在《条条大路通Auxin | 再议顶端弯钩的形成》一文中，我带大家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素【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【6】。

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【6】

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】Žádníková, P., Petrášek, J., Marhavy, 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】Wis′niewska, J., Xu, J., Seifertová, D., Brewer, P. B., Ru˚zˇicˇka, 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., Petrášek, J., Žádníková, P., Hoyerová, K., Pešek, 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.