植物学大牛Cell新文章颠覆传统观念

　　

生物通报道  尽管看似被动，植物会相互发动战争，使自己比竞争者更快速地生长并吸收阳光。如果一株植物被另一株所遮蔽，它会失去生存所必需的阳光。

为了躲避这种致命的遮蔽，植物具有一些光感受器，在遭到其他植物遮蔽的威胁时可以拉响内部警报。它们的感受器可以检测红光和蓝光耗尽来区别附近侵犯的植物及浮云。

Salk研究所的科学家们发现了植物一种评估遮蔽量，以比具有威胁性的邻居更快的速度生长的方法，这一研究发现可以利用来提高作物产量。发布在12月24日《细胞》（Cell）杂志上的这项新研究工作，阐明了植物中的分子传感器如何检测蓝光耗尽来触发加速生长以战胜竞争植物的机制。

领导这一研究的是Salk研究植物分子与细胞生物学主任、霍华德休斯医学研究所研究员Joanne Chory，这位女科学家在植物学研究领域首屈一指，获得了许多重要的研究成果。

Chory说：“获得这类的知识和发现，或许你最终可以教会植物忽略它处于荫蔽处这一事实，生成大量的生物质。”

新研究工作颠覆了该领域以往的观点。众所周知，细胞通过激活一种叫做生长素的生长激素来响应红光减少，战胜它的邻居。这是第一次研究人员证实避荫可通过一种完全不同的机制发生：并未改变生长素水平，一种叫做隐花色素的细胞传感器可通过开启一些促进细胞生长的基因来响应蓝光减少（延伸阅读：浙江师范大学Cell子刊揭示植物信号调控机制 ）。

这一新发现可以帮助研究人员了解如何改造植物基因来优化生长，例如迫使大豆或番茄作物更快速地生长，甚至在拥挤、荫蔽的田地里获得更大的产量。

研究小组将焦点放到了一种负责告知植物何时生长及何时开花的蓝光光敏传感器——隐花色素上。隐花色素首先是在植物中被鉴别出来，后来在动物中也发生了它们，在两种生物中隐花色素均与昼夜节律（机体生物钟）有关。过去已知这一蛋白在感受蓝光耗尽中起作用，但这项研究第一次阐明了隐花色素在荫蔽环境中促进生长的机制。

研究小组将正常和突变的拟南芥放到蓝光受限的光控制房间中。突变植物或是缺失隐花色素，或是缺失结合DNA而控制基因何时开启或关闭的一种蛋白——PIF转录因子。PIFs通常直接接触红光感受器——光敏色素来启动避荫性生长。研究人员通过检测茎的生长速度，观察隐花色素、PIFs与染色体之间的接触，比较了在不同蓝光条件下突变和正常植物的反应。

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“我们发现隐花色素接触DNA上的这些转录因子，以与其他光感受器完全不同的方式激活了基因。这是一个非常短的信号通路，因此植物可以快速地响应它们的光环境，”第一作者、Salk研究所研究助理Ullas Pedmale说。

下一步的工作是要了解如何操控这种生长反应。Chory说：“最终，我们可以通过改变植物如何长出叶子，叶子生长的速度，及叶子之间及相对于茎生长的角度，来帮助农民非常密集地种植作物。这将帮助提高未来几代作物的产量。”

Pedmale 说：“避荫和植物响应温度升高看起来相似，并且事实上共享了许多共同的分子元件。因此，研究避荫不仅将促成提高荫蔽环境中作物的产量，或许还可以阐明如何在温暖气候中提高产量。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Cryptochromes Interact Directly with PIFs to Control Plant Growth in Limiting Blue Light

Sun-loving plants have the ability to detect and avoid shading through sensing of both blue and red light wavelengths. Higher plant cryptochromes (CRYs) control how plants modulate growth in response to changes in blue light. For growth under a canopy, where blue light is diminished, CRY1 and CRY2 perceive this change and respond by directly contacting two bHLH transcription factors, PIF4 and PIF5. These factors are also known to be controlled by phytochromes, the red/far-red photoreceptors; however, transcriptome analyses indicate that the gene regulatory programs induced by the different light wavelengths are distinct. Our results indicate that CRYs signal by modulating PIF activity genome wide and that these factors integrate binding of different plant photoreceptors to facilitate growth changes under different light conditions.