“追光”植物背后的故事（二）

作者：张馨予

3、生长素运输与生长素差异分布

在单个细胞水平上，生长素的差异积累是通过核生长素信号通路感知和发挥作用的，该通路调节基因的表达甚至改写细胞命运(Keithanne Mockaitis and Mark Estelle, 2008)。生长素的差异分布对许多发育过程至关重要，因此，调控生长素分布或细胞生长素信号会强烈干扰相关的发育过程(Friml et al., 2003；Didier Reinhardt, 2005；Heisler et al., 2005；Sabatini et al., 1999；Friml et al., 2004)。那么一个重要的问题来了，生长素分布的差异是如何产生和维持的？生长素极性运输和局部生物合成都将导致生长素分布的差异。值得注意的是，不同的内部和外部信号已被证明可以调节生长素的生物合成（在关键酶的转录水平）和极性运输（在转录水平、细胞表面丰度和运输组分的极性定位）(Steffen Vanneste and Jirí Friml, 2009)。因此，运输依赖的生长素差异分布代表了生长素信号通路中额外水平的调控和信号整合。

3.1、化学渗透假说的模型

解释生长素极性运输机制的尝试最初依赖于生化和生理研究，这些研究使得在20世纪70年代形成了化学渗透模型(Rubery P H and Sheldrake A R, 1974；Raven J A, 1975)。生长素IAA是一种弱酸，它主要依赖于转运体的跨细胞途径进行转运，该途径主要是利用了质膜H+-ATP酶产生的细胞外空间和细胞质之间的pH差异。质外体的pH值为5.5，其中IAA部分质子化，可以通过质膜被动扩散进入细胞。这种被动内流是由生长素吸收载体辅助进行的。此外，在更基本的细胞质环境中，IAA以带电的、不透细胞膜的形式存在，并被困在细胞内，因此它运输出细胞需要生长素外排载体（图1）。利用放射性标记的生长素衍生物进行运输实验，结果表明生长素的运输是定向的（极性的），主要的运输路线为从茎尖流向根。为了从机制上解释这种方向性，化学动力学模型假设外排载体的不对称（极性）质膜定位将决定生长素在细胞间的流动方向(Rubery P H and Sheldrake A R, 1974；Raven J A, 1975)。这一理论认为生长素载体在单细胞水平上的极性和极性靶向决定了细胞间信号的定向传输，从而介导了整个组织的发育。因此，外排载体的极性亚细胞定位对生长素的流动方向至关重要！

3.2、生长素运输蛋白质

化学渗透假说最初假设生长素内流和外排载体的存在，是在缺乏其分子特性信息的情况下确定的。后来，得益于拟南芥作为植物分子遗传学模式生物的成功建立，生长素转运体的身份才逐渐被揭示。这些包括（i）AUX1/ LAX内流蛋白，它介导生长素进入细胞；（ii）ABCB/PGP蛋白，介导ATP依赖的生长素通过质膜转运；（iii）PIN外排蛋白，通过极性亚细胞定位决定生长素运输的方向。

“追光”植物背后的故事（二）

图1 基于韧皮部的运输和生长素极性运输的化学渗透模型(Hélène S Robert and Jiří Friml, 2009)。（a）生长素通过韧皮部从源组织、嫩叶和花芽到根和茎尖的分布。（b）化学渗透模型，基于质外体（pH 5.5）和细胞质（pH 7.0）的pH差异。质子化生长素未解离吲哚-3-乙酸（IAAH）可通过脂质膜扩散或由AUX1/LAX内流载体运输进入细胞。在细胞质中，它游离并以去质子化的形式被困于细胞内（IAA-）。IAA-可通过PGP-或PIN-型外排载体的作用排出细胞。载体的极性细胞定位决定了生长素在细胞间流动的方向。（c）质子化IAAH的结构。

介绍到这里，关于生长素的内容小远就不再细讲了，大家可能会问不是讲“追光”植物吗？怎么不解释植物为什么向光生长，背后的机制是什么？其实介绍了这么多大家自己应该也能理解个七七八八了，前面已经介绍过植物向光生长主要是因为生长素的不对称分布导致的，而生长素为什么会不对称分布，这主要涉及到植物内部的运输系统，长距离运输与短距离运输，在短距离运输中要是与方向有关就存在转运蛋白的极性亚细胞定位，这才是小远想为大家介绍的，对于定向运输，极性定位是第一步，第二步就涉及到转运蛋白的内流与外排功能，两步同时满足，植物才能将某个物质按照一定的方向进行运输，这样看来植物是真的非常聪明啊！那么下面就和小远一起去看看这两方面的内容吧！

4、极性亚细胞定位

在“A polarly localized transporter for efficient manganese uptake in rice”一文中，作者研究了水稻的锰转运蛋白MTP9的功能，在验证它是转运蛋白以及具有转运活性这一点上做了一些实验。

为了观察MTP9的组织和细胞定位，作者使用MTP9抗体进行免疫染色。结果表明，MTP9同时定位于野生型水稻主根和侧根的外皮层和内皮层（图2a、b、e、f）。在敲除突变体中，除自身荧光外，未检测到任何信号（图2c、d、g、h）。此外，MTP9在主根和侧根的两个细胞层的近端均表现出极性定位（图2b，f）。