全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2016, 51 (2): 265–273, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB15017
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收稿日期: 2015-02-12; 接受日期: 2015-09-06
基金项目: 国家自然科学基金(No.31260056)、吉首大学科研启动基金(No.8811910)、湖南省重点学科建设项目(No.JSU0713Z11)和湖
南省高校科技创新团队支持计划(No.201208Z02)
* 通讯作者。E-mail: guishengl@aliyun.com
生长素输出载体PIN蛋白的质膜定位机制
曹文杰, 李贵生*
吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室, 吉首 416000
摘要 生长素浓度梯度影响植物个体及其器官的形态建成, 而PIN (PIN-FORMED)蛋白决定组织中的生长素流向。细胞质
膜的脂筏特性是PIN蛋白在质膜上不均匀分布的基础。与此同时, 网格蛋白介导的胞吞、蛋白质的磷酸化/去磷酸化甚至基
因的转录调控影响PIN蛋白的这种极性定位。另外, 在多细胞植物起源之时, PIN蛋白可能经历了从内质网膜定位到质膜定
位的转变。
关键词 生长素, PIN, 胞吞, 磷酸化, 植物进化
曹文杰, 李贵生 (2016). 生长素输出载体PIN蛋白的质膜定位机制. 植物学报 51, 265–273.
达尔文父子在研究植物向光性时就意识到了生
长素(auxin)的存在(Darwin and Darwin, 1880)。植物
体内主要的生长素是吲哚乙酸(IAA), 其它天然生长
素有吲哚丁酸(IBA)和4-氯-吲哚乙酸(4-Cl-IAA)。人工
合成的类生长素物质则有1-萘乙酸(1-NAA)和2,4-二
氯苯氧乙酸(2,4-D)。生长素一方面调控细胞分裂和促
进细胞伸长(Perrot-Rechenmann, 2010); 另一方面
以其分布的浓度梯度影响细胞分化, 就因为后一种作
用而被视为植物发育中的形态素(morphogen) (Bh-
alerao and Bennett, 2003; Dhonukshe, 2009)。与生
长素的生物合成、共价失活和氧化降解相比, 组织中
生长素高点(maxima)的形成主要是由于生长素的极
性运输(Michniewicz et al., 2007)。生长素极性运输的
化学渗透模型(chemiosmotic model)表明, 植物体内
处于质子态的生长素(IAAH)可以在组织细胞中自由
扩散, 而离子态的生长素(IAA–)必须通过主动运输才
能进出细胞; 细胞质膜上有生长素运输蛋白, 如果输
出载体位于多个细胞的同一边质膜, 组织中的生长素
流就表现出明确的方向 (Rubery and Sheldrake,
1974; Raven, 1975)。
拟南芥PIN-FORMED (PIN)基因家族有8个成员,
其中PIN5、PIN6和PIN8位于内质网膜; PIN1、PIN 2、
PIN 3、PIN 4和PIN 7位于细胞质膜。位于质膜的PIN
蛋白不均匀地分布在质膜上, 其定位模式与生长素的
流向一致; 它们的功能缺失突变体的表型指向生长素
极性运输受损, 与野生型植株受到生长素输出抑制剂
处理类似; 当它们在酵母和Hela等异源体系里表达
时, 会导致生长素输出, 所以多种证据表明分布于质
膜的PIN蛋白是生长素极性运输的限速因子(Petra-
sek et al., 2006)。PIN蛋白随组织类型和发育状况可
分布在质膜的顶部、基底部或者两侧, 甚至可在同一
个细胞的这些位置变换出现。近年来人们深入研究了
PIN蛋白的质膜定位机制。本文将从质膜结构、胞内
运输和表达调控等方面以及从基因进化的角度加以
综述。
1 质膜的脂筏本质维持PIN蛋白的不对
称分布
在含有PIN蛋白的质膜区域内, 该分子并不呈均匀分
布, 而是相对集中在一些点上, 从而形成所谓的直径
为100–200 nm的簇(cluster)。由于这些结构在质膜上
基本不移动(PIN一旦富集到质膜的某个区域便无法
扩散), 故意味着簇化实际上维持着PIN蛋白的分布极
性。在酵母的交配突出部的顶端, 脂筏(lipid rafts)
——质膜微区(microdomain)也会簇化, 并可能通过
·专题论坛·
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选择性保留从而在此富集某些蛋白质; 当然脂筏的簇
化可能也需要这些蛋白自身的先行簇集(Bagnat and
Simons, 2002)。脂筏是质膜中漂浮的由鞘脂、固醇
和蛋白构成的纳米级组装体, 因此固醇结合剂filipin
就可能通过干扰脂筏的形成进而削弱PIN蛋白的簇化
(Kleine-Vehn et al., 2011)。另外, 有些磷脂酰肌醇专
一性地位于质膜的顶部和基部, 这也会影响PIN蛋白
的分布极性 (Tejos et al., 2014)。P-glycoprotein
(PGP)是质膜里的另一种生长素载体, 它的分布没有
明显的极性, 一般也介导生长素的输出。然而, 它与
PIN蛋白往往在一起 , 并能阻止PIN蛋白进入胞内
(Titapiwatanakun et al., 2009)。不过, 质膜上生长素
输入载体AUXIN RESISTANT 1/LIKE AUX1 (AUX1/
LAX)既不发生簇化 , 又不影响PIN蛋白的定位
(Kleine-Vehn et al., 2011)。质膜与细胞壁之间通过
郝氏丝(Hechtian strands)联系, 这种作用也限制了
PIN蛋白的扩散(Feraru et al., 2011; Martiniere et al.,
2012) (图1)。
2 胞内运输与PIN蛋白极性分布的强化和
转换
质膜蛋白在粗面内质网合成后, 通过内膜系统的囊泡
运输经由胞吐从反式高尔基体/早期内涵体(TGN/EE)
到达质膜, 同时胞吞作用将质膜蛋白回收到TGN/EE,
从这里质膜蛋白会再次前往质膜或者进入液泡而被
降解。反式高尔基体、内涵体和质膜之间穿梭的囊泡
的构成需要网格蛋白(clathrin)包被, 而内质网与高尔
基体之间以及高尔基体内部之间囊泡的形成分别需
要coatomer protein complex (COP)-II和I。新合成的
PIN蛋白首次到达质膜是随机的, 质膜上PIN蛋白最
终的极性分布则源于胞吞及随后的再循环(Dhonuk-
she, 2009) (图1)。
2.1 胞吞
胞吞即摄取胞外分子或者质膜成分到达胞内。对于
PIN蛋白而言, 目前只发现了网格蛋白介导的胞吞(Li
et al., 2012)。网格蛋白在质膜内侧组装成包被, 同时
所涉质膜依次形成“井”状结构和内褶并最终从质膜
分离, 数秒之后网格蛋白包被从囊泡脱落, 没有包被
的囊泡随后与细胞质里的TGN/EE融合, 胞吞就此完


图1 PIN蛋白质膜极性定位的细胞学机制
质膜上与细胞壁成分相连的部分(●)可以阻止PIN蛋白的扩散,
位于质膜的PID和PP2A分别对PIN蛋白进行磷酸化和去磷酸
化。网格蛋白介导PIN蛋白的胞吞, 但是膜上的激酶TMK与
ABP1-生长素复合体的结合抑制该过程。进入胞质的PIN蛋白最
后到达TGN/EE, 从这里开始它们会通过再循环调控到达质膜
的特定部位或者通过降解途径进入液泡。肌动蛋白纤丝介导
PIN蛋白的向顶移动, 而微管介导其反方向的运动, 在向基运
输中, GNOM是重要成分; 磷酸化的PIN蛋白将到达质膜顶部,
而去磷酸化的PIN蛋白则移向基部。单泛素化促进PIN蛋白的胞
吞, 而多泛素化使它进入液泡降解途径。P: 磷酸化PIN蛋白; U:
泛素化PIN蛋白。

Figure 1 The cellular mechanism of the plasma membrane
positioning of PINs
The parts of plasma membrane connecting to cell wall (●)
prevent the diffusion of PINs, and PID and PP2A located in
plama membrane respectively phosphorylates and dephos-
phory- lates PINs. Clathrin mediates the endocytosis of PINs,
however this process is inhibited by the binding of kinase
TMK to ABP1-auxin complex. PINs already entering into
cytoplasm ultimately arrive at TGN/EE, whereby they un-
dergo regulation in recycling and reach certain parts of
plasma membrane or enter into vacuole via degradation
pathway. Actin mediates the apical movement of PINs while
microtubuli mediates the reverse migration, and in the basal
transportation GNOM is a key component; phosphorylated
PINs will reach the apical membrane while dephosphorylated
ones move to the basal. Mono-ubiquitylation promotes en-
docytosis of PINs while poly-ubiquitylation gets them into
vacuole degeradation pathway. P: Phosphorylated PINs; U:
Ubiquitylated PINs.
曹文杰等: 生长素输出载体 PIN蛋白的质膜定位机制 267
成。在原生质体里, 当通过超表达网格蛋白重链的
HUB模块(domain)使网格蛋白不能组装成包被时 ,
以及用Tryphostin A23处理使质膜蛋白不能对接入包
被时 , 整个的胞吞作用包括PIN蛋白的内化 (inter-
nalization)都会受到抑制(Dhonukshe et al., 2007)。
网格蛋白的重链基因和轻链基因突变体中, PIN的胞
吞以及生长素极性运输都受到了影响(Kitakura et al.,
2011; Wang et al., 2013)。另一方面, 如果将PIN2与
网格蛋白对接的酪氨酸突变, PIN2的内化就会被削弱
(Kleine-Vehn et al., 2011)。现已证实接头蛋白AP2
是PIN蛋白与网格蛋白轻链之间的连接成分(Fan et
al., 2013)。大部分网格蛋白位于质膜的边侧而非顶部
或基底部, 这种差异相对增强了质膜边侧的胞吞作
用, 从而有利于加强PIN蛋白的顶部-基底部分布极性
(Kleine-Vehn et al., 2011)。
2.2 再循环
再循环是指胞吞而来的分子重新流向质膜的过程。囊
泡介导的胞内循环在其干扰剂真菌毒素Brefeldin A
(BFA)存在的情况下, 从内质网到高尔基体的运输以
及从内涵体到质膜的运输均受到抑制(Ritzenthaler et
al., 2002; Geldner et al., 2003)。由于此时胞吞没有
受到影响, 质膜蛋白(如PIN1)会迅速从质膜消失而集
中在胞内的BFA区(Steinmann et al., 1999; Geldner
et al., 2003)。人们也在质膜和囊泡里同时发现PIN3
蛋白(Friml et al., 2002), 并已揭示了PIN蛋白的组成
型胞内循环(Dhonukshe et al., 2007)。这种不间断的
运转可能提供了一种柔性, 使PIN蛋白能快速重新定
位, 从而使生长素能在响应发育和环境信号后改变流
向(Michniewicz et al., 2007)。BFA的靶蛋白用于招募
囊泡包被(Donaldson and Jackson, 2000)。众所周
知, GNOM蛋白主要位于高尔基体, 在TGN/EE中也
有分布(Naramoto et al., 2014)。在gnom突变体中,
PIN蛋白的向顶运输和向基运输都受到了影响, 胚胎
和侧根原基中PIN1在质膜上的位置发生了改变, 结
果gnom幼苗没有根, 顶部结构有明显缺陷, 表型最
严重时幼苗没有顶-基轴, 整体上看为球状(Shevell
et al., 1994; Busch et al., 1996; Steinmann et al.,
1999; Geldner et al., 2004)。
PIN蛋白的磷酸化是再循环的重要调控事件。
PINOID (PID)是丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶, 它的超表
达使得拟南芥幼苗根中的PIN蛋白发生从基底部到顶
部的位置转换, 功能缺失突变则使花序顶部以及胚胎
子叶中PIN1的定位发生从顶部到基底部的转变(Friml
et al., 2004)。PID和磷酸化酶Protein Phosphatase
2A (PP2A)作用于PIN蛋白的亲水环, 主要是其中的
丝氨酸(Huang et al., 2010)。PIN蛋白磷酸化后, 对
GNOM介导的向基再循环的亲和力下降, 而对向顶
运输途径的亲和力升高。即使对于多极细胞(如叶表
皮的铺板细胞)这个调节机制也适用(Li et al., 2011)。
对于PIN蛋白的亲水环究竟有多少个磷酸化位点, 作
用于它们的激酶和磷酸化酶还有哪些等疑问, 目前也
有一些深入研究(Zhang et al., 2010; Rigo et al.,
2013; Barbosa et al., 2014)。
2.3 液泡降解途径
PIN蛋白进入液泡需要BFA敏感型分子(Kleine-Vehn
et al., 2008), 同时自身的酪氨酸基序也起一定的作
用(Takano et al., 2010)。此途径还需要SORTING
NEXIN 1 (SNX1)和VACUOLAR PROTEIN SORT-
ING 29 (VPS29), 它们一方面把PIN蛋白从液泡抽回
TGN (Kleine-Vehn et al., 2008); 另一方面, 微管关
联蛋白CLASP和SNX1的相互作用导致微管解聚, 从
而诱导PIN2向液泡移动(Ambrose et al., 2013)。
ESCRT蛋白则将PIN1和PIN2运送到内涵体的内腔
以便于它们进入液泡而被降解(Spitzer et al., 2009)。
单泛素化触发PIN2蛋白的内吞作用而多泛素化意味
着PIN2蛋白将被送往液泡, 该类作用的位点是PIN蛋
白中央亲水环的赖氨酸(Leitner et al., 2012)。过高和
过低的生长素水平都会诱发PIN蛋白的液泡降解
(Baster et al., 2012)。总之, 液泡降解途径似乎只是
清除受损或者多余的蛋白, 而不直接影响PIN蛋白的
质膜定位。
3 PIN基因表达调控与极性定位之间的
关系
当生长素浓度较低时 , AUXIN/INDOLE ACETIC
ACID (Aux/IAA)蛋白与AUXIN RESPONSE FAC-
TOR (ARF)蛋白结合, 这样作为生长素响应因子的
ARF无法抽身去启动靶基因的转录; 然而, 当生长素
浓度较高时, 生长素能将TRANSPORT INHIBITOR
268 植物学报 51(2) 2016
RESPONSE 1 (TIR1)与AUX/IAA联结起来, 该作用
促进AUX/IAA的泛素化和进一步降解, 这样ARF游离
出去并与靶基因启动子序列中的生长素应答元件
(AuxREs, TGTCTC) 结 合 (Pierre-Jerome et al.,
2013)。生长素通过AUX/IAA-ARF途径在特定组织里
正调控PIN基因的转录, 该作用有利于PIN蛋白之间
的协同 , 从而稳定生长素流 (Vieten et al., 2005;
Wenzel et al., 2007)。人们也确实发现PIN基因启动
子上有生长素应答元件(Boer et al., 2014; Habets
and Offringa, 2014)。在ARF5的一个不能与Aux/IAA
结合的半显性突变体内, PIN1不仅异位表达, 而且也
不再发生极性定位(Garrett et al., 2012)。外施生长素
也能改变PIN蛋白的定位极性, 这种改变与不同的组
织细胞类型有关, 而PIN蛋白的内在特性似乎与此无
关。另外, PIN蛋白的质膜极性定位与自身的转录调控
和胞内再循环也关系不大 , 却可能汲及AUX/IAA-
ARF途径的下游因子(Sauer et al., 2006)。例如, 拟南
芥中ARF7和ARF19为PLETHORA 3 (PLT3)、PLT5
和PLT7转录所必需(Hofhuis et al., 2013), 而后者既
调控PIN1蛋白的数量(Prasad et al., 2011), 又在转录
水平上与PIN基因相互调控, 甚至PIN蛋白的质膜定位
也受到它的影响(Blilou et al., 2005; Xu et al., 2006)。
有趣的是, PLT对PIN的作用实际上可能是通过调节生
长素的合成而实现(Pinon et al., 2013)。影响PIN蛋白
胞吞的ABP1也与AUX/IAA-ARF途径存在联系, 不过
它位于后者的上游(Tromas et al., 2013)。
4 PIN蛋白从内质网膜到质膜定位的进化
PIN蛋白的中央是亲水环, 两端分别是一个由4或5个
模块组成的跨膜区。在拟南芥中, PIN1、PIN2、PIN3、
PIN4和PIN7的亲水环较长(大于120个氨基酸); 而
PIN5和PIN8的亲水环较短(32–120个氨基酸之间);
PIN6的亲水环长短难以定性, 然而它与PIN1等蛋白
在序列上更为相似并且都受到了较强的负选择
(Mravec et al., 2009; Viaene et al., 2013; Bennett et
al., 2014)。具有较长亲水环的PIN蛋白一般在细胞质
膜上, 而亲水环较短的PIN蛋白往往在内质网膜上
(Mravec et al., 2009; Ganguly et al., 2014)。PIN蛋
白是植物特有的跨膜蛋白家族, 但是许多绿藻的基因
组没有PIN基因(De Smet et al., 2011), 只是在陆地
植物的姊妹类群streptophyte绿藻里发现了它的踪迹
(Zazimalova et al., 2007)。至于PIN蛋白更远的关系,
它与原核和真核生物共有的一种跨膜蛋白有一定的
相似性(Viaene et al., 2013)。PIN基因的各种系统发
育树之间存在关键分歧, 即苔藓植物和石松类植物的
PIN基因是否分别为单系并位于基因树基部(Viaene
et al., 2013; Bennett et al., 2014)。我们的研究结果
(图2)表明, 苔藓植物的PIN基因各自代表2个分支:
其中一个分支没有任何其它维管植物的同源基因, 而
另一支在种子植物、蕨类植物和石松类植物中都有同
源基因。前一类PIN蛋白的亲水环较短, 而后一类几
乎都有较长的亲水环。江南卷柏(Selaginella moel-
lendorffii)的基因组中没有亲水环较短的PIN蛋白, 同
属石松类植物的杉叶石松(Lycopodium squarrosum)
具有较短亲水环的PIN蛋白可能是种内基因重复的结
果, 这凸显蕨类植物的PINJ具有长亲水环的猜测值
得证实(Bennett et al., 2014)。由于编码较短亲水环
的PIN5和PIND基因并不聚为一支, 所以目前并不能
肯定PIN蛋白亲水环的多样化发生在陆地植物分化之
前(Viaene et al., 2013)。考虑到绿色植物的单细胞起
源以及生长素极性运输出现于绿色植物登陆之前
(Fujita et al., 2008; Boot et al., 2012), PIN蛋白最早
可能位于绿藻细胞的内膜系统, 它极可能具有较短的
亲水环, 此时它的作用是维持胞内生长素的动态平
衡; 在多细胞植物的起源过程中, 基因重复导致了具
有较长亲水环的PIN蛋白, 它也获得了新的功能——
在质膜上调控细胞间生长素流的方向和通量, 从而有
助于高级形态的建成(Viaene et al., 2013)。不过, 这
意味着, 后出现的具有较长亲水环的PIN蛋白有可能
代替亲水环较短的PIN蛋白而在内质网上发挥作用,
并且这种情况在石松类植物和蕨类植物里各发生了1
次, 因为目前看来这两类植物的PIN基因都只编码较
长的亲水环。
PIN-LIKES (PILS)是另一类生长素载体, 它和
PIN在构型上相似, 特别是也拥有生长素运输模块。
它在绿藻中广泛存在, 并且只位于内质网膜——将细
胞质中的生长素摄入内质网而影响胞内生长素的动
态平衡(Feraru et al., 2012)。PILS与位于内质网膜的
PIN5一样不受生长素运输抑制剂的影响(Barbez
曹文杰等: 生长素输出载体 PIN蛋白的质膜定位机制 269


图2 代表性PIN蛋白的系统发育关系
(A) 分支上的靴带分析值分别来自密码子1和2位的最大简约树/
氨基酸序列的最大似然树/密码子1和2位的最大似然树; (B) 靴
带分析值分别来自氨基酸序列的最大简约树/密码子1和2位的
邻接树; (C) 靴带分析值分别来自密码子2和3位的最大似然树/
氨基酸序列的邻接树。–表示靴带分析值小于50; ？表示不同方
法得到不一致的拓扑结构; 分支上竖条的长短表示亲水环的长
度, 灰色竖条表示PIN6的长亲水环的定性有争议。

Figure 2 Representative phylogenetic relationships of PINs
(A) Bootstrap values on branches are respectively from most
parsimony tree of the first and second position of codons/
most likelihood tree of amino acid sequence/most likelihood
tree of the first and second position of codons; (B) Bootstrap
values are respectively from most parsimony tree of amino
acid sequence/neighbour joining tree of the first and second
position of codons; (C) Bootstrap values are from most like-
lihood tree of the second and third position of codons/
neighbour joining tree of amino acid sequence. – indicates
values lower than 50; ? indicate incongruent topology be-
tween different methods; The length of the vertical bar on
branches suggests the length of hydrophilic loop, and the
grey colour means that the determination of PIN6 possessing
a long hydrophilic loop is equivocal.


et al., 2013)。
5 结语
PIN蛋白的质膜极性定位支撑着生长素的极性运输,
其不对称分布始于胞吞且涉及随后的再次流向质膜。
已有研究表明, 质膜的脂筏本质、PIN蛋白的磷酸化
和泛素化修饰以及转录和翻译水平受到的调控对于
PIN蛋白的正确分布具有重大影响。PIN蛋白质膜定
位机制的进一步研究或许包括解析PIN蛋白的三维结
构以及与关键类群PIN蛋白的序列和功能进行比较。
致谢 感谢中国科学院植物研究所孟征研究员和山
东大学丁兆军教授的修改和建议。
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曹文杰等: 生长素输出载体 PIN蛋白的质膜定位机制 273
Plasma Membrane Positioning Mechanism of Auxin Efflux Carrier
PIN Proteins
Wenjie Cao, Guisheng Li*
Plant Rescources Protection and Utilization Hunan Province College Key Laboratory, Jishou University, Jishou 416000, China
Abstract Auxin concentration affects the morphological establishment of plant body and its organs, while PIN (PIN-
FORMED) proteins determine the direction of auxin stream within tissues. The nature of lipid rafts of cellular plasma
membrane underlies the uneven distribution of PINs in the plasma membrane. Meanwhile, clathrin-mediated endo-
cytyosis, proteins phosphorylation/dephosphorylation and even genes transcriptional regulation affect this polar location
of PINs. Additionally, at the time when multicellular plants emerge, PINs may undergo a transition from endoplasmic re-
ticulum membrane to plasma membrane positioning.
Key words auxin, PIN, endocytosis, phosphorylation, plant evolution
Cao WJ, Li GS (2016). Plasma membrane positioning mechanism of auxin efflux carrier PIN proteins. Chin Bull Bot 51,
265–273.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: guishengl@aliyun.com
(责任编辑: 白羽红)