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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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中國科大揭示植物生長素內(nèi)向運(yùn)輸機(jī)制
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中國科大揭示植物生長素內(nèi)向運(yùn)輸機(jī)制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰、劉欣團(tuán)隊(duì)聯(lián)合譚樹堂團(tuán)隊(duì)合作在植物激素運(yùn)輸領(lǐng)域取得重要研究突破，首次報(bào)道了植物生長素內(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)輸生長素的分子機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Structural insights into auxin influx mediated by the Arabidopsis AUX1”為題于5月15日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上。 作為最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素，生長素幾乎參與了植物整個(gè)生命周期的各個(gè)過程，如根和芽的形成、莖葉的生長、向光和向重力性反應(yīng)等。生長素在植物體內(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——也就是說，它會(huì)沿著特定方向在細(xì)胞間流動(dòng)，從而形成濃度梯度，調(diào)控植物發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)。日常常見的向日葵“轉(zhuǎn)頭”運(yùn)動(dòng)就是生長素在向光側(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)生長素從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)的AUX1/LAX家族成員。它們的轉(zhuǎn)運(yùn)方式和調(diào)控機(jī)制各異，對(duì)于生長素極性運(yùn)輸和特定空間分布發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用。目前，現(xiàn)有研究仍然缺乏對(duì)介導(dǎo)生長素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)腁UX1/LAX蛋白分子水平的認(rèn)知，成為理解生長素極性運(yùn)輸機(jī)制的關(guān)鍵“缺口”。 擬南芥AUX1是首個(gè)被鑒定的生長素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)鞍�，其功能缺陷�?dǎo)致生長素極性運(yùn)輸受阻，產(chǎn)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表型。孫林峰、劉欣團(tuán)隊(duì)與譚樹堂團(tuán)隊(duì)展開合作，針對(duì)擬南芥AUX1進(jìn)行了研究。首先，研究團(tuán)隊(duì)搭建了基于放射性同位素的生長素內(nèi)向運(yùn)輸檢測體系，結(jié)合生化手段，證實(shí)了AUX1蛋白的生長素結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)活性受到質(zhì)子濃度的影響，并被此前報(bào)道的小分子抑制劑CHPAA（3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid）等抑制。 進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)，解析了AUX1在無底物結(jié)合狀態(tài)、與底物生長素IAA結(jié)合狀態(tài)，以及與小分子抑制劑CHPAA結(jié)合的三種不同狀態(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。通過分析生長素結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了參與生長素結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸殘基，并通過生化和植物生理學(xué)分析驗(yàn)證了這些位點(diǎn)的重要性。特別的是，通過比較無底物結(jié)合和底物結(jié)合不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)蛋白參與底物結(jié)合的跨膜螺旋產(chǎn)生了較大的構(gòu)象變化，尤其是第249位的組氨酸殘基H249，側(cè)鏈存在較大偏轉(zhuǎn)，暗示其在底物識(shí)別過程中發(fā)揮作用。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)（深圳）竺立哲團(tuán)隊(duì)合作，開展了分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了H249在生長素識(shí)別和質(zhì)子耦合過程中的重要角色。CHPAA是一種之前報(bào)道的生長素內(nèi)向運(yùn)輸特異性抑制劑，常被作為工具用來研究生長素極性運(yùn)輸過程。通過解析AUX1在CHPAA結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，從而為其抑制機(jī)理提供了見解�；谝陨辖Y(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了AUX1依賴于質(zhì)子濃度梯度，介導(dǎo)生長素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)模型。 圖1.AUX1蛋白介導(dǎo)的生長素內(nèi)向運(yùn)輸機(jī)制。 該研究首次揭示了由AUX1/LAX蛋白家族介導(dǎo)的植物生長素內(nèi)向運(yùn)輸?shù)姆肿踊A(chǔ)，填補(bǔ)了生長素極性運(yùn)輸過程的關(guān)鍵空白。結(jié)合前期對(duì)生長素外向運(yùn)輸?shù)鞍譖IN1的研究，孫林峰、劉欣團(tuán)隊(duì)從分子層面繪制了生長素極性運(yùn)輸過程的圖景。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，也為未來開發(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。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士后楊智森、博士研究生魏宏、博士研究生甘雨琳，以及香港中文大學(xué)（深圳）博士后劉慧慧為該論文的并列共同第一作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰教授、劉欣副教授和譚樹堂教授為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心高永翔博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集提供了支持和幫助，香港中文大學(xué)（深圳）醫(yī)學(xué)院、瓦謝爾計(jì)算生物研究院竺立哲教授對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬工作提供了重要指導(dǎo)。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、教育部中央高校青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金、合肥綜合性國家科學(xué)中心大健康研究院前沿交叉科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)研究所、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B類專項(xiàng)、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”科研基金、深圳市科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新委員會(huì)科研項(xiàng)目以及中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.028 （生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部） |
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