综述：植物中的光信号转导：光敏色素核转位和光小体形成的见解

《New Phytologist》：Light signal transduction in plants: insights from phytochrome nuclear translocation and photobody formation

本综述系统探讨了植物光敏色素（phyA/phyB）的核转位机制及其在光信号转导中的核心作用。文章重点揭示了钙信号（Ca2+）通过激活CPK6/12激酶磷酸化phyB（Ser80/Ser106）以启动其核输入的新机制，并深入阐述了光小体（PBs）作为通过液-液相分离（LLPS）形成的无膜凝聚体在整合光温信号中的功能。同时，从进化角度解析了FHY1依赖和非依赖的核输入途径的起源与分化，为理解植物适应复杂光环境的分子基础提供了重要见解。

　　

光敏色素核转位机制：从胞质到核的信号之旅

光作为关键环境因子，精密调控植物的生长发育。光敏色素（phytochromes, phys）作为其中核心的光受体，在光激活后发生核转位，从而启动下游信号传导过程。在拟南芥中，phyA和phyB代表了不同的进化谱系，并采用截然不同的核输入机制。

光敏色素的结构与功能多样性

光敏色素为同源二聚体，每个单体包含N端感光模块（PSM）和C端输出模块（OPM）。PSM包括N端延伸（NTE）、PAS、GAF和PHY结构域，其中GAF结构域中的保守半胱氨酸共价连接线性四吡咯发色团——植物色素胆素（PΦB）。OPM则包含PAS相关结构域（PRD）和组氨酸激酶相关结构域（HKRD）。光吸收引发发色团构象变化，导致其在不同光谱下发生Pr（红光吸收）与Pfr（远红光吸收）形式之间的可逆光转换。

在拟南芥中，光敏色素家族分为两种功能类型：光不稳定的I型（phyA）主要负责极低红光/远红光比例下的感应，介导极低辐照度反应（VLFR）和远红光高辐照度反应（FR-HIR）；而光稳定的II型光敏色素（phyB-E）则依赖持续的高R/FR光比维持其Pfr构象，主要介导低辐照度反应（LFR）。

光调控的phyA核输入：FHY1/FHL依赖途径

phyA的核输入严格依赖于其核转运受体FHY1（FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL1）和FHL（FHY1-LIKE）。在黑暗条件下，phyA以Pr形式存在于细胞质中；在远红光照射下，Pfr-phyA与FHY1/FHL的C端phyA结合基序发生相互作用。FHY1/FHL的N端含有典型的核定位信号（NLS）和相邻的核导出信号（NES），其NLS被Importin-α（IMPα）特异性识别，介导依赖肌动蛋白的核输入，而NES则通过Exportin-1（XPO1）实现核导出，形成了一个动态的核质穿梭循环。

该过程受到转录和翻译后层面的精细调控。转录因子FHY3和FAR1通过结合FHY1和FHL的启动子上调其表达，间接调控phyA核输入。在翻译后层面，phyA在红光下促进FHY1在Ser36和Thr61位点的磷酸化，磷酸化的FHY1被滞留于胞质并被26S蛋白酶体降解，从而抑制phyA核转位。值得注意的是，这种红光诱导的磷酸化可被随后的远红光照射所逆转，体现了phyA通过LFR模式介导的可逆磷酸化过程，是微调phyA信号动力学的关键机制。

此外，FHY1的稳定性还受到可逆SUMO化修饰的调控。SUMO蛋白酶ASP1在远红光下与核内FHY1互作并介导其去SUMO化，增强FHY1稳定性。而长时间远红光照射会抑制ASP1积累，间接促进FHY1的SUMO化并加速其降解，实现远红光信号的脱敏。

光调控的phyB核输入：自主途径与钙信号调控

与phyA不同，phyB的核输入不依赖于FHY1/FHL。其C端的PRD结构域蕴含固有的核定位信号，但在黑暗条件下，N端PSM（Pr形式）与C端PRD相互作用，遮蔽了NLS。光诱导的构象变化 disrupt 了这种相互作用，从而暴露NLS，实现phyB的核输入。

最近的研究发现，红光激活的phyB会触发快速的胞质钙离子（Ca²⁺）信号。这一Ca²⁺信号主要由phyB介导，并通过遗传证据和R/FR光可逆性实验得到证实。钙离子流被药理学抑制后，光诱导的phyB核输入严重受损，表明钙信号是该过程的关键调控者。

研究人员通过筛选相互作用蛋白，发现两个phyB的互作因子——CPK6和CPK12，它们属于钙依赖性蛋白激酶（CPK）亚家族I组。红光激活的phyB触发胞质Ca²⁺浓度升高，进而激活CPK6/12。这些激酶直接结合Pfr-phyB并磷酸化其Ser80和Ser106位点，从而允许phyB进入细胞核并调控光响应基因的表达。非磷酸化形式的phyB-S80A/S106A突变体表现出胞质滞留现象，且无法回补phyB突变体表型，而附加外源NLS则能恢复其核定位及生理功能，证明S80/S106位点的磷酸化是phyB核输入的“开关”，且不影响其内在活性。

光小体：光信号转导中的动态凝聚体

光敏色素进入细胞核后，会组装成动态的亚细胞焦点，称为光小体（PBs）。这些无膜细胞器的形成由液-液相分离（LLPS）驱动。phyB的N端延伸（NTE）含有内在无序区（IDR），有助于其凝聚成PBs。PB的形成和维持还受到其他共调节因子的促进，包括PCH1、PCHL、HMR、NCP和RCB等，它们与phyB物理互作并共定位于这些核凝聚体中。

光小体表现出显著的可塑性，能根据环境信号动态调整其大小和分布。在高强度红光下，较高的Pfr水平促进形成更大的PBs；而在远红光、遮荫或高温条件下，Pfr向Pr的转化减少了PB的大小并促进其分解。phyB还通过其热回复效应参与温度感知，在温暖条件下，Pfr形式向Pr形式的转化速率增加，导致Pfr形式减少和小型PBs的形成。

光小体作为信号枢纽发挥多种功能：首先，作为储存容器，通过PCH1等共调节因子稳定Pfr-phyB；其次，作为信号转导平台，phyA和phyB与PIF1、PIF3等在PBs中共定位并互作，促进其被PPKs、CK2和MPK6等蛋白激酶磷酸化，随后发生泛素化降解；第三，phyA和phyB PBs还与SPA1等E3连接酶复合物互作，从而抑制SPA1-COP1 E3连接酶复合物的活性，保护光形态建成的正调节因子免受降解。

核输入机制的进化与多样化

系统发育分析表明，典型的光敏色素最早在绿色植物的共同祖先中进化而来，表明光调控核转位机制甚至在植物登陆之前就已出现。在早期分化的陆地植物（如苔藓植物）中，保留了兼具红光/远红光响应性的祖先光敏色素，可能采用混合的核输入策略。

基因复制推动了光敏色素的功能分化，使得植物能够适应复杂的光环境。在种子植物中，phyA和phyB的功能分化与不同的核输入机制共同进化：phyA依赖FHY1/FHL实现远红光诱导的核进入，而phyB则利用固有的NLS进行红光依赖性转运。系统发育分析表明，phyA/C和phyB/D/E支系的分裂发生在3亿多年前的祖先种子植物中，早于被子植物和裸子植物的分化。

结论与展望

核输入机制在光敏色素信号传导中扮演核心角色，反映了植物对环境线索的适应能力。祖先光敏色素在早期分化植物中功能未分化，但苔藓和种子植物中的谱系特异性基因复制导致了专门感知红光或远红光的光敏色素，它们具有截然不同的核输入途径。

对光敏色素核输入机制的理解不仅阐明了植物的适应策略，也为合成生物学中设计光响应系统提供了蓝图。通过将进化历史与分子创新相连接，这一领域有望为解决气候适应力和可持续农业等全球挑战提供解决方案。未来的研究必须优先开展跨学科合作，以揭示光敏色素信号传导的复杂性，并将这些见解转化为实际应用。