生長素是最重要的植物激素，主要合成部位是芽、幼嫩的葉和發(fā)育中的種子，通過極性運輸分配到植物各處組織，調(diào)控生長發(fā)育——低濃度生長素促進生長，高濃度生長素抑制生長。生長素的極性運輸對生長素的分配至關重要。那么，生長素極性運輸是如何實現(xiàn)的呢？

近日，浙江大學醫(yī)學院生物物理系長聘副教授/附屬第四醫(yī)院雙聘教授郭江濤指導的浙江大學-湖北大學聯(lián)合研究團隊闡明了生長素轉(zhuǎn)運蛋白PIN介導生長素極性運輸?shù)姆肿訖C制。這項工作于北京時間8月2日刊登在國際頂級期刊《自然》上。該成果作為植物生長素極性運輸研究的重大突破，解決了植物向性這一個百年科學難題中的關鍵一環(huán)，為人們進一步調(diào)控生長素極性運輸?shù)於嘶A。

生長素及其轉(zhuǎn)運蛋白PIN的發(fā)現(xiàn)過程

19世紀末，英國著名生物學家、進化論的奠基人達爾文在研究植物向性運動時，發(fā)現(xiàn)植物胚芽鞘的尖端受單側光刺激后，向下面的伸長區(qū)傳遞了某種“影響”，造成伸長區(qū)背光面比向光面生長快，胚芽鞘出現(xiàn)向光性彎曲（圖1）。這就是中學生物教科書上被大家廣為熟知的達爾文向光性實驗。1928年，荷蘭科學家溫特證實胚芽鞘彎曲生長是由一類化學物質(zhì)引起的，并命名為生長素（auxin）。1946年，科學家從高等植物中首次分離出生長素，其主要成分為吲哚乙酸IAA。 

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，生長素不僅與植物向光性相關，還與植物向地性（向重力性）、向化性（包括向肥性）等相關。植物受單向的環(huán)境刺激而呈現(xiàn)的定向反應統(tǒng)稱為向性（tropism）。這種向性主要是由生長素在植物體內(nèi)極性分配造成的。因此，生長素的極性運輸在這一過程中就變得非常關鍵。 

達爾文植物向光性實驗示意圖

生長素極性運輸主要依賴于三種定位于細胞膜上的轉(zhuǎn)運蛋白：AUX/LAX家族蛋白、PIN家族蛋白和ABCB家族蛋白，其中生長素外排蛋白PIN起最主要作用。pin突變體通常表現(xiàn)出相應組織生長素極性運輸缺陷的表型，如向光性、向重力性受損等。然而，由于缺乏結構信息，人們對PIN蛋白如何介導生長素外排了解甚少。

PIN如何識別和轉(zhuǎn)運生長素？

浙大研究團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術，解析了擬南芥PIN3（AtPIN3）在未結合配體（AtPIN3apo）和結合IAA（AtPIN3IAA）兩種狀態(tài)的高分辨率結構。通過結構解析發(fā)現(xiàn)AtPIN3以二聚體形式存在，每個亞基包含10個跨膜螺旋（TM1–10），TM1–5和TM6–10組成反向重復結構（圖2a）。AtPIN3apo與AtPIN3IAA結構類似，且均為向內(nèi)開放狀態(tài)。AtPIN3單體由支架結構域（scaffold domain）和轉(zhuǎn)運結構域（transport domain）組成。在AtPIN3IAA結構中，IAA結合在支架結構域和轉(zhuǎn)運結構域之間的內(nèi)向開放口袋中（圖2b），與多個保守的氨基酸發(fā)生氫鍵和疏水相互作用（圖2c） 

為了確定IAA與AtPIN3的結合模式，研究團隊建立了體外放射性3H-IAA轉(zhuǎn)運體系。相比于野生型AtPIN3，結合位點突變的3H-IAA外排活性顯著降低。同時通過表面等離子體共振實驗，測定野生型AtPIN3與突變體對IAA的解離常數(shù)（KD）。實驗表明，野生型AtPIN3與突變體相比對IAA有更高的親和力。此外，本研究同時結合了分子動力學模擬和結構比較等方法對IAA的結合模式進行多重驗證，闡明了AtPIN3對IAA的識別與轉(zhuǎn)運機制。 

 AtPIN3IAA結構。a. AtPIN3IAA的密度圖和結構圖。b. IAA的密度圖。

c. AtPIN3IAA結構中IAA的結合位點。

NPA如何抑制生長素極性運輸？

除草劑NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）是一種被廣泛研究的生長素極性運輸抑制劑。NPA處理的植株幾乎跟生長素轉(zhuǎn)運蛋白突變體植株pin1的表型一模一樣。長期以來，人們對NPA的作用靶點和作用機制一直存在爭議。

該研究團隊進一步解析了AtPIN3與抑制劑NPA復合物結構（AtPIN3NPA）（圖3a，b）。研究人員同樣通過體外放射性3H-IAA轉(zhuǎn)運實驗和表面等離子體共振實驗驗證了NPA的結合位點。比較AtPIN3IAA和AtPIN3NPA發(fā)現(xiàn)，抑制劑NPA與底物IAA的結合位點重疊（圖3c）。因此，NPA為競爭性抑制劑，直接占據(jù)了PIN中生長素的結合位點，抑制了轉(zhuǎn)運過程中PIN的潛在構象變化。

AtPIN3NPA結構。a. AtPIN3NPA的密度圖。

b. NPA的密度圖。c. IAA與NPA結合位點疊合。

基于上述結構和活性分析，研究團隊提出了PIN介導生長素轉(zhuǎn)運和NPA抑制生長素極性運輸?shù)姆肿訖C制。PIN處于內(nèi)向開放狀態(tài)時，細胞內(nèi)的IAA結合在內(nèi)向開放口袋中，引起PIN二體由內(nèi)向開放狀態(tài)向外向開放狀態(tài)轉(zhuǎn)換，IAA被釋放至細胞外（圖4）。抑制劑NPA結合在底物結合位點，阻礙了IAA的結合，同時抑制轉(zhuǎn)運過程中PIN的潛在構象變化，起到抑制生長素極性運輸?shù)男Ч▓D4）。

AtPIN3轉(zhuǎn)運IAA和NPA抑制AtPIN3的模型

該研究解析了3個AtPIN3高分辨率電鏡結構，明確了底物IAA和抑制劑NPA與AtPIN3的結合模式。這項工作不僅闡明了人們長久以來期待的PIN介導生長素轉(zhuǎn)運的分子機制，而且將有助于進行作物改良，指導新型PIN抑制劑的開發(fā)。這些抑制劑既可作為生長素極性運輸機理研究的工具，也可作為農(nóng)業(yè)除草劑，具有廣泛的應用前景。 

該工作是由浙江大學、湖北大學和天津大學的多個實驗室聯(lián)合完成（圖5）。浙江大學醫(yī)學院郭江濤組博士后蘇楠楠、楊帆組博士生竺愛琴和湖北大學生命科學學院吳姍組博士生陶鑫為論文的共同第一作者，郭江濤、吳姍和楊帆為共同通訊作者。參與這項工作的還有浙江大學生命科學學院鄭紹建教授和丁忠杰研究員、浙江大學冷凍電鏡中心常圣海老師、浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院郭逸蓉老師和張素芬老師、天津大學生命科學學院葉升教授和湖北大學生命科學學院馬立新教授。

浙江大學研究團隊主要成員合影。前排左起：郭逸蓉、張素芬、張艷、蘇楠楠、竺愛琴、楊帆；

后排左起：周晨羽、葉繁、鄭紹建、郭江濤、常圣海。

（圖文由課題組提供）