第9章光形态建成Convertor

Chapter9PlantPhotomorphogenensis光对植物的作用主要有两个方面：1)光是绿色植物的光合所必需的；2)光调节植物的生长发育.依赖光控制细胞分化、结构和功能的改变，最终汇集成组织和器官的建成，称为光形态建成photomorphogenesis.或称为光控发育、又称为光范型反应。相反，在暗处生长的植物表现出各种黄化特征，茎细而长，顶端呈钩状弯曲，叶片小而呈黄白色，这种现象称为暗形态建成skotomorphogenesis.光合作用是高能反应，它将光能转变为化学能，受体是叶绿素；光形态建成是低能反应，多数反应比光合作用光补偿点还低10个数量级，光只是作为一种信号，去激发受体，推动细胞内一系列反应，最终表现为形态结构的变化。目前知道的三种光受体1.光敏素：感受红光和远红光2.隐花色素和向光素：感受蓝光和近紫外光3.紫外光-B(UV-B)受体：感受UV－B。目前对光敏色素研究较深入，下面重点谈光敏色素。光敏色素引起的反应－光与种子萌发早在1907年Kinzel报道，在研究的964个植物种中，672种在光下发芽率增强，258种发芽受光抑制。近来，有人分析了142种非栽培植物，其中107个光促进发芽，3个受抑制，32个对光反应不敏感。把萌发时需要光的种子叫需光种子，又称喜光种子（lightfavoredseed）；萌发时不需要光的种子，称为需暗种子（darkfavoredseed）。对于休眠的解除需要光的种子来说，一般均要在种子或种子特定部位处于吸胀状态时才能进行;胚轴区可能是种子光敏感区;在对光休眠的诱导与解除中，激素是另一个要考虑的因素，但光敏色素参与的种子光休眠与解除休眠有非常重要的意义。§9.1光敏色素的发现和性质9.1.1光敏色素（phytochrome）的发现早在上世纪二十年代就已观察到，光照与黑暗的相对长度控制着某些植物的开花.到1935—1937年Flint等在研究光质对莴苣种子萌发的影响时，发现有些光质的光促进萌发，而有些光质的光抑制萌发.促进莴苣种子萌发最有效的光是在红光区域（600-700nm），而抑制莴苣种子萌发的光是在远红光区域（720-740nm）。Borthwick等（1946—1960）在美国马里兰州Beltsville美国农业部实验室装置了大型光谱仪，更精确地发现促进莴苣种子萌发最有效的光是波长约为660nm红光，抑制其萌发最有效的光是波长约730nm的远红光。他们进一步发现，如果用红光和远红光交替地照射莴苣种子，种子萌发的促进或受抑制决定于最后照射的光质。而与交替的次数无关。表9-1交替暴露在红光（R）和远红光（FR）下的莴苣种子萌发百分率（在26℃下，连续以1min的R和4min的FR曝光）光处理萌发率/%光处理萌发率/%RR-FRR-FR-R70674R-FR-R-FRR-FR-R-FR-RR-FR-R-FR-R-FR67671959年同一研究小组的Butler等通过研究认为，这种吸收红光和远红光并且可以互相转化的光的受体是具有两种存在形式的单一色素。在1960年Borthwick等将这种色素命名为光敏色素。其红光吸收形式为Pr（蓝绿色），远红光吸收形式为Pfr（黄绿色）。光敏色素的发现是上个世纪植物科学中的一大成就，有人认为，光敏色素的发现是植物光生理学发展的里程碑。目前知道，包括低等藻类一直到高等的被子植物中许多生理现象都和光敏色素的调控有关。真菌中没有光敏色素，其光形态建成由隐花色素调控。9.1.2光敏色素的化学性质及光化学转换.9.1.2.1光敏色素的化学性质光敏色素是一种易溶于水的二聚体色素蛋白，两个单体中的各个单体均由生色团（Chromophore）和脱辅基蛋白质(apoprotein)组成。生色团是一个长链状的4个吡咯环，它以硫醚键结合到120~127kDa多肽链的半胱氨酸残基上，具有独特的吸光特性。光敏色素生色团的生物合成是在质体中黑暗条件下进行的，其合成过程可能类似脱植基叶绿素（叶绿素的前身）的合成过程。生色团在质体中合成后就被动地运送到胞质溶胶，与脱辅基蛋白质装配形成光敏色素结合蛋白复合物，即全蛋白。光敏色素有两种类型：红光吸收型（redlight-absorbingform,Pr）和远红光吸收型（far-redlight-absorbingform,Pfr）。二者光学特性不同，Pr吸收高峰在660nm，而Pfr的吸收高峰在730nm。二者在不同光谱作用下可以相互转换。Pfr是生理激活型，Pr是生理失活型。9.1.3.2光敏色素基因和分子多态性光敏色素蛋白基因是多基因家族，拟南芥（Arabidopsisthaliana）中的多基因家族中至少含有5个基因：PHYA、PHYB、PHYC、PHYD、PHYE。各个基因编码的蛋白有不同的时空表达和分布，功能也不同。分为类型I光敏色素（PHYI，光下易分解）和类型II光敏色素（PHYII，光下不易分解）。研究发现PHYA编码类型I光敏色素，其表达受光负调控；而PHYB、PHYC、PHYD、PHYE编码类型II光敏色素，其表达不受光的影响，为组成型表达。PhyA是唯一编码PhyI的基因，而PhyB—E共同编码PhyII，因此PhyI也称PhyA。9.1.3.3光敏色素的光化学转换光敏素PrPfrPr和Pfr的转变非常迅速，仅为几个微秒或毫秒，其中也分为光化学反应和黑暗反应。黑暗反应必须在水溶液中进行。Pr比较稳定，Pfr不稳定。在黑暗条件下，Pfr会逆转为Pr，使Pfr浓度降低；Pfr也会被蛋白酶降解。以前认为Pfr一旦形成，即和某些物质（X）反应，生成Pfr.X复合物，经过一系列信号放大和转变过程，产生可观察到的生理反应。Pr和Pfr在小于700nm的光波下，都有不同程度的吸收，出现相当多的重叠。在活体中，在一定的波长下，具有生理活性的Pfr浓度占光敏色素的总浓度的比例（CPtot=CPr+CPfr）被称为光稳定平衡（Photostationaryequilibrium,Φ）,即Φ=CPfr/CPtot。不同波长的红光和远红光可以组合成不同的混合光，能得到各种Φ值。例如，白芥幼苗在饱和红光（600nm）下的Φ是0.8；而在饱和远红光（718nm）下的Φ值是0.025。在自然条件下，决定植物光反应的Φ值常为0.01-0.05。9.2光敏色素的分布、生理作用和反应类型9.2.1光敏素的分布光敏素分布在植物各个器官中，黄化幼苗中含量较高（光可分解光敏素）在分生组织中光敏素含量较高在细胞中，光敏素主要分布在膜系统、胞质溶胶和细胞核等部位。9.2.1光敏色素的生理作用光敏色素生理作用广泛，影响植物一生的形态建成。表９—２高等植物中一些由光敏色素控制的反应１种子萌发６小叶运动11光周期16叶脱落２弯钩张开７膜透性12花诱导17块茎形成３节间延长８向光敏感性13子叶张开18性别表现４根原基起始９花色素形成14肉质化19单子叶植物叶片展开５叶分化和扩大10质体形成15偏上性20节律现象按照光敏色素接受光刺激后发生反应的快慢可分为慢反应和快反应慢反应：光形态建成、种子萌发、光下脱黄化作用、叶子展开、下胚轴弯钩伸展等。快反应：棚田效应、转板藻叶绿体运动棚田效应：离体绿豆根尖在红光下诱导膜上产生正电荷而使根尖黏附在带负电荷的玻璃表面的现象。9.2.2光敏色素的反应类型1.极低辐照度反应(verylowfluenceresponse,VLFR)可被1~100nmol/m2.s的光所诱导Φ值为0.02时就满足反应条件，红光反应不能被远红光所逆转遵守反比定律:反应强度与照光强度和时间乘积正比。例子：红光刺激暗中生长的燕麦胚芽鞘的伸长生长红光刺激拟南芥种子的萌发2.低辐照度反应(lowfluenceresponse,LFR)可被1~1000μmol/m2.s的光所诱导红光/远红光反应相互逆转遵守反比定律例子：莴苣种子的萌发，转板藻的叶绿体运动高辐照度反应(highirradiationresponse,HIR)反应需持续强的光照，光照时间越长，反应程度越大不遵守反比定律红光反应不能被远红光所逆转例子：双子叶植物花色素苷的形成莴苣幼苗上胚轴弯钩的打开芥菜、莴苣幼苗下胚轴的伸长9.3光敏色素的作用机制及信号转导两种假说关于光敏色素的作用机理主要有两种假说：膜假说和基因调节假说。膜假说由Hendricks和Borthwick在1967年提出，认为光敏色素的活跃形式Pfr直接与膜发生物理作用，通过改变膜的一种或多种特性或功能而参与光形态建成。如棚田效应（Tanadaeffect）。Dreyer和Weisenseel（1979）发现，转板藻在照射30s红光后，细胞内Ca2+积累速度增加2-10倍，接着照射30s远红光，这个效应就全部逆转。有几个科学家提出在转板藻中从光受体到生理反应之间存在着这样一种信号链：红光→Pfr增多→跨膜Ca2+流动→细胞质中Ca2+增加→CaM活化→肌球蛋白轻链激酶活化→肌动球蛋白收缩运动→叶绿体转动。基因调节假说该假说由Mohr在1966年提出，认为光敏色素通过调节基因的表达而参与到光形态建成。现有资料证明，光敏色素调节基因的表达都发生在转录水平上。已有试验证明，Rubisco小亚基的基因（rbcs）的表达受红光和远红光的调控，光可诱导其mRNA水平的提高。有人将光形态建成过程中基因活化概括为：光信号经过传递、放大，通过激活转录因子，活化或抑制某些特定基因，使转录出单股mRNA的速度发生改变，mRNA翻译成特殊蛋白质（酶），最后表现出形态建成。9.4蓝光和紫外光反应紫外光（ultraviolet，UV）分为:1.UV－C:200－280nm2.UV－B:280－320nm3.UV－A:320－400nm近紫外光：300nm以上的紫外光蓝光：400－500nm9.4.1蓝光反应上个世纪70年代以来，可见光谱中的短波光对植物生长、发育和代谢的影响日益受到重视，研究发现，蓝光和近紫外光调控着真菌和植物的许多生长发育过程;现已证实，植物界存在的第二类光形态建成反应是受蓝光、近紫外光调节，其光受体称作蓝光/近紫外光受体（B/UV-Areceptor），简称蓝光受体。蓝光受体有隐花色素和向光素两类。蓝光反应包括：向光反应、茎伸长的抑制、花色素的积累、气孔开放、基因表达的调控等反应。蓝光反应的光谱特征是在400－500nm区呈“三指”状。Goessel提出隐花色素（Cryptochrome）一词，因为隐花色素作用光谱的高峰处在450nm左右，所以常称隐花色素所起的作用为蓝光效应。蓝光受体的研究近几年来虽有很大进展，但目前关于它的化学性质尚不清楚，目前倾向于认为是某种黄素蛋白（FAD或FMN蛋白复合物）。隐花色素和向光素引起的反应：1、植物的向光性2、叶绿体的运动3、气孔的开放4、下胚轴生长的抑制5、叶绿素和胡萝卜素的合成6、对花色素苷的形成等隐花色素生色团是FAD和蝶呤，其蛋白为多基因编码，可调控去黄化光周期、生理钟、花色素苷合成。向光素是在研究植物的向光反应中发现的，它的生色团是黄素单核苷酸（FMN）。向光素主要调节植物的运动，如植物的向光运动、气孔的运动及叶绿体的运动等。蓝光反应作用机理：现在认为，蓝光受体本身是激酶，其下游组分多元化，能够和其他信号作用相耦联，形成网络。并和激素有相互作用。9.4.2紫外光反应UV－B对植物的整个生长发育和代谢都有影响，但是其受体尚未分离到。紫外光对植物产生的影响：植株矮化、叶面积减小、干物质积累下降，叶绿体破坏，光合电子传递降低，体内活性氧产生增多，膜脂过氧化增强，一些蛋白质（酶）破坏。类黄酮类物质和花色素苷合成增加。