Abstract
摘 要
2024年11月15日,Cell在线发表了深圳大学刘宏涛课题组题为“The Arabidopsis blue-light photoreceptor CRY2 is active in darkness to inhibit root growth”的研究论文。该文打破传统研究框架,首次揭示蓝光受体隐花素CRY在非光激发态具有特异功能,表明蓝光不仅能“激活”CRY功能,也能“失活”CRY功能。
研究背景
Background
光不仅是植物光合作用的能量来源,也是调控植物发育的重要环境信号。生长在黑暗中的植物幼苗下胚轴努力伸长但根很短,而光下的幼苗则下胚轴短但根比较长。植物在光下和暗中发育完全不同,因为植物光受体蛋白作为植物的“眼睛”,能感知光信号从而调控植物生长发育。植物具备一系列不同的光受体感受不同波段的光,蓝光受体隐花素CRYs介导蓝光调控植物下胚轴伸长、开花、生物钟等发育过程。关于CRYs的研究以往聚焦于CRYs的“蓝光激发”机制,以及CRYs“蓝光依赖”的功能活性,那么CRYs在“黑暗中”或“非蓝光激发态”是否具有调控植物生长发育的功能?
研究内容
Contents
本研究发现拟南芥蓝光受体CRY2在黑暗中居然调控细胞分裂、光合作用等多个重要生命过程相关基因表达。进一步表型观察发现,黑暗条件下,在通常会被忽视的黄化苗根部,CRY2通过抑制根尖分生区细胞分裂从而抑制主根伸长,而蓝光则解除该抑制。通过筛选获得在黑暗(或非蓝光条件)下同CRY2结合的蛋白FORKED1-LIKE(FL)家族成员FL1和FL3,它们和CRY2的结合特异受蓝光抑制。后续研究确认FL只能结合非蓝光激发的CRY2单体而不能结合蓝光激发后的CRY2多聚体。FL1和FL3是两个位于CRY2遗传学下游的促细胞分裂因子,具备结合细胞分裂基因染色质并促进基因表达的功能。黑暗中CRY2通过结合FL从而抑制FL促根尖分生区细胞分裂,进而抑制主根伸长。蓝光下CRY2形成多聚体不再能同FL结合,FL功能被释放从而促进主根伸长(图1)。
CRY2黑暗中的功能有助于我们更立体,更宏观的理解光信号对于植物生长发育的调控,为很多常见且有趣的自然现象提供一个全新的解释视角。例如黑暗中生长的黄化苗之所以具有长下胚轴和短根,是因为非光激发态CRY2抑制根伸长并促进种子将有限的能量优先供给下胚轴伸长,帮助其破土而出,进入光能自养,对应萌发于土壤深层,需破土而出才能见光生长的植物种子。光下的绿苗之所以具有短下胚轴和长根,是因为光激发态CRY2在地上部抑制下胚轴伸长,根部FL1和FL3由于不同光激发态CRY2相互作用,其功能活性被释放从而促进地下部主根伸长,有助于植物吸收养分并建立更合理的植株形态,对应萌发于土表或者浅土层,无需承担破土而出压力的种子。该研究描绘了一幅CRY2在地上地下各司其职,以不同的活性状态通过不同的信号通路达成“让植物茁壮成长”这一共同目标的和谐画面,为利用光受体改善农作物形态,调控农作物生长发育,奠定理论基础(图2)。
图3 刘宏涛教授(左)与曾德圣博士
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