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【学术前沿】简述植物光形态建成分子机制

花匠小妙招
2024-08-22 16:54

以下文章来源于植物器官发生，作者李丹

植物器官发生

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对于植物来说，光不仅是能量的最终来源，也是最重要的环境信号之一，种子的萌发、幼苗的发育、光合作用、气孔开放以及开花等过程都受到光信号的调控。

图1 光敏色素参与植物生长发育不同阶段（引用参考文献[1]）

植物的形态建成是细胞分裂、扩张和分化的结果，而光这个过程中起着关键作用，其中最显著的事件之一就是控制下胚轴的伸长。当植物的幼苗在没有光照的土壤下发芽时，会加速下胚轴的伸长以达到光照。当拟南芥生长在黑暗条件下时，会呈现黄化现象，即茎细长、顶端出现钩状弯曲、叶片小而呈黄白色、抑制根的伸长和侧根的产生，被称作“暗形态建成”(skotomorphogenesis)，这个过程中茎尖和根尖的干细胞保持休眠状态，黄化幼苗的生长主要依赖于细胞伸长而不是细胞分裂。而当幼苗可以接受光照后，下胚轴的伸长受到精细地调控，以配合周围的光照强度和光照质量，呈现出去黄化现象，即叶片展开、叶绿体产生、茎伸长受抑制、促进根的生长和侧根的发育。我们通常所说的“光形态建成”(photomorphogenesis)是指植物对光的最初反应，茎和根分生组织被激活，通过细胞分裂和扩张等一系列变化导致植物细胞的分化、结构和功能改变，最终表现为组织和器官的建成。植物的光形态建成与暗形态建成的分化是物种进化的结果，裸子植物在黑暗中不严格遵循的暗形态建成发育程序，而陆地植物由于面临新的环境挑战，如密集生长的冠层和在土壤中的萌发，为了适应暗环境而产生了暗形态建成过程的进化，使得植物能够通过伸长生长最大限度地分配种子提供的有限能量来源，以达到有利的光照条件，为进一步的生长和发育提供能源。

图2 不同光照条件下拟南芥幼苗生长示意图（引用参考文献[2]）

图2展示了拟南芥幼苗的生长受到不同光照条件的精细调控。在直接的日光照射下，幼苗下胚轴生长受抑制，叶片展开，呈现一种典型的光形态建成状态；被遮荫后，节间和叶柄伸长，出现避荫反应（shade avoidance）；与此同时，幼苗展现出向光性（图2A）。红光会引起子叶的膨胀，但不会向其他光照一样抑制下胚轴的伸长（图2B）；远红光则在引起子叶膨胀同时强烈抑制下胚轴伸长，且子叶是白色的（图2C）。幼苗在高红光与远红光比例的白光下生长时，抑制下胚轴伸长并诱导子叶膨胀（图2D），这实验室通常使用的光照条件，也最接近于室外自然光；而在连续的较低比例的红光与远红光的白光下，幼苗出现避荫反应，下胚轴伸长、子叶膨胀减少（图2E）。在连续的蓝光下生长的幼苗，下胚轴伸长和子叶膨大则被有效抑制（图2F）。UV-A抑制下胚轴伸长，促进子叶膨大，且子叶颜色变暗（图2G）。以上实验结果表明，不同的光照条件下，植物会呈现出相应的状态以响应周围的环境条件，光是植物生长发育过程中重要的环境信号来源。一系列波长的光，特别是远红光、红光及紫外光，诱导着光形态建成，那么植物是如何感知周围的光信号的呢？

图3 植物中的光受体（引用参考文献[3]）

实际上，环境中的光信号首先被植物中能感受不同波长的特定光受体所感知，经过复杂的信号传递网络后这种信号逐级被放大，引起植物中各种生理生化反应，最终导致形态变化或运动。目前已在植物中发现了多种类型的光受体（图2），这些色素蛋白选择性地吸收特定波长的光后被赋予光化学活性，进而将光能转化为生物信号。其中光敏色素(PHYTOCHROME/PHY)是研究最多的光受体，可吸收红光(600-700 nm)与远红光(700-750 nm)，分布在植物各个器官中，在分生组织中含量丰富，主要定位在生物膜，如质膜、核膜、叶绿体膜、内质网膜等。光敏色素可细分为两种类型，类型Ⅰ由PHY A基因编码，多存在于黄化幼苗内，在光下易分解；类型Ⅱ组成性表达，在光下可稳定存在，由PHY B-E编码，其中PHY B是在光照下生长的植物中最丰富的光敏色素。据报道，PHY A参与调控持续远红光照射下引起的幼苗去黄化，而PHY B则是在持续红光照射下去黄化必须的。当PHY的mRNA在胞质中翻译成脱辅基蛋白后，可与质体中形成的发色团相结合形成有功能的色素蛋白复合体，而这种色素蛋白复合体有接收红光与远红光的两种形式并且可以相互转化（图1）。而向光素(CRYPTOCHROMES/CRY)、隐花素(PHOTOTROPINS /PHOT)以及ZEITLUPE (ZTL, FKF1, LKP2)可以吸收390-495 nm的蓝光以及一部分的UV-A，而UVR-8可以吸收280-315 nm的UV-B，它们都在植物感受光信号的过程中发挥着重要作用。

在植物上的光受体接收到来自环境中的光信号之后，会把这种信号逐级传递给下游的关键转录因子，从而调控植物发育相关基因的表达，介导植物的光形态建成。于是，研究光介导的转录调控机制就十分有必要。通过在黑暗条件下筛选EMS处理后的突变体，发现了一些去黄化的幼苗，其中就包括cop1和det2突变体，其在暗条件下的表型类似于光照条件下的幼苗，由此发现了调控光形态建成的明星基因COP1(CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1)。后续的研究发现COP1是光形态发生的主要负调节因子，它是一个含有RING finger结构域的E3泛素连接酶，其WD-40 repeats结构域对于其与底物的结合至关重要。研究发现，COP1对维持干细胞活性的诱导剂WUS(WUSCHEL)有抑制作用，观察到野生型植株SAM中WUS的表达可被光诱导，而cop1突变体在黑暗中的光形态建成也伴随着SAM中WUS的表达。COP1的活性和在核内的蛋白丰度受到多种光受体的控制，PHYs和CRYs等光受体在可见光下促进下胚轴核中COP1的减少，从而抑制下胚轴伸长。此外还发现，SPA1(SUPPRESSOR OF PHYA 1)也参与负调控光形态发生和开花，目前已在分子水平上证明了SPA1可与COP1形成稳定的异源二聚体从而增强COP1的E3泛素连接酶活性。在COP1下游，至少有两组转录因子进行光诱导的发育转变：HY5(ELONGATED HYPOCOTYL5)、LAF1(LONG AFTER FAR-RED LIGHT 1)、HFR1 (LONG HYPOCOTYL IN FAR-RED LIGHT1)等促进光形态建成，PIFs(PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR)促进暗形态建成。

图4 COP1参与传递光信号（引用参考文献[4]）

HY5属于bZIP(basic domain/leucine zipper)转录因子家族，定位在细胞核中，同样受到多个光敏色素蛋白的调控，hy5突变体对蓝色、红色和远红色的光不敏感。基因组范围的CHIP-chip分析表明，HY5直接结合了近3000个基因的启动子，所有基因中约有三分之一受到HY5的转录调控，包括CAMODULIN7(CAM7)、WRKY DNA-BINDING PROTEIN36 (WRKY36)、SHI-RELATED SEQUENCE5 (SRS5)在内的很多调控下胚轴伸长的基因都是通过调控HY5的转录活性发挥作用的，表明HY5是抑制下胚轴伸长的关键转录因子。COP1-HY5模块是控制植物光形态建成的核心机制，也是光受体下游两个关键的组分，在调节幼苗发育中起拮抗作用（图5）。HY5丰度与植物形态发育程度直接相关，而COP1可直接调节HY5稳定性。在黑暗条件下COP1定位在细胞核中与HY5发生相互作用，同时SPA1增强COP1的E3泛素连接酶活性，使HY5泛素化从而被26S蛋白酶体降解，导致暗形态建成，下胚轴的伸长；在光条件下，光受体接收光信号后抑制COP1的核定位，停留在细胞质中的COP1不能加速HY5的水解，HY5促进光形态建成基因表达，下胚轴伸长受抑制。

图5 COP1-HY5 互作模式（引用参考文献[5]）

PIF3则编码一种新的bHLH(basic Helix- Loop- Helix)-PAS(Per- Arnt- Sim-like domain)蛋白，定位在细胞核中，pif3突变苗表现为红光反应增强，表明其诱导暗形态建成基因表达，是光形态建成负调控因子。在红光条件下，光敏色素的Pfr形态从细胞质转到核中和PIF3发生互作使PIF3被快速磷酸化，增强PIF3对E3泛素连接酶LRBs(LIGHT-RESPONSE BRIC-A-BRACK/ TRAMTRACK/BROAD (BTB))的亲和力，而所招募的LRBs在体内促进了PIF3和PHY B的多泛素化和降解，从而解除了对光形态建成的抑制作用（图6）；在黑暗中，Pr形态的光敏色素不能入核，PIF3就不会被降解，从而激活暗形态建成基因的表达。

图6 HY5参与光形态建成（引用参考文献[6]）

植物在光下的形态建成除了响应光信号，也受到其他环境信号的调控，比如乙烯、油菜素内酯(BR,brassinosteroids)和赤霉素(GA, gibberellins)。乙烯是一种气体植物激素，广泛调节植物的生理和细胞活动，当其被内质网定位受体家族感知后，通过多步级联转导，调控核内的转录因子EIN3 (ETHYLENE-INSENSITIVE 3)/EIL1 (EIN3-LIKE 1)。两种相近的F-box蛋白EBF1和EBF2 以SCF (SKP1-CULLINS-F-BOX) E3连接酶的形式靶向EIN3/EIL1使其被蛋白酶体途径降解；而乙烯可抑制EBF1/EBF2的作用以稳定EIN3/EIL1，产生乙烯反应。这一信号途径中的关键转录因子EIN3可以抑制子叶的开放和扩张并促进顶端钩，维持暗形态建成。当幼苗在土壤中萌发时，COP1转导土壤中的光信号、乙烯传递土壤覆盖层的机械压力的信息，协同控制EIN3蛋白水平促进土壤出苗，即COP1直接靶向F-box蛋白EBF1和EBF2使其泛素化通过蛋白酶体降解，同时机械压力促进了乙烯的生成，乙烯也抑制EBF1/EBF2的作用，从而稳定EIN3，EIN3则通过ERF1(ETHYLENE RESPONSE FACTOR1)和PIF3介导，协同调节下胚轴伸长和叶绿素生物合成，响应苗期土壤条件。随着幼苗向地表的生长，土壤覆盖深度减少，光通量逐渐增加。当突破土壤达到阳光下后，一方面COP1的核定位被抑制，另一方面光受体PHY B可直接与EIN3蛋白进行互作，增强SCFEBF1/EBF2 E3连接酶对EIN3的降解，使乙烯反应被快速终止，减轻其对转入光照条件下后植物形态变化的抑制作用，使得幼苗经历了一个快速而显著的向去黄化状态的发育转变（图7）。这一机制体现了植物是如何传递光信号以调控乙烯信号的，使幼苗在土壤和光照环境生长时能迅速、准确地响应周围环境的变化。

图7 EBF1/2整合光信号和乙烯信号（引用参考文献[7]）

此外，BR信号也参与光下下胚轴伸长的调控（图8）。BZR1是BR响应的关键转录因子，可促进下胚轴伸长。BZR1蛋白的稳定性和DNA结合活性受到激酶BIN2(BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 2)的负调控，BIN2可将BZR1磷酸化，抑制其DNA结合活性且促进BZR1的降解，且pBZR1可与dBZR1形成二聚体抑制其功能。在黑暗中，核定位的COP1介导HY5的泛素化使HY5被降解，且COP1与pBZR1互作使其与dBZR1解离，PIF4可与dBZR1互作促进BZR1下游基因表达，另外COP1/SPA1复合体可抑制BIN2介导的PIF3磷酸化，通过与PIF3互作增强其稳定性，产生黄化表型；在光照条件下，入核的PHY B与PIF4互作促进其降解，且COP1的核定位受抑制，HY5与BIN2互作增强其激酶活性，促进BZR1的磷酸化和PIF3的磷酸化，导致BR信号下游基因转录减少，下胚轴伸长受抑制。也进一步表明了光形态建成中的关键组分HY5除了作为转录因子调控光形态建成外，还可通过抑制下游的BR信号发挥作用。

图8 光信号与BR信号互作模式（引用参考文献[8、9]）

GA信号中的关键负调控蛋白DELLA可通过调控一些转录因子的活性参与抑制下胚轴和茎伸从而促进光形态建成，而GA则通过降解DELLA蛋白来调控植物的生长发育，即当活性GA 分子与其受体GID1(GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1)结合以后使得DELLA的构象发生变化从而促进了E3连接酶SCFSLY1/GID2/SNE与DELLA的互作，导致DELLA被泛素化后经蛋白酶体降解，释放了DELLA蛋白的抑制作用。研究发现，DELLA与PIFs之间存在互作，当DELLA结合PIF4后可其DNA结合能力减弱、转录激活作用受抑制，抑制细胞伸长。在黑暗条件下，如果GA存在通过促进DELLA的降解而稳定PIF4，促进暗形态建成。因PIF4的蛋白稳定性又受到光信号的调控，所以DELLA-PIFs模块同时整合了GA信号与光信号，协同调控植物的生长发育。

图9 PIF4-DELLA模块整合光信号与GA信号（引用参考文献[10]）

光信号是怎样调控分生组织的发育的呢？有研究发现拟南芥的的茎尖分生组织(shoot apical meristem ,SAM)似乎并不具有感知光信号的能力。光信号产生的刺激很可能是通过SAM之外的细胞所感知的，如子叶或下胚轴中的细胞，然后通过在胞间移动的细胞分裂素信号传输到SAM，SAM本身不能感知光信号或将光信号产生的刺激转化为干细胞激活。其实，SAM的激活和器官的发育，光不仅是一种信号，也为光合作用的装置提供燃料来产生糖。光作为单一的环境信号具有双重的作用，而且这两种作用是被独立感知的，而AtTOR1 (TARGET OF RAPAMYCIN)激酶复合物可以同时整合代谢状态和光信号从而调控植物茎尖和根尖分生组织的发育。

总之，植物在光下的形态建成对于其生存与生产至关重要，因此通过解析植物如何感知光信号及整合周围其他环境信号以精确调控其发育模式，可帮助我们进一步认识植物具体是如何适应环境变化的。也可利用其中的重要信息去探究如何使作物能够高效利用光能达到产量最大化，从而提高农作物的生产效率。

参考文献

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8. Kim B, Jeong YJ, Corvalán C, Fujioka S, Cho S, et al. 2014. Darkness and gulliver2/phyB mutation decrease the abundance of phosphorylated BZR1 to activate brassinosteroid signaling in Arabidopsis. Plant J. 77:737-47 DOI: 10.1111/tpj.12423

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10. De Lucas M, Davière JM, Rodríguez-Falcón M, Pontin M, Iglesias-Pedraz JM, et al. 2008. A molecular framework for light and gibberellin control of cell elongation. Nature 451:480-4 DOI: 10.1038/nature06520

来源：植物器官发生