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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(zhù)太陽(yáng)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(cháng)素。如同人體內生長(cháng)激素一樣，生長(cháng)素負責給細胞傳達信息，指揮植物的生長(cháng)發(fā)育。受光照影響，生長(cháng)素會(huì )從向日葵莖端向光側運輸到背光側，產(chǎn)生濃度差異。由此，背光側生長(cháng)會(huì )更快，而向光側慢一些，向日葵的花盤(pán)就朝著(zhù)太陽(yáng)的方向轉頭了。生長(cháng)素的運輸需要細胞膜上的“搬運工”——轉運蛋白的協(xié)助，其中非常重要的一員是負責將生長(cháng)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(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫學(xué)部孫林峰教授團隊在植物生長(cháng)機理上的重大進(jìn)展，題為“擬南芥PIN1蛋白識別和外排生長(cháng)素的結構探究”。團隊揭示了植物生長(cháng)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(cháng)素IAA結合的三個(gè)高分辨率結構，并通過(guò)功能分析闡釋了PIN1“搬運”生長(cháng)素的機制，為理解植物生長(cháng)素運輸調控以及針對PIN蛋白的農業(yè)用除草劑和生長(cháng)調節劑的設計開(kāi)發(fā)提供了重要基礎。

　　作為第一種被發(fā)現的植物激素，生長(cháng)素幾乎參與了植物生長(cháng)發(fā)育調控的每個(gè)過(guò)程，如胚胎發(fā)育、組織分化、向光性和向重力性生長(cháng)等。生長(cháng)素的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是其細胞間傳遞具有方向性，被稱(chēng)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(chēng)分布的特點(diǎn)，它們的分布位置決定了生長(cháng)素“搬運”的方向。解析PIN蛋白的三維結構對于我們理解生長(cháng)素的“搬運”過(guò)程有極大的幫助，是生長(cháng)素研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)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(cháng)調節劑。NPA是之前在實(shí)驗室廣泛應用的一種生長(cháng)素極性運輸抑制劑，也是農業(yè)生產(chǎn)中最早作為除草劑應用的化學(xué)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(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(kāi)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(cháng)素“搬運”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的過(guò)程。這一實(shí)驗體系利用更易培養、方便蛋白表達的哺乳動(dòng)物HEK293F細胞，操作也更容易進(jìn)行，為生長(cháng)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(wèn)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技術(shù)，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(jīng)典PIN家族蛋白成員的三維結構。團隊進(jìn)一步解析了PIN1與生長(cháng)素IAA、抑制劑NPA結合的復合體結構，揭示了PIN1蛋白“裝載”生長(cháng)素，以及NPA“鳩占鵲巢”阻止生長(cháng)素“搬運”的全貌。

　　該研究揭開(kāi)了植物經(jīng)典PIN家族蛋白的結構面紗，系統闡釋了PIN1“搬運”底物生長(cháng)素IAA以及被NPA抑制的分子機制，為我們深入理解植物生長(cháng)素極性運輸過(guò)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(cháng)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(huán)境更友好、對人類(lèi)更安全的除草劑和生長(cháng)調節劑，應用于農業(yè)生產(chǎn)。