植物向光素受体与信号转导机制研究进展

・综述与专论・

2014年第8期

生物技术通报

BIOTECHNOLOGY BULLETIN

收稿日期：2013-10-18作者简介：乔新荣，女，博士，讲师，研究方向：光生理生态及分子生物学；E -mail ：xinrong806@

光是自然界中影响植物生长发育的最重要的环境因素之一。蓝光诱导植物向光反应、气孔开放、叶绿体运动、叶片定位及伸展等生理反应［1］，促进了弱光下植物的光合作用，降低了强光对光合器官的伤害，从而优化了植物的生长发育。自从蓝光受体向光素（phototropin，PHOT）分离鉴定后，人们对这些蓝光反应分子机制的研究有了突破性的进展，并且成为当今植物生物学研究的热点之一。本文就近年来对模式植物拟南芥PHOT 蛋白结构特点、下游信号转导及PHOT 与生长素信号、钙信号互作的研究进展进行综述。

1 向光素受体

拟南芥向光素受体有两个，分别为PHOT1和PHOT2两个受光调节的同源蛋白激酶。蓝光刺激后PHOT 发生自磷酸化作用，以光强依赖方式调节不同的生理反应［1］。PHOT 蛋白分子由N 端的光感

植物向光素受体与信号转导机制研究进展

乔新荣 段鸿斌 叶兆伟

（信阳农林学院，信阳 464000）

摘 要： 向光素（phototropin，PHOT）是继光敏色素、隐花色素之后分离的植物蓝光受体。PHOT 介导蓝光诱导的向光反应，叶绿体运动，气孔开放、叶片伸展及叶片定位等生理反应。近年来关于PHOT 受体介导这些生理反应的分子机制探讨愈来愈受研究者的广泛关注。主要从拟南芥PHOT 结构及信号转导方面的研究进展进行综述。

关键词： 向光素 受体 信号转导

Research Advances on Phototropin Receptor and Phototropin Signaling

Mechanism in Plant

Qiao Xinrong Duan Hongbin Ye Zhaowei

（Xinyang College of Agriculture and Forestry ，Xinyang 464000）

Abstract: Phototropin（PHOT）is blue -light receptors found following the phytochrome and cryptochrome in plant. PHOT mediate phototropism，chloroplast movement，stomatal opening，leaf expansion and leaf positioning induced by blue -light in higher plants. Research on molecular mechanism of physiological response mediated by PHOT were highly focused in recent years. This paper reviewed research advances of structure characteristics of light sensitivity and signaling mechanism of Arabidopsis phototropin.

Key words: Phototropin Receptor Signaling

受区和C 端的Ser/Thr 蛋白激酶区两大保守结构域组成。N 端光感受区包含有两个大约110个氨基酸的重复保守序列LOV（light、oxygen 和voltage）1和LOV2［2，3］。LOV1和LOV2的结构非常相似［4］。LOV 区会发生一个可逆的光循环。黑暗条件下，LOV 区保守的半胱氨酸（cysteine）39（即在每个LOV 区的氨基酸的相对位置是39，命名为Cys39）以非共价形式结合一分子的黄素单核苷酸FMN （flavin mononucleotide），在447 nm 处达最大光吸收峰［2，5，6］。蓝光刺激下，FMN 和Cys39形成共价加合物，在390 nm 处达最大光吸收峰［5-7］，诱导蛋白构象变化［8，9］，激活激酶区。转至黑暗处，数秒至数分钟内，光下的390 nm 光谱发生可逆变化，使LOV 区回到起始状态447 nm 光谱［5，6］。尽管LOV1和LOV2区显示上面所述的相同的光谱特点，但他们也有显著不同的光化学特性。表现在蓝光激发后，

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对Cys39与FMN加合物形成的速率（量子效率）以及转入暗处加合物的衰减时间不同［2］。

由于LOV1和LOV2具有上述不同的光反应特点，使其对光的敏感性也不同。而且，PHOT1和PHOT2的LOV1和LOV2区的光感知特点存在差别，导致调节不同的生理反应。突变或敲除PHOT1的LOV1区后，没有影响光感受和自磷酸化作用，黄化苗仍具有向光反应和叶片伸展反应［10，11］，而PHOT1的LOV2区突变后不能够恢复双突变phot1 phot2的向光反应和叶片伸展［11］。但PHOT2的LOV1和LOV2区都参与调节向光反应［12］。进一步研究表明，PHOT1的C端激酶区与LOV2之间存在一个大约20个氨基酸的保守的Jα螺旋区，LOV2经Jα螺旋和激酶区的耦合是蓝光诱导PHOT1发生自磷酸化作用所必须的条件［4］。PHOT2的LOV2和激酶区之间的第720位天冬氨酸（Asp）残基突变为天冬酰胺（Asn）后，丧失了ATP结合活性，是光诱导LOV2构象改变激活激酶区的重要位点［13］。将PHOT1和PHOT2的N端和C端互换后证实仅有PHOT1的N端和C端结合会抑制叶绿体回避反应［14］。

PHOT的C末端Ser/Thr蛋白激酶区属于AGC 蛋白激酶家族［15］。蓝光诱导PHOT发生自磷酸化作用是引发生理反应的第一步。利用质谱（LC-MS/MS）分析方法，已经在PHOT1的N端、LOV1与LOV2之间的连接区、激酶区及C末端鉴定了多个磷酸化位点［10，16］。其中Ser-851（第851位丝氨酸）是PHOT1蓝光下开启自磷酸化作用的一个重要位点，也是其介导气孔开放，向光性反应，叶绿体聚集运动及叶片伸展所必须的条件［16］。PHOT1和PHOT2都是质膜结合蛋白，但蓝光刺激条件下，部分PHO-T1会迅速从质膜释放入胞质及叶绿体外膜［17-19］，部分PHOT2迁移至胞质、高尔基体及叶绿体外膜［19-21］。若删除PHOT2的C末端区域，既减弱了PHOT2在高尔基体和叶绿体外膜上的定位，又降低了叶绿体回避运动速率。而降低胞质中PHOT2的表达量并不影响回避运动，表明PHOT2的C区在其定位至叶绿体膜及回避运动中起重要作用［19］。

2 向光素信号转导

自从Briggs团队分离鉴定蓝光受体PHOT1［22］和Kagawa等［23］克隆PHOT2以来，蓝光诱导生理反应的分子机制得到了深入的研究。尤其是近年来，PHOT信号转导途径中相关突变体的分离。PHOT1和PHOT2以光强依赖的方式精细调节植物的许多生理反应。弱蓝光下，PHOT1和PHOT2以功能冗余方式调节叶绿体聚集运动、气孔开放、叶片伸展及定位［1］。PHOT1单独介导抑制下胚轴伸长和强光强下的mRNA降解［24，25］。而PHOT2单独介导强蓝光诱导的叶绿体回避运动和黑暗中叶绿体的定位［26，27］。

2.1 PHOT互作信号蛋白

众所周知，蓝光诱导PHOT自磷酸化作用导致胞内信号级联，诱发相关的生理反应。PHOT介导的众多生理反应决定了其信号转导路径的多样性和复杂性。最近，鉴定了3个PHOT1激酶的底物。一个是生长素运输载体蛋白ABCB19（ATP-binding cassette B19），其主要负责生长素从茎尖运输至维管组织，维持生长素的长距离极性运输［28］。在单侧蓝光诱导向光弯曲反应中，PHOT1通过抑制底物ABCB19靶蛋白活性，促进茎尖生长素的横向运输，引起向光弯曲生长［29］。另一个是PHOT1底物Ser/Thr蛋白激酶BLUS1（Blue Light Signaling 1）［30］。PHOT介导气孔开放的基本信号转导路径是PHOT 经Ser/Thr蛋白磷酸酶PP1（protein phosphatase 1）激活质膜H+-ATP酶，促进K+吸收，引起气孔开放［31，32］。最新研究表明，PHOT1的C端的Ser-348位点磷酸化底物BLUS1是蓝光诱导气孔开放的关键步骤［30］，从而更深层次地阐明了PHOT1如何激活质膜H+-ATP酶。另外，小基因家族PKS（phytochrome kinase substrate）（PKS1-PKS4）中的PKS4也被PHOT1磷酸化［33］。

除上述3个PHOT磷酸化底物外，也分离鉴定了与PHOT互作的下游信号蛋白。NPH3（non-phototropic hypocotyls 3）编码一个745个氨基酸残基组成的植物特有质膜结合蛋白［34］。任何强度的单侧光照射后，拟南芥nph3突变体下胚轴都不发生向光弯曲反应［35］。生化分析质膜结合蛋白NPH3与PHOT1、PHOT2互作［36］，作为PHOT共有信号介导下胚轴向光弯曲。进一步分析，NPH3依赖PHOT1发生去磷酸化作用调节向光反应［37］。此