植物向重力反應(yīng)中PIN-FORMED 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸調(diào)控

王賢 彭亞坤 陳猛 孔夢(mèng)娟 譚樹(shù)堂

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部生命科學(xué)學(xué)院前沿交叉科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)研究所，合肥 230027）

植物在重力引導(dǎo)下的不對(duì)稱生長(zhǎng)稱為植物的向重力性（gravitropism）。植物的向重力性是植物適應(yīng)陸地環(huán)境的重要過(guò)程。植物向重力性反應(yīng)（gravit?ropic response）的第一步是感受重力信號(hào)，根冠的柱細(xì)胞和莖的內(nèi)皮層細(xì)胞中存在淀粉體，這些淀粉體被命名為平衡石，被認(rèn)為是重力的感受器。根冠柱細(xì)胞和莖內(nèi)皮層細(xì)胞通過(guò)淀粉體的沉降來(lái)感受重力變化［1-2］。近年來(lái)通過(guò)模式生物擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）的遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究，基本上解析了植物向重力性反應(yīng)過(guò)程中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)理和細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)，大大增進(jìn)了我們對(duì)于植物向重力性的認(rèn)識(shí)。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們便認(rèn)識(shí)到，植物激素生長(zhǎng)素在植物的向重力性反應(yīng)中發(fā)揮重要調(diào)控作用。細(xì)胞間生長(zhǎng)素的定向運(yùn)輸是生長(zhǎng)素不對(duì)稱分布和細(xì)胞差異伸長(zhǎng)的主要機(jī)制。在植物組織生長(zhǎng)素的定向流動(dòng)中，生長(zhǎng)素輸出載體PIN?FORMED（PIN）的極性定位發(fā)揮重要作用［3-4］。模式生物擬南芥的基因組編碼了8 個(gè)PIN 蛋白，分別稱為PIN1-PIN8。在向重力反應(yīng)過(guò)程中，根冠柱細(xì)胞中的PIN3、PIN7 等蛋白的極性定位發(fā)生改變，最終影響生長(zhǎng)素在根尖的不對(duì)稱分布從而產(chǎn)生向地性彎曲。另外，在向重力反應(yīng)中細(xì)胞骨架的排列發(fā)生改變，其影響PIN 蛋白在胞內(nèi)的運(yùn)輸和定位。近幾十年的研究表明，PIN蛋白在質(zhì)膜上的極性定位決定生長(zhǎng)素的運(yùn)輸方向，是生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)不對(duì)稱分布的決定因素。因此，本文從植物向重力反應(yīng)、PIN 蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸、PIN 的內(nèi)膜運(yùn)輸和（重）定位及PIN 的蛋白翻譯后修飾等方面，探討植物向重力反應(yīng)中PIN蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸調(diào)控。

1 植物的向重力性

1.1 植物的重力信號(hào)感知

重力是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素。植物器官根據(jù)重力控制其生長(zhǎng)方向，即向重力性。在這個(gè)過(guò)程中，植物的莖向上生長(zhǎng)，表現(xiàn)為負(fù)向重力性，利于植物的出土、光合作用等；而根向下生長(zhǎng)，表現(xiàn)為正向重力性，利于固著和吸收水分、營(yíng)養(yǎng)等。重力響應(yīng)包括幾個(gè)連續(xù)過(guò)程，即重力感應(yīng)、重力信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞間信號(hào)傳輸和器官不對(duì)稱生長(zhǎng)。

對(duì)重力刺激有響應(yīng)的植物器官中，例如根冠和莖的內(nèi)皮層，通常觀察到含有致密淀粉顆粒的質(zhì)體，被稱為淀粉體（支鏈淀粉體）。植物器官偏離重力方向后，受到重力刺激，這些器官重定向，淀粉體沿著新的重力矢量沉積。目前被廣為接受的淀粉體-平衡石假說(shuō)認(rèn)為，植物通過(guò)體內(nèi)一類富含淀粉體的特殊細(xì)胞即平衡石細(xì)胞來(lái)完成對(duì)重力的感知。在根冠柱細(xì)胞中，可觀察到隨重力方向沉降的淀粉體。在物理和遺傳上去除根冠可以令根部喪失重力響應(yīng)，表明根冠負(fù)責(zé)重力感受或響應(yīng)［5-6］。激光消融根冠中特定細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二層小柱細(xì)胞的內(nèi)部細(xì)胞對(duì)根的向重力性貢獻(xiàn)最大［7］。在幾種地上部組織中，包括單子葉植物的胚芽鞘和胚軸，以及雙子葉植物的下胚軸和莖（花序）的維管束鞘觀察到沉降的淀粉體，表明這些組織是重力感知部位。在模式植物擬南芥中，有遺傳學(xué)證據(jù)表明，內(nèi)皮層是地上部枝條重力感知組織。sgr1（shoot gravitropism1，也稱作scarecrow, scr）和sgr7（shoot gravitropism7，也稱作short?root, shr）突變體在根和地上部中都缺乏內(nèi)皮層，導(dǎo)致地上部完全喪失向重力性，而它們的根仍然對(duì)重力刺激有反應(yīng)［8］。

1.2 植物的重力傳感機(jī)制

在模式植物擬南芥中，淀粉在根冠柱細(xì)胞和內(nèi)皮層細(xì)胞內(nèi)質(zhì)體中高度積累，稱為淀粉體，含有致密淀粉顆粒的支鏈淀粉體比周?chē)募?xì)胞質(zhì)重，導(dǎo)致在重力刺激時(shí)在平衡細(xì)胞中沉積到細(xì)胞底部［2］。缺乏淀粉合成能力的擬南芥磷酸葡萄糖變位酶（pgm）突變體在根和莖中表現(xiàn)出向重力性降低的表型［9-10］。淀粉過(guò)量突變體（sex1）在各組織器官中存在過(guò)量沉降淀粉體，下胚軸對(duì)重力響應(yīng)更敏感［11］。

重力感應(yīng)細(xì)胞感知淀粉體沉降的機(jī)制在最近取得的關(guān)于LZY 蛋白的突破性進(jìn)展之前，并不完全清楚。曾有研究人員推測(cè)，質(zhì)膜上可被拉伸等機(jī)械力信號(hào)激活的Ca2+通道作為重力傳感器，可能通過(guò)沉降的淀粉體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相互作用，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜局部變形激活鈣離子通，或可能通過(guò)重力傳感細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白絲激活，鈣離子被釋放并充當(dāng)重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使［12］。然而，機(jī)械性敏感離子通道與重力響應(yīng)之間的關(guān)系尚未報(bào)道。重力刺激下，擬南芥根冠柱細(xì)胞Ca2+水平?jīng)]有任何變化［13］。胞質(zhì)Ca2+變化是高度局部化的，所使用的技術(shù)無(wú)法檢測(cè)到。為了證明胞質(zhì)Ca2+瞬時(shí)變化是由重力刺激誘導(dǎo)的，擬南芥幼苗中表達(dá)apoaegorin(鈣離子指示利)的擬南芥幼苗在重力刺激下促進(jìn)胞質(zhì)游離Ca2+濃度增加［14］，由于空間分辨率不足，并不清楚是否是根冠柱細(xì)胞胞質(zhì)Ca2+水平變化。這些結(jié)果依賴于未來(lái)使用更加先進(jìn)的技術(shù)得到證實(shí)，例如使用高靈敏度Ca2+傳感器的活細(xì)胞成像分析，以證明Ca2+的變化與重力信號(hào)傳導(dǎo)之間的聯(lián)系。

鑒于淀粉體將重力傳遞到膜和細(xì)胞骨架等細(xì)胞組分，重力反應(yīng)對(duì)重力大小敏感。然而，結(jié)合離心超重力和傾斜儀來(lái)改變植物外界重力環(huán)境的生理實(shí)驗(yàn)表明，幾種被子植物的莖向重力性不取決于重力的大小，而是取決于傾斜角度［15］。因而有學(xué)者提出了位置傳感假說(shuō)，平衡石細(xì)胞類似于傾斜儀方式通過(guò)淀粉體在細(xì)胞內(nèi)位置而不是重力大小感知傾斜［16］?；罴?xì)胞直接觀察和仿生實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，淀粉體以肌動(dòng)蛋白依賴的方式動(dòng)態(tài)移動(dòng)，即使在輕微傾斜角度下也可以做出反應(yīng)［17］。位置傳感器假說(shuō)可能是一個(gè)有趣的概念，它將淀粉體沉積與向重力性的生化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)系起來(lái)。

1.3 根中參與重力信號(hào)傳導(dǎo)基因

最新成果顯示，LAZY 家族蛋白在植物重力感知過(guò)程中發(fā)揮重要作用。植物感知到重力矢量的變化后，淀粉體沉降觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)改變細(xì)胞中生長(zhǎng)素運(yùn)輸方向。一些基因已經(jīng)證明參與重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在根冠細(xì)胞中表達(dá)和發(fā)揮作用。

在近十幾年的研究中，LAZY 家族基因相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)向重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的理解至關(guān)重要。LAZY1 最初在水稻中發(fā)現(xiàn)，水稻lazy1 突變體莖（葉鞘和胚芽鞘）具有重力響應(yīng)缺陷［18-19］。基于序列相似性比對(duì)，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)6 個(gè)AtLAZY（也稱作NEGATIVE GRAVITROPIC RESPONSE OF ROOTS,NGR 或DEEPER ROOTING1, DRO1）家族成員和一個(gè)功能相反的基因［20-21］。本綜述中將這個(gè)基因家族統(tǒng) 稱 為L(zhǎng)AZY1?LIKE（LZY）。LZY1、LZY2 和LZY3在擬南芥莖的向重力性中發(fā)揮冗余作用，而LZY2、LZY3 和LZY4 在根向重力性中發(fā)揮功能［22-23］。lzy1 lzy2 lzy3 三突變體植株的地上部沿地面生長(zhǎng)，幾乎完全喪失了負(fù)向重力性。通過(guò)SCR（SCARECROW）啟動(dòng)子特異性在莖內(nèi)皮層細(xì)胞表達(dá)LZY 基因可以恢復(fù)三突變體莖的向重力缺陷，并且淀粉體沉降不受LZYs 影響［22］，說(shuō)明LZYs 在淀粉體感受重力之后的過(guò)程中發(fā)揮作用。lzy1 lzy2 lzy3 重定向后，莖中上下側(cè)IAA5 轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有明顯差異，LZY 在重定向莖中生長(zhǎng)素的不對(duì)稱分布起關(guān)鍵作用［22］。lzy1 lzy2 lzy3突變體重定向后根中未觀察到生長(zhǎng)素?zé)晒鈭?bào)告基因DR5rev::GFP 不對(duì)稱表達(dá)。lzy2 lzy3 lzy4 突變體重定向后，根中DR5rev::GFP 和DII::Venus 的表達(dá)表明，生長(zhǎng)素在根上側(cè)的積累增加［21,23］。這些結(jié)果表明，LZY 蛋白在植物重力響應(yīng)過(guò)程和生長(zhǎng)素不對(duì)稱分布中起作用。

遺傳學(xué)證據(jù)表明，PIN3 在LZYs 下游起著重要的作用。LZY3 的CCL 結(jié)構(gòu)域可以與RCC1?like domain（RLD）蛋白的BRX 結(jié)構(gòu)域相互作用，根據(jù)淀粉體沉積后的重力方向，以極化方式將RLD 蛋白募集到側(cè)根的根冠柱細(xì)胞質(zhì)膜上，形成LZY?RLD 復(fù)合體，從而引起PIN3 的重新定位以調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的流動(dòng)方向，導(dǎo)致側(cè)根的向重力性發(fā)生變化［24］。此外，還有一種含有BRX 結(jié)構(gòu)域的蛋白BRX?LIKE4（BRXL4）能與LZY1 相互作用，通過(guò)將LZY1 從其發(fā)揮作用的質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核來(lái)負(fù)調(diào)控LZY1 的作用［25］。值得注意的是，當(dāng)重力方向改變后，重定位的重力刺激會(huì)激活促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）介導(dǎo)的LZY 蛋白的磷酸化，從而增加其與淀粉體表面幾種質(zhì)體外膜轉(zhuǎn)運(yùn)（translocons at the outer envelope membrane of chloroplasts, TOC）蛋白的相互作用，促使LZY 蛋白由質(zhì)膜向淀粉體轉(zhuǎn)運(yùn)［26］。在淀粉體向新的重力方向沉積后，LZY 又會(huì)通過(guò)淀粉體轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上，在新的重力方向下側(cè)形成極性定位，將淀粉體的位置信息傳遞給質(zhì)膜，從而發(fā)出重力方向的信號(hào)［27］。這樣的一種細(xì)胞學(xué)機(jī)制很好地解釋了植物重力感知的淀粉體沉降是如何轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的極化和生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)方向的改變的，大大促進(jìn)了我們對(duì)于植物向重力性的認(rèn)識(shí)（圖1）。

圖1 根和地上部重力感應(yīng)位置及相關(guān)調(diào)控基因Fig.1 Gravity-sensing positions and related regulators in roots and shoots

ARG1（ALTERED RESPONSE TO GRAVITY1）蛋白是根和下胚軸向性所必需的，其含有DnaJ 結(jié)構(gòu)域和一個(gè)卷曲螺旋區(qū)，主要與膜互作相關(guān)，一部分區(qū)域與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架相互作用［28-29］。ARG1及其同源基因ARG1?LIKE2（ARL2）突變減弱了重力刺激下根尖生長(zhǎng)素的橫向再分布，但淀粉積累正常［30］。垂直生長(zhǎng)的arg1 arl2 雙突變體的根冠柱細(xì)胞中，PIN3 的表達(dá)模式和亞細(xì)胞定位與野生型沒(méi)有明顯區(qū)別。然而，重力刺激下，PIN3 蛋白在arg1 arl2根冠柱細(xì)胞的重新定位受到影響［30］。因此，ARG1和ARL2 可能在重力信號(hào)傳導(dǎo)中起作用，影響PIN3的重定位和重力刺激后生長(zhǎng)素的不對(duì)稱分布。

目 前， 數(shù) 個(gè)SGRs（SHOOT GRAVITROPISMs）已被證明參與不同植物器官的向重力反應(yīng)。sgr1/scr（scarecrow）和sgr7/shr（short?root）突變體在地上部（包括下胚軸和莖中）沒(méi)有正常的內(nèi)胚層，導(dǎo)致地上部向重力性缺陷［8］。sgr2、zig（zigzag）/sgr4和sgr8/grv2（gravitropism defective2）/kam2（kata?mari2）在下胚軸和莖內(nèi)皮層中淀粉體不會(huì)向新的重力方向沉積，但根的向重力響應(yīng)正常［31-33］。sgr3、sgr5 和sgr6 的莖而不是下胚軸或根的向重力反應(yīng)缺陷［31,34-35］。SGR2 編碼液泡膜磷脂酶A1（phospholi?pase A1, PA?PLA1），SGR3 編碼的t?SNARE AtVAM3與ZIG/SGR4 編碼的v?SNARE AtVTI11 形成穩(wěn)定的SNARE 復(fù)合物，介導(dǎo)的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)皮層細(xì)胞中的液泡前體/液泡，突變體中液泡功能或形成的缺陷可能會(huì)干擾淀粉體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法感知重力變化［34,36-37］。SGR5 在功能上與其他SGR 成員不同，其主要在莖中重力感知的早期過(guò)程中起作用。研究發(fā)現(xiàn)高溫誘導(dǎo)SGR5 選擇性剪接，在莖的向重力作用減弱［38］。另外，SGR9 編碼定位于淀粉體上的RING 型E3 泛素連接酶［39］。SGR9 調(diào)節(jié)淀粉體和F?肌動(dòng)蛋白之間的相互作用，并促進(jìn)淀粉體與F?肌動(dòng)蛋白的分離，使淀粉體沿重力方向沉積［39］。

這些發(fā)現(xiàn)為我們理解植物向重力性的分子機(jī)制提供了很好的基礎(chǔ)，但是ARG/ARLs、SGRs 是否或者如何參與LZYs 介導(dǎo)的重力感知過(guò)程，有待于未來(lái)深入的細(xì)胞學(xué)或生物化學(xué)探索。

2 PIN 蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸

生長(zhǎng)素是最早被發(fā)現(xiàn)的一類植物激素，在調(diào)節(jié)植物發(fā)育和向性生長(zhǎng)中具有重要作用。種子植物中，生長(zhǎng)素主要通過(guò)極性運(yùn)輸或維管系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，極性運(yùn)輸對(duì)建立和維持生長(zhǎng)素濃度梯度至關(guān)重要，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物感知并響應(yīng)發(fā)育和環(huán)境信號(hào)。在生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸過(guò)程中，位于膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮關(guān)鍵作用。PIN?FORMED（PIN）是定位在質(zhì)膜上的生長(zhǎng)素外排載體，通過(guò)極性定位調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)素的輸出方向。PIN 的極性定位決定了組織內(nèi)生長(zhǎng)素在細(xì)胞間的轉(zhuǎn)運(yùn)方向，在胚胎發(fā)生、器官發(fā)生、組織分化和植物向性等多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有重要的調(diào)控作用［40］。

PIN 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸在植物向重力反應(yīng)過(guò)程具有重要功能。在向重力反應(yīng)過(guò)程中，PIN 的極性分布會(huì)影響莖和根兩側(cè)生長(zhǎng)素的不對(duì)稱分布，導(dǎo)致器官發(fā)生不對(duì)稱生長(zhǎng)而彎曲。pin2 突變阻斷了重力誘導(dǎo)的生長(zhǎng)素不對(duì)稱再分布并導(dǎo)致根出現(xiàn)向重力缺陷表型，表明PIN2 在根向重力反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，生長(zhǎng)素通過(guò)中柱從地上部運(yùn)輸?shù)礁膺M(jìn)入皮層和表皮細(xì)胞，通過(guò)PIN2 向伸長(zhǎng)區(qū)和分生區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)［3,41］。重力刺激后生長(zhǎng)素分布的時(shí)空調(diào)節(jié)與重力刺激根上下側(cè)細(xì)胞中的PIN2 豐度相關(guān)，根下側(cè)細(xì)胞中生長(zhǎng)素分布增加伴隨著刺激后PIN2 豐度增加隨后逐漸減少；另一方面，根上側(cè)細(xì)胞中生長(zhǎng)素分布減少伴隨著PIN2 豐度先減少隨后增加。根上下側(cè)細(xì)胞中質(zhì)膜PIN2 蛋白水平對(duì)稱恢復(fù)可能促進(jìn)重新建立對(duì)稱的生長(zhǎng)素運(yùn)輸，導(dǎo)致根垂直生長(zhǎng)［41-42］。重力刺激后PIN2 在細(xì)胞內(nèi)的重新定位取決于蛋白酶體活性［43］。有研究表明，在向重力過(guò)程中，植物激素赤霉素（gibberellin, GA）也發(fā)生不對(duì)稱分布，下側(cè)GA水平較高。GA 通過(guò)抑制PIN2 蛋白向液泡的降解來(lái)穩(wěn)定PIN 蛋白，從而有助于穩(wěn)定根下側(cè)PIN2，促進(jìn)生長(zhǎng)素不對(duì)稱運(yùn)輸和分布［44］。此外，根下側(cè)生長(zhǎng)素的增加促進(jìn)了編碼分泌性小肽的GLVs（GOLVENs，也稱作ROOT GROWTH FACTOR LIKE）基因的表達(dá)。GLVs 基因在表皮和皮層細(xì)胞中的差異表達(dá)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素運(yùn)輸加劇PIN2 的極性分布［45］。另外，PIN3和PIN7 也參與根的向重力過(guò)程，這兩個(gè)蛋白均極性定位于根冠柱細(xì)胞的質(zhì)膜上。重力刺激后，PIN3 和PIN7 極化到根冠柱細(xì)胞的下側(cè)，生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)礁庀聜?cè)并驅(qū)動(dòng)重力彎曲［46］。因此，重力刺激后根冠柱細(xì)胞PIN3 和PIN7 重新極化以及表皮細(xì)胞PIN2 不對(duì)稱分布促進(jìn)生長(zhǎng)素的再分布，抑制根上側(cè)生長(zhǎng)素積累導(dǎo)致根向下彎曲。

擬南芥多個(gè)PIN 家族的成員參與到植物地上部的向重力反應(yīng)中。pin3 突變導(dǎo)致下胚軸重力反應(yīng)缺失，同源基因的突變體pin4 和pin7 以及pin4 pin7雙突變體在下胚軸向重力響應(yīng)方面沒(méi)有表現(xiàn)出任何缺陷［47-48］。而pin3 pin7 雙突變體和pin3 pin4 pin7三突變體的表型強(qiáng)于pin3 單突變體［47-48］。這些遺傳證據(jù)表明，PIN3 是擬南芥下胚軸向重力過(guò)程中生長(zhǎng)素差異運(yùn)輸?shù)闹饕獏⑴c者，而其他PIN 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮冗余作用［47］。重力刺激后下胚軸內(nèi)皮層細(xì)胞中PIN3 極化到細(xì)胞下側(cè)的質(zhì)膜，介導(dǎo)生長(zhǎng)素向下胚軸下側(cè)運(yùn)輸和積累促進(jìn)生長(zhǎng)和下胚軸彎曲［49］。

根的向重力性對(duì)于其三維構(gòu)型（root system architecture, RSA）十分重要，主要表現(xiàn)為主根和側(cè)根以一定的角度進(jìn)行生長(zhǎng)。向重力性定點(diǎn)角（gravitropic setpoint angle, GSA）抑制根的正向重力生長(zhǎng)促進(jìn)根系徑向擴(kuò)張。在細(xì)胞水平上，生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸導(dǎo)致伸長(zhǎng)區(qū)不對(duì)稱生長(zhǎng)決定GSA 形成。在側(cè)根（lateral root, LR）形成早期階段，PIN3 在根冠柱細(xì)胞質(zhì)膜上表達(dá)并不對(duì)稱分布，隨后在底部極化影響生長(zhǎng)素不對(duì)稱分布促進(jìn)GSA 形成［50］。側(cè)根形成后期，GSA 形成時(shí)，PIN3 整體表達(dá)水平降低，與生長(zhǎng)素不對(duì)稱運(yùn)輸減少以及側(cè)根以恒定GSA 非差異生長(zhǎng)有關(guān)［50-51］。地上部枝條穩(wěn)定在一定非垂直的角度生長(zhǎng)依賴于生長(zhǎng)素介導(dǎo)的負(fù)向重力性機(jī)制，通過(guò)調(diào)節(jié)重力感應(yīng)細(xì)胞中PIN 的極化來(lái)控制側(cè)枝GSA［52］。擬南芥胞吐復(fù)合體亞基EXO70A3（EXOCYST70A3）通過(guò)調(diào)控PIN4 的亞細(xì)胞定位和生長(zhǎng)素的極性轉(zhuǎn)運(yùn)，在根GSA 和根系結(jié)構(gòu)的調(diào)控中發(fā)揮重要功能，影響擬南芥不同生態(tài)型對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)［53］。

3 PIN 的內(nèi)膜運(yùn)輸和（重）定位

PIN 的極性分布是通過(guò)質(zhì)膜和內(nèi)體區(qū)室（endosomal compartments）之間連續(xù)動(dòng)態(tài)循環(huán)來(lái)維持的［54］。PIN 通過(guò)內(nèi)吞作用分選到反式高爾基網(wǎng)（trans?Golgi network, TGN）和 早 期 內(nèi) 體（early endosome, EE），進(jìn)而通過(guò)囊泡運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜與膜融合或通過(guò)多囊泡體（muti?vesicular bodies, MVB）進(jìn)入液泡降解［55-57］。

3.1 網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的PIN蛋白的內(nèi)吞作用

PIN 蛋白通過(guò)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（CME）從質(zhì)膜（plasma membrane, PM）內(nèi)化［56］。網(wǎng)格蛋白由重鏈（clathrin heavy chain, CHC）和輕鏈（clathrin light chain, CLC）組成［58］，包被著囊泡。chc 和clc突變體在PIN 運(yùn)輸、極性定位中表現(xiàn)出缺陷，從而影響生長(zhǎng)素分布和向性響應(yīng)［55,59-60］。CHCs 是PIN蛋白被內(nèi)吞和極性分布過(guò)程中所必需的［55-56］。而CLC2 和CLC3 影響CHC 與膜結(jié)合，以及生長(zhǎng)素介導(dǎo)質(zhì)膜蛋白內(nèi)化和胞內(nèi)運(yùn)輸，clc2 clc3 雙突變體中生長(zhǎng)素運(yùn)輸和分布缺陷，導(dǎo)致生長(zhǎng)素相關(guān)的多個(gè)發(fā)育過(guò)程出生缺陷［60］。PIP5K1 和PIP5K2 磷脂激酶共同調(diào)節(jié)的PI（4,5）P2在網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的質(zhì)膜運(yùn)輸、PIN 極化和生長(zhǎng)素分布方面發(fā)揮重要作用。pip5k1 pip5k2 雙突變體影響生長(zhǎng)素運(yùn)輸并干擾PIN1、PIN2極化和內(nèi)體循環(huán)［61］。生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白ABP1 通過(guò)將網(wǎng)格蛋白募集到PM 促進(jìn)CME 并介導(dǎo)生長(zhǎng)素對(duì)CME的抑制［60］。最近的結(jié)果表明，ABP1 互作蛋白TMKs和調(diào)控因子MAKR2 在PIN2 介導(dǎo)的植物向重力反應(yīng)中具有重要調(diào)控作用［62-63］。植物激素生長(zhǎng)素通過(guò)TMK 激活質(zhì)膜上的質(zhì)子泵，酸化細(xì)胞壁，促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)及組織生長(zhǎng)［64-65］。

3.2 囊泡運(yùn)輸調(diào)控PIN蛋白的（重）定位

在內(nèi)吞和再循環(huán)過(guò)程中，PIN 蛋白分布于囊泡中，許多相關(guān)的調(diào)控蛋白均可以影響PIN 蛋白運(yùn)輸。細(xì)胞骨架調(diào)控囊泡運(yùn)輸，RAB 和ARF 小GTP酶將膜連接到細(xì)胞骨架，是細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹饕{(diào)節(jié)因子［66］。ARF 蛋白以GDP 形式與囊泡膜較弱結(jié)合，以GTP 形式緊密結(jié)合。在ARF 與膜結(jié)合后，小G 蛋白ADP 核糖基化因子的鳥(niǎo)苷酸交換因子（ARF?GEF）被募集將ARF 小G 蛋白上的GDP 轉(zhuǎn)變?yōu)镚TP。小分子化合物布雷菲德菌素A（Brefeldin A,BFA）通過(guò)與ARF?GDP/ARF?GEF 復(fù)合物結(jié)合來(lái)抑制ARF 蛋白的活化，可逆地抑制PIN1 從內(nèi)體區(qū)室到質(zhì)膜極性結(jié)構(gòu)域的囊泡運(yùn)輸［67-68］。對(duì)BFA 敏感的ARF?GEF GNOM 主要定位于高爾基體，部分定位于質(zhì)膜和TGN/EE（trans?Golgi network/early endosome）。GNOM 調(diào)節(jié)PIN1 內(nèi)體循環(huán)，進(jìn)一步影響PIN1 的極性。BFA 對(duì)GNOM 的長(zhǎng)時(shí)間（超過(guò)12 h）抑制導(dǎo)致PIN1 從根細(xì)胞的基部異常定位于細(xì)胞頂端，但遺傳改造的BFA 不敏感的GNOMM696L?myc 轉(zhuǎn)基因系僅導(dǎo)致PIN1 的再循環(huán)對(duì)BFA 不敏感［69］。BFA 處理或者GNOM 蛋白功能缺失都會(huì)抑制PIN1 質(zhì)膜-內(nèi)體之間的循環(huán)并破壞其基底極性分布，但對(duì)PIN2 的頂端極性定位影響不大，說(shuō)明PIN 蛋白的頂端極性定位通過(guò)其他BFA 不敏感的ARF?GEF 介導(dǎo)［70］。GNL1（GNOM?LIKE1）是 一 種 類 似GNOM 的ARF?GEF，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體運(yùn)輸中具有保守功能，在PIN2的內(nèi)吞過(guò)程中具有選擇功能［69］。擬南芥磷酯翻轉(zhuǎn)酶ALA3 可 以 與GNOM 和BIG3（BIG/SEC7?RELATED PROTEIN3）等ARF?GEF 互作，調(diào)控PIN 的頂-基部極性定位，參與根的向重力性反應(yīng)、子葉發(fā)育和葉維管束發(fā)育等多個(gè)過(guò)程中［71］。

在生物合成分泌和內(nèi)吞作用后，PIN 蛋白一部分被回收到特定的質(zhì)膜區(qū)域極性定位，一部分通過(guò)晚期內(nèi)體（late endosomes, LE）或液泡前體（prevacuolar compartment, PVC）運(yùn)輸?shù)揭号菽そ到?。磷脂酰肌?3 激酶（PI?3K）是調(diào)節(jié)PIN 液泡降解所必需的，使用PI?3K 抑制劑渥曼青霉素（wortmannin, WM）處理導(dǎo)致LE 中PIN1 和PIN2 的積累［72-73］。液泡中以泛素化依賴的方式調(diào)節(jié)PIN 蛋白周轉(zhuǎn)也有助于質(zhì)膜處PIN 蛋白極性［43］。PIN1 和PIN2 在snx1?1（sorting nexin1?1）和vps29?3（vacuolar protein sorting29?3）突變體中質(zhì)膜上定位減少，AtSNX1 和VPS29 已被證明是獨(dú)立于GNOM 的不同內(nèi)體區(qū)室介導(dǎo)PIN 蛋白從PVC免于降解進(jìn)入再循環(huán)途徑［72-73］。AP?3（ADAPTOR PROTEIN3）和內(nèi)體分選復(fù)合物（ESCRT）參與液泡PIN 蛋白的降解和分選［74-75］。

4 PIN 蛋白的可逆磷酸化修飾

PIN 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)需要通過(guò)蛋白激酶調(diào)節(jié)PIN 的激活、極性分布和運(yùn)輸。與PIN 磷酸化相關(guān)的激酶家族主要有AGC 激酶、受體激酶（RLK）、MAP 激酶和鈣調(diào)蛋白激酶（Ca2+/CALMODULIN?DEPENDENT PROTEIN KINASE?RELATED KINASEs,CRKs）。與蛋白激酶相反，某些磷酸酶也參與其中，包括蛋白磷酸酶2A（PP2A）、PP1 和PP6 等（圖2）。

圖2 翻譯后修飾調(diào)節(jié)PIN 蛋白定位Fig.2 Post-translational modifications regulate the localization of PIN

4.1 AGC激酶對(duì)于PIN蛋白的活性和極性定位起著重要的調(diào)控作用

擬南芥基因組編碼39 種AGC 激酶，其中23 種AGC 激 酶 形 成AGCVIII 亞 家 族［76］。在AG?CVIII 激酶中，有兩個(gè)亞家族直接參與PIN 介導(dǎo)的 生 長(zhǎng) 素 轉(zhuǎn) 運(yùn)：PID（PINOID）、WAG1（WAVY ROOT GROWTH1）和WAG2，以及D6PK 和D6PK?LIKE1-3。

PID/WAGs 磷酸化PIN 蛋白，既可以激活PIN轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素的活性，也調(diào)控其蛋白的極性定位。pid突變體具有針狀花序，與pin1 突變體表型類似，這意味著PID 在生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用［77-78］。PID 的過(guò)表達(dá)誘導(dǎo)根部?jī)?nèi)皮層和中柱PIN1、皮層PIN2 和表皮及皮層PIN4 從基部到頂部的異常極性定位，導(dǎo)致生長(zhǎng)素濃度梯度喪失以及胚胎和幼苗根發(fā)育缺陷。pid 功能缺失突變體導(dǎo)致花序分生組織表皮層PIN 從基部向頂端極性的轉(zhuǎn)換抑制，無(wú)法建立頂端器官形成所需的局部生長(zhǎng)素積累，阻止了新的側(cè)向器官的發(fā)生，從而形成針狀花序［79］。進(jìn)一步遺傳和生化分析表明，WAG1 和WAG2 與PID 之間功能冗余，PID、WAG1 和WAG2 主要在表皮和側(cè)根冠細(xì)胞中表達(dá)，pid wag1 wag2 三突變體幼苗的根具有更明顯的向重力性缺失表型，干擾PIN 頂端定位影響生長(zhǎng)素運(yùn)輸，導(dǎo)致子葉發(fā)育、根系生長(zhǎng)和根向重力缺陷［80］。PID/WAGs 磷酸化PIN蛋白的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（PIN?HL）3 個(gè)高度保守TPRXS（N/S）基序的中間絲氨酸殘基S1?S3，調(diào)節(jié)PIN 極性定位［81-82］。PID、WAG 與PIN 蛋白相互作用并磷酸化招募MAB4/MEL（MACCHI?BOU4/MAB4（EN?P1）?LIKE）支架蛋白形成PIN/PID/MAB4 復(fù)合物形成正反饋調(diào)控，增加PIN 磷酸化并限制PIN 在其極性結(jié)構(gòu)域的橫向擴(kuò)散［83-84］。擬南芥WAV3（WAVY GROWTH 3）/WAVH 亞家族E3 泛素連接酶獨(dú)立于PID/WAG 蛋白激酶，在調(diào)控PIN 蛋白極性定位發(fā)揮重要作用［85］。此外，PID/WAGs 調(diào)節(jié)PIN3 蛋白在下胚軸向光性以及莖和根的向重力過(guò)程中的重新定位［86-87］。最近的研究表明，PP2A 可以去磷酸化PIN3 蛋白，與蛋白激酶PID/WAG 介導(dǎo)的磷酸化形成一種拮抗機(jī)制，參與到側(cè)根的角度維持和根系統(tǒng)的形態(tài)建成中［51］。

擬南芥D6PK 及其同源蛋白D6PKL1-D6PKL3主要調(diào)節(jié)PIN 轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素的活性。D6PK 和D6PKL活性喪失導(dǎo)致典型生長(zhǎng)素相關(guān)表型，如下胚軸向光性、負(fù)向重力性、避陰以及側(cè)根和芽分化，這些表型與極性生長(zhǎng)素運(yùn)輸受阻和分布異常相關(guān)［88-90］。與非極性定位的PID 不同，D6PK 在根表皮和中柱、下胚軸、莖和頂端分生組織細(xì)胞中，與細(xì)胞基底側(cè)極性分布的PIN 蛋白共定位［90-92］。與PID 類似，D6PK 也可以磷酸化PIN 蛋白絲氨酸S1?S3，此外，D6PK 還磷酸化S4 和S5，雖然這兩個(gè)位點(diǎn)在PIN3、PIN4 和PIN7 中保守，但PIN1 中不存在S5，PIN2缺乏S4 和S5。與PID 相反，D6PK 磷酸化PIN 不會(huì)改變PIN 蛋白極性，而是影響PIN 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素的能力。D6PK 和PID/WAGs 對(duì)PIN 的不同作用可能的原因是其對(duì)不同磷酸化位點(diǎn)的偏好［80,93］。

與D6PK 類似，與BRX 相關(guān)的蛋白激酶PAX（PROTEIN KINASE ASSOCIATED WITH BRX）對(duì)韌皮部發(fā)育至關(guān)重要［94］。PAX 與BRX 是PIN 蛋白激活的正向和負(fù)向調(diào)節(jié)因子，一起作為“分子變阻器”磷酸化并激活PIN 蛋白，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素運(yùn)輸和維管發(fā)育。在較低生長(zhǎng)素水平下，質(zhì)膜上PAX 招募BRX（BREVIS RADIX）并抑制PAX 活性，從而抑制PIN 的磷酸化，隨著細(xì)胞生長(zhǎng)素水平升高，BRX降解或運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核釋放PAX，PAX 被激活并刺激生長(zhǎng)素運(yùn)輸［95-96］。此外，該調(diào)節(jié)模塊另一個(gè)組成部分，生長(zhǎng)素激活的磷脂酰肌醇?4?磷酸5?激酶（PIP5K），PIP5K 與BRX 相互作用，其靶向質(zhì)膜有助于局部增強(qiáng)磷脂酰肌醇?4,5?二磷酸［PI（4,5）P2］的分布，共同形成一種自我增強(qiáng)調(diào)節(jié)模塊［96-97］。PDK1 也是AGC 激酶家族的成員，通常充當(dāng)上游信號(hào)來(lái)磷酸化和激活D6PK 和PAX 以調(diào)節(jié)PIN 的極性，被認(rèn)為是AGC 激酶活性的主要調(diào)節(jié)因子［97-99］。綜上所述，AGCIII 家族激酶在PIN 極性調(diào)節(jié)和生長(zhǎng)素運(yùn)輸方面可能具有獨(dú)立但部分重疊的作用。

4.2 參與調(diào)控PIN蛋白功能的其他蛋白激酶

除了AGC 激酶外，其他類型的蛋白激酶也參與調(diào)節(jié)PIN 的磷酸化。在擬南芥分枝的調(diào)控過(guò)程中，MKK?MAPK 信號(hào)級(jí)聯(lián)途徑起著重要的調(diào)控作用。MKK7?MPK6 磷酸化PIN1 的第337 位絲氨酸殘基（S337）位點(diǎn)，影響PIN1 的細(xì)胞內(nèi)分布和極性定位，進(jìn)而調(diào)節(jié)極性生長(zhǎng)素的運(yùn)輸［100］。PIN1?HL 中的T227、T248 和T286 位于S1?S3 屬于PID 磷酸化位點(diǎn)TPRXS（N/S）基序的一部分，被MPK4 和MPK6磷酸化［101］。MAPK 級(jí)聯(lián)信號(hào)傳導(dǎo)途徑是正常生長(zhǎng)發(fā)育必需的，同時(shí)生物和非生物脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面也被發(fā)現(xiàn)起著廣泛的調(diào)控作用。因此，MAP 激酶調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素運(yùn)輸可能是植物適應(yīng)脅迫的重要組成部分。

擬南芥編碼的8 個(gè)鈣相關(guān)蛋白激酶（CRK）大多定位在質(zhì)膜并在體外磷酸化PIN 蛋白。CRK5 在表皮和皮層細(xì)胞PM 呈現(xiàn)為“U”形定位，在crk5突變體中，其他蛋白極性定位不受影響，但PIN2 在表皮細(xì)胞頂側(cè)表達(dá)水平降低，皮層細(xì)胞從基底側(cè)到頂側(cè)定位轉(zhuǎn)換［102-103］。CRK5 激酶通過(guò)磷酸化PIN1、PIN2 和PIN3 調(diào)節(jié)蛋白活性介導(dǎo)根向重力反應(yīng)、頂端鉤發(fā)育和調(diào)控胚胎發(fā)育過(guò)程［104-105］。

最近，質(zhì)膜定位的受體樣激酶（receptor like kinase, RLK）成為另一類在質(zhì)膜處磷酸化PIN 蛋白的激酶。受體激酶CAMEL（CANALIZATION?RELATED AUXIN?REGULATED MALECTIN?TYPE RLK）及其相互作用蛋白CANAR（CANALIZATION?RELATED RECEPTOR?LIKE KINASE）共 同 與PIN蛋白互作并磷酸化PIN。PIN1 中CAMEL 磷酸位點(diǎn)的突變影響其極性分布和運(yùn)輸, 從而表現(xiàn)出葉脈和維管損傷后的再生缺陷［106］。

4.3 多種蛋白磷酸酶參與調(diào)控PIN蛋白的功能

可逆磷酸化修飾影響植物PIN 蛋白的極性定位，從而改變生長(zhǎng)素運(yùn)輸方向。與蛋白激酶相反，磷酸酶使PIN 蛋白去磷酸化。PP2A 磷酸酶是一種由支架亞基A、調(diào)控亞基B 和催化亞基C 組成的異源三聚體。PP2A 通過(guò)使PIN 蛋白去磷酸化來(lái)拮抗PID，二者共同決定PIN 蛋白的極性定位和轉(zhuǎn)運(yùn)活性［107］。近期研究表明，PP2A 的C 亞基能夠與ABA受體PYR/PYLs 相結(jié)合，PP2A 的A 亞基直接與SA結(jié)合，以抑制PP2A 磷酸酶活性，從而調(diào)節(jié)PIN 蛋白的極性和根系發(fā)育［108-109］。有趣的是，PP2AA（PP2AA1?PP2AA3）、SAL（SAPS domain?like） 和FyPP1/3（PHYTOCHROME?ASSOCIATED SERINE/THREONINE PROTEIN PHOSPHATASE1/3）之間相互作用形成PP6 異源三聚體全酶復(fù)合物。FyPP1/3、SAL 和PP2AA 與一部分PIN 蛋白相互作用，對(duì)于SAL，相互作用的強(qiáng)度取決于PIN 磷酸化狀態(tài)。因此，PP6 通過(guò)拮抗PID，直接調(diào)節(jié)PIN 蛋白磷酸化促進(jìn)PIN 蛋白基部定位，進(jìn)而影響生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸和植物發(fā)育［110］。此外，PP1 家族一個(gè)成員，TOPP4（TYPE?ONE PROTEIN PHOSPHATASE4） 與PID 拮抗調(diào)節(jié)PIN1 蛋白磷酸化，調(diào)控生長(zhǎng)素在表皮細(xì)胞內(nèi)外的極性分布，控制鋪板細(xì)胞的形態(tài)建成［111］。

5 其他蛋白翻譯后修飾參與調(diào)控PIN 的功能

5.1 PIN的氧化還原修飾

S?亞硝基化（S?nitrosylation），是一種基于氧化還原的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，可通過(guò)改變蛋白的構(gòu)象、穩(wěn)定性、亞細(xì)胞定位、生物化學(xué)活性或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用來(lái)調(diào)節(jié)蛋白的功能。細(xì)胞內(nèi)蛋白S?亞硝基化的水平是動(dòng)態(tài)的，由一氧化氮（NO）水平和S?亞硝基谷胱甘肽還原酶（GSNOR）和硫氧還蛋白（Trxs）催化的去亞硝基化調(diào)控［112-113］。GSNOR1 的缺乏通過(guò)一種未知機(jī)制抑制了PIN 的內(nèi)吞作用。由于NO 也可以通過(guò)S?亞硝基化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，因此NO 可能直接通過(guò)S?亞硝基化PIN 或間接通過(guò)S?亞硝基化內(nèi)吞途徑中的其他關(guān)鍵蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)PIN內(nèi)化［114-115］。

5.2 PIN的寡聚（二聚化）

生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)由PIN 蛋白的亞細(xì)胞極性定位決定，但對(duì)于PIN 蛋白復(fù)合物組成和調(diào)控方面的分子機(jī)制尚不清楚。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，PIN 核心復(fù)合體由PIN1、PIN2、PIN3、PIN4 和PIN7 的同源二聚體和異源二聚體組成（其中PIN1 同源二聚體最為普遍），生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑和調(diào)節(jié)劑，如內(nèi)源黃酮醇和NPA（N?1?naphthylphthalamic acid），穩(wěn)定PIN1 二聚體，影響極性生長(zhǎng)素運(yùn)輸，PIN1 胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的磷酸化可消除這種抑制作用［116-117］。最近的結(jié)構(gòu)生物學(xué)證據(jù)表明，典型PIN1 和PIN3 蛋白以及非典型PIN8蛋白以對(duì)稱性的同源二聚體方式組裝，每個(gè)單體具有10 次跨膜螺旋，呈現(xiàn)出典型的NhaA 蛋白折疊方式，被分為支架（scaffold）結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)運(yùn)（transporter）結(jié)構(gòu)域。區(qū)別于PIN8 二聚體向胞外開(kāi)放狀態(tài)的構(gòu)象，PIN1 呈現(xiàn)向細(xì)胞質(zhì)側(cè)開(kāi)放的構(gòu)象，同時(shí)，在胞質(zhì)側(cè)，還具有一個(gè)由β 折疊片組成的結(jié)構(gòu)域［118-119］。PIN1的跨膜結(jié)構(gòu)域共享一個(gè)保守的NhaA?fold。在底物與PIN1 的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，IAA 通過(guò)疏水堆積和氫鍵進(jìn)行配位，抑制劑NPA 與IAA 以更高的親和力競(jìng)爭(zhēng)同一位點(diǎn)。PIN3 支架結(jié)構(gòu)域中的跨膜螺旋1/2/7 參與二聚化，二聚化的PIN3 蛋白在二聚體界面形成一個(gè)面向胞外的腔，每個(gè)亞基都是面朝內(nèi)的構(gòu)象［120］。

PIN 處于內(nèi)向開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的IAA 結(jié)合在內(nèi)向開(kāi)放口袋中，引起PIN 二聚體由內(nèi)向開(kāi)放狀態(tài)向外向開(kāi)放狀態(tài)轉(zhuǎn)換，IAA 被釋放至細(xì)胞外。生長(zhǎng)素運(yùn)輸抑制劑NPA 結(jié)合在底物結(jié)合位點(diǎn)，阻礙了IAA 的結(jié)合，同時(shí)抑制轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中PIN 的潛在構(gòu)象變化，并使蛋白處于朝內(nèi)側(cè)開(kāi)放的構(gòu)象，抑制生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸。

5.3 Pin1At調(diào)控PIN1蛋白的構(gòu)象

PIN 蛋白胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域TPRXS 基序內(nèi)的脯氨酸殘基，可以發(fā)生順式/反式丙?；悩?gòu)化。Pin1 肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶（peptidylprolyl cis?trans isomerase,PPIase）是生物體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，特異性識(shí)別磷酸化的S/T?P 序列，催化其中的肽鍵發(fā)生順?lè)串悩?gòu)，從而改變相關(guān)蛋白質(zhì)特性，包括穩(wěn)定性、亞細(xì)胞定位、磷酸化狀態(tài)、催化活性等［121］。擬南芥同源蛋白Pin1At 參與根的向重力性過(guò)程，Pin1At 過(guò)表達(dá)和pp2aa1 對(duì)增強(qiáng)根向重力缺陷表型具有協(xié)同作用，Pin1At 的下調(diào)抑制pp2aa1 和35S::PID的根向重力缺陷。Pin1At 催化PIN1 HL 中磷酸化Ser/Thr?Pro 基序的順式/反式構(gòu)象變化，并影響PID和PP2As 介導(dǎo)的根冠柱細(xì)胞PM 中PIN1 的極性定位和生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)，這與根向重力性的調(diào)節(jié)相關(guān)［122］。

6 PIN 蛋白的抑制劑

特異性抑制劑在生長(zhǎng)素運(yùn)輸和PIN 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素分子機(jī)制的探究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。抑草生（NPA）是經(jīng)典的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑。研究發(fā)現(xiàn)，NPA 直接結(jié)合并抑制PIN 蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，使膜對(duì)生長(zhǎng)素的滲透性降低，抑制生長(zhǎng)素外排并阻斷生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)介導(dǎo)的植物反應(yīng)。內(nèi)源性黃酮醇可以穩(wěn)定PIN 二聚體以調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素外排，其方式與NPA 相同。另一種經(jīng)典的抑制劑，2,3,5?三碘苯甲酸（TIBA），除了直接抑制PIN 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素運(yùn)輸外，也可通過(guò)干擾PIN 囊泡運(yùn)輸過(guò)程來(lái)破壞PIN 的膜定位。值得注意的是，有多種化合物被報(bào)道通過(guò)間接的途徑影響PIN 蛋白在內(nèi)膜系統(tǒng)的分布，例如褪黑素、ES4、BFA 和渥曼青霉素等。表1 對(duì)PIN 蛋白相關(guān)抑制劑進(jìn)行了總結(jié)。

表1 PINs 蛋白相關(guān)的抑制劑Table 1 Related inhibitors of PINs

7 總結(jié)與展望

近幾十年的研究表明，PIN 蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸在受重力等環(huán)境刺激的器官中產(chǎn)生或維持生長(zhǎng)素梯度方面發(fā)揮著不可或缺的作用。響應(yīng)重力刺激后，PIN 的極性定位決定生長(zhǎng)素流向的改變，從而形成一種將外部物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的生長(zhǎng)反應(yīng)的機(jī)制。

通過(guò)20 多年來(lái)的分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究，已建立一個(gè)以PIN 蛋白為核心的生長(zhǎng)素分布的模型。PIN 蛋白的調(diào)控發(fā)揮重要作用。PIN 在細(xì)胞內(nèi)會(huì)經(jīng)歷分泌、回收或降解等過(guò)程，其中GNOM 起到回收PIN 的作用，且PIN 的磷酸化等翻譯后修飾狀態(tài)可以改變PIN 在內(nèi)膜的分選并進(jìn)而改變極性定位。盡管在PIN 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸調(diào)控方面已有較多的研究，但仍有一些重要的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。例如，PIN 蛋白極化的關(guān)鍵決定因素、PIN 本身的細(xì)胞行為等。已知GNOM 或GNL1 負(fù)責(zé)PIN 的回收運(yùn)輸，但其他因素，如其他ARF 小G 蛋白和Rab 小G 蛋白在此過(guò)程中的作用仍待研究［132］。盡管組成型內(nèi)吞循環(huán)和GNOM 介導(dǎo)的極性循環(huán)的模型與多種生物過(guò)程中的PIN 極化變化一致，但該模型僅來(lái)源于BFA 處理實(shí)驗(yàn)，并且尚未在正常條件下觀察到這些過(guò)程。在磷酸化和去磷酸化方面，該模型缺乏直接證據(jù)來(lái)確定磷酸化狀態(tài)對(duì)于PIN 極性定位還是轉(zhuǎn)運(yùn)活性的影響起主導(dǎo)作用。最近一項(xiàng)研究表明，PID可能并不能被簡(jiǎn)單地認(rèn)為通過(guò)磷酸化PIN 蛋白而參與生長(zhǎng)素途徑和花的發(fā)育，而是通過(guò)更為復(fù)雜的方式參與到PIN 介導(dǎo)的生長(zhǎng)素運(yùn)輸中，相關(guān)的分子機(jī)制有待于更加深入的研究［133］。此外，還有許多其他相關(guān)因素沒(méi)有納入該模型，例如，泛素化修飾的PIN 是否被導(dǎo)向液泡進(jìn)行降解，脂質(zhì)如PI4P、PI（4,5）P2和PA 的分布是否可以影響PIN 的定位，生長(zhǎng)素通過(guò)胞間連絲的轉(zhuǎn)運(yùn)如何與PIN 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行協(xié)作等［134-137］。

植物通過(guò)PIN 極性轉(zhuǎn)換或通過(guò)改變PIN 運(yùn)輸途徑來(lái)調(diào)節(jié)PIN 蛋白豐度的信號(hào)通路和機(jī)制仍然不完全清楚。利用遺傳學(xué)、生物化學(xué)、先進(jìn)成像手段和其他尖端技術(shù)的多學(xué)科方法將有助于未來(lái)的研究，以便更好地理解植物向重力反應(yīng)中PIN 的極性調(diào)控。