植物组培技术十：什么是生长素（上）

引言

  细胞分裂素（Cytokinin，简称CTK）是一类促进植物细胞分裂、调控器官分化、延缓植株衰老的核心植物激素，与生长素协同作用，是植物组织培养技术中不可或缺的关键调节物质。其发现历程依托植物组织培养技术的发展逐步推进，而化学与生理性质则决定了其在科研及生产中的应用方式。

一、细胞分裂素的发现历程

  细胞分裂素的发现是植物激素研究史上的重要里程碑，其研究起源于植物组织培养中愈伤组织增殖的难题，整个历程可分为四个关键阶段：

1. 前期探索：细胞分裂活性物质的线索

  20世纪40至50年代，植物组织培养技术逐步建立，美国威斯康星大学的斯库格（Folke Skoog）团队长期从事烟草髓部组织培养研究，他们发现：在培养基中添加酵母提取液、椰子乳、高压灭菌的DNA等物质后，烟草髓愈伤组织的细胞分裂能力显著提升，证明这类物质中存在能特异性促进细胞分裂的未知活性成分，为后续分离纯化奠定了基础。

2. 激动素的发现：首个细胞分裂素类物质的分离

  1955年，斯库格团队的米勒（Carlos O. Miller）等人从鲱鱼精子DNA中纯化出一种高活性结晶物质，该物质被命名为激动素（Kinetin，KT），化学名称为6-糠基氨基嘌呤，极低浓度即可显著诱导烟草髓细胞分裂，是人类发现的第一个具有细胞分裂素活性的物质。它的发现明确了细胞分裂素的核心生理功能，开启了该领域的系统研究。

3. 玉米素的分离：首个天然细胞分裂素的鉴定

 激动素的发现推动了天然细胞分裂素的搜寻，1963年，新西兰科学家莱瑟姆（D. S. Letham）团队从未成熟玉米种子中成功分离出天然活性物质，经结构鉴定为6-反式-4-羟基-3-甲基-2-丁烯基氨基嘌呤，命名为玉米素（Zeatin，Z）。玉米素是第一个从植物体内分离得到的天然细胞分裂素，也是天然细胞分裂素中生理活性最高的种类之一，证实了细胞分裂素是植物内源激素。

图1玉米素的发现历程

资料来源：图片来源于网络

4. 后续研究与拓展：更多类型细胞分裂素的发现

  后续研究者陆续从高等植物、细菌、真菌中分离出多种天然细胞分裂素，如二氢玉米素（DHZ）、异戊烯基腺嘌呤（iP）及其核苷、核苷酸衍生物，明确了植物体内细胞分裂素的合成与代谢途径。

二、生物合成

  细胞分裂素的生物合成主要包括从头合成途径和tRNA降解途径，其中从头合成是植物内源细胞分裂素的核心来源，tRNA降解仅起次要补充作用。

  其合成以二甲基丙烯基焦磷酸（DMAPP）作为异戊二烯侧链前体，以腺嘌呤核苷酸（ATP、ADP、AMP）为嘌呤母核前体，异戊烯基转移酶（IPT）是整个合成过程的关键限速酶。在IPT催化下，DMAPP与ATP/ADP结合，生成异戊烯基腺苷三磷酸、异戊烯基腺苷二磷酸，再经核苷酸酶、核苷酶逐级脱磷酸、脱核糖，形成基础活性物质异戊烯基腺嘌呤（iP）。iP进一步经细胞色素P450单加氧酶（CYP735A）羟化修饰，生成植物体内活性最高、承担长距离运输的反式玉米素（tZ）。tRNA降解途径则由tRNA中异戊烯基化腺苷酸降解产生少量细胞分裂素，生理贡献较低。

图2细胞分裂素的生物合成途径

资料来源：图片来源于南京瑞源生物

  合成后的细胞分裂素可转化为核苷、葡萄糖苷等无活性储存形式，按需活化；同时通过细胞分裂素氧化酶/脱氢酶（CKX）不可逆降解，维持内源激素水平稳定。细胞分裂素主要在根尖分生区合成，未成熟种子、茎尖等部位也可合成，经木质部向上运输至地上部，参与调控细胞分裂、芽分化及植株衰老等过程。

三、人工合成细胞分裂素类似物

  人工合成细胞分裂素类似物是通过化学方法合成、具有天然细胞分裂素相似或更强生物活性的外源植物生长调节物质。天然细胞分裂素（如玉米素、异戊烯基腺嘌呤）存在含量极低、提取困难、易降解、成本高昂等问题，难以规模化应用。人工合成类似物克服了上述缺陷，具备活性高、稳定性强、成本低廉、易工业化生产的优势，是植物组织培养、现代农业生产中调控植物生长发育的核心物质，根据化学结构可分为嘌呤型和苯基脲型两大类。

（一）嘌呤型人工合成细胞分裂素类似物

  该类化合物以腺嘌呤为母核，在6-氨基位引入不同取代基团，结构与天然细胞分裂素高度相似，是应用最早、范围最广的类型，安全性高、适用性广。

1. 激动素（Kinetin，KT）

  激动素是人类发现的首个具有细胞分裂素活性的化合物，为纯人工合成产物，植物体内无天然存在。白色或类白色结晶粉末，难溶于水，易溶于稀酸、稀碱溶液及丙酮、乙醇等有机溶剂；对光、热稳定性中等，常温干燥环境可长期储存，可耐受常规培养基高压灭菌。具有典型细胞分裂素活性，可促进植物细胞分裂、诱导愈伤组织增殖与不定芽分化、延缓叶片和果实衰老；活性为中等水平，低于6-BA及苯基脲类类似物。

  早期植物组织培养的核心细胞分裂素，用于烟草、胡萝卜等模式植物的愈伤组织诱导与芽分化；现多用于切花保鲜、果蔬采后保鲜，以及部分基础生物学研究，因活性较低，已逐渐被6-BA替代。

2. 6-苄基腺嘌呤（6-Benzyladenine，6-BA）

  6-苄基氨基嘌呤，是目前全球应用最广泛、最经典的嘌呤型人工细胞分裂素。白色至浅黄色结晶粉末，微溶于冷水，易溶于热水、稀酸、稀碱及乙醇；稳定性优异，耐高压蒸汽灭菌，是植物组培培养基中最适配的细胞分裂素。

  活性显著高于激动素，广谱性强，可高效诱导细胞分裂、愈伤组织分化不定芽、打破顶端优势、促进侧芽萌发、延缓植株衰老；与生长素协同作用，可精准调控组培外植体的分化方向。

  植物组织培养的首选细胞分裂素，广泛用于花卉、蔬菜、果树、林木的快速繁殖与脱毒苗培育；农业上用于果树疏花疏果、促进坐果、无籽果实培育，以及花卉促分枝、切花保鲜等。

（二）苯基脲型人工合成细胞分裂素类似物

  该类化合物不含腺嘌呤母核，以苯基脲为基本分子骨架，是一类新型超高活性的细胞分裂素类似物，部分品种兼具生长素活性，对难培养植物具有特殊诱导效果。

1. 噻苯隆（Thidiazuron，TDZ）

  N-苯基-N'-1,2,3-噻二唑-5-基脲，是目前已知活性最强的细胞分裂素类似物之一。白色至浅黄色结晶粉末，难溶于水，易溶于二甲基亚砜、甲醇等有机溶剂；化学稳定性极强，耐酸、耐碱、耐高温，不易被植物内源酶降解。生物活性是6-BA的数十倍至百倍，不仅具有超强细胞分裂素活性，还兼具微弱生长素活性；可高效诱导愈伤组织分化、促进体细胞胚发生，对核桃、桉树、兰花等难分化植物具有极强的诱导效果；同时可抑制细胞分裂素氧化酶活性，减少内源激素降解。

  主要用于木本植物、兰科植物等难培养物种的组织培养与体细胞胚诱导；农业上用作棉花脱叶剂，也可促进葡萄、猕猴桃等作物坐果，提升产量；在种质资源离体保存中用于高效增殖。

2. 氯吡脲（Forchlorfenuron，CPPU/KT-30）

  N-(2-氯-4-吡啶基)-N'-苯基脲，又名吡效隆，是农业生产中应用最广泛的苯基脲型细胞分裂素。白色结晶粉末，几乎不溶于水，易溶于甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂；化学稳定性极佳，常温下可长期储存，不易分解。活性为6-BA的100倍以上，细胞分裂素活性专一，无明显生长素活性，核心作用为促进细胞分裂与膨大、提高坐果率、促进果实均匀膨大、改善果实品质。

图3 人工细胞分裂素的化学结构式

资料来源：图片来源于网络

 农业生产中果实膨大的核心药剂，广泛用于猕猴桃、葡萄、西瓜、草莓、甜瓜等果蔬，显著提高坐果率、增大果形、提升产量；也可用于部分植物组培中的芽增殖，以及果实采后保鲜。

四、人工合成细胞分裂素类似物的共性特点与使用原则

（一）共性特点

  外源调控性：均为外源化合物，可通过人为控制浓度、配比和施用方式，精准干预植物细胞分裂、分化、衰老等生理过程。

  稳定性优势：相比天然细胞分裂素，人工合成类似物不易被植物内源酶降解，耐高压灭菌，便于培养基制备和田间规模化施用。

  活性可调性：通过分子结构修饰，可获得不同活性强度的类似物，满足组培、农业生产等不同场景的需求。

  成本效益：化学合成工艺成熟，可实现工业化大规模生产，成本远低于天然细胞分裂素，适合商业化应用。

（二）使用原则

  严格控制浓度：不同类似物活性差异极大，需根据植物种类、培养目标精准设定浓度，避免浓度过高产生毒害、畸形、抑制生根等副作用。

  配合生长素使用：植物组培中需与生长素（NAA、IAA、2,4-D）协同作用，通过调整细胞分裂素/生长素的比值，调控外植体向芽、根或愈伤组织方向分化。

  遵循物种特异性：不同植物对不同类似物的敏感性存在显著差异，需通过预实验筛选最优种类和浓度。

  遵守安全规范：农业应用中需严格遵守农药残留标准，控制使用剂量和时期，避免影响农产品品质与生态环境。

五、小结

  人工合成细胞分裂素类似物是植物生物技术和现代农业的重要支撑，在植物快速繁殖、脱毒苗培育、作物增产、果蔬保鲜、种质资源离体保存等领域发挥着不可替代的作用。随着精细化工和植物分子生物学的发展，新型高活性、低毒性、专一性强、环境友好的人工细胞分裂素类似物将持续研发，进一步拓展其在农业、园艺、生物医药等领域的应用边界。

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