第七章 光形态建成

在光形态建成过程中，光只作为一个信号 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

一些光形态建成反应所需红闪光的能量和 一般光合作用补偿点的能量相差10个数量级， 甚为微弱 给黄化幼苗一个微弱的闪光，在几小时之 内就可以观察到一系列光形态建成的去黄 化反应，如茎伸长减慢、弯钩伸展，合成 叶绿素等
光敏色素基因和分子多型性 光敏色素蛋白质的基因是多基因家族。拟南芥的多 基因家族中至少存在5个基因，分别为PHYA， PHYB，PHYC，PHYD，PHYE。 不同基因编码的蛋白质有各自不同的时间、空间分 布，有不同的生理功能。人们曾将黄化幼苗中大 量存在、见光后易分解的光敏色素称为类型I光敏 色素，而将光下稳定存在的、在绿色幼苗中含量 很少的光敏色素称为类型II光敏色素。后来的研 究表明，拟南芥PHYA 编码类型I光敏色素，而其 他4种基因编码类型II光敏色素。拟南芥PHYA的 表达受光的负调节，在光下mRNA合成受到抑制。 而其余4种基因表达不受光的影响，属于组成性表 达
第七章 光形态建成 （photomorphogenesis）
Figure 9-1
光对植物的影响 （1）光是绿色植物光合作用必需的 （2）光调节植物整个生长发育,以便更好地适 应外界环境。 依赖光控制细胞的分化、结构和功能的改变， 最终汇集成组织和器官的建成，就称为光 形态建成（photomorphogenesis），亦即光 控制发育的过程 暗中生长的植物表现出各种黄化特征，如茎 细而长、顶端呈钩状弯曲和叶片小而呈黄 白色，这种现象称为暗形态建成 （skotomorphogenesis）
光敏色素的反应类型 根据对光量的需求，光敏色素反应可分为3种类型： 极低辐照度反应（very low fluence response， VLFR） 极低辐照度反应可被1100 nmol m-2 的光诱导，在 值仅为0.02时就满足反应条件

极低辐照度的红光可刺激暗中生长的燕麦芽鞘伸长， 但抑制它的中胚轴生长；也刺激拟南芥种子的萌 发 极低辐照度反应遵守反比定律，即反应的程度与光 辐照度和光照时间的乘积成正比，如增加光辐照 度可减少照光时间，反之亦然

Pr与Pfr之间的转变包括几个毫秒至微秒的 中间反应 在这些转变过程中，包括光化学反应和黑暗 反应 光化学反应局限于生色团，黑暗反应只有在 含水条件下才能发生 干种子没有光敏色素反应，而用水浸泡后的 种子才有光敏色素反应 Pr比较稳定，Pfr比较不稳定。在黑暗条件 下，Pfr会逆转为Pr，降低Pfr浓度 Pfr也会被蛋白酶降解，Pfr的半衰期为20 min 到4h
第三节 光敏色素的作用机理



对光敏色素作用机理的认识是一个逐步深入和完善 的过程。 早先认为，生理激活型的Pfr一旦形成，即和某些物 质（X）反应，生成PfrX复合物，最终引起生理反应。 而对X的性质却不清楚。 近年来的研究证明，光敏色素是苏氨酸/丝氨酸激酶， 具有不同的功能区域，N末端是与生色团连接的区域， 与决定光敏色素的光化学特性有关，phyA、phyB的 特异性也在此区域表现出来。 C末端与信号转导有关， 两个蛋白质单体的相互连接也发生在C端。接受光刺 激后， N末端的苏氨酸残基发生磷酸化而被激活， 接着将信号传递给下游的X组分 X组分有多种类型，所引起的信号传递途径也不相同

高辐照度反应（high irradiance response， HIR）
也称高光照反应，反应需要持续强光照（大于 10μmolm-2），其饱和光照比低辐照度反应强100 倍以上 光照时间愈长，反应程度愈大，不遵守反比定律 红光反应也不能被远红光逆转 高辐照度引起的光形态建成有：双子叶植物的花色 素苷的形成，芥菜、莴苣幼苗下胚轴的延长，天 仙子开花的诱导和莴苣胚芽弯钩的张开等

光敏色素的光化学转换 Pr 和Pfr在小于700 nm的各种光波下都有不同程度的吸收， 有相当多的重叠 在活体中，这两种类型的光敏色素是平衡的，这种平衡 决定于光源的光波成分。总光敏色素（Ptot） Pr+Pfr 在一定波长下，具生理活性的Pfr 浓度和Ptot浓度的比例 就是光稳定平衡（photostationary equilibrium，），即 Pfr/ Ptot 不同波长的红光和远红光可组合成不同的混合光，能得 到各种 例如，白芥幼苗达到平衡时，饱和红光（660 nm）的值 是0.8， 就是说，总光敏色素的80%是Pfr，20%是Pr； 饱和远红光（718 nm）的值是0.025，就是说，总光 敏色素量的2.5%是Pfr，97.5%是Pr 在自然条件下，植物光反应的值为0.01-0.05时就可以引 起很显著的生理变化



对光下生长的植物来说，光敏色素还作为 环境中红光：远红光比率的感受器，传递 不同光质、不同照光时间的信息，调节植 物的发育 例如，植物叶片含有叶绿素而吸收红光， 透过或反射远红光。当植物受到周围植物 的遮阴时，R:FR值变小，阳生植物在这样 的条件下，茎向上伸长速度加快，以获取 更多的阳光，这就叫做避阴反应（shade avoidance response） 植物对光与黑暗交替的24h循环过程作出的 反应叫做光周期反应

植物的光感受系统
1）光敏色素：感受红光和远红光区域的光（650-740nm） 2）隐花色素和向光素：感受蓝光（450-500nm）和近紫
外光区域（320-400nm）的光 3）UV-B受体：感受紫外光B区域（280-320nm）的光
目前已知的植物光感受系统成员有：
第一节 光敏色素的发现、分布和性质


PfrB可以直接进入细胞核，在核内与下游的转录 因子PIF3（phytochrome interacting factor3）结合， 启动光反应基因的表达。PrfB也可以通过激活 NDPK2（nucleoside diphosphate kinase 2）来调节 基因的表达。此外，PfrB还可能与PfrA一样，进 入核后，直接调控基因表达。 PfrA和PfrB都可能与G蛋白发生相互作用，通过 cGMP、Ca2+和CaM等第二信使，激活核中的转录 因子，从而调节基因的表达。
Figure 9-6



在Pr和Pfr相互转化时，生色团和脱辅基蛋白也发 生构象变化，其中生色团变化带动蛋白质变化 Pr生色团吸光后，吡咯环D的C15和C16之间的双 键旋转，进行顺反异构化。这种变化导致四吡咯 环构象也发生变化 当Pr 转变为Pfr时，脱辅基蛋白也进行构象变化。 试验证明，Pr的N末端暴露在分子表面，而Pfr的 则隐蔽在内部。用圆二色谱法测定蛋白质的二级 结构，得到螺旋度增加几个百分点。这是生色团 与蛋白多肽氨基端相互作用的结果。与Pfr相比， Pr 的氨基端更加暴露于分子表面，分子的疏水性 也更强

第二节 光敏色素的生理作用和反应类型
光敏色素的生理作用 光敏色素的生理作用甚为广泛，它影响植物 一生的形态建成，从种子萌发到开花、结 果及衰老

பைடு நூலகம்
光敏色素接受光刺激到发生形态反应的时间 有快有慢。 快反应以分秒计，如棚田效应（Tanada effect） 和转板藻叶绿体运动 棚田效应指离体绿豆根尖在红光下诱导膜产

在调节快反应过程中，光敏色素可能调节膜上离 子通道和质子泵等来影响离子的流动。
试验证明，光敏色素控制钙离子在转板藻细胞内 快速变化。照射红光后30 min，45Ca2+积累速度增 加210倍，跟着照射30s远红光，这个效应就全部 逆转


由于植物体内有肌动球蛋白、钙调素等，有些科 学家提出转板藻受光照射后到生理反应要经过下 列信号转导的途径： 红光Pfr增多跨膜Ca2+流动细胞质中Ca2+增加 钙调素活化肌球蛋白轻链激酶活化肌动蛋 白收缩运动叶绿体转动。
• 光敏色素有两种类型：红光吸收型（red lightabsorbing form，Pr）和远红光吸收型（far-red light-absorbing form，Pfr），两者的光学特性 不同 • Pr 和Pfr在不同光谱作用下可以相互转换。当Pr 吸收660 nm 红光后，就转变为Pfr，而 Pfr吸收 730 nm 远红光后，会逆转为Pr。Pfr 是生理激活 型，Pr是生理失活型

Figure 9-2

1959年Butler等研制出双波长分光光度计，测定黄 化玉米幼苗的吸收光谱
发现，经红光处理后，幼苗的吸收光谱中的红光 区域减少，而远红光区域增多；如果用远红光处 理，则红光区域增多，远红光区域消失。 红光和远红光轮流照射后，这种吸收光谱可多次 地可逆变化。 红光-远红光可逆反应的光受体可能是具两种存在 形式的单一色素 以后成功地分离出这种吸收红光-远红光可逆转换 的光受体（色素蛋白质），称之为光敏色素 （phytochrome）。
P r P fr
远 红 光 730nm
红 光 660nm
Figure 9-5-2

光敏色素生色团的生物合成是在黑暗条件 下、在质体中进行的，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，因为两者都具四个吡咯环。生色团 在质体中合成后就被动地运送到胞质溶胶， 与脱辅基蛋白装配形成光敏色素全蛋白
低辐照度反应（low fluence response，LFR） 也称为诱导反应，所需的光能量为11000 mol m-2，是典型的红光-远红光可逆反应

反应可被一个短暂的红闪光诱导，并可被随后 的远红光照射所逆转 在未达到光饱和时，反应也遵守反比定律。种 子和黄化苗的一些反应如莴苣种子需光萌发、 转板藻叶绿体运动等属于这一类型。



大多数光敏色素调节的反应都涉及到基因 表达，在这方面寻找光敏色素下游X组分已 经获得很大进展。目前，已经发现一系列 在光敏色素下游的信号组分。 首先，红光分别使光敏色素A和光敏色素B 由生理失活型转变为生理激活型PfrA和PfrB， 它们发生自身的磷酸化后，PfrA可将胞质溶 胶中的靶蛋白PSK1（phytochrome kinase substrate 1）磷酸化，也可以进入细胞核。 在核内，通过两条途径调节基因的表达： 一是直接参与光调控的基因表达，二是通 过下游的信号组分SPA1（suppressor of phyA-105）起作用。邓兴旺等人（1991）利 用在黑暗中表现光形态建成反应的拟南芥 cop（constitutive photomorphogenesis）和det （de-etiolated）突变体，克隆了第一个光形

光敏色素的化学性质
光敏色素是一种易溶于水的色素蛋白质。相 对分子量为250kDa。它是由2个亚基组成的 二聚体，每个亚基有两个组成部分：生色 团（chromophore或phytochromobilin）和脱 辅基蛋白（apoprotein），两者合称为全蛋 白（holoprotein） 光敏色素生色团是一长链状的4个吡咯环，与 胆色素的胆绿素（biliverdin）结构相似，分 子量为612，具有独特的吸光特性




绿藻、红藻、地衣、苔藓、蕨类、裸子植物和被 子植物中许多生理现象都和光敏色素的调控有关。 真菌没有光敏色素，另有隐花色素吸收蓝光进行 形态建成 光敏色素分布在植物各个器官中 黄化幼苗的光敏色素含量比绿色幼苗多20100倍

禾本科植物的胚芽鞘尖端、黄化豌豆幼苗的弯钩、 各种植物的分生组织和根尖等部分的光敏色素含 量较多 一般来说，蛋白质丰富的分生组织中含有较多的光 敏色素 在细胞中，细胞溶胶和细胞核中都有光敏色素
光敏色素的发现 美国农业部马里兰州贝尔茨维尔（Beltsville） 农业研究中心的Borthwick和 Hendricks （1952）以大型光谱仪将白光分离成单色光， 处理莴苣种子，发现红光（red light）（波 长650-680nm）促进种子发芽，而远红光 （far-red light）(波长710-740nm)逆转这个过 程 莴苣种子萌发百分率的高低决定于最后一次 曝光波长，在红光下萌发率高，在远红光 下，萌发率低