世界快播：植物生长素“搬运工”首露真容

向日葵为什么总是向着太阳？在植物体内有一种被称为生长素的物质，如同人体内的生长激素一样，负责给细胞传达信息，指挥植物的生长发育。受光照影响，生长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧，产生浓度差异。由此，背光侧生长会更快一些，而向光侧慢一些，向日葵的花盘自然就朝向太阳。

(相关资料图)

生长素的运输需要细胞膜上的“搬运工”——转运蛋白的协助，其中非常重要的一员是负责将生长素从细胞内搬运到细胞外的PIN家族蛋白。这些“搬运工”长什么样？又是如何工作的？

8月2日，《自然》以“快速通道”形式发表了中国科学技术大学（以下简称中国科大）生命科学与医学部教授孙林峰团队在植物生长机理上的重大进展。该研究揭示了生长素“搬运工”成员PIN1蛋白，以及它分别与抑制剂NPA（又名抑草生）、生长素IAA结合的三个高分辨率结构，并通过功能分析阐释了PIN1“搬运”生长素的机制，为理解植物生长素运输调控，以及针对PIN家族蛋白的农业用除草剂和生长调节剂的设计开发提供了重要基础。

亟待解决的科学问题

作为第一个被发现的植物激素，生长素几乎参与了植物生长发育调控的每个过程，如胚胎发育、向光性和向重力性生长等。生长素一个显著特点是其细胞间传递具有方向性，被称为极性运输，而PIN家族蛋白在其中发挥了关键作用。

特定PIN家族成员在细胞质膜上具有不对称分布的特点，它们的分布位置决定了生长素“搬运”的方向。但是由于缺乏精细的三维结构，PIN家族蛋白特异性识别、转运生长素的机制一直未知。

NPA是之前在实验室广泛应用的一种生长素极性运输抑制剂，也是农业生产中最早作为除草剂应用的化学小分子之一。它可以直接靶向PIN家族蛋白，但是发挥作用的机制尚不清楚。

孙林峰表示，解析PIN家族蛋白的三维结构是生长素研究领域亟待解决的科学问题。该结构的揭示，不仅有助于理解生长素的“搬运”过程，而且基于这些结构，有利于研究人员针对PIN家族蛋白设计小分子抑制剂，找到更高效、环境友好、对人类更安全的除草剂和生长调节剂，并应用于农业生产。

该研究中，孙林峰团队选择了PIN家族中经典的、最早鉴定出的PIN家族成员之一 ——拟南芥PIN1蛋白作为研究对象。

“三步”揭示PIN1蛋白结构

“第一步，我们需要证实PIN1蛋白可以运输生长素。”孙林峰说，团队花了一年多时间，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的功能检测体系，验证了PIN1蛋白的生长素“搬运”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的过程。

第二步，表达和纯化PIN1蛋白。“简单来说，就是需要获取足量的适于结构解析的蛋白样品。”孙林峰说，这是最难的一步，因为PIN1蛋白在植物体内含量非常低，不能满足实验需求，因此需要借助于其他细胞表达系统对蛋白进行富集。

事实上，从2017年建立团队开始这项课题研究，一直到2021年，这4年的时间里，他们一直在摸索不同表达和纯化、冷冻样品制备等条件。

“我们每天很早就到实验室开始工作。我们希望早点优化得到性质较好的蛋白，加快实验进度，所以经常忙得连水都顾不上喝。”论文第一作者、中国科大生命科学与医学部博士研究生杨智森说，最终他们利用哺乳动物表达体系成功获得了优质样品。

第三步，利用冷冻电镜单颗粒重构技术解析蛋白结构。“冷冻电镜相当于蛋白分子的‘摄影师’，可以从不同角度给蛋白‘拍照’，然后利用这些二维照片重构三维结构。”孙林峰作了一个类比。