连接点滴：光感受器如何传递信息

2010年6月25日

连接点滴：光感受器如何传递信息

2010年6月25日

加利福尼亚州拉霍亚 — 对于植物来说，光就是生命。它驱动从光合作用到生长和繁殖的一切。然而，使光信号能够控制基因活性并最终影响植物结构的分子事件链仍然是个谜。现在，来自萨克生物研究所和杜克大学的研究人员团队已经确定了在光感受器被光激活后，发出信号重塑植物基因表达模式的信使。.

“光可能是对植物最重要的环境信号，”霍华德·休斯医学研究所的研究员说 乔安·乔里, ，博士，植物分子与细胞生物学实验室教授、主任，霍华德·H·纽曼和玛丽亚姆·R·纽曼讲席教授。“了解光信号如何触发植物的形态变化，将对植物生物学的各个方面产生重大影响。”

大多数动物都能远离不利条件，但植物是固着生活的，必须适应遇到的任何情况。“它们已经发展出惊人的可塑性来应对不断变化的环境条件，”第一作者 Meng Chen 博士说，他曾是 Chory 实验室的博士后研究员，现任杜克大学生物学系助理教授。.

他们的研究成果，发表于6月25日的 细胞, 使科学家们离利用植物的表型可塑性来提高农业产量和在严峻生长条件下管理杂草又近了一步。.

由于植物非常依赖光线，它们进化出了多种由吸收光线颜色定义的感光器。例如，吸收红光/远红光的光谱范围的感光器，也称为植物显色素，通过检测光线颜色的变化来感知附近其他植物的存在。然后在光线不足或检测到来自其他植物的竞争的情况下，植物利用这些信息将生长资源导向茎的伸长，而不是膨大收获部分，如叶子和种子。.

多年来，科学家们一直利用胚胎干或下胚轴的长度来量化植物对光的反应。但陈解释说，科学家们在理解拟南芥早期信号事件的机制方面仍然有所欠缺。.

其他研究表明，光直接调控着细胞色素A（PHYA）和细胞色素B（PHYB）从细胞质到细胞核的迁移，在那里它们聚集在通常被称为细胞色素核体的特定焦点中。陈通过观察到PHYB无法在大核体中找到，花费了数百小时坐在显微镜前，从而识别了一个新基因，HEMERA——以希腊黎明女神的名字命名。陈解释说，当HEMERA缺失时，植物无法对光作出反应，会长成细长、白化、在开花前就会死亡的幼苗。.

陈和他的合作者们随后发现，在 赫墨拉 突变体，细胞响应光线时必须降解的关键蛋白质仍然存在，从而让幼苗误以为仍处于黑暗中。进一步研究，他们发现在 HEMERA 和酵母蛋白 RAD23 之间存在着惊人的结构相似性，RAD23 的作用是将标记为待降解的蛋白质运送到细胞的“垃圾场”。因此，这些核体似乎是需要从细胞中去除的关键调节蛋白的去处。.

但陈还发现HEMERA还有其他作用：它也会进入叶绿体，叶绿体是含有叶绿素的细胞器，负责光合作用，这或许能解释hemera突变体呈苍白色的原因。“人们早就知道光的一个作用是触发幼苗出土后叶绿体的分化，”陈说。“但没有人知道触发因素是什么。”

尽管叶绿体拥有自己的微小基因组，但叶绿体成熟所需的大多数蛋白质都在细胞核中编码，并且需要被导向其最终目的地。为了确保叶绿体正常分化，细胞核中的基因表达需要与叶绿体中的基因表达协调一致。“一个能够到达这两种细胞器的蛋白质，可以作为一种简单而优雅的解决方案，来确保这两个区域的基因活性协调一致，”Chory说。“尽管我们不知道HEMERA在叶绿体中做什么，但它同时存在于细胞核和叶绿体中，将确保幼苗在破土而出时对光作出快速而适当的反应。”

参与该研究的还有来自杜克大学的Rafaelo M. Galvão和Meina Li，以及来自萨克生物研究所的Brian Burger、Jane Bugea和Jack Bolado。.

这项工作得到了美国国立卫生研究院、霍华德·休斯医学研究所、美国国家科学基金会和杜克大学的部分资助。.

关于萨尔克生物研究所
索尔克生物学研究所是世界顶尖的基础研究机构之一，其国际知名的教职员工在一个独特的、协作和富有创造性的环境中，致力于探索生命科学的基本问题。索尔克科学家们既专注于科学发现，也致力于培养下一代研究人员，通过研究神经科学、遗传学、细胞生物学和植物生物学及相关学科，为我们理解癌症、衰老、阿尔茨海默病、糖尿病和心血管疾病做出了开创性贡献。.

学院取得了许多成就，获得了包括诺贝尔奖和美国国家科学院院士在内的无数荣誉。该研究所由脊髓灰质炎疫苗先驱 Jonas Salk 博士于 1960 年创立，是一家独立的非营利组织和建筑地标。.

索尔克研究所为基础研究领域的卓越科学成就而自豪地庆祝了五十周年。.