光敏色素与光形态
由于植物是一种固定生长的生物，因此周围多变的环境（如光、温度、水分等）对其生长发育起着非常重要的作用。其中，光对植物的作用最重要:它不仅以能量的方式直接影响植物的光合作用，而且也作为信号分子调节植物的生长发育。光作为信号所引起的植物效应（即植物对光的反应）可分为3类：光形态建成、向光性生长和光周期现象。在植物的光反应中，目前发现的光受体有3种：光敏色素（phytochrome）、隐花色素和紫外光-B受体。其中光敏色素对植物的影响最为明显，对它研究得也较为深入，它在植物光形态建成中发挥着重要的调控作用，参与许多受光控制的生理反应。
光敏色素都是以2种不同的形式存在的，即红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）。Pfr 是生理激活型，呈黄绿色，其最大吸收峰在730nm 左右；而Pr是生理失活型，呈蓝绿色，其最大吸收峰在660nm左右。
近年来，人们利用免疫学、分子生物学及生物突变技术等研究表明，不同种类的光敏色素蛋白是由不同的基因编码近年来，人们利用免疫学、分子生物学及生物突变技术等研究表明，不同种类的光敏色素蛋白是由不同的基因编码的。在拟南芥中，编码光敏色素的蛋白基因有5种(phyA,phyB,phyC,phyD,phyE)。拟南芥的phyA基因在黄化幼苗中含量非常丰富，但很容易被降解，而phyB,phyC,phyD,phyE的含量很少，并且对光很稳定。
当植物受到光照射后, 光敏色素分子转变成具有生物活性Pfr构象.
Pfr形式的光敏色素转移到细胞核中, 才能与核内的其他蛋白质相互作用, 从而调控光反应
根据萌发及萌发后生长条件的不同, 植物所经历的发育途径明显不同.暗处生长幼苗表现出黄化特征, 如拟南芥下胚轴伸长、缺少叶绿素和光调控基因表达受抑制, 这些被称为暗形态建成特征(skotomorphogenesis); 光下生长的拟南芥表现出下胚轴被抑制、子叶变大、叶绿素合成和光调控基因表达的激活, 这些特征被称为光形态建成特征(photomorphogenesis). 在拟南芥中的研究表明, 光形态建成和暗形态建成均受到复杂严格的控制.
在暗生长条件下, 拟南芥COP9信号复合体与COP1, COP10和DET1共同负调控光调控基因的表达,抑制光形态建成的发生, 保证了拟南芥暗生长条件下的黄化特征[1]. 此外, 利用赤霉素(gibberellin, GA)生物合成抑制剂多效唑(paclobutrazol, PAC)处理暗生长拟南芥幼苗能够诱导部分的光形态建成特征,如下胚轴伸长受到抑制、顶端钩打开、子叶部分
打开和光调控基因如LHCB (light-harvesting chlorophylla/b binding protein)和RBCS(ribulose-1,5-
bisphosphatecarboxylase/oxygenase small subunit)的诱导表达[2].拟南芥中, GA合成缺陷型突变体ga1-3暗生长条件下表现出部分光形态建成特征[2]. 这表明植物激素GA是维持暗形态建成所必需的.
在光照条件下, 光能够诱导植物光形态建成发生. 光敏色素(phytochrome)主要感受红光/远红光,在植物黄花苗中, 光敏色素以不具有活性的Pr构象存在于细胞质中, 当植物受到光照射后, 光敏色素分子转变成具有生物活性Pfr构象. Pfr形式的光敏色素转移到细胞核中[3,4], 与核内的PIFs (phytochromeinteractingfactors)转录因子相互作用, 诱导光调控基因的表达和光形态建成发生[5,6]. 然而, 如上面所述,GA抑制了光形态建成发生, 与光的作用正好相反.
暗生长条件下, GA促进细胞延长的作用机理
GA是如何维持植物的暗形态建成特征呢? 随着GA信号传递途径DELLA蛋白和光信号传导途径中PIF转录因子的深入研究[6,18,19], 人们对GA 在拟南芥生长发育中作用的分子机制研究越来越深入. 特别是在2008年Nature第451卷同一期上, 连续2篇研究论文揭示了GA调节拟南芥光形态建成的作用模式[7,8]. 根据他们的研究结果, 在暗生长条件下,细胞内GA含量比较高, GA与核内DELLA蛋白相互作用, 导致DELLA蛋白泛素化而降解, 这样PIF3或PIF4能够与靶基因的启动区结合, 启动靶基因表达,促进细胞延长, 植株表现出较长下胚轴等暗形态建成特征.当施加外源PAC时, PAC能够降低植物细胞内GA含量, 这样当细胞内GA 含量较低时, DELLA蛋白与PIF3或PIF4相互作用, 从而阻止PIF3或
PIF4与靶基因的启动子相结合, 与细胞延伸相关的基因表达被抑制,这样拟南芥表现出部分光形态建成特征,如下胚轴被抑制等.
在拟南芥中的研究表明, 光敏色素对GA途径的影响表现在两个方面:在光照条件下核定位phyB Pfr形式与PIF3或PIF4相结合, 导致它们泛素化而降解,从而不能启动靶基因的表达, 细胞延长被抑制[7,8],拮抗了GA调控的细胞延长反应. 另一方面, 光敏色素介导的光信号能够抑制拟南芥下胚轴中GA生物合成相关基因的表达, 诱导GA分解基因的表达, 从而降低GA含量, 这样DELLA蛋白质与PIF3或PIF4相互作用, 阻止PIF3或PIF4与靶基因的启动子相结合,拟南芥下胚轴伸长相关基因被抑制[18]. Reed等人[29]的报道表明, 拟南芥phyB降低幼苗对GA的反应能力.
光敏色素信号转导途径的生化机理仍不清楚, 但是几个正向和负向的
调控因子已被鉴定. 一般情况下,光信号调控降解的因子可分为2 类:一类是黑暗中被降解的因子, 其中大部分为光形态建成的正调控因子;另一类是光下被降解的因子, 其中大部分为光形态建成的负调控因子.例如: 光形态建成的正调控因子, 如HY5, LAF1,HFR1 在黑暗中被降解来抑制光形态建成, 在光下被稳定从而推动光形态建成; 光形态建成的负调控因子, 如PIF1, PIF3 等在光下被降解来推动光形态建成, 在黑暗中被稳定从而抑制光形态建成[ 45, 46] .
PIFs( phytochromeinteract ing factors) 属于bHLH( basic helixloophelix ) 超家族. bHLH 家族是转录因子, 具有与DNA 结合的bHLH 结构域. 光敏色素分子在红光的诱导下由细胞质转移到细胞核,在细胞核中与PIFs 互作, 诱导靶基因表达的改变. 这是一个快速的过程, 暴露在光下5 min 即可看到. PIF3 是第1 个被发现的与光敏色素发生互作的bHLH 家族成员[ 47] . 拟南芥中与光敏色素互作的bHLH 家族成员有PIF1,PIF3, PIF4, PIF5, PIF6, PIF7, PIL5 和PIL6 等, 它们的N末端都含有1 个与光敏色素B 结合所必需的短的APB 基序[ 48] . PIF3 还含有1 个与光敏色素A 结合所必需的独立的APA 基序[ 49] .
光诱导PIFs 降解
光诱导的PIF 蛋白降解的机理尚未知晓,分别对PIF3 和PIF5 的研究
表明: 光敏色素先介导PIF3, PIF5 快速磷酸化, 然后PIF3, PIF5 被泛素蛋白酶体途径降解. 暗中生长的拟南芥幼苗被转移到红光下后,
PIF3, PIF5 的水平分别在60 min 和10 min 内下降. 当植株由暗生长转移到光下时, 抗原标记的PIF5 过表达植株在光下的生长受到抑制[ 51] . 蛋白酶体抑制剂MG132 阻止了红光介导的PIF3, PIF5 水平的下降, 说明泛素蛋白酶体途径负责降解PIF3, PIF5. 在暗生长幼苗转移到红光下的2 min内, 凝胶电泳发现, PIF3, PIF5 的电泳迁移率发生变化. 用碱性磷酸酶处理PIF3, PIF5 的提取液, 电泳迁移
率的变化可恢复; 用被煮沸失活的碱性磷酸酶处理时, PIF3, PIF5 电泳迁移率的变化不可恢复. 说明PIF3,PIF5 在被红光诱导降解之前, 先被磷酸化. 对光敏色素单、双、三突变体的研究发现, 光敏色素A、光敏色素B、光敏色素D 都在诱导PIF3, PIF5 的磷酸化和降解的过程中起作用. 其中, 光敏色素A 或光敏色素B 都可有效诱导PIF3, PIF5 的最大降解, 它们是主要控制者. 光敏色素D 诱导PIF5 部分降解, 光敏色素C 和光敏色素E 对PIF3, PIF5 的磷酸化和降解不起作用.