这项登上《Nature》的研究成果，解决了植物向性这一百年科学难题的关键一环

本期发布人：浙江大学“百人计划”研究员 长聘副教授 郭江涛

本期发布成果：生长素转运蛋白PIN介导生长素极性运输的分子机制

生活中，我们总会遇到各种各样的植物，有低矮的小草，也有高大的树木，有艳丽的鲜花，也有朴素的枝叶，但他们似乎都有一个共性，喜欢向阳而生。

为什么植物可以生长成不同的样子？植物的生长到底是由什么因子调控？10月28日下午，浙江大学“百人计划”研究员、长聘副教授郭江涛走进了都市快报的演播厅，跟大家分享了他们研究成果中植物的“秘密”。

从一百年前的达尔文向光性实验

到最先进的冷冻电镜技术

科学始终在阐释着“锲而不舍，必有所得”

其实，关于植物生长的秘密，一直是科学家们好奇的对象。早在一百多年前，著名生物学家达尔文就研究过植物的向性运动，他通过一系列实验发现植物胚芽鞘的尖端受单侧光刺激后，向下面的伸长区传递了某种“影响”，从而造成伸长区背光面比向光面生长快，这样植物的生长就会呈现出向光的趋势。这就是我们中学生物教科书上被广为熟知的达尔文向光性实验。

之后，更多科学家通过研究发现，植物的弯曲生长是由一类化学物质引起的，它就是“生长素”。生长素不仅与植物向光性相关，还与植物向地性（向重力性）、向化性（包括向肥性）等相关。而之所以会造成这些向性变化，主要是由于生长素在植物体内的极性分配而造成的。因此，生长素的极性运输在这一过程中就变得非常关键。

郭江涛团队的研究正是针对生长素极性运输的分子机制展开。尽管科学家们发现PIN蛋白（pin-formed protein）已经三十多年了，但是对PIN的相关分子机制一直都不是很清楚，“对于弄清楚 PIN 蛋白介导生长素转运的分子机制，学界早已翘首以盼”。

郭江涛团队利用单颗粒冷冻电镜技术，解析了植物生长素“搬运工”成员PIN3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；并通过一系列功能实验最终解释了PIN蛋白介导的生长素极性运输的分子机制。这项研究成果实现了植物生长素极性运输研究的重大突破，让植物向性这一百年科学难题的关键一环得以解决。今年8月份，研究相关论文也发布在了国际顶尖期刊《Nature》上。

对于这项成果的意义，郭江涛这样向大家介绍，“这为开发基于结构靶向PIN家族蛋白的新型小分子抑制剂奠定了基础。这些抑制剂既能作为工具，去研究生长素的极性运输机理；也可作为农业除草剂，助力于作物改良。”

尽管郭江涛团队用了不到两年的时间完成了这项研究成果，但这之中还是遇到过很多困难，比如冷冻电镜的数据处理，“从拿到均一稳定的蛋白样品到拿到较好的密度图，经历了大半年的时间。我们通过尝试改善蛋白颗粒的取向优势问题，采用不同的电镜数据处理方法，总结经验，最终得到高分辨率结构。”对此，郭江涛也引用了他很喜欢的一句话“锲而不舍，必有所得”来勉励志在科研的年轻人，“我们要把目标放到更长的时间尺度来看，不要被眼前的挫折劝退。”

【科学关键词】

·生长素（auxin）

生长素是最重要的一类植物激素，对植物生长发育起核心调控作用。一般来讲，低浓度的生长素促进生长，高浓度的生长素抑制生长。在种子植物中，生长素主要通过极性运输或者维管系统进行运输。

·极性运输（Polar Auxin Transport，PAT）

又称纵向运输，就是生长素只能从植物的形态学上端往形态学下端运输，而不能倒过来运输。

·PIN蛋白

不均匀地分布于细胞质膜上，控制生长素运输方向的一种生长素外向转运载体。因拟南芥pin1-1突变株花序轴顶部的形态很像大头针而得名。

·NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）

NPA是一种除草剂，也是生长素极性运输的抑制剂。

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记者 翁丹妮 摄影 金静馨