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”？答案是植物體內的生長素。如同人體內生長激素一樣，生長素負責給細胞傳達信息，指揮植物的生長發育。受光照影響，生長素會從向日葵莖端向光側運輸到背光側，產生濃度差異。由此，背光側生長會更快，而向光側慢一些，向日葵的花盤就朝著太陽的方向轉頭了。生長素的運輸需要細胞膜上的“搬運工”——轉運蛋白的協助，其中非常重要的一員是負責將生長素從細胞內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”形式發表了中國科學技術大學生命科學與醫學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構探究”。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結合的三個高分辨率結構，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控以及針對PIN蛋白的農業用除草劑和生長調節劑的設計開發提供了重要基礎。

  作為第一種被發現的植物激素，生長素幾乎參與了植物生長發育調控的每個過程，如胚胎發育、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揮了關鍵作用。特定PIN家族成員在細胞質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蛋白的三維結構對于我們理解生長素的“搬運”過程有極大的幫助，是生長素研究領域亟待解決的科學問題，同時也有助于我們針對PIN蛋白設計小分子抑制劑，找到更有效、更安全的農用除草劑或植物生長調節劑。NPA是之前在實驗室廣泛應用的一種生長素極性運輸抑制劑，也是農業生產中最早作為除草劑應用的化學小分子。生化證據表明，NPA可以直接靶向PIN蛋白，但是究竟是如何發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，其基因突變導致植物產生裸露的針狀花序，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、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蛋白構象不穩定及分子量較小的問題，孫林峰團隊與中國科學院分子細胞科學卓越創新中心李典范團隊合作，利用體外納米抗體合成技術，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技術，成功解析了PIN1與一種納米抗體結合的、分辨率為3.0埃的結構，首次揭示了經典PIN家族蛋白成員的三維結構。團隊進一步解析了PIN1與生長素IAA、抑制劑NPA結合的復合體結構，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典PIN家族蛋白的結構面紗，系統闡釋了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象的原理提供了重要幫助。基于這些結構可以設計特異性靶向PIN家族蛋白的小分子抑制劑，利用雜草和農作物的生長素濃度敏感性差異，甚至是它們PIN蛋白結構的不同，設計出更高效、對環境更友好、對人類更安全的除草劑和生長調節劑，應用于農業生產。（記者常河 通訊員王敏）