生長(zhǎng)素幾乎參與了植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的每個(gè)過(guò)程，如根和芽的形成、莖葉的生長(zhǎng)、向光和向重力性反應(yīng)等。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)首次揭示了植物生長(zhǎng)素內(nèi)向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1的三維結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡釋了該蛋白依賴于質(zhì)子濃度梯度向胞內(nèi)運(yùn)輸生長(zhǎng)素的分子機(jī)制。

01

向日葵“轉(zhuǎn)頭”

背后的未解之謎

生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)并不是“隨機(jī)擴(kuò)散”，而是呈現(xiàn)出明顯的極性運(yùn)輸特性，即沿著特定方向在細(xì)胞間流動(dòng)。常見(jiàn)的向日葵“轉(zhuǎn)頭”運(yùn)動(dòng)就是生長(zhǎng)素在向光側(cè)和背光側(cè)分布不均勻產(chǎn)生的結(jié)果。

這種有方向的運(yùn)輸，主要依賴三類蛋白的協(xié)同作用：負(fù)責(zé)生長(zhǎng)素從胞內(nèi)向胞外運(yùn)輸?shù)腜IN家族和ABCB家族蛋白成員，以及負(fù)責(zé)生長(zhǎng)素從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)的AUX1/LAX家族蛋白成員。

此前研究表明，對(duì)AUX1/LAX家族蛋白仍然缺乏分子水平的認(rèn)知。為了突破理解生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸機(jī)制的這一關(guān)鍵“缺口”，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)首個(gè)被鑒定的生長(zhǎng)素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)鞍住獢M南芥AUX1蛋白展開(kāi)了研究。

02

質(zhì)子驅(qū)動(dòng)下的

生長(zhǎng)素運(yùn)輸過(guò)程

研究團(tuán)隊(duì)搭建了基于放射性同位素的生長(zhǎng)素內(nèi)向運(yùn)輸檢測(cè)體系，結(jié)合生化手段，證實(shí)了AUX1蛋白的生長(zhǎng)素結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)活性，受質(zhì)子濃度的影響，并被小分子抑制劑CHPAA等抑制。

利用冷凍電鏡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)解析了AUX1在無(wú)底物結(jié)合狀態(tài)、與底物生長(zhǎng)素IAA結(jié)合狀態(tài)、與CHPAA結(jié)合三種不同狀態(tài)下的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，首次揭示了AUX1/LAX家族蛋白的形貌。

▲AUX1蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素內(nèi)向運(yùn)輸機(jī)制示意圖

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了AUX1在CHPAA結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，為其抑制機(jī)理研究提供了見(jiàn)解，并提出了AUX1依賴于質(zhì)子濃度梯度來(lái)介導(dǎo)生長(zhǎng)素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)模型。

03

叩響農(nóng)業(yè)應(yīng)用大門

研究揭示了由AUX1/LAX家族蛋白介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)姆肿踊A(chǔ)，填補(bǔ)了生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸過(guò)程的關(guān)鍵空白。

結(jié)合前期對(duì)生長(zhǎng)素外向運(yùn)輸?shù)鞍譖IN1的研究，研究團(tuán)隊(duì)從分子層面繪制了生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸過(guò)程的圖景。

這一系列成果不僅有助于加深對(duì)植物激素運(yùn)輸機(jī)制的理解，也為未來(lái)開(kāi)發(fā)基于這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的小分子調(diào)控劑奠定了基礎(chǔ)，有望在農(nóng)業(yè)除草劑開(kāi)發(fā)、提升作物產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性等方面發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。

論文鏈接：

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

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：王穎