重大突破！浙江大学医学院附属第四医院和浙江大学「一带一路」国际医学院（筹）双聘教授郭江涛团队揭示植物向光性机制

重大突破

8 月 2 日，国际顶级期刊《Nature》杂志发表了浙江大学医学院附属第四医院和浙江大学「一带一路」国际医学院（筹）双聘教授郭江涛团队最新研究成果「Structures and mechanisms of the Arabidopsis auxin transporter PIN3」。

研究首次阐明了生长素及其转运蛋白 PIN 介导生长素转运的分子机制，而且将有助于进行作物改良，指导新型 PIN 抑制剂的开发。这些抑制剂既可作为生长素极性运输机理研究的工具，也可作为农业除草剂，具有广泛的应用前景。

生长素及其转运蛋白 PIN 的发现过程

19 世纪末，英国著名生物学家、进化论的奠基人达尔文在研究植物向性运动时，发现植物胚芽鞘的尖端受单侧光刺激后，向下面的伸长区传递了某种「影响」，造成伸长区背光面比向光面生长快，胚芽鞘出现向光性弯曲（图 1）。这就是中学生物教科书上被大家广为熟知的达尔文向光性实验。1928 年，荷兰科学家温特证实胚芽鞘弯曲生长是由一类化学物质引起的，并命名为生长素（auxin）。1946 年，科学家从高等植物中首次分离出生长素，其主要成分为吲哚乙酸 IAA。

后续研究发现，生长素不仅与植物向光性相关，还与植物向地性（向重力性）、向化性（包括向肥性）等相关。植物受单向的环境刺激而呈现的定向反应统称为向性（tropism）。这种向性主要是由生长素在植物体内极性分配造成的。因此，生长素的极性运输在这一过程中就变得非常关键。

生长素极性运输主要依赖于三种定位于细胞膜上的转运蛋白：AUX/LAX 家族蛋白、PIN 家族蛋白和 ABCB 家族蛋白，其中生长素外排蛋白 PIN 起最主要作用。pin 突变体通常表现出相应组织生长素极性运输缺陷的表型，如向光性、向重力性受损等。然而，由于缺乏结构信息，人们对 PIN 蛋白如何介导生长素外排了解甚少。

PIN 如何识别和转运生长素？

浙大研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术，解析了拟南芥 PIN3（AtPIN3）在未结合配体（AtPIN3apo）和结合 IAA（AtPIN3IAA）两种状态的高分辨率结构。通过结构解析发现 AtPIN3 以二聚体形式存在，每个亚基包含 10 个跨膜螺旋（TM1–10），TM1–5 和 TM6–10 组成反向重复结构（图 2a）。AtPIN3apo 与 AtPIN3IAA 结构类似，且均为向内开放状态。AtPIN3 单体由支架结构域（scaffold domain）和转运结构域（transport domain）组成。在 AtPIN3IAA 结构中，IAA 结合在支架结构域和转运结构域之间的内向开放口袋中（图 2b），与多个保守的氨基酸发生氢键和疏水相互作用（图 2c）。

为了确定 IAA 与 AtPIN3 的结合模式，研究团队建立了体外放射性 3 H-IAA 转运体系。相比于野生型 AtPIN3，结合位点突变的 3 H-IAA 外排活性显著降低。同时通过表面等离子体共振实验，测定野生型 AtPIN3 与突变体对 IAA 的解离常数（KD）。实验表明，野生型 AtPIN3 与突变体相比对 IAA 有更高的亲和力。此外，本研究同时结合了分子动力学模拟和结构比较等方法对 IAA 的结合模式进行多重验证，阐明了 AtPIN3 对 IAA 的识别与转运机制。

NPA 如何抑制生长素极性运输？

除草剂 NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）是一种被广泛研究的生长素极性运输抑制剂。NPA 处理的植株几乎跟生长素突变体植株 pin1 的表型一模一样。长期以来，人们对 NPA 的作用靶点和作用机制一直存在争议。

该研究团队进一步解析了 AtPIN3 与抑制剂 NPA 复合物结构（AtPIN3NPA）（图 3a，b）。研究人员同样通过体外放射性 3 H-IAA 转运实验和表面等离子体共振实验验证了 NPA 的结合位点。比较 AtPIN3IAA 和 AtPIN3NPA 发现，抑制剂 NPA 与底物 IAA 的结合位点重叠（图 3c）。因此，NPA 为竞争性抑制剂，直接占据了 PIN 中生长素的结合位点，抑制了转运过程中 PIN 的潜在构象变化。

总结和研究意义

基于上述结构和活性分析，研究团队提出了 PIN 介导生长素转运和 NPA 抑制生长素极性运输的分子机制。PIN 处于内向开放状态时，细胞内的 IAA 结合在内向开放口袋中，引起 PIN 二体由内向开放状态向外向开放状态转换，IAA 被释放至细胞外（图 4）。抑制剂 NPA 结合在底物结合位点，阻碍了 IAA 的结合，同时抑制转运过程中 PIN 的潜在构象变化，起到抑制生长素极性运输的效果（图 4）。

该研究解析了 3 个 AtPIN3 高分辨率电镜结构，明确了底物 IAA 和抑制剂 NPA 与 AtPIN3 的结合模式。这项工作不仅阐明了人们长久以来期待的 PIN 介导生长素转运的分子机制，而且将有助于进行作物改良，指导新型 PIN 抑制剂的开发。这些抑制剂既可作为生长素极性运输机理研究的工具，也可作为农业除草剂，具有广泛的应用前景。

该工作是由浙江大学、湖北大学和天津大学的多个实验室联合完成。浙江大学医学院郭江涛组博士后苏楠楠、杨帆组博士生竺爱琴和湖北大学生命科学学院吴姗组博士生陶鑫为论文的共同第一作者，郭江涛、吴姗和杨帆为共同通讯作者。参与这项工作的还有浙江大学生命科学学院郑绍建教授和丁忠杰研究员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海老师、浙江大学农业与生物技术学院郭逸蓉老师和张素芬老师、天津大学生命科学学院叶升教授和湖北大学生命科学学院马立新教授。