PIN蛋白在生长素极性运输中的作用

生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN2009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@ 通讯作者：崔继哲，教授，硕士生导师；E -mail ：shiccc1@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 TransportYu ShengnanCui 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 ：AuxinPolar auxin transportPIN proteinPlant growth regulator2009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 resistant1）、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-formed1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]。

1PINs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。

2PINs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1PIN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 Bulletin2009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]。

3PINs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。