植物体内生长素运输机制的研究进展.doc

植物体内生长素运输机制的研究进展

摘要：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,生长素极性运输与植物生长发育密切相关并受许多因素调控,生长素极性运输机理方面已取得较大进展, 但仍有一些亟待解决的问题。本文通过了解生长素在植物生长发育中的作用和探讨抑制剂、地球引力、矿质元素和光照条件对生长素极性运输的调控，进而阐述生长素极性运输机理方面的研究进展。对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。
关键词：生长素；极性运输；生长发育；调控机制

The research of auxin transport mechanism in plants
College of Horticulture Name: Yin Cheng Miao Student ID: S2009256
Abstract: only auxin is known with the feature of polar auxin transport in the Plant hormones, Polar auxin transport is related closely to plant growth and is regulated by many factors. The polar auxin transport mechanism has made significant progress, but there are still some problems in the way. In this paper, the function of IAA in plant growth was introduced system simply and discussed the inhibitors, the Earth's gravity, mineral elements and light on the regulation of polar auxin transport, the progress of polar auxin transport mechanism was further discussed. It is very important to study the physiological mechanism and regulation of polar auxin transport.
Keywords: Auxin; polar auxin transport; growth and development; regulation mechanism

高等植物的生长发育除受遗传基因控制外 ,还要求有一定的环境条件 ,如温、光、水等 , 同时还受到植物激素的调控,这些条件通过植物的生理生态活动对生长、发育及花期调控发挥作用。目前公认的植物激素有五大类,即生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯和脱落酸。生长素早在1880年就被发现,也是最早被发现的一种植物激素。在植物体内普遍存在的生长素是吲哚乙酸(IAA),天然生长素(如IAA)和合成生长素(如2, 4-D和NAA等)在植物体中都表现出极性运输。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,因此很自然地就把植物的极性发育、分化、生长等生理现象与生长素的极性运输联系在一起。
极性运输是目前已知的几大类植物激素中生长素所独有的特性,存在于所有高等植物的茎和根中。生长素极性运输具有两个显著的特点,一是广泛存在于高等植物体内；二是可被一些化学物质如1-萘氨甲酰苯甲酸(NPA)、2,3,5-三碘苯甲酸(TI-BA)等所抑制,导致发生一些异常现象,如极性被打破,花芽形成被抑制[1]。此外,生长素也与其他内源激素如赤霉素[2]、细胞分裂素[3]等一起参与植物的生长发育调控。正是由于这些特点的存在,生长素极性运输引起了人们极大的研究兴趣。早期对生长素极性运输的研究主要是通过外施极性运输抑制剂NPA和TIBA的方法来进行,并由此建立了化学渗透假说,认为在细胞水平上生长素运输是通过特定的输入载体(influx carrier)和输出载体(efflux car- rier)来完成的[4,5]。
目前有关生长素极性运输的生理、生化和分子遗传的研究进展大大加深了我们对生长素极性运输过程及其在调控发育和细胞、组织、器官应答内外刺激过程中所起作用的认识。对生长素极性运输突变体的研究,使我们能进一步分离并测定编码生长素载体蛋白系统,或者直接、间接调控这些系统蛋白质的基因序列[6],从而对生长素极性运输的调控作更深入的了解。近些年来,随着分子生物学技术的快速发展和对生长素极性运输有关的拟南芥突变体的筛选,克隆到一些相关的基因,对极性运输现象也从分子水平有了一些解释;同时发现一些新的蛋白质家族(如多重抗药性/磷酸糖蛋白)参与了生长素的运输[7-14]。本文主要介绍抑制剂、地球引力、矿质元素及光、温等条件对生长素极性运输的调控作用的最新研究进展,研究生长素的极性运输机制对深入认识植物生长发育的许多生理过程有重要意义。
1 生长素的极性运输
生长素是目前研究较为透彻的一种植物激素，它可通过极性运输实现其在植物体内的差异分布，而这种差异分布是控制植物生长发育的重要因素。燕麦胚芽鞘“供体-受体琼脂块法（donor-receiver agar block method）”的经典试验表明，它可像其他大分子物质一样在植物维管系统中运输，而这种运输除顺浓度梯度的被动运输外，同时也存在着逆浓度梯度的主动运输，其速率为5～20cm/h[15，22]。研究发现，生长素在植物主茎茎尖、幼嫩叶片中合成后，通过位于木质部的薄壁组织细胞沿主茎向茎基部运输；而在根部则存在2种不同的运输方式，一种是在中柱细胞中由根基向根尖的向顶式运输，另一种则是在表皮细胞中由根尖向根基的向基式运输[16，17]。生长素的这种极性运输为其浓度在植物体内的差异分布提供了条件，而这种激素的浓度梯度分布又为植物发育和分化提供了必需的基本保障[18，19]，并在植物的整个生命周期中影响着诸如两侧对称、维管分化和器官发育等发育过程，对发育中胚胎的极性启动和维持起重要作用；而在对拟南芥花分生组织的研究中发现，生长素极性运输导致的浓度差异分布影响花原基发生的起始位置[20]。在对生长素极性运输机理研究中，Rubery（1974）和Raven（1975）等提出“在生长素运输细胞的基部可能存在一种特殊的控制极性运输的输出载体”的假说，这种假说在随后的试验中相继得到证实[21]，如在培养过程中加入不同的生长素极性运输抑制剂能够得到一些特殊的表现缺陷型的植株；倪迪安等于1997年通过抑制生长素的极性运输而导致烟草的不定芽叶片发育形成喇叭状，此外，在拟南芥根的生毛细胞中根毛的发生位置发生改变[23，24]；Y.E.Choi等于2001年发现TIBA可破坏不同时期刺五加（Eleutherococcus senticosus）球形胚的两侧对称性，并抑制根尖和茎尖顶端分生组织以及维管束的分化，但对于体轴已经建成、形成了两侧对称子叶的胚施加抑制剂，并不影响以后正常植株的建成[25]。
2 生长素的极性运输对植物生长发育的影响
2.1 生长素极性运输和叶片发育
叶片是植物进行光合作用和呼吸作用的主要器官,对植物生命活动起着重要作用。形态学上,成熟叶片具有三个轴:近远轴,腹背轴和中心-两侧轴。体内的遗传机制和体外的环境因子正是沿着这些轴向来调控叶片发育和形态建成[26]。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[26]。在这些阶段中发生的任何突变都有可能产生叶片发育和叶片形态的缺陷。在研究离体芥菜胚和小麦胚的培养中,生长素极性运输抑制剂导致了芥菜胚筒状子叶和小麦胚柄与芽分生组织之间的伸长。Liu[26]等提出: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,从而有利于子叶原基的发端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 andMcCour[27]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等[28]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[29]。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。Fukuda研究发现,对植株局部施用外源生长素后,该部位及其周围区域维管组织都比对照发达。Klee等[29]研究指出,生长素过量表达的转基因植物中,其维管数量一般多于正常植株。Sieburth等研究认为,在植株某部位生长素运输减弱的情况下, 施用适当浓度的生长素卸出抑制剂可延续该部位维管组织的继续发育。此外,生长素卸出抑制剂还能影响植物叶片脉型,这在一定程度上支持了生长素可诱导植物维管组织分化这一论点,其原因可能在于生长素运输受抑制会使局部生长素浓度升高,从而使得该部位的叶脉异常发达,而其它部位则会因为没有生长素的输入,而导致叶脉退化或不明显[29]。Mattson等[29]研究表明,生长素运输情况的不同可使拟南芥叶原基产生出多种不同的脉型,该发现揭示了生长素对维管组织分化的重要作用。生长素还能诱导连续性维管束的形成。研究发现,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[27] 。
2.3 生长素的极性运输与光形态建成
光对植物发育的影响至少部分是通过激素的作用实现的,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。而Jensen等的试验则为生长素的极性运输参与光形态建成提供了直接的证据:通过研究NPA对生长于不同光强、光质条件下拟南芥的下胚轴伸长的影响,他们发现在光下生长的拟南芥下胚轴和根的伸长受NPA的抑制,而在黑暗中生长时则不受NPA抑制,且下胚轴伸长受抑制的程度与光强成正相关。上述结果表明生长素的极性运输为光照下生长的下胚轴的延伸所需,而对黑暗中生长的下胚轴的延伸并非必需。
2.4 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。刘春明等利用芥菜幼胚培养,首次揭示了生长素极性运输在球形期合子胚由轴向对称的生长方式转向心形期的两侧对称的生长方式过程中的重要作用。拟南芥的mp突变体的胚胎不能形成下胚轴和胚根,利用mp突变体幼苗的形成侧根的能力, Prze- meck等分析了该突变体在整个生命周期中的突变表型,结果发现该突变体的花序不能正常发育,花序轴生长素的极性运输只有野生型的31%,且所有被检测组织中的维管发育均异常。最近mp基因已被克隆。原位杂交的结果表明该基因在球形胚中均匀表达,以后逐渐集中在胚轴(维管)形成的部位表达。序列分析表明该基因可能编码生长素调控的转录因子,暗示了生长素的极性运输与胚胎的极性发育具有相辅相成的作用。此外,最近从拟南芥中分离了一个新的对生长素不敏感的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,进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[30]。以上结果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。
2.5 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alf1_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[31]。以及侧根发源于中柱鞘的事实,使人们自然而然地将侧根的发育与生长素在中柱细胞中的向顶式运输联系在一起。后来Reed等的试验进一步证实了这一想法:采用定点施加生长素极性运输抑制剂的方法发现,当NPA加在茎和根的交界处时,侧根的形成减少,同时根中生长素的含量及生长素的运输均下降;当NPA加在根的不同部位时,只有接触部位到根尖的区域侧根的形成减少,且NPA的抑制作用可被加在该区域中的IAA所解除;去除茎尖可抑制侧根的发育,而去除根尖则不影响侧根发育。以上结果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 生长素极性运输的调控
3.1 生长素极性运输的化学渗透偶联学说
生长素极性运输的化学渗透偶联学说是在19世纪70年代中期由Rubery等和Raven分别独立提出的。Rubery和Sheldrake等发现了生长素极性运输需要载体介导;Raven则提出细胞内外的pH值和电势差对生长素极性运输具有决定作用。生长素极性运输的化学渗透偶联学说由此形成。其基本观点是:质膜上的质子泵把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pH值较低(pH值5);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人胞质溶胶,同时阴离子型((IAA-)通过透性酶(输入载体)主动地与H+协同转运进人胞质溶胶;胞质溶胶的pH值高(pH值7),所以胞质溶胶中大部分IAA呈阴离子型(IAA-), 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-被动地流到细胞壁,继而进人下一个细胞,这就形成极性运输;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。
3.2 生长素输入和输出载体
从拟南芥中克隆的AUX1基因为生长素极性运输的化学渗透偶联学说提供了第一个分子证据。拟南芥aux1突变体根的生长对生长素的敏感性下降,并丧失根的向地性反应。拟南芥AUX1是目前报道的唯一的生长素输入载体。AUX1蛋白分布于拟南芥根原生韧皮部细胞质膜的上表面,促进IAA在根部向根尖的运输,AUX1突变后根尖生长素的积累明显下降[32]。AUX1在外周根冠细胞和根表皮细胞中表达,促进生长素由柱细胞向LRC和表皮细胞的向基性运输aux1突变体重力反应丧失,外源施加可渗透通过细胞质膜的生长素NAA可以恢复突变体表型,而外施需要输入载体进入细胞的IAA或2, 4-D则不能恢复表型, 再次证明了AUX1蛋白作为生长素输入载体的功能。植物所特有的PIN-FORMED (PIN)蛋白是主要的生长素输出载体,极性定位于细胞质膜上[30]。pin突变体通常表现出相应组织生长素极性运输缺陷的表型,如花序轴形态异常、根部重力反应丧失、下胚轴向光性变化和胚胎发育异常等[33]。在拟南芥和烟草培养细胞中诱导表达PIN蛋白,能够促进生长素向细胞外运输,而且表现出对生长素运输抑制剂NPA的敏感性[34]。如果改变PIN1在细胞膜上极性定位,受生长素流动调控的根的重力反应将随之改变,从而证明PIN蛋白在细胞质膜上的极性定位是调节拟南芥分生组织中生长素极性运输的决定性因素[35]。
3.3 抑制剂对生长素极性运输的调控
3.3.1 对输出蛋白的调控　
目前常用来调控生长素极性输出的化学物质主要有:促植物激素(phy- totropin)、类黄酮(flavonoids)、亚胺环己酮(cyclo-heximide)、聚已酰氨基葡萄糖脂寡糖(lipochitin oligosaccharides, LCOS)、反式肉桂酸(trans-cin- namic acid, CA)和9-羟基-芴-9-羧酸(9-hydroxyflu- orence-9-carboxylic acid, HFCA)等。促植物激素包括三碘苯甲酸(TIBA)、奈基邻氨甲酰苯甲酸(NPA)和PBA(pyrenoylbenzonic acid) 等,对输出蛋白起负调控作用。TIBA抑制侧根形成,抑制刺五加(Eleutherococcus senticosus)体细胞胚的形成却不影响细胞的分裂。当将不同时期球形胚转移到含TIBA的培养基上时,特定时期的球形胚中轴和两侧极性发育受到抑制,并且茎和根顶端分生组织的进一步发育和微管分化也受到抑制[36]。TIBA还通过抑制真菌向根运输IAA,从而抑制产物或者可增强应答真菌多糖纤丝产物的寄主诱导物的流出,阻止真菌Laccaria bicolors238N在欧洲云杉(Picea abies)主根尖形成菌落(coloniza- tion)和哈氏网(hartig net)[37,38]。但也存在相反的证据[39],如认为TIBA可大大提高菌根的侵染力,在豌豆抗菌根突变体中甚至提高2-10倍,暗示抗菌根突变表型可通过改变根中植物激素平衡而部分逆转。
NPA和PBA强烈抑制根尖细胞的向重力性弯曲[40]。当施在根上时, NPA阻断向重力性反应、波状根形成和根延长,且在施用NPA后根向重力性反应立即受到完全抑制。Rashotte等[41]进一步研究发现,定位施用的NPA通过抑制IAA向基运输而抑制根向重力性反应,而当在根茎接合处施用NPA抑制IAA向顶运输时,只有高浓度NPA部分减弱向重力性反应,说明IAA向基运输控制拟南芥(Arabidopsis thaliana)的向重力性。NPA对垂直根微管组织没有效应,但导致水平根中微管重新定向[42]。NPA阻断最初横向细胞分裂而抑制侧根发生。通过阻断IAA自根尖的向基性运输引起IAA在根尖积累,而降低根基部组织的IAA水平。Casimiro等[43]研究茎分生组织缺陷型突变体侧根发生性状的结果表明,根向基性和叶向顶性生长素极性运输活性分别是侧根发生的起始和突出阶段所必需的。
NPA也改变两侧对称胚即后期转换时期胚或老龄胚中的IAA分布,而对球形胚或早期转换期胚却无显著效应。说明由边缘对称胚向两侧对称胚的转换,是由导致生长素重新分布的活跃而直接的生长素运输引发,NPA抑制生长素运输导致产生异形胚[44]。子叶偏上性生长和顶端优势的减弱是与生长素向基运输流遭破坏相连的。Noh等[45]发现抑制剂NPA与AtMDR1和AtPGP1蛋白紧密而特异性结合,这表明拟南芥的两种类广谱性抗药基因编码的NPA结合蛋白,是生长素极性运输和生长素调控的生长发育所必需的。
类黄酮是一类植物次生代谢产生的植物酚类化合物,作为一种内源调节剂对生长素极性运输起负调控作用[46]。Murphy等[47]研究类黄酮缺陷型突变体tt4时发现,类黄酮可调控生长素在体内的积累。亚胺环己酮则对生长素极性运输起正调控作用,用亚胺环己酮预处理组织可促进黄化豌豆(Pisum stivum)苗离体茎段中IAA运输,这种促进效应在预处理组织30 min后就能观察到,并能维持至4 h。亚胺环己酮可消除由不饱和TIBA和NPA对生长素运输的部分抑制作用[48]。此外,据报道[49],LCOS可削弱救荒野豌豆(Vicia sativasubsp.nigra)根生长素极性运输能力,并且这种降低效应局限于根结瘤敏感部位顶端,而根的较上部位不受LCOS处理影响。LCOS的降低效应不为硝酸盐抑制,因为其对生长素极性运输的抑制先于引起根原基形成的初生根皮层细胞分裂之前,说明LCOS、生长素和根瘤起始阶段(root nodule initiation)之间存在直接关系。而HF-CA则可诱导松树产生极低活性IAA极性运输突变表型[50]。
3.3.2 对输入蛋白的调控　
与生长素输出载体相比,对载体介导生长素输入所起作用的研究,因缺乏特定而有竞争力的抑制剂而受阻。然而,最近Parry等[51,52]报道,有几种分子抑制培养细胞的生长素输入,2种新的输入载体抑制剂萘氧乙酸(1- naphthoxyacetic acids, 1-NOA)和3-氯-4-羟基苯乙酸(3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid, CHPAA)都破坏根的向重力性,而根的向重力性是一种需要生长素快速重新分布的生理过程。aux1突变体根生长对生长素的不敏感性和非向重力性特性,可用1-NOA和CHPAA进行表型模拟,抑制剂处理苗的向重力性表型可用生长素1-NAA而不是2,4-D恢复,这与2种生长素类物质恢复axu1向重力性表型类似。Parry等[51,52]进一步的研究发现,1-NOA和CHPAA都不阻断生长素极性运输,CHPAA在高浓度下表现出一些类似生长素的活性。另外, Imhoff等[53]报道,一些芳基和芳基氧烷基羧酸(aryl and aryloxyalkylcarboxylic acids)也对生长素的输入有调控作用,它们在很低浓度时就抑制2,4-D50%的输入活性,而2,4-D正是由输入载体优先运输的。Abidur等[54]最近发现,一种从豌豆中分离的色皂苷CSⅠ(chromosaponinⅠ)可通过刺激或抑制拟南芥根细胞对内源生长素的吸收,调控向地性反应,并且CSⅠ特异性地与AUX1相互作用。
3.4 地球引力对极性运输的调控
Cholodny-Went向地性假说认为,向地性反应是由生长素不对称分布引起的。然而对于发生根向地性反应时的生长素极性运输机制仍不清楚。当植物竖直生长,生长素由地上部顶端合成部位向基部运输,生长素在植物器官两侧均匀分布,一旦受到重力刺激,生长素由顶端侧向分布,形成侧向的生长素浓度梯度,这种梯度被运输到伸长区,导致根和茎两侧的差异生长,形成弯曲[55]。Ottenschlager[56]等用DR 5-GFP来检测生长素浓度,发现在正常情况下,GFP信号出现在静止中心、原始柱细胞和柱细胞,而一旦受到重力刺激,信号逐渐出现在根尖下部远端的侧向根冠、中央侧向根冠、近端的侧向根冠。生长素这一从柱细胞到侧向根冠细胞的侧向运输差异被认为是经典Cholodny-Went膜型最有力的证据。一般认为,植物根系向地性包括重力感受、信号转导、生长素非对称分布及弯曲生长反应等几个步骤。生长素的极性运输和植物的生长发育受地球引力控制[57]:在空间微重力条件下,发芽、生长的黄化豌豆上胚轴第3节节间和黄化玉米胚芽鞘顶端区的细胞壁伸展力显著低于在地球上生长的同种植物;黄化豌豆幼苗第2节节间部分和黄化玉米幼苗胚芽鞘部分的生长素极性运输活性,在空间微重力条件下,分别受到显著抑制和显著促进[58]。
3.5 光对极性运输的调控
植物的向旋旋光性是由于光引起生长素不对称分布造成的。如单侧光能引起燕麦胚芽鞘内的生长素向背光面运输,结果生长素浓度在背光侧大于向光侧,促进背光侧的生长,胚芽鞘就向光弯曲。研究发现当剥除根冠后,水稻根就失去负向旋旋光性,说明了光照后生长素的极性运输可能需要根冠来接受光信号并通过根冠这一途径来进行极性运输。水稻根尖受到光照后导致根尖的IAA重新分布,致使背光侧的IAA含量大于向光侧,这就是水稻根负向旋旋光性形成的原因[59]。外源激素可模拟光的作用调控植物的生长,揭示了激素可能作为光信号传递链中的第二信使发挥作用。例如光对植物茎的延伸调控需要生长素作为中介。IAA也被认为是光敏素被激活后的一个传播因子,参与信号传导。生长素通过调控细胞分裂与细胞伸长的速率,调节透过膜的离子流,以及调节多种基因的表达。余让才等用蓝光照射水稻幼苗,发现蓝光能增强IAA氧化酶活性使植物体内的自由态IAA减少, 从而抑制了水稻幼苗的生长。Bruinsma等认为地上部分向旋旋光性形成的原因是光刺激产生的一种生长抑制物,如萝卜宁、萝卜酰胺和6-甲氧基-2-苯丙唑啉酮(简称MBOA)等,光照后由于向光侧的生长抑制物的含量比背光侧的多,这样就抑制了茎的向光侧细胞伸长。陈汝民采用了外施生长抑制物萝卜宁、萝卜酰胺和MBOA等的试验,均能发现这些植株向含有抑制物的方向弯曲生长。植物的向旋旋光性反应是植物受单侧光源照射时所引起的定向生长运动,通常认为它是一种蓝光诱导反应。向旋旋光性产生的机制可能是细胞膜上的光受体接受光信号后,进一步激发下游的信号转导,通过调控生长素载体产生极性运输,使向光侧和背光侧的IAA含量发生差异,根的负向旋旋光性得以形成。至于质膜上的光受体在接受光信号后如何激发生长素的极性运输,以及根尖两侧的IAA含量发生差异后怎样进行调控细胞不均等生长的分子机制还有待深入的研究[58]。
3.6 矿质元素对极性运输的调控
矿质元素钙、硼和锌等也可以影响生长素的极性运输。缺锌时生物膜的完整性即受到破坏,质膜透性增加,从而影响IAA的向基运输。生长素的运转受钙和硼的影响很大。研究较多的是钙离子同IAA极性运输的关系。一方面,钙在体内的水平可以影响IAA对植物生长的调节作用。在缺钙的条件下, IAA的极性运输被抑制,植物的伸长也受影响。另一方面IAA也可以刺激钙的吸收和运输,使用IAA运输抑制剂不仅可以抑制IAA的极性运输,同时也抑制了钙的向上移动。如果将植物组织用钙的螯合剂EDTA处理,则生长素的极性运输也受到抑制。上述结果表明, IAA的极性向下运输和钙离子的向上运输可能以某种方式互相影响。同缺钙一样,在缺硼条件下, IAA的极性运输也受到了抑制。Goldbach和Amberger认为,这可能是由于在缺硼条件下, IAA滞留在合成部位不能运出,或者是在合成部位及运输载体部位的IAA代谢加强的结果。Tang在研究了钙和硼对IAA运输的影响后指出: IAA的极性运输在同时缺硼和缺钙的条件下,比仅缺硼或缺钙时减少更多。在缺硼条件下,水溶性总钙含量及离子状态的钙含量与不缺硼的植物相比没有区别。表明硼的作用是直接的,不是通过对钙的影响来实现的。进一步研究证明,在缺钙或者缺硼条件下,向日葵下胚轴切段表现出大量的钾离子外泄。恢复供应钙或者硼之后,钾离子外泄的现象逐渐消失。由于钙或者硼对细胞质膜整合性的影响直接影响到了IAA进入细胞或从细胞中泌出,因而推测,细胞膜的整合性可能是这两种元素影响IAA极性运输的第一个作用位点。钙的第二个作用位点是直接参与IAA从细胞内向细胞外的运输。钙的第一位点与第二位点的区别在于前者可被其它二价阳离子所代替,而后者对钙具有高度专一性。而对硼来说,第二个作用位点还需进一步的探索[60]。
4 展望
生长素极性运输与植物的许多生长发育过程密切相关。如向光性、向地性、顶端优势、根形成、花发育、胚胎的形态建成和微管组织的模式形成等。近年来,对生长素极性运输及其调控的研究虽然取得了长足进展,但对其调控机制的认识仍然不全面。已经知道输出蛋白和输入蛋白分别控制不同的生长素极性运输途径,但对这2种蛋白的胞内定位、活性和编码基因表达的精细调控细节均有待进一步明确,特别是对输入载体控制的生长素极性运输途径的研究还很不充分。另外,输入载体活性的维持是不需要蛋白质快速流通或蛋白质磷酸化活化的,那么维持输入蛋白生物活性的方式又是什么?分别由输出蛋白和输入蛋白控制的不同生长素极性运输途径之间是否相互作用和影响? 有关向顶性运输和向基性运输的调控途径也有许多不清楚的地方。还有,考虑到生长素是植物体内的一种化学信号分子,植物在长期进化过程中发展和形成了一套完善的信号转导系统,植物体内和细胞内的复杂而又多样的信号系统之间彼此相互作用,形成一整套信号转导网络,以适应环境的变化。到目前为止,人们尚不清楚的是,从外界刺激或效应物(如抑制剂、地球引力、矿质元素及光、温条件等)到体内受体、信号分子和信号级联系统,甚至到调控生长素极性运输的整个应答系统的全部细节, 人们所描绘的调控生长素极性运输的信号转导网络还远不完整,有关这方面的一些研究结果尚处于彼此隔裂和无联系状态,调控生长素极性运输的信号转导与其它信号转导之间的信息“对话”(crosstalk)也有待进一步研究。
随着生长素功能研究的深入,我们可以克隆生长素输出载体基因及其同源基因,运用遗传转化技术使生长素输出载体能在植物的整体或不同组织器官中表达等,对人们深入了解生长素极性运输与植物生长和发育的关系将有推动作用。在生长素诱导的启动子驱动下,报道基因(如GUS等)能在模式植物拟南芥中表达,这对研究植物各个发育阶段,特别是胚胎发育过程中生长素的相对分布与植物的生长和发育之间的关系也将会得到有益的启示。此外,生长素极性运输和生长素生物合成中各个步骤的突变体也可为生长素领域的进一步研究提供线索。采用新的生长素极性运输突变体、构建组织特异性表达的载体转化植株,以及利用基因工程方法调控生长素的极性运输,都将推动极性运输调控机制以至整个生长素领域的研究。
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