不同種類的生長素除草劑和IAA抑制植物幼芽和根生長關(guān)系密切,它們誘導許多雙子葉植物產(chǎn)生ABA,這些植物包括茜草科、茄科、傘形科、豆科、玄參科和旋花科。相比,對生長素除草劑有天然抗性的作物在生長素的作用下ACC合成酶的活性并無提高,ABA的含量也沒有改變,這表明生長素很可能選擇性地作用于受體。例如,IAA和生長素除草劑促進高度敏感的雙子葉植物鵝草體內(nèi)ABA的生物合成。在用生長素處理的鵝草細胞的懸浮液中,處理后3h,ABA的濃度就增加了,這說明激素信號傳導后植物直接產(chǎn)生反應。對反應途徑中間體的分析表明增加葉黃素的裂解可特有地誘導幼芽中ABA的生物合成,增加ABA前體黃氧素的產(chǎn)生。此途徑中主要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)受質(zhì)體酶NCED催化,此酶被NCED基因編碼。通過對使用生物合成抑制劑或感知缺陷的番茄突變體,或乙烯或ABA的合成的方法進行研究,結(jié)果表明生長素刺激產(chǎn)生的乙烯是ABA積累的觸發(fā)器。最近,KlausGrossmann對豬殃殃屬植物體內(nèi)生長素誘導的GaNCED1基因的表達和乙烯及ABA的生物合成的時間進程進行了研究,結(jié)果為在根被處理后的1h內(nèi),IAA和不同種類生長素除草劑,包括氯甲喹啉酸、麥草畏和毒莠定(圖1),只使幼芽中CaNCED1mRNA的含量暫時增加。處理后3h,轉(zhuǎn)錄水平達最大值,是對照的40倍,此后其水平下降。在此期間,幼芽中水含量和滲透勢沒變,這表明GaNCED1基因表達不因生長素介導的膨壓變化而增加。ABA開始增加的時間要滯后2h,在24h后其濃度是對照的24倍。有趣的是,GaNCED1轉(zhuǎn)錄水平的增加早于其在ACC合成酶活性,ACC和乙烯的產(chǎn)生。所以,乙烯或ACC不是NCED基因激活的主要觸發(fā)器。據(jù)此,所用的乙烯生物合成抑制劑對GaNCED1基因表達的影響較小。然而,乙烯抑制劑較大程度地減少了生長素誘導的ABA的積累,這說明生長素誘導的乙烯是ABA積累所必需的,但在NCED基因表達中的作用較小?？偟膩碚f,IAA和生長素除草劑先刺激乙烯生物合成中的基因表達,后直接激發(fā)NCED的基因活性,這是上調(diào)ABA生物合成(圖3)所需要的。然而,至于在NCED基因表達中生長素信號傳導是否也涉及SCF介導的轉(zhuǎn)錄遏阻物的降解,如Aux/IAA,這個問題仍未知曉。同樣,生長素對NCED基因表達的誘導是否是生長素對敏感植物的普遍的作用,此還需進一步的研究闡明。已發(fā)現(xiàn)在不同的雙子葉植物中生長素能誘導ABA積累,所以這種情況可能性很大。生長素是NCED基因表達的主要觸發(fā)物,而由于轉(zhuǎn)錄后NCED的上調(diào)使乙烯促進ABA的生物合成。乙烯介導NCED活性的增加可能是基于酶蛋白合成、活性和/或穩(wěn)定性增加的緣故。據(jù)此,對2,4-滴處理的擬南芥轉(zhuǎn)錄物組分析表明NCED1的表達和基因參與了乙烯的信號傳導和生物合成。最后,ABA在幼芽組織中積累和在植物內(nèi)系統(tǒng)地轉(zhuǎn)移。在生長素的作用中(圖3),ABA和乙烯是激素第二信使。ABA被作為促進葉片衰老和控制植物生長的一個重要激素,它影響植物氣孔的運動和細胞的分化和擴展。事實上,ABA在植物體內(nèi)的增加過程和氣孔的關(guān)閉,以及隨后的呼吸受抑制、二氧化碳的同化、植物的生長以及漸進的葉組織破壞有密切的關(guān)系。其后面的作用伴隨著活性氧(ROS)的過量生成,如過氧化氫,是受光合活性的下降所觸發(fā),而光合活性的下降是由于ABA介導的氣孔關(guān)閉所致。此外,ABA誘導激活的質(zhì)膜NADPH氧化酶可能參與過氧化氫的生成。而Cu/Zn超氧化物歧化酶在葉組織中的量增加,進一步促進了過氧化氫的積累。外來的ABA對以上過程的作用類似于生長素。這與已知的ABA在氣孔關(guān)閉、生長抑制和促進葉衰老的激素作用一致。比較不同種類生長素除草劑的作用,會發(fā)現(xiàn)ABA和ROS的過量生成,如超氧自由基和過氧化氫,同時植物組織的破壞是所有生長素除草劑的常見作用。過氧化氫的積累一般被認為導致膜脂過氧化和可能的衰老過程信號傳導,而有助于氧化組織的破壞。相應地,用過氧化氫處理豬殃殃屬植物的幼芽,幼芽出現(xiàn)了與生長素除草劑同樣的植物毒性癥狀,如葉片黃化,隨后枯萎,組織壞死,和植物死亡?？偟膩碚f,生長素的作用和生長素刺激產(chǎn)生的乙烯和ABA是生長素除草劑和IAA在高于內(nèi)源的濃度時對植物產(chǎn)生毒性的主要原因。特別是,ABA和過氧化氫的過量產(chǎn)生是生長素作用和植物生長受抑制、衰老和組織腐爛的之間長期探究的關(guān)系。所以,在生長素感知和信號傳導中激素相互作用方面通過合成生物素研究,確定了新的作用原理,認為激素的相互作用在對植物生長調(diào)節(jié)中生長素和乙烯和ABA生物合成的上調(diào)之間發(fā)揮作用。此外,相關(guān)的結(jié)果使人們認為激素的相互作用也是其他相關(guān)的生長素作用的信號傳導的模式,如根向地性、頂端優(yōu)勢對側(cè)芽的抑制。當乙烯和ABA信號傳導鏈呈現(xiàn)部分重疊和干擾時,乙烯和ABA間相互作用對乙烯生物合成有很強的刺激作用。這些包括脅迫條件誘導的衰老,細胞激動素引發(fā)的生長抑制,根癌農(nóng)桿菌誘導的植物腫瘤的發(fā)生和果實的成熟。2生長素消毒中的氰化物作用2.1生物活性化合物生長素除草劑能較好地控制雙子葉雜草,但選擇性生長素除草劑二氯喹啉酸例外,它還能防除水稻田重要的禾本科雜草,如稗屬、馬唐屬和狗尾草屬雜草。它引起的主要癥狀是抑制植物生長,表現(xiàn)為首先最新長出的葉片的生長區(qū)域不斷褪色,隨后,整個幼芽萎蔫、壞死。對二氯喹磷酸對禾本科雜草的作用機制研究表明它誘導ABA和過氧化氫的增加不足以導致這些癥狀的產(chǎn)生。Tittle等人報道首次表明在刺激的乙烯生物合成過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氰化物在生長素除草劑2,4-滴的作用方式和選擇性方面的作用。然而,試驗表明二氯喹啉酸作為生長素除草劑以相似的方式對禾本科雜草有防除作用。2.2產(chǎn)業(yè)資源模擬氰化物在自然界普遍存在,它可由廣泛分布的多種前體形成。約2500多種植物能產(chǎn)生氰化物,也就是說能產(chǎn)生氰化氫(HCN)。生氰作用在雙子葉植物(如石榴和豆科植物)和禾本科雜草中普遍存在,包括重要的糧食作物如玉米、水稻、小麥和大麥。大多數(shù)植物產(chǎn)生氰化氫的機制是氰苷的降解。60多個氰苷已為人們所知,而且被認為可以防御食草動物,作為糖和氮的儲藏物質(zhì),它們的苦味和釋放有毒的HCN通過干擾組織的功能來達到防御作用。此外,有報道可在氨基酸氧化酶和過氧化物酶作用下由組氨酸形成氰化氫,由鹽酸鹽同化作用可能生成中間體羥胺,和由光呼吸產(chǎn)物乙醛酸形成氰化氫。自20世紀80年代早期發(fā)現(xiàn)氰化物是植物激素乙烯生物合成過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物以來,有人就提出了此代謝物在植物中的重要生理作用。2.3細胞毒性活性產(chǎn)生的氰化物在化學量上與乙烯的相等。1-氨基環(huán)丙烷甲酸(ACC)在ACC氧化酶的作用下氧化產(chǎn)生乙烯、CO2、HCN。乙烯合成反應的廣泛存在表明此途徑是許多植物體內(nèi)內(nèi)源自由氰化物的主要來源。乙烯對植物的多方面的生理發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)作用,如生長、衰老和成熟,而氰化物則是一個對植物有毒的物質(zhì)。它是一個眾所周知抑制劑,特別對金屬酶和其他蛋白質(zhì)的抑制活性高,這些酶參與氰化物和希夫堿中間體或底物反應生成抑制活性化合物的反應。這些酶參與植物的一些重要的代謝過程,如呼吸、碳和氮的同化、碳水化合物的代謝和防御減毒氧反應。氰化物也與銅蛋白質(zhì)體氰相互作用,抑制光合成電子傳遞。對氰化物最敏感的酶有硝酸鹽/亞硝酸鹽還原酶、固氮酶、過氧化氫酶、Cu/Zn超氧化歧化酶、過氧化物酶、二磷酸核酮糖羧化酶和細胞色素氧化酶。對敏感酶的抑制率為50%的內(nèi)源性氫化物的濃度一般為5～10μM。高等植物中使HCN去毒的主要酶為氰丙氨酸合成酶(CAS),它是磷酸吡哆醛依賴性酶,催化半胱氨酸和氰化物反應生成H2S和氰內(nèi)氨酸(圖3)。氰丙氨酸隨后在氰丙氨酸水解酶作用下轉(zhuǎn)化為天冬酰胺。在老的植物組織和有分生組織活性植物部位發(fā)現(xiàn)氰丙氨酸合成酶的活性高,這和氰化物的產(chǎn)生以及乙烯的濃度有關(guān)。乙烯和氰化物能影響氰化物的產(chǎn)生和代謝。乙烯能影響其自身的生物合成,因此通過增加(自動刺激)或降低(自動抑制)乙烯的生成速率影響其副產(chǎn)物氰化物的生物合成。乙烯能調(diào)節(jié)ACC的合成酶和ACC氧化酶的活性在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平,能誘導氰丙氨酸合成酶的合成。已發(fā)現(xiàn)氰化物能上調(diào)ACC合成酶基因表達,催化激活和鈍化ACC氧化酶反應,增加氰丙氨酸合成酶活性。然而,細胞內(nèi)ACC氧化酶是唯一一個細胞胞漿酶,因此其反應產(chǎn)物乙烯和HCN最初被釋放到細胞質(zhì)中。而氰丙氨酸合成酶主要分布在線粒體中。因此,氰化物在細胞內(nèi)不同點的釋放和氰化物的失活導致氰化物在細胞內(nèi)分布不均。清除在植物線粒體外的細胞隔室中氰化物的效果可能不佳,且能導致細胞隔室中氰化物的濃度迅速直線上升,如在細胞質(zhì)中和葉綠體中。線粒體中氰化物的有效脫毒能特有地保護氫化物敏感性呼吸中的細胞色度c氧化酶,阻止ROS的形成。然而,其他高敏感性酶如硝酸還原酶和Cu/Zn超氧化歧化酶位于細胞質(zhì)中,而二磷酸核酮糖羧化酶分布在葉綠體中,過氧化氫酶在過氧化質(zhì)體中。這使它們對氫化物抑制劑更敏感,因為氰化物在細胞中的移動性很高。在25℃溶液中氫氰酸的pka值約為9.2。當細胞內(nèi)pH約為中性時,在ACC氧化酶反應存在時大部分氰化物以非游離態(tài)釋放。其為非離子,親脂性高,因此能較易地穿過膜進入細胞隔室。HCN在細胞內(nèi)濃度瞬間升高時不均的分布,導致在細胞中達到具有毒性的濃度,可能對代謝有多種影響,氰化物引起植物死亡。然而,由于人們已發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生大量(即1650nmol/g·h)乙烯的植物組織中測到高活性的β-CAS,以及組織中氰化物的濃度低于對敏感酶的非毒性濃度,因此Yip和Yang認為植物組織足可以使乙烯生物合成中生成的HCN解毒。所以,在過去氰化物在植物體內(nèi)可能的代謝和生理作用被忽略。在20世紀90年代,在對生長素除草劑的作用方式的研究中重新檢驗了這個問題,研究了被刺激的乙烯和氰化物的生物合成參與誘導細胞和植物死亡的情況。2.4氰化物對植物的影響首先以禾本科雜草稗草為例,二氯喹啉酸主要的作用位點在根部,但內(nèi)源ACC的量、乙烯的形成和氰化物的積累的增加主要發(fā)生在植物的幼芽,此部位是癥狀表現(xiàn)之所在。二氯喹啉酸只誘導植物根部ACC合成酶的活性,使ACC的量在處理后1h增加(圖3)。過量的ACC被轉(zhuǎn)移到植物的幼芽,在ACC氧化酶的作用下被轉(zhuǎn)化為大量的乙烯和氰化物。由于ACC和氰化物誘導幼芽中ACC合成酶活性增加,所以過程有自我放大作用。用ACC對從稗草分離的幼芽進行處理(通過對維管的作用)后,增加了ACC合成酶和乙烯和氰化物的生成量。用1mMACC處理后6h,ACC合成酶的活性是對照的5倍。在培養(yǎng)的53h中,組織中氰化物的濃度由5μM增加到18μM。此外,應用的氰化物可能通過誘導ACC合成酶基因的轉(zhuǎn)錄,使幼芽中ACC合成酶活性增加。對于其他敏感的雜草,如馬唐、寬葉臂形草和狗尾草,幼芽中氰化物的濃度也增加。增加的程度與除草劑的濃度、應用次數(shù)有關(guān),與除草劑的作用也密切相關(guān),如雜草生長受抑制情況、葉綠素的減少和碳的同化作用。同時,發(fā)現(xiàn)增加了內(nèi)源的氰化物的濃度,在稗草和馬唐的幼芽中分別增加了3倍和9倍,在處理后96h達到了最大值,分別約為30和50μM。其他類型的生長素除草劑,包括麥草畏和1-