植物生长素极性运输的研究进展

植物生长素极性运输的研究进展庞静洋摘要：生长素的极性运输是一种独特的运输方式，它与植物生长发育密切相关并受许多因素调控。

研究植物生长素极性运输的生理机制及其调控具有十分重要的意义。

目前生长素极性运输机理方面已取得较大进展。

本文阐述了生长素在植物生长发育中的作用，并总结了生长素极性运输机理方面的研究进展。

关键词：生长素；极性运输；生长发育；输入载体；输出载体高等植物的生长发育受到植物激素的调控，目前公认的植物激素有五类，生长素类、细胞分裂素类、赤霉素类、乙烯和脱落酸。

生长素是最早发现的一种植物激素，1880年的Chevrles Darwin 父子用禾本科植物金丝雀葩胚芽鞘进行植物向光性研究，认为植物的向光性是由于植物在单侧光照射下产生某种影响，从上部传到下部，而造成二侧生长速度不同。

1892年F.W.went用燕麦胚芽鞘进行植物向光性研究,认为这种影响是一种可运输的调控物质，F.W.went称之为生长素。

在植物体内普遍存在的生长素是吲哚乙酸（IAA）。

其运输方式有两种，其中独特方式为极性运输。

目前已知的植物激素中只有生长素具有极性运输这一特征。

而且科研工作者还注意到在植物中存在着极性分化、生长、发育等生理现象，如维管组织的发生、植物的顶端优势以及向性生长等，同时很自然把生长素的极性运输与植物的极性分化、生长、发育等生理现象联系在一起，因而生长素极性运输机理的研究也愈来愈受到科研工作者的重视。

现代分析技术的应用和发展，使极性运输机理、作用有了进一步的认识。

尤其是最近从极性运输突变体中克隆的一些基因，分子水平上为生长素极性运输的化学渗透性扩散学说提供了新的依据。

1 生长素极性运输的生理特点生长素的极性运输是指生长素在植物体内由形态学的上端向形态学的下端单向运输的现象。

在高等植物茎中，生长素由茎尖合成位点极性运输到茎基部的作用位点；在根的不同组织中则存在两种截然不同的运输方式：中柱细胞中根基像根尖的向顶式运输在表皮细胞中由根尖向根基的向基式运输。

研究表明，生长素极性运输具有依赖于能量、需要氧气、对温度敏感、随年龄增加而减弱等生理特点，显然是一种需要消耗代谢提供能量的主动运输。

其运输的速度比维管系统中的运输速度慢得多，又比物理扩散快约10倍，一般为5~20mm/h 。

极性运输需要消耗能量,可逆浓度梯度运输。

一些化合物如2，3，5-三碘苯甲酸（TIBA）和奈基邻氨甲酞苯甲酸(NPA)等能抑制生长素极性运输，缺氧会严重地阻碍生长素的运输。

此外生长素又有自动抑制现象，即先发育的器官通过其合成并向外输出的生长素抑制后发育期器官生长素的输出。

2 生长素极性运输与植物的生长和发育生长素在植物许多生长发育过程中起着非常重要的作用。

一般认为生长素主要在植物叶原基、幼叶以及发育的种子等部位合成。

在这些器官中合成的生长素需要通过极性运输到达靶细胞才能调节植物的生长和发育，因此生长素极性运输广泛参与植物的叶片发育、花的分化、维管的分化、胚胎发育、光形态建成以及侧根的发育等。

2.1 生长素极性运输和叶片发育早期叶片发育可被人为的分为三个阶段：叶原基的起始，腹背性的建立和叶片的延展[1]。

在研究离体荠菜胚和小麦胚的培养中，生长素极性运输抑制剂导致了荠菜胚筒状子叶和小麦胚柄与芽分生组织之间的伸长。

Liu[1]等指出：生长素极性运输可以使将来发育成子叶的两个区域中生长素达到合适的浓度，从而有利于子叶叶原基的发育而形成两侧对称的子叶。

后来在研究离体培养的二月兰等的叶或花柄外植体而进行的不定芽分化，加入生长素极性运输抑制剂后，即有喇叭状叶和联体叶的形成。

Lumba and McCour[2]研究拟南芥时发现任何PIN基因的表达或PIN蛋白定位的改变可能都会影响叶原基出现的时间和部位。

Cheng[3]等对IAA 生物合成主要基因家族YUC家族成员的分析时发现, YUC家族成员（YUC1、YUC2、YUC4和YUC6）的功能丢失突变体构建的双突变体、三突变体和四突变体随着YUC基因功能的消失叶片形态逐渐褶皱，甚至上卷。

这些数据暗示生长素的生物合成直接参与了叶片形态决定。

2.2 生长素极性运输对花发育的调控花的形成过程主要包括4个步骤，（1）从营养生长到生殖生长的转变；（2）花序的形成；（3）花原基的形成；（4）花器官的形成。

拟南芥pin1突变体的花芽不能正常发育而形成针状花序，其花序轴的内源生长素浓度和生长素极性运输能力比野生型拟南芥明显降低，仅为野生型的14％。

就iaaH基因的转基因导入拟南芥pin1突变体中来说，外源吲哚乙酰胺（iaaH基因编码的吲哚乙酰胺水解酶的底物）并不能恢复其野生型的表型。

这一结果表明,内源生长素含量的提高对pin1突变体野生型表型的恢复毫无用处。

所以，在正常的花序形成中，生长素极性运输是不可缺少的。

2.3生长素极性运输与维管束的发育生长素与植物维管组织分化之间关系密切，在植物生长发育过程中，生长素可能充当着维管组织分化的信号物质，采用外源生长素可以诱导新维管束的形成。

且在外源生长素过量表达的转基因植物中维管组织数量大大增加。

研究发现[4]，外源生长素的施用部位可以决定维管组织的分化区域，在该区域产生向下延伸的新维管束，且这些新维管束是以外源生长素的施用部位为起点的。

2.4生长素的极性运输与光形态建成光对植物茎的延伸的调控需要生长素作为中介物质。

生长素极性运输突变体不能进行正常的光合作用、物质运输和生长等，这就暗示了极性运输在光形态建成中的作用。

光照可以增加下胚轴生长素极性运输能力，进一步暗示了光对植物生长发育的调控可以通过影响生长素的极性运输而实现。

2.5 生长素的极性运输与胚胎发育生长素的极性运输与植物胚胎的两侧对称和极性分化密切相关。

最近从拟南芥中分离了一个新的对生长素不敏感bdl突变体，该突变体的胚胎不能形成根原基，其中部分不能形成下胚轴，表明BDL基因可能也参与了生长素介导的拟南芥胚胎的极性形成。

在拟南芥早期胚胎发生中，PIN蛋白分布的改变能够影响生长素的极性运输，而改变生长素的分布梯度，对胚胎极性的建立发挥重要作用。

以上结果[5]表明了生长素的极性运输在胚胎和成熟植株的极性发育中具有重要的作用。

2.6生长素的极性运输与侧根的发育体外施加IAA可以促进侧根的发育；对生长素丧失敏感性的突变体，都表现出侧根数目的减少，而内源生长素水平升高的突变体alfl-1或转基因植株则表现为侧根数目的增加。

体外施加不同浓度TIBA，均降低主根幼苗侧根发生数，增加主根长度，且随TIBA浓度增加,效应有增强的趋势[6]。

后来Re等的实验进一步表明：侧根的发育受从茎尖到根尖的生长素极性运输的调控。

3 生长素极性运输调控机理3.1生长素极性运输的机理关于生长素极性运输的机，Goldsmith于1797年提出化学渗透性扩散假说[7]，其基本内容是：膜上的质子泵把ATP水解，提供能量，同时把H从细胞质释放到细胞壁，所以细胞壁的PH较低。

生长素的pKa是4.75。

在酸性环境中羧基不易解离，主要呈非解离型（IAAH），较亲脂，IAAH被动地扩散透过质膜进入胞质溶胶，同时阴离子型（IAA）通过透性酶（输入载体）主动地与H协同转运进入胞质溶胶。

胞质溶胶的PH高（PH＝7），所以胞质溶胶中大部分IAA呈阴离子，IAA比IAAH较难透过质膜。

细胞基部的质膜上有专一的生长素输出载体，它们集中在细胞基部，可促使IAA被动流到细胞壁。

继而进入下一个细胞，这就形成了极性运输。

正是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。

由此可见，输入载体和输出载体的是否存在和分布特点是化学渗透性扩散假说的关键。

3.2 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[8]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。

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[8]。

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、向性反应等[9]。

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，在对pin1的胚胎的观察中得到证实，表明PIN1介导的极性运输植物学研究进展与研究方法课程论文6在两侧对称性生长的器官的式样建成中具有重要作用。

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[9]。

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—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—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[9]；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[9]。

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[10]：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，向基式生长素由PIN2、PIN3和PIN7介导向侧面重新取向，形成一股回流，汇入中柱中PIN1依赖的运输渠道，然后流向根尖，如此反复进行。

这个作用网络条款式样建成、向性生长和根生长点的维持[9]。

除上述PIN家族蛋白外，P糖蛋白基因家族的部分成员也可能具有生长素输出载体功能[12]。

3.3生长素极性运输的输入载体化学渗透性扩散学说认为生长素进入细胞有输入载体参与，其依据是在对悬浮细胞吸收生长素的动力学实验中发现，细胞对生长素的吸收涉及到一类可饱和的成分。

近年来利用光亲和标记技术发现，在单子叶和双子叶植物中普遍存在两种符合生长素输入载体结合特征的质膜多肽成分，分子量分别为40KD、20KD[13]，但它们是否组成输入载体尚待进一步证实。

另一个依据是对拟南芥AUX1突变体的研究，研究发现突变体的生长对生长素敏感性下降，根的向地性反应丧失。

Bennett等[11]通过T-DNA标签法从拟南芥基因组中分离出AUX1基因，将AUX1基因编码的蛋白质与植物中氨基酸通透酶同源性比较，结果表明二者同源，而氨基酸通透酶与生长素的输入载体参与了生长素的吸收。