2025年5月15日，中國科學技術大學生命科學與醫學部孫林峰、劉欣團隊聯合譚樹堂團隊在Cell在線發表了題為

Structural insights into auxin influx mediated by the

Arabidopsis

AUX1

生長素是最早被發現的植物激素，廣泛參與了植物整個生命周期的調控過程，如根和芽的形成、莖葉的生長、向光和向重力性反應等。令人關注的是，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——即沿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。日常常見的向日葵“轉頭”運動就是光照造成生長素在向光側和背光側分布不均勻產生的結果。生長素極性運輸主要依賴三類膜蛋白的協同作用：負責生長素從胞內向胞外運輸的PIN家族和ABCB家族蛋白，以及負責生長素從胞外轉運至細胞內的AUX1/LAX家族蛋白。這三類蛋白的轉運方式和調控機制各異，在維持生長素極性運輸和空間分布中發揮關鍵作用。

孫林峰、劉欣團隊長期聚焦生長素極性運輸機制的研究。2022年，該團隊在Nature雜志報道了PIN家族經典成員PIN1的結構，揭示其識別與運輸生長素的分子細節，并解釋了抑制劑NPA的作用機制，建立了PIN家族蛋白介導生長素外排的工作模型（Nature,2022,DOI: 10.1038/s41586-022-05143-9）。隨后，在針對此前被認為是生長素外排蛋白的ABCB家族成員ABCB19和ABCB1的研究過程中，孫林峰、劉欣團隊意外發現它們能轉運另一種重要的植物激素——油菜素甾醇，并與比利時根特大學Eugenia Russinova團隊合作，結合生物化學和植物生理學等手段，系統闡述了ABCB19和ABCB1外排油菜素甾醇的分子機制，拓展了領域對這類蛋白功能的認知（Science, 2024, DOI: 10.1126/science.adj4591; Plant Communications, 2025, DOI: 10.1016/j.xplc.2024.101181）。然而，與之對應的AUX1/LAX蛋白介導生長素內向運輸的分子基礎尚不清晰，成為理解生長素極性運輸機制的關鍵空白。

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一系列表型。為系統揭示AUX1的工作機制，孫林峰、劉欣與譚樹堂團隊展開合作，首先建立了基于放射性同位素的生長素內向運輸檢測體系，結合微量熱泳動 (MST)和等溫滴定量熱法（ITC）等手段，證實了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1-NOA（1-naphthoxyacetic acid）和CHPAA（3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid）等抑制。

進一步，研究團隊利用冷凍電鏡技術，解析了AUX1在三種不同狀態下的高分辨率三維結構：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結合狀態，首次揭示了AUX1/LAX家族蛋白的形貌。在結構中，AUX1均呈現向細胞內側開放的構象，由11個跨膜螺旋組成，采用經典的LeuT折疊方式（LeuT-fold）。通過分析生長素結合狀態的結構，團隊鑒定了參與生長素結合的關鍵氨基酸殘基，并通過突變體構建、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，結構比較發現底物結合引發特定跨膜螺旋構象變化，其中第249位組氨酸（H249）側鏈發生明顯偏轉，提示其在底物識別中具有關鍵功能。與香港中文大學（深圳）竺立哲團隊合作開展的分子動力學模擬結果進一步證實了H249在生長素識別和質子協同轉運中的重要作用。

作為一種特異性生長素內向運輸抑制劑，CHPAA常被用作研究生長素極性運輸的工具分子。團隊解析了AUX1與CHPAA結合的結構，發現其結合位置雖于IAA相近，但結合方式存在顯著差異，為其抑制機理提供了結構基礎。

基于以上這些成果，研究團隊提出了AUX1依賴于質子濃度梯度，介導生長素內向運輸的轉運模型。

圖1.AUX1蛋白介導的生長素內向運輸機制。

綜上，該研究首次從分子層面揭示了AUX1/LAX家族介導的生長素內向運輸機制，填補了生長素極性運輸研究的重要空白。結合先前對PIN1介導外向運輸的研究，孫林峰/劉欣團隊從結構生物學角度基本繪制出生長素極性運輸的完整圖景。這一系列工作不僅深化了我們對植物激素運輸機制的理解，也為未來在除草劑開發、作物產量提升等農業應用中提供了理論基礎和潛在靶點。

該研究的并列第一作者包括：中國科學技術大學生命科學與醫學部博士后楊智森、博士研究生魏宏與甘雨琳，以及香港中文大學（深圳）博士后劉慧慧。通訊作者為：中國科學技術大學生命科學與醫學部孫林峰教授、劉欣副教授和譚樹堂教授。冷凍電鏡中心高永翔博士為冷凍電鏡數據采集提供了大力支持。香港中文大學（深圳）醫學院、瓦謝爾計算生物研究院竺立哲教授對分子動力學模擬工作提供了重要指導。

該研究獲得了國家自然科學基金、教育部中央高校青年教師科研創新能力支持項目、安徽省自然科學基金、合肥綜合性國家科學中心大健康研究院前沿交叉科學與生物醫學研究所、中國科學院戰略性先導B類專項、中央高校基本科研業務費、中國科學技術大學雙一流科研基金、深圳市科學技術創新委員會科研項目以及中國博士后科學基金等項目的支持。

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https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.028