植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)植物發(fā)育的調(diào)控機(jī)制

龐磊 朱穎 金中財(cái) 夏曦華 李瑞熙

（南方科技大學(xué)生物系 植物與食品研究所，深圳 518055）

真核細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)由一系列連續(xù)的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)組成，包括核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、液泡/溶酶體、轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和細(xì)胞膜。不同內(nèi)膜結(jié)構(gòu)之間存在網(wǎng)絡(luò)式的內(nèi)膜運(yùn)輸，這對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和酯類的運(yùn)輸和交換起著至關(guān)重要的作用。植物細(xì)胞內(nèi)膜體系與別的真核生物體系相似，但也有植物細(xì)胞特有的結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸方式［1］。其中最典型的結(jié)構(gòu)是位于高爾基體反式表面上由一系列互相連接且具有動(dòng)態(tài)性的細(xì)管和囊泡組成的反式高爾基體（Trans-Golgi network，TGN）。反式高爾基體作為植物細(xì)胞內(nèi)的分選中心，引導(dǎo)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至不同內(nèi)膜細(xì)胞器及分泌到胞外空間。最近研究結(jié)果表明，反式高爾基體也可作為植物細(xì)胞的早期內(nèi)吞體（Early endosome，EE），接受來自于細(xì)胞膜內(nèi)吞形成的囊泡。利用超高分辨率顯微鏡技術(shù)，研究者觀察到植物細(xì)胞反式高爾基體可以分為兩種類型：一種是高爾基體連接的反式高爾基體（Golgi-associated TGN），位于高爾基體反式一側(cè)；另一種是不依附高爾基體的相對(duì)獨(dú)立的反式高爾基體（Golgi-released independent TGN）［2-3］。

另一個(gè)植物細(xì)胞特有的細(xì)胞器是液泡。植物液泡作為成熟細(xì)胞中最大的細(xì)胞器是植物體內(nèi)維持細(xì)胞膨壓和促進(jìn)細(xì)胞體積擴(kuò)張的主要細(xì)胞器，也是次生代謝物儲(chǔ)存、蛋白質(zhì)和細(xì)胞器降解、氨基酸循環(huán)利用、毒害物質(zhì)去除和病蟲害抵御的重要場(chǎng)所。液泡運(yùn)輸根據(jù)膜來源和途經(jīng)細(xì)胞器差異可以大致分為兩大類途徑。一類是不依賴高爾基體直接從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向液泡運(yùn)輸?shù)耐緩?，包括玉米糊粉層蛋白和南瓜子葉儲(chǔ)藏蛋白等。這一途徑是植物特有的液泡運(yùn)輸途徑，對(duì)種子萌發(fā)，單子葉植物胚乳形成以及次生代謝物和激素儲(chǔ)藏具有重要作用［4-8］。另一大類是經(jīng)過高爾基體的運(yùn)輸途徑，又可細(xì)分為三種相對(duì)獨(dú)立的液泡運(yùn)輸途徑，包括由AP3復(fù)合體介導(dǎo)的直接從高爾基體向液泡運(yùn)輸?shù)耐緩剑?-10］、受小G蛋白R(shí)ab5 GTPase直接調(diào)控的液泡運(yùn)輸途徑，以及依賴于Rab5向Rab7 GTPase轉(zhuǎn)化的液泡運(yùn)輸途徑等［11-14］。

植物細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的特異性不僅介導(dǎo)了一系列植物特有的內(nèi)膜運(yùn)輸方式，也對(duì)植物發(fā)育起著重要作用。本文將從幾個(gè)方面綜述植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)發(fā)育的調(diào)控作用，包括內(nèi)膜運(yùn)輸與生長素極性運(yùn)輸和穩(wěn)態(tài)平衡之間的關(guān)系，內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)根毛極性生長的作用機(jī)理，以及液泡運(yùn)輸在花粉管極性生長和種子萌發(fā)過程中的重要作用。

1 植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)長素極性運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控機(jī)制

生長素主要以離子態(tài)（IAA-）的形式存在于植物體內(nèi)，在不同細(xì)胞和組織間的移動(dòng)需依賴質(zhì)膜（Plasma membrane，PM）上的運(yùn)輸載體蛋白［15］。在已被證實(shí)具有生長素運(yùn)輸功能的載體蛋白中，PINFORMED（PIN）蛋白的研究最為深入。PIN蛋白家族在擬南芥中有8個(gè)成員，分別命名為PIN1-PIN8。PIN蛋白均為膜蛋白，具有兩個(gè)疏水跨膜區(qū)和中央胞內(nèi)親水環(huán)。根據(jù)親水環(huán)長度，將PIN蛋白分成兩個(gè)亞家族：具有長親水環(huán)的PIN1、PIN2、PIN3、PIN4和PIN7，定位在細(xì)胞膜上呈不對(duì)稱極性分布，負(fù)責(zé)向細(xì)胞外運(yùn)輸生長素；具有較短親水結(jié)構(gòu)域的PIN5、PIN6和PIN8，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì)間的生長素平衡［16-17］。在很多組織中，PIN蛋白具有極性定位的特征并且介導(dǎo)了生長素的極性運(yùn)輸。例如，在植物根尖中柱細(xì)胞表達(dá)的PIN1蛋白和內(nèi)皮層表達(dá)的PIN2蛋白為基底極性（basal polarity）定位，而位于莖尖分生組織的PIN1蛋白和根尖表皮細(xì)胞的PIN2蛋白為頂端極性（apical polarity）分布，分別介導(dǎo)生長素向根尖和向莖尖方向極性運(yùn)輸［18］。因此，PIN蛋白極性缺失會(huì)阻礙生長素的極性運(yùn)輸，進(jìn)而導(dǎo)致胚胎發(fā)育出現(xiàn)缺陷、細(xì)胞極性及植株形態(tài)建成異常［19］。

在亞細(xì)胞水平上，PIN蛋白均只在質(zhì)膜上被檢測(cè)到，但事實(shí)上，PIN蛋白的質(zhì)膜極性受內(nèi)膜系統(tǒng)中的多條囊泡運(yùn)輸（Vesicular trafficking）途徑共同協(xié)調(diào)控制［20］。質(zhì)膜蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（Endoplastic reticulum，ER）被合成后，通常依靠囊泡運(yùn)輸參與的胞外分泌途徑，經(jīng)由高爾基體（Golgi）或反式高爾基體/早期內(nèi)涵體（Trans-Golgi networks/early endosomes，TGN/EE）分選后出芽形成包被小泡（Coated vesicle），在小G蛋白的介導(dǎo)下被運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜上［21］。后期的胞吞（Endocytosis）將質(zhì)膜蛋白運(yùn)輸?shù)絋GN/EE，其中一部分通過再循環(huán)（Recycling）從TGN/EE被運(yùn)回到質(zhì)膜上；另一部分則隨囊泡成熟和融合過程進(jìn)入晚期內(nèi)吞體/液泡前體（Late endosome/pre-vacuolar compartment，LE/PVC）到達(dá)液泡被降解。因此，植物細(xì)胞能夠根據(jù)外環(huán)境通過胞吞和再循環(huán)途徑精準(zhǔn)調(diào)節(jié)膜蛋白在質(zhì)膜上的豐度。

胞吞過程在真核生物中具有高度的保守型，在動(dòng)物細(xì)胞中，Rab5 GTPase是調(diào)控胞吞作用的關(guān)鍵因子［22］。在擬南芥中，ARA7是Rab5 GTPase的同源蛋白。PIN蛋白在ARA7/Rab5 GTPase的GEF因子VPS9A功能缺失突變體或持續(xù)表達(dá)組成型失活狀態(tài)（Dominantly negative，DN）下的 ARA7（DN-ARA7）的背景下失去質(zhì)膜上的極性分布，并且胚胎出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)育缺陷［23］，說明胞吞作用參與PIN蛋白質(zhì)膜極性定位的調(diào)控機(jī)制。PIN蛋白與接頭蛋白（Adaptor proteins）AP2復(fù)合體在質(zhì)膜上結(jié)合后能夠招募網(wǎng)格蛋白（Clatherin），形成包被小泡啟動(dòng)PIN蛋白的胞吞過程［24］，而AP2復(fù)合體亞基和構(gòu)成網(wǎng)格蛋白的輕鏈或重鏈基因的功能缺失均導(dǎo)致PIN蛋白完全失去基底或頂端極性定位［24-26］，進(jìn)一步說明胞吞在調(diào)控PIN蛋白質(zhì)膜極性定位途徑中的重要功能。此外，GFP與網(wǎng)格蛋白CLC融合表達(dá)顯示GFP信號(hào)強(qiáng)度在側(cè)面質(zhì)膜上明顯高于基底和頂端質(zhì)膜，而化學(xué)抑制劑Tyrphostin A23處理后，PIN2蛋白在側(cè)面與頂端質(zhì)膜上的信號(hào)比值明顯增加［27］，表明側(cè)面質(zhì)膜上網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞對(duì)PIN蛋白基底和頂端的極性定位具有決定性作用。

另一方面，為了維持PIN蛋白在質(zhì)膜上的豐度，植物細(xì)胞內(nèi)的小G蛋白介導(dǎo)的囊泡運(yùn)輸能夠?qū)⒉糠諴IN蛋白從TGN/EE通過再循環(huán)途徑運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜上。真菌霉素Brefidin A（BFA）能夠阻礙從TGN/EE到質(zhì)膜上的囊泡運(yùn)輸途徑。BFA處理能夠引起PIN1蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中的聚集形成所謂的“BFA聚合物”，導(dǎo)致PIN1蛋白失去基底極性分布；而BFA被洗脫后，抑制效應(yīng)被解除，PIN1蛋白恢復(fù)其在基底質(zhì)膜上極性分布［28］。ADP核糖基化鳥苷酸交換因子（ADP-ribosylation factor guaninenucleotide exchange factors，ARF-GEFs）GNOM 作 為ARF1 GTPase的GEF因子，能夠激活A(yù)RF1 GTPase酶的活性，介導(dǎo)PIN1蛋白的向底性再循環(huán)途徑，而PIN1蛋白在GNOM功能缺失突變體的背景下完全失去極性分布［29］。因此，PIN1蛋白的向底性再循環(huán)途徑受ARF-GEF GNOM所調(diào)控，且BFA能夠抑制該途徑。與之相反，BFA處理對(duì)PIN2蛋白的頂端極性分布影響不大［30］，表明植物細(xì)胞內(nèi)存在著不同的內(nèi)膜運(yùn)輸途徑分別介導(dǎo)PIN蛋白的向底性和向頂性運(yùn)輸。最近研究表明，小分子化合物- Endosidin16（ES16）能夠特異性誘導(dǎo)頂端極性定位的 PIN2 蛋白形成類似于“BFA聚合體”的胞內(nèi)聚合物并改變其頂端極性分布，但卻不影響胞吞過程和PIN1的向底性循環(huán)［31］。藥物親和反應(yīng)靶點(diǎn)穩(wěn)定性（Drug affinity responsive target stability，DARTS）分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)ES16 不直接作用于鳥苷酸交換因子ARF-GEF家族蛋白，包括GBF亞支和BIG亞支蛋白，但能特異性抑制一類小型GTP酶-RabA GTPases，并能特異性靶定于 RabA2A GTPase［31］。PIN2 蛋白在組成型失活狀態(tài)的RabA2A（DN-RabA2A）的背景下也在細(xì)胞內(nèi)形成類似于ES16處理后的胞內(nèi)聚合物，并且其頂端極性分布發(fā)生改變［31］，表明RabA2A GTPase很可能參與了PIN2蛋白向頂性循環(huán)的調(diào)控途徑。除此之外，介導(dǎo)囊泡與質(zhì)膜栓系的Exocyst復(fù)合體亞基功能缺失也會(huì)導(dǎo)致PIN蛋白基底和頂端極性定位發(fā)生缺陷［32-33］。以上結(jié)果表明PIN蛋白的極性定位由內(nèi)膜運(yùn)輸中的持續(xù)性胞吞和再循環(huán)途徑共同調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的，且PIN蛋白的基底和頂端極性定位由不同的內(nèi)膜運(yùn)輸途徑所調(diào)控。

2 植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)生長素穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控作用

Mravec等［17］在2009年首次報(bào)道了定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的PIN5參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)生長素的平衡。該文首先證明了PIN5與經(jīng)典的PIN一樣具有運(yùn)輸生長素的能力。之后的亞細(xì)胞定位分析表明PIN5并不像經(jīng)典的長PIN定位于質(zhì)膜，而是定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。通過對(duì)擬南芥PIN家族8個(gè)成員進(jìn)行氨基酸序列比對(duì)，作者發(fā)現(xiàn)PIN蛋白中存在一個(gè)推測(cè)的含酪氨酸的基序（NPNTY）。質(zhì)膜定位的PIN蛋白在推測(cè)的酪氨酸基序附近含有一段高度保守的序列（MVWRKL），而這段序列在PIN5亞類的蛋白中并不是高度保守。作者將PIN1的含酪氨酸基序突變?yōu)镹SLSL，失去酪氨酸基序的PIN1定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。但這一結(jié)果并不能很好的解釋兩個(gè)亞類的PIN蛋白存在不同亞細(xì)胞定位的原因［17］。Ganguly等［34］關(guān)注于兩個(gè)亞類的 PIN蛋白存在最大差異的親水性環(huán)，研究了親水性環(huán)對(duì)PIN蛋白亞細(xì)胞定位的作用。作者選取了兩個(gè)具有代表性的PIN蛋白PIN2和PIN5，將PIN2的長親水性環(huán)導(dǎo)入PIN5短親水性環(huán)的區(qū)域，并用PIN5自身啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，改造后的PIN5和PIN2一樣定位于質(zhì)膜，并且和其他質(zhì)膜定位的PIN蛋白類似，在BFA處理后能形成BFA小體，而正常的PIN5則不能形成。說明PIN2的長親水性環(huán)確實(shí)能介導(dǎo)非質(zhì)膜定位的PIN5向質(zhì)膜運(yùn)輸，但并不足以令PIN5像PIN2一樣在細(xì)胞內(nèi)存在極性定位。

短PIN家族的另一個(gè)成員PIN8特異性定位于花粉中，與PIN5一樣定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)生長素的平衡，對(duì)花粉的發(fā)育和花粉管的生長至關(guān)重要［35-36］。Dal Bosco等［37］通過構(gòu)建 PIN8 過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因擬南芥及異源表達(dá)PIN8的轉(zhuǎn)基因煙草分析了PIN8在調(diào)控細(xì)胞內(nèi)生長素穩(wěn)態(tài)方面的作用。PIN8的異位表達(dá)造成了強(qiáng)烈的生長素相關(guān)的表型，表型的嚴(yán)重程度依賴于PIN8的蛋白水平，并且與自由態(tài)生長素和束縛態(tài)生長素的上升水平呈正相關(guān)。當(dāng)用NAA處理PIN8過表達(dá)的幼苗時(shí)，生長素響應(yīng)基因被強(qiáng)烈的抑制。這些結(jié)果表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的PIN8在控制生長素閾值，調(diào)控生長素相關(guān)的轉(zhuǎn)錄方面有重要作用［38］。Ding等［36］也做了類似關(guān)于PIN8的研究，并且揭示了PIN8和PIN5在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)生長素平衡方面起著拮抗作用。pin5突變體表現(xiàn)出與pin8突變體同樣比例的形態(tài)缺陷型花粉粒，但pin5pin8雙重突變體可以恢復(fù)花粉形態(tài)缺陷的表型。Dal Bosco等［37］隨后對(duì)這一結(jié)果提出了疑問。PIN5廣泛表達(dá)于各組織中，在花粉中并沒有很高的表達(dá)，相反PIN8只在花粉中表達(dá)。那么在花粉的發(fā)育過程中，缺少PIN5如何能恢復(fù)花粉特異性的表型？ 結(jié)合pin5、pin8 單突變體、pin5pin8雙突變體，以及PIN5和PIN8單過表達(dá)和雙過表達(dá)株系的分析。Ding等［36］認(rèn)為PIN5和PIN8在功能上相互拮抗可能是通過兩種方式。PIN5調(diào)節(jié)生長素從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，PIN8可能作為一個(gè)活性的生長素運(yùn)輸載體介導(dǎo)生長素從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔流向細(xì)胞質(zhì)，也可能通過負(fù)調(diào)控PIN5的活性而起到拮抗作用。

PIN6是PIN蛋白家族中一個(gè)較特殊的成員，在結(jié)構(gòu)上它更接近經(jīng)典的長PIN蛋白［39］，具有長親水性環(huán)。在進(jìn)化上則與短PIN蛋白亞類（PIN5和 PIN8）距離更近［17］。Simon等［39］在 2016年對(duì)PIN6的亞細(xì)胞定位及功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。亞細(xì)胞定位的研究揭示PIN6在質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)均有定位。生長素運(yùn)輸和代謝實(shí)驗(yàn)表明PIN6可以介導(dǎo)生長素跨質(zhì)膜運(yùn)輸以及細(xì)胞內(nèi)生長素的平衡，包括調(diào)節(jié)自由態(tài)生長素和束縛態(tài)生長素的水平。進(jìn)一步的功能分析顯示側(cè)根和不定根發(fā)生過程中生長素的分配都需要PIN6的參與。Ditengou等［40］進(jìn)一步分析了PIN6存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜雙重定位的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)在PIN6表達(dá)水平較低的組織，如根中，PIN6定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而在PIN6表達(dá)較高的花序莖中，PIN6則定位于質(zhì)膜。而造成PIN6的雙重定位的原因是MPK4和MPK6對(duì)PIN6的磷酸化。PIN6的亞細(xì)胞定位是受到組織特異性的發(fā)育信號(hào)對(duì)其表達(dá)水平及磷酸化狀態(tài)的調(diào)控。

3 植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)根毛極性生長的調(diào)控作用

植物的根毛是由單個(gè)表皮細(xì)胞通過極性生長發(fā)育而來的。通常我們把根毛的生長發(fā)育劃分為3個(gè)階段：命運(yùn)決定、根毛起始和尖端生長。對(duì)擬南芥的根毛來說，命運(yùn)決定階段是以GL2為核心的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)決定表皮細(xì)胞是發(fā)育成根毛還是非根毛。根毛起始階段決定了根毛的平面極性，即根毛的起始位置是靠近根尖側(cè)（Basal）還是遠(yuǎn)離根尖的一側(cè)（Apical）。尖端生長則是根毛起始后直到成熟前的快速伸長階段［41］。

根毛從起始開始便進(jìn)入極性發(fā)育過程，這一過程的建立和維持受到一系列因素調(diào)控，包括植物激素、脂筏、磷脂酰肌醇、ROP GTPases、Ca2+、ROS、細(xì)胞骨架和囊泡運(yùn)輸?shù)?。其中囊泡運(yùn)輸?shù)臉O性又受到其它各因素直接或間接的調(diào)控。根毛尖端的快速生長需要新的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁成分的供應(yīng)，伴隨著大量的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和多糖的轉(zhuǎn)運(yùn)。這一過程主要由細(xì)胞內(nèi)膜組成的囊泡運(yùn)輸完成。

內(nèi)膜運(yùn)輸主要過程可以分為五步：第一步，從供體膜上出芽并裝載正確的貨物形成囊泡。ARF GTPases在此過程中起著重要作用。ARF GTPases是一類小G蛋白，參與調(diào)控內(nèi)膜運(yùn)輸和肌動(dòng)蛋白的組裝過程［42］。擬南芥基因組總共編碼了21個(gè)ARF GTPases，其中有6個(gè)屬于ARF1家族。第二步，囊泡被傳送到他們的最終目的地。這依賴于作為運(yùn)輸橋梁的細(xì)胞骨架朝著正確方向組裝。第三步，囊泡被靶標(biāo)膜捕獲并栓系在一起，這一過程需要由栓系因子（Tethering factors）和Rab GTPases的參與。目前有報(bào)道的能作用于根毛形態(tài)發(fā)生過程中的栓系因子只有Exocyst。Exocyst 是一個(gè)巨大的多亞基的栓系復(fù)合體。GTP結(jié)合狀態(tài)下的Rab GTPases具有連接囊泡和靶標(biāo)膜的功能。擬南芥基因組共編碼了57個(gè)Rab GTPases，其中RabA占有最大的比例，有26個(gè)成員［43］。它主要在反式高爾基體以及后高爾基體囊泡運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控中發(fā)揮作用。其中RabA4b已經(jīng)被證實(shí)能夠調(diào)控根毛的形態(tài)發(fā)生。RabA4b定位在根毛的尖端，在根毛成熟后消失。酵母雙雜實(shí)驗(yàn)證實(shí)了RabA4b與磷脂酰肌醇激酶（PI-4Kβ1）能夠互作。而且PI-4Kβ1還能與一種鈣離子感受器互作［44］。因此，RabA4b被認(rèn)為具有能夠整合膜運(yùn)輸、磷脂酰肌醇信號(hào)和頂端鈣離子感知的功能。第四步，囊泡和靶標(biāo)膜相互融合，從而成功卸載貨物。SNAREs和其調(diào)控因子Sec1是介導(dǎo)這一過程的主要蛋白。擬南芥基因組編碼了大量的SNAREs。系統(tǒng)發(fā)育分析表明植物細(xì)胞膜上至少含有5種t-SNAREs的亞族syntaxins。Sec1蛋白結(jié)合syntaxin或者t-SNAREs并使其構(gòu)象發(fā)生改變。在動(dòng)物細(xì)胞里，Sec1結(jié)合到syntaxin上導(dǎo)致syntaxin形成閉合態(tài)構(gòu)象，無法與v-SNARE互作。擬南芥基因組總共編碼了6個(gè)Sec1基因，其中的一個(gè)叫KEULE的已經(jīng)被證實(shí)參與到根毛形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞分裂過程中［45］。KEULE已經(jīng)被證實(shí)具有Sec1的特征，包括與syntaxin的結(jié)合性能。根毛的正常發(fā)育需要Sec1的正常功能，因此這也間接的證明了SNAREs也參與到根毛的形態(tài)發(fā)生。第五步，參與膜運(yùn)輸?shù)墓ぞ叻肿颖恢匦禄厥諡橄乱惠嗊\(yùn)輸作準(zhǔn)備。

囊泡在根毛內(nèi)朝尖端極性運(yùn)輸?shù)慕⒑途S持需要各調(diào)控因子由上到下的精密控制。生長素作為內(nèi)源的位置信號(hào)，由IAA和H+的共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞。在胞內(nèi)，部分生長素結(jié)合其受體SCFTIR1/ARF復(fù)合體后導(dǎo)致Ca2+通道CNGC14被激活，進(jìn)而造成胞內(nèi)Ca2+濃度改變，進(jìn)而通過調(diào)控細(xì)胞骨架組裝來控制內(nèi)膜運(yùn)輸，并能通過synaptotagmin進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，減少膜融合需要的活化能，促進(jìn)尖端的膜融合［46-47］。在植物體內(nèi)的Rho GTPases被稱為ROPs，它們?cè)诟螒B(tài)發(fā)生起重要的指揮作用，能直接或間接的調(diào)控胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸極性。擬南芥總共有11個(gè)ROPs成員，其中ROP2、ROP4和ROP6在根毛起始和尖端的位置積累，而組成性活化（Constitutively active，CA）的ROP2、ROP4、ROP6和ROP11會(huì)導(dǎo)致球狀根毛的產(chǎn)生。過表達(dá)ROP2的植株根毛產(chǎn)生大量分支，說明ROP2在根毛分化過程中起作用。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，ROP2除了受到GEF、GAP和GDI調(diào)控外，還受到MAP18的調(diào)控，MAP18通過與GDI/SCN1競爭性的結(jié)合ROP2-GDP促進(jìn)活性ROP2的生成，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架，同時(shí)MAP18還能直接調(diào)控微觀組裝過程［48］。在酵母中的實(shí)驗(yàn)證明，Exocyst復(fù)合體的某些亞基的正確定位依賴于RHO1。而在動(dòng)物細(xì)胞中，Exo70可能主要介導(dǎo)了Rho和Exocyst的互作。有趣的是，擬南芥中至少有23個(gè)Exo70，目前發(fā)現(xiàn)EXO70A1參與到根毛尖端生長［49］。某些蛋白如ROPs和GPI（Glycosylphosphatidylinositol）錨定蛋白在細(xì)胞膜上的極性定位對(duì)其發(fā)揮信號(hào)指示作用極其重要。細(xì)胞膜上的脂筏可能提供了這樣一個(gè)特殊的錨定位點(diǎn)，并為囊泡的極性分泌提供了港口。Ovecka等［50-51］對(duì)根毛內(nèi)富含甾醇的脂筏的分布和Zhao的觀測(cè)結(jié)果均支持了這一觀點(diǎn)。另外，一個(gè)有趣的突變體orc，也叫cephalopod或者smt1orc，是STEROL METHYLTRANSFERASE1基因的一個(gè)等位基因，參與到甾醇類合成的烷基化反應(yīng)中。在smt1orc背景下，根毛的起始的平面極性遭到破壞，這也說明甾醇類參與了根毛起始位置的選擇［52］。

總而言之，囊泡在根毛發(fā)育過程中的極性運(yùn)輸是一個(gè)受到多種因素嚴(yán)格調(diào)控又存在反饋調(diào)節(jié)的復(fù)雜過程，還有許多未知的機(jī)制需要進(jìn)一步的研究。

4 植物細(xì)胞液泡運(yùn)輸對(duì)花粉管極性生長和種子萌發(fā)的調(diào)控機(jī)理。

4.1 液泡運(yùn)輸在花粉管極性生長過程中的作用

花粉管是一種高度極化的細(xì)胞，其生長的過程涉及復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)。之前的研究結(jié)果表明，液泡對(duì)于花粉管的生長至關(guān)重要。植物細(xì)胞內(nèi)液泡運(yùn)輸主要有：（1）PVC/MVB介導(dǎo)的依賴于Rab5到Rab7轉(zhuǎn)化的途徑；（2）只依賴于Rab5的途徑；（3）只依賴于AP3的途徑；（4）直接由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到液泡的途徑［11］。Rab GTPase參與了蛋白運(yùn)輸?shù)娜^程：囊泡的形成、運(yùn)輸、與細(xì)胞膜的對(duì)接、黏附、錨定和融合等。Rab GTPase與GDP結(jié)合時(shí)處于失活狀態(tài)，與GTP結(jié)合時(shí)處于激活狀態(tài)，定位在膜上的Rab7能夠被特定的鳥嘌呤核苷酸置換因子MON1/CCZ1激活，介導(dǎo)PVC與液泡的融合［50］。在mon1的突變體中，由于Rab7介導(dǎo)的液泡運(yùn)輸絲氨酸蛋白酶功能的缺失，花粉絨氈層細(xì)胞無法正常進(jìn)行程序性死亡，產(chǎn)生異常的花粉包被影響花粉的萌發(fā)和花粉管的生長［53-55］。

介導(dǎo)液泡融合過程的栓留復(fù)合體HOPS（Homotypic fusion and vacuole protein sorting）由4個(gè)核心亞基 VPS11、VPS16、VPS18和 VPS33，以及 2個(gè)特異亞基VPS39和VPS41組成［56-58］。這些亞基在植物中都是單拷貝，對(duì)應(yīng)的突變純合致死，通過對(duì)受精過程的研究發(fā)現(xiàn)，HOPS復(fù)合體中的亞基液泡分選蛋白VPS41參與了將胞外信號(hào)分子及其他物質(zhì)從細(xì)胞膜上運(yùn)進(jìn)液泡或者其他亞細(xì)胞區(qū)間內(nèi)進(jìn)行降解的生物學(xué)過程，vps41突變體花粉管中早期從膜上到晚期內(nèi)吞體的內(nèi)膜運(yùn)輸過程是正常的，但是從晚期內(nèi)吞體到液泡的運(yùn)輸過程受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致需要被運(yùn)輸?shù)揭号萁到獾男盘?hào)分子無法及時(shí)的被降解，引發(fā)信號(hào)途徑的紊亂，從而影響花粉管的生長，使其無法穿入柱頭，有性生殖過程受到影響，導(dǎo)致不育［59］。而在vps11的突變體的花粉管中，液泡的形態(tài)并沒有發(fā)生顯著變化，但是其花粉管的伸長受到了顯著的抑制［60］，以上結(jié)果說明，參與液泡運(yùn)輸?shù)腍OPS復(fù)合體通過不同的方式影響花粉管的發(fā)育，任何亞基的缺失突變會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)育表型的出現(xiàn)。此外，張彥課題組最新的研究發(fā)現(xiàn)在銜接蛋白ap3突變體中，AP3復(fù)合體靶向液泡膜的“貨物”棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶PAT10和其棕櫚?；孜顲BLs在花粉管內(nèi)失去了原本的液泡膜定位，而呈現(xiàn)高爾基體定位，并且花粉管內(nèi)鈣離子濃度顯著降低，液泡形態(tài)發(fā)生異常，影響了花粉管的生長［61-64］。

4.2 液泡運(yùn)輸在種子萌發(fā)過程中的作用

大部分有花植物通過有性生殖和產(chǎn)生種子繁衍后代，因此種子活力的保持和順利萌發(fā)具有十分重要的意義［65-66］。種子萌發(fā)的過程受到植物激素、光、一氧化氮和小RNA等復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制［67-72］，并且細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的生理變化：細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體大量增殖，一方面高爾基體運(yùn)輸物質(zhì)到細(xì)胞壁作為合成的原料；另一方面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的小液泡吸水脹大并且相互融合，形成大液泡使細(xì)胞體積增大，促進(jìn)種子萌發(fā)［66，72］。在種子萌發(fā)的過程中液泡運(yùn)輸對(duì)于種子儲(chǔ)藏蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、pH的維持，以及特定蛋白如離子通道蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的定位具有十分重要的作用。液泡運(yùn)輸?shù)鞍譓AIGO2（MAG2）與定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的t-SNARE組分SYP81/AtUfe1和SEC20互作，促進(jìn)種子萌發(fā)過程中儲(chǔ)藏蛋白從合成部位內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到翻譯后修飾部位高爾基體的運(yùn)輸［73］。在mag2的突變體中，由于儲(chǔ)藏蛋白運(yùn)輸功能的缺失導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大量不正常MAG小體的形成，種子萌發(fā)受到嚴(yán)重影響［74-75］。銜接蛋白復(fù)合體AP3參與了從高爾基體到液泡的運(yùn)輸，對(duì)于液泡形態(tài)的維持和功能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用。AP3復(fù)合體的亞基AP3β和AP3δ蛋白功能的缺失會(huì)導(dǎo)致大量原本定位在液泡膜上的蛋白在細(xì)胞質(zhì)中積累，影響細(xì)胞內(nèi)pH的穩(wěn)態(tài)和種子的萌發(fā)，而其顯性負(fù)突變體在種子萌發(fā)的過程中表現(xiàn)出對(duì)弱酸條件抗性的增強(qiáng)［62-63］。

綜上所述，植物細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸對(duì)植物發(fā)育各個(gè)階段起著重要調(diào)控作用。內(nèi)膜運(yùn)輸突變體表現(xiàn)出組織特異性或發(fā)育時(shí)期特異性缺陷。然而，現(xiàn)階段研究主要集中在內(nèi)膜運(yùn)輸機(jī)制及表型的描述，發(fā)育信號(hào)與內(nèi)膜系統(tǒng)的銜接以及內(nèi)膜蛋白相應(yīng)上游信號(hào)的機(jī)制尚未有深入探索。這方面空白有待于以后進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)來填補(bǔ)。