与PIN码相关的生长素的渠化竞争力流向腋芽来控制豌豆芽生长.docx

与PIN相关的生长素的渠化竞争力流向腋芽来控制豌豆芽生长摘要：芽分支是植物结构的主要决定因素之一生长素在茎里的极性运输是必要 的，它是通过一个主要的顶点来控制芽生长的这里可以表明，在豌豆（豌豆属） 下面的打顶中，腋芽通过PIN生长素转运的亚细胞极化而建立定向的生长素输 出在打顶茎处的顶端生长素的应用可以防止此PIN的极化和渠化侧向施加的生 长素这些结果支持了在茎中，顶端和侧向生长素的来源于竞争生长素运输的主 要通道，通过这样来控制腋芽生长的一种模式关键词：顶端优势，生长素运输，芽生长，渠化，豌豆，PIN1免疫定位 引言顶端优势通常描述当顶芽的的出现而且占主导地位的活动时，侧枝的形成被 抑制的的现象一旦顶点被除去，侧芽会从其休眠解除并且增长超过甚至取代芽 的优势顶端植物的信号分子生长素起着维持顶端优势的关键作用，但其确切作 用模式尚未被阐明（Ongaro和Leyser，2008）顶芽和嫩叶众所周知是生长素 的来源，它是通过茎的脉管由顶向底的输送到根定向的细胞至细胞生长素的传 输是通过吸收驱动的，这是由细胞生长素流入载流子（AUX1/LAX蛋白）和流出 通过生长素运出载体（PIN码和PGP蛋白介导的家庭）（Vieten等人，2007）而 推动的。

生长素流的方向性很大程度上取决于PIN生长素流出载体的亚细胞定位 的极性（Wisniewska等人，2006）通过去除顶芽干扰生长素极性流，结果导 致了一个或多个腋芽的生长，它可以阻止生长素应用于根尖茎顶端，这个结果十 年以前已经被证实（Thimann和Skoog，1934年）在早期的研究中，确定打顶 处植物的顶端和生长中的侧芽产生了一个未知的生长物质，而相比之下，抑制了 横向芽的几乎没有产生增长的物质（Thimann和Skoog， 1933）生长素运输自 身抑制假设（Li和Banger th，1999）提出了，器官保持休眠状态，因为它们不 能输出自身的生长素进入茎生长素极性流此外，芽生长素的输出也是形成脉管 连接到茎杆脉管系统的先决条件，这对于抑制芽是不完全的生长（Sorokin and Thimann, 1964）一个可能由新的生长素途径输送的机制可以被建立，它涉及渠化假说植物 细胞能够运输生长素，但只有那些通过吲哚-3-乙酸（IAA）会渠化成为专业化来 更加有效地移动激素，从而导致细胞文件形成生长素通道（Sachs, 1981）此外， 分化不同的脉管会导致两个相邻的生长素源的出现，其中一个源可以抑制形成其 他的通道（Sachs, 1968）。

生长素流再极化细胞按照这个流动方向，新脉管束再 沿着这些细胞在细胞水平上，渠化意味着生长素运输能力的反馈调节以及按生 长素本身的方向性，这可能会从机理上实现由生长素诱导PIN极性的变化（Sauer 等人，2006）和质膜上PIN载体的生长素相关的稳定性（Paciorek等人，2005） 在一个双芽豌豆模型中，IM］吲哚乙酸从下级芽顶点的输送相比占主导地位茎尖 的输送受到严格限制除去占优势的茎尖能迅速恢复的下级芽应用IM］吲哚乙酸 输送到根尖的能力，并且在同时导致了形成层的快速生长和在先前抑制芽上的次 级脉管分化（Morris, 1977）在这项工作中，我们提出的证据表明，生长素的极性输送（PAT）是通过芽 中PIN1生长素载体的快速极化来活化豌豆（Pisum sativum L.）中腋芽并且在 后续诱导它们的茎表达，形成了到主茎流的输送连接底层机理代表着初级和次 级生长素源之间竞争渠化的一种特殊情况，通过建模能应用到茎杆顶端和侧向的 外源生长素的时间序列结果与讨论首先我们测试了休眠和激活腋芽输出生长素的能力我们米用了完整的腋芽 顶点和豌豆植物的打顶茎切段里的［M］吲哚乙酸，并测定生长素在芽下方主茎 的输送水平。

休眠芽未能输出生长素，但是有一股［M］吲哚乙酸被从芽断头细分 输出，大约是在打顶处施用吲哚乙酸之后的4小时有一个最大值（图1）与以 前的观察相比，只有生长中的芽能产生一种生长物质（Thimann和Skoog, 1933）, 我们的研究结果表明，生长物质是通过激活芽来释放生长素内源生长素水平 在打顶后的豆科植物芽中4-8 h达到高峰（Gocal等人，1991），我们观察到了 离体豌豆芽切除后2-6小时类似的短暂升高的现象（Balla等人，2002）如果 外源应用提供了生长素源，其输出已经可以提前被观察到图1生长素从腋芽豌豆的输出zdcl】>一督 EO?接下来，我们讨论的PIN生长素参与输送蛋白调节生长素流向芽中该豌豆 PIN1蛋白被视作在完整植物腋芽的原形成层束中，但有趣的是，不是在极性方 式（图2a）该PIN1极性定位是第一次观察到是打顶（图2b）之后6小时，并 逐渐变得更加显著（图2c，d）因此能够推测打顶后，这个最初的生长素输出 可以是扩散驱动的通量或者运输，这是由该ABCB蛋白家族的成员实现的（Zazimalova等人，2010）并没有伴随着PIN1的两极分化，PsPIN1基因表达 在显著的增加（数据没有示出），显示出是亚细胞靶向的再调制而不是转录调控, 它是一种休眠解除后底层建立生长素流向芽的机制。

虽然机制控制快速PIN1极 化不清，构成质膜和核内体之间的PIN1循环（Dhonukshe等人，2008）可以允 许极性变化无需原发蛋白质的合成一个类似的模型是由莫里斯和约翰逊（1990 年）在两芽豌豆系统可逆的PAT损失的情况下提出他们的结论是PAT是在除去 根尖生长素的供应后损失的，这导致了生长素外流载流子分布的逐步随机化，并 且顶端生长素的应用是PAT的恢复涉及了外流载体不对称性的重新建立尽管有几个作者报道了打顶后6小时，（Turnbull等人，1997;Morris等人，2005）, 芽生长的第一次细胞分裂发生打顶后仅6小时，并且有丝分裂的最大数量发生在 打顶后的12到18小时（Dewitt和Stafstrom, 1995年）因此，早期的增长 可能由胞壁酸的生长诱导增加生长素的水平（Rayle和克莱兰，1992）引起的图2 PIN1在豌豆腋芽和茎的免疫定位IAA在打顶树桩的应用防止PIN1的两极分化，这就证明了芽在非极性的PIN1 定位，即使在打顶后48小时再应用生长素（图2e）在这些条件下，芽抑制的 释放被阻止了，因为在腋芽休眠里，标志PsAD1和PsDRM1 （Stafstrom 1998;Madoka和Mori, 2000年）的持续表达验证了（图3a，b）所示。

在茎完整的豌豆植物中，PIN1表达仅在木质部的薄壁组织细胞（数据未示 出），并且没有标记PIN1细胞的文件连接休眠芽到现有的茎PAT系统，即使伴 随着非偏振光PIN1，也可以被检测到此外，Tepper（1993）观测到豌豆第二 个节点的横向拍摄的发展，并且植物生长到9天之前没有发现任何成熟的脉管组 织连接到主轴线打顶五天后，细胞文件表达PIN1连接到激活腋芽的茎生长素 运输系统（图2F）PIN1的出现表达在相邻细胞的文件中，生长素渠道在之前新的脉管分化，以确保功能性脉管的连接到新的新生芽中这些新的生长素途径 伴随着生长素运输蛋白的变化，比如PsPINl和PsAUXl打顶后，PsPINl的转录 和PsAUXI在茎杆（图4a-c）中迅速下降，据推测这是通过从茎杆生长素的消耗 引起的外源生长素顶点的置换导致了在PsPINl和PsAUXI （图4d-f）中表达的 数倍提高，这与生长素在其转录的已知积极作用是一致的（Vie ten等人， 2005;Kitazawa等人，2008）重要的是，PsPINl和PsAUXI下方的腋芽在打顶（图4a-c）之后6和12小时之间逐渐增加，这与生长素输出处是从腋芽启动它 充当生长素源后约6小时后的建立是相关联的。

类似地茎干中的PsPINl表达模 式在先前已被描述（Shimizu-Sa to等人，2009），在对比我们的结果后，他们 报告中打顶后芽PsPIN1的表达增加，但没有提供任何实验数据我们的数据表 明，虽然从最初的生长素从芽输出的建立是基于PIN亚细胞运输的调整，从头合 成的生长素转运体参与生长素通道的建立，这导致了新的脉管连接到茎杆生长素 运输流a)图3芽休眠标记基因的表达我们已经表明，打顶后，活化的腋芽迅速地分化为PIN1蛋白质，建立定向 地生长素输出到芽随后，芽诱导形成的PIN生长素渠道的表达，划定未来的脉 管连接在激活芽和主干脉管系统之间我们以前的工作证明，该侧向生长素施用 到豌豆的茎秆能有效地诱导PIN1表达生长素通道形成并且脉管连接到茎杆脉管 系统（Sauer等人，2006）因此，生长素产生并从激活芽中输出对诱导脉管连 接到生长中的横向芽是一个明显信号接下来，我们测试了在主茎中，生长素渠化的横向源是如何的影响生长素的 可用性和生长素运输我们采用横向生长素的打顶后茎干的断端24小时之前或 之后，根尖生长素的应用程序（图5b，E）当第一次应用横向生长素到茎杆（图 5e），一个连续细胞文件将表达PIN1从侧向生长素源朝向生长素运输系统中的 主茎的形成，具有PIN1指向远离源，面向茎干的中心（图5F）中。

因此，新脉 管系统沿此PIN1标记生长素通道来区分在该实验中，仅增加了 PIN1蛋白丰度 在去除顶端下方的主茎是被限制的（图5d）500(贸)匚essaldxE 一del■0 1 6 12 24 48 120Time (h)40O(也 uo!smaldx«r"xnt^Q.r ——■- I* ——「 o OHOO O b 4 2 O 8 6 1114020—*—Abov9—占一B«low6 12 24 4B 1120Time (h)AboveBelowTime (h)O襄)u°tAss」dx也00—*—Above—is— Below6 12 24 48 120Time (h)AboveBelow图4生长素运输基因在茎干上的表达在相反的情况下，当生长素最初被施加到顶部的茎断端，细胞下方应用（图 5b）的部位显示PIN1表达在5天后有强烈升高（图5a）无论是连续PIN1为 主的渠道还是从侧面生长素源脉管都会形成这种情况（图5c）之后将生长素 应用于完整植株的腋芽，花蕾没有开始增长，这是由Brewer等人（2009）观察 到的次级生长素源的没有能力的原因可能是，被渠化是在完整顶端源的存在下, 如先前被Sachs （1981）观察到的。

图5施加外源生长素的渠化结论以基因为基础的强顶端优势的植物，在植物发育过程中，主源生长素的存在 防止生长素导出和次要来源的渠化过程我们的数据表明，如果生长素的主要来 源被移除或弱化，从腋芽以及随后的渠化或者横向施加生长素渠出口是唯一可能 的换句话说，初级和次级生长素运输显然互相竞争，其中主要来源是首先被建 立的一个：例如成花转变后，PAT从顶端主要来源弱化转换到PAT腋芽作为次要 光源，导致一个从抑制腋芽逐渐的释放（Prusinkiewicz等人，2009年）在打 顶的情况下，当顶点（主要来源）被机械地除去，PAT在主茎中的中断会触发生 长素输出到腋芽，这将伴随着前面所述的生长素含量的暂时升高（Gocal等人， 1991;Balla等人，2002;Shimizu-Sato等人，2009）打顶后所观察到的早期 生长素的输出可以看成是一个扩散驱动的通量，或者PAT由ABCB转运体介导的 （Zazimalova等人，2010），耗尽生长素变成原形成层的菌株大量生长素输 出是由极化生长素流出载体PIN1形式生长素输送通道而建立的，并且其结果是 脉管束所必需的，用来维持芽的生长发育在时间序列下，初级和次级生长素源 之间的竞争模拟了生长素的外生应用程序，。