科学家可以启动植物对光的反应

科学家们已经弄清楚了植物是如何对光做出反应的，并且可以通过改变基因开关来促进食物生长，即使是在阴凉处。这一发现有助于在农业机会不断减少的情况下，为不断增长的人口增加食物供应。

　　

   

   

图片:暗生长(左)和光生长(右)的拟南芥幼苗。在黑暗中，PIF3有充分的反式激活活性，因此幼苗非常高。在光照条件下，光敏色素B抑制PIF3的稳定性和活性，使其生长速度减慢，使幼苗变短。

科学家们已经弄清楚了植物是如何对光做出反应的，并可以通过改变基因开关来促进食物的生长。这一发现有助于在农业机会不断减少的情况下，为不断增长的人口增加食物供应。

加州大学河滨分校(UC Riverside)领导的这项基因开关研究现已发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

几乎植物生长发育的每一个方面都受到光的影响。植物可以通过一种叫做光敏色素b的蛋白质感知光和温度，这种蛋白质将光信息传递到细胞中，从而改变基因组的表达，改变植物的生长。然而，光敏色素B不能直接与植物的DNA相互作用。为此，植物细胞依赖于一个由八种蛋白质组成的家族，称为PIFs。

“这些pif的活性直接受到光敏色素的控制，”该研究的主要作者、UCR植物学教授孟Chen说。除了控制在植物细胞中积累的PIFs的数量，科学家们已经了解到，当光敏色素B被光激活时，它会抑制PIFs的活动。

“PIFS就像餐厅里的厨师。你可以调节它们的数量。比如，砍掉一半，就会降低餐厅的生产效率。”“或者，你可以保留所有的厨师——在我们这里是pif——但束缚他们的手脚。这也会减慢他们的工作速度，就像甩掉一半的人一样。这就是我们要说的。”

科学家们还发现了植物对光反应的另一个关键成分。pif有两部分;一个是与基因结合的部分，另一个是激活基因的部分，这些基因告诉植物执行不同的功能，如生长或开花。这项研究发现了这些激活区域的精确位置——这是首次在植物细胞中进行这项研究。

为了找到这个激活区域，陈的团队将蛋白质切成许多小块。然后，他们检查了是否有任何片段能够激活基因，并发现其中一个是。为了了解更多的细节，科学家们改变了PIF上的氨基酸，他们认为激活区域就在PIF上，并观察了植物如何做出反应。这使得他们能够确定基因激活区域的位置以及它是如何构建的。

Chen说:“这种方法让我们惊奇地发现了植物中PIF的这一部分和人类中的肿瘤抑制蛋白之间的相似性。”事实上，陈教授说，植物、酵母和动物细胞的基本基因激活机制具有显著的相似性。

“植物、动物和真菌(比如面包酵母)都是从一个共同的祖先进化而来的，”陈说。“在植物、动物和真菌分化之前，DNA中的遗传信息会转化为RNA转化为蛋白质，而这种基本功能通过这些基因激活器在三个生命王国中得以保存。”

研究这些细胞功能的最大原因之一就是操纵它们。在这种情况下，这一发现可以让科学家打开或关闭与光和温度有关的基因，使作物种植者受益。

提高作物产量的部分策略是每英亩土地种植更多的植物。目前，如果你把作物放在一起太近，植物可以通过它们的阴影“看到”竞争的邻居。然后植物会使用更多的能量朝着阳光长得更高，但不一定是为了最大化叶子生长和种子产量。

或者，如果植物可以忽略它们的邻居，专注于叶子和种子的生产，而不是长得更高，种植者就可以在相同的面积上增加产量。

陈说:“你不仅想要茎干生长，还想要产量。”“因此，植物需要能量来制造叶子，这样它们就可以增加光合作用，即利用阳光制造食物的过程。你想让植物正确的部分生长。”

Chen的团队证明，通过降低PIF蛋白的活性，他们可以减缓茎的生长。因此，这项研究揭示了一种使植物长得更短的精确方法，这样即使在阴凉处，植物的种子、果实和可食用部分也能生长。

“现在我们知道了植物是如何根据光照和温度的变化来开启和关闭基因的，”陈说。“这是控制它们对光和温度反应的第一步，让它们在变化的气候中更能忍受不同的、有时具有挑战性的环境。”

DOI

10.1038 / s41467 - 021 - 25909 - 5

文章标题

Direct photoresponsive inhibition of a p53-like transcription activation domain in PIF3 by Arabidopsis phytochrome B