植物生长素极性运输调控机理的研究进展CurrentRese.pdf

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1、植物学通报 2006,23(5):466 477Chinese Bulletin of Botany基金项目:国家自然科学基金(No.30470866)*Author for correspondence.E-mail:植物生长素极性运输调控机理的研究进展李俊华,种康*中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室,北京 100093摘要 生长素极性运输特异地调控植物器官发生、发育和向性反应等生理过程。本文综述和分析了生长素极性运输的调控机制。分子遗传和生理学研究证明极性运输这一过程是由生长素输入载体和输出载体活性控制的。小G蛋白ARF附属蛋白GEF和GAP分别调控输出载体(PIN1)

2、和输入载体(AUX1)的定位和活性,并影响高尔基体等介导的细胞囊泡运输系统,小G蛋白ROP也参与输出载体PIN2活性的调节。本文基于作者的研究工作提出小G蛋白在调控生长素极性运输中的可能作用模式。关键词 生长素极性运输,小G蛋白,鸟苷酸交换因子,GTPase激活蛋白Current Research Advances on Polar Auxin Transport in PlantJunhua Li,Kang Chong*Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology,Institute of Bo

3、tany,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100093,ChinaAbstract Polar auxin transport(PAT),a unique process in plant modulates organogenesis,development andtropic response.Here we reviewed the regulation mechanism of PAT based on recent research progresses.Evidences on molecular genetics and physiolog

4、y support a hypothesis that the process is depended on activi-ties of auxin influx and efflux facilitators.Asymmetric distribution and activities of the efflux facilitator PIN1and the influx facilitator AUX1 are impacted by a guanine-nucleotide exchange factor(GEF)for the ADP-ribosylation factor(ARF

5、)and ARF-GTPase activating protein(ARF-GAP),respectively,which are involvedin Golgi stacks mediated vesicle trafficking.The activity of efflux facilitator PIN2 is modulated also by ROP,a small G protein in Arabidopsis.A hypothesis about the regulation of polar auxin transportation by ARF issuggested

6、.Key wordspolar auxin transport,small GTPase,GTP exchange factor(GEF),GTPase activcting protein(GAP)生长素是植物中唯一具有极性运输特性的激素。生长素主要在植物体中具有分生能力的茎尖、幼叶和根等组织器官中合成(Lomax,1995),其运输方向主要是从茎顶端向根尖,这种单一方向的运输模式即为生长素极性运输(polarauxin transport,PAT)。极性运输使生长素在植株体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,以调控植物的发育。由极性运输所形成的生长素浓度梯

7、度参与调控了植物的许多生理过程,如维管发生综述.生长素4672006李俊华 等:植物生长素极性运输机理的研究进展(vascular differentiation)、顶端优势(apicaldominance)和向性生长(tropic growth)等,因此可以说,生长素的极性运输是植株形态的决定者(Friml,2003)。生长素极性运输的路径是非常复杂的,我们目前的了解仍然比较有限。但有一点是肯定的,就是生长素通过植物的中央维管组织由茎尖向下运输,在根茎相接的部位与根交汇(Jones,1998);在这个交接点,生长素的运输路径较不确定;但进入根后,生长素就沿着中柱向下运输,直到根尖,然后又通过

8、表皮和皮层细胞向回运送,形成一个类似于“倒伞”的结构(图1)。另外,除了中央柱的主流外,生长素还会从中柱向茎或根侧面分布,这可能也是植物两侧不对称生长的基础。分子遗传学和生理学研究表明生长素极性运输取决于在细胞极性分布的输入和输出载体,这些载体对生长素分布的精确调节机制已是当前植物生物学的研究热点(石江华等,2005)。本文结合本实验室的工作就国内外对生长素极性运输的主要研究进展作一分析和综述,提出小G蛋白在调控生长素极性运输中的可能作用模式。1 生长素跨细胞运输生理在生长素发现不久,传统实验方法就已预测了生长素在植物体的差异分配(Went,1974),化学抑制剂的利用使人们进一步了解到生长素

9、极性运输的重要生理意义。新的生长素极性运输基因(包括调节基因)的发现、生长素极性运输突变体的筛选和新的高灵敏度分析检测方法的应用,正在帮助人们不断深入了解生长素极性运输的调控机理及其与植物生长发育的联系。利用燕麦胚芽鞘进行的“供体-受体琼脂块法(donor-receiver agar block method)”实验是研究生长素极性运输的经典实验,即将含有生长素的琼脂块放在一段切去头尾的燕麦胚芽鞘的一端,把另一块不含生长素的琼脂小块接在另一端,过一段时间以后检测该端的琼脂块中是否含有生长素,结果表明无论胚芽鞘放置方向如何,生长素只能从植物体的形态学上端向下端运输,而不能倒转过来运输,运输的方向

10、与重力方向无关。极性运输的主流以5-20 mm.h-1的速度从茎尖到根尖进行(Lomax et al.,1995)。放射性标记方法显示这种运输主要存在于中央维管组织内(Morris and Thomas,1978)。在根中,生长素沿着中柱细胞流向根尖(即向顶式运输,acropetally transport),到达根尖后,部分生长素沿表皮细胞折回,流向根深长区(即向基式运输,basipetally transport)(Rashotte et al.,2000)。新近发现生长素也可以从根深长区表皮层重新流入中柱,然后向下流动,如此循环(Blilou et al.,2005)。只有活性形式的生长

11、素可以进行极性运输。生长素吸收的动力学研究发现生长素进入细胞还存在着由载体介导的主动运输过程(Rubery and Sheldrake,1974;Davies and Rubery,1978),进一步的实验证明这种可饱和的运输以2H+/IAA-共运输的方式进行(Lomax et al.,1985;Benning,1986)。PAT 受缺氧和呼吸抑制剂的影响,因此是一个需要能量的过程。这个过程图 1 根中生长素的运输方向示意图(Marchant etal.,1999,经修改)Fig.1 Model of auxin transport in root46823(5)是可饱和的,且对蛋白合成抑制剂

12、敏感,表明PAT 是由载体介导的。这些结果最终导致了20世纪70年代生长素极性运输的“化学渗透偶联学说”的形成(Rubery and Sheldrake,1974;Raven,1975),其内容主要是:吲哚-3-乙酸(IAA)(pKa=4.8)是弱酸,在酸性的细胞壁(pH约为5.5)中,相当一部分以非解离的弱酸形式存在,是亲脂性的小分子,很容易经自由扩散进入细胞;在中性的细胞质中,生长素主要以非脂溶性的离子形式存在并大量积累,因此推测存在能够将生长素运出细胞的输出载体,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;生长素极性运输所需的能量是由跨膜质子电位提供的。新近的分子遗传学研究表明

13、介导液泡pH的AVP1基因控制生长素的运输和根的发育,这是化学渗透学说的新证据(Li et al.,2005b)。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(Goto,1987)。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(Okada et al.,1991)。AtPIN1 蛋白有

14、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(G lweiler etal.,1998)。不同的实验室几乎同时发现了 AtPIN2/EIR/AGR基因,pin2突变体根向地性丧失,根中向基性PAT减弱(Chen et al.,1998;Luschnig etal.,1998;M ller et al.,1998;Utsuno et al.,1998)。酵母突变体超表达AtPIN2后,对酵母毒素5-氟-吲哚的抗性增强,这种物质是生长素的结构类似物(Luschnig et al.,19

15、98)。超表达 AtPIN2 的酵母积累的同位素标记的生长素少于对照(Chen etal.,1998)。这些结果暗示 AtPIN2在酵母中可能有输出生长素的功能。输出载体的失活将导致细胞中NAA的积累,因此将导致对NAA敏感性增强,而根生长分析表明pin2突变体对NAA表现为过敏,符合上述假设(M ller et al.,1998;Friml and Palme,2002)。PIN2在根皮层细胞中向顶分布,在根表皮细胞中向基分布,具有分配与根的向地生长有关的生长素的功能(M ller et al.,1998;Ottenschlager et al.,2003;Shinet al.,2005)。

16、pin3突变体生长减弱,丧失向地和向光反应,黄花苗中顶点钩(apical hook)缺少(Friml et al.,2002b);AtPIN3 主要位于芽的内皮层(endodermis)细胞的侧面,根的柱细胞(columella)以及中柱鞘细胞(Friml et al.,2002b)。在重力感受细胞柱细胞中,PIN3能够迅速响应重力刺激转位至侧面,暗示PIN3可能通过控制生长素在细胞中的侧向分配调控植物的向性生长(Friml etal.,2002b)。PIN4介导生长素下沉至根尖生长点静止中心以下的浓度中心的过程(Friml et al.,2002a)。PIN7在形成和维持对于胚胎极性建立所必

17、要的向基式生长素浓度梯度以及根中生长素的向顶式运输中具有作用(Friml et al.,2003;Blilou et al.,2005)。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(pattern formation)、向性反应等(Benkova et al.,2003;Reinhardt,2003;Kramer,2004;Blilou et al.,2005)。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(Liu et al.,1993),在对pin1的胚胎的观察中得到证实,表

18、明PIN1介导的极性运输在两侧对称性生长的器官的式样建成中具有重要4692006李俊华 等:植物生长素极性运输机理的研究进展作 用。值得注意的是,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(Benkova et al.,2003;Blilou et al.,2005)。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,然后经由一个逐级建立的、PIN1依赖的路线被运往新分化的维管,由此建立了一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(Benkova et al.,2003);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

19、央维管组织依赖PIN1的运输过程被运往根生长点(Benkovaet al.,2003)。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(Blilou etal.,2005):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,向基式生长素流由PIN2、PIN3和PIN7介导向侧面重新取向,形成一股回流(reflux),汇入中柱中PIN1依赖的运输渠道(图1),然后流向根尖,如此反复进行。这个作用网络调控式样建成、向性

20、生长和根生长点的维持(Benkova et al.,2003;Friml et al.,2003;Blilou et al.,2005)。除上述 PIN 家族蛋白外,P 糖蛋白(P-glycoprotein)基因家族的部分成员也可能具有生长素输出载体功能,该蛋白与哺乳动物多种药物抗性糖蛋白(mammalian multidrug-resistance/P-glycoproteins(MDR/PGPs)同源(Geisler andMurphy,2006)。AtPGP1 和 AtPGP19 的突变导致生长素极性运输受破坏,异源表达系统证明了它们的生长素输出功能(Noh et al.,2001;Ge

21、isler et al.,2005;Petrasek et al.,2006)。已有生化证据表明PGP是与PIN组成复合体执行输出功能的(Blakeslee et al.,2005)。3 AUX1与生长素的输入生长素输入载体活性的存在最早是在1974年提出的(Rubery and Sheldrake,1974),最初如化学渗透学说所描述的那样,生长素可以以质子化 形 式 通 过 扩 散 或 输 入 载 体 进 入 细 胞(Goldsmith,1977)。后来,通过生理实验表明,输入载体可能作为一种IAA-/2H+共运输蛋白起作用(Lomax,1995)。AUX1是迄今为止克隆到并进行深入研究的

22、唯一的一个生长素输入载体基因。AUX1基因编码蛋白具有输入载体的活性,在根中细胞顶部质膜极性分布,这种输入载体对于生长素极性运输来说是必不可少的(Bennett et al.,1996;Marchant et al.,1999;Marchant et al.,2002)。AUX1蛋白与植物和真菌的氨基酸透性酶家族具有很高的同源性,暗示它可能具有运输色氨酸类似物 IAA 的功能(Bennett et al.,1996),但在序列上和输出载体间却没有相似性(Chen et al.,1998;Galweiler et al.,1998;Luschnig et al.,1998;Utsuno et a

23、l.,1998)。所以,生长素的输入与输出载体可能是由不同的运输蛋白家族演化而来的。支持AUX1作为生长素输入载体在生长素运输过程中起作用的较有力的证据来自具有不同渗透能力的生长素对aux1突变体根的恢复能力实验。IAA是植物体内源合成生长素,它从一个细胞进入另一个细胞需要有输入和输出两种载体的介导,二者都是必不可少的。NAA和2,4-D是两类人工合成的具有生长素活性的生长调节物质。NAA是亲脂性的,通过扩散跨膜进入细胞的能力最强,它进入细胞不需要输入载体,可直接通过扩散作用进入,但从胞内输出却要有输出载体的介导;2,4-D与NAA的运输机制恰好相反,它需要借助于输入载体进入细胞,但能够从胞内

24、自由输出。因此这三种具有生长素活性的物质经常被用于分析输入载体或输出载体的功能。拟南芥 aux1 突变体的 IAA47023(5)运输受阻而且根的向地性减弱;当用 NAA、IAA和2,4-D处理aux1突变体时,NAA恢复突变体根的向地性反应的能力最高,表明AUX1的突变不影响NAA进入细胞,而对IAA和2,4-D 有影响,与AUX1作为输入载体的假设相符(Yamamoto and Yamamoto,1998;Marchant et al.,1999)。另外,包括NAA的恢复能力实验在内的aux1的表型与生长素输入载体抑制剂处理野生型后的表型类似,这些抑制剂对生长素的输出没有影响(Parry

25、et al.,2001)。最近,在爪蟾卵母细胞(Xenopus oocyte)表达系统中证明了AUX1可以促进高亲和力(high-affinity)生长素运输(Yang et al.,2006)。抗原决定基标定(epitope tagging)的原位免疫定位分析表明AUX1在根中分布于部分中柱细胞、柱细胞、侧向根冠和表皮细胞(Swarupet al.,2001)。在原生韧皮部细胞中,AUX1 与生长素输出载体AtPIN1分别位于质膜区的上部(向基面)和下部(向顶面),表明它们在此部位存在功能关联,AUX1在原生韧皮部的这种分布特征,以及aux1突变体根尖游离生长素积累能力的下降,暗示AUX1可

26、能具有卸载韧皮部中生长素的功能,揭示了一条基于韧皮部的向根尖输送IAA的新的生长素运输途径(Swarup et al.,2001)。为什么在自由扩散之外还存在载体介导的主动运输,两种方式的相对重要性如何？早期研究认为生长素主要是经自由扩散进入细胞的,载体运输是补充(Bean et al.,1968;Gutknecht andWalte,1980)。现在的遗传学和生理学研究结果完全改变了这个观点(Kramer and Bennett,2006)。因为生长素的扩散速度被高估(Kramerand Bennett,2006);其次,在很多类型的细胞中,载体运输能力远超过扩散能力,如利用监测同位素标记的

27、生长素的方法,发现在根伸长区,载体运输效率约为扩散效率的 15 倍(Swarup et al.,2005)。此外,很多间接证据也证明,在根中,载体主动运输是生长素进入细胞的主要方式,而自由扩散是补充。如对暗培养的 aux1突变体施加IAA和2,4-D,aux1需要十倍于野生型的量才能抑制其根的伸长(Yamamoto and Yamamoto,1998)。植物体高效率的载体输入系统的存在,可能更有利于主动调节生长素运输。4 生长素极性运输的小G 蛋白调控机制生长素输出载体是极性运输的主要调控部位,早期对生长素极性输出的调控的研究手段主要是使用一些生长素输出抑制剂(auxin effluxinhi

28、bitor,AEI)。NPA 通过抑制输出载体的活性而抑制极性运输,有证据表明可以调节输出蛋白活性的NPA结合蛋白是独立于生长素输出蛋白存在的(Morris et al.,1991),这促使人们去寻找质膜上存在的NPA结合蛋白,但目前为止还没有明确的答案。在筛选对NPA不敏感突变体过程中发现一种tir3突变体,其NPA结合活性下降,生长素极性运输下降,因此tir3可能对膜上输出载体复合物的建立是必要的(Ruegger et al.,1997)。新近的拟南芥突变体研究表明BUD1/MKK7(MAP kinase kinase 7)作为负调控因子控制生长素极性运输,影响植物地上部和根的发育与向地性

29、反应(Dai et al.,2006)。现在不少证据显示 ARF(ADP ribosylationfactor)和Rop等小G蛋白(small GTPases)在生长素极性运输中具有重要作用,它们主要通过对生长素输入载体和输出载体以及细胞转运(cellulartrafficking)系统的调节来起作用。小 G蛋白及其附属蛋白 小G蛋白家族成员是单体蛋白,分子量较小,一般20-30 kD。该蛋白家族成员都具有几个保守的结构域,包括四个鸟核苷酸结合区和一个效应器分子结合区(图2A)(Yang,2002)。小G蛋白家族至少分为5个亚家族,包括Ras、Rho、Rab、Arf和Ran,每个亚家族在细胞中

30、有不同的功能。Ras家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程,Rho家族成员调控肌动蛋白重组过程和参与MAP激酶的细胞信号转导过程,Rab和Arf家族在膜转运过程中起不同的重要作用,而Ran家族在核4712006李俊华 等:植物生长素极性运输机理的研究进展孔位置调节蛋白和RNA分子的运输过程(王昕和种康,2005)。ARF(ADP-ribosylation factor)是Ras家族的一个小G蛋白,最初发现它是体内霍乱毒素调节的Gs的ADP核糖基化所必需的一个辅因子(Kahn and Gilman,1986)。它是COPI囊泡的一个重要组分,参与了生物体的分泌途径,在囊泡运输中COPI 囊泡形成

31、方面具有功能(Kahnand Gilman,1986)。ARF在胞内以两种形式存在,一种是与GTP结合的形式,即活化态,当小G蛋白处于活化态时,就可以和不同的下游效应器分子相互作用,进而执行不同的细胞生理功能;另一种为与 GDP 结合的形式,即钝化态。ARF被激活后会促成COPI蛋白从膜上的回收以促进运输囊泡的形成;ARF结合的GTP被水解后,就会诱导囊泡向目标膜上定位,完成一个循环的运输。由此可见,ARF蛋白的GTPase循环在囊泡运输中起着重要的开关作用(Bomanand Kahn,1995)。但是它自身没有或只有极低的GTPase活性,因此自身不能完成活性与非活性形式间的转换。这些小 G

32、 蛋白的“分子开关”是依靠它的附属蛋白调控的,称之为鸟苷酸交换因子(GTP exchange factors,GEFs),它可以催化小G蛋白转换为GTP结合形式,即活化态。小G蛋白的非活化态的形成有两种循环控制的方式:一种是它自身的水解能力,即GTPase活性可以把GTP水解成GDP和Pi;一种是通过它的另一附属蛋白来完成,称为GTPase激活蛋白(GAPs),它可以激活小 G 蛋白的水解活性。通过GTP水解过程,小G蛋白转换为非活化态形式,开始了又一周期的循环过程。除此之外,大多数小G蛋白循环是在膜结合形式和胞质形式循环中进行,由于只有膜结合形式的小G蛋白可以被GEF激活,胞质形式的小G蛋白

33、可以通过鸟核苷酸解离抑制因子(GDI)结合,从而负调控这部分小 G 蛋白的 GTPase 活性(图 2B)(Yang,2002)。输出载体活性的调节 GNOM 编码小 G蛋白ARF的GTP转换因子(ARF-GEF),它的突变会导致胚胎极性丧失,进而产生一系列发育缺陷(Steinmann et al.,1999;Geldner et al.,2001)。最初发现由GNOM基因的破坏或使用分泌系统图2 小G蛋白的保守结构与调节(引自Yang,2002)Fig.2 Conserved structure and regulation of small GTPases(Yang,2002)47223(

34、5)干扰剂Brefeldin A(BFA,一种可抑制囊泡丛高尔基体出芽的真菌代谢产物)干扰囊泡运输后,AtPIN1的正常膜定位被影响(Steinmann et al.,1999)。进一步研究发现BFA处理可引起PIN1在胞内积累(即内化,internalization),并且对蛋白合成抑制剂不敏感,说明胞内的PIN1来自质膜,这个过程是快速可逆的。用 BFA和可破坏肌动蛋白的微丝解聚剂共同处理可抑制这个循环,表明 AtPIN1 是由微丝骨架被运往细胞内的(Geldner et al.,2001)。现在已经明确,PIN1和PIN3的定位都由依赖于肌动蛋白的,在质膜和内膜区室之间快速进行的内吞作用

35、循环调控(Geldner et al.,2001;Friml,2003;Geldner et al.,2003)。另外,已证明生长素输出抑制剂TIBA和NPA除了作用于质膜外,也可作用于介导输出蛋白转运的内吞系统(Geldner et al.,2001;Petrasek et al.,2003)。TIR3也是作用于内吞系统的(Gil et al.,2001)。GNOM介导BFA引起的PIN1的内化,因此对于PIN1的正常定位是必需的(Geldner et al.,2003)。新近报道的SFC基因对于PIN1的正常内化是必需的(Sieburth et al.,2006)。SFC编码ADP核糖化因

36、子GTP酶激活蛋白(ARF-GAP),这是一类对囊泡运输起调节作用的蛋白。sfc突变体叶脉不连续,根对外源生长素响应增强,生长素运输增强,经BFA处理后PIN1 在比野生型更多的较小的细胞区室积累(Sieburth et al.,2006)。拟南芥中Rho GTPase似乎组成了一个特殊的小G蛋白亚家族,这类亚家族迄今只在植物中发现,不同于动物的特殊的Rho GTPase,拟南芥中存在11个ROP GTPase成员,以AtROP(植物 Rho 相关蛋白)命名并编号(Zheng andYang,2000)。ROP2调控PIN2的功能定位,进而影响极性运输和向性反应(Li et al.,2005a

37、)。ARF1是定位在高尔基体和内吞膜系统的蛋白,它通过其靶蛋白ROP2和PIN2影响细胞极性(Xu and Scheres,2005a)。ROP通过调节ARP2/3上游调控因子控制细胞极性,ROP的功能实现依赖于细胞囊泡运输系统核心成员 ARFs(Xuand Scheres,2005b)。生长素可通过抑制内吞作用抑制PIN蛋白的内化,从而增加细胞表面的PIN蛋白丰度和活性,促进自身的输出,这是一种生长素调节自身运输的反馈机制(Paciorek et al.,2005)。除以上已经明确的主要通过细胞转运系统进行的调控外,蛋白激酶PID也可调控PIN介导的生长素运输(Friml et al.,20

38、04)。黄酮醇(flavonol)也是生长素运输的非主要调节物质,其作用部位与AEI(如NPA)相同(Peer et al.,2004)。新近的研究证实PLETHORA,SHORTROOT和SCARECROW转录因子能够有效地调控输出载体PIN的基因表达以及极性分布的位置,它们介导植物器官再分化过程中生长素极性运输的重建过程(Xu et al.,2006)。输入载体AUX1活性调节 拟南芥AXR4是一个新的内质网附属蛋白,它特异性地调节AUX1的定位,对PIN的定位没有影响。AXR4缺失引起AUX1在表皮细胞内质网中异常积累,因此使植株丧失向地反应(Dharmasiri et al.,2006

39、)。我们在水稻中发现一个具有锌指结构的蛋白 OsAGAP(GTPase activating protein,GAP),在酵母中能够互补ARF-GAP双突变体的表型,具有ARF-GTPase激活蛋白活性,在拟南芥中过量表达导致根系的形成模式改变(Zhuang et al.,2005)。该基因在水稻中过量表达导致生长素极性运输以及根发育受影响,其侧根的表型可被NAA恢复。过量表达引起囊泡运输系统紊乱,AUX1膜定位特征完全发生了改变,而PIN1和PIN2的定位则未受影响。因此OsAGAP可能作为副调控因子参与囊泡运输系统介导的生长素输入,影响根的发育(Zhuang etal.,2006)。ARF

40、-GEF对生长素输出载体定位和活性调控及ARF-GAP对生长素输入载体定位和活性的调控实验证据支持这样一个循环调节假说,即植物中 ARF非活性状态调控生长素输入载体4732006李俊华 等:植物生长素极性运输机理的研究进展AUX1 活性,活性状态调节生长素输出载体PIN1活性(图3),ARF活性和非活性的平衡是保证正常植物根系发育所必需的。5 展望回顾过去几十年对生长素极性运输的研究,是一个新的研究结果不断挑战原有的模型和假设的过程,如根中起主导作用的输入方式(Kramer and Bennett,2006)、根中生长素存在回流(Blilou et al.,2005)(图1)、PIN1在膜内的

41、快速转位(Geldner et al.,2001)的发现等。随着研究的继续深入,新的结果不仅会充实并修正现有的知识架构,而且将会为向地反应、生长点维持与器官发生和发育等领域的研究提供新的线 索。植物极性运输控制依赖于输入载体(AUX1)和输出载体(如PINs)活性及其调控与平衡。以AUX1、PGP和PIN为代表的极性运输的关键载体的发现和分析,以及其调控机制的研究,使人们已经较深入地了解了生长素极性运输现象。植物体可能存在的多套输入和输出介体(facilitator)的相对重要性如何？它们如何调控组织、发育阶段和外部刺激特异的发育过程,在这些过程中它们自身又是如何受调控的？利用近年快速发展的生

42、长素精细定量、生长素分子标签和实时检测技术以及通过对内源生长素进行基因工程介导的遗传控制等技术方法,相信可以得到更多的答案。致谢 庄晓蕾博士在资料收集和整理中提供了帮助,在此表示感谢。参考文献石江华,廖红,严小龙(2005).植物根系向地性感应的分子机理与养分吸收.植物学通报 22,523-531.王昕,种康(2005).植物小 G 蛋白功能的研究进展.植物学通报 22,1-10.Bean,R.C.,Shepherd,W.C.,and Chan,H.(1968).Permeability of lipid bilayer membranes to organicsolutes.J.Gen.Ph

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