光形態(tài)建成

1、1,第九章 光形態(tài)建成,教學目標 1. 了解植物光形態(tài)建成、光敏色素、隱花色素等基本概念。 2. 了解光敏色素基本性質與生理作用。,2,光對植物的影響： （1）光合作用，為高能反應，具有光能與化學能的轉化。 （2）調節(jié)植物生長發(fā)育，低能反應，無能量轉化。光形態(tài)建成： 由光控制植物生長、發(fā)育和分化的過程。光形態(tài)建成的光受體： 光敏素，隱花色素（紫外光-A受體），紫外光B-受體,3,4,1 植物光形態(tài)建

2、成與暗形態(tài)建成的概念1.1 植物光形態(tài)建成（photomorphogenesis） 植物依賴光來控制細胞的分化、結構和功能的改變，最終匯集成組織和器官的建成，即以光控制植物發(fā)育的過程。1.2 植物暗形態(tài)建成（skotomorphogenesis） 植物在暗中生長所呈現(xiàn)的各種黃化特征、莖細而長、頂端呈鉤狀彎曲、葉片偏小等現(xiàn)象。,5,光形態(tài)建成 由低能量光所調節(jié)的植物生長發(fā)育過程稱為光形

3、態(tài)建成，或稱光形態(tài)發(fā)生。光在光形態(tài)建成中的作用是信號作用。,6,A: 暗下 B：4-10分鐘照光/天,7,植物的光感受系統(tǒng)（光受體）目前已知的植物光感受系統(tǒng)成員有：1）光敏色素(phytochrome) ：感受紅光和遠紅光區(qū)域的光（650-740nm）2）隱花色素(藍光、近紫外光受體，blue/UV-A photoreceptor) ：感受藍光（450-500nm）和近紫外光區(qū)域（320-400nm

4、）的光3）紫外光-B（UV-B）受體：感受紫外光B區(qū)域（280-320nm）的光,8,一、光敏色素的發(fā)現(xiàn) Borthwick和Hendricks（1952）的試驗,第一節(jié) 光敏色素的發(fā)現(xiàn)、分布和性質,9,紅光和遠紅光對萵苣種子萌發(fā)的控制,10,光、暗條件下生長的馬鈴薯幼苗A:黑暗中生長的幼苗B:光下生長的幼苗1～8指莖上的節(jié)的順序,光敏素控制的四季豆幼苗發(fā)育A：連續(xù)黑暗中；B：2分鐘紅光照射C：2分鐘紅光

5、5分鐘遠紅光；D：5分鐘遠紅光,11,12,光敏色素,光控制植物生長、發(fā)育和分化的過程稱為光形態(tài)建成。 紅光和紅外光可以決定光形態(tài)建成改變，其光受體是光敏色素。,光敏色素是植物體中一種對光照敏感的物質，它是一種色素蛋白質， 紅光（660nm）能有效地抑制短日植物開花，誘導長日植物開花，紅外光(730nm)正好相反。這兩種光波能互相消除影響。,13,二、光敏色素的分布,黃化幼苗中含量比綠色幼苗高10-100倍禾本科植物的胚芽鞘尖端，黃

6、化豌豆幼苗的彎鉤，各種植物的分生組織和根尖等部分含量較多一般來說，蛋白質豐富的分生組織中含有較多的光敏素在細胞中，光敏色素主要分布在膜系統(tǒng)、細胞質和細胞核中。,14,是一種易溶于水的色素蛋白，相對分子量為2.5×105。是由2個亞基組成的二聚體，每個亞基有兩個組成部分：生色團（具有獨特的吸光特性）和脫輔基蛋白。脫輔基蛋白：120-127KD，生色團：長鏈狀的四個吡咯環(huán)，有兩種構型：

7、 Pr Pfr (藍色) （藍綠色） Pr：紅光吸收型，吸收峰在664nm，無生理活性Pfr：遠紅光吸收型，吸收峰在730nm，有生理活性,三、光敏色素的化學性質及光化學轉換,（一）光敏色素的化學性質,15,光敏色素Pr與Pfr的吸收光譜,16,Pr,Pfr,,,,生理效應,紅光660nm,遠紅光730nm,,,,黑暗,綠藻、紅藻、地衣、苔蘚、蕨類、裸子植

8、物和被子植物中許多生理現(xiàn)象都和光敏色素的調控有關。真菌沒有光敏色素，另有隱花色素吸收藍光進行形態(tài)建設。在植物進化的歷史長河中，吸收隱花色素的植物種類逐漸減少，而吸收光敏色素的植物種類逐漸增加，所以光敏色素在進化過程中的意義越來越大。,光化學轉換,17,,660nm,730nm,紅光照射,遠紅光照射,光敏色素不吸收綠光,故綠光為安全光,,18,光敏色素的生物合成,光敏色素的Pr型是在黑暗條件下進行生物合成的，其合成過程可能類似于脫植基葉

9、綠素的合成過程，因為二者都具有四個吡咯環(huán)。生色團在質體中合成后就被運送至胞質溶膠，與脫輔基蛋白裝配形成光敏色素全蛋白。,19,光敏色素的合成,光敏色素生色團與脫輔基蛋白的合成與裝配,20,光敏色素的生色基團結構,在Pr和 Pfr相互轉換時，生色團吸光后，構象發(fā)生變化，然后帶動脫輔基蛋白構象變化。,21,光敏色素蛋白質的基因是多基因家族。不同基因編碼的蛋白質有各自不同的時間、空間分布，有不同的生理功能。 光敏色素蛋白質

10、有不同的功能區(qū)域，N末端是與生色團連接的區(qū)域，與光敏色素的光化學特性有關。C末端與信號轉導有關，兩個蛋白質單體的相互連接也發(fā)生在C 端。,（二）光敏色素基因和分子多型性,22,1. 光敏素的種類光不穩(wěn)定型（Ⅰ型）：主存在黃化苗中光穩(wěn)定型（Ⅱ型）：主存在綠色組織中2. 編碼光敏素的基因擬南芥為例：PHYA PHYB PHYC PHYD PHYE 。 PHYA編碼Ⅰ型， PHYB-PHYE編碼Ⅱ型。擬南芥PHYA的表達受光的

11、負調節(jié)，在光下mRNA合成受到抑制。而其余4種基因表達不受光的影響，屬于組成性表達。,23,三、光敏色素的光化學轉換 在活體中，這兩種類型的光敏色素是平衡的。這種平衡決定于光源的光波成分。 總光敏色素Ptot = Pr + Pfr 光穩(wěn)定平衡 ? = [Pfr] / [Ptot] 不同波長的紅光和遠紅光可組合成不同的混合光，能得到各種?值。

12、 在自然條件下，決定植物光反應的?值為0.01~ 0.05 時就可以引起很顯著的生理變化。,Pr與Pfr之間的轉變包括幾個毫秒至微秒的中間反應。在這些轉變過程中，包括光化學反應和黑暗反應。 Pr比較穩(wěn)定，Pfr比較不穩(wěn)定。在黑暗條件下，Pfr會逆轉為Pr，降低Pfr濃度。Pfr也會被蛋白酶降解。Pfr的半衰期為20 min到4h。,24,光敏色素的吸收光譜,25,Pr與Pfr轉變過程中，包括光反應和黑暗反應。光化學反應局限于生色

13、團，黑暗反應只有在含水條件下才能發(fā)生。 所以干燥種子沒有光敏色素反應，而用水浸泡過的種子有光敏色素反應。,前體,Pr,Pfr,[X],,Pfr·X,,生理反應,,破壞,暗逆轉,26,第二節(jié)光敏色素的生理作用和反應類型,一、光敏色素的生理作用,光敏色素的生理作用甚為廣泛，它影響植物一生的形態(tài)建成，從種子萌發(fā)到開花、結果及衰老。,27,光敏色素和植物激素 植物的光形態(tài)建成是由體內和體外的多因子決

14、定的。光照是最重要的體外調節(jié)因子，而植物激素可能是最重要的體內調節(jié)因子。植物激素在光形態(tài)建成中的作用，有時是中間調節(jié)物質，有時與光協(xié)同起作用。⒈紅光處理可使植物體內自由IAA 含量減少。⒉光敏色素可能調節(jié)GA的生物合成或影響植物對GA的敏感性。⒊紅光刺激CK含量提高。⒋紅光抑制Eth生物合成，遠紅光促進Eth生物合成。⒌紅光對ABA含量的影響研究不多。,28,棚田效應指離體綠豆根尖在紅光下誘導膜產(chǎn)生少量正電荷，所以能粘附在帶負

15、電荷的玻璃表面，而遠紅光照射則逆轉這種粘附現(xiàn)象。,29,二、光敏色素的反應類型,（1）對光照的需求：1～100nmol/m2，Φ＝0.02（2）刺激反應：燕麥芽鞘的伸長，刺激擬南芥種子萌發(fā)等。（3）反應程度＝光輻照度×光照時間，增加光照時間可以減少照光時間。（4）紅光反應不能被遠紅光逆轉。,（一）極低輻照度反應,30,（1）對光照的需求：1～1000μmol/m2，典型紅－遠紅光反應。（2）刺激反應：萵苣種子萌發(fā)，轉板

16、藻葉綠體運動。（3）未達到光飽和時，反應程度＝光輻照度×光照時間（4）短暫紅光可以引起反應，并可以被隨后的遠紅光逆轉。,（二）低輻照度反應,31,快反應是指從吸收光量子到誘導出形態(tài)變化的反應迅速，以分秒計。 如含羞草、合歡葉片運動、轉板藻葉綠體運動和棚田效應。,32,（三）高輻照度反應,（1）對光照的需求：大約是低輻照度的100倍以上。（2）刺激反應：花青素合成，萵苣下胚軸延長，開花誘導。（3）反應

17、程度 ∝ 光輻照度×光照時間（4）紅光反應不能被遠紅光逆轉。,33,對光下生長的植物來說，光敏色素還作為環(huán)境中紅光：遠紅光比率的感受器，傳遞不同光質、不同照光時間的信息，調節(jié)植物的發(fā)育。例如，植物葉片含有葉綠素而吸收紅光，透過或反射遠紅光。當植物受到周圍植物的遮陰時，R:FR值變小，陽生植物在這樣的條件下，莖向上伸長速度加快，以獲取更多的陽光，這就叫做避陰反應（shade avoidance response）。,34,1）

18、膜假說：認為光敏色素可迅速改變膜的透性。該假說可解釋光敏色素的快反應（指從吸收光量子到誘導出形態(tài)變化的反應迅速到以分秒計，如含羞草的葉片運動）。2）基因調節(jié)假說：認為光敏色素可調節(jié)特定基因的轉錄與翻譯而得到特殊蛋白質（酶），最后表現(xiàn)出形態(tài)建成。該假說可解釋光敏色素的慢反應（指光量子通過光敏色素調節(jié)生長發(fā)育的速度，包括酶誘導和蛋白質合成，反應緩慢，以小時和天數(shù)計，如紅光對種子萌發(fā)的促進作用）。,第三節(jié) 光敏色素的作用機理,35,對光

19、敏色素作用機理的認識是一個逐步深入和完善的過程。早先認為，生理激活型的Pfr一旦形成，即和某些物質（X）反應，生成Pfr?X復合物，最終引起生理反應。而對X的性質卻不清楚。近年來的研究證明，光敏色素是蘇氨酸/絲氨酸激酶，具有不同的功能區(qū)域，N末端是與生色團連接的區(qū)域，與決定光敏色素的光化學特性有關，phyA、phyB的特異性也在此區(qū)域表現(xiàn)出來。 C末端與信號轉導有關，兩個蛋白質單體的相互連接也發(fā)生在C端。接受光刺激后， N末端的蘇氨酸殘

20、基發(fā)生磷酸化而被激活，接著將信號傳遞給下游的X組分。 X組分有多種類型，所引起的信號傳遞途徑也不相同。,36,生色團,,,,絲氨酸 激酶區(qū)域,,,,,絲氨酸 激酶區(qū)域,,,,,生色團,生色團,,,H2N,COOH,,,,H2N,,COOH,,光敏色素,,,X,,X,,P,,ATP,,,,,,P,,,,,,紅光,37,1

21、、膜假說（1967，Hendricks）--解釋快反應 光敏色素與膜結合，從而改變膜的透性。當發(fā)生光轉換時，跨膜的離子流動和膜上酶的分布都會發(fā)生改變，影響代謝，經(jīng)過一系列的生理生化變化，最終表現(xiàn)出形態(tài)建成的改變。 在光敏色素調節(jié)快速反應中，有胞內CaM的活化和Ca2+濃度的升高。,38,光敏色素控制鈣離子在轉板藻細胞內快速變化,照射紅光后 30min，45Ca2+ 積累速度增加 2~10 倍 ，跟著照射

22、 30 S 遠紅光 ，這個效應就全部逆轉。,轉板藻受光照射后信號轉導的途徑 :紅光→ Pfr增多→跨膜 Ca2+流動 →細胞質中 Ca2+增加 →鈣調蛋白活化→肌動球蛋白輕鏈激酶活化→肌動蛋白收縮運動 →葉綠體轉動,39,接受紅光后，Pfr型經(jīng)過一系列過程，將信號轉移到基因，活化或抑制某些特定基因，形成特定的mRNA，翻譯成特定的蛋白質。 光敏色素調節(jié)基因的表達發(fā)生在轉錄水平。,2、基因調節(jié)假說（1966，Mohr）--

23、解釋慢反應,40,基因調節(jié)假說 認為光敏色素對光形態(tài)建成的作用，是通過調節(jié)基因表達來實現(xiàn)的。一般認為光敏色素調控的長期反應（慢反應）與基因表達有關。 慢反應是指光量子通過光敏色素調節(jié)生長發(fā)育的速度，包括酶誘導和蛋白質合成，反應緩慢，以小時和天數(shù)計。 如Rubisco小亞基、葉綠素a/b脫輔基蛋白、RNA聚合酶和硝酸還原酶等的合成。 基因的活化或抑制

24、是以被束縛于基因啟動子區(qū)的順式作用元件的轉錄因子為中介，通過Ca2+、鈣調素和G蛋白等信號與光敏色素作用相連，最終產(chǎn)生光形態(tài)建成的變化。,41,慢反應的基因表達,目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一系列在光敏色素下游的信號組分。首先，紅光分別使光敏色素A和光敏色素B由生理失活型轉變?yōu)樯砑せ钚蚉frA和PfrB，它們發(fā)生自身的磷酸化后，PfrA可將胞質溶膠中的靶蛋白PSK1磷酸化，也可以進入細胞核。在核內，通過兩條途徑調節(jié)基因的表達：一是直接參與光調控的基

25、因表達，二是通過下游的信號組分SPA1起作用。鄧興旺等人（1991）利用在黑暗中表現(xiàn)光形態(tài)建成反應的擬南芥cop和det突變體，克隆了第一個光形態(tài)建成的負調控因子COP1，也稱為DET，后發(fā)現(xiàn)它們的基因位點共有11個，被稱為多效性COP/DET/FUS位點。它們的基因產(chǎn)物是控制植物光形態(tài)建成和暗形態(tài)建成的主要分子開關。在暗中，COP1進入細胞核，與光形態(tài)建成的正調節(jié)因子HY5結合，使HY5被降解而無法啟動光形態(tài)建成反應；而在光下，SPA

26、1可以與COP1發(fā)生相互作用，將COP1運送到胞質溶膠中去，使之失活，HY5啟動光形態(tài)建成反應。HY5在暗中的降解失活，也與COP/DET/FUS蛋白體復合物的作用有關。,42,PfrB可以直接進入細胞核，在核內與下游的轉錄因子PIF3結合，啟動光反應基因的表達。PrfB也可以通過激活NDPK2來調節(jié)基因的表達。此外，PfrB還可能與PfrA一樣，進入核后，直接調控基因表達。PfrA和PfrB都可能與G蛋白發(fā)生相互作用，通過cGMP、

27、Ca2+和CaM等第二信使，激活核中的轉錄因子，從而調節(jié)基因的表達,43,第四節(jié) 藍光和紫外光的反應,植物和真菌的許多反應都受藍光(B)（400-500nm）和紫外光(UV)調控。UV可分為UV－C(200－280nm)，UV-B(280-320nm)和UV-A(320-400nm)。藍光反應的有效波長是藍光（B）和近紫外光（長于300nm的紫外光）；藍光受體稱藍光/近紫外光受體（blue/UV-A receptor），有隱花色素(cr

28、yptochrome)和向光素（Phototropin）兩種。,44,藻類、真菌、蕨類和種子植物都有藍光反應（blue-light response）。高等植物典型的藍光反應包括向光反應 (見第十一章)、抑制莖伸長、促進花色素苷積累、促進氣孔開放以及調節(jié)基因的表達。藍光反應的作用光譜特征如圖9-13，在400-500 nm區(qū)域內呈“三指”狀態(tài)，這是區(qū)別藍光反應與其他光反應的標準。,45,藍光受體的研究近年來有很大進展。人們對藍光抑制擬南

29、芥莖伸長反應的研究中，發(fā)現(xiàn)了隱花色素，林辰濤等人的研究（1995）證明，隱花色素的生色團可能是黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和蝶呤（pterin）。編碼蛋白的基因是多基因家族，如蕨類和苔蘚植物有至少5個隱花色素基因，而擬南芥有2個隱花色素基因。隱花色素除了調節(jié)藍光誘導的莖伸長抑制，還參與其它的幼苗去黃化反應、開花的光周期調節(jié)、生理鐘以及花色素苷合成酶基因表達調節(jié)等。向光素是在研究植物的向光反應中被發(fā)現(xiàn)的，向光素的生色團是黃素單核苷酸（F

30、MN）。擬南芥、水稻中至少有2個向光素基因。向光素主要調節(jié)植物的運動如向光反應、氣孔運動以及葉綠體運動等。對藍光反應作用機理的研究表明，藍光受體下游的組分也是多元化的，向光素本身具有激酶的性質，隱花色素也具有磷酸化的作用。林辰濤實驗室發(fā)現(xiàn)了一個鈣結合蛋白SUB1（short under blue light 1），它能夠抑制HY5的功能，位于隱花色素和光敏色素的下游。在調節(jié)植物光形態(tài)建成反應中，光受體之間具有相互作用，例如光敏色素和隱

31、花色素共同調節(jié)幼苗去黃化反應和光周期反應等；光受體和植物激素之間也存在著相互作用。,46,一、藍光反應（blue-light responses）,藻類、真菌、蕨類和種子植物均有藍光反應. 　真菌的光形態(tài)建成反應主要受藍光和紫外光誘導?！「叩戎参锸芩{光/近紫外光調節(jié)的反應主要有向光性（phototropism）,幼莖伸長的抑制，刺激氣孔張開，調節(jié)基因表達。,47,藍光反應,藍光可使褐藻中的萱藻平面地生長，而紅光則誘導絲狀生長，在藍光

32、下正常發(fā)育，形成心形原葉體，而紅光下則縱向生長成綠色的絲狀體。真菌的光形態(tài)建成反應主要受藍光和紫外光誘導。隱花色素的作用光譜的特征是：在近紫外光350～380nm波段有一尖峰，在藍光部分有三個峰組成的寬闊的峰，其最大值在440～460nm，在480nm有一“陡肩”，420nm有一可分辨的“小肩”。,48,二、紫外光反應,紫外光-B對植物的整個生長發(fā)育和代謝都有影響，其受體還不清楚。一些作物如小麥、大豆、玉米等在紫外光-B照射下，植株

33、矮化，葉面積減小，導致干物質積累下降。紫外光-B使大豆的某些品種光合作用下降，主要引起氣孔關閉，葉綠體結構破壞，葉綠素及類胡蘿卜素含量下降，Hill反應下降，光系統(tǒng)II電子傳遞受影響等。紫外光-B照射還引起類黃酮、花色素苷等色素合成增加，抗紫外光色素的傷害。,49,光對植物生長的影響 ※,間接作用（1）光合作用合成的有機物是植物生長的物質基礎。（2）光合作用轉化的化學能是植物生長的能量來源。（3）加速蒸騰，促進有機物運輸。

34、,1、光強對植物生長的影響,,,間接作用,直接作用,50,,（1）、光抑制莖的生長,直接作用：,a、光照使自由IAA轉變?yōu)榻Y合態(tài)IAA。 b、光照提高IAA氧化E 活性，加速IAA的分解。,原因：,51,,,,,（2）、光抑制多種作物根的生長 光可能促進根內形成ABA，或增加ABA活性。,（3）、光形態(tài)建成 (光控制植物生長、發(fā)育與分化的過程),如黃化現(xiàn)象,紅光下，Pfr水平高，不黃化；暗中Pfr轉變?yōu)镻r，植物黃化

35、。,,,52,,,,2、光質對植物生長的影響 紅光、藍紫光抑制植物生長,紫外光抑制作用更明顯。 原因：紅光增加細胞質 [Ca2+]，活化CaM，分泌Ca2+到細胞壁，細胞伸長受到抑制。,53,,,高山上的樹木為什么比平地生長的矮小？,a、高山上云霧稀薄，光照較強，強光特別是紫外光抑制植物生長 b、高山上水分較少；土壤較貧瘠；氣溫較低；且風力較大，這些因素不利于樹木縱向生長。,54,作業(yè),1、如何用試驗證明

36、植物的某一生理過程與光敏色素有關？2、光敏色素是如何調節(jié)基因表達的？,55,參考答案,1、答：光敏色素有紅光吸收型Pr和遠紅光吸收型Pfr兩種存在形式，這兩種形式可在紅光和遠紅光照射下發(fā)生可逆反應，互相轉化。依據(jù)這一特征，可用紅光與遠紅光交替照射的方法，觀察其所引起的生理反應，從而判斷某一生理過各是否有光敏色素參與。例如萵苣種子的萌發(fā)需要光，當用660nm的紅光照射時促進種子萌發(fā)，而用725nm的遠紅光照射時，則抑制萌發(fā)，當紅光照射后

37、再照以遠紅光，則紅光的效果被消除，當用紅光和遠紅光交替照射時，種子的萌發(fā)狀況決定于最后照射的是紅光還是遠紅光，前者促進萌發(fā)，后者抑制萌發(fā)。2、答：紅光分別使光敏色素A和光敏色素B由生理失活型轉變?yōu)樯砑せ钚蚉frA和PfrB，它們發(fā)生的磷酸化后，PfrA可將胞質溶膠中的靶蛋白PSK1磷酸化，也可以進入細胞核，在核內通過兩條途徑調節(jié)基因的表達：一是直接參與光調控的基因表達；二是通過下游的信號組分SPA1起作用。PfrB可以直接進入細胞核