植物向光素的研究进展 学生：钱善勤 导师：王 忠 专业：植物学

光是对植物调控作用最广泛、最明显的环境因子。光作为环境信号，对植物的器官发生、形态建成、向性运动等方面都有深刻的影响。

蓝光反应是植物光形态建成的重要反应 向光素是蓝光反应的重要光受体 它所介导的蓝光反应有: 蓝光反应是植物光形态建成的重要反应 向光素是蓝光反应的重要光受体 它所介导的蓝光反应有: 植物的向光性 叶绿体移动 气孔开放等反应

植物的蓝光反应一般包括三个基本步骤： （1）刺激感受（stimuli perception），即植物体感受细胞中的光受体接受单方向的光信号刺激； （2）信号转导（signal transduction），感受细胞把光信号刺激转化为物理或化学的信号； （3）运动反应（motor response），生长器官接受物理或化学的信号后，发生物理或生化反应，从而引发相应的生长反应。

1 向光素的分子性质 1988年，Gallagher等首先报道了蓝光能够激发豌豆黄化苗生长区一个120kD质膜蛋白的磷酸化作用。 1995年，Liscum和Briggs发现了一个遗传位点，将其命名为NPH1(nonphototropic hypocotyl 1)，这个位点编码了拟南芥中对向光性反应十分重要的质膜相关蛋白，而拟南芥向光性突变体JK224就是在NPH1位点发生了突变。 编码这种120kD蛋白的基因是从拟南芥的向光性突变体nph1（nonphototropic hypocotyls 1）中克隆出来的。

现在人们已经在很多植物，如拟南芥，水稻，玉米以及燕麦等植物中发现编码向光素的基因，主要有PHOT1和PHOT2（以前称为NPH1和NPL1）。

向光素phot1与phot2的蛋白分子可以分为两个重要的多肽区域： N末端具有两个LOV（light, oxygen, voltage）感受区域，LOV1与LOV2，它们是FMN的结合位点 C末端具有一个Ser/Thr蛋白激酶区域。

Sakamoto等采用phot1-GFP(绿色荧光蛋白)融合蛋白对拟南芥进行转基因处理发现：

Nozue等在铁线蕨（蕨类植物）（Adiantum）中发现了一种编码光敏色素―向光素杂交蛋白的基因PHY3。 PHY3蛋白含有一个与光敏色素生色团结合区域相似的N末端以及一个与全长度向光素相似的C末端区域。 PHY3不仅能够结合吸收红光/远红光生色团的前体藻胆青素，而且能够结合吸收蓝光/UV-A的生色团FMN。 与蓝光诱导拟南芥向光性反应所不同的是铁线蕨的配子体和孢子体的向光性能够被蓝光和红光诱导，同时表明PHY3是铁线蕨向光性反应的光受体。

2 向光素介导的蓝光反应 向光素是介导植物向光性，叶绿体移动，气孔开放运动等反应的蓝光受体。 胚芽鞘向光弯曲是为了增加子叶的光合反应，而根系的背光生长是为了保证其生长在土壤中以吸收水分和营养。 弱光下，叶绿体向光照方向移动以增加质子的获得量，但在强光下便会移开以避免光伤害。 气孔，会根据光的刺激来对气孔进行调节，白天气孔张开以进行气体交换，而在夜间关闭以减少水分的散失。

除了在胚轴向光性反应中的作用phot1同时也调节了根系的向光性反应。 在拟南芥根系不具有负向光性的突变体rpt中发现一种rpt突变体，rpt1(nph1/phot1的等位基因)，且拟南芥的phot1和rpt突变体在高光强和低光强蓝光照射下，都不表现向光性反应。

2.2 向光素与叶绿体移动反应 植物叶片中的叶绿体会随着所受光强的变化而改变其在细胞中的位置，在强光下，它从细胞表面移动到细胞壁以避免强光的伤害，同时在弱光下，它聚集在细胞的表面以增加光吸收来维持其光合作用所需的光能。

Kasahara等在研究高光强下叶绿体移动反应实验中采用了四种类型的拟南芥，WT，phot2-1,phot1-5与chup1-2 (chloroplast unusual positioning)突变体。 野生型与phot1-5突变体中叶绿体发生移动，而phot2-1和chup1-2突变体中则不发生反应，phot2-1突变体的叶绿体仍位于细胞表面，chup1-2仍位于细胞的底部。 另外，采用1，400μmol m–2 s-1的强光对这几种拟南芥照射处理时发现光照10小时后突变体phot2-1,chup1-2便开始褪色，22小时后便严重褪色以至坏死。而野生型与phot1-5突变体却忍耐住31小时的光照处理phot1-5与WT在处理后几天内便能恢复，phot2-1与chup1-2却无法恢复了。从而kasahara认为phot2(以前称npl1)时调控叶绿体的移动反应。

2.3 气孔开放运动 气孔开放是一种典型的蓝光反应。调节气孔的蓝光受体位于保卫细胞中。 Kinoshita和Shimazaki研究发现在气孔开放的蓝光反应中，气孔保卫细胞的形状和体积控制了气孔的大小。在光下保卫细胞中的盐浓度升高，导致水分输入和保卫细胞膨胀以及气孔器开放。 Schroeder等认为蓝光诱导了其中的质膜H+－ATP酶的磷酸化作用，H+－ATP酶的作用提高了跨质膜内部的负的电势梯度，这个电势梯度驱动了电压调控的K+通道，导致了钾盐在保卫细胞内的积累，最终导致气孔开放。

向光素是一种质膜光依赖型蛋白激酶，因此向光素极有可能参与蓝光诱导的H+－ATP酶的磷酸化作用，而且在phot1phot2双突变体中就未出现蓝光诱导的H+－ATP酶活力的表现，可能就是由于缺少向光素激酶。 在红光背景下用高光强蓝光照射拟南芥phot1phot2双突变体时，并没有出现气孔开放反应。而在phot1或phot2的单基因突变体中，气孔开放反应的表现是正常的，phot1和phot2似乎均可以单独调节气孔开放反应。

3 向光素蓝光反应的机理 3.1向光素的光化学反应 人们发现在向光素蓝光反应过程中，LOV区域经历了一个FMN－半胱氨酸加合物形成和分解的光循环反应，同时还伴随着对蓝光吸收作用的降低和恢复的反应。 研究发现NPH3和RPT2是向光素反应中两种重要的蛋白，NPH3可能是向光素的作用底物，且NPH3作用的遗传途径与phot1相同。 RPT2基因编码了一个类似NPH3的蛋白。

3.2 向光素信号传导与生长素的关系 有研究发现向光素下游的转录因子是生长素应答因子NPH4/ARF7. 拟南芥nph4突变体最初是从无向光性拟南芥突变体中分离中出来的，研究显示nph4的突变不仅影响向光性，而且还影响向重性生长素拮抗生长，生长素调节的基因表达。 但与nph1不同的nph4的向光性反应可以被乙烯所抑制，从而显示了NPH4基因在激素作用中的作用。NPH4基因编码了一个生长素应答因子ARF7，ARF7是属于ARF一类型转录因子家族的，它们参与生长素反应并被生长素所调控。

3.3 向光素信号传导与Ca2+的关系 Harada等在研究蓝光对细胞质中Ca2+的诱导作用中，采用拟南芥野生型植株，phot1突变体，phot2突变体以及表达Ca2+敏感性的荧光蛋白水孔素的phot1 phot2双突变体植株，发现蓝光诱导了的其叶片细胞质中自由Ca2+水平暂时上升。 而且phot1和phot2具有不同光敏感性，phot1在低光强（0.1-50μmol m-2 s-1）下提高细胞质中的Ca2+水平，而phot2则在高光强（1－250μmol m-2 s-1）下提高细胞质中Ca2+水平。

从而显示了phot1和phot2可以通过不同的方式调节了细胞质中自由Ca2+水平的增加。 另又发现phot1和phot2都能够通过质膜中的Ca2+的输入，而单一的phot2仅能够诱导磷脂酶C调节的磷酸肌醇信号反应，它能够导致Ca2+从内部Ca2+库中释放。 从而显示了phot1和phot2可以通过不同的方式调节了细胞质中自由Ca2+水平的增加。 InsP3 1,4,5-三磷酸肌醇 CICR－Ca2+ induced Ca2+ release Ca2+ 诱导Ca2+释放

向光素可能在接受蓝光信号之后催化不同组织中的不同质膜蛋白的蓝光依赖的磷酸化作用。 保卫细胞中H+—ATP酶的磷酸化作用 叶片细胞中离子载体⁄离子通道蛋白磷酸化作用 茎细胞中的生长素载体的磷酸化作用 从而导致植物胚芽鞘或地上部分的向光弯曲反应，叶绿体的移动以及气孔开放运动。 近几年科学工作者已经在向光素信号传导的机理方面取得了很大的进展，但同时也发现了很多新的问题，还需要进行进一步的研究。

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