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1、第五章 植物的光控生长发育生理,高级植物生理学,一、植物生长发育总览 二、植物的光形态建成 三、光受体与发育调控,一、植物生长发育总览二、植物的光形态建成三、光受体与发育调控,植物生理学的主要研究内容：,植物的生命活动,植物是如何生活的,植物是如何生长的,植物是如何生存的,代谢生理新陈代谢,生长发育生理,植物与 环境,水分代谢 矿质营养 光合作用 呼吸作用,植物的生长植物的生殖成熟与衰老,信号传导 逆境生理,几乎所有的陆生植物是不可移动的，因此其重要生命特征是在特定的位置上（生态位）通过自身的功能获得生长和生存所需的能量和营养。,植物的固着习性使其具有相对简单的组织结构，但同时也面临着巨大的环
2、境压力，必须适应所处的生存环境。这种适应可在生理水平上产生，也可通过灵活的发育形式达到目的。,一、植物生长发育总览,动物在胚胎发生期就建立了基本成熟的躯干计划，而植物在一生中通过营养发育程序精心设计自身的形状。,植物具有特定的分生组织：这意味着通过保持一群命运尚不确定的分生细胞来适应环境的变化。通过调控这些细胞的增殖与分化形成组织和器官，产生复杂多样的最适宜植物适应当地环境的形态特征。,拟南芥,拟南芥,自然界中的植物很少生活在其适宜的地方，通常是生活在它们占有更大优势的地方。如沙漠植物只分布在沙漠。,在短时间尺度上，植物与环境的关系是以适应为主，反作用为辅；在长时间尺度上（长期进化），植物与环
3、境的关系是以反作用为主；,盐生植物,沙生植物,沙漠植被,高等植物的生存依赖于它们适应环境的能力、受环境影响改变基因表达的模式以及对外界信息做出的应答。,光是最为重要的环境信息之一，植物正常形态的建成、代谢活动、发育的时间进程等都受到环境光信号的调控。,1. 生长、分化和发育的定义,生长（growth）： 是指由于原生质的增加而引起植物体的体积或重量的不可逆增加，是通过分裂增加细胞数目和细胞伸长增大细胞体积来实现的；,生长是一个量变的过程，表现为细胞数目、干重、原生质总量和体积的不可逆的增加。,是指遗传上同质的细胞转变为形态、结构、机能以及化学组分上异质的细胞，即植物差异性生长称为分化。,分化是
4、一个质变的过程，可以在细胞水平、组织水平和器官水平上表现出来。如细胞的分化、组织的分化、茎和根的分化、叶芽和花芽的分化等。,分化（defferentiation）：,愈伤组织,体细胞分化形成的胚(体细胞胚),也称胚状体,胚状体萌发产生的芽,进一步分化形成幼苗,通过细胞分化，产生了形态、结构和功能各异的细胞。 分化就是细胞的特异化，是指细胞的结构和功能由简单到复杂的变化过程。,叶肉细胞 纤维细胞 薄壁细胞 筛管（细胞）,幼苗,成年植株,拟南芥,分化可在器官、组织和细胞水平上表现出来：,种子植物上下有茎和根的分化茎又有叶和侧芽的分化进入生殖期顶端又有花芽的分化各种器官中有不同组织的分化各种组织又有
5、不同种类细胞的分化,胚状体,胡萝卜根细胞经培养，分化发育成完整植株,分化是由特异的基因活动所引起的，是在特定的时间和特定的空间，通过基因的选择性转录而引起特异性蛋白质的合成，导致了不同的性状形成和形态建成。,是指植物个体在整个生命周期中，构造和机能从简单到复杂的有序变化过程，是植物的遗传信息在内外条件影响下，有序表达的结果；在空间上有其特异性，在时间上有严格的顺序性。,生长、分化、发育之间关系密切，有时交叉或重叠在一起。生长是量变，是基础；分化是局部的质变；而发育包含了生长和分化，是整体的质变。,发育是外界因素与植物体各部分、各器官相互作用的结果，只能在整体上表现出来。,发育（developm
6、ent）：,而发育则是指生殖生长，即花器官的形成以及种子的发育成熟。,广义上定义：,生长是指营养生长，即在细胞分裂、扩大的基础上伴随着植物营养器官的分化形成和增大过程。,2孢子体的发育,种子植物孢子体的发育分为三个阶段,胚胎发生阶段：从合子分裂开始到种子成熟为止,营养生长阶段：从种子萌发开始到花的发端为止,生殖生长阶段：从花发端开始到花器官分化形成为止,生殖生长,营养生长,胚胎发生,配子体发育,胚胎发生（embryogenesis）：,是指由单细胞转化为具有典型基本组织的多细胞生物体的过程。在种子植物中，胚胎发生可使一个单细胞受精卵形成成熟种子复杂个体。,胚胎发生包括了植物基本结构建立的一系列
7、发育过程： 基本形态的构成 （morphogenesis 形态建成） 功能组织结构的形成 （organogenesis 器官建成） 不同组织中细胞的分化（ histogenesis 组织发生）,这种基本结构的重要特征：茎尖和根端具有顶端分生组织；同时具有：调控经受长期失活状态 （休眠）的能力、感知和响应环境信号使植物重新生长（发芽）的能力。,营养生长（vegetative growth） ：,从种子开始萌发，进入营养生长期。最初是利自身储存的营养物质，通过根和茎顶端分生组织活动形成植物的基本形态。而后通过光形态建成形成具有自养能力为主的有效利用环境资源的形态结构，继续营养生长。,植物的这种生长
8、方式常常是无限的，不是预先设计好的，属于没有明确终点的可变生长。,无限生长赋予侧生器官发育重复进行，使植物能形成最适应于当地生存环境的形态结构。,植物的生长方式取决于分生组织所处的位置。,顶端分生组织初生生长 纵向生长 侧生分生组织次生生长 加粗生长 根、茎加粗属于次生生长。,居间分生组织初生生长 纵向生长,重复单元,分生组织反复产生新器官，形成由重复结构单元（模块）组成的茎和根。,一个茎模块：一片叶、一个侧生分生组织、一个节间；,当森林冠层出现空隙时，茎上会生出侧枝来填补可用空间。 生长模式：通过产生新模块来填补空隙，而非拉长旧模块。,重复单元的不断增加促使植物生长，且持续生长发育及其对环境
9、的敏感性，使植物能适应环境的变化。,生殖生长（reproductive growth）,营养生长到一定时期（花熟状态），植物受内外因子的诱导转变为生殖生长。,有花植物中，首先是特化的花分生组织的形成，然后按固定模式顺序发育产生一系列相应的花器官。,植物只有达到一定的大小、年龄或生理状态时，才能感受外界环境条件的刺激，引起成花反应。,植物在能对环境条件的刺激起反应而成花所之前必需达到的生理状态称为花熟状态（ripeness to flower）或成花感应态（floral comptent state）。,感应：能对发育信号产生预期反应,光周期,决定：任何条件下能继续发育进程,激素？,表达：顶端分
10、生组织的形态建成,诱导,信号,二、植物的光形态建成,光是最重要的环境因子之一，它是高等植物光合作用的能量来源，也是生长发育的信号来源。光合作用对光的需求是高能反应，而光在调控生长发育的中是作为信号起作用，是低能反应。,红闪光,形态建成,UV- C,UV- A,UV- B,100 280 320 380nm,全部太阳辐射中红外光占50%60%，紫外光占1%，其余为可见光。,短于290nm的紫外光被臭氧层吸收，290380nm紫外线能到达地面，即UV-B和UV-A，二者对植物的形态建成等有调控效应。,10 390 760 100000nm,紫外光,可见光,红外光,光的波长（光质）与能量的关系,波长
11、越长，热效应越大，地表热量基本上是由经外光能所产生的。,光： 光质变化,空间变化：随纬度增加短波光减少； 随海拔高度增加紫外线增加；,时间变化：一年中冬季长波光增多，夏季短波光增多； 一天中中午短波光增多，早晚长波光增多。,在水体中：红光在几米深处全完被吸收；紫色和蓝色光也易被水分子散射，深水层只有绿光。10m 深处只有海洋表面光强的 50%，100m 深处仅为表面的 7%。,光: 光量变化-光照强度,太阳和地球的距离：1.496108 km；光运行 499s。地球表面获得的太阳能：8.12Jcm-2mim-1；太阳常数,赤道光强最大，随纬度增加而减少； 低纬度地区：8.38 105 Jcm-
12、2年-1 中纬度地区：5.02 105 Jcm-2年-1 高纬度地区：2.93 105 Jcm-2年-1 海拔1000m：全入射日光能的70%； 海 拔 0 m：全入射日光能的50%,植物只要有充足的有机营养物，在黑暗中也能生长，且生长速率比在光下还快，但形态不正常，表现出特有的黄化现象（etiolation) ，这种在黑暗条件下导致黄化苗形成的生理过程称为“暗形态建成”（skotomorphogenesis）。,植物在光下才能形成正常的形态，这种依赖光控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终导致正常形态的建成称为“光形态建成”（photomorphogenesis）。,1、黄化现象与解除,黄化
13、现象 暗中生长的植物所表现出的特有形态现象：,光下,暗中,黄化现象是植物对环境的一种适应。当种子或其他延存器官在无光的土层下萌发时，可使贮存量有限的有机营养物质最有效地用于胚轴或茎的伸长，保证幼苗出土见光。,植株呈黄色； 叶子潜伏不生长； 茎过度伸长； 顶芽不伸直呈弯钩状； 机械组织不发达。,光下和暗中生长植物形态差异,黄化现象的应用 软化栽培,形态建成,给黄化苗一个微弱的红闪光，几小时内就可出现一系列光形态建成反应。红光的这种效应可被远红光所解除或逆转，表明光调控的形态是低能反应，与光敏色素有关。,红光,远红光,红光,形态建成,在弱光下，有利于细胞伸长生长，但不利于细胞分化，分化推迟，纤维素
14、少，细胞壁薄，节间伸长，株高增加，叶色浅，叶片大而薄，根系不发达，植株柔弱。,光对形态建成的影响包括光强、光质、光照时间（长度）：,光强对生长的影响： 在强光下，抑制细胞伸长，促进细胞分化，降低株高，节间缩短，叶片浓绿，叶小而厚，根系发达。,在生产中常因种植密度过大，株间通风透光极差，易徒长倒伏，抗逆性降低。,光质对形态建成的影响：,红光：抑制茎过度伸长，促进叶子展开，解除黄化最有效。远红光可逆转红光的作用。,蓝紫光：明显抑生长，阻止黄化现象； 紫外光：能杀死或损伤细胞，强烈抑制生长。高山上的植物矮小（ “高山矮态” ），与高山空气稀薄，紫外光容易透过，抑制生长有关。,光对植物生长和形态建成的
15、直接作用（也称光范型作用）是一种低能反应，曝露短暂的光即可完成，与光敏色素有关。,光时间-光周期对形态建成的影响：,其它生长发育反应： 茎的生长（节间伸长）、叶子扩大、 块茎的形成、性别分化、叶子的脱落、芽的休眠与萌发等。,白天和黑夜的相对长度称为光周期，植物的生长发育对光周期起反应的现象称为光周期现象。,成花反应： LDP、SDP、NDP、L-SDP、S-LDP,2、红光和远红光对需光种子明发的效应,有些种子只有光下才能萌发，黑暗则抑制其萌发，这类种子称为需光种子。还有些种子只有在暗中才能萌发，有光时其萌发受抑制，这类种子则称为嫌光种子。,红 光（660nm）促进需光种子萌发， 远红光（73
16、0nm）抑制萌发，二者的作用可相互逆转。,1935年,1952年,光对莴苣种子萌发的调控作用。,红光远红光处理对需光种子萌发的影响,红光与远红光的这种可逆现象与光敏素有关。,光敏色素研究史上一个关键性突破是发现红光对形态建成的效应可被接下来照射的远红光所逆转。,完整幼苗（弯曲）,去顶幼苗（不弯曲）,茎尖遮光幼苗 （不弯曲）,4天燕麦幼苗,胚芽鞘,种子,根,1cm,人们通过对达尔文（Darwin，1880）的向光性实验追踪研究发现了第一个植物激素生长素。,Darwin的向光性实验证明胚芽鞘顶端产生的剌激生长物质传输到下部的生长区。,3、植物的向光性,向光性是植物为捕获更多光能而建立起来的对不良光
17、照条件的适应机制之一。植物感受光的位置主要有茎尖、根尖、胚芽鞘尖端、叶片或生长中的茎。,向光性是由于生长素在向光和背光两侧分布不均匀（？），导致生长不均匀引起的。向光性是植物生态适应性反应。,胚芽鞘的一侧接受光照,生长素扩散到背光的一侧,导致向光侧和背光侧生长不均等,不同方法测定单方向光剌激后燕麦胚芽鞘IAA分布 （据went 1928； Hasegawa，1989）,近一步研究发现：对向光性起主要作用的是光蓝光和紫外光，从作用光谱推测，其光敏感受体为蓝光受体。,燕麦胚芽鞘向光弯曲，并不是因背光一侧 IAA 含量大于向光一侧，而是由于向光一侧的生长抑制物比背光一侧的多，造成生长速度差异而引起向
18、光弯曲。一些科学家提出，这些抑制物质主要是萝卜宁、萝卜酰胺、黄质醛等。,向光性一种光形态建成反应，向光弯曲只发生在正在生长的器官。,子叶生长方向随光源位置和强度变化而改变。,4、植物的运动节律与光调节,植物的许多生理活动具有周期性或节奏性，受控于环境条件的周期性变化。有些生理变化与环境条件变化无关，是由生理钟控制的。,生理钟也称生物钟或近似昼夜节奏（circadian rhythum），是生物体内存在的一种内生性测时系统，它可使生物的某些生理过程在恒态条件下，按照原有的时间进程发生周期性变化。（近似24小时周期）,生理钟（physiological clock）,暗中（垂直）,光下（横的）,菜
19、豆叶片的位置,测定时间（钟点）,菜豆叶片在恒态条件下的近似昼夜节奏运动,横的,垂直,生理钟的基本特点是： 节奏的引起必需有一个信号； 节奏一旦开始，就以约24小时的节奏自由运行。 节奏消失后，可用光信号（闪光）重新调拨。,生理钟的机理： 有证据表明，膜的透性有近似昼夜的节奏变化。如合欢小叶的 K+ 的漏出是近似昼夜节奏变化。,合欢（Albizia）叶的近似昼夜节律,气孔运动的光调控,光 下,暗 中,气孔运动与保卫细胞积累K+有关。保卫细胞叶绿体在光下合成ATP，并利用此能量逆浓度梯度在保卫细胞中积累K+ ，并伴有Cl- 进入。保卫细胞水势降低，吸水，气孔张开。暗中，K+ 扩散出保卫细胞，水势升
20、高，失去水，气孔关闭。,光诱导的气孔开启(每隔5分钟拍1张),光合滞后期（光合诱导期） 从照光开始至光合速率达到稳定水平的时间。一般整体叶片约 3060min，而排除气孔影响的去表皮叶片，细胞等光合组织的滞后期约 10min。,三、光受体与发育调控,从暗形态建成到光形态建成是一个迅速而复杂的过程。暗中长成的黄化苗经一束弱的闪光照射，数小时后即可发生若干发育改变，如茎生长速率下降，弯钩状芽伸直，叶子展开，绿色植物特有色素合成等。,因此，光作为信号通过光受体可诱导幼苗形态变化，以适应地面上生长。,细胞生理生化反应,光,细胞分化,形态建成,受 体,光形态建成中，光只作为一个信号去激发受体，推动细胞内
21、一系列反应，最终表现为形态结构的变化。,形态建成,形态建成,红闪光,植物通过光受体感受不同波长、强度和方向的光，已知光受体有三种：,光敏色素： 红光和远红光；蓝光受体： 蓝光和近紫外光；UV-B 受体：紫外光B区域的光；,（一）光敏色素（phytochrome）,1945，Borthwick和Hendricks，单色光中断短日植物大豆与苍耳的暗期，作用光谱600nm680nm。 1952，喜光种子莴苣萌发实验。 1959，双波长分光光度计测定黄化玉米幼苗的吸收光谱。 1964，黄化燕麦幼苗中提取纯化光敏色素。,光敏色素广泛存在于植物中，在高等植物中，各个器官均分布有光敏色素。黄化幼苗中光敏色素
22、含量比绿色幼苗多20100倍。,1、光敏色素的光化学性质,光敏色素是一种蓝色色素蛋白，分子量为125 kDa。,在植物体内有红光吸收型（Pr, 660nm）和远红光吸收型（Pfr,730nm）两种存在形式，二者各自吸收相应波长的光后可相互逆转。,Pr,Pfr,660nm,730nm,Pfr 和 Pr的吸收光谱有重叠，当 Pr 暴露在红光下时，其多数转变为Pfr，同时也有少部分 Pfr 吸收红光转变为 Pr。饱和红光照射后，Pfr 在整个光敏色素中约占85 %。,同样，Pr 也能吸收极少量的远红光转变为 Pfr，因此不能通过宽波谱远红光使所有 Pfr 转变为 Pr，而是达到 97 % Pr 和
23、3% Pfr 平衡，称为光稳态（photostationary state）。,Pr,红光,远红光,Pfr, X ,Pfr X,生理反应,分解破坏,暗逆转,光敏色素的生理效应可被红光激活，理论上这是由于 Pfr 的出现或 Pr 消失所致。实际上光诱导的生理反应幅度与产生 Pfr 的数量存在定量关系，而与 Pr 的消失不存在这样的关系。这表明， Pfr 是具有生理活性的形式，能引起相应的生理反应。,Pfr 在暗中自发转变为 Pr ，速率较光下慢。 较高温度和低 pH 值加快暗逆转。Pfr 的水平由合成速率、转化速率、和降解速率等因素决定,2、光敏色素诱导反应的特点,植物界存在多种不同的光敏色素反
24、应类型， 可分为：（1）快速的生化事件（2）缓慢的形态转变（包括运动和生长）,早期的生化反应会影响随后的生长发育，即光敏色素光激活产生的形态反应在延迟时间（开始剌激与呈现反应间的时间）后才能显现出来。延迟时间可能短至几分钟或长至几星期。,一般细胞可逆运动、细胞体积可逆改变（膨胀、收缩）延迟时间只几分钟，也有一些快速生长反应。在开花反应中，延迟时间则需数周。,光敏色素反应的多样性也可从光逆转逃逸（escape from photoreversibility）现象中反映出来。远红光只有在一定时间内逆转红光诱导的反应，超出这段时间，该 反应就从光控的逆转中“逃逸”。,“逃逸”原因：光敏色素控制的形态
25、反应是一系列相关联的生化反应的最终体现。在该系列反应进行到某个点（不可逆转点）时，Pfr 完成了其初级反应，此时除去 Pfr 反应不可逆转。不同反应的“逃逸”时间不同（1min至数小时）。,3、光敏色素的反应对光量的需求,每个光敏色素的反应都有特定的光通量（mol/m2）范围，在此范围内，反应的幅度与光通量成比例。,该图是代表性反应的相对大小与增加红光通量的关系。短时光脉冲激活VLFR 和 LFR。HIR与辐照度也成正比。,辐照度： mol /（m2s）,极低辐照度反应（very low-fluence response，VLFR）,有些光敏素反应可被低至 0.001mol / m2 的光所诱
26、导，如剌激暗中生长的燕麦胚芽鞘伸长，抑制其中胚轴生长、诱导拟南芥种子萌发等。该类型反应的饱和光量约为0.05mol /m2 。这种低水平弱光所引起的显著效应称为 VLFR。,诱导 VLFR 的弱光可使低于0.02%的光敏素转化为Pfr，远低于远红光诱导后所保留的 3%，因此远红光不能逆转 VLFR。VLFR 作用光谱是 Pr 的吸收光谱，这说明 Pfr 是该 反应的激活型。,低辐照度反应（ low-fluence response，LFR）,光敏素另一类型反应：当光通量达到1.0mol /m2 时才被激活，其饱和光量约为1000mol /m2 。大多数红光/远红光可逆反应属于 LFR，即 LF
27、R 可被远红光逆转。,拟南芥种子明发时的 LFR 作用光谱,光通量率与光照时间的反比关系反比定律,VLFR 和 LFR 都可被一个短暂的红闪光诱导，说明光能量的总值达到了要求。总的光通量决定于两个因素：光通量率 mol /（m2s） 和光照时间。,红光只要有足够的亮度，短暂的闪光即可引起效应；反之，如果光照时间足够长，极弱的光也可起到相同的作用。VLFR 和LFR 都遵守“反比定律”，即反应的程度与光通量率和光照时间的乘积成正比。,高辐照度反应（ high-irradiance response，HIR）,HIR 需要长时间或持续高光照辐射，在反应饱和之前，光照越强反应程度越大，反应饱和之后，
28、光强增加对反应不再起作用。,HIR 与光的辐照度（近似光亮度）成正比（而非光通量）。HIR 的饱和光照比 LFR 强 100 倍以上，且不能被光所逆转，持续弱光或瞬时强光不能诱导HIR，因此，HIR不遵守反比定律。,许多光可逆的 LFR 也属于 HIR 类型，如幼苗花色素苷合成。因此，同一作用是由 LFR 还是 HIR 完成，主要依赖于光照处理情况。,远红光（FR-HIR）区的作用光谱是光敏色素作用的结果。主要活性峰在 Pr 和 Pfr 最大吸收之间的远红光区。,与 Pr 转化成 Pfr 从而启动 LFR 反应不同，FR-HIR 是由于远红光诱导的 Pr 和 Pfr 之间的光平衡所导致的。,活
29、性峰位 Pr 和 Pfr 吸收峰之间的远红光区，这表明，重要的是光敏素（phyA） Pr 和 Pfr 之间的光平衡，而不引起反应的最大波长。,对于黄化幼苗，HIR 在蓝光区和紫外光区也有活性峰，这是蓝光受体 CRY1 和 CRY2 作用的结果。,不同类型光敏色素反应（VLFR、LFR、HIR）是由不同光敏色素分子来调控的。,4、光敏色素蛋白的结构和功能,光敏色素是一个极易溶于水的蓝色蛋白质，由两个亚基组成的二聚体，分子量为 250 kDa。,脱辅基蛋白单体分子质量为125kDa，被子植物中由一个基因家族编码。,每个亚基有两个组成部分：吸收光的色素分子，即生色团（chromophore）和一个脱
30、辅基蛋白（apoprotein）多肽链，二者共同组成全蛋白（holoprotein）。,脱辅基蛋白,生色团,高等植物中生色团是由排列成直链的四个吡咯环组成，也称光敏色素质（phytochromobilin）。脱辅基蛋白单独不能吸收红光或远红光，与生色团共价连结形成全蛋白才能吸收光。,生色团是由血红素通过叶绿素合成分枝途径合成，转运到细胞质中，与脱辅基蛋白的半胱氨酸残基相连。脱辅基蛋白与生色团组装是自我催化过程。,红光和远红光可使生色团C15=C16发生顺反异构化作用,硫酯键,顺式（cis）异构体,反式（trans）异构体,质体,Pr,mRNA,细胞核,PHY,光敏素脱辅基蛋白,生色团,红光,远
31、红光,Pr,Pfr,N 端有与生色团结合的 BLD 和维持 Pfr 稳定的 PHY 结构域；中间的绞链区在 Pr 和 Pfr 相互转化中起关键作用。PAS（PER、ARNT、SIN）结构域调控 phy 二聚化，并与下游效应蛋白相互作用。,在 PAS 结构域内有两个 NLS（核定位序列），一量暴露即可使Pfr 定向转移到核内。C 端的激酶结构域是自我磷酸化必需的。,Pfr,少数 Pfr 留在胞质中调控快速反应,红光,远红光,NLS,Pr Pfr,细胞质,红光,NLS,细胞核,嗜极端细菌(Deinococcus radiodutana)光敏素N端部分三维结构,细菌光敏色素,磷酸化在 phy 行使功
32、能中起重要作用。Phy 是具有自我磷酸化能力的蛋白激酶。,细菌 phy 是光依赖的蛋白激酶，双组分系统，作为感应蛋白可使相应反应调节蛋白磷酸化而起作用。,植物光敏色素,植物 phy 是受光和生色团调控的 Ser/Thr 蛋白激酶，能使自身和其他蛋白质磷酸化。,植物与细菌 phy磷酸化位点不同，但功能基本类似。,Phy 在细胞质中以 Pr 的二聚体状态存在，生色团吸光后，C15C16 间双键异构化，C14C15单键旋转，Pr 转化为 Pfr，同时绞链区构象变化，使 NLS 暴露出来，导致 Pfr 由胞质移向核内。这是光质依赖过程。,14,核,在核内 phy 即与转录因子相互作用调节基因转录的变化
33、。 Phy 作用为光激活开关，引起基因转录的整体变化。,反式（trans）异构体,顺式（cis）异构体,光敏素蛋白受多基因家族编码，拟南芥中有5 个成员： PHYA、PHYB、PHYC、PHYD、PHYE； 水稻中有：PHYA、PHYB、PHYC 。,光敏色素在植物体内存在类型： 光不稳定型（类型I ）和光稳定型（ 类型II）。 暗中：类型I : 类型II = 9 : 1； 光下：类型I : 类型II = 1 : 1；（光下类型I发生分解）,光敏素蛋白受多基因家族编码,光不稳定型（类型 I ）是由 PHYA 编码，光稳定型（ 类型 II）主要由 PHYB 编码。,番茄的phy 基因也含有 5
34、种，其中的 4种与拟南芥对应相似，还有一种新的 phyF。phyF 和拟南芥的 phyC 是同源的。,光敏色素包括有两个中心区域 ，即 N 末端光感受区和 C 末端光调节区，其它作用因子是通过与光敏色素 C 末端而发生作用的。,hy 基因与植物种类的进化有关。不同种类的 phy 基因其进化速率也是不一样的，其中 phyC 和 phy E 的进化速率是 phyA 和phyB 的1133 倍，这说明, phyA 和phyB 基因家族是比较保守的,将拟南芥种子浸泡在乙酰甲基磺酸溶液（可使DNA发生点突变）中产生突变种子，经种植自花受粉得到基因突变的种子库。,5、光敏素功能的遗传分析,hyA 突变体幼
35、苗在白光下能正常生长，表明 phyA在感应白光没有作用，主要是在远红光去黄化过程中起作用（感应持续远红光抑制下胚轴伸长）。,hyA 也是VLFR反应的光受体，缺少 phyA 的突变体无法感应微秒闪光而萌发。,hyB（hy3） 突变体幼苗在持续白光下下胚轴伸长，表明 phyB 主要是在红光去黄化过程中起作用（感应红光抑制下胚轴伸长）。,hy3 也会导致叶绿素和一些叶绿体蛋白 mRNA 缺失，不能参与应答激素反应。,hyB 参与白光或红光调控的HIR反应，也参调节LFR（光可逆的种子萌发）。,hyA 突变体对红光的反应是正常的， phyB 突变体不能对低通量红光发生反应。,hyA 和 phyB 是
36、拟南芥中光敏素主要的两种存在形式。phyC、phyD、phyE 在调控红光和远红光可逆反应也有其特定的作用。,hyD 和 phyE 调控的反应包括叶柄和节间的伸长，以及开花时间的控制等。phyC 在去黄化、子叶展开以及非许可条件下开花的抑制等方面有微弱的作用。,PHY 的主要功能可能是在于其对光敏素的精细调控，以适应昼夜和季节改变所引起的光环境变化。,CRY 和 PHY 协同调控光形态建成,CRY1、phyA、phyB 分别在蓝光、红光和远红光条件下抑制下胚轴伸长。,实验：白光条件下，拟南芥： cry1、phyA、phyB 单突变体 cry1-phyA、 cry1-phyB 、phyA-phy
37、B 双突变体 cry1、phyA、phyB 三突变体 正常培养后测定下胚轴的伸长和叶子展开状况：,结果： 三种双突变体的下胚轴都明显高于三种单突变体； 三突变体 的下 胚 轴又 明 显 高于 三种 双突变体。 上述突体在叶子展开的实验中得到了相同的结果。 在正常自然光照条件下，CRY1、phyA、phyB 各被激活，协同完成形态建成。,意义： 在各种光波都存在时，这些光受体共同作用，高效促进光形态建成；在特殊条件下，当缺少某些光波时其他光波感应系统启动，保证正常形态的建成。,6、光敏素的信号途径,植物中所有光敏素调控的变化都是从色素吸收光开始。光敏素一旦吸收光，其分子的性质就发生改变，由此影响
38、到光敏素与细胞内其他蛋白质元件的相互作用，最终引起生长、发育的变化 或器官位置的改变。,光敏色素调控反应类型， 可分为：（1）离子流动，导致迅速的膨压反应。（快速的生化事件）（2）基因表达改变，引起较慢的、长期反应过程。 （缓慢的形态转变）,从 phy 活化到基因表达之间存在着一系列的信号传导中间体。G蛋白、cGMP、 cAMP、 磷脂酶C、 IP3、 Ca2 + 等都是 phy 信号传递链的组分。,光敏素调控的膜电势和离子流,光敏素能在一次闪光后数秒钟内改变膜的性质（透性），在根和胚芽鞘中，从 Pfr 产生到能检测到电势变化之间的延迟时间是 4.5 s。,细胞电势变化与通过质膜的离子流变化是
39、一致的。 光敏素与膜紧密结合？ 光敏素与质膜下的微管相结合（藻类）？,如果二者间有距离，需要有第二信使的参与，钙是其中理想的信使分子。,红光 Pfr Ca2+ 通道 胞质 Ca2+增加 钙调素活化,植物细胞内钙离子转运多条途径,光敏素调控的基因表达,光形态建成中，黄化特征的解除涉及到基因表达的改变，并由此引起代谢的长期变化。,光调控的基因有许多的元件，任何元件的结合都会引起光调控基因的表达。这些调控序列可通过多种光受体起作用，以确保这些基因表达的光差异性和组织的特异性。,没有任何一个单一的 DNA 序列或结合蛋白能与所有光敏素调节的基因都发生相互作用。,rbcS 和 LHC的基因(cab)表达
40、的光调节.,红光使 Pr 转变成 Pfr，引起一系列生化变化，激活了细胞质中的一种调节蛋白。,活化的调节蛋白转移至细胞核中，并与 rbcS 和 cab 基因启动子区中的特殊光调节因子（light regulated element，LRE）结合，转录被刺激，促使基因产物 SSU 和 LHC蛋白的生成。,在植物“暗-光转变”过程中，有些基因 表达快速上调，其产物本身就是转录因子，这些早期表达快速上调的基因称为初级反应基因，其表达依赖于信号转导途径，不依赖于蛋白质的合成。,与初级反应基因对应的是晚期基因或次级反应基因，这些基因的表达需要新蛋白质的合成。,DNA 微阵列技术分析显示：伴随从暗形态建成
41、到光形态建成的转变，植物中所基因的表达谱也随之发生改变。“Pfr 的核输入启动了上千种基因参与的转录级联反应，进而引发了光形态建成的生长发育”。,光形态建成的负调控因子： COP1 （constitutively photomorphogenic 1 ） 在暗条件下筛选，获得组成型光形态建成（constitutive photomorphogenic） 的 cop1 突变体。该突变体在暗中叶子展开，下胚轴粗短，花色素苷积累。表明该位点编码的COP1 蛋白为光形态建成负调控因子，即 COP1 促进暗形态建成。也是气孔开放的主要负周控因子。,光形态建成的正调控因子 HY5 hy5 突变体的下胚轴在
42、蓝、红、远红光下明显长于野生型。HY5 的作用是促进光形态建成 。HY5 位于CRY1、phyA、phyB 信号途径的共同下游，HY5 突变后各光受体所传导的信号在此终止。,7、光敏色素的生态学功能,光敏色素调节叶子的睡眠运动光周期现象：监测日长光敏素使植物适应光质的变化籽粒小的种子萌发对 R : FR 的需求,光敏色素调节叶子的睡眠运动,叶子的睡眠运动称为感夜性，是光调节的近似昼夜节律。其节律一旦启动，在持续暗中也会保持下去。红光和蓝光可调节节律的相位。,光也直接影响其运动：蓝光剌激合欢关闭的小叶张开，红光照射后接着暗处理导致小叶关闭。远红光可消除红光的作用，表明光敏素调控小叶的运动。,持续
43、暗中昼夜节律会转为自行变化,持续光下昼夜节律被抑制，转入暗中节律重新启动。,转入暗中后，短暂的光脉冲引起的典型节律相位变化。,光周期现象：监测日长,植物的所有光周期反应或许利用同样的光受体，随后由特异的信号途径调节不同的反应。,监控时间变化是所有光周期反应重要作用，随时间变化的机制是对季节和昼夜更替作出反应的基础。,美洲烟草生长情况：冬天（短日照：左）夏天（长日照：右）,开花的相对百分数,日长,夜长,长日照植物 （LDPs）,短日照植物 （SDPs）,日照长度大于一定时数（临界日长）的光周期中才能开花的植物,日照长度小于一定时数（临界日长）的光周期中才能开花的植物,通过Pr/Pfr的比值测量暗
44、期的长度,开花的相对百分数,日长,夜长,长日照植物 （LDPs）,短日照植物 （SDPs）,日照长度大于一定时数（临界日长）的光周期中才能开花的植物,日照长度小于一定时数（临界日长）的光周期中才能开花的植物,转入黑暗后时间（h）,红光间断,黑暗,日光,长暗期的光间断，可使 Pfr/Pr 比值立即回升到光下的水平，因而引起长日反应。,光敏素使植物适应光质的变化,不同环境下红光（R）和远红光（FR）比值不同，二者的比例随太阳的入射角、云层厚薄及地上林冠的变化而变化。,R : FR =,以660nm为中心的10nm波段宽的光子通量率,以730nm为中心的10nm波段宽的光子通量率,光敏素能使植物感知
45、其他植物的遮阴。植物受到周围植物遮阴时，茎伸长速度加快避阴反应（shade avoidance response）。,随遮阴程度增加，R / FR 比值下降，Pfr 转变成 Pr 越多，Pfr / Ptotal下降，可诱导阳生植物生长加快（以获取更多的光）；对阴生植物来说，这种关联就不强。因此，光敏素调控的植物生长与植物种生境间存在系统的相关性。,阳生植物有一个明显的适应值，受到遮阴时可将养分分配到生长更快的部位，增强生长以超过株冠，获得更多没有经过过滤的、光合有效的光。,阳生植物和阴生植物的光敏色素在遮阴感受中的作用。,这种避阴运动中，导致植株趋向节间伸长，叶面积减小，分枝减少。在光照不稀少
46、条件下，这种适应性是重要的。,hyB 在调节植物避阴反应中起重作用， phyD 和 phyE 也有作用，尤其是叶柄伸长。phyA 拮抗前三者介导的作用。,避阴反应可能是植物对自然环境高度适应的结果，有利于与其周围植物间的竞争。但对农作物来说，从生殖生长到营养生长的能量重新分配会导致产量降低。,对避阴反应机制的了解，为通过基因工程手段选育低避阴作物奠定基础。人们已构建了超表达 phyA 的转基因烟草植株，在高密度下生长时不表现出避阴反应，且比低密度下生长得更矮。,正常幼苗在早期阶段 phyB 已占主导作用，超表达 phyA 植株在丰裕远红光的遮光条件下保持了phyA，phyA的存在可引起 FR-HIR 反应的增加，并与phyB高控的避阴反应拮抗。,籽粒小的种子萌发对 R : FR 的需求,籽粒小的种子通常属于需光种子，萌发需要高的 R : FR 比值。植物株冠的遮阴水平也会影响它们的萌发。冠层的红光聚集可抑制多种小籽粒种子的萌发。,光敏素间的相互作用是复杂的， phyB 、 phyD 和 phyE 的作用是相互协同的；phyA 对 phyB 的作用可能协同或拮抗的，这取决于反应类型和组织差异。这种复杂的相互作用有利于植物对变化光环境进行精细监控和做出反应。,
