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(diào)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(jié)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(diào)控 1 光敏色素的發(fā)現(xiàn) 6 1 2光敏色素 是從光可逆性 photoreversibility 現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)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(gòu)體形式及其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換 photoconversion Pr吸收光后 轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr形式 Pfr吸收光后可轉(zhuǎn)變?yōu)镻r Pr和Pfr的相互轉(zhuǎn)換Pr吸收光后 轉(zhuǎn)換為Pfr Pfr吸收光后 轉(zhuǎn)換為Pr 在一個不依賴于光的過程中 Pfr也可以轉(zhuǎn)換為Pr 該過程稱為暗逆轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)移到光下 phyA的濃度迅速下降 濃度的降低 部分是由于PrA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄 與之相反 在光下和暗處 PHYB基因轉(zhuǎn)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(zhì)中 但是紅光照射后 光敏色素從細胞質(zhì)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(zhuǎn)錄因子結(jié)合 調(diào)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(jié)合 是保守區(qū) C端與核或質(zhì)相通或蛋白質(zhì)相互作用有關 PHR的三維結(jié)構(gòu)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(jié)合 CRY1在黑暗下核中積累 依賴光的作用在質(zhì)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(zhì)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(diào)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(diào)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(diào)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(jīng)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(diào)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(zhuǎn)換 導致胚胎含有一些PfrB phyB調(diào)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(diào)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(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)镻frA 也可以促進萌發(fā) phyA調(diào)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(diào)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(diào)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(jù)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(zhuǎn)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(diào)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(xiàn)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(diào)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(diào)控 但在高強度的藍光照射下則主要受cry1調(diào)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(diào)控因子 第一是感受光后 下游的正調(diào)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(diào)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(xiàn)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(zhuǎn)錄因子的蛋白水解 因此核內(nèi)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(zhì)中 就不能加速HY5的水解 HY5促進光誘導基因的轉(zhuǎn)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(nèi) 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(zhì) COP1的一個重要的靶蛋白是轉(zhuǎn)錄因子HY5 ELONGATEDHYPOCOTYL5 HY5可能促進光誘導基因的轉(zhuǎn)錄 HY5可能促進光誘導基因的轉(zhuǎn)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(diào)控 第一 在光照條件下 HY5基因的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄因子的蛋白水解 因此核內(nèi)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(zhì)中 就不能加速HY5的水解 HY5促進光誘導基因的轉(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)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(diào)控 擬南芥nph1突變體在藍光下表現(xiàn)出極弱的向光性 這說明 NPH1主要調(diào)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(diào)控基因轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(jù)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(shù)的煙草變種 根據(jù)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(diào)控模型 1 調(diào)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(diào)控 擬南芥開花的光周期調(diào)控模型cry2和phyA吸收了光后 誘導光周期反應 2