中国科大团队揭示植物生长素运转机制

向日葵总是朝着太阳绽放它的笑脸是什么原因导致它「向太阳倾斜」答案是植物中的生长素生长素和人体内的生长激素一样，负责向细胞传递信息，指挥植物的生长发育在光的作用下，生长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧，产生浓度差这样一来，背光一侧的生长会更快，而光照一侧的生长会更慢，向日葵盘会朝着太阳的方向转动生长素的运输需要细胞膜上的转运蛋白的帮助，其中一个转运蛋白是外排蛋白PIN，它负责将生长素从细胞内运输到细胞外

这些搬运工是怎么工作的日前，《自然》杂志以快车道的形式发表了中国科学技术大学生命科学与医学系孙教授团队在植物生长机制方面取得的重大进展，题为拟南芥PIN1蛋白的鉴定及外生长素的结构探索该团队揭示了植物生长素搬运工成员PIN1蛋白及其分别与抑制剂NPA和IAA结合的三个高分辨率结构，并通过功能分析解释了PIN1搬运工生长素的作用机制，为理解植物生长素的运输调控以及针对Pin1蛋白的农用除草剂和生长调节剂的设计和开发提供了重要基础

生长素作为第一个发现的植物激素，几乎参与了植物生长发育调控的每一个过程，如胚胎发育，组织分化，向光性生长和重力生长等生长素的一个显著特点是细胞间的传递是定向的，称为极性运输，PIN家族蛋白在其中起着关键作用特定PIN家族的成员在质膜上具有不对称分布，它们的分布位置决定了生长素运输的方向分析PIN蛋白的三维结构非常有助于我们理解生长素的运输过程，这是生长素研究领域亟待解决的科学问题它还帮助我们设计PIN蛋白的小分子抑制剂，并找到更有效和安全的农业除草剂或植物生长调节剂NPA是生长素极性运输抑制剂，以前在实验室广泛使用，也是农业生产中最早用作除草剂的化学小分子生化证据表明，NPA可以直接靶向PIN蛋白，但其作用机制仍不清楚

拟南芥PIN1是PIN家族最早的成员之一，其基因突变导致植物中出现裸露的针状花序，因此得名该家族在这项研究中，孙团队对PIN1家族的经典成员PIN1进行了研究，并建立了一个基于放射性同位素的新功能检测系统，验证了Pin1蛋白的生长素运输活性，以及被激酶激活和被NPA抑制的过程该实验系统利用了哺乳动物HEK293F细胞，更容易培养和表达蛋白质，操作更简单，为生长素运输研究提供了新的手段

为解决PIN1蛋白构象不稳定，分子量小的问题，孙团队与中科院分子细胞科学卓越中心李团队合作，利用体外纳米抗体合成技术，筛选出针对PIN1蛋白的纳米抗体通过使用冷冻电子显微镜的单粒子重建技术，成功解析了与分辨率为3.0埃的纳米抗体结合的PIN1的结构，首次揭示了经典Pin1家族蛋白质的三维结构团队进一步分析了PIN1结合生长素IAA和抑制剂NPA的复杂结构，揭示了PIN1蛋白装载生长素和NPA占据喜鹊巢阻止生长素运输的全貌

该研究揭开了植物中经典PIN家族蛋白的结构面纱，系统解释了PIN1运输生长素IAA并被NPA抑制的分子机制，为我们深入了解生长素的极性运输过程，理解向日葵向太阳倾斜等奇妙植物界现象的原理提供了重要帮助基于这些结构，我们可以设计出专门针对PIN家族蛋白的小分子抑制剂，利用杂草和作物对生长素浓度敏感性的差异，甚至它们PIN蛋白结构的差异，设计出对人类更高效，更环保，更安全的除草剂和生长调节剂，并应用于农业生产