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　　光明日報合肥8月3日電（記者常河 通訊員王敏）向日葵永遠向著太陽綻放它的“笑臉”，是什么原因使得它“向日傾”？答案是植物體內(nèi)的生長素。如同人體內(nèi)生長激素一樣，生長素負責給細胞傳達信息，指揮植物的生長發(fā)育。受光照影響，生長素會從向日葵莖端向光側(cè)運輸?shù)奖彻鈧?cè)，產(chǎn)生濃度差異。由此，背光側(cè)生長會更快，而向光側(cè)慢一些，向日葵的花盤就朝著太陽的方向轉(zhuǎn)頭了。生長素的運輸需要細胞膜上的“搬運工”——轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助，其中非常重要的一員是負責將生長素從細胞內(nèi)搬運到細胞外的外排蛋白PIN。

　　這些“搬運工”是怎樣工作的呢？8月2日，《自然》雜志以“快速通道”形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰教授團隊在植物生長機理上的重大進展，題為“擬南芥PIN1蛋白識別和外排生長素的結(jié)構(gòu)探究”。團隊揭示了植物生長素“搬運工”成員PIN1蛋白，以及它分別與抑制劑NPA（又名抑草生）、生長素IAA結(jié)合的三個高分辨率結(jié)構(gòu)，并通過功能分析闡釋了PIN1“搬運”生長素的機制，為理解植物生長素運輸調(diào)控以及針對PIN蛋白的農(nóng)業(yè)用除草劑和生長調(diào)節(jié)劑的設(shè)計開發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。

　　作為第一種被發(fā)現(xiàn)的植物激素，生長素幾乎參與了植物生長發(fā)育調(diào)控的每個過程，如胚胎發(fā)育、組織分化、向光性和向重力性生長等。生長素的一個顯著特點是其細胞間傳遞具有方向性，被稱為極性運輸，而PIN家族蛋白就在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。特定PIN家族成員在細胞質(zhì)膜上具有不對稱分布的特點，它們的分布位置決定了生長素“搬運”的方向。解析PIN蛋白的三維結(jié)構(gòu)對于我們理解生長素的“搬運”過程有極大的幫助，是生長素研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題，同時也有助于我們針對PIN蛋白設(shè)計小分子抑制劑，找到更有效、更安全的農(nóng)用除草劑或植物生長調(diào)節(jié)劑。NPA是之前在實驗室廣泛應(yīng)用的一種生長素極性運輸抑制劑，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最早作為除草劑應(yīng)用的化學(xué)小分子。生化證據(jù)表明，NPA可以直接靶向PIN蛋白，但是究竟是如何發(fā)揮作用的一直不清楚。

　　擬南芥PIN1是最早被鑒定的PIN家族成員之一，其基因突變導(dǎo)致植物產(chǎn)生裸露的針狀花序，該家族由此得名。本研究中，孫林峰團隊針對PIN1這一經(jīng)典的PIN家族成員展開研究，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的功能檢測體系，驗證了PIN1蛋白的生長素“搬運”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的過程。這一實驗體系利用更易培養(yǎng)、方便蛋白表達的哺乳動物HEK293F細胞，操作也更容易進行，為生長素運輸研究提供了一種新的手段。

　　為解決PIN1蛋白構(gòu)象不穩(wěn)定及分子量較小的問題，孫林峰團隊與中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李典范團隊合作，利用體外納米抗體合成技術(shù)，篩選得到了靶向PIN1蛋白的納米抗體，并利用冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)技術(shù)，成功解析了PIN1與一種納米抗體結(jié)合的、分辨率為3.0埃的結(jié)構(gòu)，首次揭示了經(jīng)典PIN家族蛋白成員的三維結(jié)構(gòu)。團隊進一步解析了PIN1與生長素IAA、抑制劑NPA結(jié)合的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，揭示了PIN1蛋白“裝載”生長素，以及NPA“鳩占鵲巢”阻止生長素“搬運”的全貌。

　　該研究揭開了植物經(jīng)典PIN家族蛋白的結(jié)構(gòu)面紗，系統(tǒng)闡釋了PIN1“搬運”底物生長素IAA以及被NPA抑制的分子機制，為我們深入理解植物生長素極性運輸過程，認識“葵花向日傾”等等奇妙的植物界現(xiàn)象的原理提供了重要幫助。基于這些結(jié)構(gòu)可以設(shè)計特異性靶向PIN家族蛋白的小分子抑制劑，利用雜草和農(nóng)作物的生長素濃度敏感性差異，甚至是它們PIN蛋白結(jié)構(gòu)的不同，設(shè)計出更高效、對環(huán)境更友好、對人類更安全的除草劑和生長調(diào)節(jié)劑，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。