全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 3期·综述与专论·
收稿日期：2008-12-08
基金项目：黑龙江省科技攻关计划（GA06B103-7）
作者简介：于胜楠（1982-），女，硕士研究生，研究方向：植物分子生物学；E-mail：nan-nan329@163.com
通讯作者：崔继哲，教授，硕士生导师；E-mail：shiccc1@yahoo.com.cn
生长素主要在植物的茎尖、幼叶、花、维管组织
和生殖器官中合成 [1]，主要形式为吲哚乙酸（indole-
3-aceticacid，IAA）[2]。 此外，还存在吲哚丁酸（indole-
3-butyricacid，IBA）、苯乙酸（phenyl-aceticacid，PAA）、
和 4-氯-吲哚乙酸 （4-cl-IAA）。 与其它植物激素相
比，生长素表现出更广泛的多种生理效应，这与其
独具的极性运输特征密不可分 [3]。
生长素的极性运输 （polar auxin transport，PAT）
是生长素所特有的一类从细胞到细胞的主动运输 [2]。
早前， 以胚芽鞘为试材的生长素极性运输研究认
为， 生长素只能从植物体形态学的上端向下端运
输，且与重力作用无关 [2]。 目前研究表明，生长素的
极性运输存在于高等植物的茎、根和叶中，其运输
方向由运输蛋白的分布决定 [4，5]。 由茎尖合成的生
长素经茎的中央维管组织极性运输到茎基部的作
用位点，进入根后，存在两种不同的运输方式：在中
柱细胞中由根基向根尖的向顶式运输 ； 到达根尖
后，沿表皮和皮层细胞向根基的向基式运输 ，流向
根伸长区。 随后，生长素从根伸长区表皮层重新流
入中柱细胞，向下流动至根尖，如此循环 [5，6]。 在拟
南芥（Arabidopsis thaliana）幼叶原基发育过程中，生
长素的合成位点是渐变的。 在幼叶原基发育初期，
主脉形成前，游离生长素最早在托叶中合成 ，随后
在叶原基顶端的排水组织中合成。随着生长素作用
的幼叶原基向基式发育，叶裂片处排水组织合成的
生长素诱导幼叶主脉形成和次级维管束分化。到了
幼叶原基发育后期，生长素在幼叶的叶肉细胞和毛
状体中合成，诱导叶片三级、四级和终脉的形成 [4]。
可见，在拟南芥幼叶发育过程中，生长素合成位点
的改变调控幼叶原基以自顶向基的模式成熟。
生长素可诱导木质部形成 ，因而 ，极性运输的
终点可能是各器官已形成的维管组织。一旦有了维
管组织，生长素就可能非极性地长距离运输。 生长
素的这种非极性运输与其它营养物质的运输并无
PIN蛋白在生长素极性运输中的作用
于胜楠 崔继哲
（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，哈尔滨 150025）
摘 要： PIN 蛋白是生长素流出载体，它在细胞中的不对称分布决定细胞间生长素流方向。PIN 蛋白网络系统决
定生长素的极性运输，为植物体各部位的细胞提供了特异的位置和方向信息。从细胞水平上介绍 PIN 蛋白在生长素极性
运输中的作用及对 PIN 蛋白功能调节的研究进展。
关键词： 生长素 生长素极性运输 PIN 蛋白 植物生长调节剂
Role of PIN Proteins in Polar Auxin Transport
Yu Shengnan Cui Jizhe
（College of Life Sciences and Technology，Harbin Normal University，Harbin 150025）
Abstract： The Pin-formed（PIN） protein are auxin efflux carriers，the asymmetrical cellular localization of which
determines the direction of cell-to-cell auxin flow. PINs constitute a flexible network underlying the polar auxin transport
by providing particular positional and temporal information. This review summarized the role of PIN proteins in polar
auxin transport at the cellular level and current research advances on regulation of their function.
Key words： Auxin Polar auxin transport PIN protein Plant growth regulator
2009年第 3期
区别 [2]。
极性运输使生长素在植株内形成以器官顶端
为中心的浓度梯度，并维持植物不同组织中的生长
素浓度差，极性运输所形成的生长素浓度梯度参与
调控植物的许多生理过程，如拟南芥中胚胎发育和
基顶（叶的基部指向尖部）轴的形成 [7]，式样建成和
根的发育 [8~10]，器官形成 [11]，向光性和向重力性生长
等 [12~14]。
生长素进入细胞可以通过被动扩散或质膜上
极性分布的生长素输入载体（auxin influx carrier）介
导两种方式完成。由输入载体介导的生长素流入细
胞可以使生长素逆浓度梯度运输，也可以防止生长
素因被动扩散进入邻近的细胞中，从而保证了不同
细胞和组织中生长素的适宜浓度与分布 [1]。例如，拟
南芥基因组编码 4 个生长素输入载体 AUX1 （au-
xin resistant 1）、LAX1、LAX2 和 LAX3（Like AUX1）。
aux1 突变体表现出生长素极性运输受阻，产生根向
地性和叶序排列无序性的缺陷；AUX1 与其它 3 个
LAX 氨基酸序列的相似性为 73%~82%， 它们都具
有生长素输入载体的功能 [15]。
生长素输出载体（auxin efflux carrier）是一种复
合物， 由调节亚基-NPA 结合蛋白和催化亚基-PIN
（Pin-formed）蛋白两成分组成。 生长素在植物组织
中的极性运输很大程度上归功于高度调控、极性定
位的输出载体 PIN 蛋白 。 PIN 蛋白家族有 8 个成
员， 目前 PIN1、PIN2、PIN3、PIN4 和 PIN7 的功能已
有较多的研究， 而有关 PIN5、PIN6 和 PIN8 的作用
未见报道 [1]。
Yamamoto 和 Yamamoto[16]证实，吲哚乙酸（IAA）
和 2，4-D 需经 AUX1 才能运入细胞， 而 α-萘乙酸
（NAA）具有较高的通过被动扩散进入细胞的能力；
2，4-D 则具有较高的通过被动扩散逸出细胞的能
力 ，IAA-和 NAA 需经 PIN 蛋白才能运出细胞 。 20
世纪 90 年代，对拟南芥 pin-formed 1 突变体的研究
表明，PIN 蛋白在生长素从细胞流出中发挥作用 [17]。
近年来的研究显示，PIN 蛋白与植物的许多生理过
程也有密切关系 [13，18，19]。
1 PINs的结构
PIN 蛋白家族是膜内在蛋白， 有 2 个疏水区，
每个疏水区有 5 个跨膜螺旋，2 个疏水区之间是亲
水环，在亲水环的第二个可变区和羧基端疏水区之
间有一个保守的内在构型 IM。 内在构型 IM 在网格
蛋白依赖的内吞作用中，跨膜蛋白与接头蛋白相互
作用时起重要作用。亲水环中有两组模体（motif）对
PINs 翻译后修饰有重要作用，每组模体都有一个保
守的糖基化位点和两个保守的磷酸化位点（图 1），
亲水环的这种结构对调节 PINs 蛋白的功能及其正
确定位有重要作用。
2 PINs的生化功能
PINs 在生长素极性运输流出机制中发挥重要
作用。 例如，某些 pin 突变体表现出严重的生长素
极性运输缺陷 [20]；在野生型植株中施加生长素极性
运输抑制剂产生和 pin 突变体植株相同的功能缺
失表型 [9]；PINs 在细胞间的极性定位与生长素的流
动方向一致 [9，17]；酵母细胞中表达的 AtPIN2 使生长
素及与其结构相似化合物的累积量减少 [21，22]。
此外 ，烟草 （Nicotiana tabacum）BY-2 细胞系和
拟南芥细胞培养体系证实了 PINs 的生化功能。 在
悬浮培养烟草细胞中，利用可诱导 AtPINs 过表达 ，
得到了与 PINs 有关的生长素累积动力学、 生长素
流出的底物特异性、以及对生长素极性运输抑制剂
敏感性等信息 [23]。 生长素流出与 PINs 表达程度成
正比， 并且与 AtPINs 相关的生长素流出对生长素
极性运输抑制剂 NPA （1-N-naphthylpthalamic acid）
敏感。 这些发现说明 PINs 直接参与催化生长素从
细胞流出的过程，是生长素的流出载体。
虽然 PIN1、PIN2、PIN3、PIN4 和 PIN7 都具有生
长素输出载体的功能，但它们在植物多种生理过程
中也有不同的作用。 如 pin1 突变体植株表现出针
状花序，花、维管组织发育缺陷 [20]；pin2 表现出根向
地性生长缺陷 [21，22]。 pin3、pin4、pin7 分别在植物向性，
根分生组织的建成，胚胎早期发生中发挥作用 [9，12，7]。
pin 单突变体产生的表型缺陷较弱，pin 四重突变体
图 1 PIN 蛋白结构 [20]
H1、H2.疏水区 ;C1、C2、C3.亲水环的保守区 ; V1、V2.亲水
环的可变区 ;Gly/P.糖基化位点和磷酸化位点
于胜楠等：PIN蛋白在生长素极性运输中的作用 21
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
的表型严重缺陷，会产生胚胎致死。 在多种 pin 多
重突变体中，观察到 PIN 蛋白的异位表达 [24]。
3 PINs在质膜极性定位中的作用
较早的研究推测，PIN 蛋白在质膜上的不对称
分布与生长素流的方向有关 [13]，Wisniewska 等 [25]提
供了直接的实验证据 。研究人员制备了 pin2 启动
子调控由血凝素 （haemagglutinin，HA）或 GFP 标记
的 PIN1、PIN2 基因 。 pin2 突变体中的 PIN2-HA 与
野生型植株中 PIN2 相同， 定位在根皮层和表皮层
细胞的一极 ，PIN1-HA 定位在与 PIN2 相对的根表
皮层细胞另一极。 此外，构建的两个 PIN1-GFP，其
GFP 序列在 PIN1 编码区位置不同， 且在根表皮细
胞中，两个 PIN1-GFP 定位在细胞的相对极性面。用
这两个 PIN1 蛋白研究根向重力性 ， 发现了 PIN1-
GFP 的定位与生长素运动的关系， 只有 PIN1-GFP
正确定位才能调节根受重力刺激后，生长素运动到
其含量较低一面， 并互补 pin2 突变体的向重力性
应答。 这些现象说明，在活性细胞中 PIN 蛋白的极
性定位是决定生长素流方向的主要因素 [25]。
丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 PINOID （PID） 影响
PINs 的极性定位 [26]。 PID 组成型过表达产生根向重
力性， 主根根尖中根分生组织器官缺失的缺陷，这
些表型缺陷与 PIN2、PIN4 定位错误引起的根冠生
长素最大含量下降有关 [27]。 通过研究 PIN1、PIN2 和
PIN4，说明 PID 特异调控 PIN 极性定位。 磷酸肌醇
依赖蛋白激酶 1 （phosphoinositide dependent protein
kinase 1，PDK1）磷酸化激活 PID[28]，PDK1 的磷酸化
作用对 PINs 正确定位非常重要 [26]。 蛋白质磷酸酶
2A（protein phosphatase 2A，PP2A）也可调节 PINs 的
极性定位，PP2A 与 PINs 共同定位在质膜上， 通过
作用于 PINs 的磷酸化位点来调控 PINs[29]。
去污剂抗性膜 （detergent resistant membrane，
DRMs） 微结构域成分-固醇类化合物也影响 PINs
的极性定位。 CEPHALOPOD/ORC 编码合成固醇所
需的一种酶， 在拟南芥 cephalopod/orc 突变体中发
现，PINs 在特异 DRMs 微结构域的定位不正确 ，膜
的流动和小泡运输过程正常， 突变体使 PINs 运输
到质膜特异微结构域的能力减弱。 此外，在拟南芥
极性缺陷突变体中发现，膜中固醇化合物的平衡对
生长素的流出和细胞极性的建立和维持有重要作
用 [30]。
PINs 的生化功能和 PINs 的极性定位决定生长
素在细胞间流动的方向， 说明 PINs 在生长素极性
运输机制和植物体所有与生长素极性运输相关的
生理过程中发挥作用。
4 PINs的循环机制
目前 ，对 PIN 蛋白合成 、成熟机制的认识还不
清楚 ，PINs 的循环过程与 PINs 的合成过程是相对
独立的。 Geldner 等 [31]研究表明，生长素输出载体是
将生长素载入质膜， 通过小泡运输途径产生内体，
以及内体产生的再循环小泡来发挥其作用的。此循
环过程分为 PINs 从质膜到内体的内化即内吞作用
和 PINs 再定位到质膜的胞外分泌作用。 在活性细
胞中，PIN1 的活性是向沿分泌/再循环途径穿梭的
内体和小泡中装载生长素，而后通过在细胞顶端质
膜中经历再循环的早期内体产生的分泌型小泡向
细胞外以类似分泌状输出生长素，从而实现生长素
的极性运输。 PIN1 不仅位于质膜，也位于内体及其
产生的再循环小泡中。
PINs 的循环是特异性地依赖于 GNOM 的内体
运输途径 [31]。 GNOM 基因编码一种 ADP 核糖基化作
用因子——GTP 交换因子（ADP ribosylation factor G-
TP exchange factor，ARF-GEF）， 其突变会导致 AtP-
IN1 定位错误引起胚胎的极性丧失，进而产生一系
列发育缺陷 [1]。 ARF-GEF 被认为是通过特异性招募
小泡蛋白质包被（包括 COP1 和网格蛋白包被）来决
定膜运输小泡的目的地 [8]，因为小泡蛋白质包被决
定小泡细胞的定位。 所以，PINs 小泡运输到质膜和
生长素极性运输的形成和维持都需要 GNOM。
PINs 这种动态循环机制有利于载体蛋白快速
重新定位并能改变生长素流的方向。 此外，PINs 不
仅可以作为质膜上的生长素通道，也可以在特异的
内体小泡中和生长素运输到相应的细胞极过程中，
累积并维持生长素含量。
5 PINs的降解
生长素能调节某些 PINs 降解 。 例如 ，AUXIN
RESISTANT 1 （AXR1）可以下调 PIN2，这与泛素介
导的蛋白降解有关。Abas 等 [32]证实 PIN2 降解与 PI-
N2 的泛素化途径和蛋白激酶的调控有关， 泛素可
能调节再循环到质膜上的 PIN2 和定向降解的 PIN2
22
2009年第 3期
的比例。
除了依赖生长素下调， 其他 PINs 启动子依赖
时间和生长素浓度上调 ， 同时特异细胞型可下调
PIN1 和 PIN7。因此，高生长素浓度不仅刺激 PIN 基
因表达，还可使一些组织特异地下调 PINs。 这种调
节方式可以防止生长素流出载体过多而导致细胞
与细胞间生长素含量缺乏。
6 PINs的活性调节
分泌系统干扰剂 BFA 是一种可抑制囊泡从高
尔基体出芽的真菌代谢产物， 能抑制生长素流出，
增加细胞内生长素累积量 [33]。 BFA 处理使 PIN1 在
发生内吞作用一侧的附近区室聚集积累，即内化 [31]，
从而使生长素流出受限 。 构建 BFA 抗性的转
GNOM 基因植株 ，PIN1 的正确定位和生长素极性
运输对 BFA 不敏感。
NBP 是定位在质膜细胞质表面的外膜蛋白 ，
与肌丝相连 ，NBP 的极性定位与生长素流出载体
的定位一致， 但生长素流出载体和 NBP 是两种不
同的蛋白， 二者之间可能存在一个快速代谢的传
导蛋白 [34~36]。 NBP 可能作为酪蛋白激酶去激活这个
可溶性传导蛋白，再由这个被激活的传导蛋白作用
于 PINs 蛋白（图 2）。
细胞松弛素 D 和红海海绵素 B 能改变肌动蛋
白聚合状态，导致细胞骨架结构改变，这种改变影
响 PINs 定位 [20]。 肌动蛋白细胞骨架可以固定 PINs
在质膜上的极性定位。 据推测，可能也存在某种蛋
白连接肌丝和生长素流出载体，这种蛋白与生长素
极性运输抑制剂（polar auxin transport inhibitors，PA-
TIs）相结合 [36]。 PATIs 阻碍 PINs 小泡运输和再循环，
但作用机制还不清楚， 可能与这种未知蛋白有关。
有研究表明 PINs 的定位与质膜的微管排列和细胞
壁的完整性有关 [37，38]。
ATP 结合盒（ATP-binding cassette，ABC）运输因
子 PGP（P-glycoprotein）19 能稳定质膜内的 PIN1。在
质膜内，两个运输因子定位在 DRMs 的微结构域。 在
异源表达系统中，PINs 和 PGPs 共表达表明 PINs 和
PGPs 可能会对生长素的极性运输产生增效作用 [39]。
Xu 等 [40]研究证实编码转录因子的基因 SCARECR-
OW、SHORTROOT 和 PLETHORA，能够有效地调控
PINs 基因表达以及极性分布的位置，它们介导植物
器官再分化过程中生长素极性运输的重建过程。
为了鉴定生长素极性运输所涉及到的化合物，
分离对生长素极性运输抑制剂不敏感的突变体 tir3
（transport inhibitor response 3）的研究表明 ，多数突
变体表现出顶端优势和侧根的形成能力下降，根和
花茎变短等缺陷，这些发育缺陷与生长素极性运输
直接相关。 在 tir3 中，生长素运输能力和 NPA 结合
能力下降，推测 TIR3 编码 NBP 或其它生长素流出
载体化合物。 由于 TIR3 编码的蛋白约 560 kD，所
以 TIR3 重命名为 BIG，BIG 蛋白在 PINs 再循环的
内吞途径中发挥作用 （图 2）。 BIG 有几个锌指区，
与果蝇（Drosophila）的 CALOSSIN/PUSHOVER（CAL/
O）蛋白具有同源性 ，果蝇的 CAL/O 蛋白在突出传
导过程中调解小泡再循环， 这也再次验证了 TIR3
产物在植物中的小泡运输作用。
7 结语
PIN 蛋白是生长素的输出载体，能使生长素从
细胞内流出 。 PIN 蛋白家族各成员间存在功能冗
余，并受多水平调节（图 2）。 在特异组织/细胞中表
达的各种 PIN 蛋白形成一个具有相同生化功能的
PIN 蛋白系统，此系统组成一个灵活的生长素分布
网， 对和植物体生长发育相关事件作出应答。 PIN
蛋白是决定生长素流方向的基础，为植物体的各部
分和细胞提供了特异的位置信息和方向信息 。 所
以，PIN 蛋白和生长素信号转导系统共同调节植物
体的生长发育。
图 2 植物细胞中 PIN 蛋白在生长素极性运输中的作用 [20]
. 质膜 H+-ATPase； NBP.NPA 结合蛋白； AUX1. 生长素流
入载体 ； PIN.生 长 素 输 出 载 体 ； PGP.生 长 素 输 出 载 体 ；
.生长素的扩散； .载体驱动生长素运输 ；PM.质膜； VC.液泡 ；
nu.细胞核；er.内质网；ga.高尔基体；tgn.反式高尔基网
于胜楠等：PIN蛋白在生长素极性运输中的作用 23
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
除 PIN 蛋白家族外，多种药物抗性糖蛋白（mu-
ltidrug-resistance-p-glycoproteins，MDR/PGPs）家族成
员 MDR1、PGP1、PGP2、PGP4 和 PGP19 也可能具有
生长素输出载体的功能 [1]，并在 PINs 的活性调节中
发挥作用 [38]。 PIN 和 PGP 蛋白共定位并彼此互作，
但二者之间确切的功能关系尚不清楚，一个有趣的
推测是 PIN 蛋白可能指导 MDRs 发挥作用 [1]，有必
要对此开展深入的研究。
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