全 文 ：
第 39卷第 5期 湖南农业大学学报(自然科学版) Vol.39 No.5
2013 年 10 月 Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences) Oct．2013
DOI:10.3724/SP.J.1238.2013.00495
生长素极性运输 PIN基因在拟南芥和荠菜
不同组织表达的定量分析
朱占伟，彭彦，赵燕，胡清云，张学文*
(湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128)
 
摘 要：为了解拟南芥和荠菜形态差异与其生长素极性分布的关系，采用荧光定量 PCR，以–actin 为内参基
因，对拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花等组织中与生长素极性运输相关的 PIN1、PIN3、PIN7基因的表达进行
定量分析。结果表明：拟南芥各组织中 PIN1的表达量都高于荠菜各组织中 PIN1的表达量，拟南芥的茎和花中
PIN1的表达量分别比荠菜茎和花中 PIN1表达量高 3倍和 10倍；拟南芥各组织中 PIN7的表达量也高于荠菜各
组织的 PIN7表达量，其叶片中 PIN7的表达量比荠菜叶片中 PIN7的表达量高 10倍以上；荠菜各组织中 PIN3
的表达都高于拟南芥相应组织中 PIN3的表达量，在茎、叶中的表达分别高 3倍和 10倍以上，这些生长素极性
运输蛋白相关基因表达的差异可能是导致 2种植物形态差异的直接原因。
关 键 词：拟南芥；荠菜；PIN基因；定量分析
中图分类号：Q786 文献标志码：A 文章编号：1007–1032(2013)05–0495–05
 
Quantitative analysis of expression of auxin polar transport PIN genes in
different tissues of Arabidopsis thaliana and Capsella bursa-pastoris
ZHU Zhan-wei，PENG Yan，ZHAO Yan，HU Qing-yun，ZHANG Xue-wen*
(College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)  
Abstract: In order to understand the morphogenesis difference of Arabidopsis thaliana and Capsella bursa-pastoris and
elucidate the difference of auxin distribution, fluorescence quantitative PCR (qPCR) method with the –actin gene as
internal reference was used to quantify the expression levels of PIN1, PIN3, PIN7 in the roots, stems, leaves, flowers of the
two kinds of plants. The results show that the PIN1 expression in all Arabidopsis thaliana organs is higher than they are in
the Capsella organs. The expressions of PIN3 in the stem and flower of Arabidopsis thaliana were 3 and 10 times higher
than those in the corresponding organs of Capsella bursa-pastoris. PIN7 expression is also higher in Arabidopsis thaliana
than it is in the corresponding organs of Capsella with the expression of PIN7 in the leaf of Aradidopsis thaliana more than
10 times higher than those in the leaf of Capsella bursa-pastoris. PIN3 expression is higher in all tissues of Capsella
bursa-pastoris than it is in the Arabidopsis thaliana. The expressions of PIN3 in the stem and flower of Arabidopsis thaliana
were 3 and 10 times higher than those in the corresponding organs of Capsella bursa-pastoris. The differential expression of
auxin polar transport protein related genes may be the direct reason causing the morphology difference in the two plants.
Key words: Arabidopsis thaliana; Capsella bursa–pastoris; PIN genes; quantitative analysis

                                                              
收稿日期：2013–01–15
基金项目：湖南省教育厅重点实验室开放项目(S201201)
作者简介：朱占伟(1984—)，男，河南许昌人，硕士研究生，主要从事细胞发育生物学研究，zhuzhanwei1984@163.com；*通信作者，
xwzhang@hunau.edu.cn
生长素的极性运输主要是由生长素输出基因
PIN所调控。目前，从拟南芥中已经克隆了 8个 PIN
基因，其中 PIN1、PIN3和 PIN7在生长素的极性运
输中具有关键的作用[1–2]。笔者采用同源克隆的方


496 湖南农业大学学报(自然科学版) http://www.hnndxb.com 2013年 10月
法，从荠菜中克隆了与拟南芥各 PIN基因对应的荠菜
PIN1(JN051352)、PIN3(JF966673)和 PIN7(JQ686225)
基因的 cDNA。通过序列比对，发现这些基因与拟
南芥中的相应基因具有高度的同源性，因此判断其
具有相似的功能。拟南芥和荠菜均为十字花科植
物，在整体形态上具有相似之处，但是与拟南芥不
同的是荠菜的果荚为短角果，叶片为多裂叶。这些
器官的形态建成说明在其发育过程中有独特的生
长素分布，而生长素的分布可能是由于生长素极性
运输基因的差异表达造成的。
本研究以拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花等组
织为材料，采用荧光定量 PCR技术，以 β–actin为
内参基因，对拟南芥和荠菜不同组织中 PIN1、PIN3、
PIN7 基因的表达量进行分析，旨在为研究 PIN 基
因在荠菜发育过程中生长素的极性运输对器官的
形态建成提供依据。
1 材料与方法
1.1 供试植物
开花期的野生型荠菜和哥伦比亚型拟南芥(湖
南农业大学细胞生物学实验室栽培)。
1.2 试剂及仪器
Easy script 反转录试剂盒购自北京全式金生物
技术有限公司，Light Cycler 480 SYB GreenⅠ
Master 试剂盒购自上海杰海生物科技有限公司，罗
化实时荧光定量PCR仪(型号Light Cycler®480)。
1.3 引物的设计
根据NCBI中已经发布的登录号为AT3G18780、
AT1G73590、AT1G70940、AT1G23080、JN051352、
1F966673、JQ686225的序列分别设计β–actin内参引
物，扩增拟南芥PIN1、PIN3、PIN7和荠菜PIN1、PIN3、
PIN7基因序列的引物(表1)。由华大基因公司合成。
表 1 qPCR所用引物及对应的参考基因序列
Table 1 Primers used in the qPCR
引物名称 引物序列(方向 5′–3′) 扩增基因 引物名称 引物序列(方向 5′–3′) 扩增基因
–actinF CACTTGCACCAAGCAGCATGAAGA β–actin AtPIN7R AAACACAAACGGCACGATCCCTTG
–actinR AATGGAACCACCGATCCAGACACT CbPIN1F TACTCGATGATGGCTTCTGGTGGT 荠菜 PIN1
AtPIN1F TGCTCGTTGCTTCTTATGCCGTTG 拟南芥 PIN1 CbPIN1R TCTCCACAAACAGGTTGTCGTTAC
AtPIN1R ACCGCAGTGCTAAGAATGTCAGGA CbPIN3F CAACGTTTGCGATGGCTGTTAGGT 荠菜 PIN3
AtPIN3F TTTCCCTCTCCACACTTCCCAACA 拟南芥 PIN3 CbPIN3R CAACACGCAGTAAATCACCACGCA
AtPIN3R ACGATTTGGACCATGAGGGAACCA CbPIN7F ATCCTCCTCAGAACGGTGAAAGCA 荠菜 PIN7
AtPIN7F CGTGGCAGCAATGGCTATTGGATT 拟南芥 PIN7 CbPIN7R TCTTTAGGGTTTAGCTCGGCCGTT
1.4 拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花的 RNA提取
分别取生长健壮的拟南芥和荠菜的根、茎、叶、
花 500 mg，液氮研磨成粉末状，并转移至 1.5 mL的
Ep管中，加入 1 mL Trizol，振荡混匀，冰上静置 5
min；4 ℃、12 000 r/min离心 10 min，取上清液转移
至新的 Ep管中，冰上静置 15 min；加入 0.2 mL氯
仿剧烈颠倒 15 s，然后冰上静置 5 min；4 ℃、12 000
r/min离心 15 min；将上清转移至另一新的 Ep管中，
加入等体积的异丙醇混匀，－20 ℃静置 30 min沉
淀 RNA；4 ℃、12 000 r/min离心 10 min，加入 1 mL
75%DEPC处理过的乙醇(预冷)，4 ℃、7 500 r/min
离心 5 min， 加入 30 μL 无 RNA酶的水溶解 RNA。
1.5 第一条链 cDNA合成
冰上配置体系：Total RNA 1 μL，Anchored
Oligo(dT)18 1 μL，dNTP 1 μL，5×Buffer 4 μL，
Ribonuclease inhibiter 0.5 μL，Easy script TR 1 μL，
加无 RNA酶水至总体积为 20 μL。轻轻混匀，42 ℃
孵育 30 min。85 ℃加热 5 min，失活 Easyscript TR。
1.6 普通 PCR对引物的扩增特性的检测
取 1 μL 反转录 cDNA，分别用拟南芥的 actin
和 PIN1、PIN3、PIN7及荠菜的 PIN1、PIN3、PIN7
基因的上下游引物配制 25 μL 反应体系：2.5 μL
10×Buffer，1.5 μL 25 mmol /L MgCl2，1 μL 10 mmol
/L dNTPs，1 μL Primer Up(10 μmol /L)，1 μL Primer
Dn(10 μmol/L)，0.5 μL Tap酶，17.5 μL H2O。PCR
反应程序为：94 ℃预变性 4 min；95 ℃变性 30 s，
58 ℃退火 30 s，72 ℃延伸 30 s，30个循环；72 ℃
终延伸 10 min。扩增产物在 1.0%的琼脂糖凝胶上进
行电泳检测，在紫外凝胶成像系统中拍照记录。


第 39卷第 5期 朱占伟等 生长素极性运输PIN基因在拟南芥和荠菜不同组织表达的定量分析 497
1.7 拟南芥和荠菜 PIN1、PIN3、PIN7 基因的表
达分析
以 β–actin为内参基因，采用 96孔反应模块对拟
南芥和荠菜的 PIN1、PIN3、PIN7 基因进行 35 个循
环的Real–time qPCR扩增。扩增体系：cDNA 5 μL，
10 μmol/L primer Up 1 μL，10 μmol/L primer Dn 1 μL，
Master mix 10 μL，H2O 3 μL，总体积为 20 μL。扩增
程序：95 ℃预变性 30 s；95 ℃变性 10 s，60 ℃退火
40 s，72 ℃延伸 10 min。在延伸阶段收集荧光信号。
经软件分析得到样本内参基因的循环阈值(Ct值)。
2 结果与分析
2.1 RNA的质量检测
用紫外分光光度计对拟南芥和荠菜各组织中
提取的RNA的OD值进行测定，其OD260nm /OD280nm
值略大于2.0，表明纯度较高，可以用于扩增。琼脂
糖凝胶电泳结果(图 1)也显示，总 RNA条带清晰、
整齐。可见，所提取的 RNA 纯度高，完整性好，
无 DNA污染，可以满足后续试验的需要。

1~4分别为拟南芥的根、茎、叶、花的RNA；5~8分别
为荠菜的根、茎、叶、花的RNA。
图1 拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花中提取的RNA
Fig.1 RNA isolated from the root, stem, leaf and flower tissues
of Arabidopsis thaliana and Capsella bursa–pastoris
2.2 内参引物及拟南芥和荠菜 PIN1、PIN3、PIN7
的扩增检测
以总 RNA 反转录的 cDNA 为模板，用普通的
PCR扩增体系和反应程序，对设计的内参引物和目
的基因的引物进行扩增检测，琼脂糖凝胶电泳结果
(图 2)显示，各对引物均能正常扩增，产物均呈现为
1条清晰稳定的扩增带，大小与预期片段大小一致。
说明引物具有高度的扩增特异性。

1~3 以拟南芥根的 cDNA为模板，用拟南芥 PIN1、PIN3、PIN7
引物进行扩增的结果；4~6 以芥菜根的 cDNA为模板用荠菜 PIN1、
PIN3、PIN7引物进行扩增的结果；7 以拟南芥根的 cDNA为模板，
用 β–actin内参引物进行扩增的结果。
图2 用内参基因引物和目的基因引物进行RT–PCR
检测的结果
Fig.2 Results of RT–PCR test using primers for β-actin and primers
for PIN genes
2.3 PIN 基因的表达量分析
分别以拟南芥和荠菜的 PIN1、PIN3、PIN7 基
因的特异性引物，以拟南芥和荠菜的根、茎、叶、
花不同组织的 cDNA为模板，每组设 3个重复，进
行荧光定量 PCR，熔解曲线的峰值单一(图 3)，说
明引物具有高度特异性，没有非特异性产物扩增。


温度/℃
图3 检测PIN基因的实时荧光定量PCR的熔解曲线
Fig.3 Melting curve of real–time qPCR for PIN genes
利用 Ct值比较法对拟南芥和荠菜的 PIN1、
PIN3、PIN7 基因的表达量进行分析，假设内参
基因和目的基因的扩增效率都接近 100%，ΔCt=
Ct(目的基因)–Ct(内参基因), ΔΔCt=ΔCt(其他组织) –ΔCt(拟南芥根)，相对
28 s
18 s
1 2 3 4 5 6 7 8
M 1 2 3 4 5 6 7
500 bp
Actin PIN
荧
光
信
号
值



498 湖南农业大学学报(自然科学版) http://www.hnndxb.com 2013年 10月
表达量=2–ΔΔCt，对试验结果进行处理。
由图 4可知，拟南芥的根、茎、叶、花中 PIN1
基因的表达量都相应高于荠菜的根、茎、叶、花中
PIN1 基因的表达量。在拟南芥和荠菜的叶片中
PIN1 基因表达量都比较低。在拟南芥和荠菜的根
部，PIN1基因的表达量差异不明显。在茎和花中的
差异最明显，拟南芥茎组织中 PIN1 基因的表达量
比荠菜茎组织中 PIN1 基因的表达量高 3 倍，拟南
芥花中PIN1基因的表达量是荠菜花中PIN1基因表
达量的 10倍以上。
 
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
根 茎 叶 花
拟南芥
荠菜
 
图4 PIN1基因在拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花中表达参
比–actin的相对定量
Fig.4 Relative quantification of PIN1 gene expression in root, stem,
leaf, and flower tissues of Arabidopsisand and Capsella using
–actin as reference
由图 5 可知，拟南芥和荠菜中 PIN3 基因的表
达量与 PIN1 基因的表达量相反，荠菜各组织中
PIN3基因表达量都高于拟南芥各组织中 PIN3基因
的表达量。在拟南芥和荠菜的根部 PIN3 基因表达
量的差异不明显；在茎和叶中的差异明显，荠菜茎
组织中 PIN3基因的表达量比拟南芥茎组织中 PIN3
基因的表达量高 3 倍；荠菜叶中 PIN3 基因的表达
量比拟南芥叶中 PIN3基因的表达量高 10倍左右；
荠菜花中 PIN3 基因的表达量略高于拟南芥花中
PIN3基因的表达量。
 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
根 茎 叶 花
拟南芥
荠菜
 
图5 PIN3基因在拟南芥和荠菜的根、茎、叶、花中表达参
比–actin的相对定量
Fig.5 Relative quantification of PIN3 gene expression in root, stem,
leaf and flower tissues in Arabidopsis and Capsella using –actin
as reference
由图 6 可知，拟南芥和荠菜的 PIN7 基因表达
量的差异主要在叶片中，拟南芥 PIN7 基因的表达
量是荠菜 PIN7基因表达量的 10倍以上；拟南芥和
荠菜的根和茎组织中PIN7基因的表达量都比较低，
而拟南芥和荠菜花中 PIN7基因的表达量都很高。
 
0
2
4
6
8
10
根 茎 叶 花
拟南芥
荠菜
 
图6 PIN7基因在拟南芥和荠菜根、茎、叶、花中表达参比
–actin的相对定量
Fig.6 Relative quantification of PIN7 gene expression in root, stem,
leaf and flower tissue in Arabidopsis and Capsella using –actin
as reference
3 讨 论
PIN 基因的表达具有组织特异性或细胞特异
性，不同的PIN基因家族成员表达的部位也不相同。
这些PIN基因时空表达的特异性与生长素的极性运
输高度相关[3]。而多个高度保守的 PIN基因的存在，
表明生长素在植物体内的运输存在多条路径，同时
也反映生长素极性运输的复杂性[4]。
荧光定量 PCR的结果显示，在拟南芥和荠菜的
不同组织中，各种生长素输出蛋白表达量不一样，
对于植物不同器官的形成可能起着不同的作用。在
拟南芥和荠菜的根部维管组织中，PIN1蛋白主要通
过极性运输将生长素运输到细胞的基部。在根部的
极点生长素的极性以及生长素的积累是引发根尖
分生组织细胞分裂的主要因素。PIN 的突变体不能
发育成有功能的根，这说明了生长素的极性运输和
分布在根尖发育过程中对于根功能的形成具有重
要的作用[5]。在对 PIN1基因的突变体的胚胎的观察
中得到证实，表明 PIN1 基因介导的极性运输在两
侧对称性生长的器官的式样建成中具有重要的作
用[6]。Tsukaya[7]提出生长素极性运输可以使将来发
育成子叶的 2个区域中的生长素达到合适的浓度，
从而有利于子叶原基的发端形成两侧对称的子叶。
相
对
表
达
量

相
对
表
达
量

相
对
表
达
量



第 39卷第 5期 朱占伟等 生长素极性运输PIN基因在拟南芥和荠菜不同组织表达的定量分析 499
拟南芥叶中 PIN7基因的表达量高，荠菜叶中 PIN3
基因的表达量高，证明 PIN7基因和 PIN3基因的表
达对于维持拟南芥和荠菜叶片的形态有关。在荠菜
的花中也有 PIN1基因的表达，因此，PIN1基因应
该也参与了荠菜两侧对称型的心皮的形态建成。当
拟南芥 PIN3 基因突变之后，突变株的向光性和向
重力性减弱，在根尖的重力感受细胞中，拟南芥
PIN3蛋白接受相应重力的刺激，迅速转移到细胞的
侧面，控制细胞内生长素的侧向分布，暗示 PIN3
基因可能控制生长素在细胞中的侧向分布，从而调
控植物的向性生长[8]。拟南芥和荠菜的花中都有
PIN3基因的表达。荠菜花中 PIN3基因的表达量要
高于拟南芥中花 PIN3 基因的表达量，因此推测在
荠菜心皮发育过程中存在着生长素的侧向分布，维
持细胞的侧向分裂，PIN3基因在荠菜心皮的形态建
成中对于生长素的侧向运输起着十分重要的作用。
拟南芥的 PIN7 基因维持着生长素的向基式运输，
其突变体的胚胎极性发生异常。拟南芥和荠菜的花
器官中 PIN7 基因的表达量都很高，可能影响拟南
芥和荠菜花器官的形成。细胞内的生长素极性运输
不但取决于生长素输出蛋白 PIN的分布，而且生长
素本身对于其分布存在着反馈调节[9]。
生长素的极性运输是一个极其复杂的过程。PIN
基因家族成员存在着广泛的冗余现象，而且成员之
间还存在各种各样的交错调控和反馈调节[10]；因此，
在荠菜发育过程中，应该存在着不同的 PIN 基因对
生长素浓度的调节。笔者采用荧光定量 PCR对拟南
芥和荠菜不同组织中 PIN 基因的表达进行分析，结
果表明，PIN1基因可能在拟南芥和荠菜花器官发育
中起到了重要的生长素调节作用，而 PIN7基因则可
能在叶片的发育中发挥了重要的形态建成功能。
参考文献：
[1] 李运合，孙光明，吴蓓，等．植物生长素的极性运输
载体研究进展 [J]．西北植物学报，2009，29(8)：
1714–1722．
[2] Jirl Friml，Klaus Palme．Polar auxin transport-old
questions and new concepts?[J] ． Plant Molecular
Biology，2002(49)：273–284．
[3] Wendy Ann Peer，Anindita Bandyopadhyay，Joshua J
Blakeslee，et al．Variation in expression and protein
localization of the PIN family of auxin efflux facilitator
proteins in flavonoid mutants with altered auxin transport
in Arabidopsis thaliana[J]．Plant Cell，2004(16)：1898–
1911．
[4] Anne Vieten，Steffen Vanneste，Justyna Wisniewska，
et al. Functional redundancy of PIN proteins is
accompanied by auxin-dependent cross-regulation of
PIN expression[J]．Development，2005，132(20)：4521–
4531．
[5] Helene S Robert，Jirl Friml．Auxin and other signals on
the move in plants[J]．Nature Chemical Biology，2009
(5)：325–332．
[6] 李俊华，种康．植物生长素极性运输调控机理的研究
进展[J]．植物学通报，2006，23(5)：466–477．
[7] Tsukaya H．Leaf morphogenesis：Genetic regulations for
length，width and size of leaves[J]. Tanpakushitsu
Kakusan Koso，2002，47(12)：1576–1580．
[8] Jirl Friml，Justyna Wisniewska，Eva Benkova，et al.
Lateral relocation of auxin efflux regulator PIN3
mediates tropism in Arabidopsis [J]．Nature，2002，415：
806–809．
[9] Steffen Vanneste，Jirl Friml．Auxin trigger of change in
plant development [J]．Cell，2009，136(6)：1005–1016．
[10] Ikram Blilou，Jian Xu，Viola Willemsen，et al．The PIN
auxin efflux facilitator network controls growth and
patterning in Arabidopsis roots[J]．Nature，2005，433：
39–44．

责任编辑：罗 维 
英文编辑：罗 维