2025年5月15日，Cell杂志在线发表了中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰、刘欣团队联合谭树堂团队的重要研究进展，题为“Structural insights into auxin influx mediated by the Arabidopsis AUX1”。该研究首次报道了植物生长素内向转运蛋白AUX1的三维结构，系统阐释了该蛋白依赖于质子浓度梯度向胞内运输生长素的分子机制。这是合作团队继揭示由PIN家族蛋白介导的生长素外向运输机制（Nature, 2022），以及鉴定植物首个油菜素甾醇外排蛋白ABCB19和ABCB1（Science, 2024；Plant Communications, 2025）之后，在植物激素运输领域的又一重要突破。
作为植物体内最早被发现的植物激素，生长素几乎参与了植物整个生命周期的各个关键过程，如根和芽的形成、茎叶的生长、向光和向重力性反应等。尤其令人关注的是，生长素在植物体内并不是“随机扩散”，而是呈现出明显的极性运输特性——也就是说，它会沿着特定方向在细胞间流动，从而形成浓度梯度，调控植物发育和环境响应。日常常见的向日葵“转头”运动就是生长素在向光侧和背光侧分布不均匀产生的结果。这种有方向的运输主要依赖三类蛋白的协同作用：负责生长素从胞内向胞外运输的PIN家族和ABCB家族蛋白成员，以及负责生长素从胞外转运至细胞内的AUX1/LAX家族成员。它们的转运方式和调控机制各异，对于生长素极性运输和特定空间分布发挥了十分关键的作用。
2022年，孙林峰/刘欣团队报道了拟南芥PIN家族经典成员PIN1的工作机制，系统阐释了PIN1识别运输生长素和被竞争性抑制剂NPA抑制的机理，提出了PIN家族蛋白介导的生长素外排模型（Nature,2022, https://doi.org/10.1038/s41586-022-05143-9）。在针对此前被认为是生长素外排蛋白的ABCB家族成员ABCB19和ABCB1的研究过程中，孙林峰/刘欣团队意外发现了它们能够转运另一类重要的植物激素——油菜素甾醇，并与比利时根特大学Eugenia Russinova团队合作，结合生物化学和植物生理学等手段，系统阐述了ABCB19和ABCB1外排油菜素甾醇的分子机制，从而拓展了领域对这类蛋白功能的认知（Science,2024, https://doi.org/10.1126/science.adj4591; Plant Communications, 2025, https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101181）。然而，对介导生长素内向运输的AUX1/LAX蛋白家族仍然缺乏分子水平的认知，成为理解生长素极性运输机制的关键“缺口”。
拟南芥AUX1是首个被鉴定的生长素内向运输蛋白，其功能缺陷导致生长素极性运输受阻，产生根的向重力性丧失、主根伸长抑制、下胚轴向光性受损，以及叶序排列异常等表型。孙林峰、刘欣与谭树堂团队展开合作，针对拟南芥AUX1进行了研究。首先，团队搭建了基于放射性同位素的生长素内向运输检测体系，结合微量热泳动 (MST)和等温滴定量热法（ITC）等生化手段，证实了AUX1蛋白的生长素结合和转运活性受到质子浓度的影响，并被此前报道的小分子抑制剂1-NOA（1-naphthoxyacetic acid）和CHPAA（3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid）等抑制。
进一步，研究团队利用冷冻电镜技术，解析了AUX1在无底物结合状态、与底物生长素IAA结合状态，以及与小分子抑制剂CHPAA结合的三种不同状态下的高分辨率三维结构，首次揭示了AUX1/LAX家族蛋白的形貌。在结构中，AUX1均呈现向细胞内侧开放的构象，由11个跨膜螺旋组成，采用经典的LeuT折叠方式（LeuT-fold）。通过分析生长素结合状态的结构，团队鉴定了参与生长素结合的关键氨基酸残基，并通过突变体构建、生化和植物生理学分析验证了这些位点的重要性。特别的是，通过比较无底物结合和底物结合不同状态下的结构，团队发现蛋白参与底物结合的跨膜螺旋产生了较大的构象变化，尤其是第249位的组氨酸残基H249，侧链存在较大偏转，暗示其在底物识别过程中发挥作用。进一步，团队与香港中文大学（深圳）竺立哲团队合作，开展了分子动力学模拟实验，验证了H249在生长素识别和质子耦合过程中的重要角色。CHPAA是一种之前报道的生长素内向运输特异性抑制剂，常被作为工具用来研究生长素极性运输过程。团队解析了AUX1在CHPAA结合状态下的结构，发现虽然CHPAA与底物生长素结合在近乎相同的位置，但是结合模式存在显著区别，从而为其抑制机理提供了见解。基于以上结果，研究团队提出了AUX1依赖于质子浓度梯度，介导生长素内向运输的转运模型。
图1. AUX1蛋白介导的生长素内向运输机制。
图2.研究团队合影
综上，该研究首次揭示了由AUX1/LAX蛋白家族介导的植物生长素内向运输的分子基础，从而填补了生长素极性运输过程的关键空白。结合前期对生长素外向运输蛋白PIN1的研究，孙林峰/刘欣团队从分子层面绘制了生长素极性运输过程的图景。这一系列成果不仅加深了我们对植物激素运输机制的理解，也为未来应用奠定了基础，有望在农业除草剂开发、提升作物产量和环境适应性等方面发挥应用价值。
中国科学技术大学生命科学与医学部博士后杨智森、博士研究生魏宏、博士研究生甘雨琳，以及香港中文大学（深圳）博士后刘慧慧为该论文的并列共同第一作者；中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授、刘欣副教授和谭树堂教授为该论文的共同通讯作者；中国科学技术大学冷冻电镜中心高永翔博士为冷冻电镜数据采集提供了支持和帮助；香港中文大学（深圳）医学院、瓦谢尔计算生物研究院竺立哲教授对分子动力学模拟工作提供了重要指导。该研究获得了国家自然科学基金、教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目、安徽省自然科学基金、合肥综合性国家科学中心大健康研究院前沿交叉科学与生物医学研究所、中国科学院战略性先导B类专项、中央高校基本科研业务费、中国科学技术大学双一流科研基金、深圳市科学技术创新委员会科研项目以及中国博士后科学基金等项目的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.028