植物發(fā)育生物學第8章.ppt

第6章光對植物發(fā)育的影響 6 1光的感受6 2植物對光的發(fā)育應答 植物對UV B 波長280 320nm UV A 320 380nm 藍光 380 500nm 紅光 620 700nm 和遠紅光 700 800nm 特別敏感 6 1 1植物的光受體 1 植物的光受體有哪些 植物的光受體可以分為4類 光敏色素 phytochrome 主要感受紅光和遠紅光 隱花色素 cryptochrome 和NPH1 也稱作phototropin 向光蛋白 調控對UV A和藍光的應答 還有一個或幾個尚未鑒定的UV B受體 2 光受體組成 光敏色素 隱花色素和NPH1都是由光吸收色素即發(fā)色團 chromophore 以及與之結合的蛋白組成 每個光受體的光譜敏感性 依賴于發(fā)色團的吸收譜 absorptionspectrum 吸收了光之后 下游的信號傳遞由光受體蛋白調控 1 光敏色素的發(fā)現 6 1 2光敏色素 是從光可逆性 photoreversibility 現象中發(fā)現的 光可逆性指照射幾分鐘微弱紅光所引發(fā)的反應 可以為隨后微弱遠紅光的照射所抑制 2 光敏色素的兩種異構體形式及其轉換 Pr 主要吸收光譜在紅光區(qū)域 吸收峰大概為660nm Pfr 主要吸收光譜在遠紅光區(qū)域 吸收峰大概為730nm Pr和Pfr的吸收光譜從UV B至遠紅光的大部分波長范圍 Pr和Pfr都吸收 在光譜的紅光 遠紅光區(qū)域 Pr強烈吸收紅光波長 而Pfr強烈吸收遠紅光波長 光轉換 photoconversion Pr吸收光后 轉變?yōu)镻fr形式 Pfr吸收光后可轉變?yōu)镻r Pr和Pfr的相互轉換Pr吸收光后 轉換為Pfr Pfr吸收光后 轉換為Pr 在一個不依賴于光的過程中 Pfr也可以轉換為Pr 該過程稱為暗逆轉 因為Pr和Pfr在所有波長范圍都有一定的光吸收 因此沒有哪個光譜區(qū)域可以使所有光敏色素都只轉變?yōu)槠渲幸环N形式 光敏色素是以Pr形式合成的 因此在完全黑暗條件下生長的種子和幼苗 只有Pr形式 3 光敏色素的類型 擬南芥有5個光敏色素蛋白基因 稱為PHYA PHYB PHYC PHYD和PHYE 它們生色團相同 但是受體蛋白不同 這些基因編碼的光敏色素可以分為兩組 光不穩(wěn)定型光敏色素 光敏色素A 是經過長時間黑暗處理后浸濕的種子和幼苗中的主要光敏色素 光穩(wěn)定型光敏色素 光敏色素B E 是光照條件下生長的植物中主要的光敏色素類型 4 光敏色素的命名 野生型光敏色素基因的等位基因用大寫斜體表示 如PHYA PHYB等 光敏色素基因編碼的蛋白用大寫正體表示 如PHYA PHYB等 相應的全蛋白 二聚體與完整的生色團 用phyA phyB等表示 phyA的Pr和Pfr形式用PrA和PfrA表示 phyB的Pr和Pfr形式用PrB和PfrB表示 5 在暗處和光下生長的幼苗中 phyA和phyB之間的平衡 phyA 光不穩(wěn)定型光敏色素 在暗處生長的幼苗中占優(yōu)勢 phyB 光穩(wěn)定型光敏色素 在光下生長的幼苗中占優(yōu)勢 在暗處生長的幼苗中 PHYA基因高表達 而且所有的光敏色素都以Pr的形式合成 導致大量Pr形式的phyA PrA 積累 PHYB基因表達量很低 當暗處生長的幼苗轉移到光下 phyA的濃度迅速下降 濃度的降低 部分是由于PrA轉變?yōu)镻frA PfrA可以迅速降解 半衰期約為1h 也因為光抑制PHYA基因的轉錄 與之相反 在光下和暗處 PHYB基因轉錄的速率相近 PfrB是穩(wěn)定的 半衰期為7 8h phyB占優(yōu)勢 6 光敏色素的激酶活性 Pfr形式的光敏色素有激酶活性 可以自磷酸化 也可以催化其他蛋白的磷酸化 有趣的是 隱花色素是光敏色素激酶活化的一個靶目標 表明紅光 遠紅光和藍光 UV A的信號傳導途徑在光受體水平有一定的交聯(lián) 7 光敏色素的運動 核穿梭 在黑暗下 新合成的Pr完全定位于細胞質中 但是紅光照射后 光敏色素從細胞質向細胞核運動 光敏色素的核穿梭非常重要 因為光敏色素與核蛋白之間存在重要的相互作用 這些蛋白包括磷酸化底物 比如隱花色素和Aux IAA蛋白 光敏色素可以直接與轉錄因子結合 調控其活性 是藍光 400 500nm 和UV A 320 400nm 的受體 6 1 3隱花色素 隱花色素1 cry1 和隱花色素2 cry2 N端是光裂解酶相關序列 PHR 與發(fā)色團 黃素腺嘌呤二核苷酸 FAD 結合 是保守區(qū) C端與核或質相通或蛋白質相互作用有關 PHR的三維結構折疊成2個區(qū)域 一個 區(qū)域和一個螺旋區(qū)域 它們通過可變環(huán)連接 CRY2恒定位于核中 可能與染色體結合 CRY1在黑暗下核中積累 依賴光的作用在質核間穿梭 cry2光下降解 cry1在光下是穩(wěn)定的 擬南芥有一個藍光 UV A光受體NPH1 參與向光性反應 有時稱其全蛋白的形式為 向光蛋白 6 1 4NPH1 NPH1編碼一個質膜相關的蛋白激酶 有兩個黃素生色團 第6章光對植物發(fā)育的影響 6 1光的感受6 2植物對光的發(fā)育應答 6 2 1光誘導的萌發(fā)6 2 2幼苗黃化和光形態(tài)建成6 2 3向光性6 2 4開花的光周期調控 對擬南芥和其他被子植物來說 光可以促進種子的萌發(fā) 光誘導的種子萌發(fā)主要受光敏色素A和B的調控 1 光敏色素與種子萌發(fā) a 野生型的種子即使在暗下也萌發(fā) 在phyB突變體中 這種反應減弱 證明這種反應需要phyB 野生型和光敏色素突變體的種子萌發(fā)率 b 用低流量的紅光照射 野生型種子的萌發(fā)率增加 在phyB突變體中 這種反應也減弱 證明這種反應需要phyB c 在黑暗下浸濕培養(yǎng)幾天后 野生型種子對光變得極其敏感 用極少流量的廣譜光照射 都可以誘導萌發(fā) 在phyA突變體中 這種反應消失 證明這種反應需要phyA 1 phyB調控的萌發(fā)應答反應 在phyB突變體中 在黑暗條件下萌發(fā) 或者經過低流量紅光處理后再萌發(fā) 其萌發(fā)率極大降低了 這說明 phyB主要負責調控這些條件下的種子萌發(fā) 紅光誘導種子萌發(fā) 遠紅光抑制種子萌發(fā) 表明當phyB處于Pfr形式時 可以促進萌發(fā) 為何某些種子在黑暗條件下也可以萌發(fā) 原因還不清楚 可能是因為在胚胎發(fā)生過程中 由于phyB的合成和光轉換 導致胚胎含有一些PfrB phyB調控的紅光對種子萌發(fā)的促進作用 可以促進日光條件下 紅光 遠紅光的比例很高 土壤表面的擬南芥種子進行萌發(fā) 2 phyA調控的高度光敏感應答反應 當浸濕的種子保存在完全黑暗的環(huán)境中 phyA突變體的光敏應答反應嚴重受損 遠紅光下光敏色素A發(fā)揮作用 浸濕的種子產生較高的光敏感性 是由于 在長期黑暗過程中 PrA大量富集 由于在整個光譜范圍內PrA都有光吸收 使得低流量的任何波長的光 即使少量的PrA轉變?yōu)镻frA 也可以促進萌發(fā) phyA調控的高度光敏感應答反應 也可以促進其他環(huán)境條件下的萌發(fā) 如 葉吸收紅光波長的效率 遠高于吸收遠紅光波長的效率 因此 樹蔭下的紅光和遠紅光波長的比率降低 這就阻止了phyB調控的萌發(fā)應答反應 一個或多個其他光穩(wěn)定型的光敏色素 phyC phyD和phyE 也調控萌發(fā)過程 赤霉素是種子萌發(fā)所必需的 2 赤霉素 例如 擬南芥ga1突變體不能合成赤霉素 甚至在光照下種子也不能萌發(fā) 但是外源施加赤霉素 可以誘導萌發(fā) 有強有力的證據證實 光敏色素是通過 對赤霉素的敏感性來影響種子的萌發(fā) 影響赤霉素的生物合成 種子萌發(fā)過程中 光敏色素和赤霉素的相互作用 Pfr形式的光敏色素通過增加GA4和GA4H基因的轉錄 從而增加赤霉素的合成 Pfr信號也增加種子對赤霉素的敏感性 6 2 1光誘導的萌發(fā)6 2 2幼苗黃化和光形態(tài)建成6 2 3向光性6 2 4開花的光周期調控 在持續(xù)的黑暗條件下 被子植物會黃化 etiolated 稱為暗形態(tài)建成 黃化是在土壤表面下萌發(fā)的一種適應 使莖迅速伸長 伸出土壤 形成鉤形芽 保護莖頂端分生組織 光照條件下生長的幼苗表現為光形態(tài)建成 photomorphogenesis 有時也稱為去黃化 廣譜的光照都可以誘導光形態(tài)建成 如 UV A 藍光 紅光或遠紅光照射后 幼苗都會去黃化 1 光形態(tài)建成的光受體 光受體突變體的表型表明 a 對紅光的應答需要phyB b 對遠紅光的應答需要phyA c 對UV A 藍光的應答需要cry1 持續(xù)的UV A 藍光 黑暗 光形態(tài)建成的受體 在連續(xù)紅光照射下 phyB是去黃化所必需的 phyA調控連續(xù)遠紅光照射引起的去黃化 cry1和cry2是UV A或藍光照射引起的完全去黃化所必需的 與cry2的光不穩(wěn)定性相一致 在低強度的藍光照射下 光形態(tài)建成是受cry1和cry2活性調控 但在高強度的藍光照射下則主要受cry1調控 光受體下游的信號傳導以兩種方式誘導光形態(tài)建成 2 光形態(tài)建成的負調控因子 第一是感受光后 下游的正調控因子可以激活光合作用的相關基因 第二是光誘導的信號傳導可以抑制光形態(tài)建成的負調控因子 cop det fus突變體 在持續(xù)黑暗條件下呈某種程度的光形態(tài)建成表型的擬南芥突變 用去黃化 de etiolated det 或者持續(xù)光形態(tài)建成 constitutivelyphotomorphogenic cop 來描述這種表型 在篩選紫色幼苗過程中 還發(fā)現了具有cop det表型的其他突變體 把這些突變體稱為fusca fus 紫色 d 在黑暗下 野生型幼苗黃化 光形態(tài)建成受到抑制 多效的cop det fus突變體在黑暗下有光形態(tài)建成的表型 表明COP DET FUS基因是在黑暗下抑制光形態(tài)建成所必需的 持續(xù)的UV A 藍光 黑暗 在黑暗下 COP1定位在細胞核中 它加速HY5轉錄因子的蛋白水解 因此核內的COP1非直接的抑制光誘導基因的表達 在光下 COP1定位在細胞質中 就不能加速HY5的水解 HY5促進光誘導基因的轉錄 COP1 COP9復合體和DET1之間的相互作用 是在黑暗下維持COP1定位在細胞核中所必需的 1 COP9復合體 一些COP DET FUS基因 編碼一個多亞基蛋白復合體 因為COP9是復合體中第一個得到鑒定的成員 因此稱為COP9復合體 在光照和黑暗環(huán)境下生長的幼苗中 主要定位于核內 抑制光形態(tài)建成 2 COP1 COP1不參與組成COP9復合體 是一個泛素 蛋白連接酶 將泛素連接到其他蛋白上 給他們貼上降解的標簽 COP1的細胞定位 在黑暗條件下COP1定位于細胞核 在光照條件下定位于細胞質 COP1的一個重要的靶蛋白是轉錄因子HY5 ELONGATEDHYPOCOTYL5 HY5可能促進光誘導基因的轉錄 HY5可能促進光誘導基因的轉錄 決定光形態(tài)建成的程度 3 HY5的活性至少受3種機制調控 第一 在光照條件下 HY5基因的轉錄速率比在黑暗條件下快 第二 在黑暗條件下 HY5蛋白發(fā)生磷酸化 降低該蛋白的活性 第三 在黑暗條件下 由于COP1對HY5的泛素化加快 HY5蛋白的半衰期縮短 在黑暗下 COP1定位在細胞核中 它加速HY5轉錄因子的蛋白水解 因此核內的COP1非直接的抑制光誘導基因的表達 在光下 COP1定位在細胞質中 就不能加速HY5的水解 HY5促進光誘導基因的轉錄 COP1 COP9復合體和DET1之間的相互作用 是在黑暗下維持COP1定位在細胞核中所必需的 6 2 1光誘導的萌發(fā)6 2 2幼苗黃化和光形態(tài)建成6 2 3向光性6 2 4開花的光周期調控 6 2植物對光的發(fā)育應答 1 根 莖和葉的向光性 phototropism 莖向光生長 根逆光生長 葉片有更復雜的向光反應 既影響葉片的位置 又影響葉片的方向 葉鑲嵌 葉方向 1 向光性中的光受體 2 向光性中的光感受和信號傳導 UV A和藍光可誘導產生最強的向光反應 這說明向光性主要是由藍光 UV A光受體調控 擬南芥nph1突變體在藍光下表現出極弱的向光性 這說明 NPH1主要調控向光反應 2 向光性中的信號傳導 擬南芥NPH3 RPT2基因的功能喪失突變 導致非向光性的表型 它們可能在向光反應的信號傳導中發(fā)揮作用 NPH1是一個光激活的蛋白激酶 吸收光后發(fā)生磷酸化 NPH3與RPT2蛋白具有磷酸化位點 因此 它們可能是NPH1磷酸化的目標 生長素信號傳導的突變體 如擬南芥nph4突變體 向光反應極大減弱 NPH4編碼一個生長素應答因子 它是一種應答生長素后調控基因轉錄的蛋白 3 向光反應需要生長素信號 單向光誘導生長素在胚芽鞘頂尖的橫向運輸 導致生長素在胚芽鞘的分布不均勻 引起細胞延伸速率發(fā)生改變 燕麥胚芽鞘向光性的Cholodny Went假說 6 2 1光誘導的萌發(fā)6 2 2幼苗黃化和光形態(tài)建成6 2 3向光性6 2 4開花的光周期調控 6 2植物對光的發(fā)育應答 日長 也就是光周期 photoperiod 是季節(jié)的指示牌 光周期調控廣泛的發(fā)育過程 芽的發(fā)育和休眠 莖的伸長 儲藏器官的形成 營養(yǎng)性再生 開花等 根據植物開花對光周期的不同要求 植物可分為3類 長日照植物 long dayplants LDPs 高于臨界長度的光周期可促進開花 如擬南芥 1 對光周期的要求 短日照植物 short dayplants SDPs 低于臨界長度的光周期可促進開花 如大豆 日照中性植物 day neutralplants 光周期不直接影響開花 如多數的煙草變種 根據長日照植物和短日照植物是否絕對需要光周期 可以進一步分類 長日照可促進擬南芥開花 但開花最終發(fā)生在短日照時期 因此 擬南芥屬于兼性 facultative 長日照植物 但是大豆只在短日照時期開花 因此大豆屬于專性 obligate 短日照植物 某些植物對光周期的應答太復雜 不屬于上述任何一類 2 光周期的測定和感受 1 光周期由夜的長度來測定 長于臨界長度的夜長促進短日照植物的開花 短于臨界長度的夜長促進長日照植物的開花 白天進行暗處理對開花的影響極小 而夜晚進行短期的光處理會抑制短日照植物 a 的開花 促進長日照植物 b 的開花 2 植物對夜長的感受部位為成熟葉片 3 擬南芥開花的光周期調控模型 1 調控光周期應答反應的光受體 擬南芥cry2和phyA突變體的光周期反應都有所減弱 而且在長日照條件下延遲開花 擬南芥光周期應答反應主要由cry2和phyA調控 擬南芥開花的光周期調控模型cry2和phyA吸收了光后 誘導光周期反應 2