植物蓝光受体：隐花色素与向光素

来源：BioArt植物

光不仅是植物光合作用的能量来源，也是调节植物生理活动的环境信号。几乎所有的植物都向着光源的一侧弯曲生长，被称为植物的向光性。1864年，科学家尤利乌斯·冯·萨克斯证明蓝光是诱导了植物的向光性，而其他颜色的光不能诱导植物的向光弯曲。这一结果说明植物中至少存在一种蓝光受体，但是并不清楚植物是用哪一部位“看到”蓝光的。

为了回答这个问题，查尔斯·达尔文父子用金丝雀虉草（图1）进行了经典的植物向光性实验。如图2所示，去掉茎尖或用不透光的锡箔罩住茎尖的植物都失去了向光性，而用透明玻璃罩住茎尖或锡箔遮住基部的植物仍向单侧光弯曲，因此达尔文父子认为植物用位于茎尖的“眼睛”看到光，然后将一种物质传递到植物中部，造成向光的一侧生长较慢，而背光一侧生长较快，最终导致弯曲【1】。达尔文将这种物质命名为“植物生长物质”，五十多年后被分离鉴定为吲哚乙酸，即生长素。生长素由茎尖的分生组织合成，在单侧蓝光照射下向背光侧运输，导致背光测生长速度快。

图1.金丝雀虉草（德国生物学家Otto Wilhelm Thomé的绘图）

图2.植物向光性实验（来源：网络）

20世纪50年代末期，感受红光和远红光的光敏色素已经被发现，蓝光受体的分离工作也被提上日程。各种可能的物质，如类胡萝卜素、叶黄素、蝶呤等被认为可能是蓝光受体，然后又被一一证伪。失败者之一是来自魏茨曼研究所的约拿丹·格雷瑟尔，他研究隐花（cryptogamic）植物（不开花的植物，如地衣、苔藓、藻类等）对蓝光的反应。因为蓝光受体一直在跟人类玩“隐蔽”（cryptic），格雷瑟尔一语双关，建议将其命名为“隐花色素”（cryptochrome）。

生物化家在分离蓝光受体的竞争中受挫，此时遗传学为蓝光受体的分离工作做好了准备。通常情况下，暗处的植物会努力长得高高的，以争取早日见到光明。如果一株植物因为基因突变而对蓝光“失明”了，它在蓝光照射后仍然长得又细又高，那么突变的基因参与植物对蓝光的响应。1980年，马尔滕·科尔恩内夫用化学诱变剂处理拟南芥的种子，然后检测幼苗对各种光的反应，发现一些突变体在强光下仍跟在暗处一样拥有细长的下胚轴，这些突变体被命名为 HY（elongated hypocotyl）【2】。在众多 HY 突变体中，编号为 HY4 的突变体在蓝光下长得高，但在红光下正常，说明 HY4 中突变的基因属于蓝光反应信号路径。直到1993年，HY4 基因才被克隆，HY4蛋白序列显示其氨基端是黄素蛋白，能够感知光信号；羧基端负责信号输出。因此，HY4蛋白正是科学家寻找了一个多世纪的蓝光受体——隐花色素，又被称为 CRY1（cryptochrome）【3】。后来，拟南芥中又发现了 CRY1 的同源蛋白 CRY2 和 CRY3。CRY1 负责植物对强蓝光的响应，CRY2 参与对弱蓝光的响应，二者的功能存在冗余。由于研究较少，还不太清楚 CRY3 的功能。

在拟南芥中表达隐花色素的羧基端结构域（CRY C-terminal domain, CCT）引起导致组成型光形态建成（constitutive photomorphogenic, COP ）的表型（图3）【4】。黑暗条件下植物中的CRY以单体形式存在，蓝光能够促进 CRY 形成有活性的二聚体，其 CCT 与 COP1 蛋白相互作用，抑制 COP1 的活性，从而影响植物的光形态建成【5，6】。

图3. 在拟南芥表达CCT1引起组成型光形态建成【4】。

令人吃惊的是，CRY 基因并不是植物独有的，在人、小鼠、果蝇等动物及细菌、真菌中也发现了 CRY 基因，也就是说，隐花色素 CRY 说广泛存在于真核生物中的蓝光受体。分析 CRY 蛋白的氨基酸序列发现，氨基端结构域与光依赖的 DNA 光裂解酶修饰，但并不具有DNA修复活性。据此猜测 CRY 极有可能是由 DNA 光裂解酶进化而来的。动物体内的 CRY 蛋白不仅参与调控生物钟，而且具有“量子指南针”的作用，在鸟类和蝴蝶迁徙帮助感应地球磁场，辨别方向【7】。

由于隐花色素并不参与蓝光诱导植物弯曲生长，所以植物中另有蓝光受体调控向光性反应。斯坦福大学卡耐基研究院植物研究所 Winslow  Briggs 教授长期从事植物对光应答的生理机制的研究，是光受体系统研究领域的开创者。1988年，Briggs 教授实验室在豌豆黄化苗生长区分离到一个120 kD 质膜蛋白，这个质膜蛋白能够在蓝光照射下发生磷酸化作用【8】。而缺乏向光性反应的拟南芥突变体 nph1(nonphototropic hypocotyls) 中几乎检测不到这种蛋白，说明突变体nph1 的突变基因很可能就是梦寐以求的控制向光性反应的蓝光受体。10年后，NPH1 基因被克隆，该基因编码的蛋白质PHOT1（phototropin）能够与黄素单核苷酸（Flavin mononucleotide，FMN）非共价结合，具有蛋白激酶结构域 (图3)，在蓝光照射下能够发生磷酸化作用（图4）【9】。

图4. 蓝光诱导NPH1发生磷酸化作用【9】

除了感受红光和远红光的光敏色素，已经感受蓝光和近紫外光的隐花色素、向光素外，植物中还存在感受紫外光B的受体蛋白（图5）。但由于对紫外光B受体研究较少，此处不再介绍。光敏色素和隐花色素存在着蛋白相互作用，其下游信号路径上也存在交叉，二者一起调控着植物的生物节律，影响植物的生长发育。

图5. 光信号和光受体【10】

参考文献

【1】Darwin, C. (1881). The Power of Movement in Plants. New York: D. Appleton and Company.

【2】Koornneef, M., Rolff, E., and Spruit, C. J. P. (1980). Genetic control of light-inhibited hypocotyl elongation in Arabidopsis thaliana. Z Pflanzenphysiol 100:147–160.

【3】Ahmad, M. and Cashmore, A. R. （1993）. HY4 gene of A. thaliana encodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor. Nature 366(6451): 162-166.

【4】Yang, H. Q., Wu, Y. J., Tang, R. H., Liu, D., Liu, Y., and Cashmore, A. R. (2000). The C termini of Arabidopsis cryptochromes mediate a constitutive light response. Cell 103: 815-827.

【5】Wang, H. Y., Ma, L. G., Li, J. M., Zhao, H. Y., Deng, X. W. (2001). Direct interaction of Arabidopsis cryptochromes with cop1 in light control development. Science, 294(5540), 154-158.

【6】Sang, Y., Li, Q.H., Rubio, V., Zhang, Y. C., Mao, J., Deng, X. W., and Yang, H. Q. (2005). N-Terminal domain-mediated homodimerization is required for photoreceptor activity of Arabidopsis CRYPTOCHROME 1. Plant Cell 17: 1569-1584.

【7】Ritz, T., Adem, S., and Schulten, K. (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophysical Journal, 78(2), 707-718.

【8】Gallagher, S., Short, T. W., Ray, P. M., Pratt, L. H., and Briggs, W. R. (1988). Light-mediated changes in two proteins found associated with plasma membrane fractions from pea stem ps. PNAS, 85(21), 8003-8007.

【9】Christie, J. M., P. Reymond, G. Powell, P. Bernasconi, Andrei A. Reibekas, E. Liscum, and W. R. Briggs. (1998). Arabidopsis NPH1: a flavoprotein with the properties of a photoreceptor for phototropism. Science 282: 1698-1701. 

【10】Jiao, Y. L.，Lau，O. S., and Deng, X. W. (2007). Light-regulated transcriptional networks in higher plants. Nature Reviews Genetics, 8(3), 217-230.