在寻找光线的生长过程中，植物可能会经历由其他植物造成的持续或偶尔的遮荫。植物间的邻近会导致红光与远红光比例（低R:FR）的下降，这是由于邻近植物的光合组织对红光的优先吸收和远红光的反射。这一信号通常在实际遮荫导致光合有效辐射（低PAR）减少之前被感知。
在这里，本文研究了来自不同生境的几种十字花科植物如何响应低R:FR和低PAR，在伸长、光合作用和光适应方面的反应。耐阴植物如粗毛碎米芥（Cardamine hirsuta）对低PAR表现出良好的适应性，但对低R:FR暴露的反应较差或无反应。相比之下，避阴植物如拟南芥（Arabidopsis thaliana）在低PAR下的光合性能较弱，但在暴露于低R:FR时强烈伸长。这些反应可能是遗传上解耦的。最有意思的是，避阴植物（而非耐阴植物）暴露于低R:FR时，通过触发光合作用相关基因表达、色素积累和叶绿体超微结构的变化，改善了它们对低PAR的光适应。
这些结果表明，低R:FR信号释放了分子、代谢和发育反应，使避阴植物（包括大多数作物）能够调整其光合能力，以应对邻近植物最终遮荫的情况。
前言
光对植物至关重要，提供能量和环境信息。邻近植物的遮荫会减少光照强度，影响光合作用和生长，尤其在密集种植系统中。植物通过感知光质量（如光谱信息）来应对这种相互遮荫的情况。光合组织吸收红光（R）并反射远红光（FR），导致 R:FR 比率降低，这是一种可靠的信号，表明附近植物的竞争。生长在光照受限生态系统中的植物表现出耐荫性，通过适应低光强度条件来捕获和利用光。相反，生长在开放栖息地的植物则是避荫型（shade-avoider），如拟南芥（Arabidopsis thaliana）和大多数喜阳作物。避荫植物通过光敏色素感知低 R:FR 信号，激活信号通路，触发称为遮荫回避综合征（shade-avoidance syndrome, SAS）的反应，最显著的表型是胚轴（hypocotyl）伸长，以超越竞争者获取光照。在拟南芥中，低 R:FR 会使光敏色素 B（phytochrome B, phyB）失活，释放光敏色素相互作用因子（PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs, PIFs），促进生长。负调节因子如延长胚轴因子 5（ELONGATED HYPOCOTYL 5, HY5）也参与调控。其他调节因子如远红光下长胚轴因子 1（LONG HYPOCOTYL IN FAR-RED 1, HFR1）和光敏色素 A（phytochrome A, phyA）作为额外的 SAS 抑制因子，帮助植物适应阴影。耐荫的粗毛碎米芥（Cardamine hirsuta）在低 R:FR 条件下不会伸长，除非 phyA 或 HFR1 的功能在突变体中丧失。不同植物在低 R:FR 下的反应不仅限于伸长，光适应（photoacclimation）也有所不同。光适应反应的变化与两种主要策略相关：一种是光合色素含量的改变，另一种是光合机制的变化。拟南芥和粗毛碎米芥在低 R:FR 下的光合色素积累反应不同，拟南芥的叶绿素和类胡萝卜素水平下降约 20%，而毛苦苣的下降幅度较小。拟南芥在低光照（低光合有效辐射，low PAR）下的适应能力较低，但在强光（高光合有效辐射，high PAR）下的适应能力较高。尽管避荫型和耐荫型植物在光适应方面表现出相似的生理行为，但低 R:FR 信号与光适应反应之间的联系仍然未知。本研究探讨了不同十字花科（Brassicaceae）物种的自然和工程遗传多样性，以调查这一联系。主要结果
不同十字花科物种表现出不同的光适应反应
之前的研究表明，与喜阳的拟南芥（Arabidopsis thaliana, At Col0）相比，耐荫的粗毛碎米芥（Cardamine hirsuta, Ch Ox）在转移到低光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）后能更好地维持光合作用，但在光强增加时则表现出更强的叶绿素损失（Molina-Contreras et al., 2019）。为了更好地表征这两种十字花科（Brassicaceae）物种的光适应反应，研究者在控制条件下（PPFD，20–24 mmol m² s⁻¹）培养了 At 和 Ch 七天，然后将其转移到低光（W4, PPFD 4 mmol m² s⁻¹）或高光（W200, PPFD 200 mmol m² s⁻¹）条件下再生长七天（图1）。转移后第三天的光曲线分析显示，Ch 在 W4 下的光合活性优于 At，而在 W200 下则相反（图1A）。最大电子传输速率（ETRm）和光限制区的光合速率（alpha）也表明，At 在高光下表现更好，而在低光下表现最差（图1B）。光合系统 II 的最大量子效率（Fv/Fm）和光利用效率（UPSII）在转移后第三天也显示出 At 和 Ch 之间的差异，但在更长时间的暴露下这些差异更加明显（图1C）。具体而言，Ch 在高光下的 Fv/Fm 值低于 At，而在低光下则相反。结果表明，Ch 更能耐受低 PAR 的转移，而光强增加对 Ch 的光合效率影响更大。![]()
研究还分析了六种不同的十字花科物种或品系的光适应和胚轴伸长，包括 At 和 Ch 作为对照。选定的野生芥菜包括圆锥南芥（Arabis alpina, Aa）、荠菜（Capsella bursa-pastoris）品系 Freiburg-1（Cb-F）和 Strasbourg-1（Cb-S）、淡红荠（Capsella rubella, Cr）、豆瓣菜（Nasturtium officinale, No）和水蒜芥（Sisymbrium irio, Si）。初步目标是根据光适应反应将其分类为避荫型或耐荫型。经过七天的生长后，幼苗在 W20 下或转移到低光（W4）下进行光曲线分析，结果显示出不同的反应，帮助将品系分为两组（图2）。与避荫型的 At 类似，Cb-F、Cb-S 和 Cr 在 W4 条件下光曲线下降，而 Aa、No 和 Si 则表现出与耐荫型 Ch 相似的光曲线（图2A）。ETRm 和 alpha 值也表明，W4 处理导致 At、Cb-F、Cb-S 和 Cr 的光合性能下降，而 Ch、Aa、No 和 Si 则未受影响（图2B）。接下来，研究者分析了对高光的光适应，量化了转移前后 Fv/Fm 值。结果显示，At 与两个 Cb 品系和 Cr 一起分组，适应高 PAR 的能力明显优于 Ch、Aa、No 和 Si 组（图2C）。这些光适应结果将前者分为避荫型，后者分为耐荫型。![]()
光适应反应可以与遮荫驱动的下胚轴伸长解耦
研究者进一步探讨了所选芥菜物种的避荫型或耐荫型分类是否与其对低 R:FR 的伸长反应相符。在 W20 条件下生长三天后，幼苗被保持在 W20 或转移到补充远红光的 W20（W20+FR, R:FR 0.02）下再生长四天，然后测量胚轴长度（图3）。与拟南芥（At）相似，Cb-F 物种表现出强烈的胚轴伸长反应，而 Cb-S、Cr 和 No 则中等伸长。相比之下，Ch、Aa 和 Si 在低 R:FR 下没有伸长（图3A）。这些结果表明，基于光适应表型的伸长反应不能完全预测。![]()
尽管如此，基于光适应行为分类为避荫型的品系在低 R:FR 下表现出不同程度的伸长反应，而耐荫型植物在低 R:FR 下则表现为无伸长或轻微的避荫型表型（如 No）。通过操控特定的 SAS 调节因子的水平，可以逆转避荫型或耐荫型的伸长表型。之前的研究显示，过表达 HY5 的拟南芥（At-HY5ox）在低 R:FR 下的胚轴反应减弱，而缺失所有光敏 PIF 四重突变体（At-pifq）则表现出类似但更弱的反应（图3B）。尽管对低 R:FR 的伸长反应程度不同，这两条线在低 PAR 下的光适应反应与野生型（At-WT）相似（图4）。![]()
在 Ch 中，缺失 phyA（Ch-sis1）或 HFR1（Ch-hfr1）的突变体在低 R:FR 下获得了伸长能力（Molina-Contreras et al., 2019; Paulisic et al., 2021; 图3B）。与对低 R:FR 不敏感的 At 突变体不同，Ch 突变体在低 PAR 下表现出部分避荫型表型，光曲线（图4A）和 ETRm 值（图4B）在 W4 下低于 W20。然而，Ch-WT、Ch-sis1 和 Ch-hfr1 在高 PAR（W200）下的光适应能力（通过 Fv/Fm 值和叶绿素水平估计）相似（图4C）。因此，研究者得出结论，植物在低 R:FR 信号缺失时，伸长能力的操控对其光适应能力几乎没有影响。低 R:FR 信号不仅影响胚轴伸长，还会减少许多植物物种中光合色素（叶绿素和类胡萝卜素）的含量（Roig-Villanova et al., 2007; Cagnola et al., 2012; Patel et al., 2013; Bou-Torrent et al., 2015; Molina-Contreras et al., 2019）。这种减少在伸长的拟南芥（At-WT）和非伸长的粗毛碎米芥（Ch-WT）幼苗中均有观察，但在 At-WT 中更为明显（图5）。获得在阴影下伸长能力的粗毛碎米芥突变体（如 Ch-sis1 和 Ch-hfr1）在低 R:FR 曝露后光合色素含量的减少也比 Ch-WT 更强（图5A）。相反，伸长能力降低的拟南芥突变体（如 At-pifq 和 At-HY5ox）在低 R:FR 下的光合色素减少幅度较小（图5A）。![]()
为了测试模拟阴影暴露导致的光合色素水平下降是否影响光合活性，研究者测量了在 W20 或 W20+FR 条件下生长的幼苗的 Fv/Fm 和 UPSII（图5B；补充图 S2A）。结果显示，低 R:FR 导致强光合色素损失反应的品系（如 At-WT、Ch-sis1 和 Ch-hfr1）光合活性下降，而在其他品系（如 At-pifq、At-HY5ox 和 Ch-WT）中，低 R:FR 对光合活性的影响较小（图5C；补充图 S2B）。此外，邻近阴影信号还影响光合作用的基因表达。低 R:FR 触发的转录组变化分析显示，在多种物种中均有观察，包括苜蓿（Lorenzo et al., 2019）、玉米（Shi et al., 2019）、番茄（Cagnola et al., 2012）和拟南芥（Leivar et al., 2012），编码光合作用相关蛋白的转录本水平降低（如参与叶绿素和类胡萝卜素生物合成的酶、光合结构的组成部分和碳固定过程的成员）。![]()
有趣的是，低 R:FR 触发的光合作用相关基因表达变化在 At-pifq 突变体中减弱（图6），尤其是在低 R:FR 抑制的光合基因中（图6），这表明 PIF 介导的基因表达调控在光合作用变化中起重要作用（图5）。将避阴植物暴露于低R:FR可提高其对低光合有效辐射的光适应
低 R:FR 信号导致拟南芥（At-WT）幼苗和阴影超敏感的粗毛碎米芥（Ch）突变体光合活性下降，促使研究者分析该光信号是否会引起叶绿体超微结构的变化。经过低 R:FR 曝露的叶绿体显示出更大的颗粒堆叠和较少且较小的塑质小体，与 W20 条件下生长的对照组相比（图7）。这表明低 R:FR 曝露可能触发植物对即将到来的阴影的响应。![]()
为了验证这一假设，研究者分析了在 W20 或 W20+FR 条件下生长的 WT 和突变体幼苗转移到低 PAR（W4）后的光曲线（图8）。预先暴露于低 R:FR 的 At-WT 幼苗在转移到低 PAR 后的 ETRm 显著降低，而具有较低 SAS 伸长反应的 At 突变体则失去了对低 R:FR 的响应（图8A）。对于 Ch-WT 幼苗，预处理几乎没有影响其对低 PAR 的光适应，但对阴影超敏感的 Ch 突变体在转移到 W4 后的第一天 ETRm 有轻微改善（图8A）。在高 PAR 的光适应分析中，预暴露于 W20+FR 的 At-WT 或 Ch-WT 幼苗与 W20 对照组相比没有改善（图8B）。![]()
与 At 具有相似光适应反应的其他芥菜品系（Cb-F、Cb-S 和 Cr）在预暴露于低 R:FR 后对降低 PAR 的光适应有所改善，而与 Ch 相关的品系（Aa、No 和 Si）则未受影响（图8A）。这种低 R:FR 依赖的表型与生长光强和光周期无关，类似反应在 At-WT 幼苗在不同光照条件下也有观察到（补充图 S3）。最后，研究者测量了在低 R:FR 曝露后转移到低 PAR 的 At 和 Ch 幼苗的呼吸变化（补充图 S4）。在 W20 对照组中，At 幼苗转移到 W4 后呼吸率降低，而在 W20+FR 曝露下，呼吸率已较低且转移后未显著变化。相比之下，Ch 幼苗在所有条件下的呼吸率相似。研究者得出结论，低 R:FR 信号的检测和转导不仅使避荫植物能够超越邻近植物，还使其光合和呼吸机制预适应即将到来的阴影条件。相反，耐荫植物在低 PAR 下的生长能力更强，似乎不利用低 R:FR 信号。讨论
植物通常根据其自然栖息地被分类为避荫型和耐荫型，尽管几乎所有植物在其生命周期中都会经历一定程度的阴影。耐荫能力不仅指植物对低光水平的耐受性，还与多种性状相关，包括表型可塑性以优化光捕获（Valladares and Niinemets, 2008）。研究表明，低 R:FR 曝露引起的伸长反应与植物的阴影习性有关，避荫型植物伸长最明显，而耐荫型植物则表现出轻微或无伸长反应（Smith, 1982）。通过分析多种十字花科植物，包括拟南芥（At）和毛苦苣（Ch），发现良好的光适应能力与低 R:FR 下的伸长反应呈负相关（图2和图3）。例如，At 在低 R:FR 下显著伸长，而 Ch 则几乎不伸长。突变体的研究表明，SAS 调节因子的基因突变可以显著改变低 R:FR 下的伸长反应，但不改善光适应表型（图4）。这些结果确认了光合适应能力是物种特异性的趋势，并且是耐荫能力的可靠指标。低 R:FR 信号的激活在避荫型植物（如 At）和耐荫型植物（如 Ch）的突变体中调节光合作用，导致光合色素水平显著下降，并直接影响光合活性（图5）。低 R:FR 处理会迅速触发基因表达变化，通常由 PIFs 介导（图6）。在 Atpifq 突变体中，PIFQ 功能丧失导致对低 R:FR 的响应减弱，但也防止了光合色素和活性的损失（图5）。因此，低 R:FR 曝露后 PIFQ 蛋白的稳定化可能触发光合作用相关基因表达的重新编程，导致光合色素水平降低和光合活性下降。此外，低 R:FR 处理还引起了叶绿体内膜系统的超微结构变化，类似于转移到低 PAR 后的变化（图7）。在低 R:FR 下，At 幼苗的叶绿体显示出更多的类囊体层和增加的厚度。预处理低 R:FR 改善了 At 幼苗对低 PAR 的光适应，但对缺乏低 R:FR 信号的突变体没有影响（图8）。在低光照条件下，碳分配的平衡对于应对阴影环境的挑战至关重要，避荫型植物在光照减少时呼吸率下降，而耐荫型植物则未见明显变化（补充图 S4）。总之，低 R:FR 信号的感知和转导使避荫型植物能够在即将到来的阴影条件下调整其光合和呼吸机制。耐荫型植物则适应于低光环境，因此在低 R:FR 信号下的光适应能力不明显。我们的研究揭示了植物对阴影的响应机制，为优化作物种植密度和间作设置提供了重要的理论基础。文献来源：
Morelli L, Paulišić S, Qin W, Iglesias-Sanchez A, Roig-Villanova I, Florez-Sarasa I, et al. Light signals generated by vegetation shade facilitate acclimation to low light in shade-avoider plants. Plant Physiology. 2021;186:2137–51.
