植物生長素內向運輸機制獲揭示

　　中國科學技術大學生命科學與醫學部孫林峰和劉欣團隊與譚樹堂團隊合作，在植物激素運輸領域取得突破。該團隊首次報道了植物生長素內向轉運蛋白AUX1的三維結構，系統闡釋了該蛋白依賴于質子濃度梯度向胞內運輸生長素的分子機制。

　　作為最早被發現的植物激素，生長素幾乎參與了植物整個生命周期的各個過程，如根和芽的形成、莖葉的生長、向光和向重力性反應等。生長素在植物體內并不是“隨機擴散”，而是呈現出明顯的極性運輸特性。也就是說，它會沿著特定方向在細胞間流動，從而形成濃度梯度，調控植物發育和環境響應。常見的向日葵“轉頭”運動就是生長素在向光側和背光側分布不均勻產生的結果。這種有方向的運輸主要依賴三類蛋白的協同作用：負責生長素從胞內向胞外運輸的PIN家族和ABCB家族蛋白成員，以及負責生長素從胞外轉運至細胞內的AUX1/LAX家族成員。它們的轉運方式和調控機制各異，對于生長素極性運輸和特定空間分布發揮了關鍵作用。目前，現有研究仍缺乏對介導生長素內向運輸的AUX1/LAX蛋白分子水平的認知，成為理解生長素極性運輸機制的關鍵“缺口”。

　　擬南芥AUX1是首個被鑒定的生長素內向運輸蛋白，其功能缺陷導致生長素極性運輸受阻，產生根的向重力性喪失、主根伸長抑制、下胚軸向光性受損以及葉序排列異常等表型。該團隊搭建了基于放射性同位素的生長素內向運輸檢測體系，采用生化手段，證實擬南芥AUX1蛋白的生長素結合和轉運活性受到質子濃度的影響，并被此前報道的小分子抑制劑CHPAA等抑制。

　　進一步，該研究利用冷凍電鏡技術，解析了AUX1在無底物結合狀態、與底物生長素IAA結合狀態，以及與小分子抑制劑CHPAA結合的三種不同狀態下的高分辨率三維結構，揭示了AUX1/LAX家族蛋白的形貌。研究通過分析生長素結合狀態的結構鑒定了參與生長素結合的關鍵氨基酸殘基，并通過生化和植物生理學分析驗證了這些位點的重要性。特別的是，研究比較無底物結合和底物結合不同狀態下的結構發現，蛋白參與底物結合的跨膜螺旋產生了較大的構象變化，尤其是第249位的組氨酸殘基H249，側鏈存在較大偏轉，暗示其在底物識別過程中發揮作用。進而，該團隊與香港中文大學（深圳）竺立哲團隊合作，開展了分子動力學模擬實驗，驗證了H249在生長素識別和質子耦合過程中的重要作用。CHPAA是之前報道的生長素內向運輸特異性抑制劑，常被作為工具用來研究生長素極性運輸過程。該研究通過解析AUX1在CHPAA結合狀態下的結構，為其抑制機理提供了見解。基于上述成果，團隊提出了AUX1依賴于質子濃度梯度來介導生長素內向運輸的轉運模型。

　　該研究首次揭示了由AUX1/LAX蛋白家族介導的植物生長素內向運輸的分子基礎，填補了生長素極性運輸過程的關鍵空白。結合前期對生長素外向運輸蛋白PIN1的研究，該團隊從分子層面繪制了生長素極性運輸過程的圖景。這一系列成果有助于加深對植物激素運輸機制的理解，并為未來開發基于這些轉運蛋白的小分子調控劑奠定基礎。

　　5月15日，相關研究成果以Structural insights into auxin influx mediated by the Arabidopsis AUX1為題，發表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到國家自然科學基金委、教育部、中國科學院以及安徽省和深圳市等的支持。