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Cytokinin
細胞分裂素
生科四
林暐哲
Cytokinins 對植物的影響
Cell division
 Delay leaf senescence
 Promote nutrient
mobilization
 Modify apical dominance
 The formation and activity of
shoot apical meristem


Floral development
Break bud dormancy
 Stimulate seed gemination

Cytokinin mediate
light-regulate development
▪
▪
▪
Chloroplast differentiation
Development of autotrophic
metabolism
Leaf and cotyledon expansion
細胞分裂 and 植物的生長
植物由primary and secondary
meristem(分生組織)生成新細胞
新細胞經過
enlargement and differentiation
之後，一般不再進行cell division
(類似動物細胞)
但是幾乎所有類型的已分化的植物細
胞 (保留nucleus) 能夠再次分裂，
例如植物在進行
wound healing(癒傷)和形成
leaf abscission(葉離層)
http://botit.botany.wisc.edu/
differentiated plant cell
can resume division
1.
在Cortex(皮層) 及 Phloem(韌皮部)
的成熟細胞重新分裂以形成
secondary meristems
vascular cambium(維管束形成層)
cork cambium(木栓形成層)
2.
在leaf petiole (葉柄)基部
abscission zone (離層區)的成熟
parenchyma cells(薄壁細胞)，在
有絲分裂後一段時間再度分裂，而
形成較弱的細胞壁，進而使
abscission產生，葉因而容易脫落
3.
植物Wound(損傷)會誘使在損傷部位的
細胞重新分裂，稱為wound-induce
mitotic，甚至連高度專一的phloem
fibers(韌皮纖維)及 guard cells(保衛細
胞)都會再度分裂。
Wound-induce mitotic activity通常會
self-limiting，表示這些細胞在分裂數次
後會停止分裂並進行分化
※Wound部位
在受細菌感染
後會使細胞不
受限制的分裂，
形成crown
gall


Philip White在1930年代指出tomaoto
roots能無限期的培養在一種含有簡單營
養的medium中，此Medium包含蔗糖、
礦物鹽類及少量vitamines，而未添加任
何hormones
但分離出的stem tissue卻無法在此
medium中生長，即使加進Auxin之後仍然
只有些微的生長。而auxin-induced生長
也只是源於細胞enlargement卻沒有細胞
分裂。


後續的研究發現，幾乎所有植物的shoot
tissues都無法在medium之中培養，除非
這些組織偶然長出了root，shoot才會繼
續生長，但此組織最終將長成一個完整
的植物體
由此說明shoot與root的分生組織，對於
細胞分裂的調控有某些差異
Callus tissue



若將形成不斷分裂的crown gall的植物，以42℃
加熱殺死細菌，植物仍會存活而此crown gall中
的tissue將會持續生長成不含細菌(bacteria-free)
的tumor
將這個tumor用medium培養，增殖的細胞將形
成不規則的組織，稱為Callus tissue
Callus tissue證實了來自shoot的組織可以被培
養，而這些曾與細菌接觸過的細胞會製造出促
進細胞分裂的物質
Cytokinin的發現、鑑定與性質


Caplin and Steward在1948年將Philip
White的medium加入auxin和10-20%的
椰奶，發現能使許多種類植物的成熟已
分化的細胞恢復分裂而形成callus tissue
多年後的研究證實椰奶中含有 cytokinin
zeatin
Kinetin


Folke Skoog在1940-1950年代對tobacco
pith tissue增殖的實驗中發現核酸中的
adenine對促進細胞分裂有些微的效果，
而經過autoclave(高壓滅菌釜)處理的鯡
魚精子有強大的促細胞分裂效果
Millery在1955年將此物質由高壓滅菌處
理過的DNA中分離出來並命名為Kinetin
Kinetin

Kinetin是adenine的衍生物，
6-furfurylaminopurine
Zeatin


1963年Letham由未成熟的玉米種子胚乳
中萃取出一種生物活性類似於kinetin
的物質，trans-6-(4-hydroxy-3-methylbut-2enylamino)purine，命名為zeatin
Zeatin與kinetin結構相似，都具有
adenine
Zeatin
Zeatin


Zeatin 的側鏈上帶有雙鍵，因此有trans
與cis兩種型態，在高等植物體中同時含
有這兩種，並可藉zeatin isomerase互變
trans is more active，但cis態也具重要
角色，例如玉米cytokinin receptor會同時
與兩種型態結合，特定受cis態影響的酵
素也已被發現
Other
aminopurine
and bound
forms
具有cytokinin活性的合成分子




在與auxin同時存在時能夠促進callus
tissue進行細胞分裂
促使callus生成芽或根
延緩葉的老化
促進雙子葉植物的子葉擴張
cytokinin拮抗分子
Cytokinins 有游離態與結合態

Cytokinins以游離分子存在於植物體，最
多的是zeatin，而dihydrozeatin(DZ)與
isopentenyl adenine(iP)也常被發現存在
高等植物，許多這三種Cytokinins的衍生
物也從植物萃取液中被鑑定

部份植物的
tRNA具有 ciszeatin出現在過
度修飾的鹼基上
Active Cytokinin

阿拉伯芥Cytokinin receptor CRE1是與
free form的trans-zeatin結合，而不是其
他riboside或ribotide的衍生物，DZ與iP
也是相似的情況
微生物也能製造cytokinin


許多與植物相關的微生物如細菌、真菌
能製造大量的cytokinin，包含transzeatin、iP、cis-zeatin及其ribosides
感染這些微生物的植物體會生成特殊的
構造如菌根、
crown gall(A.tumefaciens)
witches’broom
(Corynebacterium fascian)
Cytokinins的合成、代謝、運輸




Zeatin與iP的側鏈是由isoprene衍生而來
大分子如橡膠及胡蘿蔔素是由isoprene聚合
而來
Dimethylallyl Diphosphate (DMAPP)是植
物利用提供isoprene unit
細菌利用1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4diphosphate (HMBDP)
Crown gall cells具有合成
基因


cytokinin的
造成crown gall的細菌agrobacterium
tumefaciens含有一段大型質體稱為Tiplasmid，當植物感染此細菌時 Tiplasmid會鑲入植物染色體DNA內進行轉
錄
Ti-plasmid中含有一段T-DNA含有合成
trans-zeatin和Auxin的基因
T-DNA




使變為crown gall 的cell製造Opine 作為
氮源利用
Ipt gene → isopentenyl transferase(IPT)
Ipt gene與兩個合成Auxin的gene稱為
phyto-oncogene(植物致癌基因)
因為T-DNA的promoters為eukaryotic，所
以只有在感染植物宿主時才會表現
opines
Cytochrome P450 monooxygenase
iPMP/iPDP/iPTP → ZMP/ZDP/ZTP
Cytokinin的運輸調節



根尖分生組織是植物主要合成cytokinin的場
所，合成的cytolinin由木質部伴隨著水及礦
物質向上運輸到莖部
木質液所含的cytolinin大部分是zeatin
riboside，當被運送到葉後，會轉為游離態或
glucoside
zeatin riboside的調節主要來自莖的訊息

Beveridge 在1997年將wild type的 pea與
mutant rms4做嫁接實驗，此rms4的木質液
zeatin riboside含量只有正常的1/40
rms4 shoot + wild type root
low [cytokinin] level
wild type shoot + rms4 root
high [cytokinin] level
由此證實木質液cytokinin運輸的調控主要來
自莖部的訊息
其他合成cytokinin的部位


阿拉伯芥的7個IPT genes有各自對應的作用部
位，除了根尖外，還包括Phloem、leaf axil、
ovules、immature seeds、columella root cap、
young花的上部、fruit abscission zone
有些IPT genes受cytokinin的down-regulate
另一些IPT genes則受Auxin的 up-regulate
Cytokinin的代謝調控



Cytokinin會被cytokinin oxydase切割成側鏈
與adenine(只有O-glucoside形式與DZ不會被
切割) ，以減少cytokinin的效果
Cytokinin也會以在第3,7,9號氮上結合一個
glucose殘基的方式來使其失去活性。
O-glucoside應該是一種儲存Cytokinin的形式，
能被glucosidase轉變回具活性的形式，此現
象與休眠種子萌芽有關
Cytokinins
LINCOLN TAIZ‧EDUARDO ZEIGER
報告者:江禮憲
■The Biological
Roles of
Cytokinins
Cytokinins regulate cell
division in shoots and roots
Several evidence
Shoot apical meristem
(Werner et al. 2001)
- This finding strongly
supports the notion that
endogenous cytokinins
regulate cell division
Overexpressing
the gene for
cytokinin
oxidase
Overexpressing
the gene for
cytokinin
oxidase
Cytokinins regulate cell
division in shoots and roots
Cytokinin oxidase
enhancement of root growth
(Werner et al. 2001)
Root
apical meristem
(Werner et al. 2001)
Cytokinins regulate cell
division in shoots and roots
A small reduction in
cytokinin levels would
increase root growth
(data courtesy of F. J. Ferreira and J. J. Kieber.)
Cytokinins regulate cell
division in shoots and roots
 Triple-receptor
mutants
(ahk2/ahk3/cre1)
(Nishimura et al. 2004.)
 Mutation
in maize alters leaf
phyllotaxy and the size lf the
shoot apical meristem
(abphyl1)
(Giulini et al. 2004.)
Cytokinins regulate specific
components of the cell cycle
 Cyclin-dependent
protein
kinases (CDKs)
 Cytokinin and auxin :
regulating the passage from
G2 to M phase (Zhang et al. 1996)
 Overexpression of CYCD3
(Riou-Khamlichi et al. 1999)
The auxin:cytokinin ratio
regulates morphogenesis in
cultured tissues
 Kinetin
 High
auxin:cytokinin ratios –
roots
 Low auxin:cytokinin ratios –
shoots
(Skoog and Miller 1965)
The auxin:cytokinin ratio
regulates morphogenesis in
cultured tissues
T-DNA
tms/tmr/tml v.s. tumors
(Morris 1986)
Cytokinins modify apical
dominance and promote
lateral bud growth
MAX4
and RMS1
Cytokinins induce bud
formation in a moss
Funaria hygrometrica
Protonema (plural
protonemata)
(Courtesy of K. S. Schumaker)
Cytokinin overproduction has
been implicated in genetic
tumors
Nicotiana
Genetic tumors
Cytokinins delay leaf
senescence
Delay senescence
Limited expression of the ipt
gene
Cytokinins promote
movement of nutrients
Cytokinin-treated cotyledon
has become a nutrient sink
Cytokinins promote
chloroplast development
Dark-grown
(Chory et al. 1994)
and light-grown
Cytokinins promote cell
expansion in leaves and
cotyledons
The
effect of CK on the
expansion of radish
cotyledons
Cytokinin in plant physiology
and development
 Shoot
apical meristems v.s.
leaves
 Leaves have higher chlorophyll
levels
 Adventitious shoots may form
from unwounded leaf veins and
petioles
Cytokinin in plant physiology
and development
Leaf senescence is retarded
Apical dominance is greatly
reduced
More extreme CKoverproducing plants
Root
■Cellular and
Molecular Modes
of Cytokinin
Action
A cytokinin receptor related
to bacterial two-component
receptors has been identified
Simple
tow-component
systems
Phosphorelay-type twocomponent signaling system
Cytokinins increase expression
of the type-A response
regulator genes via activation
of the type-B ARR genes
ARR
(Arabidopsis response
regulator)
Type A ARR and type B
ARR
Histidine
phosphotransferases are also
involved in cytokinin signaling
Histidine
phosphotransfer
protein (Hpt)
Thank you !!