全 文 ：植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月168
植物生长素受体
胡应红，李正国*，宋红丽，杨迎伍
重庆大学生物工程学院基因工程研究中心，重庆市高校功能基因与调控新技术重点实验室，重庆 400044
Auxin Receptor in Plants
HU Ying-Hong, LI Zheng-Guo*, SONG Hong-Li, YANG Ying-Wu
Genetic Engineering Research Center, College of Bioengineering, Chongqing University, Key Laboratory of Functional Gene and
Regulation Technologies under Chongqing Municipal Education Commission, Chongqing 400044, China
提要：扼要介绍了生长素结合蛋白ABP1和泛素 -蛋白酶体SCFTIR1 作为生长素受体研究的新进展，并以这2种受体为基
础初步分析了植物生长素受体体系的内容和范围。
关键词：生长素受体；ABP1；TIR1；AFB
收稿 2006-06-27 修定 　2007-01-17
资助 国家自然科学基金项目(30471214 和 30371006)和中法
先进研究计划项目(PRA BT04-01)。
*通讯作者(E-mail：zhengguoli@cqu.edu.cn；Tel：023-
65120483)。
植物生长素的研究已有100 多年，但在生长
素受体领域却一直停滞不前，极大地阻碍了生长
素信号转导途径的研究。直到2005 年，Dharma-
siri、Kepinski和Leyser在Nature上连续发表了2
篇论文，确定 TIR1 为植物生长素受体，从而引
起了科学界的高度关注(Parry和Estelle 2006；康
宗利和杨玉红 2006)。
在 TIR1 被确定为生长素受体之前，生长素
受体的研究重点是生长素结合蛋白(auxin-binding
protein 1，ABP1)。2001年，对烟草叶细胞的研
究结果表明，ABP1主要介导低浓度(高亲和力)生
长素的反应，调节细胞伸长生长(Chen 等 2001)。
同年，美国北卡罗莱纳大学Jones研究组从拟南芥
中成功分离到 ABP1 的首株突变体，并发现 ABP1
为正常细胞分裂和伸长所必需，参与胚的形态建
成(Chen等2001)。之后，Napier和Venis研究组
揭示了 A B P 1 三维晶体结构的奥秘，并确定了
ABP1 的生长素结合位点(Woo 等 2002)。
这些研究结果为ABP1的生物学功能提供了分
子生物学和遗传学的证据，表明它具有生长素受
体的功能。这一成果被刊登于Genes & Develop-
ment 的封面(April 1, 2001)。但至今没有证据表明
它与生长素诱导的基因表达有关。
1 TIR1受体功能的确定
生长素受体的另一个研究方向是泛素化降解
途径。早期的研究结果表明，TIR1 (transport in-
hibitor response 1)编码F-box蛋白，并且这种
SCFTIR1为生长素反应必需(Ruegger等1998)。一旦
确定了TIR1是 F-box蛋白，就需要分离与其结合
的底物。早期的研究证实 Aux/IAA 蛋白的稳定化
修饰阻碍生长素反应，并且生长素能促进它的快
速降解(Gray 等 2001；吴蓓等 2005)；在细胞提
取液中，Aux/IAA蛋白(IAA7)能与TIR1结合(Gray
等 2001)；在级联反应中，IAA7 Domain II的 30
个氨基残基能与 TIR1 结合(Kepinski 和 Leyser
2004)。这些研究结果证实，Aux/IAA 蛋白就是
SCFTIR1 的底物，并且它的 Domain II 在这 2种蛋
白互作中起作用。但至今还不清楚是什么因素促
进了这 2 种蛋白质的相互作用，这些因素又是如
何与生长素感知相联系的。
在去除膜结构的细胞提取液中，Aux/IAA 蛋
白能与SCFTIR1 结合，证明生长素受体和相关联的
信号传递蛋白是可溶的(Dharmasiri等2003)。在
动物和真菌中，底物蛋白的修饰作用(尤其是磷酸
化作用)是特异性识别所必需的。但在植物中，基
因学和药理学研究证实这种磷酸化作用对Aux/IAA
蛋白的识别不是必需的(Dharmasiri 等 2003；
信息与资料 Imformation and Data
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Kepinski和Leyser 2004)。另外，Domain II的光
谱分析也没有发现依赖于生长素的修饰变化。这
些结果证明生长素不是通过改变Aux/IAA蛋白的构
象来促进其与TIR1相互作用(Kepinski和 Leyser
2004)。
这就引发出一个问题，是否存在别的蛋白质
促进二者的相互作用。在[3H]-IAA 存在的条件下
进行级联反应时，发现IAA 能与 SCFTIR1 结合，且
细胞提取液中 TIR1 的浓度越大放射性标记就越
强，这证明IAA是与TIR1或相关蛋白特异性结合
的(Kepinski和Leyser 2005；Dharmasiri等2005a)。
为了弄清楚生长素究竟是与TIR1还是其他相关蛋
白结合，采用在光滑爪蟾(Xenopus laevis)胚胎或
昆虫体内异源合成的TIR1进行级联实验的结果表
明，在有生长素存在的条件下 TIR1 能与 IAA7 的
Domain II结合，从而充分证明了TIR1就是生长
素受体(Kepinski和Leyser 2005；Dharmasiri等
2005a)。
由此可以推断出整个生长素信号转导的大概
脉络，即SCFTIR1、Aux/IAA 和 ARFs (auxin re-
sponse factors)承担从生长素到基因表达的信号转
导作用。
2 TIR1的生长素结合位点
上述结果证实生长素能与SCFTIR1 结合，这种
结合进而促进SCFTIR1-Aux/IAA的相互作用。但到
目前为止，仍不清楚 TIR1 是在什么位点、如何
与生长素结合的。
首先应该指出的是，不能排除 TIR1 和 Aux/
IAA Domain II均为生长素结合所必需的可能性；
其次，在TIR1具体结合位点的问题上，Estelle和
Leyser的研究组都证实F-box蛋白对生长素调控的
SCFTIR1-Aux/IAA 结合是必需的。缺失F-box 蛋白
或其保守区域发生点突变，这种结合作用就大大
削弱甚至消失(Kepinski和Leyser 2005；Dharmasiri
等 2005a)。可能由于 TIR1 首先必须与微生物中
SKP1 (S-phase kinase-associated protein 1)，或拟
南芥中的ASK1 (Arabidopsis serine/threonine kinase
1)相互作用后，才能与生长素和底物结合。虽然
已证实这些区域彼此存在着功能上的依赖性，但
仍然不能确定结合位点的具体位置。因此需要进
一步纯化 F-box 蛋白后才可以研究这一问题；相
比之下，ABP1的生长素结合位点已经研究得比较
清楚(Woo等 2002)。目前，人们已对TIR1和ABP1
的序列进行比较，证明它们之间没有相似之处。
3 TIR1/AFB基因家族
如果TIR1是唯一的生长素受体，那么功能
缺失突变株应该是致死的，但实际情况并非如
此。拟南芥Aux/IAA基因(如bdl/iaa12)发生功能
获得突变的植株常表现出强烈的生长素反应减弱的
表型，而tir1突变株虽然表现出一定的抗生长素
的表型，但很难与野生型植株区分开来(Ruegger
等1998)。这可能是因为拟南芥中存在3个密切相
关蛋白(AFB1、AFB2和 AFB3)之故。AFB (auxin-
signaling F-box protein)不仅与TIR1有高度同源性，
同时也含有亮氨酸重复区域；另外，AFB 与 IAA7
的互作也是依赖于生长素的。从这些结果来看，
AFB 蛋白很可能也是生长素受体(Dharmasiri 等
2005b)。
用突变体进一步研究表明，拟南芥 T I R 1 /
AFB 基因发生单一突变，其表型很难与野生型相
区分，而三重(如 tir1、afb2、afb3)和四重(如
tir1、afb1、afb2、afb3)突变的植株则出现强烈
的表型变化：胚胎出现严重的缺陷，种子萌发受
到抑制；不能生根，只有一片子叶；即使能萌
发成幼苗，但缺少根毛，向地性也较差；成熟
植株叶簇生，数目减少并高度卷曲；花序茎变
短，分支变多等。这些表型同bdl/iaa12或mp/arf5
突变株很相似，因此可以推断三重和四重突变体
中幼苗的致死是由IAA12和 IAA13的累积引起的。
事实上，在tir1afb2afb3 突变株中，BDL/IAA12
蛋白质的水平确实升高了(Dharmasiri等2005b)。
综上所述，TIR1/AFB家族可能是一个生长素
受体组群，它们担当了重复性的受体功能，并且
这种功能的重复性是系统化的，因而某一成员的
突变并不会导致致死表型的出现。因此，需要进
一步取得这个家族在组织特异性方面的数据。
但是，TIR1/AFB可能不是植物细胞中唯一的
生长素受体。有很多生长素反应，如不可能在转
录水平上实现的生长素反应，则可能不是由
TIR1/AFB 介导的。
4 ABP1和 TIR1亲和活性的比较
据报道，异源表达的拟南芥SCFTIR1 对 IAA具
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有较高亲和活性，离解常数(dissociation constant，
Kd)为25 nmol·L-1 (Kepinski和Leyser 2005)和84
nmol·L-1 (Dharmasiri等2005a)；而对1-NAA的亲
和活性以微摩为单位，其值小于 IAA；与 2,4-D
的亲和活性较低；与 2-NAA、色氨酸均无亲和活
性(Kepinski和Leyser 2005；Dharmasiri等2005a)。
大豆的 ABP1 与 1-NAA 具有较高亲和活性，Kd 为
50~200 nmol·L-1；与2-NAA的亲和活性类似于1-
NAA；与IAA的亲和活性稍低，为5~10 mmol·L-1；
与2,4-D 的亲和活性较低；与色氨酸无亲和活性
(Napier等2002；Vennis和Napier 1995)。由此可
见，2 种蛋白对生长素的选择性是不同的，
SCFTIR1 更倾向于与 IAA 结合，而 ABP1 则倾向于
与2-NAA 和 1-NAA 结合。但 2 种蛋白质与色氨酸
均无结合活性，且与 2,4-D 的亲和活性均较低。
另外，由于内部转运载体的存在，以致 2,4-D 在
细胞中的浓度较高(Delbarre等1996)，并且它能通
过新陈代谢作用而趋向稳定化，所以其作用比生
长素更稳定、更持久(Delbarre等 1994)。由此看
来，在任何浓度下，虽然亲和活性较低，但仍能
表现出较强的生长素反应。
另外，2种蛋白亲和活性所依赖的pH值是不
同的。大豆的 ABP1 与 1-NAA 结合作用的最适 pH
值是 5.0~5.5，在 pH值为 7.0 时也有部分亲和活
性，与对应细胞区域的pH值一致(细胞表面pH值
为5.0~6.0，Napier 1995)；但拟南芥SCFTIR1-IAA
级联实验的pH值为7.2 (Dharmasiri等2005a)和7.5
(Kepinski和 Leyser 2005)，虽然没有证据证明
SCFTIR1 的亲和活性依赖于pH值，但其具有最高亲
和活性的pH值与对应细胞区域的pH值也是一致的
(细胞核pH值为7.2~7.5)。
由以上结果可以看出，SCFTIR1 和 ABP1 的区
别主要有两方面：一方面是对生长素的选择性不
同；另一方面是亲和活性所依赖的 p H 值不同。
同时可以发现，SCFTIR1 和 ABP1 对于生长素
的选择性和亲和活性与其对应的细胞区域是一致
的，因而可以推断ABP1是位于细胞表面的生长素
受体，而 SCF TIR1 是位于细胞核区域的生长素受
体，由于 2 种蛋白质所处的区域不同，所以它们
所介导的生长素反应过程必然不同。
5 生长素受体体系
目前，在植物生长素受体领域研究得最多的
是ABP1，但至今没有证据表明它与生长素诱导的
基因表达有关。TIR1的研究始于上世纪末期，但
直到2005 年才在拟南芥中被确认为生长素受体，
它介导的信号转导模式中，生长素通过与TIR1直
接结合来促进 Aux/IAA-SCFTIR1 的互作，即 Aux/
IAA 蛋白通过泛素化途径水解。此种模式看似完
美，但过于简单，因为从目前的研究结果来看，
TIR1家族并不是唯一的生长素受体。拟南芥在施
加外源生长素10~15 min 时出现第一个快速生长
期，30 min 时达峰值，之后生长速率下降；在
生长素的持续作用下，60 min出现第二峰，之后
生长速率趋于恒定(Badescu和Napier 2006)。由于
蛋白质的水解作用和基因的转录激活需要时间，
于是生长素所诱发的生长素反应遂有一定的反应滞
后期，由此看来，生长素诱导的快速反应不太可
能是由 TIR1 介导的。
从目前的实验技术来看，要测定植物细胞中
一种新蛋白质产生需要多少时间是很困难的。早
期的生长素诱导产物可在几分钟内产生(Abel 和
Theologis 1996)，还有一些蛋白质产生的时间范
围是 10~15 min。即便考虑 RNA 调节的可能性，
5 min之内产生的生长素反应也不可能由TIR1介
导。而滞后期为10~15 min 的生长素反应，其反
应时间与TIR1介导的生长素反应一致，这类反应
可能由 TIR1 介导。
有一些细胞反应的滞后期为 5 min，它们大
多数发生在质膜区域，并与生长素诱导的离子运
输和细胞膨胀有关，这些反应由 ABP1 介导；还
有一些不能与任何已发现的受体体系相联系，如
MAP激酶(mitogen-activated protein kinase)的激活
(Mockaitis和Howell 2000)。
植物中还有2类生长素反应不可能由TIR1介
导：一类是由胞外受体介导的生长素反应。豌豆
胚芽鞘部位施加外源生长素的实验证实细胞表面的
受体介导了细胞的伸长反应(Vennis等 1990)；采
用玉米胚芽鞘和拟南芥下胚轴原生质体直接暴露质
膜表面的实验也证实胞外受体与离子跨膜运输和原
生质体膨胀有关(Steffens等2001)。在这些例子
中，受体可能为 A B P 1。
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在豌豆中采用抗 ABP1 的抗体的实验中，胞
外抗体可阻断 1-NAA 引起的生长素反应，而 IAA
引起的反应没有被阻断(Yamagami等2004)，这暗
示有2条完全不同的信号转导途径：一条由ABP1
介导；另外一条由较低生理浓度的 I A A 诱导产
生，由 T I R 1 介导。
植物中还有一些反应不能与任何已知受体相
联系，如生长素诱导的生长素极性运输，外输载
体PIN (pinformed)蛋白的作用很大(Geldner等
2 0 0 3 )。最新的研究结果表明，微摩尔浓度的
IAA、1-NAA和 2,4-D能阻止 PIN 蛋白和质膜上其
他组成性循环物质的内吞作用(Paciorek等2005)。
由于内吞作用的减弱，外输载体即在质膜外表面
累积，生长素外输作用增强，这就为生长素引起
的暂时性极性运输提供了一个合理的解释(Paciorek
等 2005)。虽然这个论断尚需进一步验证，但如
果真如此，这就是一个新的生长素反应，因而应
进一步分离新的生长素受体。
总之，植物的生长素受体体系是一个错综复
杂的体系，这些受体是一个庞大的组群，它们彼
此共同协调完成不同的生长素反应。就目前在
ABP1 和 TIR1 中所取得的结果来谈受体体系还为
时过早，但不可否认，这些结果将促进植物生长
素受体体系的研究不断深入。
6 结语
TIR1作为生长素受体的发现和确证具有里程
碑式的意义，但并不意味着已经找到了所有的生
长素受体，弄清了所有信号转导支路。相反，
TIR1的生长素受体功能的确认引发了更多亟待解
决的问题。其中最重要的问题是生长素的具体作
用机制，即生长素如何促进TIR1-Aux/IAA相互作
用，TIR1 在什么位点，如何与生长素和底物结
合。这有 2 种可能：一种可能是生长素与 TIR1
结合使其构象发生改变，与底物结合；另一种可
能是生长素只是起使TIR1-Aux/IAA结合稳定化的
作用。这还需要进一步参考其他激素受体结合位
点研究中的已有结果，制定生长素受体研究的可
行性方案。
TIR1/AFB家族是一个生长素受体组群，它们
担当重复性的受体功能，并且这种功能是系统化
的，因此，需要进一步建立转基因株系以获得组
织特异性方面的结果。生长素直接与泛素连接酶
(E3)作用，中间没有信号转导支路，所以依赖于
生长素的Aux/IAA 蛋白的降解作用非常迅速，是
否自然界就是利用这种机制调控 SCF 底物的降解
作用？至少在植物中的回答是肯定的。植物和动
物中有大量F-box蛋白，除了TIR1是生长素受体
之外，最新的研究结果表明 F-box 蛋白也是茉莉
酸(jasmonic acid，JA) (Devoto等 2002；Xu等
2002)和赤霉素(gibberellic acid，GA) (Ueguchi-
Tanaka等2005；Fleet和Sun 2005)的受体。究竟
它们之中有多少成员直接受小分子激素配体的调
节，值得深入研究。
通过比较ABP1 和 TIR1 的亲和活性，分析植
物生长素受体体系，不难发现ABP1主要介导反应
迅速和定位于质膜区域的生长素反应，这类反应
主要包括离子跨膜运输和原生质体膨胀两个方面。
而TIR1主要介导由胞内生长素诱导，在转录水平
上实现的生长素反应。但仅是这 2 种受体还不能
解释所有的生长素反应过程。因此还应进一步研
究生长素的其他反应过程，分离新的生长素受
体，以完善生长素受体体系和信号转导途径。
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