植物隐花色素及其分子调控机制

摘要：蓝光受体隐花色素（cryptochrome）对植物生长发育有重要的调节作用，其调节反应主要有去黄化、抑制下胚轴伸

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（2）CRY蛋白与COP1蛋白以直接或间接的方式相互作用来抑制COP1蛋白的E3连接酶活性，调节其它受光调节蛋白的降解，从而影响植物的生长。COP1蛋白能调控多种蛋白的降解，包括HY5/HYH、LAF1、HFR1、CRY2、phyA、CO和GI等蛋白[1]。

（3）SPA1蛋白参与隐花色素对COP1蛋白的调控。SPA1是COP1的正调控因子，隐花色素与SPA1蛋白相互作用，抑制了蓝光下依赖于COP1的转录蛋白的降解。Lian等[31]发现拟南芥隐花色素CRY1、CRY2在蓝光下均能直接与SPA1相互作用，黑暗下不能与SPA1相互作用。CRY1和CRY2与SPA1在拟南芥原生质体和洋葱表皮细胞核内均发生共定位。免疫共沉淀（Co-IP）试验证明，拟南芥CRY1与SPA1只能在蓝光下产生相互作用，而在黑暗处理、红光和远红光下都不能产生相互作用。通过对cry1/spa1/spa2/spa3/spa4五突变体、cry2/spa1/spa2/spa3和cry2/spa1/spa3/spa4四突变体的遗传分析，发现SPA1、SPA2、SPA3和SPA4在遗传上位于CRY1和CRY2的下游调控光形态建成、气孔发育和光周期开花时间。蓝光诱导的CRY1-SPA1互作能抑制COP1与SPA1的结合，促进COP1-SPA1复合体解离，导致COP1活性下降，其底物HY5蛋白积累增多，最终促进光形态建成。Zuo等[32]证实拟南芥CRY2与COP1互作蛋白SPA1发生了依赖于蓝光的直接相互作用。SPA1在蓝光照射条件下可抑制开花时间调控因子CONSTANS（CO）的COP1蛋白质水解，蓝光依赖的CRY2-SPA1互作促进CRY2-COP1互作。

3.4CIB1蛋白

CIB1蛋白（CRY-interacting bHLH1）是一种bHLH蛋白，能促进植物开花，其功能依赖于隐花色素。CRY2蛋白在蓝光下抑制CO蛋白的降解，从而调节植物开花，这种调控作用受CRY2对COP1调节的影响。近年来的研究结果表明，CRY2蛋白与CIB1蛋白相互作用直接调节FT（成花素）的表达；也可以与COP1、CO等蛋白形成驮拥牡鞍赘春咸澹共同调控植物开花。CRY2-COP1-CO-FT和CRY2-CIB1-FT的信号转导途径相交汇[33]。

3.5PIF蛋白

转录因子PIF（phytochrome interacting factor）是一种bHLH蛋白。以往研究表明，黑暗中PIF蛋白活性高，能促进细胞伸长相关基因的表达，引起下胚轴伸长；在红光/远红光下，光敏色素与PIF结合，促进PIF蛋白的降解，进而解除了PIF促进细胞伸长的作用。2016年初，美国索克研究所（Salk Institute for Biological Studies）的Joanne Chory实验室、中国科学院上海生命科学研究院的刘宏涛实验室分别在《细胞》、《美国科学院院报》上公布了各自新的研究结果：蓝光也通过PIF来调控植物下胚轴伸长[34-36]。

Casal等[34]发现，低光照度蓝光照射下，植物蓝光受体隐花色素（CRY1/CRY2）能与转录因子PIF直接结合，调控PIF的蛋白活性。借助多种突变体，包括pif4、pif5、pif7、pif1/pif3/pif4/pif5、cry1、cry1/pif4和cry1/pif4/pif5突变体，研究了PIF在低光照度蓝光下的生物学功能，结果表明：在低光照度蓝光照射下，PIF4、PIF5作用于隐花色素下游基因，介导拟南芥下胚轴伸长生长。通过免疫印迹（immunolotting）、免疫共沉淀（co-immunoprecipitation）试验证明了PIF4和PIF5能直接与CRY1、CRY2相互作用。转录组分析结果表明，pif4/pif5突变体差异表达的基因主要与细胞壁修饰、细胞壁发生、细胞生长密切关联。PIF4/PIF5与CRY2处于同一个基因组位点，CRY2能与PIF4/PIF5的转录因子结合来调控低光照度蓝光下拟南芥下胚轴伸长生长。以上结果说明，低光照度蓝光下，隐花色素能直接与PIF相互作用来调控植物的生长发育。

Ma等[35]发现，蓝光抑制温度升高引起的下胚轴伸长，这一过程依赖于CRY1。CRY1对温度响应至关重要，cry1缺失突变体对温度升高敏感，下胚轴伸长显著；CRY1过表达，转基因植株对温度变化不敏感。在蓝光照射下，CRY1与PIF4结合能调控PIF4在高温条件下的转录活性，增强生长素合成基因YUC8的表达，促进生长素合成及下胚轴伸长。CRY1和PIF4能直接结合到YUC8等基因的启动子上，快速调控基因表达。由于PIF4也是光敏色素phyB的受体，所以可以得出结论：PIF4是蓝光、红光/远红光和温度信号转导途径交互作用的关键节点，蓝光、红光/远红光和温度可以使用同一个PIF4实现功能整合，协同调控植物生长发育。

综合上述两实验室的研究结果，得出以下结论：低光照度蓝光下，隐花色素与PIF之间的互作主要调控细胞壁合成相关基因的表达；而在高温下，隐花色素与PIF之间的互作主要调控生长素合成相关基因的表达。因此，隐花色素与PIF之间的互作，在不同环境条件下最后的信号输出方式是有差异的。为此，Zhu等[36]提出了隐花色素与PIF互作模型：高强度蓝光照射或正常温度条件下，隐花色素与PIF之间的蛋白相互作用强，隐花色素抑制PIF的转录因子活性从而抑制下游基因表达，使植物表现为缩短的下胚轴；而在低蓝光照度或高温条件下，隐花色素与PIF之间的蛋白相互作用变弱，从而提高了PIF活性激活下游基因表达，促进下胚轴伸长（见图2）。

4题与前景

自1993年首次发现隐花色素以来，人们在植物隐花色素结构、生物学功能、光激发及信号转导调控机制研究方面取得长足进展[17，37-38]。但是，仍有很多问题亟待人们去解答，如CRY3的生理功能是什么？如何利用隐花色素晶体研究其光诱导下的构象变化机制？依赖蓝光的隐花色素蛋白磷酸化/脱磷酸化、泛酸化作用机制是什么？伴随着对上述问题研究的不断深入，人们将会从根本上揭示隐花色素对光信号转导的分子调控机制。

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