生命之泉！顶端弯钩中生长素的极性运输

在 “”一文中，我们回顾了生长素在顶端弯钩形成过程中是如何发挥重要作用的，并总结出了一个生长素不对称分布介导顶端弯钩形成的模型。至此，我们对顶端弯钩的形成过程应该有了一个总体的认识和了解。但这个模型也引申出了另外一个非常重要的问题：生长素在顶端弯钩中的不对称分布到底是如何形成的？这就牵扯到一个非常有意思的话题：生长素的极性运输（PAT，polar auxin transport）。

说到生长素的极性运输，但凡学过高中生物的人应该都能脱口而出：极性运输（又称纵向运输）就是生长素只能从植物的形态学上端往形态学下端运输，而不能倒过来运输。其实，这只是极性运输的一个相对狭义的定义。在植物生物学中，生长素的极性运输有着更加广义的概念：极性运输是生长素分子在植物组织中定向的主动运输过程，生长素在细胞膜上转运载体的帮助下，在相邻细胞之间流动。生长素的极性运输具有两个非常重要的特征：不对称性和方向性（极性）【1】。

在介绍生长素的极性运输前，我们先说一下生长素的运输。细胞中合成的生长素主要是IAA，在细胞质的中性环境下，IAA可解离为IAA-。IAA-不能自由扩散通过细胞膜，必须在生长素输出载体（auxin efflux carrier）的帮助下才能运输到细胞外。胞外细胞壁呈弱酸性，部分IAA-可被质子化为IAAH，IAAH可自由扩散进入细胞，而未被质子化的IAA-需要借助生长素内运载体（auxin influx carrier）才能进入细胞。生长素的这种进出细胞的特点，就构成了极性运输的基础【2】。

生长素的运输【2】

生长素输出载体主要由PIN（PIN-FORMED）家族组成，包括8个成员（PIN1-8）。而生长素内运载体则主要包括AUX1（AUXIN RESISTANT 1）和LAX（LIKE AUX）家族。这两种生长素转运载体都定位在细胞膜上【3】。那么，在顶端弯钩的形成过程中，这两种生长素转运载体是否也发挥了重要作用呢？为了回答这一问题，科研工作者们进行了一系列探索。

首先，科研人员发现，在顶端弯钩的形成和保持阶段，生长素信号marker DR5::GUS在弯钩凹面显著着色，说明生长素信号在弯钩两侧分布不对称，并且乙烯处理会加剧这种不对称分布。而当用生长素输出载体抑制剂NPA处理后，顶端弯钩的形成被抑制，DR5::GUS的不对称表达也消失，乙烯处理也无法促进弯钩的加剧。其次，对pin3，pin4，pin7功能缺失突变体的顶端弯钩测量后发现，这些突变体弯钩的形成都受到了不同程度的抑制。其中，pin3突变体的表型最明显，而双突pin3pin4和pin4pin7的顶端弯钩受抑制的程度进一步增大。最后，使用PINs基因的启动子驱动GUS检测基因的表达模式发现，不同PINs基因在弯钩中都有不同程度的表达，只不过表达部位稍有不同：PIN1主要在中柱（central cylinder）表达，PIN3和PIN4主要在下胚轴的表皮（epidermis）和皮层（cortex）细胞表达，PIN7在顶端弯钩形成区域下方的下胚轴表达。以上结果说明，PIN3，PIN4和PIN7共同调节顶端弯钩的形成，其功能具有一定的冗余性；并且，PIN3可能是顶端弯钩形成和保持阶段的主要调节因子【4】。

生长素输出载体调节顶端弯钩的形成【4】

有研究表明，生长素输出载体在细胞膜上的分布决定了生长素极性运输的方向【5】。因此，科研人员开展了不同PIN蛋白在弯钩组织和细胞膜上的分布情况研究。在纵轴方向上，与PIN3::GUS的结果一致，PIN3::PIN3-GFP主要分布在表皮和皮层细胞；而在横切面，PIN3::PIN3-GFP在内皮层也有分布。和PIN3::GUS在顶端弯钩两侧均匀分布不同，PIN3-GPF信号在弯钩凸面分布更强，说明PIN3蛋白在弯钩两侧的分布不对称。另外，顶端弯钩不同类型的细胞中，PIN3-GPF信号在细胞膜上的分布也不对称：在内皮层细胞，PIN3-GPF信号在横切面外侧细胞膜信号强；在皮层，PIN3-GPF主要定位在指向外侧的膜上，以及基部（朝向根）一侧的侧膜上；在靠近子叶的表皮细胞中，PIN3-GPF主要定位在指向顶部一侧的侧膜上；而在靠近根的表皮细胞中，PIN3-GPF主要定位在指向基部一侧的侧膜上。以上结果说明：PIN3在弯钩外侧分布多，内侧分布少；在弯钩外侧，PIN3可介导生长素由中柱向外表皮运输；在表皮细胞中，PIN3既参与了生长素向根运输，也既参与了生长素向子叶运输。有意思的是，当用NPA处理后，PIN3的非对称分布可被完全抑制【4】。

PIN3的分布【4】

与PIN3相似，PIN4-GFP在顶端弯钩也是非对称分布，在弯钩凸面比凹面分布多。在同一细胞中，PIN4-GFP在基部一侧的细胞膜和表皮一侧的细胞膜分布较多。另外，PIN4-GFP信号在皮层比表皮分布强，说明PIN4主要在皮层组织中向外侧和基部运输生长素。PIN7-GFP在弯钩两侧不存在非对称分布，并且在表皮细胞中分布较多【4】。不过，2016年的一篇The Plant Cell文章发现，PIN3在顶端弯钩两侧表皮细胞中的分布没有差别，而PIN4和PIN7在弯钩凸面的表皮细胞中表达较高，说明PIN4和PIN7可能参与了生长素在顶端弯钩表皮细胞中的不对称分布。另外，在横切面表皮细胞中，PIN3-GFP和PIN7-GFP在细胞膜的环周两侧膜信号较强，并且乙烯处理会加剧这种不对称分布，暗示生长素可能沿着表皮细胞由弯钩外侧运输到内侧。

PIN4和PIN7的分布

与研究生长素输出载体的思路相似，科研人员也开展了生长素内运载体的研究。使用生长素内运载体抑制剂1-NOA处理，可以部分抑制顶端弯钩的形成；同时，aux1lax3双突顶端弯钩无法正常形成。以上结果说明，生长素内运载体也影响顶端弯钩的形成【6】。

生长素内运载体影响顶端弯钩的形成【67】

另外，研究人员也对AUX1和LAX3的表达部位进行了观察。他们发现，LAX3主要在维管细胞中表达，并且是对称分布。不过，AUX1在顶端弯钩两侧的分布不对称，在弯钩凹面表达量高，这恰好和生长素信号最大的区域重合，说明AUX1和LAX3在功能上可能具有差异性。不过，结合AUX1的功能，以上结果至少说明，生长素内运载体AUX1参与了顶端弯钩形成过程中生长素在弯钩内侧细胞的积累【6】。

综合以上生长素输出载体和内运载体的研究结果，我们可以推测出一个顶端弯钩中生长素浓度梯度建立的模型：由于PIN3，PIN4和PIN7的极性分布，使生长素由中柱向弯钩外侧的表皮细胞运输；随后，PINs通过表皮细胞把生长素运至弯钩内侧；最后，弯钩内侧的AUX1将生长素运入细胞【7】。

顶端弯钩中生长素流动的“喷泉模型”【7】

在这个生长素运输模型中，生长素的流动形状就像一个美丽的喷泉，使生长素在弯钩内侧得以累积，使生命之花得以绽放！

参考文献：

【1】Goldsmith, M (1977). "The Polar Transport of Auxin". Annual Review of Plant Physiology. 28: 439–478.

【2】Leyser, O. (1999). Plant hormones: ins and outs of auxin transport. Current biology, 9(1), R8-R10.

【3】Béziat, C., & Kleine-Vehn, J. (2018). The road to auxin-dependent growth repression and promotion in apical hooks. Current Biology, 28(8), R519-R525.

【4】ádníková, P., Petráek, J., Marhav, P., Raz, V., Vandenbussche, F., Ding, Z., ... & Van Der Straeten, D. (2010). Role of PIN-mediated auxin efflux in apical hook development of Arabidopsis thaliana. Development, 137(4), 607-617.

【5】Wisniewska, J., Xu, J., Seifertová, D., Brewer, P. B., Ruzˇicˇka, K., Blilou, I.,Rouquié, D., Benková, E., Scheres, B. and Friml, J. (2006). Polar PIN localization directs auxin flow in plants. Science 312, 883.

【6】Vandenbussche, F., Petráek, J., ádníková, P., Hoyerová, K., Peek, B., Raz, V., ... & Van Der Straeten, D. (2010). The auxin influx carriers AUX1 and LAX3 are involved in auxin-ethylene interactions during apical hook development in Arabidopsis thaliana seedlings. Development, 137(4), 597-606.

【7】Béziat, C., & Kleine-Vehn, J. (2018). The road to auxin-dependent growth repression and promotion in apical hooks. Current Biology, 28(8), R519-R525.