向日葵为什么总是向着太阳？在植物体内有一种被称为生长素的物质，如同人体内的生长激素一样，负责给细胞传达信息，指挥植物的生长发育。受光照影响，生长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧，产生浓度差异。由此，背光侧生长会更快一些，而向光侧慢一些，向日葵的花盘自然就朝向太阳。生长素的运输需要细胞膜上的“搬运工”——转运蛋白的协助，其中非常重要的一员是负责将生长素从细胞内搬运到细胞外的PIN家族蛋白。
这些“搬运工”长什么样？又是如何工作的？8月2日，《自然》以“快速通道”形式发表了中国科学技术大学（以下简称中国科大）生命科学与医学部教授孙林峰团队在植物生长机理上的重大进展。
该研究揭示了生长素“搬运工”成员PIN1蛋白，以及它分别与抑制剂NPA（又名抑草生）、生长素IAA结合的三个高分辨率结构，并通过功能分析阐释了PIN1“搬运”生长素的机制，为理解植物生长素运输调控，以及针对PIN家族蛋白的农业用除草剂和生长调节剂的设计开发提供了重要基础。作为第一个被发现的植物激素，生长素几乎参与了植物生长发育调控的每个过程，如胚胎发育、向光性和向重力性生长等。
生长素一个显著特点是其细胞间传递具有方向性，被称为极性运输，而PIN家族蛋白在其中发挥了关键作用。特定PIN家族成员在细胞质膜上具有不对称分布的特点，它们的分布位置决定了生长素“搬运”的方向。但是由于缺乏精细的三维结构，PIN家族蛋白特异性识别、转运生长素的机制一直未知。NPA是之前在实验室广泛应用的一种生长素极性运输抑制剂，也是农业生产中最早作为除草剂应用的化学小分子之一。
它可以直接靶向PIN家族蛋白，但是发挥作用的机制尚不清楚。孙林峰表示，解析PIN家族蛋白的三维结构是生长素研究领域亟待解决的科学问题。该结构的揭示，不仅有助于理解生长素的“搬运”过程，而且基于这些结构，有利于研究人员针对PIN家族蛋白设计小分子抑制剂，找到更高效、环境友好、对人类更安全的除草剂和生长调节剂，并应用于农业生产。
该研究中，孙林峰团队选择了PIN家族中经典的、最早鉴定出的PIN家族成员之一——拟南芥PIN1蛋白作为研究对象。团队花了一年多时间，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的功能检测体系，验证了PIN1蛋白的生长素“搬运”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的过程。然后，他们利用冷冻电镜单颗粒重构技术解析蛋白结构。
冷冻电镜相当于蛋白分子的“摄影师”，可以从不同角度给蛋白“拍照”，然后利用这些二维照片重构三维结构。在这项研究中，团队进一步解析出了PIN1与生长素IAA、抑制剂NPA结合的复合体结构，揭示了PIN1蛋白如何“装载”生长素，以及NPA“鸠占鹊巢”阻制生长素“搬运”的全貌。从2017年团队成立并开始这项课题研究到2022年在《自然》上发表论文，5年的时间过去了。
孙林峰表示，下一步，团队将继续研究PIN1蛋白的动态转运过程，捕捉不同状态下的三维结构，并进一步研究PIN1蛋白受磷酸化激活及调控的机理，更深入地理解PIN家族蛋白运输生长素的机制。同时，基于三维结构设计，筛选化学小分子，力图发现更安全有效的除草剂或植物生长调节剂，更好地服务农业生产。