光质对植物生长的影响及光受体作用

作用于植物的光的性质包括光质、光强、光向、光节奏。反应形式为作用光谱、光周期、光强和光向反应。

作用光谱：作用于植物的光的波长范围从紫外一直到红外，其中在几个波长区有吸收峰，包括紫外B、紫外A、蓝光、红光、远红光。

光周期：光周期即每年或季节日长的变化节奏，指白天和黑夜的相对长度。植物对白天和黑夜的相对长度的反应称为光周期反应。不同类型植物开花需要不同的日照长度。要求一定的临界夜长的植物如烟草、大豆、菊花、苍耳是短日照植物，要求一定临界日长的小麦、黑麦、胡萝卜、甘蓝称为长日照植物，而任何日长下都反应的植物叫中性植物。

光强：光强有VLF（very low irradiance response，VLFR），LF（low fluence response，LFR），HI（high irradiance response，HIR）三类。

VLFR（very low fluence response）：很低辐射光照，光照量100pmol·m－2。如在种子萌发后的第8天给一个脉冲光照。在远红光739 nm、红光660 nm和蓝光451 nm有有效的反应峰（De Petter et al.，1988；Fankhauser and Chory，1997）。

LFR（low fluence response）：低辐射光照反应，指光照量为1mmol·m－2。如种子萌发后的前四天，每天1小时的光照。低辐射光照对幼苗的作用光谱在红光660 nm和蓝光450 nm有两个峰（De Petter et al.，1988；Fankhauser and Chory，1997）。

HIR/HFR（high fluence response）：高辐射光照反应，指光形态建成反应需要延长辐射时间，不显示R/FR可逆反应的反应，光量高于10mmol·m－2。对幼苗生长的HIR反应的作用光谱多在远红光和蓝光区段（Beggs et al.，1980；Fankhauser and Chory，1997）。

光的方向对植物的影响反映在植物的生存环境中常有不同程度和情况的遮光现象，辐射到植物的光的方向也会有变化。因而植物对来自不同方向的光会有方向性的反应，造成向光或避光性生长。

植物通过其含有的光受体蛋白来感受光和传递光信号。目前在植物中已经研究得较多的光受体是红光和远红光受体光敏素（Phytochrome）家族、蓝光受体趋光素（Phototropin）、蓝光和紫外光受体隐花素（Cryptochrome）类。还有一些是最近发现的光受体。

1.光敏素（Phytochrome）

目前发现的光敏素基因家族根据其结构有五类：PHYA～PHYE。拟南芥中5类光敏素，由五个独特的光敏素基因家族编码。根据蛋白质稳定性，光敏素又被分为光可变（type I）的和光稳定（typeⅡ）两类。光可变的类型在红或白光下迅速降解。PHYA是I类光敏素，其余是Ⅱ类光敏素。这些光敏素可组合成三个亚家族：PHYA/PHYC、PHYB/PHYD、PHYE。

光敏素单体由两个结构区域和一个灵活的连接区域（H）组成。N端有光感受区域（CBD，chromophore binding domain），通过一个半胱氨酸基团与线形四吡咯发色团tetrapyrrole（bilin）chromophore phytochromobilin共价连接，具有光吸收和光可逆性。同时植物光敏素N端有富含Ser/Thr的延伸区（Wagner et al.，1996a；Rockwell and Lagarias，2006）。光吸收信号通过与光敏素N端蛋白区域间的相互作用从吡咯环传递到C端。C端执行信号输出的功能（Wagner et al.，1996b），含有保守功能区域调控核心序列（Quail box）、两个二聚体化区域D1和D2（PAS）、组氨酸激酶相关区域（HKRD，histidine kinaserelated domain），作为蛋白蛋白相互作用或配体结合平台。C端调控区域由灵活的连接区域连接。C末端的组氨酸激酶活性依赖ATP，可以催化磷酸转移的反应。植物光敏素C端还具有同源与异源二聚体化和光控制的核定位功能（Rockwell and Lagarias，2006）。

HKRD可被分成组氨酸激酶受体（HA）和ATP结合激酶亚区域。HA区域负责双组分信号传导子的二聚体形成，一般含有一个His作为磷酸基团的受体。

每个单体合成时是红光吸收形式（Pr），在660nm红光区有主要吸收峰，在380nm蓝光区有次要吸收峰，光照使Pr转变成远红光吸收形式Pfr，这种远红光吸收形式能够吸收730nm的远红光而恢复红光吸收形式Pr。这种Pr-Pfr的转变引起典型的红光-远红光可逆反应。由于红光照射与植物发育密切相关，Pfr被认为是光敏素的活性形式（Fankhauser and Chory，1997）。

PHYB的N端最末端与也是光反应的核蛋白ARR4结合，这种结合稳定PHYB的远红光形式，黑暗使PHYB迅速转变成红光形式。ARR4的过量表达增强对光的反应，ARR4的敲除减低了对红光的反应（Sweere et al.，2001）。

光敏素通常以二聚体形式存在，PHYA、PHYB、PHYD可以形成同源二聚体，而PHYB与PHYC、PHYD、PHYE之间，PHYD与PHYC、PHYE之间可以形成异源二聚体，PHYC、PHYE之间没有发现以同源二聚体形式存在（Bae and Choi，2008；Sharrock et al.，2004；Clack et al.，2009）。PHYA和PHYB与隐花素CRY1和CRY2作用，表明在一定光条件下它们之间的协同作用。

在光信号传导过程中，光敏素不仅形成二聚体，还将信号通过与其他蛋白的相互作用传递下去。已经知道与光敏素直接作用的蛋白有光敏素作用因子家族（phy-interacting factors，PIFs，或phytochrome-interacting partners），已经研究的有PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6、PIF7。它们是basic helix-loop-helix转录因子，在细胞核中与光敏素相互作用（Duek and Fankhauser，2005；Huq et al.，2004；Khanna et al.，2004；Leivar et al.，2008）。

PKS1（PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE1），是质膜结合蛋白（Lariguet et al.，2006），与光敏素结合并被磷酸化（Fankhauser et al.，1999）。PKS1与其相似蛋白PKS2都是PHYA介导的非常低光频信号反应的组成成分（Lariguet et al.，2003）。PKS1、PKS2、PKS4都在低频蓝光诱导的胚轴向光性中起作用（Lariguet et al.，2006）。PKS1在根的向光性和重力反应中也起作用（Boccalandro et al.，2008）。pks1突变体表现出增强的红光反应，说明可能负调控PHYB。

FHY1（Far-red elongated HYpocotyl 1）通过其NLS（Nuclear localization sequence）序列与活化的PHYA C端结合，并与FHL（FHY1 Like）共同作用，将PHYA从细胞质运输到核中（Genoud et al.，2008；Zhou et al.，2005；Hiltbrunner et al.，2006）。而PHYA自身的组氨酸激酶区域HA（Histidine Kinase）与这两个蛋白的结合无关，也对PHYA到核内的运输是必需的（Müller et al.，2009）。

光敏素作用因子属于basic helix-loop-helix（bHLH）家族15（Toledo et al.，2003），已知8个PIFs（PIF1或PIL5、PIF3、PIF4、PIF5或PIF6、PIL1、HFR1、PIF7、SPT）位于细胞核中，与光敏素结合，是光敏素信号传导的早期成分，调节各种光诱导的反应（Duek and Fankhauser，2005；Leivar et al.，2008）。其中6个PIFs，PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6、PIF7直接与活化形式的光敏素结合（Khanna et al.，2004），PIF1、PIF3、PIF4、PIF5调节幼苗发育中各种光反应（Huq and Quail，2002；Fujimori et al.，2004；Khanna et al.，2007；Shin et al.，2009），PIF1调节种子萌发中各种光反应和叶绿素合成（Oh et al.，2004；Moon et al.，2008；Huq et al.，2004），PIL1、PIF4、PIF5负调节避阴反应（Roig-Villanova et al.，2006），PIF7在胚轴延长中起微调作用（Leivar et al.，2008）。

光敏素通过与PIF1、PIF3、PIF4、PIF5结合，通过抑制负调控幼苗发育中光反应的PIFs促进形态建成（Lorrain et al.，2008）。红光激活反应中，光敏素迅速使PIF5和PIF1磷酸化并使之降解（Shen et al.，2007，2008）。

PIF1直接与叶绿素合成途径中的protochlorophyllide oxidoreductase（POR）基因启动子中G-box（CACGTG）结合，调控其表达，同时间接调控PORA、PORB、HO3、FeCh II的表达（Moon et al.，2008）。

PIF3调控叶绿素合成途径关键基因HEMA1（编码glutamyl tRNA reductase）的表达（Stephenson et al.，2009）。

PIF4负调控NIA2（nitrate reductase 2）的表达（Jonassen et al.，2009），在PHYB信号传导途径中也起负调控作用（Huq and Quail，2002）。

HFR1也是一种bHLH转录因子，与PIF3形成二聚体，在远红光下其mRNA的量是红光下的30倍，表明它是PHYA信号途径中的因子（Duek and Fankhauser，2005）。

PIF3暗中在核中积累，在光下经PHYA、PHYB、PHYD的介导迅速降解。黑暗中PIF3的积累需要COP1（Constitutive photomorphogenesis1）的作用，在光下的降解与COP1无关（Monte et al.，2004；Clack et al.，2009）。

COP1是光调控信号传导途径中的一个成分，是E3泛素连接酶，含有几个可识别区域，包括RING-锌指结合区域、线圈区域、核心区和WD-40重复区域，是蛋白酶降解复合物的组成成分，分别在细胞质、细胞核定位以及与其他蛋白如SPA1、CIPs（COP1 interacting proteins）共同作用中起作用（Stacey et al.，1999；Saijo et al.，2003），COP1在核中的定位受光的调控（Stacey et al.，1999），在核中与目标蛋白结合，将目标蛋白送到蛋白酶降解复合体降解。HY5、LAF1、CIP4、HYH、LZF1/SALT TOLERANCE HOMOLOG3、HFR1、CO、PHYA等都是COP1介导降解的目标蛋白，除PHYA外都是发育有关的转录调控因子（Datta et al.，2008；Holm et al.，2002；Yamamoto et al.，2001；Saijo et al.，2003；Jang et al.，2005；Yang et al.，2005；Liu et al.，2008a）。(www.chuimin.cn)

HY5编码一个组成型表达的核bZIP转录调控因子，结合到光诱导基因启动子的Gboxes正调控基因表达。COP1直接与HY5相互作用，使HY5多聚泛素化，降解HY5而进行负调控。COP1也与CRY1和CRY2结合，这个结合可能释放HY5，触发光诱导反应。

在核中PHYA的稳定性通过磷酸化和COP1/SPA1介导的降解调节。磷酸化的PHYA倾向与COP1/SPA复合物结合而降解，非磷酸化的PHYA与FHY3和FHY1结合受到保护，当未与FHY3和FHY1结合时，非磷酸化的PHYA还是能和COP1结合而降解（Saijo et al.，2008）。

2.隐花素（Cryptochrome）

隐花素是动植物中的黄素蛋白（Flavoproteins），是蓝光（400～500 nm）/紫外光UV-A（320～400 nm）的受体。因为早期研究蓝光反应普遍使用的是隐花植物（Cryptogams），所以称为隐花素（Lin，2002）。

多数隐花素的N端是光裂解酶相关序列（Photolase Related，PHR），与光收获发色团黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide，FAD）结合，是保守区，具感知光的受体功能；CRY1和CRY3 PHR区域还含有甲叉亚甲（基）四氢叶酸发色团（5，10-Methenyltetrahydrofolate，pterin，MTHF），但CRY3结合力要弱得多（Reviewed by Yu et al.，2010）。C端保守性低于PHR区域，C端的序列对拟南芥CRY1和CRY2的功能很重要，不同隐花素C端长度相差很大。C端决定生物功能（Yang et al.，2000；Wang et al.，2001）。Xenopus CRY的C端是核定位所需要的（Zhu et al.，2003）。

隐花素的磷酸化受蓝光调节，蓝光照射可以引起CRY1和CRY2的磷酸化（Shalitin et al.，2002；Shalitin et al.，2003）。拟南芥CRY1的N端介导同源二聚体化，这对光介导的C端激活是必需的（Sang et al.，2005）。

不同类型、来自不同物种的同一类型的隐花素作用机制可能有所不同。拟南芥CRY2恒定位于细胞核仁中。CRY2可能与染色体结合，GFP-CRY2C融合蛋白与所有染色体结合。蓝光诱导CRY2-GFP核斑点的形成，如果PHYB-GFP与CRY2-GFP共表达，它们共定位于核中。而拟南芥CRY1在黑暗条件下在核仁中积累，依赖光的作用在细胞质和细胞核穿梭（Lin and Shalitin，2003）。葡糖醛酸糖苷酶（GUS）和CRY1 C-端区域融合蛋白（GUSCCT1）黑暗时在核中，光下在细胞质中。水稻CRY1无论光下还是黑暗中都位于细胞核中。小麦CRY2与拟南芥CRY2相似，是光下降解的核定位蛋白。小麦CRY1也是光下核质穿梭的蛋白。但不同的是，小麦CRY1的N端和C端都具有核定位区域，N端有核输出区域（图2.1）（Xu and Ma，2009；Xu et al.，2009a）。

铁线蕨（Adiantum）CRY1、CRY2、CRY5位于细胞质中；CRY3和CRY4位于核中，CRY3在黑暗中运入核，但蓝光下不进入核；CRY4恒定积累在核中（Kanegae et al.，2006）。GUSCCT1（Arabidopsis）和GUS-CRY3C（Adiantum）都受光调节，同时定位于核中，表明拟南芥CRY1和铁线蕨CRY3的C末端都含有核输入和输出信号（Kanegae et al.，2006）。

图2.1　隐花素信号传导途径示意图（Yu et al.，2010，ⓒASPB）

定位与细胞质和细胞核中的CRY1具有不同的生物学功能（Wu and Spalding，2007）。子叶中定位于细胞质中的CRY1介导蓝光诱导的子叶扩张。胚轴中定位于细胞核的CRY1介导蓝光诱导的胚轴延长抑制，同时也介导蓝光诱导的细胞膜迅速去极化（几秒后）。而仅仅定位于细胞核中的CRY2具有促进开花和抑制胚轴延长的作用，在细胞核内降解而完成其生活周期（Reviewed by Yu et al.，2010）。

由于隐花素的N端（发色团结合区）与光裂解酶N端相似，其光诱导的起始可能与光裂解酶相似。发色团吸收光能，电子被激发传递到隐花素蛋白上，诱导蛋白构象变化或触发相应的反应。隐花素1和隐花素2（CRY1、CRY2）具有激酶活性，在蓝光下发生自磷酸化反应（Shalitin et al.，2002，2003；Özgür and Sancar，2006）。蓝光触发CRY2的磷酸化和随后的光反应以及CRY2的降解（Shalitin et al.，2002）。AtCRY1和TACRY1在核和细胞质之间的运输受光的调控（Wu and Spalding，2007；Xu et al.，2009b）。

隐花素和其他蛋白相互作用，执行其信号传导功能（图2.1）。CIB1（cryptochromeinteracting basic-helix-loop-helix）与蓝光激活磷酸化后的CRY2直接结合，然后与CIB1相关蛋白一起共同与DNA序列G-box或E-box结合，调控光诱导的基因表达（图2.1B）（Liu H et al.，2008b）。CRY1在体外与燕麦PHYA作用，被PHYA磷酸化，活体中红光下被磷酸化，远红外光下被抑制。CRY1还与PHYB通过ADO1/ZTL/LKP1相互作用。ADO1/ZTL/LKP1是拟南芥生理钟调控的重要因子，可见从光信号到生理节奏的调控途径很短（Lin and Shalitin，2003）。和CRY2-PHYB的相互作用依赖光。CRY2-RFP与PHYB共定位于核中（Lin and Shalitin，2003）。任何时候一定数量的CRY2在核中在蓝光的作用下被磷酸化，然后泛素化后被26S蛋白酶体降解（Yu et al.，2007）。

隐花素与COP1直接作用，通过泛素蛋白酶系统控制植物的光反应（Wang et al.，2001；Yang et al.，2001；Yu et al.，2010）。隐花素信号传导引起离子平衡的变化。蓝光诱导的质膜去极化是光引起的早期反应，这种去极化很可能导致离子通道的打开。cry1、cry2突变体具有去极化的质膜和阴离子通道打开的协同性。说明阴离子通道的打开在隐花素信号传导中起重要作用（Lin and Shalitin，2003）。钙平衡的改变也与蓝光信号传导有关。蓝光促进钙流出到细胞质中，抑制电压控制的钙通道或钙ATPase显著改变蓝光诱导的CHS的表达（Lin and Shalitin，2003）。

3.趋光素（Photochrome）

趋光素是分子量120 kU的质膜蛋白，依赖蓝光被磷酸化。胚轴和根向光弯曲突变体nph1如今被命名为phot1，基因为PHOT1，编码一个996残基的多肽，N端含有两个PAS区域，C端含有serine/threonine激酶区域。PAS区域与受光、氧、电压（light，oxygen，and voltage）调控的区域更相似，称为LOV。重组PHOT1的LOV区域与黄素单核苷酸（FMN）非共价结合，具有依赖蓝光的自磷酸化活性。其激发光谱与拟南芥向光反应光谱相同，光吸收使半胱氨酸共价加合到FMN发色团的C4a上，黑暗使之解离，形成结构上的光反应循环（Kasahara et al.，2002）。光吸收改变构象结构，引起自磷酸化或分子间蛋白的磷酸化反应。

PHOT1（NPH1）上位于激酶区域活化环的ser-851是PHOT1引起各种光反应的自磷酸化位点（Inoue et al.，2008）。AtPHOT2上的激酶区域具有ser/thr激酶活性，在体外使Casein磷酸化，PHOT2的LOV2区域受光后抑制PHOT2的ser/thr激酶活性，LOV1区域削弱LOV2的作用（Matsuoka and Tokutomi，2005）。体内或体外PHOT1 LOV2都起着黑暗下抑制其活性的作用。高光强下LOV1具有光激活的作用，而没有暗抑制作用。PHOT1的活性形式和非活性形式发生蛋白质之间磷酸化是独立于LOV1的。这种异磷酸化通过触发激酶区内Ser-851的磷酸化而造成笼形蛋白介导的PHOT1的内吞作用（Kaiserli et al.，2009）。拟南芥PHOT2的Ser/Thr区域激酶活性磷酸化其他蛋白，而LOV2区域的存在抑制这种磷酸化活性，光下这种抑制消失。所以LOV2区域是这种Ser/Thr区域激酶光活性控制的开关，而LOV1区域逐步降低光激活的磷酸酶活性（Matsuoka and Tokutomi，2005）。离体研究表明，在PHOT1的基态，LOV2的单体浓度大于180 μM时形成二聚体，二聚体以300 μs的常数进行光解离（Nakasone et al.，2006）。

植物中PHOT2结构与PHOT1相似。它们都具有光自磷酸化活性和光循环特性。然而稳定状态的PHOT1与PHOT2 mRNA含量水平具有光依赖的区别。PHOT1转录是光生理钟调控，转录高峰在中午。而PHOT2是UV-A、蓝光、红光和白光调控，蓝光强度为10μmol··m－2·s－1，表达增加两倍。

Adiantum PHY3是光敏素-趋光素杂合蛋白，其N端具有光敏素结构，C端含有趋光素全长，可以结合红光/远红光吸收发色团藻胆青素（phycocyanobilin）和蓝光/紫外光吸收发色团FMN。铁线蕨配子体和孢子体的向光反应受红光和蓝光的诱导。PHY3是铁线蕨向光反应的光受体，具有光敏素和趋光素两种光受体的功能（Lin，2002；Kanegae et al.，2006）。

在植物体中趋光素分布在幼苗的顶端弯钩处皮层分裂延伸细胞以及根的黄化延伸区。在根和下胚轴细胞的横向质膜以及表皮的质膜分布着。PHOT1集中分布在光下延伸中的花茎中细胞的顶端和基部质膜，这些花茎中维管束和叶脉的薄壁细胞中，光受体有强表达。在叶子的表皮细胞、叶肉细胞和保卫细胞的质膜，PHOT1的分布均一（Sakamoto and Briggs，2002）。

趋光素在蓝光作用下可以与其他蛋白结合，进行蓝光信号传导。来自Vicia faba保卫细胞的VFPHOT1A和VFPHOT1B接受蓝光后分别在ser-358和ser-344磷酸化，接着与14-3-3结合（Kinoshita et al.，2003）。

NPH3是含有BTB/POZ和coil-coil蛋白-蛋白相互作用区域的蛋白，在酵母双杂交体系中与PHOT1作用，其中PHOT1的LOV区域和NPH3的BTB/POZ和coil-coil是相互作用区域。NPH3在蓝光诱导下表现出移动活性的变化，可能是PHOT1磷酸化作用的目标。两者都是膜蛋白，但都没有跨膜区域，很可能需要翻译后脂类的修饰使它们在质膜上共定位。PKS1、PKS2、NPH3、PHOT1、PHOT2形成免疫共沉淀，说明几个蛋白质之间可形成复合体（de Carbonnel et al.，2010）。

RPT2编码含有BTB/POZ区域的类NPH3蛋白，与转录因子作用，很可能是连接质膜上趋光素到核中转录因子的中间蛋白。RPT2在活体中也与PHOT1形成复合物，在PHOT1诱导的光反应途径发挥作用（Inada et al.，2004）。

4.其他光受体

植物对UV-B的信号传导和反应有几种类型。高光强（HIR）紫外B引起植物损伤，包括DNA、蛋白质、膜系统、脂类的变性，引发植物体的逆境胁迫反应（Brown and Jenkins，2008）。低光强（LFR）UV-B改变代谢途径，引起发育变化。如酚类物质的合成和胚轴延长的抑制。一些基因表达以防止或降低UV-B造成的损伤（Brown and Jenkins，2008）。植物对紫外伤害的保护在UV-B、UV-A和红外光信号途径的协同作用下，通过增强黄酮类及色素合成途径关键酶查尔酮合酶CHS的合成而增加植物吸光物质的数量，减少紫外B射线对植物的伤害。目前为止，UV-B的直接受体还不清楚，而几个UV-B反应途径的关键基因已经分离出来（Fuglevand et al.，1996），如UV RESISTANCE LOCUS 8（UVR8）（Brown et al.，2005）、HY5、HYH（Brown and Jenkins，2008）、COP1（Oravecz et al.，2006）。