全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 8期，2009年 8月 833
收稿 2009-04-09 修定 　2009-06-15
资助 国家重点基础研究发展计划(2005CB20900)和高等学校
博士学科点专项科研基金(2 007 0335 081 )。
* 通讯作者(E-ma i l : hu ixia @zju .edu .cn; T el : 05 7 1 -
8 8 2 0 6 1 4 6 )。
高等植物的 PIN基因家族
刘士平 1,2, 王璐 1, 王继荣 1, 薛艳红 1,2, 寿惠霞 1,*
1浙江大学生命科学学院植物生理学与生物化学国家重点实验室, 杭州 310058; 2三峡大学化学与生命科学学院, 湖北宜昌
443002
PIN Gene Family in Higher Plants
LIU Shi-Ping1,2, WANG Lu1, WANG Ji-Rong1, XUE Yan-Hong1,2, SHOU Hui-Xia1,*
1State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058,
China; 2College of Chemistry and Life Science, Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China
提要: PIN是一类编码生长素极性运输载体元件的基因家族, 影响着高等植物生长素的外向运输和众多生长发育过程。近
年来该基因家族的相关成员陆续在不同物种中得到克隆。本文就PIN蛋白家族的结构、功能和活性调控的研究进展作一
介绍。
关键词: 生长素; PIN基因家族; 极性运输; 生长发育; 高等植物
生长素是植物体内唯一具有极性运输(polar
auxin transport, PAT)特点的激素, 它主要在植物的
叶原基、幼叶以及根和发育的种子等部位合成
(Muday等1995), 然后通过极性运输(主要是从茎顶
端向根尖)到达靶细胞来调节一系列生理反应。生
长素的极性运输影响着植物体的生长、发育、繁
殖等许多生理过程: 参与植物的形态建成和向性反
应, 调控组织的伸长生长及维管分化, 参与胚胎发
育、光形态建成等(倪为民等 2000; 夏石头和萧浪
涛2003)。近年来随着一系列生长素极性运输相关
的突变体的分离(Chen等 1998; Marchant等 1999;
Abas等 2006), 人们对生长素极性运输的认识获得
了较大进展(李俊华和种康 2006; 刘进平 2007)。
IAA (indole-3-acetic acid, 吲哚乙酸)是植物体
内主要的内源性生长素, 它在组织内是从上一个细
胞到下一个细胞进行极性运输的(Morris 2000)。
除了少部分生长素可直接通过自由扩散从细胞壁进
入细胞质, 大部分生长素都必须依赖于输入载体
(influx carrier)和输出载体(efflux carrier)的协助才能
顺利进出细胞(Muday和 DeLong 2001; Friml和
Palme 2002)。这些运输载体都不对称地分布在细
胞膜上的一端或一侧(极性分布), 从而控制着生长
素的极性运输。AUX1蛋白是一类公认的输入载
体, 影响着生长素向胞内的输送(Marchant等 1999;
Dharmasiri等 2006)。此外, 细胞膜上的一些 PGP
蛋白(phosphoglycoprotein)既可以作为生长素输入
载体, 又可以作为输出载体行使功能(Blakeslee等
2005; Teale等 2006; Blakeslee等 2007)。
PIN蛋白家族是一种公认的生长素输出载体,
它们在细胞膜上也呈极性分布, 负责将生长素从胞
内运输到胞外。但到目前为止, PIN蛋白的生长素
输出活性还没有生化方面的直接证据, 故一般将其
描述为生长素输出载体的元件(e lement)、组分
(component)或促进剂(facilitator)。人们从拟南芥
(Arabidopsis thaliana)或其他物种中先后分离了
PIN1、PIN2、PIN3、PIN4和 PIN7等基因, 并
证实这些基因参与植物器官的发生发育、根的向
地性及其他向性反应、根的伸长生长以及早期的
胚胎发育等过程。
1 PIN蛋白的结构
高等植物的 PIN蛋白家族成员之间有较高的
同源性。序列比对结果显示, 水稻(Oryza sativa)、
小麦(Triticum aestivum)与拟南芥对应的PIN蛋白之
间的同源性为 32%~85%, 表明 PIN起源于同一个
祖先(Paponov等 2005)。PIN蛋白都是由位于两端
的两个疏水区和中间一个亲水区构成(图1), 其中每
个疏水区均有5~6次跨膜折叠, 这种结构特点与其
所行使的跨膜运输功能一致。根据 PIN蛋白亲水
结构的差异可将其分为两类: 一类PIN蛋白的亲水
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区较短, 只有C1区(恒定区1)和V1区(可变区1); 另
一类具有较长的亲水区, 包括 C1、C2、C3结构
域和 V1、V2等结构域。有实验表明, PIN蛋白
的亲水区对于生长素的运输功能并不是必不可少
的, 但它对转运体功能的调控和PIN蛋白的正确定
位是至关重要的(Zazimalova等2007)。在疏水区C
端与V2区之间有一NPXXY (IM, 图 1)保守结构,
它调控着PIN蛋白的内吞作用, 介导着小泡分拣过
程中膜蛋白与受体蛋白的互作。此外, 在 PIN蛋
白的亲水区还有多个糖基化和磷酸化位点(图1), 这
些位点与 PIN蛋白的功能调控密切相关(Blakeslee
等 2007)。
2 PIN蛋白的功能
人们对 PIN蛋白功能的认识最先起源于一些
突变体的研究。由于 pin突变体常表现出生长素
运输异常, 故推测PIN蛋白可能与生长素的极性运
输有某种关系(Galweile等 1998; Chen等 1998); 生
物信息学也支持这一假说, 序列分析表明PIN属于
膜运输蛋白(Morris 2000; Kwiatkowska 2004)。一
些生理生化实验进一步表明, PIN蛋白是生长素极
性运输的载体元件: PIN蛋白的极性定位方式与生
长素流的运输方式相同(Benkova等 2003; Friml等
2003); 其时空表达模式与生长素的运输高度一致
(Okada等 1991; Peer等 2004); 侧根原基起始时离
不开 PIN蛋白运输的生长素浓度梯度(Benkova等
2003)。
拟南芥的 pin1是分离到的第一个 PIN家族突
变体。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
图 1 PIN蛋白结构预测(Zazimalova等 2007)
H1、H2: 疏水结构; C1、C2、C3: 亲水结构的恒定区; V1、V2: 亲水结构可变区。Gly/P: 糖基化或磷酸化位点。N 与 C 分
别表示蛋白的氨基端和羧基端。
置均表现出异常(Okada等 1991)。AtPIN1蛋白预
测有12个跨膜区, 与细菌和酵母的一些运输蛋白同
源。细胞亚定位的结果显示, AtPIN1位于维管组
织中负责生长素极性运输的细胞的基部, 与化学渗
透偶联学说假设的负责生长素向基式输出载体
(basipetal efflux carrier)的定位一致(Galweiler等
1998)。
AtPIN2 (又名AGRI或EIR1)也是一种跨膜蛋
白(Chen等 1998)。当AtPIN2在酵母中表达时, 放
射标记显示, IAA流出细胞的速度加快, 表明AtPIN2
调控着生长素的细胞输出。AtPIN2在根中特异性
表达, 参与根的向地性反应, 调节着生长素在根部
分生组织中的不对称分布(Friml等 2004; Blilou等
2005)。此外, 在根毛细胞中超表达 AtPIN2会阻碍
根毛尖端的生长(Cho等 2007), 进一步的研究表明
这是由于AtPIN2促使胞内生长素水平低于根毛生
长的临界水平, 从而阻止根毛极性生长(Schlicht等
2008)的缘故。
拟南芥的pin3突变体生长减弱, 向地性和向光
性丧失。在根冠细胞中, AtPIN3能够响应重力刺
激迅速转位至侧面, 暗示AtPIN3可以通过控制细胞
中生长素的侧向分配而调控植物的向性生长(Friml
等 2002b)。
AtPIN4在细胞中也呈极性分布, 其突变体与萘
基邻氨甲酰苯甲酸(1-naphthylphthalamic acid, NPA,
一种生长素极性运输的抑制剂)处理的野生型表型
相似(Friml等2002a)。pin4的根尖生长素浓度提高
(即其中的生长素无法流出), 无法建立并维持根中
的生长素梯度, 静止中心和顶端根冠的起始细胞分
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裂异常, 表明AtPIN4参与根静止中心区的分生组织
中生长素浓度梯度的建成(Smi th等 2006)。与
AtPIN2一样, 根毛细胞中超表达 AtPIN4同样也会
阻碍根毛尖端的生长(Cho等 2007)。
AtPIN7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(Friml等 2003; Blilou等
2005)。
AtPIN5、AtPIN6与 AtPIN8的功能还不很清
楚, 但表达分析显示, AtPIN6在侧根原基形成时大
量表达, 其启动子::GUS的组织染色表明PIN6位于
原分生组织中, 从而暗示PIN6参与组织或器官的分
化, 但pin6突变体在并不发生明显的生长受阻现象
(Benkova等 2003), 因此这些 PIN家族成员功能的
认识还有待进一步研究。
单一的pin突变体往往只表现出轻微的突变表
型或没有表型, 而双突变体或多突变体则会严重地
阻碍植物的发育(Blilou等2005)。在pin1突变体内,
PIN4蛋白会扩展到原本 PIN1所处的位置,说明不
同的 PIN蛋白之间存在着功能冗余现象(Blilou等
2005)。有实验证明, PIN成员的这种冗余现象是
广泛存在的, 而且成员之间还存在各种各样的交错
调控和反馈调节(Blilou等 2005)。
迄今为止, 除了拟南芥以外, 人们还在水稻、
小麦和玉米(Zea mays)等植物中克隆到许多PIN同
源基因(Xu等 2005; Paponov等 2005; Carraro等
2006) (图 2), 有实验表明, 这些 PIN蛋白有着类似
的功能。水稻中OsPIN1与拟南芥中的 AtPIN1相
似, 主要在维管组织或一些侧生器官中, 如侧根和
不定根的原基上表达。下调表达OsPIN1会显著影
响水稻不定根和分蘖的数量(Xu等 2005)。免疫荧
光实验也显示, 玉米的 ZmPIN1a和 ZmPIN1b极性
分布在细胞的一端, 在花序发育异常的突变体 bif2
(barren inflorescence 2)中ZmPIN1a和ZmPIN1b的
极性分布也发生改变(Carraro等 2006)。
3 PIN的表达特异性
高等植物中的所有 PIN蛋白都极性分布在细
胞的一侧或一端, 与生长素的极性运输一致。此
外, PIN蛋白还具有组织特异性或细胞特异性的特
点(图3), 不同的PIN家族成员表达的部位不尽相同
(部分存在功能冗余的 PIN除外)。这些 PIN基因
时空表达的特异性(图3)与生长素的极性运输高度
相关(Okada等 1991; Peer等 2004), 而且多个高度
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, 反映了生长素极性运输的复杂
性(Vieten等 2005), 也从另一个侧面证实 PIN家族
调控着植物不同的生长发育过程。
图 2 PIN家族的亲缘关系(Paponov等 2005)
At: 拟南芥; Os: 水稻; Ta: 小麦。
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AtPIN1定位于根或地上部分的维管组织及胚
胎中, 参与根系和分蘖等多种器官的发育调控
(Galweiler等 1998)(图 3)。AtPIN2仅在根中表达,
其转录定位于根部因重力刺激发生弯曲的区域, 在
根毛的发生区域也观测到AtPIN2的大量表达(Friml
等 2004; Blilou等 2005)。AtPIN3的分布较广, 在
根分生组织的中柱鞘细胞(per icycle )、根冠柱
(columella)以及幼芽的内皮层(endodemis)细胞中都
可以观测到其表达(Friml等 2002b)。AtPIN4在根
静止中心(quiescent center)区域表达, 对维持分生组
织中生长素的浓度梯度至关重要; 此外, 它还在胚
胎的极性建成时大量表达(Smith等 2006)。同样
AtPIN7在根冠和胚胎中表达, 它在维持生长素的向
基式浓度梯度时起作用(Friml等 2003; Blilou等
2005)。
这些 PIN家族成员表达的时空特异性并不是
一成不变的。如前面已经述及的, 由于功能冗余性
的广泛存在, 当一个 PIN发生突变时, 其他家族成
员可能会改变表达模式以抵消因突变对植物体所造
成的不良影响(Blilou等 2005)。再有, PIN蛋白的
亚细胞定位(即分布在细胞的一端或一侧)还将具有
动态变化特点, 这种极性分布的改变既受植物自身
生长发育的制约, 又受外界环境变化的影响(下文详
述), 因此认为PIN蛋白极性位置的变化会影响PIN
蛋白的功能。
4 PIN蛋白活性的调控
PIN蛋白的活性影响着植物体的生长发育, 近
年来的研究表明, PIN蛋白的活性调控可归纳为 4
图 3 胚胎(左)和根尖(右)中AtPINs蛋白成员的定位(Blilou等 2005; Vieten等 2005)
种形式: 极性定位的调控; 基因表达的调控; 生长素
运输抑制剂的调控和磷酸化调控。
4.1 极性定位的调控 PIN蛋白一经合成后即进入
囊泡运输系统, 在此过程中PIN蛋白的极性分布能
够迅速响应内部生长发育信号和外界环境的变化
(Okada等 1991)。免疫化学定位研究表明, 含有
AtPIN1的内吞囊泡在胞膜和胞内细胞器(主要是内
体, endosome)间循环运输, 可以实现 PIN蛋白的极
性分布。一旦内体返回细胞膜的能力受到抑制后,
PIN蛋白的分布就会发生改变。PIN蛋白的极性变
化有两种可能: 一是PIN蛋白的膜定位功能丧失或
下降, 转而在胞质或胞内区室中分布; 二是原本分
布在细胞的一端或一侧的PIN蛋白却分布在相反的
方向。
真菌毒素布雷菲尔德菌素A (brefeldin A, BFA)
是一种公认的囊泡运输抑制剂。以 BFA处理细胞
后, AtPIN1在膜上正常的极性分布即发生改变, 大
多数PIN蛋白聚集在胞内细胞器中(有人将这一结
构称为BFA腔室)。除去BFA后, AtPIN1即迅速恢
复到正常的极性定位(Geldner等 2001), 这表明
AtPIN1依赖囊泡的靶向运输是一个动态过程。
如果拟南芥的GNOM基因发生突变即会改变
细胞的囊泡运输, 从而影响 PIN 1 的极性定位。
GNOM蛋白是一种大型的ARF-GEF, 即ADP核糖
基化因子(ADP-ribosylation factor, ARF)的鸟苷酸
交换因子(guanine-nucleotide exchange factor, GEF),
是小G蛋白ARF的分子开关, 而ARF在蛋白质的
小泡运输中起作用(Mouratou等 2005)。最早报道
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的是gnom突变体发育存在严重缺陷, 胚胎畸形, 下
胚轴缺失, 根系发育异常, 侧根显著减少和根的向
地性出现部分缺失, 一般在幼苗早期便会死亡
(Mayer等 1991; Shevell等 1994; Friml等 2003)。后
来的研究认为GNOM位于内体中, 介导着生长素输
出载体元件 PIN1向胞膜的运输。在 gnom突变体
中, 不管是在胚胎还是在根部, 生长素输出载体元
件 PIN1 的细胞极性定位均丧失(Steinmann等
1999)。我们实验室的研究结果表明, 水稻 gnom1
突变体不定根缺失, OsPIN1蛋白的极性分布也发生
变化(未发表资料)。
GNOM与 BFA都通过影响囊泡运输而影响
PIN蛋白的分布, 这两者到底是什么关系呢？现在
越来越多的证据证实, BFA是通过GNOM的作用而
调控PIN蛋白的极性定位。有研究指出, 将GNOM
催化区域的第696位的甲硫氨酸人工改造成亮氨酸
后, 本来对 BFA敏感的 GNOM即转变成抗性的
(Muday等 2003), 此时细胞内的 PIN1蛋白即不会
随着 BFA的添加而发生改变。
蛋白质的囊泡运输离不开肌动蛋白提供的能
量, 因此肌动蛋白的活性和状态也是影响PIN蛋白
极性分布的因素。有报告显示, AtPIN1和AtPIN3
在膜上的极性分布(Friml等 2003; Geldner等 2003)
对肌动蛋白很敏感。细胞松弛素是肌动蛋白聚合
的抑制剂, 细胞以松弛素处理后, AtPIN1的极性分
布即发生变化, 生长素的极性运输下降。但是细胞
松弛素与BFA的作用机制并不相同: 若用这2种物
质同时处理细胞, AtPIN1在细胞内部的积累反而减
少, 表明细胞松弛素可以阻止由于BFA处理造成细
胞内部AtPIN1的积累; 而且除去 BFA后, AtPIN1
也不能马上返回到细胞膜上(Muday和 DeLong
2001), 从而证实肌动蛋白对PIN蛋白是极性定位的
调控。
不同 PIN蛋白的胞间运输采用的机制可能不
同, 因而决定它们极性分布的因素可能各不相同。
除了通过GNOM途径进行调控以外, AtPIN1的正
常极性分布还需要SFC (SCARFACE)的参与。SFC
编码ADP核糖化因子GTP酶激活蛋白(6-GAP), 对
囊泡运输起调节作用。sfc突变体的叶脉不连续,
其根对外源生长素响应增强后, 生长素运输亦增强,
以BFA处理后的细胞区室中, AtPIN1比野生型有更
多的积累(Sieburth等 2006)。而在侧根形成和胚胎
发育过程中, AtPIN2的极性分布则需要 SNX1
(SORTING NEXIN1)和VPS29 (VACUOLAR PRO-
TEIN SORTING29)内体相关蛋白的参与(Jaillais等
2006 , 2007)。此外, 作用于内吞系统的 TIR3
(transport inhibitor response 3, 生长素受体)影响着
细胞膜上PIN蛋白复合物的建立, 其突变体对NPA
不敏感, 因此生长素极性运输下降(Ruegger等1997;
Gil等 2001)。
除了受细胞的囊泡转运系统调控之外, PIN
蛋白的极性定位还受蛋白激酶PID (PINOID)的调
控(Friml等 2004)。PID超表达的水稻植株表现
出向地性缺失, 下胚轴发育异常, 不定根缺失或
者减少(Morita和Kyozuka 2007)。拟南芥中的研
究显示 P ID 超表达后 , A t P IN 1、A t P I N 2 和
At PIN 4 的极性分布发生变化(C hr i s tensen等
2000; Benjamins等 2001; Lee和 Cho 2006)。有
人认为, PID起双元开关的作用, 当生长素浓度低
于阈值时, PIN蛋白即向细胞基部集中; 当生长素
浓度超过阈值时, P IN 蛋白则向相反方向集中
(Benjamins等 2003)。
PIN蛋白的极性分布还受发育的调节, 胚胎发
育不同时期的 PIN1 其极性分布不相同(Peer 等
2004; Blilou等 2005)。当外界环境发生变化时,
P IN 蛋白通过快速的囊泡循环运动而重新分布
(Dhonukshe等 2007; Kleine-Vehn等 2008)。在光
或重力等因素的促使下, PIN2的极性分布迅速发生
变化(Friml和 Palme 2002)。如暗条件下培养的拟
南芥, 其AtPIN2的极性定位发生变化, 原本定位于
胞膜中的 PIN2显著减少, 而在液泡区室可以检出
大量的PIN2, 故推测光调控根系发育的部分原因是
由于光环境下细胞中的 PIN蛋白分布发生变化所
致(Laxmi等 2008)。
影响 PIN蛋白极性定位的因素可能远不止上
述几种。在玉米的突变体 bif2中, 其腋生分生组
织(axillary meristems)发育异常, 花序不能正常分支
(McSteen和Hake 2001; Carraro等 2006)。进一步
研究表明, 生长素极性运输载体 Z mP IN 1 a 和
ZmPIN1b在 bif2花器官中的极性定位也发生改
变。故推测BIF2也影响 PIN蛋白的极性定位。另
外, 一些PGP蛋白与NPA有较高的亲和能力, pgp1
突变体中的 P I N 蛋白的极性定位也发生变化
(Blakeslee等 2007)。
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4.2 生长素对PIN基因表达的调控 除了 PIN蛋白
的极性定位可以发生变化以外, PIN蛋白的表达量
受许多因素的影响, 特别是受生长素的反馈调节: 一
方面PIN蛋白作为生长素运输的载体, 其表达量或
极性定位的变化都会影响生长素的运输; 另一方面,
生长素本身的分布以及生长素代谢途径中的一些蛋
白如 TIR、Aux/IAA和ARF (auxin response factor,
生长素反应因子)等都可影响PIN基因的表达, 即生
长素自身的分布和生长素信号共同调控 PIN蛋白
的表达(Aida等 2004; Peer等 2004; Blakeslee等
2005)。
生长素的浓度调节着 PIN基因的表达。有研
究表明, 在高浓度生长素条件下, PIN基因的表达
量即增加(Vieten等 2005), 但这种诱导同时受胞内
生长素浓度的反馈调控, 即胞内生长素的浓度过高
会下调 PIN蛋白的组织特异表达(Vieten等 2005),
即组织特异的生长素分布调节着PIN基因的表达。
生长素对 PIN基因表达的调节可能与 PLT1
(PLETHORA1)和 PLT2有关。PLT蛋白是一类具
有AP2结构域的转录因子, 它可以维持植物体内干
细胞的活性。plt1或 plt2的拟南芥突变体的干细
胞缺失后, 细胞分裂即发生故障, 根系发育异常。
添加外源生长素后根中 PLT1和 PLT2表达增加
(Aida等 2004), 从而导致PIN基因的表达增强。在
pin1pin4pin7的三突变体中 PLT1的表达也发生改
变, 这说明在根系发育过程中存在一种生长素的反
馈途径(Blilou等 2005)。
PLT的表达还依赖于生长素反应因子ARF的
激活(Heisler等 2005), 也就是说, ARF直接或间接
地影响着 PIN蛋白的活性。相应的生长素信号途
径的其他蛋白如F-box蛋白(AFBs)和Aux/IAA蛋白
也控制着PIN基因的表达(Vieten等2005)。与ARF
促进PIN蛋白的表达相反, 这种与泛素降解途径相
联系的蛋白质一般可以抑制 PIN基因的表达。例
如AXR1可以促进Aux/IAA蛋白的泛素降解途径,
同时它又抑制AtPIN2的转录(Sieberer等2000; Abas
等 2006)。
PIN 蛋白的活性除了在转录水平上调控以
外, 还存在转录后水平上的调控。拟南芥的mop2
(modulator of pin2)和mop3突变体有明显的生长素
运输缺陷: 主根变短, 向地性部分缺失, 叶片、叶
脉及花序的形态发生变异, 对生长素运输的抑制
剂反应更敏感, 双突变体则表型加剧(Malenica等
2007)。进一步的研究表明, 在mop2和mop3突变
体中, 生长素的分布和PIN的蛋白表达均发生变化,
但是PIN基因的转录水平则没有变化, 说明MOP在
转录后水平上调控着 PIN的表达。若在 mop2和
mop3突变体的遗传背景下将PIN1超表达, 上述的
突变表型即得以部分恢复(Malenica等 2007), 从而
进一步证实MOP对 PIN蛋白表达有调控作用。
4.3 生长素运输抑制剂对PIN活性的调控 与生长
素类似, 生长素极性运输的化学抑制剂也影响着
PIN基因的表达(Delbarre等 1996; Petrasek等
2003)。这些抑制剂分为两类, 一类是人工合成化
合物如三碘苯甲酸(2,3,5-triiodobenzoic acid, TIBA),
一类是天然化合物如NPA。当添加外源的这类物
质后, 野生型的拟南芥与pin突变体有相似的表型,
表明这些抑制剂可能是通过调节PIN蛋白的活性而
抑制生长素的外向运输的。
NPA对 PIN蛋白活性影响的方式很复杂。首
先它可以直接诱导 PIN蛋白家族中不同成员的表
达水平(Malenica等 2007)。其次NPA还可以通过
肌动蛋白影响PIN蛋白的囊泡运输和极性定位, 越
来越多的人认为, 这是 NPA 起作用的主要机制
(Paponov等 2005)。NPA可以抑制生长素的极性
运输和依赖生长素的生理反应, 但生长素并不与这
些抑制剂竞争结合位点, 表明生长素的输出是由 2
个或多个蛋白组成的复合体所介导的, 这从另一个
侧面说明PIN蛋白只是载体元件之一, 包括独立的
生长素输出载体和调控组分。这种调控元件极有
可能就是 NPA结合蛋白(NPA binding proteins,
NBP)。它是一种位于胞质外周的蛋白, 具有单一
的与NPA高亲和力的位点。NBP可以与肌动蛋白
相互作用, 即NBP可能在PIN蛋白和肌动蛋白间起
桥梁作用, 调控着 PIN蛋白的囊泡运输(Muday和
Murphy 2002)。
某些黄酮类物质可在西葫芦(Cucurbita pepo L.)
的下胚轴组织中取代已结合的NPA, 表明这些物质
可能是生长素运输的内源调控因子( J a c ob s 和
Rubery 1988)。近几年来的研究表明, 黄酮类化合
物不仅在植物中普遍存在, 而且它还可以经过不同
的化学修饰产生不同的功能, 与生长素运输的时空
变化一致。而且, Dorenone (一种酮类化合物)可
提高AtPIN2的蛋白丰度, 改变其向基式运输, 从而
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提高生毛细胞(trichoblast)中生长素的输出, 导致生
长素水平低于根毛生长的临界水平, 因此根毛生长
受阻( S ch l i ch 等 2 0 0 8 )。而在 p i n 2 突变体中,
D o r eno ne 不影响根毛的生长, 表明 PI N 2 是
Dorenone专一性的靶(Schlicht等 2008)。
4.4 可逆蛋白磷酸化的调控 PIN蛋白的序列分析
显示, 其在亲水区存在磷酸化位点, 暗示磷酸化可
能是 PIN蛋白的一种调控方式。此外丝氨酸 /苏
氨酸蛋白激酶 PID可调控 PIN的极性定位, 而 PID
是受激酶PDK1的磷酸化调控的, 这表明磷酸化调
节影响着PIN蛋白极性定位, 它在生长素极性运输
中是一种普遍存在的调节机制。
RCN1 (ROOTS CURL IN NPA)基因编码蛋白
磷酸酶 PP2A (protein phosphatase 2A)的调节亚基,
其突变体表现出生长素极性运输紊乱(Deruere等
1999), 同时 pp2a功能缺失突变体的根和胚发育出
现故障, 与蛋白激酶 P ID 超表达后的表型类似
(Benjamins等2001; Friml等2004)。Muday等(2006)
和Michniewicz等(2007)进一步研究表明, PP2A与
PID以反协同作用调控着PIN蛋白的极性定位和生
长素的极性运输。pp2a突变体和 PID超表达植株
一致, 胚胎和根部的PIN蛋白的极性定位发生倒转,
原本定位于基部的 PIN1却出现在细胞的上部, 其
他的 P I N 成员的极性分布也部分受阻。而且
PP2A、PID和 PIN蛋白在胞膜中呈部分共定位分
布, 体外实验直接证实, 在PIN蛋白中的亲水区, 蛋
白磷酸酶PP2A与蛋白激酶PID以相反的方式调节
着PIN蛋白的去磷酸化和磷酸化, 从而影响PIN蛋
白的极性分布(Michniewicz等 2007)。
BUD1 (Bushy and Dwarf 1)编码一种MKK7
(MAP kinase kinase 7)激酶, 可作为负调控因子控制
生长素的极性运输, 其突变体bud1根系的发育和向
地性反应均发生异常, 故推测BUD1可能通过调节
PIN蛋白的磷酸化而影响PIN蛋白的极性定位及生
长素的极性运输(Dai等 2006)。
5 结语
生长素的极性运输是一个错综复杂的过程, 它
影响着植物体的生长和发育, 是当今发育生物学领
域中的研究热点之一。由于现代分子生物学和遗
传学的发展, 生长素及其极性运输的机理在分子和
细胞水平上都取得了进展。这些生长素相关基因
的克隆为采用基因工程调控植物生长素的极性运输
提供了基础。但在 PIN蛋白家族的功能和生长素
的极性运输的研究领域中, 还有许多工作要做, 如:
不同物种中 PIN家族的功能; PIN基因间的互作网
络和冗余机制; PIN与生长素的反馈调节网络; 它
们的活性和表达的调控机制; 从生化角度研究这些
运输载体的底物和功能特点, 以及它们之间相互作
用的大分子的鉴定等。
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