【48812】解析植物向光性奥妙浙大作用登《天然

  成长素是最重要的植物激素，首要组成部位是芽、稚嫩的叶和发育中的种子，经过极性运送分配到植物遍地安排，调控成长发育——低浓度成长素促进成长，高浓度成长素按捺成长。成长素的极性运送对成长素的分配至关重要。那么，成长素极性运送是怎样来完结的呢？

  近来，浙江大学医学院生物物理系长聘副教授/隶属第四医院双聘教授郭江涛辅导的浙江大学-湖北大学联合研讨团队阐明晰成长素转运蛋白PIN介导成长素极性运送的分子机制。这项作业于北京时间8月2日刊登在世界顶级期刊《天然》上。该作用作为植物成长素极性运送研讨的重大突破，处理了植物向性这一个百年科学难题中的要害一环，为人们进一步调控成长素极性运送奠定了根底。

  19世纪末，英国闻名生物学家、进化论的奠基人达尔文在研讨植物向性运动时，发现植物胚芽鞘的顶级受单侧光影响后，向下面的伸长区传递了某种“影响”，形成伸长区背光面比向光面成长快，胚芽鞘出现向光性曲折（图1）。这便是中学生物教科书上被我们广为熟知的达尔文向光性试验。1928年，荷兰科学家温特证明胚芽鞘曲折成长是由一类化学物质引起的，并命名为成长素（auxin）。1946年，科学家从高等植物中初次别离出成长素，其首要成分为吲哚乙酸IAA。

  后续研讨之后发现，成长素不只与植物向光性相关，还与植物向地性（向重力性）、向化性（包括向肥性）等相关。植物受单向的环境影响而出现的定向反应统称为向性（tropism）。这种向性首要是由成长素在植物体内极性分配形成的。因而，成长素的极性运送在这一过程中就变得很要害。

  成长素极性运送首要依赖于三种定坐落细胞膜上的转运蛋白：AUX/LAX宗族蛋白、PIN宗族蛋白和ABCB宗族蛋白，其间成长素外排蛋白PIN起最最大的作用。pin骤变体一般表现出相应安排成长素极性运送缺点的表型，如向光性、向重力性受损等。但是，因为缺少结构信息，人们对PIN蛋白怎么介导成长素外排了解甚少。

  浙大研讨团队使用单颗粒冷冻电镜技能，解析了拟南芥PIN3（AtPIN3）在未结合配体（AtPIN3apo）和结合IAA（AtPIN3IAA）两种状况的高分辨率结构。经过结构解析发现AtPIN3以二聚体方式存在，每个亚基包括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结构相似，且均为向内敞开状况。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敞开口袋中（图2b），与多个保存的氨基酸产生氢键和疏水相互作用（图2c）

  为了确认IAA与AtPIN3的结合形式，研讨团队建立了体外放射性3H-IAA转运系统。比较于野生型AtPIN3，结合位点骤变的3H-IAA外排活性显着下降。一起经过外表等离子体共振试验，测定野生型AtPIN3与骤变体对IAA的解离常数（KD）。试验标明，野生型AtPIN3与骤变体比较对IAA有更高的亲和力。此外，本研讨一起结合了分子动力学模仿和结构比较等办法对IAA的结合形式进行多重验证，阐明晰AtPIN3对IAA的辨认与转运机制。

  除草剂NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）是一种被广泛研讨的成长素极性运送按捺剂。NPA处理的植株简直跟成长素转运蛋白骤变体植株pin1的表型如出一辙。长期以来，人们对NPA的作用靶点和作用机制一向存在争议。

  该研讨团队进一步解析了AtPIN3与按捺剂NPA复合物结构（AtPIN3NPA）（图3a，b）。研讨人员相同经过体外放射性3H-IAA转运试验和外表等离子体共振试验验证了NPA的结合位点。比较AtPIN3IAA和AtPIN3NPA发现，按捺剂NPA与底物IAA的结合位点堆叠（图3c）。因而，NPA为竞争性按捺剂，直接占有了PIN中成长素的结合位点，按捺了转运过程中PIN的潜在构象变化。

  根据上述结构和活性剖析，研讨团队提出了PIN介导成长素转运和NPA按捺成长素极性运送的分子机制。PIN处于内向敞开状况时，细胞内的IAA结合在内向敞开口袋中，引起PIN二体由内向敞开状况向外向敞开状况转化，IAA被开释至细胞外（图4）。按捺剂NPA结合在底物结合位点，阻止了IAA的结合，一起按捺转运过程中PIN的潜在构象变化，起到按捺成长素极性运送的作用（图4）。

  该研讨解析了3个AtPIN3高分辨率电镜结构，清晰了底物IAA和按捺剂NPA与AtPIN3的结合形式。这项作业不只阐明晰人们长久以来等待的PIN介导成长素转运的分子机制，并且将有利于进行作物改进，辅导新式PIN按捺剂的开发。这些按捺剂既可作为成长素极性运送机理研讨的东西，也可作为农业除草剂，具有广泛的使用远景。

  该作业是由浙江大学、湖北大学和天津大学的多个试验室联合完结（图5）。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一起榜首作者，郭江涛、吴姗和杨帆为一起通讯作者。参加这项作业的还有浙江大学生命科学学院郑绍建教授和丁忠杰研讨员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海教师、浙江大学农业与生物技能学院郭逸蓉教师和张素芬教师、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。

  浙江大学研讨团队首要成员合影。前排左起：郭逸蓉、张素芬、张艳、苏楠楠、竺爱琴、杨帆；