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生长素（IAA）的极性运输（PAT）对植物生长发育至关重要，但其内流机制尚不明确。中国科学技术大学研究团队聚焦拟南芥 AUX1/LAX 家族转运蛋白，通过冷冻电镜（cryo-EM）解析 AUX1 在 apo、IAA 结合及抑制剂 CHPAA 结合状态的结构，揭示其质子偶联运输机制，为理解植物生长素调控提供关键结构基础。
生长素（indole-3-acetic acid, IAA）作为植物体内最重要的激素之一，犹如植物生长的 “指挥棒”，调控着从细胞分裂到器官发育、从向地向光反应到环境响应的诸多生命过程。其核心奥秘在于 “极性运输（polar auxin transport, PAT）”—— 一种独特的方向性运输模式，通过建立生长素浓度梯度，精准调控植物生长的时空秩序。然而，这一过程中关键的内流机制长期笼罩在迷雾之中：作为主要生长素内流载体的 AUXIN1/LIKE-AUX1（AUX1/LAX）家族，究竟如何识别生长素？运输过程中质子梯度如何发挥作用？抑制剂的作用机制又是什么？这些问题制约着人们对植物生长调控本质的理解。
为破译这些科学谜题，中国科学技术大学的研究团队展开了深入研究。他们以拟南芥（Arabidopsis thaliana）的 AUX1 蛋白为研究对象，利用冷冻电镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）这一 “分子照相机”，成功捕获了 AUX1 在三种关键状态 —— 未结合生长素（apo state）、结合生长素（IAA-bound state）及结合竞争性抑制剂 3 - 氯 - 4 - 羟基苯乙酸（3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid, CHPAA-bound state）的高分辨率结构，并结合微尺度热泳（microscale thermophoresis, MST）、等温滴定量热法（isothermal titration calorimetry, ITC）等生物物理技术，揭开了生长素内流的分子机制面纱。这项成果发表在国际顶级期刊《Cell》上，为植物生理学领域带来了突破性进展。
研究中，团队主要运用了以下关键技术：
- 冷冻电镜技术（cryo-EM）：通过构建 AUX1 与 BRIL-Fab - 纳米抗体（Nb）的三元复合物，解决了 AUX1 分子量小难以解析的难题，成功获得三种状态的高分辨率结构（分辨率分别为 3.5 ?、3.4 ?、3.4 ?）。
- 功能验证实验：利用人胚肾细胞（HEK293F）和昆虫细胞（Sf9）进行生长素转运活性测定，结合放射性标记的 [3H]-IAA 积累实验，验证 AUX1 的运输功能及抑制剂效应。
- 分子动力学模拟（MD simulations）：通过计算不同质子化状态下的结合自由能，揭示组氨酸残基 H249 在质子偶联中的关键作用。
研究结果
1. AUX1 的结构特征与运输机制
AUX1 属于氨基酸 / 生长素通透酶（amino acid/auxin permease, AAAP）家族，采用典型的 LeuT 折叠（LeuT-fold）结构，包含 11 个跨膜螺旋（transmembrane helices, TMs），形成 “5+5” 反向重复核心结构。冷冻电镜结构显示，三种状态均呈内向开放构象（inward-facing conformation），其底物结合口袋由 TM1、TM3、TM6、TM8 和 TM10 共同围成。IAA 通过羧基与 AUX1 的谷氨酰胺 Q62、Q153 及酪氨酸 Y244 形成氢键，吲哚环与苯丙氨酸 F145 发生疏水相互作用，而组氨酸 H249 通过阳离子 -π 作用增强结合亲和力。
2. 质子偶联与 pH 依赖性
AUX1 的运输活性具有显著 pH 依赖性，在 pH 6.0 时亲和力最高（Kd=3.1±0.4 μM），pH 7.0 时亲和力下降约 40 倍（Kd=119.7±16.1 μM）。分子动力学模拟表明，组氨酸 H249 的质子化状态是关键：在酸性胞外环境（pH~5.5）中，质子化的 H249（HSP+）通过阳离子 -π 作用促进 IAA 结合；而在中性胞质（pH~7.0）中，去质子化的 H249 减弱结合，触发底物释放。这一机制揭示了 AUX1 作为质子偶联转运体（proton-coupled transporter）的本质。
3. 抑制剂的竞争性结合机制
CHPAA 作为 AUX1 的竞争性抑制剂，与 IAA 结合于同一口袋，其羟基与苏氨酸 T325、天冬酰胺 N58 形成氢键，氯原子通过疏水作用增强结合。结构比对显示，CHPAA 的苯环旋转 30° 以适应结合位点，解释了其高效抑制活性（IC50=2.0–2.4 μM），为设计新型生长素运输抑制剂提供了模板。
4. 功能验证与生理意义
通过点突变实验（如 N58A、H249A）和转基因拟南芥表型分析，证实关键结合残基对生长素运输和根向地性的决定性作用。例如，H249A 突变体的生长素结合亲和力下降超 20 倍，导致根向地性完全丧失，而野生型 AUX1 转基因可恢复表型，验证了结构解析的准确性。
研究结论与意义
这项研究首次在原子水平上揭示了 AUX1 介导的生长素内流机制，阐明了其作为质子偶联高亲和力转运体的分子基础，填补了植物生长素运输机制的关键空白。研究发现的 H249 质子偶联机制，为理解 APC 超家族（amino acid-polyamine-organocation superfamily）转运体的共性提供了新模型。此外，CHPAA 结合模式的解析为开发靶向 AUX1 的农业化学品（如除草剂或生长调节剂）开辟了新路径。
从更宏观的视角看，该成果不仅深化了人们对植物极性生长调控的认识，也为跨学科研究提供了范例 —— 通过结构生物学、生物化学与生理学的交叉，破解了长期困扰领域的科学问题。随着对 AUX1/LAX 家族功能的进一步挖掘，未来有望在作物改良、精准农业等领域实现突破性应用，为理解植物生命活动的本质及调控提供强大的理论支撑。
