植物光信號轉(zhuǎn)導

李秀坤，許冬清

南京農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院 作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室，南京 210095

太陽光是植物能量的主要來源。除此之外，光還作為一個重要的環(huán)境信號因子影響和調(diào)控植物的諸多生長發(fā)育和生理過程。自20世紀90年代以來，植物光生物學家借助分子生物學和分子遺傳學的發(fā)展和各種新的技術方法，對植物光信號轉(zhuǎn)導進行研究并有突破性的進展。植物接受光信號并傳遞至下游，進而作出適時的應答反應，以適應時刻變化的光環(huán)境。植物是固生生物，從種子落地發(fā)芽開始，就會在一個固定的地點完成整個生命周期。但是，植物并不像我們看到的那樣靜止不動，在微觀層面上可謂是瞬息萬變。不同光環(huán)境下，植物啟動精密的光信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)以應對不同的光質(zhì)、光強、光照時間和方向，確保其自身的健康生長。

1 植物識別光信號的物質(zhì)——光受體

陽光普照一切生物，為大自然帶來生機。所謂 大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽 。自1906年美國科學家Garner和Allard發(fā)現(xiàn)光對植物生長發(fā)育的影響開始，全世界的科學家就從未停止過光對植物作用的研究。

在數(shù)萬年的進化過程中，植物為了感知和識別光信號已經(jīng)進化出幾類不同的光受體。它們是識別280～315 nm 的 UV-B 信號的紫外光受體 UVR8[1-2]、吸收波段為315～500 nm 的 UV-A和藍光受體隱花色素 1 和 2(CRY1和CRY2)以及向光素 1 和 2(Phot1和Phot2)[3-5]，而光敏色素(PHYA～PHYE)主要吸收600～750 nm的紅光和遠紅光[6](圖1)。其中PHYA是吸收遠紅光信號的主要光受體，PHYB是識別紅光信號的主要光受體。光敏色素在吸收波長為670 nm的紅光后可以轉(zhuǎn)化成有活性的光受體Pfr，而在吸收730 nm的遠紅光后轉(zhuǎn)換成無生物學活性的Pr狀態(tài)[7]。這些光受體的發(fā)現(xiàn)，對于植物光生物學的發(fā)展具有里程碑意義。全世界多家致力于光信號轉(zhuǎn)導研究的實驗室，協(xié)同參與了這些重要的研究項目。斯坦福大學的Winslow Briggs院士發(fā)現(xiàn)向光素，并解釋了植物的向光性現(xiàn)象[3]。加州大學伯克利分校的Peter Quail院士克隆了第一個光敏色素[6]。賓夕法尼亞大學的 Anthony R. Cashmore院士和加州大學洛杉磯分校的林辰濤教授領導的研究團隊分別克隆了隱花色素CRY1和CRY2[4-5]。UV-B受體由瑞士日內(nèi)瓦大學Roman Ulm教授實驗室首先發(fā)現(xiàn)[1]。有人會問：為什么沒有識別500～600 nm波段的光受體？答案是：這一波段為綠光，在植物體內(nèi)是沒有綠光受體的。綠光可以在紅光受體和藍光受體的介導下，參與植物生長發(fā)育的過程，如向光性反應、莖的伸長、葉的生長、氣孔的開閉和其他器官的生長等。人類肉眼只能看到可見光部分，一般為400～760 nm之間。由此看來，植物比人類感受光的能力要更強。這些光受體在識別不同波長的光信號后，迅速地在植物細胞內(nèi)啟動不同的生物學事件，將信號傳遞至下游，并通過影響大量基因的表達而調(diào)控不同的生理和生長發(fā)育過程。

圖1 模式植物擬南芥中的光受體

2 光信號轉(zhuǎn)導的重要核心——COP/DET/FUS

植物通過這些光受體精確分辨太陽光不同的波長、方向、強度和周期等信息變化，經(jīng)由復雜的信號感受、傳遞和響應，完成信號轉(zhuǎn)導過程。一方面植物利用光能進行光合作用，將光能轉(zhuǎn)化成有機能；另一方面，通過一系列光調(diào)節(jié)基因來調(diào)控種子的萌發(fā)、幼苗的光形態(tài)建成、避蔭性、葉綠體和小葉的運動、開花的誘導以及很多細胞核內(nèi)和葉綠體內(nèi)基因的表達等。為了揭示其中的奧秘，植物光生物學家做了很多有意思的研究，以期揭示這個光信號轉(zhuǎn)導通路和植物響應光的分子機理。最終科學家們通過遺傳篩選和表型鑒定獲得了cop/det/fus這樣一組對光信號具有多效性的突變體[8](圖2)。這些突變體在黑暗下都表現(xiàn)出組成型光形態(tài)建成的表型，即這些基因單獨的功能缺失均可以導致植物幼苗在黑暗下就模擬光下生長的過程。COP1是COP/DET/FUS系統(tǒng)中一個典型的代表，是光形態(tài)建成的核心抑制因子。它實際上是將光形態(tài)建成的促進因子進行降解而行使抑制光形態(tài)建成的機制，通過多泛素化光形態(tài)建成核心促進因子HY5、HYH、PHYA、BBX21、BBX22、HFR1、PIL1、PAR1和PAR2等，而促進它們通過26S蛋白水解酶體降解[8-9]。在光照條件下，一方面有活性的光敏色素受體從細胞質(zhì)進入細胞核后會與 COP1 或者 SPAs 等蛋白互作來解離 COP1-SPAs 復合體，進而抑制COP1的E3泛素連接酶活性，而它的活性降低就會使得植物表現(xiàn)出光形態(tài)建成的表型；另一方面大部分 COP1 以目前還不太清楚的機制出核，最終使得細胞核內(nèi)光形態(tài)促進因子迅速積累，進而促使幼苗進行光形態(tài)建成[10-11]。DET是Deetiolation的簡稱，也就是去黃化。植物在黑暗下生長，會出現(xiàn)黃化苗，見光以后則會合成葉綠素轉(zhuǎn)為綠色。 FUS 則是Fusca的簡稱。Fusca是拉丁語，深紫色的意思，主要是因為這些突變體的種子中花青素大量積累，而呈現(xiàn)出深紫色。其中cop系列的突變體和det系列的突變體最后都被定位是相應的fusca系列突變體的等位基因，如cop1與fusca1是等位的，det1與fusca2是等位的。COP/ DET/ FUS 位于光受體的下游，處在光信號通路的中心，它們主要通過調(diào)節(jié)下游的光形態(tài)建成促進因子的蛋白水平來調(diào)節(jié)幼苗的光形態(tài)建成。

COP1是其中一直較為受關注的成員。作為E3 泛素化連接酶，其通過降解參與植物光形態(tài)建成的促進因子以及調(diào)節(jié)開花和生物鐘節(jié)律的一系列調(diào)控因子等，來參與植物生長發(fā)育的諸多過程。1991年鄧興旺(后來當選為美國科學院院士)首先鑒定了擬南芥cop1突變體[12]。次年，他成功地克隆了擬南芥COP1基因，這一研究成果發(fā)表在《細胞》(Cell)雜志上[13]。隨后，鄧興旺教授領導的研究團隊通過系統(tǒng)性的遺傳和生物化學研究鑒定和證明了CP/DET/FUS 所組成的3個E3泛素化連接酶復合體位于光受體下游，并處于光信號轉(zhuǎn)導途徑的核心位置。這三大復合體在黑暗下位于細胞核內(nèi)并具有高度的生物學活性，降解了大量的蛋白底物，從而確保植物下胚軸或莖迅速伸長，以及雙子葉植物子葉閉合并形成彎鉤；而見光以后，這些復合體的活性被多種不同分子調(diào)控機制所抑制，使得下游底物在細胞核內(nèi)得以積累并促進幼苗生長[8-9]。這些有趣的發(fā)現(xiàn)，不僅完善了人們對植物光信號轉(zhuǎn)導的理解，也推動了針對這一調(diào)控系統(tǒng)在動物和人類中的研究。這是因為COP/DET/FUS系統(tǒng)在動物和人類中也具有E3泛素化連接酶活性，參與和調(diào)控腫瘤發(fā)生等諸多生理和病理的發(fā)生和調(diào)控過程。

圖2 野生型和cop1突變體在黑暗下和光下生長的表型

3 光信號轉(zhuǎn)導中的轉(zhuǎn)錄因子

光信號影響植物體內(nèi)將近3 000多個基因的表達，而直接控制這些基因表達的主要是一類受光調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，其中HY5是這一途徑最為關鍵和最具有代表性的一個轉(zhuǎn)錄因子。HY5可以直接或者間接地結(jié)合在植物體內(nèi)約1/3基因的啟動子區(qū)域而調(diào)控它們的表達[14]。這些基因的改變直接影響著植物受光調(diào)控的生長發(fā)育過程，其中就包括光形態(tài)建成。在黑暗下，HY5是被COP1所泛素化而降解的；而在光下，積累的HY5就具有調(diào)控下游目的基因表達的能力[15]。在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平，HY5受到光受體和COP/DET/FUS 的調(diào)控，證明HY5位于這一調(diào)控體系的下游，也就是說光信號-光受體-COP/DET/FUS系統(tǒng)通過調(diào)控HY5而影響植物體內(nèi)大量基因的表達，從而最終調(diào)控植物的光形態(tài)建成。hy5突變體最初也是在鄧興旺教授的實驗室通過遺傳篩選獲得[16]。隨后，植物光生物學家借助于分子生物學和生物信息學的技術手段，闡明HY5在植物光信號轉(zhuǎn)導途徑中詳細的工作機制，并確立它在這一轉(zhuǎn)導途徑中的重要位置。

4 光信號轉(zhuǎn)導的微視角

擬南芥幼苗利用光受體感受光信號后，主要通過影響蛋白與蛋白的互作、蛋白的核質(zhì)定位和蛋白的穩(wěn)定性等生物學事件將信號傳遞下去。在光信號通路中，光影響蛋白與蛋白互作比較常見，如光敏色素被激活入核后可與 PIFs 和SPAs 等蛋白互作，受藍光激活的 CRY2 與 CIB1和 SPAs 可以相互作用，以及紫外光照后二聚的UVR8 解離成 UVR8 單體后能夠與 COP1/SPAs復合體相互作用等[10]。

在黑暗條件下，沒有活性的光敏色素受體位于細胞質(zhì)內(nèi)，而細胞核里的 PIFs蛋白則以同源或者異源二聚體的形式結(jié)合在光調(diào)控基因的啟動子上，并調(diào)控這些基因的表達，進而抑制植物的光形態(tài)建成。另外，位于細胞核內(nèi)的COP1 能夠降解光形態(tài)建成的促進因子如 HY5、 LAF1、HFR1、PAP1和PAP2等。HY5是光形態(tài)建成的正向調(diào)節(jié)子，HFR1參與避蔭反應，PAP1和PAP2是花青素生物合成的正調(diào)控因子，而CO是光周期介導的促進開花的關鍵因子。這些關鍵因子控制了植物體內(nèi)大約1/3基因的表達[10]。光受體PHYA、PHYB和CRY2也被COP1/SPA蛋白復合體降解，抑制光形態(tài)建成，表明COP1反饋調(diào)控光受體。在光照條件下，光敏色素遷移至細胞核里，能夠與PIFs相互作用，并以一種未知的方式磷酸化PIFs而被降解[17]；同時，光敏色素從細胞質(zhì)進入細胞核后會與 COP1 或者 SPAs 等蛋白形成異聚體來解離 COP1-SPAs 復合體，進而抑制COP1-SPAs活性[10-11]。在長時間的光照下，大部分 COP1 以目前還不太清楚的機制遷移出細胞核，最終使得細胞核內(nèi)光形態(tài)促進因子迅速積累，進而促使植物體內(nèi)1/3基因的正常表達而促進光形態(tài)建成。因此，光受體-E3泛素化連接酶復合體-轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控體系是植物光信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)中的核心調(diào)控開關。

5 結(jié)束語

不同類別的光受體和COP/DET/FUS的發(fā)現(xiàn)和鑒定極大地加深了人們對光信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的認識，并且繪制了一個類似線性的光信號轉(zhuǎn)導途徑。COP/DET/FUS組成了3個不同的E3泛素連接酶復合體，降解諸多的下游底物。這些調(diào)控因子在包括人類在內(nèi)的其他真核生物中也是保守的，并且具有類似的生物化學活性。除了調(diào)控光形態(tài)發(fā)生外，COP/DET/FUS蛋白在許多其他生物學過程中也起著關鍵作用，其在植物或者哺乳動物中的功能完全喪失，均導致致死的表型?；诤诎迪碌焦庀轮参镉酌缧螒B(tài)建成的分子機理研究，已經(jīng)揭示了一個較為清晰的光信號轉(zhuǎn)導途徑，但是光信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)如何在調(diào)控植物其他的生長發(fā)育過程(例如氣孔發(fā)育、成株形成等)中行使作用，以及與其他環(huán)境因子和不同植物激素信號途徑的整合調(diào)控，將是植物光生物學家需要持續(xù)付諸努力的研究領域和方向。