全 文 ：植物学通报 2006, 23 (5): 466~477
Chinese Bulletin of Botany
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30470866)
* Author for correspondence. E-mail: chongk@ibcas.ac.cn
植物生长素极性运输调控机理的研究进展
李俊华,种康*
中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室, 北京 100093
摘要 生长素极性运输特异地调控植物器官发生、发育和向性反应等生理过程。本文综述和分析了生
长素极性运输的调控机制。分子遗传和生理学研究证明极性运输这一过程是由生长素输入载体和输出载
体活性控制的。小G蛋白ARF附属蛋白GEF和GAP分别调控输出载体(PIN1)和输入载体(AUX1)的定位和
活性, 并影响高尔基体等介导的细胞囊泡运输系统, 小G蛋白ROP也参与输出载体PIN2活性的调节。本
文基于作者的研究工作提出小G蛋白在调控生长素极性运输中的可能作用模式。
关键词 生长素极性运输, 小G蛋白, 鸟苷酸交换因子, GTPase激活蛋白
Current Research Advances on Polar Auxin Transport in Plant
Junhua Li, Kang Chong*
Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Institute of Botany,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Abstract Polar auxin transport (PAT), a unique process in plant modulates organogenesis, development and
tropic response. Here we reviewed the regulation mechanism of PAT based on recent research progresses.
Evidences on molecular genetics and physiology support a hypothesis that the process is depended on activi-
ties of auxin influx and efflux facilitators. Asymmetric distribution and activities of the efflux facilitator PIN1
and the influx facilitator AUX1 are impacted by a guanine-nucleotide exchange factor (GEF) for the ADP-
ribosylation factor (ARF) and ARF-GTPase activating protein (ARF-GAP), respectively, which are involved
in Golgi stacks mediated vesicle trafficking. The activity of efflux facilitator PIN2 is modulated also by ROP,
a small G protein in Arabidopsis. A hypothesis about the regulation of polar auxin transportation by ARF is
suggested.
Key words polar auxin transport, small GTPase, GTP exchange factor (GEF), GTPase activcting protein
(GAP)
生长素是植物中唯一具有极性运输特性的
激素。生长素主要在植物体中具有分生能力
的茎尖、幼叶和根等组织器官中合成(Lomax,
1995), 其运输方向主要是从茎顶端向根尖, 这种
单一方向的运输模式即为生长素极性运输(polar
auxin transport, PAT)。极性运输使生长素在植
株体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, 以调控植物
的发育。由极性运输所形成的生长素浓度梯
度参与调控了植物的许多生理过程, 如维管发生
综述 . 生长素
4672006 李俊华 等: 植物生长素极性运输机理的研究进展
(vascular differentiation)、顶端优势(apical
dominance)和向性生长(tropic growth)等, 因此可
以说, 生长素的极性运输是植株形态的决定者
(Friml, 2003)。生长素极性运输的路径是非常复
杂的, 我们目前的了解仍然比较有限。但有一
点是肯定的, 就是生长素通过植物的中央维管组
织由茎尖向下运输, 在根茎相接的部位与根交汇
(Jones, 1998); 在这个交接点, 生长素的运输路
径较不确定; 但进入根后, 生长素就沿着中柱向
下运输, 直到根尖, 然后又通过表皮和皮层细胞
向回运送, 形成一个类似于“倒伞”的结构(图
1)。另外, 除了中央柱的主流外, 生长素还会从
中柱向茎或根侧面分布, 这可能也是植物两侧不
对称生长的基础。分子遗传学和生理学研究
表明生长素极性运输取决于在细胞极性分布的
输入和输出载体, 这些载体对生长素分布的精确
调节机制已是当前植物生物学的研究热点(石江
华等, 2005)。本文结合本实验室的工作就国内
外对生长素极性运输的主要研究进展作一分析
和综述, 提出小G蛋白在调控生长素极性运输
中的可能作用模式。
1 生长素跨细胞运输生理
在生长素发现不久, 传统实验方法就已预
测了生长素在植物体的差异分配(Went,1974), 化
学抑制剂的利用使人们进一步了解到生长素极
性运输的重要生理意义。新的生长素极性运输
基因(包括调节基因)的发现、生长素极性运输
突变体的筛选和新的高灵敏度分析检测方法的
应用, 正在帮助人们不断深入了解生长素极性运
输的调控机理及其与植物生长发育的联系。
利用燕麦胚芽鞘进行的“供体 -受体琼脂
块法(donor-receiver agar block method)”实验
是研究生长素极性运输的经典实验, 即将含有生
长素的琼脂块放在一段切去头尾的燕麦胚芽鞘
的一端, 把另一块不含生长素的琼脂小块接在另
一端, 过一段时间以后检测该端的琼脂块中是否
含有生长素, 结果表明无论胚芽鞘放置方向如
何, 生长素只能从植物体的形态学上端向下端运
输, 而不能倒转过来运输, 运输的方向与重力方
向无关。极性运输的主流以5-20 mm.h-1的速
度从茎尖到根尖进行(Lomax et al., 1995)。放射
性标记方法显示这种运输主要存在于中央维管
组织内(Morris and Thomas, 1978)。在根中, 生
长素沿着中柱细胞流向根尖(即向顶式运输,
acropetally transport), 到达根尖后, 部分生长素
沿表皮细胞折回, 流向根深长区(即向基式运输,
basipetally transport)(Rashotte et al., 2000)。新
近发现生长素也可以从根深长区表皮层重新流
入中柱, 然后向下流动, 如此循环(Blilou et al.,
2005)。只有活性形式的生长素可以进行极性
运输。
生长素吸收的动力学研究发现生长素进入
细胞还存在着由载体介导的主动运输过程
(Rubery and Sheldrake, 1974; Davies and Rubery,
1978), 进一步的实验证明这种可饱和的运输以
2H+/IAA-共运输的方式进行(Lomax et al., 1985;
Benning, 1986)。PAT受缺氧和呼吸抑制剂的
影响, 因此是一个需要能量的过程。这个过程
图 1 根中生长素的运输方向示意图(Marchant et
al., 1999, 经修改)
Fig. 1 Model of auxin transport in root
468 23(5)
是可饱和的, 且对蛋白合成抑制剂敏感, 表明
PAT是由载体介导的。这些结果最终导致了
20世纪 70年代生长素极性运输的“化学渗透
偶联学说”的形成 (Rubery and Sheldrake,
1974; Raven, 1975), 其内容主要是: 吲哚-3-乙酸
(IAA)(pKa=4.8)是弱酸, 在酸性的细胞壁(pH约
为5.5)中, 相当一部分以非解离的弱酸形式存在,
是亲脂性的小分子, 很容易经自由扩散进入细
胞; 在中性的细胞质中, 生长素主要以非脂溶性
的离子形式存在并大量积累, 因此推测存在能够
将生长素运出细胞的输出载体, 由于输出载体在
细胞中的极性分布决定了生长素的极性运输;
生长素极性运输所需的能量是由跨膜质子电位
提供的。新近的分子遗传学研究表明介导液
泡pH的AVP1基因控制生长素的运输和根的发
育, 这是化学渗透学说的新证据(Li et al . ,
2005b)。
2 生长素极性运输的输出载体
遗传突变体研究表明生长素运输依赖于输
出载体, 拟南芥中PIN家族蛋白是最重要的一
类。它包括 8个成员, 是目前研究得最多的
PAT输出载体。不同的 PIN家族成员在不同
类型的细胞中分布, 对于植物生长发育具有不同
的功能。Atpin1突变体是第一个从拟南芥中
分离到的PIN家族突变体(Goto, 1987)。突变体
的花芽不能正常发育, 形成裸露的针状花序, 并
且侧生器官的数量、大小、形状、位置均表
现出异常(Okada et al., 1991)。AtPIN1蛋白有
12个预测的跨膜区, 与细菌和真核生物载体蛋
白同源, PIN1定位于维管组织中负责极性运输
的细胞的基部, 与化学渗透偶联学说假设的负责
向基式PAT输出载体的定位一致(Gälweiler et
al., 1998)。
不同的实验室几乎同时发现了 AtPIN2/
EIR/AGR基因, pin2突变体根向地性丧失, 根中
向基性PAT减弱(Chen et al., 1998; Luschnig et
al.,1998; Müller et al., 1998; Utsuno et al., 1998)。
酵母突变体超表达AtPIN2后, 对酵母毒素5-氟-
吲哚的抗性增强, 这种物质是生长素的结构类似
物(Luschnig et al.,1998)。超表达 AtPIN2的酵
母积累的同位素标记的生长素少于对照(Chen et
al., 1998)。这些结果暗示AtPIN2在酵母中可
能有输出生长素的功能。输出载体的失活将
导致细胞中NAA的积累, 因此将导致对NAA
敏感性增强, 而根生长分析表明pin2突变体对
NAA表现为过敏, 符合上述假设(Müller et al.,
1998; Friml and Palme, 2002)。PIN2在根皮层
细胞中向顶分布, 在根表皮细胞中向基分布, 具
有分配与根的向地生长有关的生长素的功能
(Müller et al., 1998; Ottenschlager et al., 2003; Shin
et al., 2005)。
pin3突变体生长减弱, 丧失向地和向光反
应, 黄花苗中顶点钩(apical hook)缺少(Friml et al.,
2 0 0 2 b ) ; A t P I N 3 主要位于芽的内皮层
(endodermis)细胞的侧面, 根的柱细胞(columella)
以及中柱鞘细胞(Friml et al., 2002b)。在重力感
受细胞柱细胞中, PIN3能够迅速响应重力刺激
转位至侧面, 暗示PIN3可能通过控制生长素在
细胞中的侧向分配调控植物的向性生长(Friml et
al., 2002b)。PIN4介导生长素下沉至根尖生长
点静止中心以下的浓度中心的过程(Friml et al.,
2002a)。PIN7在形成和维持对于胚胎极性建立
所必要的向基式生长素浓度梯度以及根中生长
素的向顶式运输中具有作用(Friml et al., 2003;
Blilou et al., 2005)。
生长素极性运输的方向是由输出载体决定
的, 因此输出载体必定广泛参与生长素调控的过
程。植物中存在许多PIN蛋白参与的生理现象,
如胚胎发育、式样建成(pattern formation)、向
性反应等(Benkova et al., 2003; Reinhardt, 2003;
Kramer, 2004; Blilou et al., 2005)。如利用生长
素极性运输抑制剂处理芥菜幼胚导致筒状子叶
发生的实验(Liu et al., 1993),在对pin1的胚胎的
观察中得到证实, 表明PIN1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
4692006 李俊华 等: 植物生长素极性运输机理的研究进展
作用。
值得注意的是, 最近的研究揭示出一些PIN
蛋白家族介导的组织特异性的调控机制
(Benkova et al., 2003; Blilou et al., 2005)。在地
上器官形成过程中, 生长素经器官原基外层细胞
在原基的顶端积累, 然后经由一个逐级建立的、
PIN1依赖的路线被运往新分化的维管, 由此建
立了一个动态的生长素的梯度, 调控器官原基的
发育, 整个路线呈倒流的喷泉状(Benkova et al.,
2003); 侧根的形成也存在类似的机制, 只是“喷
泉”的水流方向相反, 生长素经中央维管组织
依赖PIN1的运输过程被运往根生长点(Benkova
et al., 2003)。
PIN家族蛋白协同介导根尖中的生长素流,
其不同的成员既分工明确又密切协调(Blilou et
al., 2005): 生长素由维管输往根尖主要由PIN1介
导, 在根的较低位置的临近细胞中这一过程被
PIN3、PIN4和 PIN7协助进行。到达根尖后,
生长素经由皮层和表皮细胞被向上运送, 这个过
程是依赖PIN2的。在根伸长区, 向基式生长素
流由PIN2、PIN3和PIN7介导向侧面重新取向,
形成一股回流(reflux), 汇入中柱中PIN1依赖的
运输渠道(图1), 然后流向根尖, 如此反复进行。
这个作用网络调控式样建成、向性生长和根
生长点的维持(Benkova et al., 2003; Friml et al.,
2003; Blilou et al., 2005)。
除上述 PIN家族蛋白外, P 糖蛋白(P-
glycoprotein)基因家族的部分成员也可能具有
生长素输出载体功能, 该蛋白与哺乳动物多种药
物抗性糖蛋白(mammalian multidrug-resistance/
P-glycoproteins (MDR/PGPs))同源(Geisler and
Murphy, 2006)。AtPGP1和 AtPGP19的突变
导致生长素极性运输受破坏, 异源表达系统证明
了它们的生长素输出功能(Noh et al., 2001;
Geisler et al., 2005; Petrasek et al., 2006)。已有
生化证据表明PGP是与PIN组成复合体执行输
出功能的(Blakeslee et al., 2005)。
3 AUX1与生长素的输入
生长素输入载体活性的存在最早是在1974
年提出的(Rubery and Sheldrake, 1974), 最初如
化学渗透学说所描述的那样, 生长素可以以质子
化形式通过扩散或输入载体进入细胞
(Goldsmith, 1977)。后来, 通过生理实验表明, 输
入载体可能作为一种 IAA-/2H+共运输蛋白起
作用(Lomax, 1995)。AUX1是迄今为止克隆到
并进行深入研究的唯一的一个生长素输入载体
基因。AUX1基因编码蛋白具有输入载体的活
性, 在根中细胞顶部质膜极性分布, 这种输入载
体对于生长素极性运输来说是必不可少的
(Bennett et al., 1996; Marchant et al., 1999;
Marchant et al., 2002)。AUX1蛋白与植物和真
菌的氨基酸透性酶家族具有很高的同源性, 暗示
它可能具有运输色氨酸类似物 IAA 的功能
(Bennett et al., 1996), 但在序列上和输出载体间
却没有相似性(Chen et al., 1998; Galweiler et al.,
1998; Luschnig et al., 1998; Utsuno et al., 1998)。
所以, 生长素的输入与输出载体可能是由不同的
运输蛋白家族演化而来的。
支持AUX1作为生长素输入载体在生长素
运输过程中起作用的较有力的证据来自具有不
同渗透能力的生长素对 aux1突变体根的恢复
能力实验。IAA是植物体内源合成生长素, 它
从一个细胞进入另一个细胞需要有输入和输出
两种载体的介导, 二者都是必不可少的。NAA
和2,4-D是两类人工合成的具有生长素活性的
生长调节物质。NAA是亲脂性的, 通过扩散跨
膜进入细胞的能力最强, 它进入细胞不需要输入
载体, 可直接通过扩散作用进入, 但从胞内输出
却要有输出载体的介导; 2,4-D与NAA的运输
机制恰好相反, 它需要借助于输入载体进入细
胞, 但能够从胞内自由输出。因此这三种具有
生长素活性的物质经常被用于分析输入载体或
输出载体的功能。拟南芥 aux1突变体的 IAA
470 23(5)
运输受阻而且根的向地性减弱; 当用 NAA、
IAA和2,4-D处理aux1突变体时, NAA恢复突
变体根的向地性反应的能力最高, 表明AUX1
的突变不影响NAA进入细胞, 而对IAA和2,4-
D 有影响, 与AUX1作为输入载体的假设相符
(Yamamoto and Yamamoto, 1998; Marchant et al.,
1999)。另外, 包括NAA的恢复能力实验在内
的 aux1的表型与生长素输入载体抑制剂处理
野生型后的表型类似, 这些抑制剂对生长素的输
出没有影响(Parry et al., 2001)。最近, 在爪蟾
卵母细胞(Xenopus oocyte)表达系统中证明了
AUX1可以促进高亲和力(high-affinity)生长素
运输(Yang et al., 2006)。
抗原决定基标定(epitope tagging)的原位免
疫定位分析表明AUX1在根中分布于部分中柱
细胞、柱细胞、侧向根冠和表皮细胞(Swarup
et al., 2001)。在原生韧皮部细胞中, AUX1与
生长素输出载体AtPIN1分别位于质膜区的上
部(向基面)和下部(向顶面), 表明它们在此部位
存在功能关联, AUX1在原生韧皮部的这种分布
特征, 以及aux1突变体根尖游离生长素积累能
力的下降, 暗示AUX1可能具有卸载韧皮部中生长
素的功能, 揭示了一条基于韧皮部的向根尖输送
IAA的新的生长素运输途径(Swarup et al., 2001)。
为什么在自由扩散之外还存在载体介导的
主动运输, 两种方式的相对重要性如何？早期研
究认为生长素主要是经自由扩散进入细胞的, 载
体运输是补充(Bean et al., 1968; Gutknecht and
Walte, 1980)。现在的遗传学和生理学研究结
果完全改变了这个观点(Kramer and Bennett,
2006)。因为生长素的扩散速度被高估(Kramer
and Bennett, 2006); 其次, 在很多类型的细胞中,
载体运输能力远超过扩散能力, 如利用监测同位
素标记的生长素的方法, 发现在根伸长区, 载体
运输效率约为扩散效率的 15倍(Swarup et al.,
2005)。此外, 很多间接证据也证明, 在根中, 载
体主动运输是生长素进入细胞的主要方式, 而自
由扩散是补充。如对暗培养的 aux1突变体施
加IAA和2,4-D, aux1需要十倍于野生型的量才
能抑制其根的伸长(Yamamoto and Yamamoto,
1998)。植物体高效率的载体输入系统的存在,
可能更有利于主动调节生长素运输。
4 生长素极性运输的小G蛋白调控机制
生长素输出载体是极性运输的主要调控部
位, 早期对生长素极性输出的调控的研究手段主
要是使用一些生长素输出抑制剂(auxin efflux
inhibitor, AEI)。NPA通过抑制输出载体的活
性而抑制极性运输, 有证据表明可以调节输出蛋
白活性的NPA结合蛋白是独立于生长素输出
蛋白存在的(Morris et al., 1991), 这促使人们去
寻找质膜上存在的NPA结合蛋白, 但目前为止
还没有明确的答案。在筛选对NPA不敏感突
变体过程中发现一种 tir3突变体, 其NPA结合
活性下降, 生长素极性运输下降, 因此tir3可能
对膜上输出载体复合物的建立是必要的
(Ruegger et al., 1997)。新近的拟南芥突变体研
究表明BUD1/MKK7(MAP kinase kinase 7)作为
负调控因子控制生长素极性运输, 影响植物地上
部和根的发育与向地性反应(Dai et al., 2006)。
现在不少证据显示 ARF (ADP ribosylation
factor)和Rop等小G蛋白(small GTPases)在生长
素极性运输中具有重要作用, 它们主要通过对生
长素输入载体和输出载体以及细胞转运(cellular
trafficking)系统的调节来起作用。
小G蛋白及其附属蛋白 小G蛋白家族
成员是单体蛋白, 分子量较小, 一般20-30 kD。
该蛋白家族成员都具有几个保守的结构域, 包括
四个鸟核苷酸结合区和一个效应器分子结合区
(图 2A)(Yang, 2002)。小G蛋白家族至少分为
5个亚家族, 包括Ras、Rho、Rab、Arf和Ran,
每个亚家族在细胞中有不同的功能。Ras家族
在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程, Rho家
族成员调控肌动蛋白重组过程和参与MAP激
酶的细胞信号转导过程, Rab和Arf家族在膜转
运过程中起不同的重要作用, 而Ran家族在核
4712006 李俊华 等: 植物生长素极性运输机理的研究进展
孔位置调节蛋白和RNA分子的运输过程(王昕
和种康, 2005)。
ARF (ADP-ribosylation factor)是Ras家族
的一个小G蛋白, 最初发现它是体内霍乱毒素
调节的Gs的ADP核糖基化所必需的一个辅因
子(Kahn and Gilman, 1986)。它是COPI囊泡的
一个重要组分, 参与了生物体的分泌途径, 在囊
泡运输中COPI囊泡形成方面具有功能(Kahn
and Gilman, 1986)。 ARF在胞内以两种形式存
在, 一种是与GTP结合的形式, 即活化态, 当小
G蛋白处于活化态时, 就可以和不同的下游效应
器分子相互作用, 进而执行不同的细胞生理功
能; 另一种为与 GDP结合的形式, 即钝化态。
ARF被激活后会促成COPI蛋白从膜上的回收
以促进运输囊泡的形成; ARF结合的GTP被水
解后, 就会诱导囊泡向目标膜上定位, 完成一个
循环的运输。由此可见, ARF蛋白的GTPase循
环在囊泡运输中起着重要的开关作用(Boman
and Kahn, 1995)。但是它自身没有或只有极低
的GTPase活性, 因此自身不能完成活性与非活
性形式间的转换。这些小G蛋白的“分子开
关”是依靠它的附属蛋白调控的, 称之为鸟苷
酸交换因子(GTP exchange factors, GEFs), 它可
以催化小G蛋白转换为GTP结合形式, 即活化
态。小G蛋白的非活化态的形成有两种循环控
制的方式: 一种是它自身的水解能力, 即GTPase
活性可以把GTP水解成GDP和Pi; 一种是通过
它的另一附属蛋白来完成, 称为GTPase激活蛋
白(GAPs), 它可以激活小G蛋白的水解活性。
通过GTP水解过程, 小G蛋白转换为非活化态
形式, 开始了又一周期的循环过程。除此之外,
大多数小G蛋白循环是在膜结合形式和胞质形
式循环中进行, 由于只有膜结合形式的小G蛋
白可以被GEF激活, 胞质形式的小G蛋白可以
通过鸟核苷酸解离抑制因子(GDI)结合, 从而负
调控这部分小G蛋白的 GTPase活性(图 2B)
(Yang, 2002)。
输出载体活性的调节 GNOM编码小G
蛋白ARF的GTP转换因子(ARF-GEF), 它的突
变会导致胚胎极性丧失, 进而产生一系列发育缺
陷(Steinmann et al., 1999; Geldner et al., 2001)。
最初发现由GNOM基因的破坏或使用分泌系统
图 2 小G蛋白的保守结构与调节(引自Yang, 2002)
Fig. 2 Conserved structure and regulation of small GTPases (Yang, 2002)
472 23(5)
干扰剂Brefeldin A (BFA, 一种可抑制囊泡丛高
尔基体出芽的真菌代谢产物)干扰囊泡运输后,
AtPIN1的正常膜定位被影响(Steinmann et al.,
1999)。进一步研究发现BFA处理可引起PIN1
在胞内积累(即内化, internalization), 并且对蛋白
合成抑制剂不敏感, 说明胞内的PIN1来自质膜,
这个过程是快速可逆的。用 BFA和可破坏肌
动蛋白的微丝解聚剂共同处理可抑制这个循环,
表明 AtPIN1是由微丝骨架被运往细胞内的
(Geldner et al., 2001)。现在已经明确, PIN1和
PIN3的定位都由依赖于肌动蛋白的, 在质膜和
内膜区室之间快速进行的内吞作用循环调控
(Geldner et al., 2001; Friml, 2003; Geldner et al.,
2003)。另外, 已证明生长素输出抑制剂TIBA
和NPA除了作用于质膜外, 也可作用于介导输
出蛋白转运的内吞系统(Geldner et al., 2001;
Petrasek et al., 2003)。TIR3也是作用于内吞系
统的(Gil et al., 2001)。GNOM介导BFA引起的
PIN1的内化, 因此对于PIN1的正常定位是必需
的(Geldner et al., 2003)。新近报道的SFC基因
对于PIN1的正常内化是必需的(Sieburth et al.,
2006)。SFC编码ADP核糖化因子GTP酶激活
蛋白(ARF-GAP),这是一类对囊泡运输起调节作
用的蛋白。sfc突变体叶脉不连续, 根对外源生
长素响应增强, 生长素运输增强, 经BFA处理后
PIN1在比野生型更多的较小的细胞区室积累
(Sieburth et al., 2006)。
拟南芥中Rho GTPase似乎组成了一个特
殊的小G蛋白亚家族, 这类亚家族迄今只在植
物中发现, 不同于动物的特殊的Rho GTPase, 拟
南芥中存在11个ROP GTPase成员, 以AtROP
(植物 Rho相关蛋白)命名并编号(Zheng and
Yang, 2000)。ROP2调控PIN2的功能定位, 进
而影响极性运输和向性反应(Li et al., 2005a)。
ARF1是定位在高尔基体和内吞膜系统的蛋白,
它通过其靶蛋白ROP2和 PIN2影响细胞极性
(Xu and Scheres, 2005a)。ROP通过调节ARP2/
3上游调控因子控制细胞极性, ROP的功能实现
依赖于细胞囊泡运输系统核心成员ARFs(Xu
and Scheres, 2005b)。
生长素可通过抑制内吞作用抑制PIN蛋白
的内化, 从而增加细胞表面的PIN蛋白丰度和
活性, 促进自身的输出, 这是一种生长素调节自
身运输的反馈机制(Paciorek et al., 2005)。
除以上已经明确的主要通过细胞转运系统
进行的调控外, 蛋白激酶PID也可调控PIN介导
的生长素运输(Friml et al., 2004)。黄酮醇
(flavonol)也是生长素运输的非主要调节物质, 其
作用部位与AEI(如NPA)相同(Peer et al., 2004)。
新近的研究证实PLETHORA, SHORTROOT和
SCARECROW转录因子能够有效地调控输出载
体PIN的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(Xu et al., 2006)。
输入载体AUX1活性调节 拟南芥AXR4
是一个新的内质网附属蛋白, 它特异性地调节
AUX1的定位, 对PIN的定位没有影响。AXR4
缺失引起AUX1在表皮细胞内质网中异常积累,
因此使植株丧失向地反应(Dharmasiri et al.,
2006)。我们在水稻中发现一个具有锌指结构
的蛋白 OsAGAP (GTPase activating protein,
GAP), 在酵母中能够互补ARF-GAP双突变体的
表型, 具有ARF-GTPase激活蛋白活性, 在拟南
芥中过量表达导致根系的形成模式改变
(Zhuang et al., 2005)。该基因在水稻中过量表
达导致生长素极性运输以及根发育受影响,其侧
根的表型可被NAA恢复。过量表达引起囊泡
运输系统紊乱, AUX1膜定位特征完全发生了改
变, 而 PIN1和 PIN2的定位则未受影响。因此
OsAGAP可能作为副调控因子参与囊泡运输系
统介导的生长素输入, 影响根的发育(Zhuang et
al., 2006)。
ARF-GEF对生长素输出载体定位和活性调
控及ARF-GAP对生长素输入载体定位和活性
的调控实验证据支持这样一个循环调节假说, 即
植物中ARF非活性状态调控生长素输入载体
4732006 李俊华 等: 植物生长素极性运输机理的研究进展
AUX1活性, 活性状态调节生长素输出载体
PIN1活性(图3), ARF活性和非活性的平衡是保
证正常植物根系发育所必需的。
5 展望
回顾过去几十年对生长素极性运输的研究,
是一个新的研究结果不断挑战原有的模型和假
设的过程, 如根中起主导作用的输入方式
(Kramer and Bennett, 2006)、根中生长素存在
回流(Blilou et al., 2005)(图1)、PIN1在膜内的
快速转位(Geldner et al., 2001)的发现等。随着
研究的继续深入, 新的结果不仅会充实并修正现
有的知识架构, 而且将会为向地反应、生长点
维持与器官发生和发育等领域的研究提供新的
线索。
植物极性运输控制依赖于输入载体(AUX1)
和输出载体(如PINs)活性及其调控与平衡。以
AUX1、PGP和PIN为代表的极性运输的关键
载体的发现和分析, 以及其调控机制的研究, 使
人们已经较深入地了解了生长素极性运输现
象。植物体可能存在的多套输入和输出介体
(facilitator)的相对重要性如何？它们如何调控
组织、发育阶段和外部刺激特异的发育过程,
在这些过程中它们自身又是如何受调控的？利
用近年快速发展的生长素精细定量、生长素
分子标签和实时检测技术以及通过对内源生长
素进行基因工程介导的遗传控制等技术方法, 相
信可以得到更多的答案。
致谢 庄晓蕾博士在资料收集和整理中提供了帮
助, 在此表示感谢。
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图 3 小G蛋白ARF调控生长素极性运输的可能
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auxin transportation by ARF, a small G protein
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新书介绍——《水稻遗传学和功能基因组学》
《水稻遗传学和功能基因组学》由钱前, 程式华主编。本书系统地阐述了水稻经典遗传学研究、
分子遗传学研究和基因组学研究的理论基础、方法、进展以及发展方向, 侧重实用性, 反映了作者在超
级稻育种和水稻重要功能基因克隆等方面获得的突破。全书共六章, 各章节既前后呼应, 又独立成章, 是
一本涵盖水稻遗传、基因克隆及品种选育等多方面理论和实践的最新参考书。本书可供遗传育种、生
物学、遗传学、农学和生物工程等专业的教师、学生及相关领域的科研人员及管理工作者参考。
图书在版编目(CIP)数据
北京: 科学出版社 (华夏英才基金学术文库)
ISBN 72032 01626127
Ⅰ.水⋯ Ⅱ.①钱⋯②程⋯ Ⅲ.①水稻遗传育种研究 ②水稻基因组*研究Ⅳ.S5111 032
中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第 106597号
开本: B5(720×1000) 印张: 34 插页: 2 字数: 648 000 定价: 85.00元
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