植物向光性反应的研究进展.docVIP

节蒀蒃蚇膈葿薅袂肄蒈蚇蚅肀蒇蒇羀羆蒇蕿螃芅蒆蚁罿膁蒅螄螂肇蒄蒃羇羃薃薆螀节薂蚈羅膈薁袀螈膄薁薀肄肀膇蚂袆羆膆螅肂芄膅蒄袅膀膄薇肀肆芄虿袃羂芃螁蚆芁节蒁袁芇芁蚃蚄膃芀螅羀聿艿蒅螂羅艿薇羈芃芈蚀螁腿莇螂羆肅莆蒂蝿羁莅薄羄羇莄螆袇芆莃蒆肃膂莃薈袆肈莂蚁肁羄莁螃袄节蒀蒃蚇膈葿薅袂肄蒈蚇蚅肀蒇蒇羀羆蒇蕿螃芅蒆蚁罿膁蒅螄螂肇蒄蒃羇羃薃薆螀节薂蚈羅膈薁袀螈膄薁薀肄肀膇蚂袆羆膆螅肂芄膅蒄袅膀膄薇肀肆芄虿袃羂芃螁蚆芁节蒁袁芇芁蚃蚄膃芀螅羀聿艿蒅螂羅艿薇羈芃芈蚀螁腿莇螂羆肅莆蒂蝿羁莅薄羄羇莄螆袇芆莃蒆肃膂莃薈袆肈莂蚁肁羄莁螃袄节蒀蒃蚇膈葿薅袂肄蒈蚇蚅肀蒇蒇羀羆蒇蕿螃芅蒆蚁罿膁蒅螄螂肇蒄蒃羇羃薃薆螀节薂蚈羅膈薁袀螈膄薁薀肄肀膇蚂袆羆膆螅肂芄膅蒄袅膀膄薇肀肆芄虿袃羂芃螁蚆芁节蒁袁芇芁蚃蚄膃芀螅羀聿艿蒅螂羅艿薇羈芃芈蚀螁腿莇螂羆肅莆蒂蝿羁莅薄羄羇莄螆袇芆莃蒆肃膂莃薈袆肈莂蚁肁羄莁螃袄节蒀蒃蚇膈葿薅袂肄蒈蚇蚅肀蒇蒇羀羆蒇蕿螃芅蒆蚁罿膁蒅螄螂肇蒄蒃羇羃薃薆 植物向光性反应的研究进展学 生：钱晓旦 学 号：M070559导 师：王 忠 教授摘要：对近年来有关植物向光性反应的研究结果作一简要综述：1)蓝光受体是植物向光反应中的主要光受体，光敏色素、UV-B受体在植物向光性反应中也起一定的作用;2)对植物的光辐照度-弯曲度曲线的分析，可知植物的正向光性运动有两种反应，即第一次正向光性弯曲和第二次正向光性弯曲;3)拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等植物的根系具有负向光性的特性，根的负向光性倾斜生长角度为负向光性生长和向重性生长相互作用的矢量和;4)生长素的胞间运输依赖于生长素载体，生长素载体的不对称分布和动态运动是生长素极性运输和向性运动的分子基础。关键词：向光性反应，光受体，蓝光受体，生长素载体光是对植物调控作用最广泛且最明显的环境因子。光作为环境信号，对植物的代谢、器官发生、形态建成和向性运动等都有深刻的影响。植物通过光信号受体和光信号传导途径来接受和转导光强、光质、光照方向和光周期等光信号并作出相应的反应（Pepper et al.，2001；Campbell and Liscum,2001）。植物的向光性反应是植物受单侧光源照射时所引起的定向生长运动，通常认为它是一种蓝光诱导反应（Christie et al.,1999）。虽然在一个多世纪前达尔文就发现植物的向光性反应，但人们对植物向光性反应的某些机制，如向光性反应的光受体和光信号转导途径等还了解甚少。近年来，人们还发现植物的地上部分和地下部分具有向光性反应和负向光性反应（Liu and Sui,1998；谭云和叶庆生，2001；Briggs and Olney，2001；顾蕴洁等，2001；王曼和王小菁，2002；Wang et al.，2002；王忠等，2003）。植物的向光性反应一般包括3个基本步骤：1）刺激感受（stimuli perception），即植物体感受细胞中的光受体接受单方向的光信号刺激；2）信号转导（signal transduction），感受细胞把光信号刺激转化为物理或化学的信号；3）运动反应（motor response），生长器官接受物理或化学的信号后，发生不均等生长，引发向性运动。1 向光性反应的光受体植物体中凡能感受光质、光强、光照时间、光照方向和光周期等光信号，并能引发相应细胞反应的一类生物大分子物质都可称为光受体。至今被确定的植物光受体都是色素蛋白复合体。根据吸收光谱将已确定的植物光受体分为三类：(1)感受红光和远红光信号的光敏色(phytochrome)；(2)感受蓝光和近紫外光信号的蓝光受体（blue-light-receptor），包括隐花色素(cryptochrome）和向光素(phototropin)；(3)感受紫外光B (280320nm)光信号的紫外光-B受体(UV-B receptor)。1.1 光敏色素光敏色素是美国农业部国家实验室的博思威克等在1959年发现的第一个植物光敏受体，它是一种对红光和远红光吸收有逆转效应，参与植物光形态建成和光周期反应的色素蛋白（Liu and Sui,1998；童哲等，2000；Briggs and Olney,2001），也是植物体内最重要且研究得最为深入的一种光受体（童哲，1998）。光敏色素的基因是一个多基因的家族，现在已经在拟南芥中鉴定出5种编码光敏色素的基因，分别称为PHYA、PHYB、PHYC、PHYD和PHYE。人们曾将黄化苗中大量存在的且见光易分解的光敏色素称为光敏色素，而将光下稳定存在的并在绿色幼苗中含量很少的光敏色素称为光敏色素。后来发现，PHYA编码的为光敏色素，而其他4种基因编码的为光敏色素（Liu and Sui，1998）。PHYA调控植物向光性反应中两种显著不同的光化学反应，一种是只需低光强的短时间光照射就能诱发的极低光量反应（VLFR），另一种是需要高光强的远红光长时间的照射诱导产生的高光量反应（HIR）（Casal et al.，2002）。由植物向光性反应的作用光谱表明，红光预照射后，向光性弯曲度在蓝光照射下会有很明显的提高（Liu and Sui，1998；刘玉军和赵南明，2001；Stowe-Evans et al.，2001），表明光敏色素参与了植物的向光性反应（Janoudi et al.,1992）。在体外实验中还发现光敏色素与Auxinindole一3一acid(AuxIAA)蛋白的磷酸化有关，生长素与光信号传递有关(Coln-Carmona et a1, 2000)。1.2 蓝光受体1.2.1 隐花色素隐花色素是首先在拟南芥中发现的一种吸收蓝光和近紫外光（UV-A）的光受体，它是一种黄素蛋白（Briggs and Olney,2001）。隐花色素和光敏色素一起调节植物的去黄化反应、光周期反应和光形态建成等反应，并且对提高向光性的弯曲角度起重要作用。刘公社等（1995）发现给萝卜幼苗蓝光预照射后，能增强该幼苗的向光性反应（Stowe-Evans et al.,2001；Lin,2002）。目前在拟南芥中已鉴定出了3种隐花色素，分别称为cry1、cry2与cry3。cry1、cry2结构类似，定位于细胞核中，而cry3定位于叶绿体和线粒体，与前两者脱辅基蛋白结构差异较大。cry1主要介导了蓝光抑制下胚轴伸长反应，cry2参与了光周期诱导开花中的日长感受，而cry3的生物学功能目前尚不清楚。Ahmad等（1998）研究表明，缺少CRY1和CRY2的拟南芥突变体不具备向光性反应，而过量表达CRY1和CRY2的转基因拟南芥则显示出明显的向光性反应。另外，Ahmad等(2002)在以野生型拟南芥、缺失CRY1和CRY2的拟南芥突变体以及隐花色素过量表达型拟南芥突变体等为材料的研究中，发现蓝光对拟南芥下胚轴伸长的抑制反应是由隐花色素调控的。Imaizumi等(2002)发现隐花色素能够调节生长素参与的反应，包括生长素对基因表达的诱导，还能通过抑制生长素信号转导途径来调节植物的生长发育。1.2.2 向光素Briggs 等在研究玉米幼苗向光性反应时发现NPH1蛋白对玉米幼苗的向光性具有重要作用，从而称NPH1蛋白为向光素(phototropin)。Huala等(1997)从拟南芥(Arabidopsis thaliana)的向光性突变体nph1（胚轴与根向光性减弱）中克隆出来的NPH1基因所编码的蓝光受体蛋白。它能够调节拟南芥的向光性反应、蓝光诱导的叶绿体移动以及气孔开放等运动(Kasahara et al, 2002; Christie, 2007)，而缺少向光素的拟南芥突变体，如K224等则不具有向光性反应的特性（Lin，2002）。向光素分子N末端含有两个LOV（light,oxygen,voltage）区域，即为LOV1和LOV2，这两个区域都是生色团FMN（flavin mononucleotide）的结合位点，而C末端则含有一个Ser/Thr的蛋白激酶区域，其分子量大约为120kD。与向光素相关的蛋白存在于植物的不同器官中，且能够调节诸如光照、氧气以及电位差等环境刺激诱导的反应（Salomon et al.，2000；Stowe-Evans et al.,2001;Lin，2002)。无论是活体( in vivo) 还是体外( in vitro)，该向光素蛋白都可迅速大量磷酸化（Briggs, 1997; Briggs, 2001）。1988年，Gallagher等首先报道了豌豆黄化苗生长区有一种能够被蓝光诱导发生磷酸化作用的120 kD的质膜蛋白（Gallagher et al, 1988）。这种蛋白在离体状态下能发生强烈的蓝光依赖型的磷酸化作用，但在缺乏向光性的拟南芥突变体JK224中几乎没有这种蛋白。Liscum的研究进一步表明分子量为120 KD的蛋白存在于多种具有向光性组织中，推测120 KD蛋白为向光性植物组织中的光受体蛋白（Liscum and Briggs, 1995），而没有向光性的NPH1没有此120 KD的蛋白(Knieb, 2004)。现在人们已经从拟南芥和水稻(Oryza sativa)等植物中克隆出了多种编码向光素的基因，主要有PHOT1和PHOT2（以前称为NPH1和NPH2）。在蓝光诱导的向光性反应中，PHOT1能够调节高光强和低光强蓝光诱导的反应，PHOT2只能够调节由高光强蓝光诱导的反（Briggs et al.，2001；Kasahara et al.,2002）。Sakamoto和Briggs(2002)采用phot1-GFP融合蛋白对拟南芥phot1突变体进行转基因实验，研究phot1在细胞中的分布时发现，在黄化苗顶端弯钩处于分裂和伸长状态的细胞中以及在根尖伸长区的细胞中，phot1表达很强烈，而且主要集中分布于下胚轴皮层的横向细胞壁区域。而在光下生长的植物中，phot1则主要分布在微管薄壁组织和叶片微管薄壁组织中，另外在叶片表皮细胞的质膜、叶肉细胞以及保卫细胞中phot1也有不均匀的分布（Sakamotoan and iggs,2002）。研究发现，NPH3和RPT2（root phototropism）是与向光素蓝光信号反应相关的两种重要的蛋白。nph3突变体与nph1/phot1突变体的表型相同，NPH3作用的遗传途径与phot1相似。拟南芥的rpt2突变体（根系无向光性）不仅根系没有向光性反应的特性，而且胚轴也不具有向光反应的特性，且拟南芥RPT2基因编码了一个与NPH3类似的蛋白（Briggs et al.，2001；Campbellan and scum，2001；Lin，2002）。另外，Haga等人(2005)通过筛选突变体，得到了与水稻胚芽鞘向光性运动密切相关的基因cpt1，该基因与拟南芥中的NPH3具有高度的同源性。目前已有的研究表明，NPH3和CPT1均是高等植物向光性运动过程中光信号传递的重要成分，与NPH3类似，CPT1也是通过与光受体相互作用参与植物的向光性运动中的(Motchoulski and Liscum, 1999; Haga et al., 2005)。CPT1蛋白不仅是水稻胚芽鞘发生向光性弯曲过程中IAA的重要载体，可能也在水稻根中作为IAA的重要载体导致根发生负向光性弯曲的重要因素之一（汪月霞 2008）1.3 UVB受体另一个研究较多的就是UV-B受体。UV-B吸收280320nm波长的紫外光是引起植物光形态建成的光受体。紫外光对生长有抑制作用，在UV-B照射下，高等植物子叶展开受阻，茎节间伸长受到抑制，下胚轴缩短，但这个受体的本质尚不清楚（谢灵玲等，1998）。在玉米中发现，光敏色素和UVB都可参与诱导花青素合成的信号传导，在这个过程中，花青素合成的第一个关键酶苯丙氨酸脱氨酶(phenylalanine ammonialyase，PAL)是受光敏色素和UVB调控的，白化的玉米置于光下PAL有两个合成高峰出现，第一个峰值出现是由光敏色素调控的，第二个则是由UVB调控的(Singh et a1, l999)。小麦置于UVB下，类黄酮、花青素的量都有所增加(Chaturvedi et a1, l998)。2 向光性反应的模式2.1正向光性植物的正向光性以嫩茎尖、胚芽鞘和暗处生长的幼苗最为敏感。生长旺盛的向日葵、棉花等植物植物的的茎端还能朝太阳方向发生转动。植物的向光性运动是植物的一种生态适应性反应。如茎叶的向光性运动，能使叶子处于吸收更多光能的位置以利进行光合作用。关于植物茎的正向光性反应已有大量报道（Babourina, 2004; Chandrakuntal, 2004; Haga, 2005）对多数植物的向光性反应的光辐照度-弯曲度曲线分析可知，植物的向光性反应可分为两个阶段，即“第一次正向光性弯曲”（first pulse-induced positive phototropism, fPIPP）和“第二次正向光性弯曲”（second pulse-induced positive phototropism, sPIPP）（Janoudian and ff，1990）。向光性弯曲角度随光强的变化呈波浪状，在正反应范围内存在两个波峰（Janoudian and ff，1990；Janoudi et al.,1992；谭云和叶庆生，2001），而刘玉军和赵南明（2001）研究认为红光预照射或在红光下生长的玉米胚芽鞘具有3种类型的向光性反应，除fPIPP和sPIPP外，还有一种“时间依赖型向光性反应”（time-dependent phototropism,TDP）。“第一次正向光性弯曲”是短于几分钟的脉冲光刺激引起的，光强-弯曲度曲线呈钟形，具有效相关性。而“第二正向光性弯曲”是由于延长照光时间引发的，具无效相关性（Liu and Sui，1998；谭云和叶庆生，2001）。Iino(1990)认为“第一次正向光性弯曲”的钟形的光强-弯曲度曲线是由于向光侧和背光侧之间光产物量的差异形成的（谭云和叶庆生，2001）。Zimmerman和Briggs（1963）则认为这两个向光性弯曲是由两种不同的光受体控制的（Janoudi et al.，1992）。2.2 负向光性反应2.2.1 植物茎的负向光性反应 植株的向光性反应在自然光或低光强下表现出来，负向光性是植物在高光强或其他不良条件下发生的一种反应，如喜阴植物在强光条件下会向偏离光照的方向生长，这是植株躲避强光伤害的一种适应性。燕麦就具备这种特性，在强光条件下燕麦胚芽鞘表现出背光生长的特性。Kataoka（1988）报道了陆生无隔藻(Vaucheria terrestris L.)既有正向光性，又有负向光性的特性。他发现在18mmolL-1的Ca2+培养液中，在蓝光/绿光预照射后，单侧蓝光照射1015min即可诱导陆生无隔藻生长尖端背光生长，陆生无隔藻生长的负向光性受预照射光波长的影响，预照射光的波长只有小于540nm，才能发生由蓝光诱导的负向光性反应，如预照射光是红光（660nm），即使在高光强下也不发生负向光性反应。Kataoka(1988)还发现这种负向光性弯曲对Ca2+有特别的需求，而其他的二价阳离子如Mg2+和Ba2+等对陆生无隔藻的生长和负向光性的诱导没有明显的效应。2.2.2 根系的负向光性反应 早在19世纪，达尔文就发现高等植物的根系会受到光的刺激而改变它们的生长方向，但当时未引起学术界的重视。直到Okada和Shimura (1992)用单侧光照射培育在透明琼脂培养基中的拟南芥时，发现野生型拟南芥的根系会向背光方向倾斜45生长，而失去向重性的拟南芥突变体的根系则会表现出背光水平生长的现象，这时根的负向光性才开始受到人们的注意。人们逐步认识到根的向地生长不但受到重力的影响，而且在很大程度上也受到光刺激的影响。根的负向光性和向地性既各自独立，又相互作用。根的负向光性倾斜生长角度为负向光性生长和向地性生长相互作用的矢量和，两者之间存在着复杂的关系（Okadaan and imura，1992；Vitha et al.，2000）。近年来，我们在玻璃缸中培养水稻幼苗时，发现水稻的种子根、不定根以及它们的分枝根的生长都有明显的负向光性。进而又发现稗草(Echinochloa crusgalli L.)、千金子(Leptochloa chinensis L.)、牛筋草(Eleusine indica L.)、大狗尾草(Setaria viridis L.)和鳢肠(Ecliptaprostrata L.)等植物的根也有负向光性的特性。并初步探明：稻根负向光性感受光的部位是根冠，剥去根冠后，稻根就失去负向光性；稻根的背光倾斜生长是由于根尖受光侧和背光侧的生长素含量分布不均所致；稻根负向光性角度随光强的提高而增大；蓝紫光和绿光能显著诱导稻根的负向光性反应，而红光则无效；根冠浸提液中存在吸收近紫外和蓝紫光(320450nm)的物质（顾蕴洁等,2001;Wang et al.，2002；王忠等，2003）。3 植物向光性反应的机理关于植物向光性反应的机理有两种假说，一种是Cholodny-Went假说，另一种是Bruinsma-Hasegawa假说。3.1 Cholodny-Went假说Went(1928)用生物测定法显示生长素活性的分布比率为向光面32%，背光面68%。Cholodny(1927)和Went(1928)以燕麦胚芽鞘为材料研究发现，在单侧蓝光作用下，IAA向胚芽鞘的背光侧移动。根据这些结果Cholodny和Went认为，植物的向光性反应是由于光照后引起生长素浓度的差异分布而引起的。对于胚芽鞘的正向光性则是在照光下背光侧的生长素浓度大于向光侧生长素的浓度，而使背光侧细胞的生长大于向光侧从而导致茎叶向光弯曲。Iino(1990;1991)以玉米为材料，对玉米胚芽鞘向光侧和背光侧的内源生长素含量变化进行了分析，证实了单侧蓝光引起生长素分布不均匀，从而使胚芽鞘产生向光弯曲，这些结果都支持了Cholodny-Went假说。我们在研究水稻根负向光性反应的实验时，在暗中垂直生长的水稻根尖光照1h后，将根尖4mm的向光侧和背光侧均匀纵切，然后用ELISA（enzyme linked immunosorbent assay）法测定向光侧和背光侧的生长素含量，结果显示背光侧的生长素浓度比向光侧的生长素浓度高出24倍，表明水稻根的负向光性也是由于生长素在根尖内的不均匀分布而致，此结果支持Cholodny-Went的假说，由于茎尖和根尖对生长素的敏感性不同，在茎尖的向光反应中，单侧光照射使得背光侧生长素浓度高于向光侧的生长素浓度，因为高浓度生长素能够促进茎尖细胞的生长，从而使得背光侧细胞的生长量大于向光侧细胞，而形成向光弯曲；对于根尖来说高浓度生长素抑制根尖细胞的生长，则诱导根的负向光性反应。3.2 Bruinsma-Hasegawa假说Bruinsma-Hasegawa假说，就是“抑制剂分布不均匀假说”。由Bruinsma和Hasegawa(1990)共同提出的，他们认为植物向光性形成的原因是由于生长抑制物在向光侧和背光侧分布不均而引起的。Bruinsma和Hasegawa(1990)以向日葵(Helianthus annuus)幼苗为材料研究植物向光性运动特性时，发现单侧蓝光处理并没有引起生长素分布不均匀。Hasegawa等(1986)用液相色谱法从黄化萝卜下胚轴中分离出萝卜宁(raphanusanin)和萝卜酰胺(raphanusamide)等中性抑制物，他们用萝卜宁和萝卜酰胺单侧处理萝卜下胚轴抑制了胚轴处理侧的生长，使得下胚轴向处理侧弯曲，他们认为向光性弯曲是由于光诱导了生长抑制物的合成使得胚轴的生长受到抑制从而产生向光性弯曲（Noguchi et al.，1986）。我们在研究水稻根负向光性反应的过程中，在水稻根尖的一侧贴有5mgL-1生长素的琼脂块，在黑暗的条件下气培24h后发现水稻根尖会向贴有生长素琼脂块的一侧弯曲生长，并且根尖的弯曲角度与施用的生长素浓度有关。因此，我们认为水稻根产生弯曲生长主要原因不是由于抑制物引起的，而是由于根两侧受到生长素浓度不均匀分布引起的。值得注意的是，BrainsmaHasegawa学说和CholodnyWent学说并不是截然相反、水火不容的，而是存在着一定的联系将10 molL-1MBOA与10-4molL-1 IAA等量混合使用时，玉米胚芽鞘的生长明显慢于IAA单独处理，但是却快于MBOA单独处理；将10 mo1L-1 MBOA与10 mo1L-1 IAA等量混合使用时，生长速率与零处理的对照基本持平（陈汝民, 1998）。这些说明，MBOA与IAA互相拮抗，MBOA引起向光性弯曲的原因很可能是因为MBOA拮抗了IAA 的生理作用。由此看来，在单向光刺激下，植物向光侧很可能会大量合成生长抑制物质，使得向光侧和背光侧的生长抑制物质的含量分布不均匀，而生长素则不一定出现分布不均匀的现象(尽管向光侧和背光侧的生长素可能会出现侧向移动或交换的现象），但是向光侧的生长素可能因为受到生长抑制物质的拮抗作用而难以发挥其促进生长的生理作用，进而直接导致了向光性弯曲的发生。因此，想要最终揭示植物向光性的机制，必须注重生长素和生长抑制物质影响向光性反应的分子机理的研究。只有搞清光信号生长素/生长抑制物质信号植物向光性反应的详细机制，才可能为植物向光性机理研究划上圆满句号。3.3 生长素载体在生长素极性运输中的作用植物不同器官中的生长素水平与生长素的极性运输有关。生长素的运输依赖于生长素载体，而生长素载体在细胞膜上不均匀的分布会导致生长素的极性运输。生长素的极性运输则参与植物的向性反应、伸长生长以及光形态建成等反应（倪为民等，2000）。生长素在细胞间运输是直接由生长素载体承担的。研究表明生长素的胞间运输是由细胞中生长素输出载体和输入载体的分布决定的（M