光敏色素研究概况及进展.doc

目 录摘 要1关键词1Abstract1Key words11光敏色素的概述11.1光敏色素的发现 11.2光敏色素的分布22 光敏色素的主要反应方式23光敏色素的生理功能33.1光敏色素对细胞生长的调节33.2光敏色素与光周期44 研究展望5参考文献：5光敏色素研究概况及进展 摘 要：综述了20世纪20年代光敏色素被发现以来的光敏色素研究概况及进展。主要包括：从生物化学和分子水平阐述了光敏色素的生理功能；光敏色素的三种主要的反应方式，尤其是光敏色素的主要分子基因PhyA和PhyB在反应方式上的区别；虽然迄今为止人们极少研究光敏色素和植物激素在苜蓿秋眠中的作用，但对此方面提出了研究展望。 关键词：光敏色素；光受体；光周期；生理功能Abstract：The paper has summarized surveys and advances in research on phytochrome since 1920s it was discovered, including as follows:It expatiated physiological functions of phytochromes at biochemistry and molecular level; Phytochrome has three main reaction modes,especially distinguishing on reaction modes of molecular genes PhyA and PhyB of phytochrome; Although people have hardly studied effects on alfalfa fall dormancy of phytochrome and plant hormone so far,this paper brought forward prospects of research at this aspect.Key words：Phytochrome; Photoreceptors; Photoperiod; Physiological functions引言植物在长期进化中，为了能够感知周围环境的光强、光质、光向和光周期并对其变化做出响应，形成了光受体系统。目前已知至少存在三种光受体：光敏色素(phytochrome)，接收红光和远红光信号；隐花色素(cryptochrome)和向光素(phototropin)，感受蓝光和近紫外光区域的光；UVB受体(UVB receptor),感受紫外光B区域的光。而光敏色素的发现是植物光形态建成研究的里程碑。1光敏色素的概述1.1光敏色素的发现1920年植物生理学家Garner和Allardt1发现了光周期现象，即有的植物(例如大豆晚熟品种)能感受每天日照的时间长短来调节其开花的早晚。Flint和McAlister(1937)进一步发现的红光能促进莴苣种子萌发,而远红光抑制其萌发。Hendricks等对大豆叶片行了暗诱导期的单色光的中实验断，结果发现也是RL的中断抑制开花诱导效应最强，而FR则无效，并且能够逆转RL的效应(Parker等，1949)。于是，Borthwick等提出了植物中存在一种吸收红光或远红光而可逆地控制植物发育的色素的假设。经过几年的努力，他们终于取得了直接的实验证据，说明了玉米黄化苗中确实存在着这种“幻觉中的色素”。1959年Butler等2用双波长分光光度计成功地检测到对黄化玉米幼芽(Zea mays) 和黄化芜菁(Brassica rapa) 或其蛋白提取液照射红光(RL)后，在RL区的吸收减少，远红光(FR)区的吸收增加；而照射FR后在RL区的吸收增加，在FR区的吸收减少。这种吸收差异的光谱变化，可以反复发生多次。次年4月，植物学家Harry Borthwick和物理化学家Sterling Hendricks把这种吸收红光或远红光可逆转换的色素命名为光敏色素(phytochrome)。经过几年的研究证明，光敏色素在植物个体发育过程中作为主要的光受体，发挥了重要的作用。从调节种子的萌发到幼苗胚芽鞘、中胚轴生长、幼叶的展开，或下胚轴生长、弯钩伸直、两片子叶的张开和扩张；从叶片表面气孔的形成和活动到幼茎维管束的分化、表皮毛的形成；从植株地上部分发育形态到根的生长和根冠的调节；从叶绿体的发育到光合活性的调控；从贮藏淀粉、脂肪的分解到硝酸盐的还原活化、蛋白质核酸的合成；从光周期控制发芽分化到叶片等器官衰老的调节，无时无刻不存在着光敏色素的作用。光敏色素的发现在植物科学，尤其是在植物的发育生物学研究中是一个重大发现。1.2 光敏色素的分布光敏色素存在于从藻类到被子植物一切能进行光合作用的植物中，并且分布于各种器官组织中，在植物分生组织和幼嫩器官，如胚芽鞘、芽尖、幼叶、根尖和节间分生区中含量较高。光敏色素主要存在于质膜、线粒体、质体和细胞质中。通常黄化苗中光敏色素含量比绿色组织中高出50100倍。2 光敏色素的主要反应方式 光敏色素是一类光接受器的蛋白家族，而且这些蛋白是由不同的基因来编码的。光敏色素有两种可通过光逆转的形式，即红光吸收型(Pr)和远红光吸收型(Pfr)。而且，在体内最先合成的是红光吸收型(Pr)，然后再转化成远红光吸收型(Pfr)。一般认为，Pfr是光敏色素的活化形式。 光敏色素有3种主要反应方式12，即极低辐照度反应(VLFR)，低辐照度反应(LFR)和高辐照度反应(HIR) 。极低辐照度反应(Very-1ow-fluence-response，VLFR)。此种反应是由光敏色素钝化态Pr吸收10-4 10u mol(m2 s) 红光或远红光诱发的，估计只有0.01 的Pr向活化态Pfr转化。介导这种反应的一般认为是PhyA，而且PhyA对短暂的红光或远红光的吸收是VLFR的主要模式。 低辐照度反应(Low-fluence-response，LFR) 。短时间的红光可诱导一个反应，这反应还可被红光之后立刻照射的远红光所充分逆转，这是经典的光敏色素的诱导可逆反应，反应所需红光能量为1l000u mol(m2s) 。Phy B诱导的休眠种子， 在10l000u mol(m2s )的R下萌发，但却被辐照度相近的FR所阻止。而且，PhyB的作用光谱与1952年Borthwick报道的RFR对莴苣种子萌发可逆效应的光谱很相似。这都说明，PhyB是负责RFR可逆的LFR的主要光受体13。高辐照度反应(High-irradiance-response，HIR)。光照越强或光照时间越长则反应越大。对黄化苗最有效的光是720nm周围的远红光和400500nm的蓝光，对绿色组织红光也同样有效。这种反应没有可逆现象，也不遵守光照和时间的互惠定律。这种反应的光受体主要是PhyA。大量结果表明，不同种类的光敏色素其发生作用的方式是不同的。研究表明，PhyA主要调节VLFR和HIR，而PhYB则调节LFR，拟南芥的突变体和番茄的突变体由于缺少PhyA，在FR下就不能引起下胚轴生长和子叶伸展。单子叶植物中的PhyA的过量表达，会扩大植物对持续的FR反应的敏感性(Casal et al，1996)。转基因烟草中PhyA的过量表达，也会加强对持续红光的反应( McCormac et al，1993 )。但是，这种反应是VLFR，而不是HIR，因为在持续FR下，PhyA介导的反应不能进行，这表明HIR反应的出现14。3光敏色素的生理功能 以前对光敏色素生理功能的研究大都集中在植物的外部形态和生理方面，如茎的伸长、叶的扩展、种子萌发、光周期诱导、小叶的偏下性运动等。近些年来，由于生物物理学、免疫学、分子生物学及生物定点突变技术在光敏色素研究中的广泛应用，使人们越来越从生物化学和分子水平来阐述光敏色素的生理功能。3.1光敏色素对细胞生长的调节 研究发现，光对植物的下胚轴生长有抑制作用，但不同的植物其作用的光谱有差异3。对单子叶植物如水稻、燕麦等，短暂的红光(RL)能抑制其下胚轴的生长，远红光(FR)有逆转作用，其反应是低辐照度反应(LFR)；而对双子叶植物，需要的是连续的FR，即光敏色素介导的高辐照度反应（HIR）。Elzenga等4用豌豆的叶表皮细胞进行研究，发现生色团突变株Pcd2和PhyB突变株，其叶子在红光下的大小明显小于白光下的大小，而且他还发现，叶子的减小不是细胞分裂受抑制的结果，而是由于细胞伸长受到抑制。Quail等发现，黄花幼苗的抑制主要是PhyA介导的FR-HIR反应,而在已转绿的植物茎的生长抑制中是由PhyB介导的RL-HIR反应。最近，Bertram5 对西红柿再生芽的获得进行了研究，发现再生芽至少是由PhyB，和PhyA两种光敏色素所调节，而且，PhyB是从下胚轴各个位置诱导再生芽，而PhyA却没有从下胚轴的中间和基部诱导再生芽。Bossen在研究RL诱导绿豆原生质体膨大过程中，发现Pfr会引起G蛋白、Ca2 +、CAM、PKC、cAMP酶的活化，说明这些分子都参与了信号传导。但是，光敏色素对细胞生长的调控是非常复杂的，而且，同一种光敏色素分子在不同种类的植物中对细胞生长的调控可能是不同的，这一点还需要进一步研究。3.2光敏色素与光周期 光周期现象1920年被发现，但直到1959年光敏色素被发现以后，人们才真正从内部生理和分子水平来解释植物的光周期现象。而且，进一步的实验证明，光周期不仅能影响到植物的开花，而且还能影响到色素的形成、叶子的脱落、种子的休眠等一系列生理过程，童哲6曾证明光敏色素通过光周期参与调节光敏稻的雄性器官发育，而且进一步研究发现光周期调节育性其信号传递至少分为4个步骤7：(1)光周期的差异由叶片细胞中的光敏色素接受，光敏色素在不同的细胞部位诱导了许多平行的生理生化反应，其中大多数可能和调节育性无关，只有诸如叶绿体等个别的发育过程受光周期调节，又和育性转换有关。(2)叶绿体是承上启下的转折点。叶绿体的许多蛋白，包括光合作用中参与光反应的几个蛋白质和暗反应的许多关键酶编码基因的表达受光敏色素的调节。(3)叶片产生的内源激素可能是调节育性的化学信使。GA3和IAA是从叶片送往幼穗的激素，因此对幼穗形成的薄弱环节产生了重要影响。(4)从叶片得来的光周期化学信使在花药内有多个作用位点。IAA亏缺可能在花药发生、发育全过程中的各个组织、细胞中发挥作用。Devlin等利用突变技术，发现拟南芥的PhyE缺失突变体的开花时间提前，而且，它也减弱了PhyA、PhyB幼苗对远红光的反应8。Kretsch9等发现，PhyB的1个亚中心是高度保守的，这个亚中心的一个氨基酸发生了交换，这个突变株表现出对持续红光的敏感性，在短日照条件下，其表型发生了改变。而最近Childs的研究也说明，PhyB基因中由于1个碱基的缺失而导致PhyB功能的丧失，引起植物对光周期的敏感性降低。拟南芥的光敏色素生色团突变体hYl和hY2在长日和短日条件下其开花都比野生型提前。最近的研究表明，拟南芥的PhyB突变体其开花提早，PhyD能通过控制开花时间来控制植物的避阴反应10。在植物的光周期反应中，至少涉及到LFR和HIR两种类型的光敏色素作用11。而且，一般性的结论是：PhyA与长日植物(LDP)诱导的光周期有关，它是感受延长光照信号所必需的。而 PhyB与短日植物(SDP)诱导光周期有关。最近，王伟等在光敏核不育水稻中的研究说明，PhyA在暗期中的显著增加可能是诱导育性转变的光周期反应所必需的。苜蓿为长日植物，迄今为止尚未见人研究光敏色素与苜蓿秋眠性的关系，苜蓿的秋眠性是对低温和短日照的综合反应，既然短日照影响秋眠，说明秋眠的调控存在着光周期效应。而光敏色素可能通过光周期实现对秋眠的调控 。 4 研究展望 在较早的光生物学和生理生化研究基础上，近年来利用分子生物学途径对光敏色素作用机理的认识已有长足进步，但同时也带来一些有待深入探讨的问题。这突出表现在以下几个方面：第一，还需了解光敏色素通过光质异构化启动光调节区域功能，引发信号转导的细节；第二，受光敏色素调控的基因间的相互作用模式还不明确，亟待借助系统生物学的理论和方法将这一领域的工作深化：第三，除有花植物拟南芥外，还需加强藻类、蕨类和裸子植物中相关模式植物光敏色素基因家族成员的功能分析和分子进化研究。这些工作将丰富我们对光敏色素所调控的信号转导途径和网络的认识。参考文献：1 Garner W W, Allard H A. 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Journal of Integrative Plant Biology ,1990,52:161164.7童哲.光敏核不育水稻的发育生物学研究评述J.植物学报1998,40(3):187199.8 Debvin P F, Patel S R, Whitelam G C. Phytochrome E influences internode elongation and following time in ArabidopsisJ.Plant Cell,1998,10(9):14791487.9 Kretsch T, Poppe C, Schafer E. A new tipe of mutation in the plant photoreceptor phytochrome B causes loss of photoreversibility and an extremely enhanced light sensi