基本介紹
- 中文名：生長素
- 外文名：auxin
- 別名：吲哚乙酸
- 發現時間：1880年
- 實驗分離時間：1933年
- 類別：植物激素
- CAS號：87-51-4
- 分子量：175.19
- 熔點：165-169℃
- 閃點：171℃
- 分解溫度：167℃
理化性質,研究歷史,生理作用,作用機理,相互作用,兩重性,套用領域,促進生長,促進分化,維持優勢,抑制離區,促進結實,除草劑,失重影響,其他資料,發現歷程,分布,運輸,合成,結合,降解,類似物,
理化性質
生長素即吲哚乙酸，分子式為C10H9NO2，是最早發現的促進植物生長的激素。英文來源於希臘文auxein（生長）。吲哚乙酸的純品為白色結晶，難溶於水。易溶於乙醇、乙醚等有機溶劑。在光下易被氧化而變為玫瑰紅色，生理活性也降低。植物體內的吲哚乙酸有呈自由狀態的，也有呈結合（被束縛）狀態的。後者多是酯的或肽的複合物。植物體內自由態吲哚乙酸的含量很低，每千克鮮重約為1-100微克，因存在部位及組織種類而異，生長旺盛的組織或器官如生長點、花粉中的含量較多。
從色氨酸開始,其途徑有5個。植物生長素存在於西葫蘆中，存在於某些十字花科植物中，存在於番茄中。生長素的降解，最明顯的是在光下很容易發生光氧化而被破壞。湯玉瑋和J.邦納於1947年發現植物組織中有些氧化酶能降解吲哚乙酸，稱為吲哚乙酸氧化酶。
研究歷史
植物生長素的發現體現了科學研究的基本思路：A.提出問題，做出假設，設計試驗，得出結論；B.試驗中體現了設計試驗的單一變數原則；達爾文試驗的單一變數是尖端的有無，溫特試驗的單一變數是瓊脂是否與胚芽鞘尖端接觸過。
生長素
生長素1880年C.R.達爾文及其子在最後出版的著作《植物運動的本領》中闡明，禾本科的加那利草的胚芽鞘被切去頂端就失去向光性回響能力。他的解釋是：當幼苗從側面受光時,頂端產生的影響向下傳送,造成向光與背光兩側生長速度不同，從而引起向受光一側的彎曲，因而切去頂端後就不呈現向光性回響。
1928年F.W.溫特用實驗證明胚芽鞘尖端有一種促進生長的物質，稱之為生長素。它能擴散到瓊膠小方塊中，將所得小方塊放回到切去頂端的胚芽鞘切面的一側，可以引起胚芽鞘向另一側彎曲。而且彎曲度大致與所含促進生長的物質的量成正比。這個實驗不但證明了促進生長物質的存在,而且創造了著名的測定生長素的“燕麥試法”。
生理作用
生長素因為生長素在體內很容易經代謝而被破壞，所以外施時效果短暫。其類似物生理效果相近而且不易被破壞，故被廣泛套用於農業生產（見植物生長調節物質）。 生長素在擴展的幼嫩葉片和頂端分生組織中合成，通過韌皮部的長距離運輸，自上而下地向基部積累。根部也能生產生長素，自下而上運輸。植物體內的生長素是由色氨酸通過一系列中間產物而形成的。其主要途徑是通過吲哚乙醛。吲哚乙醛可以由色氨酸先氧化脫氨成為吲哚丙酮酸後脫羧而成，也可以由色氨酸先脫羧成為色胺後氧化脫氨而形成。然後吲哚乙醛再氧化成吲哚乙酸。另一條可能的合成途徑是色氨酸通過吲哚乙腈轉變為吲哚乙酸，發現於十字花科植物。
在植物體內吲哚乙酸可與其它物質結合而失去活性，如與天冬氨酸結合為吲哚乙醯天冬氨酸，與肌醇結合成吲哚乙酸肌醇，與葡萄糖結合成葡萄糖苷，與蛋白質結合成吲哚乙酸-蛋白質絡合物等。結合態吲哚乙酸常可占植物體內吲哚乙酸的50-90%，可能是生長素在植物組織中的一種儲藏形式，它們經水解可以產生游離吲哚乙酸。
植物組織中普遍存在的吲哚乙酸氧化酶可將吲哚乙酸氧化分解。
生長素有多方面的生理效應，這與其濃度有關。低濃度時可以促進生長，高濃度時則會抑制生長，甚至使植物死亡，這種抑制作用與其能否誘導乙烯的形成有關。生長素的生理效應表現在兩個層次上。
在器官和整株水平上，生長素從幼苗到果實成熟都起作用。生長素控制幼苗中胚軸伸長的可逆性紅光抑制；當吲哚乙酸轉移至枝條下側即產生枝條的向地性；當吲哚乙酸轉移至枝條的背光側即產生枝條的向光性；吲哚乙酸造成頂端優勢；延緩葉片衰老；施於葉片的生長素抑制脫落，而施於離層近軸端的生長素促進脫落；生長素促進開花，誘導單性果實的發育，延遲果實成熟。
激素受體是一個大分子細胞組分，能與相應的激素特異地結合，爾後發動一系列反應。吲哚乙酸與受體的複合物有兩方面的效應：一是作用於膜蛋白，影響介質酸化、離子泵運輸和緊張度變化，屬於快反應（小於10分鐘）；二是作用於核酸，引起細胞壁變化和蛋白質合成，屬於慢反應（大於10分鐘）。介質酸化是細胞生長的重要條件。吲哚乙酸能活化質膜上ATP（三磷酸腺苷）酶，刺激氫離子流出細胞，降低介質pH值，於是有關的酶被活化，水解細胞壁的多糖，使細胞壁軟化而細胞得以擴伸。
生長素對生長的促進作用主要是促進細胞的生長，特別是細胞的伸長。植物感受光刺激的部位是在莖的尖端，但彎曲的部位是在尖端的下面一段，這是因為尖端的下面一段細胞正在生長伸長，是對生長素最敏感的時期，所以生長素對其生長的影響最大。趨於衰老的組織生長素是不起作用的。生長素能夠促進果實的發育和扦插的枝條生根的原因是：生長素能夠改變植物體內的營養物質分配，在生長素分布較豐富的部分，得到的營養物質就多，形成分配中心。生長素能夠誘導無籽番茄的形成就是因為用生長素處理沒有受粉的番茄花蕾後，番茄花蕾的子房就成了營養物質的分配中心，葉片進行光合作用製造的養料就源源不斷地運到子房中，子房就發育了。
合成部位：[葉原基、嫩葉（生長素前身）、頂芽（活化生長素）]、未成熟種子、根尖、形成層
作用
1.頂端優勢
2. 細胞核分裂、細胞縱向伸長、細胞橫向伸長
3. 葉片擴大
4. 插枝髮根
5. 愈傷組織
6. 抑制塊根
7. 氣孔開放
8. 延長休眠
9. 抗寒
作用機理
激素作用的機理有各種解釋，可以歸納為二：
一、是認為激素作用於核酸代謝，可能是在DNA轉錄水平上。它使某些基因活化，形成一些新的mRNA、新的蛋白質（主要是酶），進而影響細胞內的新陳代謝，引起生長發育的變化。
二、則認為激素作用於細胞膜，即質膜首先受激素的影響，發生一系列膜結構與功能的變化，使許多依附在一定的細胞器或質膜上的酶或酶原發生相應的變化，或者失活或者活化。酶系統的變化使新陳代謝和整個細胞的生長發育也隨之發生變化。此外，還有人認為激素對核和質膜都有影響；或認為激素的效應先從質膜再經過細胞質，最後傳到核中。
雖然對激素作用機理有不同的解釋，但是，無論哪一種解釋都認為，激素必須首先與細胞內某種物質特異地結合，才能產生有效的調節作用。這種物質就是激素的受體。
1．激素受體：植物激素受體是指能與植物激素專一地結合的物質。這種物質能和相應的物質結合，識別激素信號，並將信號轉化為一系列的生理生化反應，最終表現出不同的生物學效應。受體是激素初始作用發生的位點。所以，了解激素受體的性質及其在細胞內的存在位置，是研究激素作用機理的重要內容之一。激素受體是一種蛋白質，它們可能定位於細胞質膜，也可能定位於細胞核或細胞質。由於植物體內具有多種激素，因此，必然可能有多種激素受體，並存在於細胞的不同部位。
2．生長素最基本的作用是促進細胞的伸長生長，這種促進作用，在一些離體器官如胚芽鞘或黃化莖切段中尤為明顯。生長素為什麼能促進細胞的伸長生長，又以什麼方式起作用的？
植物細胞的最外部是細胞壁，細胞若要伸長生長即增加其體積，細胞壁就必須相應擴大。細胞壁要擴大，就首先需要軟化與鬆弛，使細胞壁可塑性加大，同時合成新的細胞壁物質，並增加原生質。實驗證明，用生長素處理燕麥胚芽鞘，可增加細胞壁可塑性，而且在不同濃度的生長素影響下，其可塑性變化和生長的增加幅度很接近，這說明生長素所誘導的生長是通過細胞壁可塑性的增加而實現的。生長素促進細胞壁可塑性增加，並非單純的物理變化，而是代謝活動的結果。因為，生長素對死細胞的可塑性變化無效；在缺氧或呼吸抑制劑存在的條件下，可以抑制生長素誘導細胞壁可塑性的變化。
相互作用
兩重性
較低濃度促進生長，較高濃度抑制生長。植物不同的器官對生長素最適濃度的要求是不同的。根的最適濃度為10-10mol/L，芽的最適濃度約為10-8mol/L，莖的最適濃度約為10-4mol/L。在生產上常常用生長素的類似物(如萘乙酸、2，4-D等)來調節植物的生長如生產豆芽菜時就是用適宜莖生長的濃度來處理豆芽，結果根和芽都受到抑制，而下胚軸發育成的莖很發達。植物莖生長的頂端優勢是由植物對生長素的運輸特點和生長素生理作用的兩重性兩個因素決定的，植物莖的頂芽是產生生長素最活躍的部位，但頂芽處產生的生長素濃度通過主動運輸而不斷地運到莖中，所以頂芽本身的生長素濃度是不高的，而在幼莖中的濃度則較高，最適宜於莖的生長，對芽卻有抑制作用。越靠近頂芽的位置生長素濃度越高，對側芽的抑制作用就越強，這就是許多高大植物的樹形成寶塔形的原因。但也不是所有的植物都具有強烈的頂端優勢，有些灌木類植物頂芽發育了一段時間後就開始退化，甚至萎縮，失去原有的頂端優勢，所以灌木的樹形是不成寶塔形的。由於高濃度的生長素具有抑制植物生長的作用，所以生產上也可用高濃度的生長素的類似物作除草劑，特別是對雙子葉雜草很有效。
生長素類似物：2，4-D，因為生長素在植物體記憶體在量很少，為了調控植物生長，人們發現了生長素類似物，它們具有和生長素類似的效果而且可以進行量產，現已廣泛運用到農業生產中。
註： 雙子葉植物比單子葉植物對生長素更敏感，這就是為什麼可用高濃度生長素來殺死雙子葉雜草而不會傷害單子葉作物的原因。
莖的背地生長和根的向地生長是由地球的引力引起的，原因是地球引力導致生長素分布的不均勻，在莖的近地側分布多，背地側分布少。由於莖的生長素最適濃度很高，莖的近地側生長素多了一些對其有促進作用，所以近地側生長快於背地側，保持莖的向上生長；對根而言，由於根的生長素最適濃度很低，近地側多了一些反而對根細胞的生長具有抑制作用，所以近地側生長就比背地側生長慢，保持根的向地性生長。若沒有引力，根就不一定往下長了。
套用領域
促進生長
生長素（IAA）對營養器官縱向生長有明顯的促進作用。如芽、莖、根三種器官，隨著濃度升高，器官伸長遞增至最大值，此時生長素濃度為最適濃度，超過最適濃度，器官的伸長受到抑制。不同器官的最適濃度不同，莖端最高，芽次之，根最低。由次可知，根對IAA（生長素）最敏感，極低的濃度就可促進根生長，最適濃度為10-10。莖對IAA敏感程度比根低，最適濃度為10-4。芽的敏感程度處於莖與根之間，最適濃度約為10-8。所以能促進主莖生長的濃度往往對側芽和根生長有抑制作用。
促進分化
生長素與細胞分裂素配合能引起細胞分裂，而且生長素也能單獨引起細胞分裂。如早春樹木形成層細胞恢復分裂活動是由頂芽產生的生長素下運而引起的。
維持優勢
抑制離區
棉花與果樹落花、落果及落葉，是雙子葉植物的普遍現象。棉花的蕾鈴脫落，與營養物質的供給有關，也與激素水平有關。當蕾鈴柄的基部，遠軸端生長素含量高，近軸端生長素含量低時，抑制離層內纖維素酶、果膠酶的活性，因而抑制離層細胞的分離，蕾鈴不脫落；反之，當近軸端生長素含量高，遠軸端生長素含量低時，則使果膠酶和纖維素酶活性提高，促進離層的分離，致使蕾鈴脫落。
促進結實
植物開花受精之後，子房中的生長素含量提高，從而促進子房及其周圍組織的膨大，加速了果實的發育。如雌蕊未經受精而子房能及時獲得IAA，也能誘導某些植物無籽果實的形成。如在授粉前用生長素噴或塗於柱頭上，不經授粉最終也能發育成單性果實。如胡椒、西瓜、番茄、茄子、冬青、西葫蘆和無花果等
除草劑
除草劑有兩種：1. 選擇性除草劑，低濃度促進植物生長，高濃度抑制植物生長，對於生長素濃度雙子葉植物較單子葉植物更為敏感，因此可作為單子葉植物田中除去雙子葉植物的除草劑。2. 非選擇性除草劑：將所有植物都殺死，例如草甘膦。
失重影響
根的向地生長和莖的背地生長是要有地球引力誘導的，是由於在地球引力的誘導下導致生長素分布不均勻造成的。在太空失重狀態下，由於失去了重力作用，所以莖的生長也就失去了背地性，根也失去了向地生長的特性。但莖生長的頂端優勢仍然是存在的，生長素的極性運輸不受重力影響。
其他資料
發現歷程
1880年
生長素是最早發現的植物激素。(生長素不同於生長激素)
英國的達爾文在用金絲雀虉草研究植物的向光性時發現，對胚芽鞘單向照光，會引起胚芽鞘的向光性彎曲。切去胚芽鞘的尖端或用不透明的錫箔小帽罩住胚芽鞘，用單側光照射不會發生向光性彎曲。因此，達爾文認為胚芽鞘在單側光下產生了一種向下移動的物質，引起胚芽鞘的背光面和向光面生長快慢不同，使胚芽鞘向光彎曲。
1910年
詹森的實驗證明，胚芽鞘尖端產生的影響可以透過瓊脂片傳遞給下部。
1914年
拜爾的實驗證明，胚芽鞘的彎曲生長，是因為尖端產生的影響在其下部分布不均勻造成的。
1928年
荷蘭的溫特把切下的燕麥胚芽鞘尖直立於瓊膠塊上，經過一段時間後，移去胚芽鞘尖把這些瓊脂小塊放置在去尖的胚芽鞘的一邊，結果有瓊脂塊的一邊生長較快，向相反方向彎曲。這個實驗證實了胚芽鞘尖產生的一種物質擴散到瓊脂塊中，再放置於胚芽鞘上時，可向胚芽鞘下部轉移，並促進下部生長。溫特認為，這可能是一種和動物激素類似的物質，並命名為生長素。
1931年
荷蘭的郭葛（Kogl）等人從人尿中分離出一種化合物，加入到瓊膠中，同樣能誘導胚芽鞘彎曲，該化合物被證明是吲哚乙酸。隨後郭葛等人在植物組織中也找到了吲哚乙酸（indoleacetie acid，簡稱IAA)。
分布
(Distribution)
生長素在植物體內分布很廣，幾乎各部位都有，但不是均勻分布的，在某一時間，某一特定部位的含量是受幾方面的因素影響的。大多集中在生長旺盛的部分(胚芽鞘、芽和根尖的分生組織、形成層、受精後的子房、幼嫩種子等)，而趨向衰老的組織和器官中則甚少。
運輸
(Transport)
極性運輸 (Polar Transport)
生長素主要是在植物的頂端分生組織中合成的，然後被運輸到植物體的各個部分。生長素在植物體內的運輸是單方向的，只能從植物體形態學上端向形態學下端運輸，在有單一方向的刺激(單側光照)時生長素向背光一側運輸，其運輸方式為主動運輸（需要載體和ATP）。
非極性運輸(Non polar transport)
在成熟組織中，生長素可以通過韌皮部進行非極性運輸。
合成
IAA的合成前體：色氨酸（tryptophan，Trp）。其側鏈經過轉氨、脫羧、氧化等反應。鋅是色氨酸合成酶的組分，缺鋅時導致由吲哚和絲氨酸結合而形成色氨酸的過程受阻，色氨酸含量下降，從而影響IAA的合成。生產上常引起蘋果、梨等果樹的小葉病。
結合
植物體內生長素有兩種形式：游離型：有生物活性，束縛型：活性低。
在體內，吲哚乙酸常常與天門冬氨酸結合成為吲哚乙醯天冬氨酸酯。還可與肌醇結合成吲哚乙醇肌醇。與葡萄糖結合成吲哚乙醯葡萄糖苷。與蛋白質結合成吲哚乙酸—蛋白質絡合物。束縛型的生長素可能是生長素在細胞內的一種貯存形式，也是減少過剩生長素的解毒方式，在適當的條件下（pH9-10），它們可轉變為游離型，經運輸轉移到作用部位起作用。
正在生長的種子中生長素的量也多，但完全成熟以後，大部分以束縛態貯藏起來。種子中以束縛態存在，萌發時轉變為游離型。
降解
生長素的降解(Degradation of IAA)
①酶氧化降解：吲哚乙酸氧化酶分解
植物體內生長素常處於合成與分解的動態平衡中。吲哚乙酸氧化酶（IAA oxidase）是一種含Fe的血紅蛋白。IAA經酶解後形成3—羥基甲基氧吲哚和3—甲基氧吲哚。此反應要在O2存在下，以Mn和一元酚作輔助因子，吲哚乙酸氧化酶才表現活性。
②光氧化分解：
植物體內生長素存在的兩種形式間的轉化或吲哚乙酸氧化酶對IAA的氧化分解都是植物對體內生長素水平的自動調節，對植物生長的調控是有重要意義的。
類似物
吲哚丁酸：吲哚丁酸簡稱IBA。純品為白色或微黃色的晶體，稍有異臭，不溶於水，能夠溶於乙醇、丙酮等有機溶劑中。在使用的時候，可以先把它溶解在少量酒精中，然後再加水稀釋到所需要的濃度。它主要用於促進植物的插條生根，尤其對生根作用明顯。但是，吲哚丁酸誘發出的根細而長，而奈乙酸誘發出的根比較粗壯，因此，生產中常將這兩種植物生長調節劑混合使用。
三碘苯甲酸：三碘苯甲酸簡稱TIBA，純品為白色粉末，不溶於水，能溶於乙醇、乙醚等有機溶劑中。三碘苯甲酸能夠阻礙生長素在植物體內的運輸，抑制莖的頂端的生長，促進側芽的萌發，從而使植株矮化、分枝增多，並且使開花數和結實數增加。三碘苯甲酸已經廣泛套用於大豆生產中，用它的溶液噴施大豆植株，可以使植株變矮，分枝增多，結莢率提高，從而提高大豆的產量。
矮壯素：矮壯素簡稱CCC，化學名稱是2-氯乙基三甲基氯化銨。純品為白色結晶，易溶於水。它的作用與赤黴素相反，能夠抑制細胞伸長，但是不抑制細胞分裂，因而能夠使植株變矮，莖稈變粗。矮壯素對於防止水稻和小麥倒伏，阻止棉花蕾鈴脫落和提高產量，具有明顯的效果。由於矮壯素不容易被土壤固定，也不容易被土壤中的微生物分解，所以直接施用到土壤中效果比較好。
多效唑：多效唑簡稱PP333。多效唑能夠抑制赤黴素的生物合成，減緩植物細胞的分裂和伸長，並且抑制莖稈伸長。多效唑廣泛套用於果樹、花卉、蔬菜和大田作物，效果顯著。例如，對番茄幼苗噴施多效唑後，可以使幼苗矮壯，分枝多。我國食品中農藥殘留標準GB 2763—2005規定了糧谷中多效唑的殘留限量標準(MRL)為0.50 mg/kg。
