1、第 6 章 光对植物发育的影响,6.1 光的感受6.2 植物对光的发育应答,植物对UV-B(波长280-320nm)、UV-A(320-380nm)、蓝光(380-500nm)、红光(620-700nm)和远红光(700-800nm)特别敏感。,6.1.1 植物的光受体,1. 植物的光受体有哪些？,植物的光受体可以分为4类：,光敏色素（phytochrome):主要感受红光和远红光；,隐花色素(cryptochrome)和NPH1(也称作phototropin,向光蛋白):调控对UV-A和蓝光的应答；,还有一个或几个尚未鉴定的UV-B受体。,2. 光受体组成：,光敏色素、隐花色素和NPH1都是
2、由光吸收色素即发色团（chromophore)以及与之结合的蛋白组成。,每个光受体的光谱敏感性，依赖于发色团的吸收谱(absorption spectrum)。,吸收了光之后，下游的信号传递由光受体蛋白调控。,1. 光敏色素的发现,6.1.2 光 敏 色 素,是从光可逆性(photoreversibility)现象中发现的。,光可逆性指照射几分钟微弱红光所引发的反应，可以为随后微弱远红光的照射所抑制。,2. 光敏色素的两种异构体形式及其转换,Pr：主要吸收光谱在红光区域(吸收峰大概为660nm)。,Pfr：主要吸收光谱在远红光区域(吸收峰大概为730nm)。,Pr和Pfr的吸收光谱 从UV-B
3、至远红光的大部分波长范围，Pr和Pfr都吸收。在光谱的红光/远红光区域，Pr强烈吸收红光波长，而Pfr强烈吸收远红光波长,光转换(photoconversion): Pr吸收光后，转变为Pfr形式；Pfr吸收光后可转变为Pr。,Pr和Pfr的相互转换 Pr吸收光后，转换为Pfr; Pfr吸收光后，转换为Pr。在一个不依赖于光的过程中，Pfr也可以转换为Pr, 该过程称为暗逆转。,因为Pr和Pfr在所有波长范围都有一定的光吸收，因此没有哪个光谱区域可以使所有光敏色素都只转变为其中一种形式。光敏色素是以Pr形式合成的，因此在完全黑暗条件下生长的种子和幼苗，只有Pr形式。,3. 光敏色素的类型,拟南
4、芥有5个光敏色素蛋白基因，称为PHYA、PHYB、PHYC、PHYD 和 PHYE。,它们生色团相同，但是受体蛋白不同。,这些基因编码的光敏色素可以分为两组：,- 光不稳定型光敏色素: 光敏色素A, 是经过长时间黑暗处理后浸湿的种子和幼苗中的主要光敏色素。,- 光稳定型光敏色素: 光敏色素B-E, 是光照条件下生长的植物中主要的光敏色素类型。,4. 光敏色素的命名,野生型光敏色素基因的等位基因用大写斜体表示，如PHYA、PHYB等。,光敏色素基因编码的蛋白用大写正体表示，如PHYA、PHYB等。,相应的全蛋白(二聚体与完整的生色团），用phyA、phyB等表示。,phyA的Pr和Pfr形式用P
5、rA和PfrA表示；phyB的Pr和Pfr形式用PrB和PfrB表示。,5. 在暗处和光下生长的幼苗中，phyA和phyB之间的平衡,phyA（光不稳定型光敏色素）在暗处生长的幼苗中占优势；,phyB（光稳定型光敏色素）在光下生长的幼苗中占优势。,在暗处生长的幼苗中，PHYA基因高表达，而且所有的光敏色素都以Pr的形式合成，导致大量Pr形式的phyA (PrA) 积累。PHYB基因表达量很低。,当暗处生长的幼苗转移到光下, phyA的浓度迅速下降。浓度的降低，部分是由于PrA转变为PfrA ，PfrA可以迅速降解（半衰期约为1h），也因为光抑制PHYA基因的转录。与之相反，在光下和暗处，PHY
6、B基因转录的速率相近，PfrB是稳定的（半衰期为7-8h），phyB占优势。,6. 光敏色素的激酶活性,Pfr形式的光敏色素有激酶活性，可以自磷酸化，也可以催化其他蛋白的磷酸化。,有趣的是，隐花色素是光敏色素激酶活化的一个靶目标，表明红光/远红光和蓝光/UV-A的信号传导途径在光受体水平有一定的交联。,7. 光敏色素的运动-核穿梭,在黑暗下，新合成的Pr完全定位于细胞质中，但是红光照射后，光敏色素从细胞质向细胞核运动。,光敏色素的核穿梭非常重要，因为光敏色素与核蛋白之间存在重要的相互作用。,- 这些蛋白包括磷酸化底物，比如隐花色素和Aux/IAA蛋白。 - 光敏色素可以直接与转录因子结合，调控
7、其活性。,是蓝光(400-500nm)和UV-A(320-400nm)的受体。,6.1.3 隐 花 色 素,隐花色素1（cry1）和隐花色素2（cry2）,N端是光裂解酶相关序列(PHR)，与发色团（黄素腺嘌呤二核苷酸，FAD）结合，是保守区。,C端与核或质相通或蛋白质相互作用有关。,PHR的三维结构折叠成2个区域，一个/区域和一个螺旋区域，它们通过可变环连接。,CRY2恒定位于核中，可能与染色体结合；CRY1在黑暗下核中积累，依赖光的作用在质核间穿梭。,cry2光下降解，cry1在光下是稳定的。,拟南芥有一个蓝光/UV-A光受体NPH1，参与向光性反应，有时称其全蛋白的形式为“向光蛋白”。,
8、6.1.4 NPH1,NPH1编码一个质膜相关的蛋白激酶，有两个黄素生色团。,第 6 章 光对植物发育的影响,6.1 光的感受6.2 植物对光的发育应答,6.2.1 光诱导的萌发6.2.2 幼苗黄化和光形态建成6.2.3 向光性6.2.4 开花的光周期调控,对拟南芥和其他被子植物来说，光可以促进种子的萌发。,光诱导的种子萌发主要受光敏色素A和B的调控。,1.光敏色素与种子萌发,(a) 野生型的种子即使在暗下也萌发。在phyB突变体中，这种反应减弱，证明这种反应需要phyB。,野生型和光敏色素突变体的种子萌发率,(b) 用低流量的红光照射，野生型种子的萌发率增加。在phyB突变体中，这种反应也减
9、弱，证明这种反应需要phyB。,(c) 在黑暗下浸湿培养几天后，野生型种子对光变得极其敏感，用极少流量的广谱光照射，都可以诱导萌发。在phyA突变体中，这种反应消失，证明这种反应需要phyA。,（1）phyB 调控的萌发应答反应,在phyB 突变体中，在黑暗条件下萌发，或者经过低流量红光处理后再萌发，其萌发率极大降低了。这说明，phyB主要负责调控这些条件下的种子萌发。,红光诱导种子萌发，远红光抑制种子萌发，表明当phyB处于Pfr形式时，可以促进萌发。,为何某些种子在黑暗条件下也可以萌发，原因还不清楚。可能是因为在胚胎发生过程中，由于phyB的合成和光转换，导致胚胎含有一些PfrB。,phy
10、B调控的红光对种子萌发的促进作用，可以促进日光条件下（红光/远红光的比例很高）土壤表面的拟南芥种子进行萌发。,（2）phyA 调控的高度光敏感应答反应,当浸湿的种子保存在完全黑暗的环境中，phyA 突变体的光敏应答反应严重受损。远红光下光敏色素A发挥作用。,浸湿的种子产生较高的光敏感性，是由于：,在长期黑暗过程中，PrA大量富集，由于在整个光谱范围内PrA都有光吸收，使得低流量的任何波长的光，即使少量的PrA转变为PfrA,也可以促进萌发。,phyA调控的高度光敏感应答反应，也可以促进其他环境条件下的萌发。,如：叶吸收红光波长的效率，远高于吸收远红光波长的效率。因此，树荫下的红光和远红光波长的
11、比率降低，这就阻止了phyB调控的萌发应答反应，,一个或多个其他光稳定型的光敏色素（phyC、phyD和phyE),也调控萌发过程。,赤霉素是种子萌发所必需的。,2.赤霉素,例如，拟南芥ga1 突变体不能合成赤霉素，甚至在光照下种子也不能萌发，但是外源施加赤霉素，可以诱导萌发。,有强有力的证据证实，光敏色素是通过,对赤霉素的敏感性来影响种子的萌发。,影响赤霉素的生物合成,种子萌发过程中，光敏色素和赤霉素的相互作用,Pfr形式的光敏色素通过增加GA4和GA4H基因的转录，从而增加赤霉素的合成。Pfr信号也增加种子对赤霉素的敏感性。,6.2.1 光诱导的萌发6.2.2 幼苗黄化和光形态建成6.2.
12、3 向光性6.2.4 开花的光周期调控,在持续的黑暗条件下，被子植物会黄化(etiolated), 称为暗形态建成。,黄化是在土壤表面下萌发的一种适应。使茎迅速伸长，伸出土壤，形成钩形芽，保护茎顶端分生组织。,光照条件下生长的幼苗表现为光形态建成（photomorphogenesis),有时也称为去黄化。,广谱的光照都可以诱导光形态建成，如，UV-A、蓝光、红光或远红光照射后，幼苗都会去黄化。,1. 光形态建成的光受体,光受体突变体的表型表明,(a) 对红光的应答需要phyB；(b) 对远红光的应答需要phyA,(c) 对UV-A/蓝光的应答需要cry1.,持续的UV-A/蓝光,黑暗,光形态建
13、成的受体：,在连续红光照射下，phyB是去黄化所必需的。,phyA调控连续远红光照射引起的去黄化。,cry1和cry2是UV-A或蓝光照射引起的完全去黄化所必需的。,与cry2的光不稳定性相一致，在低强度的蓝光照射下，光形态建成是受cry1和cry2活性调控，但在高强度的蓝光照射下则主要受cry1调控。,光受体下游的信号传导以两种方式诱导光形态建成：,2. 光形态建成的负调控因子,第一是感受光后，下游的正调控因子可以激活光合作用的相关基因；,第二是光诱导的信号传导可以抑制光形态建成的负调控因子。,cop/det/fus突变体：在持续黑暗条件下呈某种程度的光形态建成表型的拟南芥突变。,用去黄化（
14、de-etiolated, det）或者持续光形态建成（constitutively photomorphogenic, cop）来描述这种表型。在筛选紫色幼苗过程中，还发现了具有cop/det表型的其他突变体，把这些突变体称为fusca (fus,紫色)。,（d) 在黑暗下，野生型幼苗黄化，光形态建成受到抑制。多效的cop/det/fus突变体在黑暗下有光形态建成的表型，表明COP/DET/FUS基因是在黑暗下抑制光形态建成所必需的。,持续的UV-A/蓝光,黑暗,在黑暗下，COP1定位在细胞核中，它加速HY5转录因子的蛋白水解。因此核内的COP1非直接的抑制光诱导基因的表达。在光下，COP1
15、定位在细胞质中，就不能加速HY5的水解。HY5促进光诱导基因的转录。COP1、COP9复合体和DET1之间的相互作用，是在黑暗下维持COP1定位在细胞核中所必需的。,（1）COP9复合体：,一些COP/DET/FUS 基因，编码一个多亚基蛋白复合体。因为COP9是复合体中第一个得到鉴定的成员，因此称为COP9复合体。,在光照和黑暗环境下生长的幼苗中，主要定位于核内。,抑制光形态建成。,（2）COP1,COP1不参与组成COP9复合体，是一个泛素-蛋白连接酶，将泛素连接到其他蛋白上，给他们贴上降解的标签。,COP1的细胞定位：,在黑暗条件下COP1定位于细胞核； 在光照条件下定位于细胞质。,CO
16、P1的一个重要的靶蛋白是转录因子HY5 (ELONGATED HYPOCOTYL5)。HY5可能促进光诱导基因的转录。,HY5可能促进光诱导基因的转录，决定光形态建成的程度。,（3）HY5的活性至少受3种机制调控：,第一，在光照条件下，HY5基因的转录速率比在黑暗条件下快；,第二，在黑暗条件下，HY5蛋白发生磷酸化，降低该蛋白的活性；,第三，在黑暗条件下，由于COP1对HY5的泛素化加快，HY5蛋白的半衰期缩短。,在黑暗下，COP1定位在细胞核中，它加速HY5转录因子的蛋白水解。因此核内的COP1非直接的抑制光诱导基因的表达。在光下，COP1定位在细胞质中，就不能加速HY5的水解。HY5促进光
17、诱导基因的转录。COP1、COP9复合体和DET1之间的相互作用，是在黑暗下维持COP1定位在细胞核中所必需的。,6.2.1 光诱导的萌发6.2.2 幼苗黄化和光形态建成6.2.3 向光性6.2.4 开花的光周期调控,6.2 植物对光的发育应答,1. 根、茎和叶的向光性(phototropism),茎向光生长,根逆光生长,叶片有更复杂的向光反应，既影响叶片的位置，又影响叶片的方向。,叶镶嵌,叶方向,（1）向光性中的光受体,2. 向光性中的光感受和信号传导,UV-A和蓝光可诱导产生最强的向光反应，这说明向光性主要是由蓝光/UV-A光受体调控,拟南芥nph1 突变体在蓝光下表现出极弱的向光性，这说
18、明，NPH1主要调控向光反应。,（2）向光性中的信号传导,拟南芥NPH3、RPT2 基因的功能丧失突变，导致非向光性的表型。它们可能在向光反应的信号传导中发挥作用。,NPH1是一个光激活的蛋白激酶，吸收光后发生磷酸化。NPH3与RPT2蛋白具有磷酸化位点，因此，它们可能是NPH1磷酸化的目标。,生长素信号传导的突变体，如拟南芥nph4突变体，向光反应极大减弱。,NPH4编码一个生长素应答因子，它是一种应答生长素后调控基因转录的蛋白。,3. 向光反应需要生长素信号,单向光诱导生长素在胚芽鞘顶尖的横向运输，导致生长素在胚芽鞘的分布不均匀，引起细胞延伸速率发生改变。,燕麦胚芽鞘向光性的Cholodn
19、y-Went假说,6.2.1 光诱导的萌发6.2.2 幼苗黄化和光形态建成6.2.3 向光性6.2.4 开花的光周期调控,6.2 植物对光的发育应答,日长，也就是光周期（photoperiod)，是季节的指示牌。,光周期调控广泛的发育过程：芽的发育和休眠、茎的伸长、储藏器官的形成、营养性再生、开花等。,根据植物开花对光周期的不同要求，植物可分为3类：,- 长日照植物(long-day plants, LDPs): 高于临界长度的光周期可促进开花，如拟南芥；,1. 对光周期的要求,- 短日照植物(short-day plants, SDPs): 低于临界长度的光周期可促进开花，如大豆；,- 日照
20、中性植物(day-neutral plants): 光周期不直接影响开花，如多数的烟草变种。,根据长日照植物和短日照植物是否绝对需要光周期，可以进一步分类：,长日照可促进拟南芥开花，但开花最终发生在短日照时期，因此，拟南芥属于兼性（facultative）长日照植物；,但是大豆只在短日照时期开花，因此大豆属于专性（obligate）短日照植物。,某些植物对光周期的应答太复杂，不属于上述任何一类。,2. 光周期的测定和感受,（1）光周期由夜的长度来测定,长于临界长度的夜长促进短日照植物的开花;,短于临界长度的夜长促进长日照植物的开花。,白天进行暗处理对开花的影响极小，而夜晚进行短期的光处理会抑制
21、短日照植物（a）的开花，促进长日照植物（b）的开花。,（2）植物对夜长的感受部位为成熟叶片,3. 拟南芥开花的光周期调控模型,（1）调控光周期应答反应的光受体,拟南芥cry2 和phyA 突变体的光周期反应都有所减弱，而且在长日照条件下延迟开花。,拟南芥光周期应答反应主要由cry2和phyA调控。,拟南芥开花的光周期调控模型 cry2和phyA吸收了光后，诱导光周期反应。,（2）植物对夜长的应答是受生物节律钟调控的,植物维持每日节律，称为生物节律。,调控生物节律的内在机制就是生物节律钟。,生物节律钟对光周期应答反应的调控,(a)如果进行8h光照后，再进行64h的暗处理，可以诱导植物开花；,(b
22、)如果在主观上的夜晚期间进行4h的光照处理，植物就不开花;,(c)但是如果在主观上的白天期间进行光照处理，植物仍能开花。,拟南芥TIMING OF CAB EXPRESSION 1(TOC1) 基因可能是生物节律钟的一个组分。toc1突变体的生物节律缩短到21h左右，对传统的24h昼夜循环的应答也遭到了破坏。,（3）闸门机制,只有当节律钟处于夜相时，感受到光后才可以诱导光周期应答反应。,拟南芥开花的光周期调控模型,当生物节律钟处于日相时，光受体和CO之间的信号传导受到阻断。当生物节律钟处于夜相时，信号传导可以进行，增加了CO的表达，诱导开花。,闸门机制可能需要EARLY FLOWERING 3 (ELF3)基因。ELF3是关门所必需的。Elf3 突变体与日长无关提前开花，很可能是门控缺陷的一个间接结果。,（4）CONSTANS (CO) co突变体中，长日照对开花的促进作用消失了，说明CO是光周期信号传导途径的一个重要调控因子。CO 调控的转录激活作用，其直接的目的基因包括FT和AGL20, 这两个基因都可促进开花。,拟南芥开花的光周期调控模型,1) cry2和phyA吸收了光后，诱导光周期反应。,2) 当生物节律钟处于日相时，光受体和CO之间的信号传导受到阻断。,3)当生物节律钟处于夜相时，信号传导可以进行，增加了CO的表达，诱导开花。,
