植物光敏色素PPT课件

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植物的向光性
向光素的作用
向光反应 使燕麦胚芽鞘向光弯曲最有效的是蓝光
气孔运动 ①弱光试验;②强光试验; ③去叶绿体试验
叶绿体的运动 蓝光调节叶绿体在细胞内的移动
紫外光-UVB反应
UV-B受体的化学成分尚不清楚。 UV-B照 射使一些农作物植株矮化,叶面积减小, 气孔关闭,光合作用下降等。
是否种子靠近地表 是否有邻居存在 是否到了开花季节 还有其他……
高等植物中一些由光敏色素控制的反应
种子萌发
向光敏感性
弯钩张开
花色素形成
节间伸长
质体形成
根原基起始 光周期
叶分化和扩大 花诱导
小叶运动
子叶张开
膜透性
肉质化
偏上性 叶脱落 块茎形成 性别表现 单子叶植物
光敏色素的作用机理——2种形式
吸收红光的形式:
吸收峰664 nm,无生理
Pr
活性,稳定
吸收远红光的形式:
吸收峰730 nm,具生理
Pfr
活性,不稳定
相互转变
Pr
Pfr
两种形式是同一种化合物 保持总量不变
红光照射后
Pfrr
Pr 吸收红光 转变为Pfr
Pfr
Pfr 不吸收红光, 保持不变
③要求光能较高
光作为信号激发受体,推 动系列反应引起形态变化 光对形态变化的影响
要求光能较低
④光的受体是叶绿体色素 光的受体是光敏色素、隐花 色素、向光素和UV-B受体
光形态建成(photomorphogenesis): 依赖光控制的植物生长、发育和分化等过 程。
暗形态建成(skotomorphogenesis): 暗中生长的植物表现出各种黄化特征的现 象。
A.光下生长的玉米
B.暗处生长的玉米
C.光下生长的菜豆
D.暗处生长的菜豆
2. 光形态建成中的色素
光敏色素(phytochrome):感受红光/ 远红光 隐花色素(cyptochrome)和向光素
(phototropin):感受蓝光/ 近紫外光(UV-A) UV-B受体:感受紫外光 B区域的光
八仙花 天仙子 牵牛花
LDP
SDP
长白昼:Pfr 在短黑夜后仍然保存 Pfr 促进LDPs开花 Pfr 抑制SDPs开花
短白昼:Pfr 在长黑夜后完全消失 没有Pfr 时LDPs的开花受到促进 没有Pfr 时SDPs的开花被抑制
等待适宜的时机
植物在开花时机到来之前可以持续长叶 LDPs等待白昼长度足够长才进入开花诱导
需要短的黑夜 需要夜晚结束后Pfr仍然存在 Pfr促进长日照植物开花
紫苏
唐菖蒲
矮牵牛
经过一个长的夜晚后
所有的 Pfr 都转变为Pr
Pfrr
Pfrr Prfr
Prfr
Pfrr
Pfrr
Pfrr
Pr
Prfr
Pfrr
Pfrr
Pfrr Prfr
Pfrr
Prfr
Pfrr
Prfr
Prfr
Pfrr
Pfrr
黎明到来后
Prfr Pfr
Prfr
Prfr
Pfr Pfr
Prfr Prfr
Pfr Pfrr
Pfr
wenku.baidu.com
Prfr
Pfr
Pfr Pfr
Prfr Prfr
Pfr
Pr Pfrr
大部分光敏色素又转变为Pfr
SDP(短日照植物) = LNP(长黑夜植物)
需要长黑夜 夜晚结束时Pfr 必需不存在 Pfr 抑制短日照植物开花
(2) 刺激反应:花青素合成,莴苣下胚轴延长, 开花诱导。
(3) 反应程度 ∝ 光辐照度×光照时间 (4) 红光反应不能被远红光逆转。
种子休眠机制
Blaauw-Jansen & Blaauw 1975; Gorski & Gorska 1979
A: 种子对红光的反应:极低光量反应和低光量反 应 (刺激萌发)
实际上是黑夜的长度足够短 有时是在6月21日之前 SPDs等待白昼长度足够短才进入开花诱导 实际上是黑夜长度足够长 有时是在6月21日之后 在此之后才开花
日中性植物
植株足够成熟后开花 可能有其他环境信号 (如温度?) 白昼长度 (黑夜长度)没有影响
荞麦 草莓
光敏色素的光稳定平衡
例如:Rubisco、PEPC、细胞色素氧化酶、 抗坏血酸氧化酶、淀粉酶、硝酸还原酶等
光敏素与植物激素
生长素:
红光照射后,体内自由生长素含量降低。
赤霉素:
光敏素可调节胞内GA水平。
CK
光敏素可刺激体内CK含量提高,CK作用效果增强。
乙烯:
红光抑制乙烯的产生。
光敏色素提供植物如下信息
UV-A:330~390nm UV-B:280~330nm UV-C:<280nm
光敏色素的组成
光敏色素Pr与 Pfr的吸收光谱
Pr:红光(660nm)吸收型,稳定; Pfr:远红光(730nm)吸收型,不稳定。
光敏色素的吸收光谱和构象: PFR,PR
http://www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/b_online/e30/8.htm
光敏色素的组成和分布
广泛分布于植物的各个器官中。
其中以分生组织 (茎尖、根尖生 长点)含量较高。
黄化幼苗比绿色 幼苗含量高得多。
在细胞中主要分 布在膜系统、细 胞质和细胞核。
3. 光敏色素的作用
感受红光 R 和远红光 FR 提供植物环境信息 解答植物的 3 个重要问题
我是否处在光环境之中? 周围是否有植物与我为邻或在我之上? 是否到了开花的时间?
温度 湿度 光照水平
可靠指标:昼夜长度
随季节变化 随纬度变化
通过光敏色素感知
经过一个短夜以后
Pfrr
Pfr Prfr
Pfr 仍然保存
Prfr
Pfr
Pfr
Pfr
Pr
Prfr
Pfrr
Pfrr
Pfrr Prfr
Pfr
Prfr
Pfrr
Prfr
Prfr
Pfr
Pfrr
LDP(长日照植物) = SNP(短黑夜植物)
Pfr
Pr Pfrr
在黑暗中
Pfr 逐渐转变为 Pr 形式
Pfrr
Pfr Prfr
Prfr
Pfr
Pfr
Pfr
Pr
Prfr
Pfrr
Pfrr
Pfrr Prfr
Pfr
Prfr
Pfrr
Prfr
Prfr
Pfr
Pfrr
喜阳植物的休眠机制:打 破休眠需要光
冠层叶面积不同使得冠 层下部Pfr/Pr比例不同
对喜阳植物种子萌发的 影响
低辐照度反应(LFR)
(1) 对光照的需求:1~1000μmol m-2,典型红 -远红光反应。
(2) 刺激反应:莴苣种子萌发,转板藻叶绿体运 动。
(3) 未达到光饱和时,反应程度=光辐照度×光 照时间
(4) 短暂红光可以引起反应,并可以被随后的远 红光逆转。
高辐照度反应(HIR):
(1) 对光照的需求:大约是低辐照度的100倍以 上。
B: 对辐射的反应:高光量反应 (抑制萌发)
光敏色素系统
吸收远红光的色素Pfr:很低的的量就可以 打破休眠
R/FR高促进Pfr合成 LFR:phyB; VLFR:phyA HIR:强光、高剂量抑制萌发 莴苣种可子能:与Pr/Pfr 转化有关
A: 37oC / FR预处理
连续光照的效应
植物光 敏色素
1. 光对植物的影响
(1)光合作用,为高能反应,具有光能与化学能的 转化,光的受体主要是叶绿素。
(2)调节植物生长发育,低能反应,无能量转化。 光形态建成 种子萌发 植物开花时机
光合作用与光形态建成的重要区别
光合作用
光形态建成
①光能转化为化学 能贮藏在有机物中
②光对代谢活动的影响
种子萌发率(%) 70 6 74 6 76 7 81
R: 1min; FR: 4min. 26oC. (Bothwick et al., 1952)
慢反应
慢反应包括很多步骤,一般红光和远红光 的效应不能相互逆转。
作用模式:
光Φ值变化 诱导蛋白质合成 代谢变化形 态变化
光敏色素和酶
植物体内多种酶的活性受光敏色素调控, 这些酶广泛分布于各种组织和器官中,参 与植物体内很多代谢反应。
当然还有其它原因
如果低于邻居植物
红光被其它 植物吸收掉
远红光从其它植物上 反射回来或透射过去
远红光增加 = 居于下层
感受是否居于下层的重要性
下层植物与开阔地植物的最佳生长策略 不同
需要知道是否
被其他植物遮荫 仅仅是云影 到了傍晚
3.3 感知开花时机
指示一年中时间的不可靠指标
光敏色素基因和分子多型性
类型: 黄化幼苗中大量存在、见光易分解的为Ⅰ型 光下稳定存在、绿色幼苗中含量很少的为Ⅱ型
光敏色素基因: phyA-phyE phyA编码Ⅰ型, phyB-phyE编码Ⅱ型
表达调控: phyA的表达受到光的负调节,而phyB-phyE的基 因表达不受光照影响,属于组成型表达。
远红光照射后
Pr
Pr 不吸收远红 光,保持不变
Pfrr
Pfr 吸收远红光, 转变为 Pr
单色光照射
Pfr
红色单色光, 所有 光敏色素都转变为
Pfr 形式
Pr
在远红外单色光照射 后,所有光敏色素都 转变为Pr形式
太阳光照射
红光比例大 很少远红光
太阳光照射下
Prfr Pfr
Prfr
Prfr
Pfr Pfr
在活体中,光敏色素总量(Pr+Pfr)是一定的。
光稳定平衡(photostationary equilibrium Φ):在一定波长下,具有生理活性的Pfr浓度占 光敏色素总浓度的比值。
Pfr /( Pfr Pr )
Pr
红光 660nm 远红光 730 nm
Pfr [X] [ФX]
UV-B引起的花色素等物质含量的增加,对 植物起保护作用。
叶片展开 节律现象
光敏色素调节的反应类型
极低辐照度反应(VLFR):
(1) 对光照的需求:1~100 nmol m-2,Φ=0.02 (2) 刺激反应:燕麦芽鞘的伸长,刺激拟南芥种子萌
发等 (3) 反应程度=光辐照度×光照时间,增加光照时间
可以减少照光时间。 (4) 红光反应不能被远红光逆转。
3.1 感受种子的位置
太阳光中 的红光到 达种子
太阳光 到达不 了种子
种子萌发 种子不萌发
种子感受红光 = 指示种子接近地表
种子为什么要确知自己的位置?
种子储存生长必须的物质 必须在储存物质耗净之前找到阳光 小粒种子
必须很靠近地表 常常需要阳光才能萌发
幼苗伸直和展叶也要在地表
生理 反应
形态 变化
暗逆转
破坏
4. 光敏色素在光形态建成中的反应
快反应 从吸收光到诱导出植物的形态变化只需要
几分钟甚至几秒钟,一般红光和远红光的 效应能相互逆转。 例如:转板藻叶绿体的翻转
红光和远红光对莴苣种子萌发的控制
照光处理 R R+FR R+FR+R R+FR+R+FR R+FR+R+FR+R R+FR+R+FR+R+FR R+FR+R+FR+R+FR+R
Pons 1992
Plantago major
3.2 感受邻居存在与否
红光被其它 植物吸收掉
远红光从其它植 物上反射回来
远红光增加 = 有邻居存在
为什么要判断是否有邻居?
有邻居就有威胁
邻居植物可能长得更高,造成遮荫
解决方案
至少长得和邻居一样高 必须知道邻居存在
孤立的植物往往比群体中的植物长得矮
Prfr Prfr
Pfr Pfrr
Pfr
Prfr
Pfr
Pfr Pfr
Prfr Prfr
Pfr
Pr Pfrr
大部分光敏色素转变为Pfr形式
夜晚来临时
大部分光敏色素是Pfr形式
Prfr Pfr
Prfr
Prfr
Pfr Pfr
Prfr Prfr
Pfr Pfrr
Pfr
Prfr
Pfr
Pfr Pfr
Prfr Prfr
等剂量相同光谱组成的间 断光照下不出现的反应
HIR
可被等剂量相同光谱组成 的间断光照诱导的效应
间断光照的效应
在FR间断照射下可产生 不可被R/FR间断照射逆转
VLFR
在FR间断照射下不可产生 可被R/FR间断照射逆转
LFR
5 蓝光和紫外光反应
蓝光反应 隐花色素和向光素 1979年,Gressel提出隐花色素一词,表示
不同于光敏色素的专门接受蓝光和近紫外 光调节和诱导的受体。 最近又有人提出向光素一词。
隐花色素的作用
调节伸长生长、开花、生理钟等
蓝光与红光同样抑制植物茎的伸长,促进叶 面积扩大,且蓝光的作用比红光更迅速
蓝光可使植物体内自由态的IAA、GA、玉 米素和二氢玉米素含量 下降,而Eth和ABA的 含量升高,从而抑制植 物的生长
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