第九章 光形态建成.docx

第九章 光形态建成.docx

《第九章 光形态建成.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章 光形态建成.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第九章光形态建成

第九章光形态建成

Chapter9photomorphogenesis

外界环境（如光、温度、重力、水分和矿物质等）影响着植物的生长发育，其中以光影响最大。

光对植物的影响主要有两个方面：

1）光是绿色植物光合作用所必需；2）光调节植物整个生长发育，以便更好地适应外界环境。

这种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。

相反，暗中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，叶片小而呈黄色，这种现象称为――暗形态建成（skotomorphogenesis）。

它虽具全部遗传信息，但因缺乏光，大部分基因不能表达出来。

光合作用是将光能转变为化学能；而在光形态建成过程中，光只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。

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。

植物在长期的进化中,发展起完善的光受体系统，来感受不同波长、光强和方向的光，以便更好地适应环境。

目前已知至少存在3种光受体：

1）光敏色素（phytochrome），感受红光及远红光区域的光；2）隐花色素（cryptochrome）和向光素（phototropin），感受蓝光和近紫外光区域的光；3）UV－B受体，感受紫外光B区域中的光。

光敏色素的发现是植物光形态建成发展的里程碑，自20世纪50年代发现光敏色素以后，研究迅速开展和深入，从分子水平阐明其作用机理已有很大进展。

第一节光敏色素的发现和分布

一、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（redlight）促进种子发芽，而远红光（far-redlight）逆转这个过程。

从图9－2和表9－1可以发现,莴苣种子萌发百分率的高低以最后一次曝光波长为准，在红光下萌发率高，在远红光下，萌发率低。

1959年Buglerd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。

他们发现，幼苗经红光处理后，红光区域吸收减少，远红光区域吸收增多；如果用远红光处理，则红光区域吸收增多，远红光区域吸收消失。

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。

上述结果说明这种红光――远红光可逆反应的光受体可能是具有两种存在形式的单一色素。

之后他们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）。

二、光敏色素的分布

光敏色素分布地植物各个器官中。

黄化幼苗的光敏色素含量比绿色幼苗高20－100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，光敏色素分布在膜系统，胞质溶胶和细胞核等部位。

第二节光敏的化学性质和光化学转换

一、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，相对分子质量为2.5×105。

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）和脱辅基蛋白质（apoprotein），两者合称为――全蛋白质（holoprotein）。

光敏色素生色团是一个长链状的4个吡咯环，与胆色素的胆绿素（biluverdin）结构相似，相对分子质量为612，具有独特的吸光特性。

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）,两者的光学等性不同。

图9－4是光敏色素两种类型的吸收光谱，Pr的吸收高峰在660nm，而Pfr的吸收高峰在730nm。

Pr和Pfr在不同光谱作用下可以相互转换。

当Pr吸收660nm红光后，就转变为Pfr，而Pfr吸收730nm远红光后，会逆转为Pr。

Pfr是生理激活型，Pr是生理失活型。

图9－5是Pr和Pfr生色团的可能结构以及与脱辅基蛋白多肽相连接的部位。

脱辅基蛋白质单体的相对分子质量约为1.25×105，它的半胱氨酸通过硫醚键与生色团相连接。

红光

PrPfer

远红光

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，因为两者都具有四个吡咯环。

生色团在质体中合成后就被动地运送到胞质溶胶，与脱辅基蛋白质装配形成光敏色素全蛋白质。

在Pr和Pfr相互转化时，生色团和脱辅基蛋白质也发生构象变化，其中生色团变化带动脱辅基蛋白质变化，因为前者吸光。

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发生变化。

当Pr转变为Pfr时，脱辅基蛋白质也进行构象变化。

试验证明，Pr氨基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，发现Pfr的α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。

二、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，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。

PHYA的表达受光的负调节，在光下其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。

通过转基因研究发现，光敏色素蛋白质有不同的功能区域，N末端是与生色团连接的区域，与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。

三、光敏色素的光化学转换

从图9-4可见，Pr和Pfr在小于700mm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浓度的比值就是光稳定平衡（pho-tostationaryequilibrium），用φ表示=[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φ值（图9-7）。

例如，白芥幼苗达到平衡时，饱和红光（660mm）的φ值是0.8，就是说，总光敏色素的80%是Pfr，20%是Pr；饱和远红光（718mm）的φ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，决定植物光反应的φ值为0.01~0.05时就可以引起很显著的生理变化。

Pr和Pfr之间的转变包括几个ms至μs的中间反应。

在这些转变过程中，包括光学反应和黑暗反应。

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。

这就可以解释为什么干种子没有光敏色素反应，而用水浸泡后的种子有光敏色素反应。

Pr比较稳定，Pfr不稳定。

在黑暗条件下，Pfr会逆转为Pr，Pfr浓度降低；Pfr也会被蛋白酶降解。

Pfr的半衰期为20min到4h。

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导过程，产生可观察到的生理反应。

X的性质还不清楚，在具体的反应中应是信号转导链上的早期组分（图9-8）。

从拟南芥突变体研究中发现了COP和DET基因家族，它们的基因产物是光信号转导途径的早期重要组分，位于光敏色素以及蓝光受体的下游，作为控制植物光形态发生和暗形态发生之间的开关。

COP和DET突变体在黑暗下不表现出黄化现象。

第三节光敏色素的生理作用和反应类型

一、光敏色素的生理作用

表9－2，种子萌发，叶片叶柄和茎的伸长，子叶扩大，叶绿体和叶片运动，花的诱导等。

二、光敏色素和植物激素

植物的形态建成是由体外和体内的多因子决定的。

光照――是体外最重要的调节因子，而植物激素――可能是最重要的体内调节因子。

植物激素在光的形态建成中的作用，有时是中间调节物质，有时与光协同起调节作用。

红光处理可使植物体内自由生长素含量减少。

原因：

影响合成、运输、自／束比例。

红光照射黄化大麦叶片后，GA增加，减少？

光周期调节GA代谢。

细胞分裂素也受红光刺激而提高含量。

红光抑制乙烯的合成。

三、光敏色素调节的反应类型

根椐对光量的需求，可将光敏色素反应分为3种类型：

1、极低辐照度反应

极低辐照度反应可被1－100nmol/m2的光诱导，在φ值仅为0.02时就满足反就条件，即使在实验室的安全光下都可能发生。

由于远红光使97％的Pfr正常地转化为Pr，仍保留3％有Pfr，所以红光反应不能被远红光逆转。

如：

这样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。

这个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。

2、低辐照度反应

低辐照度反应――也称为诱导反应。

所需能量为1－1000ümol/m2，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。

在未达到饱和时，反应也遵守反比定律。

莴苣种子萌发，转板藻叶绿体运动。

3、高辐照度反应

高辐照度反应――也称高光照反应。

反应需要持续的强光照，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转。

如：

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，莴苣胚芽弯钩的张开。

黄化苗：

远红光，蓝光，UV－A；绿苗：

红光。

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。

如：

叶片的叶绿素吸收红光，透过或反射远红光，当植物受到遮荫时，红光／远红光比率变小，阳生植物的茎向上伸长速度加快，以获取更多的阳光―――避阴反应。

植物对黑暗交替的反应―――光周期现象。

第四节光敏色素的作用机理

一、膜假说

膜假说建立在快反应之上。

如含羞草、合欢叶片运动、转板藻叶绿体运动和棚田效应。

膜假说认为―――光敏色素可迅速改变膜的透性。

红光对膜电位的影响特别快。

光敏色素位于膜系统上，当发生光转换时，跨膜的离子流动和膜上酶的分布都会改变，影响代谢，经过一系列的生理生化变化，最终表现出形态建成的改变。

如：

含羞草、合欢叶片运动；转板藻的叶绿体运动。

许多光敏色素反应没有停滞期。

如：

离体绿豆根尖在红光下诱导，膜产生少量正电荷。

远红光则逆转。

――棚田效应。

Ca2＋

雨树。

K＋。

转板藻，Ca2＋。

信号传导途径：

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。

二、基因调节假说

基因调节假说―――是建立在慢反应之上。

慢反应是指光量子通过光敏色素调节生长发育的速度，包括酶诱导和蛋白质的合成，反应慢，以小时和天数计算。

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，翻译成特殊蛋白质，最后表现出形态建成。

这个假说能解释前述的光敏色素的慢反应，需要较长时解的停滞期，形成各种蛋白质和酶。

如：

蚕豆叶片的磷酸甘油本醛脱氢酶，白芥子叶的苯丙氨酸裂解酶。

玉米叶的硝酸还原酶，NAD激酶，Rubisco的小亚基和大亚基，叶绿素A／B脱辅基蛋白，转酮醇酶，RNA聚合酶，核溏核酸酶，氨基酸激活酶，脂肪氧化酶，抗坏血酸氧化酶，淀粉酶，硝酸还原酶。

第五节蓝光和紫外光反应

植物和真菌的许多反应都受蓝光（B）和紫外光（UV）调控。

UV：

UV－C，200－280；UV－B，280－320；UV－A，320－400；近紫外光是指＞300的紫外光。

UV－C被臭氧层吸收，到达地面的太阳辐射中不存在。

UV－B的一部分和UV－A可穿过大气层到达地面。

臭氧层变薄会导致地球上UV－B辐射的增加，会给植物生长和作物产量带来影响。

一、蓝光反应

一般来说，蓝光反应的有效波长是蓝光和近紫外光，蓝光受体也叫做蓝光／近紫外光受体或隐花色素。

植物界存在的第二类光形态建成是蓝光调节的反应。

藻类、真菌、蕨类和种子植物都有蓝光效应

蓝光――褐藻中的萱藻类―――平面生长

红光――褐藻中的萱藻类―――诱导丝状生长。

蓝光――蕨类植物，欧洲磷毛蕨，正常发育，形成心形原叶体，

红光――蕨类植物，欧洲磷毛蕨，则纵向生长成绿色的丝状体。

真菌的光形态建成反应主要受蓝光和紫外光诱导

高等植物受光／近紫外光调节的反应主要有向光性，抑制幼苗茎伸长刺激胡萝卜素的合成。

由于蓝光和近紫外光的光接受体色素仍未明确，Gressel1979年提出隐花色素

蓝光受体的研究近年来的很大进展。

蓝光受体色素可能是黄素和类胡萝卜素。

二、紫外光――B反应

紫外光――B反应对整个生长发育和代谢都有影响，其受体还不清楚。

一些作物如小麦、大豆、玉米等在UV－B照高射下，植株矮化，叶面积减小，干物质积累下降。

在UV－B照高射下，光合作用下降，主要引起气孔关闭，叶绿体结构破坏，叶绿素及类胡萝卜素含量下降，Hill反应下降，光系统2电子传递受影响等。

还引起黄酮、花色素苷等色素合成增加――抗紫外光色素――保护反应。

PhytochromeandPhotomorphogenesis

I.Plantwayofliferevisited.

   Plants,likeallorganisms,mustbeabletomonitorandrespondtoenvironmentalconditions.Forexample,adark-grownseedling"knows"thatithasalimitedtimetogettolightuntilitrunsoutofenergy.Inresponse,an"etiolated"plantexhibitsavarietyoffeaturesinresponsetodarknessincludingexpandedinternodesforrapidgrowth,anapicalhook（indicots）,unexpandedleaves,nochlorophyll.Abriefexposuretolightcausesinternodeelongationtoslow,thehooktouncurl,leavestoexpandandchlorophyllsynthesistobegin.Thus,lighthasanobviousimpactontheformoftheplant（photomorphogenesis）.

II.Thesignal:

 red&far-redlight

   Inmanyphotomorphogeneticresponses,redandfar-redlightareimportantenvironmentalsignals.Forexample,fromstudiesoflightsensitivelettuceseedgermination（seeTable1）,BorthwickandHendricksconcludedthat:

（1）germinationisdependentuponwhichwavelengthoflightisreceivedlast;andthat

（2）thisresponseistheproductofaphoto-reversiblepigment.

Table1:

GerminationofGrandRapidsLettuceSeedsafterexposuretoredorfar-redlight

Treatment

PercentGermination

none

8.5

red

98

red,farred

54

r,fr,r

100

r,fr,r,fr

43

r,fr,r,fr,r

99

r,fr,r,fr,r,fr

54

r,fr,r,fr,r,fr,r

98

III.Thereceptor:

 Phytochrome

   Thebestcharacterized,andmostimportantreceptorforlight-inducedgrowthresponsesisphytochrome.Theabsorptionspectrumofphytochromecloselymatchestheactionspectrumimplicatingitintheseprocesses. 

seeaction/absorptionspectra

IV.Natureofphytochrome

A.Chemistry.

   Phytochromeisapigment-proteincomplex（calledaholoprotein=chromophore+apoprotein）

1.Pigment（chromophore）. 

∙blue-green

∙openchaintetrapyrolle;calledphytochromobilin（overhead）

∙madeintheplastids.

2.Protein（apoprotein）.

∙glycoprotein

∙soluble

∙dimer（MW240,000D=240kD）;eachofthetwopeptidesareidenticalwithaMWca.124,000Dandcomprisedofca.1128aminoacids.  

∙gene（s）havebeenclonedandtheaminoacidsequenceisknown;largeproportionofhydrophobicaminoacids;suggestsphytochromeisassociatedwithmembranes.

∙tetrapyrolleiscovalently-bondedtotheproteinviaathioetherlinkageinvolvingacysteine. 

∙onechromophoreperdimer. 

∙holochromeapparently"selfassembles"（autocatalytic）aftertheindividualcomponentsaresynthesized.Forexample,theproteinismadebyribosomesassociatedwiththeERandthetetrapyrolleissynthesizedintheplastids,whichisnottoosurprisingconsideringthesimilarityithastothestructureofchlorophyll.

1.Typesofphytochrome-phytochromeindark-grownseedlingsisdistinctlydifferentthanthatinlight-grownplants.Thesetwoformsare:

TypeI-foundindarkgrown,etiolatedseedlings;moststudied（MW124kD;maximumabsorption-Pr666nm,Pfr730nm）

TypeII-foundinlightgrownplants;（118kD,Pr654;Pfr724）

4.Conclusions.

∙phytochromeinetiolatedplants（typeI）isslightlylargerandabsorbslightmaximallyatalongerwavelengththanphytochromefromlight-grownplants（typeII）. 

∙differmainlyinapoprotein. 

∙atleastfivedifferentproteinsthatcanbeidentifiedimmunologically;proteinsareabout50%similartooneanother. 

∙proteinsarecodedby5differentgenescalledphyA-phyEThephytochrometheymakeiscalledPHYAetc. 

∙PHYAisfoundonlyindark-grownseedlings（Type1）;theotherfourtypesoccurinbothetiolatedandgreen（light-grown）plants.Interestingly,phyAisinhibitedbylightandisunstable.ThePHYAisprobablyimportantfordetectingthepresenceoflightwhiletheothersmonitoritsquality.

B.Photoreversibility.

   Theuniquefeatureofphytochromeisthatitexhibitsphotoreversibility;itexistsintwoformsthatareinterchangeable.Pr-redlightabsorbingformandPfr-farredlightabsorbingform.WhenPrabsorbsredlight（ca.660nm）itisconvertedintoPfr.WhenPfrabsorbsfarredlight（ca.730nm）itisconver