李秀坤，許冬清

南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院 作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210095

太陽光是植物能量的主要來源。除此之外，光還作為一個(gè)重要的環(huán)境信號因子影響和調(diào)控植物的諸多生長發(fā)育和生理過程。自20世紀(jì)90年代以來，植物光生物學(xué)家借助分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的發(fā)展和各種新的技術(shù)方法，對植物光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)行研究并有突破性的進(jìn)展。植物接受光信號并傳遞至下游，進(jìn)而作出適時(shí)的應(yīng)答反應(yīng)，以適應(yīng)時(shí)刻變化的光環(huán)境。植物是固生生物，從種子落地發(fā)芽開始，就會在一個(gè)固定的地點(diǎn)完成整個(gè)生命周期。但是，植物并不像我們看到的那樣靜止不動，在微觀層面上可謂是瞬息萬變。不同光環(huán)境下，植物啟動精密的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)以應(yīng)對不同的光質(zhì)、光強(qiáng)、光照時(shí)間和方向，確保其自身的健康生長。

1 植物識別光信號的物質(zhì)——光受體

陽光普照一切生物，為大自然帶來生機(jī)。所謂 大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽 。自1906年美國科學(xué)家Garner和Allard發(fā)現(xiàn)光對植物生長發(fā)育的影響開始，全世界的科學(xué)家就從未停止過光對植物作用的研究。

在數(shù)萬年的進(jìn)化過程中，植物為了感知和識別光信號已經(jīng)進(jìn)化出幾類不同的光受體。它們是識別280～315 nm 的 UV-B 信號的紫外光受體 UVR8[1-2]、吸收波段為315～500 nm 的 UV-A和藍(lán)光受體隱花色素 1 和 2(CRY1和CRY2)以及向光素 1 和 2(Phot1和Phot2)[3-5]，而光敏色素(PHYA～PHYE)主要吸收600～750 nm的紅光和遠(yuǎn)紅光[6](圖1)。其中PHYA是吸收遠(yuǎn)紅光信號的主要光受體，PHYB是識別紅光信號的主要光受體。光敏色素在吸收波長為670 nm的紅光后可以轉(zhuǎn)化成有活性的光受體Pfr，而在吸收730 nm的遠(yuǎn)紅光后轉(zhuǎn)換成無生物學(xué)活性的Pr狀態(tài)[7]。這些光受體的發(fā)現(xiàn)，對于植物光生物學(xué)的發(fā)展具有里程碑意義。全世界多家致力于光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的實(shí)驗(yàn)室，協(xié)同參與了這些重要的研究項(xiàng)目。斯坦福大學(xué)的Winslow Briggs院士發(fā)現(xiàn)向光素，并解釋了植物的向光性現(xiàn)象[3]。加州大學(xué)伯克利分校的Peter Quail院士克隆了第一個(gè)光敏色素[6]。賓夕法尼亞大學(xué)的 Anthony R. Cashmore院士和加州大學(xué)洛杉磯分校的林辰濤教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)分別克隆了隱花色素CRY1和CRY2[4-5]。UV-B受體由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Roman Ulm教授實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)現(xiàn)[1]。有人會問：為什么沒有識別500～600 nm波段的光受體？答案是：這一波段為綠光，在植物體內(nèi)是沒有綠光受體的。綠光可以在紅光受體和藍(lán)光受體的介導(dǎo)下，參與植物生長發(fā)育的過程，如向光性反應(yīng)、莖的伸長、葉的生長、氣孔的開閉和其他器官的生長等。人類肉眼只能看到可見光部分，一般為400～760 nm之間。由此看來，植物比人類感受光的能力要更強(qiáng)。這些光受體在識別不同波長的光信號后，迅速地在植物細(xì)胞內(nèi)啟動不同的生物學(xué)事件，將信號傳遞至下游，并通過影響大量基因的表達(dá)而調(diào)控不同的生理和生長發(fā)育過程。

圖1 模式植物擬南芥中的光受體

2 光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要核心——COP/DET/FUS

植物通過這些光受體精確分辨太陽光不同的波長、方向、強(qiáng)度和周期等信息變化，經(jīng)由復(fù)雜的信號感受、傳遞和響應(yīng)，完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。一方面植物利用光能進(jìn)行光合作用，將光能轉(zhuǎn)化成有機(jī)能；另一方面，通過一系列光調(diào)節(jié)基因來調(diào)控種子的萌發(fā)、幼苗的光形態(tài)建成、避蔭性、葉綠體和小葉的運(yùn)動、開花的誘導(dǎo)以及很多細(xì)胞核內(nèi)和葉綠體內(nèi)基因的表達(dá)等。為了揭示其中的奧秘，植物光生物學(xué)家做了很多有意思的研究，以期揭示這個(gè)光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和植物響應(yīng)光的分子機(jī)理。最終科學(xué)家們通過遺傳篩選和表型鑒定獲得了cop/det/fus這樣一組對光信號具有多效性的突變體[8](圖2)。這些突變體在黑暗下都表現(xiàn)出組成型光形態(tài)建成的表型，即這些基因單獨(dú)的功能缺失均可以導(dǎo)致植物幼苗在黑暗下就模擬光下生長的過程。COP1是COP/DET/FUS系統(tǒng)中一個(gè)典型的代表，是光形態(tài)建成的核心抑制因子。它實(shí)際上是將光形態(tài)建成的促進(jìn)因子進(jìn)行降解而行使抑制光形態(tài)建成的機(jī)制，通過多泛素化光形態(tài)建成核心促進(jìn)因子HY5、HYH、PHYA、BBX21、BBX22、HFR1、PIL1、PAR1和PAR2等，而促進(jìn)它們通過26S蛋白水解酶體降解[8-9]。在光照條件下，一方面有活性的光敏色素受體從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核后會與 COP1 或者 SPAs 等蛋白互作來解離 COP1-SPAs 復(fù)合體，進(jìn)而抑制COP1的E3泛素連接酶活性，而它的活性降低就會使得植物表現(xiàn)出光形態(tài)建成的表型；另一方面大部分 COP1 以目前還不太清楚的機(jī)制出核，最終使得細(xì)胞核內(nèi)光形態(tài)促進(jìn)因子迅速積累，進(jìn)而促使幼苗進(jìn)行光形態(tài)建成[10-11]。DET是Deetiolation的簡稱，也就是去黃化。植物在黑暗下生長，會出現(xiàn)黃化苗，見光以后則會合成葉綠素轉(zhuǎn)為綠色。 FUS 則是Fusca的簡稱。Fusca是拉丁語，深紫色的意思，主要是因?yàn)檫@些突變體的種子中花青素大量積累，而呈現(xiàn)出深紫色。其中cop系列的突變體和det系列的突變體最后都被定位是相應(yīng)的fusca系列突變體的等位基因，如cop1與fusca1是等位的，det1與fusca2是等位的。COP/ DET/ FUS 位于光受體的下游，處在光信號通路的中心，它們主要通過調(diào)節(jié)下游的光形態(tài)建成促進(jìn)因子的蛋白水平來調(diào)節(jié)幼苗的光形態(tài)建成。

COP1是其中一直較為受關(guān)注的成員。作為E3 泛素化連接酶，其通過降解參與植物光形態(tài)建成的促進(jìn)因子以及調(diào)節(jié)開花和生物鐘節(jié)律的一系列調(diào)控因子等，來參與植物生長發(fā)育的諸多過程。1991年鄧興旺(后來當(dāng)選為美國科學(xué)院院士)首先鑒定了擬南芥cop1突變體[12]。次年，他成功地克隆了擬南芥COP1基因，這一研究成果發(fā)表在《細(xì)胞》(Cell)雜志上[13]。隨后，鄧興旺教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性的遺傳和生物化學(xué)研究鑒定和證明了CP/DET/FUS 所組成的3個(gè)E3泛素化連接酶復(fù)合體位于光受體下游，并處于光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的核心位置。這三大復(fù)合體在黑暗下位于細(xì)胞核內(nèi)并具有高度的生物學(xué)活性，降解了大量的蛋白底物，從而確保植物下胚軸或莖迅速伸長，以及雙子葉植物子葉閉合并形成彎鉤；而見光以后，這些復(fù)合體的活性被多種不同分子調(diào)控機(jī)制所抑制，使得下游底物在細(xì)胞核內(nèi)得以積累并促進(jìn)幼苗生長[8-9]。這些有趣的發(fā)現(xiàn)，不僅完善了人們對植物光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的理解，也推動了針對這一調(diào)控系統(tǒng)在動物和人類中的研究。這是因?yàn)镃OP/DET/FUS系統(tǒng)在動物和人類中也具有E3泛素化連接酶活性，參與和調(diào)控腫瘤發(fā)生等諸多生理和病理的發(fā)生和調(diào)控過程。

圖2 野生型和cop1突變體在黑暗下和光下生長的表型

3 光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的轉(zhuǎn)錄因子

光信號影響植物體內(nèi)將近3 000多個(gè)基因的表達(dá)，而直接控制這些基因表達(dá)的主要是一類受光調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，其中HY5是這一途徑最為關(guān)鍵和最具有代表性的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。HY5可以直接或者間接地結(jié)合在植物體內(nèi)約1/3基因的啟動子區(qū)域而調(diào)控它們的表達(dá)[14]。這些基因的改變直接影響著植物受光調(diào)控的生長發(fā)育過程，其中就包括光形態(tài)建成。在黑暗下，HY5是被COP1所泛素化而降解的；而在光下，積累的HY5就具有調(diào)控下游目的基因表達(dá)的能力[15]。在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平，HY5受到光受體和COP/DET/FUS 的調(diào)控，證明HY5位于這一調(diào)控體系的下游，也就是說光信號-光受體-COP/DET/FUS系統(tǒng)通過調(diào)控HY5而影響植物體內(nèi)大量基因的表達(dá)，從而最終調(diào)控植物的光形態(tài)建成。hy5突變體最初也是在鄧興旺教授的實(shí)驗(yàn)室通過遺傳篩選獲得[16]。隨后，植物光生物學(xué)家借助于分子生物學(xué)和生物信息學(xué)的技術(shù)手段，闡明HY5在植物光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中詳細(xì)的工作機(jī)制，并確立它在這一轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的重要位置。

4 光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的微視角

擬南芥幼苗利用光受體感受光信號后，主要通過影響蛋白與蛋白的互作、蛋白的核質(zhì)定位和蛋白的穩(wěn)定性等生物學(xué)事件將信號傳遞下去。在光信號通路中，光影響蛋白與蛋白互作比較常見，如光敏色素被激活入核后可與 PIFs 和SPAs 等蛋白互作，受藍(lán)光激活的 CRY2 與 CIB1和 SPAs 可以相互作用，以及紫外光照后二聚的UVR8 解離成 UVR8 單體后能夠與 COP1/SPAs復(fù)合體相互作用等[10]。

在黑暗條件下，沒有活性的光敏色素受體位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而細(xì)胞核里的 PIFs蛋白則以同源或者異源二聚體的形式結(jié)合在光調(diào)控基因的啟動子上，并調(diào)控這些基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制植物的光形態(tài)建成。另外，位于細(xì)胞核內(nèi)的COP1 能夠降解光形態(tài)建成的促進(jìn)因子如 HY5、 LAF1、HFR1、PAP1和PAP2等。HY5是光形態(tài)建成的正向調(diào)節(jié)子，HFR1參與避蔭反應(yīng)，PAP1和PAP2是花青素生物合成的正調(diào)控因子，而CO是光周期介導(dǎo)的促進(jìn)開花的關(guān)鍵因子。這些關(guān)鍵因子控制了植物體內(nèi)大約1/3基因的表達(dá)[10]。光受體PHYA、PHYB和CRY2也被COP1/SPA蛋白復(fù)合體降解，抑制光形態(tài)建成，表明COP1反饋調(diào)控光受體。在光照條件下，光敏色素遷移至細(xì)胞核里，能夠與PIFs相互作用，并以一種未知的方式磷酸化PIFs而被降解[17]；同時(shí)，光敏色素從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核后會與 COP1 或者 SPAs 等蛋白形成異聚體來解離 COP1-SPAs 復(fù)合體，進(jìn)而抑制COP1-SPAs活性[10-11]。在長時(shí)間的光照下，大部分 COP1 以目前還不太清楚的機(jī)制遷移出細(xì)胞核，最終使得細(xì)胞核內(nèi)光形態(tài)促進(jìn)因子迅速積累，進(jìn)而促使植物體內(nèi)1/3基因的正常表達(dá)而促進(jìn)光形態(tài)建成。因此，光受體-E3泛素化連接酶復(fù)合體-轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控體系是植物光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中的核心調(diào)控開關(guān)。

5 結(jié)束語

不同類別的光受體和COP/DET/FUS的發(fā)現(xiàn)和鑒定極大地加深了人們對光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的認(rèn)識，并且繪制了一個(gè)類似線性的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。COP/DET/FUS組成了3個(gè)不同的E3泛素連接酶復(fù)合體，降解諸多的下游底物。這些調(diào)控因子在包括人類在內(nèi)的其他真核生物中也是保守的，并且具有類似的生物化學(xué)活性。除了調(diào)控光形態(tài)發(fā)生外，COP/DET/FUS蛋白在許多其他生物學(xué)過程中也起著關(guān)鍵作用，其在植物或者哺乳動物中的功能完全喪失，均導(dǎo)致致死的表型?；诤诎迪碌焦庀轮参镉酌缧螒B(tài)建成的分子機(jī)理研究，已經(jīng)揭示了一個(gè)較為清晰的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，但是光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)如何在調(diào)控植物其他的生長發(fā)育過程(例如氣孔發(fā)育、成株形成等)中行使作用，以及與其他環(huán)境因子和不同植物激素信號途徑的整合調(diào)控，將是植物光生物學(xué)家需要持續(xù)付諸努力的研究領(lǐng)域和方向。