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地理科学进展 >

2019 , Vol. 38 >Issue 7: 1045 - 1055

DOI: https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2019.07.009

研究综述

植物始花期对气候变化响应的激素调控机理研究进展

  • 张湜溪 , 1 ,
  • 戴君虎 1, 2 ,
  • 葛全胜 , 1, 2, *
展开
  • 1. 中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
*葛全胜(1963— ),男,研究员,主要从事全球变化研究。E-mail:

张湜溪(1990— ),女,博士后,研究领域为环境分析化学。E-mail:

收稿日期: 2018-09-05

  要求修回日期: 2019-03-22

  网络出版日期: 2019-07-28

基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA19040301)

国家重点研发计划项目(2018YFA0606102)

国家自然科学基金项目(41427805)

收起

Progress of responses of first flowering date to climate change and the correlations of plant hormone regulation

  • ZHANG Shixi , 1 ,
  • DAI Junhu 1, 2 ,
  • GE Quansheng , 1, 2, *
Expand
  • 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2018-09-05

  Request revised date: 2019-03-22

  Online published: 2019-07-28

Supported by

Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (Class A), No. XDA19040301

National Key Research and Development Program of China, No. 2018YFA0606102

National Natural Science Foundation of China, No. 41427805.

Copyright

《地理科学进展》杂志 版权所有
Fold

摘要

植物物候对气候变化的响应非常敏感,是指示全球变化对生态系统影响的重要证据。其中植物花期变化影响植物繁殖与进化,具有重要意义。大量研究表明,随着全球气候变暖,北半球植物始花期普遍提前。而关于气候变暖对植物始花期影响的内在机理并没有明确解释。植物激素是植物体内对植物开花等生理活动有显著调控作用的有机物,可对环境刺激作出响应并直接参与调控植物始花期,导致始花期的提前或延后。对植物激素在植物中表达与变化的精确测定有助于了解植物始花期对气候变化响应的内在机理。论文综述了植物激素对植物开花时间的调控作用以及目前植物激素最先进的检测方法,探讨了植物激素及相关代谢产物在植物体内的含量变化对植物始花期的影响;提出通过植物激素研究植物始花期对气候变化响应的激素调控机理,为探索植物物候对气候变化响应提供新的研究思路与手段。

关键词： 物候; 始花期; 植物激素; 质谱

本文引用格式

张湜溪 , 戴君虎 , 葛全胜 . 植物始花期对气候变化响应的激素调控机理研究进展[J]. 地理科学进展, 2019 , 38(7) : 1045 -1055 . DOI: 10.18306/dlkxjz.2019.07.009

Abstract

Plant phenology is an important indicator of the impact of global change on biological systems because it is very sensitive to climate change. Flowering phenology is of great importance since it represents the major developmental transition of plants from the vegetative to the reproductive stage. Many existing studies have identified the advancement in first flowering date in response to global warming. However, the mechanism of first flowering date dependency on climate change remains obscure. Plant hormones play pivotal roles in almost every aspect in plant life including flowering. To understand the regulation of plant flowering phenology in response to climate change by plant hormones, accurate and efficient measurements of plant hormones are required. In this review, the functions and possible links between plant hormones and the change in first flowering date were discussed. Also, recently developed methods for plant hormone detection were briefly summarized, providing scientific techniques for understanding the underlying mechanisms of plant phenology in response to environmental stimuli.

Key words： phenology; first flowering date; plant hormone; mass spectrometry

物候是指生物适应环境条件(气候等)周期性变化的生长发育节律的现象。植物物候指植物在一年的生长中,随着气候的季节性变化而发生萌芽、抽枝、展叶、开花、结果及落叶等规律性变化的现象(竺可桢等, 1973)。而与之相对应的植物器官动态时期称为生物气候学时期,简称为物候期(Schwartz, 2013)。植物物候对气候变化的响应极其敏感,是全球变化的直接证据,在全球变化对生态系统的影响研究中发挥了重要作用(Donnelly et al, 2017)。
植物始花期变化影响植物的繁殖和进化,从而影响生态系统稳定性,是物候研究的重要内容。大量研究表明,近几十年来随着全球气候变暖,始花期提前是北半球植物始花期变化的主要趋势(陶泽兴等, 2017)。目前研究主要集中在外界环境因子(温度、光照、降水等)对始花期的影响,而少有研究关注植物对环境变化响应的内在因子对始花期的影响(Quint et al, 2016)。因此,将生物化学与物候学研究相结合,前者可以找到新的应用方向,后者也可以走向深入研究发生和变化机理的阶段。
目前,物候研究领域关于植物始花期变化机理主要有3种较成熟模式,即“开花素”模型、营养分布假说和多因子控制模型(Laurie, 1997; Koornneef et al, 1998; Colasanti et al, 2000)。其中,植物激素与始花期调控密切相关(Conti, 2017)。到目前为止,已经被确定的植物激素主要包括9大类：生长素(auxin, IAA)、细胞分裂素(cytokinin, CK)、赤霉素(gibberellin, GA)、脱落酸(abscisic acid, ABA)、乙烯(ethylene, ETH)、油菜甾醇内酯(brassinosteroid, BR)、茉莉酸(jasmonic acid, JA)、水杨酸(salicylic acid, SA)、独角金内酯(strigolactones, SL)。表1为几种主要植物激素类型和结构(Santner et al, 2009)。生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯、水杨酸、茉莉酸几类植物激素及相关代谢产物都已证实参与了植物始花期调控。因此,研究植物激素的表达与变化,可为解释植物始花期对气候变化的响应机理提供重要依据。
Tab.1 Chemical structures of auxins, jasmonic acid, salicylic acid, cytokinins, gibberellins, abscisic acid and related compounds

表1 几种主要植物激素类型和结构

植物激素能感应环境(温度、光照、降水等)变化并作出相应的反应,并且在植物生长发育等各项生理过程中起关键调控作用,是连接植物物候学与植物化学生物学的桥梁。如何通过实验手段实现对植物激素调控植物物候机理的检测是研究植物物候机理的关键。本文先综述了植物激素对环境变化的响应和对植物始花期的调控作用,随后整理了与植物始花期调控相关的植物激素分析研究手段,指出通过植物激素调控解释植物始花期对气候变化响应的内在机理的可能研究方向。

1 植物开花的激素调控

植物开花是由多种化学调控通路和基因调控通路组成的信号网络调控的。以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为代表的长日植物研究显示,CO(Constans)编码的成花因子在长日照(long-day,LD)条件下通过激活FT(Flowering Locus T)和SOC1(Supstessor of Constans 1)基因表达诱导植物开花(Campos-Rivero et al, 2017)。FT编码的FT(florigen)可激活分生组织识别基因和SOC1基因的表达,完成花的发育。SOC1可以被CO激活的同时也可以被成花转变抑制子FLC(Flowering Locus C)抑制(Conti, 2017)。
植物始花期则由环境因素与植物激素表达共同影响(Campos-Rivero et al, 2017)。不同植物激素可对环境因素变化作出响应,通过不同的化学作用与基因调控通路调节始花期(Santner et al, 2009)。

1.1 生长素

生长素是一类具有与吲哚乙酸(IAA)类似生物活性的植物激素,具有增加细胞壁的延展性并促进细胞伸长、促进细胞的快速分裂的生物活性(Quint et al, 2006)。吲哚-3-乙酸(IAA)、吲哚-3-丁酸(IBA)、4-氯吲哚-3-乙酸(4-Cl-IAA)都是天然植物生长素,其中IAA是高等植物中目前为止含量最丰富、生理作用最重要的生长素(Tanaka et al, 2006)。破坏IAA的生物合成、极性运输、信号通路都会导致始花期延后或无法开花(Cheng et al, 2007)。

1.2 细胞分裂素

细胞分裂素是一种N6-取代的嘌呤衍生物分子,主要参与调控植物细胞的增殖、分化,具有诱导分生组织细胞分裂、促进芽的形成、延缓叶片衰老的生物活性(Perilli et al, 2010)。细胞分裂素在植物体内代谢迅速,定量检测具有一定难度,因此细胞分裂素对植物始花期的具体调控机理尚不清楚,但已知它参与调控花分生组织的细胞分裂和分化过程(Jacqmard et al, 2003)。

1.3 赤霉素

赤霉素是一类有四环双萜类化合物组成的植物激素,能够促进植物种子发育、茎伸长、成花转变,并在一个主要开花途径中起重要作用(Mutasa et al, 2009)。赤霉素可以替代长日照条件促进植物开花,并能够促进花粉和花粉管伸长。在已发现的众多赤霉素中,只有GA1、GA3、GA4、GA7具有生物活性,其他非生物活性赤霉素均为以上几种赤霉素的合成前体及无活性代谢产物。
赤霉素通过抑制DELLA蛋白的功能来调节花的发育(图1)：赤霉素促进DELLA蛋白的降解,解除DELLA蛋白与FLC的相互作用,促进FLC的组蛋白甲基化标记H3K27me3,抑制FLC的表达,有利于其下游FT和SOC1基因的表达。DELLA基因如果发生缺失或突变,拟南芥始花期提前;而当赤霉素合成途径和信号传导通路被打断时,则表现始花期延后(Cheng et al, 2004)。
Fig.1 The molecular mechanism suggested for Flowering Locus C (FLC) expression

图1 赤霉素(GA)介导的DELLA蛋白调控Flowering Locus C (FLC)表达机理
注：改自Martinez et al, 2004。GA浓度增加会促进了DELLA降解,GA浓度降低会导致DELLA含量增加;DELLA蛋白可与FLC基因相互作用,抑制FLC基因H3K27me3标记,促进FLC表达,从而抑制FT和SOC1基因表达抑制开花。

1.4 脱落酸

脱落酸是一种倍半萜类植物激素,参与调控植物蛋白质和脂质合成,与种子休眠、开花等植物生理过程密切相关并主要对(Dong et al, 2015)。脱落酸在种子和芽休眠以及植物对水份胁迫的响应过程起主要作用(Su et al, 2013)。外源施加脱落酸可使植物始花期延后(Wang et al, 2013)。

1.5 乙烯

乙烯是参与植物叶片衰老、果实成熟、对外界刺激响应等众多生理活动的重要植物激素。高等植物几乎所有器官都能产生乙烯。植物器官和发育阶段不同,乙烯的生物合成速率不同(Johnson et al, 1998)。在叶片脱落、花器官衰老及果实成熟过程中,乙烯合成量增加。同时,环境胁迫(干旱)、昼夜节律、生长素浓度都会影响乙烯的生物合成。有研究认为乙烯可通过促进DELLA蛋白质的积累,干扰赤霉素诱导开花途径,从而导致始花期延后(Achard et al, 2007)。

1.6 水杨酸

水杨酸是一类含有芳香环和羟基及其官能团的酚类化合物(Raskin, 1992)。水杨酸通过调控成花关键基因CO、FLC、FT、SOC1的转录调节植物始花期(Martinez et al, 2004)。
在自主开花途径中,水杨酸是FLC等开花抑制基因的负调控因子(Wada et al, 2010)。类泛素化连接酶SIZ1(SUMO E3 ligase)能够进行类泛素化修饰,在水杨酸介导的拟南芥开花调节中起关键作用(Jin et al, 2008)。在拟南芥中,高浓度的水杨酸能够抑制类泛素化连接酶基因SIZ1(SUMO E3 ligase)的表达,导致SIZ1减少,抑制FLC上游基因FLD(Flower Locus D)的类泛素化,促进FLD的表达。FLD编码一个H3K4me2去甲基化酶,可促进FLC染色质的去乙酰化,抑制FLC表达,促进开花(图2)。
Fig.2 The participation of salicylic acid (SA) in SUMO modification of Flowering Locus D (FLD)

图2 水杨酸(SA)介导的Flowering Locus D(FLD)类泛素化修饰调控路径
注：改自Martinez et al, 2004。高浓度的SA导致SIZ1减少,抑制FLC上游基因FLD(Flower locus D)的类泛素化,促进FLD的表达;FLD的高表达可以导致FLC的减少,促进开花。反之,低浓度的SA导致SIZ1增加,从而减少FLD的表达并增加FLC,抑制成花转变。

1.7 茉莉酸

茉莉酸及其衍生物茉莉酮酸酯(jasmonate)是一类脂类植物激素,与植物逆境胁迫密切相关,是植物受到干旱或病原体干扰造成机械或生物损伤时的信号分子(Farmer et al, 2003)。同时,茉莉酸和茉莉酮酸酯也参与对植物开花的调控(Creelman et al, 1997)。
综上,乙烯、生长素、细胞分裂素、脱落酸等不同植物激素之间可通过化学作用直接调节植物开花,影响植物开花时间(Domagalska et al, 2010)。同时,植物激素信号也可以通过类泛素化、乙酰化、甲基化等方式实现对FLC、FLD、CO、FT等开花相关基因的表观遗传修饰抑制或促进植物开花,导致始花期延后或提前(Martinez et al, 2004)。图3为多种植物激素调控植物开花时间的信号传导通路总结：脱落酸通过激活Abscisic Acid-Insensitive Mutant 5(ABI5)基因激活FT基因表达,从而促进开花;茉莉酸通过Coronatine Insensitive 1 (COI1)基因抑制开花;乙烯、生长素、赤霉素通过DELLA蛋白抑制开花,DELLA蛋白能促进FLC的H3K27me3标记调节FT和SOC1的表达;SA抑制SIZ1(SUMO E3 ligase)的表达,减少FLD的类泛素化(SUMO modification)以促进FLD的表达,FLD编码H3K4me2去甲基化酶,FLD表达的增加可促进FLC染色质的去乙酰化,抑制FLC表达,促进开花。
Fig.3 Multiple hormones regulating flowering time

图3 多种植物激素调控植物开花信号传导通路
注：改自Martinez et al, 2004。脱落酸(ABA)通过激活Abscisic Acid-insensitive Mutant 5 (ABI5)基因激活Flowering Locus T (FT)基因表达,从而促进开花;茉莉酸(JA)通过Coronatine Insensitive 1 (COI1)基因抑制开花;DELLA蛋白通过促进FLC的H3K27me3标记调控FT和SOC1的表达来抑制开花,乙烯(ET)、生长素(IAA)、赤霉素(GA)通过DELLA蛋白调控开花;SA抑制SIZ1(SUMO E3 ligase)的表达,以促进FLD的表达,FLD的高表达会抑制FLC表达,促进开花。

2 植物激素的检测方法

植物激素对植物始花期的调控功能取决于植物激素在植物体内的分布和含量,因此准确测定植物不同组织器官中植物激素及相关代谢产物的含量和变化是研究植物激素调控植物始花期的关键(Mueller et al, 2017)。研究植物始花期的激素调控机理可以通过对观测植物不同组织样品的持续采集和样品中植物激素的准确测定2个方面实现。为了避免影响物候观测,减少采样过程对植物的破坏,要求采样量小且选择高效的样品采集和前处理方法。同时,植物激素在植物体内含量极低(组织鲜重的10-9~10-7数量级)、同类植物激素结构相似、难分离,需要选择灵敏度高的检测方法,从限量的植物样品中测出痕量和超痕量激素的种类、含量及变化(Bai et al, 2010)。
因此,研究植物始花期的激素调控机理可以采用高效的样品前处理方法,与仪器分析检测方法联用,实现对观测植物不同组织样品中植物激素含量的测定。样品的前处理包含提取、纯化、富集等步骤。植物激素的定量分析检测方法主要包括免疫分析方法、色谱法及色谱-质谱联用法(刘翠梅等, 2017)。

2.1 样品前处理方法

植物激素在植物体内含量低且随时变化,很难直接测定,因此研究植物始花期机理主要采用体外分析。研究植物始花期机理,首先需要对植物不同组织样品进行持续收集。在始花期前,植物的根、茎、叶、芽均可以采集并用于后续分析。根、茎、叶、芽等植物组织的前处理方法大致相同,均需经捣碎、提取等过程来测定植物激素。一般先采摘植物组织器官(茎、叶等)或组织器官的一部分,再将样品用液氮迅速冷冻并储存在-80 ℃,进行样品预处理时再取出。预处理时首先需要将样品在冷冻条件下捣碎,随后使用甲醇对植物激素进行提取,提取液经过C18柱纯化后可用于后续分析检测(Wu et al, 2009)。该方法可分段进行、容易实施,是研究始花期激素调控机理的样品采集和前处理最适用方法。

2.2 植物激素定量分析方法

2.2.1 免疫分析方法
1984年,Weiler等(1984)首次提出将免疫检测技术应用于植物激素检测,该方法基于抗原和抗体的特异性结合,具有较好的专一性。免疫分析法检测植物激素主要包括放射免疫测定法、酶联免疫吸附测定法(ELISA)、荧光免疫法、化学发光法等,其中ELISA最为常用。
生长素、脱落酸、细胞分裂素、赤霉素大类激素的ELISA检测方法均已建立,原理是将待测抗原(或抗体)与酶标记的抗体(或抗原)特异结合,洗去未结合的部分后通过测定酶活性确定抗原(或抗体)含量(Swaczynova et al, 2007)。ELISA法成熟、具有较高灵敏度、价格低廉,可用于植物始花期激素调控机理的前期研究。但该方法操作步骤多,不适合样品量大的情况。
2.2.2 色谱法
色谱法主要利用各组分在固定相和流动相上保留性质的差异实现分离和检测。植物激素分析最常见的色谱技术包括气相色谱法(GC)和液相色谱法(LC),它们具有分离效率高、灵敏度高、专一性强、速度快的优点,可进行大量样品的制备检测。研究植物始花期激素调控机理,需要对多种植物的不同组织器官进行持续采样,样品量大,因此色谱法适用于研究植物始花期机理。
气相色谱法分离取决于激素的不同理化性质(沸点、分子极性)以及与气相色谱柱的不同物理化学相互作用。气相色谱法需要待测样品具有较高挥发性,否则需要对样品进行复杂的衍生化处理。因此气相色谱主要用于乙烯的测定,乙烯外的其他植物激素常用进行液相色谱分离鉴定。液相色谱通过流动相与固定相的相互作用对待测物进行分离。高效液相色谱(HPLC)在液相色谱的基础上加入高压泵,将植物激素提取液与有机试剂作为流动相泵入装有固定相的色谱柱,在柱内各种植物激素化合物被分离后,进入检测器进行检测。周艳明等(2010)用带有紫外检测器的HPLC分离并检测了果蔬中7种植物激素的残留量,检出限可达0.004~0.02 mg/kg。超高效液相色谱(UPLC)使用了超高压输液泵,与HPLC相比色谱柱孔径更窄,具有分离度好、分析速度快、灵敏度超高的优点,目前已应用于植物激素检测(Gumustas et al, 2013)。
色谱法由于色谱自带检测器的精度有限,在测定保留时间相同或相近的物质时测量结果会产生干扰,限制了其在多组分植物激素定量检测上的应用。因此,将色谱与更灵敏的检测器联用可在色谱法高通量检测的基础上,为研究植物始花期9种激素及相关代谢产物调控网络提供更高效的手段。
2.2.3 色谱-质谱联用法
质谱(MS)检测器具有比免疫活性检测及色谱常用的紫外检测器、荧光检测器更高的灵敏度。随着质谱技术的发展,质谱技术在植物激素和相关代谢产物定量检测的优势越来越明显,逐渐成为植物激素检测的重要分析手段(Pan et al, 2009)。其中,串联质谱(MS/MS)进一步提高了质谱分析的灵敏度和选择性,进一步推动了植物激素检测的进展。如图4所示,MS/MS包括2个四级杆质量分析器和1个碰撞池：第1个四级杆质量分析器(Q1)选择特定质荷比的离子通过Q1进入碰撞池(Q2);离子在Q2碰撞气的辅助下碎裂成产物离子进入第2个四级杆质量分析器(Q3);Q3对离子的质荷比进行分析,送入后端的检测器进行检测(Muller et al, 2002; Wilbert et al, 1998)。只有Q1选择的前体离子在Q3中产生产物离子时才有信号检出,因此MS/MS检测模式中,每种化合物产生前体离子到产物离子转变都是一一对应的。
Fig.4 Flow chart of the strategy for plant hormone analysis by MS/MS

图4 串联质谱(MS/MS)检测原理示意图
注：第1个四极杆Q1)和第3个四极杆(Q3)用作质量分析器。Q1选择的前体离子在Q2中碰撞气的诱导下解离产生特定质量数的产物离子,产物离子由Q3选择并送入检测器检测。

色谱-质谱联用技术将色谱出色的分离能力与质谱的高灵敏度、高选择性、可直接得到待测物结构与分子量的特点相结合,是最适用于植物激素及相关代谢产物复杂代谢网络的分析方法,可作为研究植物始花期激素调控机理的检测手段。色谱-质谱联用法分为气相-色谱质谱联用法(GC-MS)和液相色谱-质谱联用法(LC-MS)2种。
(1) 气相-色谱质谱联用法(GC-MS)
GC-MS是定量分析植物激素及其代谢物的重要工具。与GC检测植物激素相同,GC-MS检测植物激素前也需要对植物激素进行衍生化处理。衍生化(羧基化、甲基化等)可以增加植物激素的挥发性,还可以提高植物激素稳定性,同时促进GC分离和MS电离(Offringa et al, 1999)。生长素、细胞分裂素、脱落酸、赤霉素、茉莉酸、水杨酸、乙烯、油菜素内酯都可以通过GC-MS进行定量分析(Hedden, 1993)。GC-MS/MS也在植物激素代谢谱图分析和多植物激素定量分析上取得重大进展,具有应用于植物始花期激素调控谱图研究的潜力(Yokota, 1997; Schmelz et al, 2003; Mishra et al, 2006)。
虽然GC-MS是研究植物激素及相关代谢产物对始花期调控机理的有力工具,但并非所有已发现植物激素都能很好地被衍生化以进行分离和鉴定。
(2) 液相色谱-质谱联用法(LC-MS)
LC-MS检测植物激素不需要衍生化,在研究全谱植物激素及相关代谢产物对始花期的调控信号网络方面比CG-MS检测更有优势。液相色谱-串联质谱联用(LC-MS/MS)由于MS/MS的使用进一步提高了植物激素检测的灵敏度和选择性,是目前最适用于研究植物始花期机理的检测方法。图5为常用的LC-MS/MS检测植物激素策略：植物激素提取、纯化后产物可泵入HPLC,并在色谱柱中分离,随后进入质谱检测;所有植物激素和相关代谢产物待测物在质谱中由电喷雾离子源(ESI)电离,并在MS/MS检测器中检出(Wilbert et al, 1998)。
Fig.5 Flow chart of the strategy for plant hormone analysis by HPLC-ESI-MS/MS

图5 HPLC-ESI-MS/MS检测植物激素原理示意图
注：植物激素提取、纯化后产物可泵入HPLC,并在色谱柱中分离,进入质谱;所有激素待测物在质谱中由电喷雾离子源(ESI)电离,进入MS/MS检测器,MS/MS中的Q1选择针对每种化合物选择前体离子,前体离子在Q2中碰撞气的诱导下解离产生特定质量数的产物离子,产物离子由Q3选择并送入检测器检测。

为避免影响物候观测,减少采样过程对植物的破坏,要求采样量小且能实现在极小的植物样品中检测出痕量的植物激素(Reinecke et al, 2013)。LC-MS/MS可实现微量植物样品中植物激素的超痕量测定。Jiskrova等(2016)精细分离了细胞内原生质体和液泡,结合体外分析样品前处理方法及超高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS/MS)技术,研究了拟南芥和大麦叶片中细胞分裂素在细胞外间隙、细胞内(液泡外)、液泡内的分布情况,实现了痕量植物激素的亚细胞分析。Plackova等(2017)通过超高压液相色谱-电喷雾-串联质谱(UPLC-ESI-MS/MS)实现了在长仅1 mm的拟南芥根尖(约0.1 mg)中的细胞分裂素检测。
植物始花期的激素调控是由多种植物激素的合成、代谢和运输过程共同作用的。单独研究某一种植物激素对始花期的调控机理意义不大,需要对尽可能多组分的植物激素及相关代谢产物进行检测,研究它们如何共同作用调控植物的开花时间(Ross et al, 2001)。Cai等(2016)提出快速分散固相萃取技术与UPLC-ESI-MS/MS联用的方法,测定了水稻不同生长发育阶段的各组织器官(根、叶、穗)中生长素、细胞分裂素、赤霉素、茉莉酸、脱落酸、水杨酸等54种植物激素和相关代谢产物的含量,以及细胞分裂素、赤霉素、茉莉酸在水稻不同生长时期的内源水平(图6)。Schafer等(2016)用多步固相萃取与UPLC-ESI-MS/MS联用的方法,在10~100 mg叶片、花、种子等不同植物器官中,测定了生长素、茉莉酸、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、茉莉酸等100多种植物激素及其初级、次级代谢产物的平均含量。
Fig.6 A rapid investigation approach for spatiotemporal distribution of phytohormones in rice by UPLC-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (UPLC-ESI-MS/MS)

图6 基于液相色谱-质谱联用(UPLC-ESI-MS/MS)的植物激素在水稻不同植物组织的快速检测方法
注：改自Cai et al, 2016。a. UPLC-ESI-MS/MS检测54种植物激素及相关代谢产物流程示意图。50 mg植物鲜样经液氮冷冻后研磨,用乙腈(ACN)萃取、石墨化碳黑(GCB)固相萃取提取纯化植物激素,纯化后的样品用HPLC-MS/MS检测植物激素;b. 水稻不同生长时期、各组织器官中植物激素含量(红色和蓝色分别表示较高和较低的浓度,根据文献原图绘制示意图);c. 水稻不同生长时期(苗期、分蘖期、灌浆期、成熟期)籽粒内植物激素的内源水平,以赤霉素(GA)为例。

由于LC-MS/MS检测植物激素的高灵敏度、多组分分析特性,该方法可以用于解释植物生理过程的激素表达机理。2017年,Luo等(2017)通过高速液相色谱-电喷雾-串联质谱(HPLC-ESI-MS/MS)实现了从植物激素粗提取液中同时定量检测16种植物激素和相关代谢产物,研究植物激素表达对油菜开花过程的调控。同年,Delatorre等(2017)通过HPLC-ESI-MS/MS实现了从植物激素粗提取液中同时定量检测20种植物激素和相关代谢产物,实现了对4种木本植物叶片中的植物激素整体表达分析,并对比了4种木本植物在夏季的植物激素代谢水平。

3 结语与展望

植物激素可以感应植物所处的环境变化,并可通过化学调控和基因调控直接调控植物始花期。植物激素在不同植物组织器官内的含量及变化与植物始花期调控密切相关,可直接导致植物始花期的提前及延后。因此,研究植物激素及相关代谢产物在植物体内的表达、分布、变化对认识植物始花期对气候变化响应的内在机理具有重要意义。
本文综述了植物激素信号网络对植物始花期的调控作用,可看出植物始花期的调控是多种植物激素及相关代谢产物协同作用的结果。目前对植物激素的生理调控机理的研究主要针对拟南芥和水稻等模式生物开展,对其他植物的关注较少。同时,由于过去检测技术的限制,对植物激素调控的机理研究主要集中在单个或少量植物激素。近年来色谱质谱联用技术飞速发展,为研究多种植物激素及相关代谢产物的调控作用提供了有力手段,关于复杂激素化合物体系对植物生理过程的调控机理研究也开始起步。因此,针对植物始花期机理的研究,同时考虑超多种类植物激素及初级、次级代谢产物对开花时间的协同调控作用是未来解释植物始花期变化对气候变化响应内在机理的重点与难点。
本文还初步总结了植物激素最新的表征方法与应用,其中HPLC-ESI-MS/MS技术为痕量植物激素的超多组分同时定量检测提供了非常高效的分析手段。随着该方法近年来的发展与完善,HPLC-ESI-MS/MS可以实现生长素、细胞分裂素、赤霉素、茉莉酸、脱落酸、水杨酸等多种植物激素及相关代谢产物在植物不同组织中含量及变化的精准测定。而HPLC-ESI-MS/MS目前主要应用在研究简单植物生长过程中的激素作用机理,还没有应用于植物物候对气候变化响应等复杂植物生理过程的研究。
综上,未来可将HPLC-ESI-MS/MS的多组分植物激素分析方法应用于研究植物始花期及对气候变化响应的内在机理,可以从以下几个方面开展工作：
(1) 油菜甾醇内酯和独角金内酯对植物始花期的调控作用还不清楚,可以探索油菜甾醇内酯和独角金内酯对植物始花期调控的作用;
(2) 研究植物激素的生物合成与代谢的化学反应,讨论这些反应与环境因子的关系,探索植物始花期物候激素变化的化学机理;
(3) 建立植物激素合成与代谢的反应动力学参数,如指前因子、反应动力学常数测定,从理论确定植物激素浓度随温度的变化规律;通过激素浓度预测植物始花期物候。

The authors have declared that no competing interests exist.

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