第十章光控发育 Photomorphogenesis 一、光对植物生长发育的影响 光可以通过两种形式影响植物的生长和发育： ●能量形式－－光合作用（高能作用、间接影 响生长发育） ●信号形式－－光控发育（低能反应，直接影 响生长发育）。常见的光控发育现象有： –植物的向光性 –光调节种子萌发 –黄化苗现象 –光周期现象 二、光控发育（光形态建成）的概念 ●形态建成：植物生活周期中呈现的种子萌发、生 根、形成幼苗、茎叶生长、开花、结实、种子形 成等植物体及其器官的结构形成的过程 ●光形态建成：（photomorphogenesis）低能的光调 节种子萌发、生根、形成幼苗、茎叶生长、开 花、结实、种子形成等植物体及其器官的结构形 成的过程。 （所需能量比光合作用光补偿点的能量还低10个数量级， 与光信号的有无、光的性质） 三、植物对不同波长光的感受——四 种类型的光受体（photoreceptors） ● Phytochrome ——红光/远红光（600-750nm） ● Cryptochrome ——蓝光/UV-A（320-500nm） ● Phototropin ——蓝光/UV-A（320-500nm） ● UV-B receptor——未知的光受体 前三种是目前已经从分子水平鉴定的光受体。 四、Phytochrome （光敏色素） 20世纪20年代，光照与黑暗的相对长度控 制着一些植物的开花； 30年代，发现许多形态建成的反应由红光 诱导；1935-1937, Flint 等在研究光质对莴 苣种子萌发影响时，发现有些光质的光促 进萌发，最有效的光是在红光区域（600- 700nm)，而有些光质的光抑制萌发，远红 光区域(720-760nm)。 1、光敏色素的发现 1952年(1946-1960)，Borthwick & Hendricks （美国）单色光的大型光谱仪，用单色光处理莴 苣种子，发现红光（660nm）促进种子发芽，而 抑制莴苣种子萌发最有效的光是730nm，进一步 研究发现，如果用红光和远红光交替照射莴苣种 子，种子萌发的促进或抑制只与最后一次照射的 光质有关，而与红光和远红光交替的次数无关， 最后一次照射的是红光，促进萌发，远红光则逆 转此过程（抑制）。 顺次暴露在R和FR后，莴苣种子的发芽情况 光照处理发芽率（%） 黑暗（对照）8 R9 R+FR 54 R+FR+R 100 R+FR+R+FR 43 R+FR+R+FR+R 99 R+FR+R+FR+R+FR 54 R+FR+R+FR+R+FR+R 98 红光区600~700nm 远红光区720~760nm ?莴苣种子萌发受到促进或抑制只与最后一次照射的 光质有关，红光促进，远红光抑制。 ?吸收红光和远红光并可以相互转换的光受体是具有 两种存在形式的单一色素——光敏色素。 直到1959年，Butler等研制出双波长分光光度 计，测定黄化玉米幼苗的吸收光谱，发现幼 苗经红光处理后，红光区域的吸收减少，经 远红光处理，则红光区域的吸收增多，而远 红光区域的吸收消失（图10-1，P316）， 红光及远红光轮流照射时，吸收光谱可多次 可逆变化，暗示引起这种可逆反应（红光-远 红光）的光受体可能是有两种存在形式的单 一色素，Borthwick等（1960）将其命名为光 敏色素。但未分离纯化这种光受体。 1983，Vierstra & Quail 提取出完整的、未被 降解的光敏色素。 蛋白质和开链四吡咯生色团通过硫脂键相连 2、光敏色素的结构与性质 ?光敏色素脱辅基蛋白质的结构 ?P1: relative short, rich in serine residues ?P2: PAS domain ?P3: GAF motif, chromophore binding domain ?P4: PHY domain ?PRD: PAS-related domain ?HKRD: Histidine-kinase-related domain Light sensing domain Signal-transducing domain P1 P2 P3 P4 PRD HKRD1 PRD HKRD2 Pi Pi Pi Phytochrome以两种形式存在： ?Pr——红光吸收形式，蓝色，无活性，存 在于暗生长的植物中 ?Pfr——远红光吸收形式，蓝绿色，是光敏 色素的活性形式 ? Pr与Pfr的光平衡和结构转换：D环 立体异构转换 也有人认为Pr与Pfr的结构差异在于开 链四吡咯上的双键数目 3、光敏色素的类型： ●根据稳定性分： – Type I: light-labile phytochrome（光敏感型 光敏色素） – Type II: light-stable phytochrome（光稳定型 光敏色素） ●根据编码光敏色素脱辅基蛋白质的基因分： – PHY A, PHY B, PHY C, PHY D, PHY E Type I：PHY A Type II：PHY B, PHY C, PHY D, PHY E 4、光敏色素的组织和细胞定位： ?组织器官定位：各个器官，蛋白质丰富的组 织中较多，黄化幼苗比绿色幼苗多，10~100 倍（早期黄化幼苗使用原因之一），禾本科 植物的胚芽鞘尖端、黄化豌豆幼苗的弯钩部 分； ?细胞定位：膜系统、核和细胞液。 5、光敏色素的生理作用 ●种子萌发、弯钩打开、叶片展开、小叶 运动、偏上性生长、节间伸长、色素形 成、光周期、开花诱导等。 6、光敏色素生理作用的机理假说 7、光敏色素的作用模式（光流量要求）： ? Very low fluence responses（VLFR，极低流 量反应）：能为0.1nmol/ m 2 的光流量启动的 反应，相当于荧火虫一次闪光的十分之一。 如：红光抑制黄化燕麦胚轴生长和促进胚芽 鞘生长等反应。 ? Low fluence responses（LFR，低流量反 应）：能为1.0 μmol/ m 2 的光流量启动的反 应——特点：红光/远红光可逆（Red/far-red reversible）。大部分典型的光敏色素参与的 光可逆反应，如莴苣种子萌发 ? High irradiance response（HIR，高辐射反 应）：光流量超过10mmol/ m 2 才能启动的反 应。与光强度（低光强不反应）或持续时间 （频繁中断不反应）有关。双子叶植物幼苗 和苹果果皮上的花青素苷的合成，莴苣胚芽 钩的打开，芥子子叶伸长等光调节反应 ? Red HIR ? Far-red HIR 8、光敏色素介导的信号传递途径 （1）信号传递成分 ●光敏色素相互作用因子—— Phytocrome interacting factors (PIFs) – PIF3：Phytocrome interacting factors 3 – NDPK2：Nucleotide diphosphate kinase-2 – PKS1：Phytocrome kinase substrate-1 – IAA/AXR family proteins ● Second messengers – G protein – Ca 2+ （2）信号传递事件（Signal transduction events） ●光诱导的光敏色素构象变化——光敏色素信号传递 的启动步骤 –色素的异构化 –蛋白构象的改变 ●自体磷酸化 ●光敏色素与PIFs结合及在核-质间重新分布 ●形成nucleus speckle （3）信号传递途径（Signal transduction pathways） ● Ca 2+ /cGMP途径：光敏色素活化后诱发细胞 质中的Ca 2+ 、cGMP信号传递级联途径 ●作为激酶：光敏色素具有激酶结构域 ●直接转录激活途径：活化的光敏色素可以转 移到核内，与转录因子作用，调节基因表达 五、Cryptochrome（隐花色素） ●隐花色素的发现 –植物对蓝光的响应早已发现。1977年，蓝 光受体被命名为cryptochrome – 1993年，从拟南芥菜中克隆了第一个植物 蓝光受体基因——CRY1（Cryptochrome 1） –拟南芥菜中有两个cryptochrome基因： CRY1和CRY2 ●隐花色素的结构和特性 – CRY1和CRY2的含一个FAD辅基和一个蝶 呤（甲叉亚甲基四氢叶酸）色素中心 – CRY1和CRY2与细菌DNA光解酶基因 （DNA photolyase gene）具有强同源性（氨 基酸序列），但无DNA光解酶活性 （Crytochrome和DNA photolyase的相同之处：氨基酸序列同 源、色素中心相同、活性发挥需要光。） PHR: Photolyase related domain DAS: DQXVP-acidic-STATES motif N- PHR DAS -C ●隐花色素的信号传递途径 –两个突变体及其相关基因 9 Constitutive photomorphogenesis 1—cop1 （组成型光形态建成突变体）：在黑暗条 件下不出现黄化现象 9 Elongated hypocotyl in light 5—hy5：在光 照条件下不能进行正常光形态建成 –可能信号途径： 9 CRY?COP1蛋白降解?HY5蛋白在核内 积累?基因表达 六、Phototropin（向光素） ●向光素的发现 – 1988年Gallagher等发现了蓝光激活的细胞质膜 上的磷酸化活性；1994年，Short & Briggs进一 步的研究发现该磷酸化活性与蓝光介导的向光 反应紧密相关 –第一个将蓝光介导的向光反应和磷酸化联系起 来的证据是拟南芥菜突变体JK224 –从拟南芥菜向光反应缺失突变体中鉴定的第一 个向光素：photortopin 1 ●向光素的结构和性质 –向光素在氨基末端具有两个LOV结构域 （light, oxygen and voltage-regulated protein），在羧基末端具有典型的丝氨酸/ 苏氨酸激酶结构域 N- LOV1 LOV2 KINASE -C ●信号传递途径： –信号传递中间体： 9 BR-C, TTK,BAB (BTB)/pox virus 9 zinc-finger (POZ)-domain proteins: NON- PHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3) and ROOT PHOTOTROPISM 2 (RPT2) –可能信号途径： PHOT1?RPT2/NPH3?transcript factors?gene expression 七、光对拟南芥菜发育的调节作用 ●种子萌发 9 LFR：（red/far-red reversible）phyB 9 VLFR：（red or far-red light）phyA 9 Far-red HIR：（continuous far-red light）phyA 9 Other phytochrome：phyE —— phyAphyB double mutants still show some R/FR reversible germination. ●脱黄化作用（de-etiolation） ?自然状态下脱黄化的发生：种子从土壤中萌 发、破土并到达地面以上，包括种子萌发到第 一片真叶形成的过程，其生长环境从无光?弱 光?强光。 9在低强度光环境下（浅土环境中），控制发育的为 phyA 9当苗出土后，phyA降解（光敏感），phyB和 cryptochrome成为主导，phyB接收红光，而 cryptochrome接收蓝光信号。 9其他因素，如：昼夜节律调节、生长素、细胞分裂 素、油菜素内酯、脱落酸和乙烯等激素对此过程有 调节作用 ●避阴作用（shade avoidance） –避阴反应：伸长加速、叶片减少、顶端优 势增加、枝条减少；种子萌发抑制、开花 加速、果实发育时间缩短、种子数目减 少。 –避阴作用的信号感受：光敏色素对红光/远 红光比率（R/FR）的感受——当光通过 时，顶端植物的叶片由于光合作用色素的 存在吸收了红光，在透过的光中远红光比 例大大增加，R/FR比例的改变是底层植物 感知相邻植物竞争的信号。 –起作用的光受体：phyB，phyD，phyE ●向光作用（phototropism） –包括茎的正向光性和初生根的负向光性 –相关光受体：向光素——在拟南芥菜中为 Photo1和Photo2。Photo1在所有强度的蓝光 下均有作用，而Photo2仅在高强度蓝光下起 作用。光敏色素可能起一定的调节作用。 ●叶绿体运动和气孔开放 –现象：当光照较弱时，叶绿体排列在叶片 上表面（与光照方向垂直）增加光吸收和 光合作用；当光照较强时，叶绿体的排列 与光照方向平行，减少过量光产生的损伤 作用。 –相关光受体：向光素——Photo1和Photo2 ●日照时间感受和昼夜节律 –相关光受体：光敏色素和隐花色素 9 cry1和phyB ——强蓝光或红光 9 cry2和phyA——弱光 光对模式植物拟南芥菜发育的调节作用