飞秒脉冲激光与连续波激光通过激活种子光敏色素调控生理响应的比较研究

本研究针对植物光信号传导中的关键问题，研究人员通过创新性地比较飞秒脉冲激光(fs)与连续波激光(cw)对拟南芥种子萌发和光形态建成的调控作用，揭示了phyB光敏色素在超短光脉冲(100 fs)下的高效光转换特性。研究证实飞秒激光虽需更高光通量(EC50 1660 μmol m-2)但能有效触发种子萌发和抑制下胚轴伸长，且不损害后期发育，为超快生物过程研究提供了新工具。

　　

在植物生长发育过程中，光信号如同无形的指挥家，通过光敏色素(phytochrome)等 photoreceptor 精确调控着种子萌发、幼苗光形态建成等关键生命活动。然而，传统光生物学研究多聚焦于毫秒至分钟量级的光照效应，对于自然界中不存在的飞秒级(10^-15秒)超短光脉冲如何影响植物生理，科学界仍知之甚少。更令人困惑的是，虽然已知phyB是红光(R)感知的核心受体，但其在超快光物理过程中的分子响应机制仍存在大量空白。

来自匈牙利塞格德大学(University of Szeged)和ELI ALPS极端光基础设施研究中心的Csenger Mark Szabo团队创新性地将超快激光技术与植物光生物学相结合。研究人员设计了一套精密的光照系统，首次比较了飞秒脉冲激光(fsR)与传统连续波光源(LEDR/DLR)对拟南芥种子光响应的调控差异。令人惊讶的是，尽管飞秒激光的实际光照时间累计仅100纳秒（比连续光源短10⁶倍），仍能有效激活phyB介导的种子萌发和光形态建成，且这种效应可通过远红光(fsFR)实现经典的光可逆调控。该突破性发现发表于《Scientific Reports》，为理解超快生物过程提供了全新研究范式。

关键技术方法包括：1）定制化光照系统实现飞秒Ti:Sa激光(100 fs/1 kHz)与连续光源的等效光通量控制；2）磁力搅拌种子悬浮液确保均匀辐照；3）96孔板高通量萌发分析平台；4）下胚轴长度数字化表型分析；5）多地点植物生长表型监测系统。

飞秒激光与连续光源的萌发诱导效率比较
通过精确控制光通量(8.5 μmol m^-2 s^-1)，研究发现连续红光(DLR)仅需10秒照射即可达到与72小时白光相当的萌发率(87%)，其EC₅₀为123 μmol m^-2。而飞秒激光(fsR)虽需更高光通量(EC₅₀ 1660 μmol m^-2)，但仍能诱导83%萌发率，证实phyB可感知极端短暂的光脉冲。

红光/远红光的光可逆调控
经典的光可逆现象在飞秒尺度重现：8500 μmol m^-2 fsR处理诱导92.4%萌发率，而后续fsFR照射可将其逆转至39.6%。在仅表达phyB的aBcde突变体中，该效应依然存在，确证phyB是主要效应因子。

phyB介导的下胚轴抑制

飞秒激光处理使黑暗生长的幼苗下胚轴长度显著缩短(4.36 mm vs 6.47 mm)，该效应同样受fsFR逆转。这表明种子中形成的Pfr足以启动持续数天的形态建成程序。

发育安全性验证
成人植株表型分析显示，飞秒激光处理不会影响PSII光化学效率(F_v/F_m)、非光化学淬灭(Y(NPQ))等关键生理参数，证实该技术的生物相容性。

这项研究首次在活体植物中证实：1）phyB可高效吸收飞秒级光脉冲并完成Pr?Pfr光转换，其时间尺度与体外研究相符；2）超短光脉冲诱导的生理响应遵循经典光可逆规律；3）飞秒激光为研究超快生物过程提供了独特工具。该发现不仅深化了对phytochrome分子机制的理解，更开辟了利用超快激光调控作物生长的潜在应用前景。正如作者指出，这项技术有望实现"在300年时长中精准投放1秒光照"般的极端时空控制，为农业光调控技术带来革命性突破。