中国科大在植物生长素转运机制研究中取得重要进展

向日葵，永远向着太阳绽放它的“笑脸”，是什么原因使它“向日倾”呢？在植物体内有一种称为生长素的物质，如同人体内生长激素一样，它负责给细胞传达信息，指挥植物的生长发育。受光照影响，生长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧，产生浓度差异。由此，背光侧生长会更快，而向光侧慢一些，向日葵的花盘就朝着太阳的方向转头了。生长素的运输需要细胞膜上的“搬运工”——转运蛋白的协助，其中非常重要的一员是负责将生长素从细胞内搬运到细胞外的外排蛋白PIN。这些“搬运工”是怎样工作的呢？

8月2日，Nature杂志上以“快速通道”形式发表了中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授团队在植物生长机理上的重大进展，题为“拟南芥PIN1蛋白识别和外排生长素的结构探究”（Structural insights into auxin recognition and efflux byArabidopsisPIN1）。团队揭示了植物生长素“搬运工”成员PIN1蛋白，以及它分别与抑制剂NPA（又名抑草生）、生长素IAA结合的三个高分辨率结构，并通过功能分析阐释了PIN1“搬运”生长素的机制，为理解植物生长素运输调控以及针对PIN蛋白的农业用除草剂和生长调节剂的设计开发提供了重要基础。

作为第一种被发现的植物激素，生长素几乎参与了植物生长发育调控的每个过程，如胚胎发育、组织分化、向光性和向重力性生长等。生长素的一个显著特点是其细胞间传递具有方向性，被称为极性运输，而PIN家族蛋白就在其中发挥了关键作用。特定PIN家族成员在细胞质膜上具有不对称分布的特点，它们的分布位置决定了生长素“搬运”的方向。解析PIN蛋白的三维结构对于我们理解生长素的“搬运”过程有极大的帮助，是生长素研究领域亟待解决的科学问题，同时也有助于我们针对PIN蛋白设计小分子抑制剂，找到更有效、更安全的农用除草剂或植物生长调节剂。NPA是之前在实验室广泛应用的一种生长素极性运输抑制剂，也是农业生产中最早作为除草剂应用的化学小分子。生化证据表明，NPA可以直接靶向PIN蛋白，但是究竟是如何发挥作用的一直不清楚。

拟南芥PIN1是最早鉴定的PIN家族成员之一，其基因突变导致植物产生裸露的针状（pin，别针）花序，该家族由此得名。本研究中，孙林峰团队针对PIN1这一经典的PIN家族成员展开研究，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的功能检测体系，验证了PIN1蛋白的生长素“搬运”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的过程。这一实验体系利用更易培养、方便蛋白表达的哺乳动物HEK293F细胞，操作也更容易进行，为生长素运输研究提供了一种新的手段。

为解决PIN1蛋白构象不稳定及分子量较小的问题，孙林峰团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李典范团队合作，利用体外纳米抗体合成技术，筛选得到了靶向PIN1蛋白的纳米抗体，并利用冷冻电镜单颗粒重构技术，成功解析了PIN1与一种纳米抗体结合的、分辨率为3.0埃的结构，首次揭示了经典PIN家族蛋白成员的三维结构。团队进一步解析了PIN1与生长素IAA、抑制剂NPA结合的复合体结构，揭示了PIN1蛋白“装载”生长素，以及NPA“鸠占鹊巢”阻制生长素“搬运”的全貌。

拟南芥PIN1蛋白三种状态下的结构和转运机制示意图

该研究揭开了植物经典PIN家族蛋白的结构面纱，系统阐释了PIN1“搬运”底物生长素IAA以及被NPA抑制的分子机制，为我们深入理解植物生长素极性运输过程，认识“葵花向日倾”等等奇妙的植物界现象的原理提供了重要帮助。基于这些结构可以设计特异性靶向PIN家族蛋白的小分子抑制剂，利用杂草和农作物的生长素浓度敏感性差异，甚至是它们PIN蛋白结构的不同，设计出更高效、对环境更友好、对人类更安全的除草剂和生长调节剂，应用于农业生产。