日本结缕草（Zoysia japonica）的延长下胚轴（elongated hypocotyl）与STO蛋白相互作用，导致匍匐剪股颖（Agrostis stolonifera）的叶片变窄以及叶绿体类囊体结构发生改变

《Industrial Crops and Products》：Zoysia japonica ELONGATED HYPOCOTYL5 Interacts with STO to induce leaf narrowing and chloroplast thylakoid structural alterations in Agrostis stolonifera

光信号调控植物发育中HY5基因的功能及其互作研究。通过酵母双杂交和BiFC技术鉴定出ZjHY5的新互作蛋白ZjSTO，证实两者在叶绿体中相互作用。过表达ZjHY5导致狗牙根叶片变窄、类囊体结构改变（颗粒直径减少17.7%，层数减少51.3%），并显著上调IAA、GA3等激素水平，同时抑制MeJA含量。转录组分析揭示调控光合系统II组装、抗氧化通路及激素信号转导的1,706个差异基因。电子显微镜显示转植株类囊体膜堆密度降低，结合蛋白质互作和代谢组学分析，阐明ZjHY5通过调控光受体相关基因影响光合结构和抗逆性的分子机制。

　　光是植物生命活动中不可或缺的环境信号，不仅影响光合作用的能量生产，还在植物的生长发育过程中扮演着关键角色。研究发现，ELONGATED HYPOCOTYL 5（HY5）这一关键基因在调控光信号传导和植物形态变化方面具有重要作用。通过酵母双杂交筛选，科学家在 Zoysia japonica（日本结缕草）中发现了一个新的 HY5 相互作用蛋白 ZjSTO（GenBank 登录号：OP748368），并进一步证实它们在叶绿体中的相互作用。这一发现为理解植物如何响应光信号提供了新的视角，也为光信号调控植物生长的机制研究提供了基础。

在实验中，研究人员通过转基因技术将 ZjHY5 基因导入 creeping bentgrass（匍匐翦股颖），并观察其对植物形态和生理特性的影响。结果显示，ZjHY5 的过表达显著改变了植物叶片的形态，使其变薄、变窄，并且叶绿体中的类囊体结构也发生了变化。此外，转基因植物的类囊体堆叠结构的直径和层数明显减少，这与低强度白光处理的效果相似。这一现象表明，ZjHY5 在调控叶绿体结构方面具有重要作用，可能通过影响类囊体的排列和堆叠方式，从而优化光能的吸收效率。

为了进一步揭示 ZjHY5 在植物光信号响应中的具体作用，研究人员还对植物体内多种激素的含量进行了分析。结果显示，过表达 ZjHY5 的转基因植物中，IAA（生长素）、GA3（赤霉素）、ABA（脱落酸）、DHZR（二氢玉米素核苷）、ZR（玉米素核苷）和 GA4（赤霉素 A4）的含量均显著高于对照组，而 MeJA（甲基茉莉酮酸）的含量则明显下降。这表明 ZjHY5 的表达可能通过调控植物体内激素的合成与代谢，进而影响植物的生长模式和形态变化。值得注意的是，BR（油菜素内酯）的含量在转基因和对照组之间没有显著差异，说明 ZjHY5 的作用可能更偏向于其他激素调控的方面。

此外，通过透射电镜和转录组分析，研究人员发现 ZjHY5 的过表达显著改变了叶绿体类囊体的形态，并影响了与光合作用相关的蛋白质表达。这些变化与植物从黑暗环境向光照环境过渡的需求相吻合，表明 ZjHY5 在调控叶绿体结构和功能方面具有重要作用。同时，转录组分析揭示了 ZjHY5 对多个与光合作用相关的基因表达具有显著影响，包括光捕获复合体、光系统 II 组装、光形态建成、昼夜节律以及类胡萝卜素生物合成等。其中，许多编码光捕获蛋白的基因在转基因植物中表现出上调趋势，这可能意味着 ZjHY5 在增强光能捕获效率方面发挥着关键作用。

在光信号传导过程中，ZjHY5 还与其他光受体和信号传导分子相互作用。例如，ZjHY5 与 ZjSTO 的相互作用可能通过调节光信号的传导路径，影响植物对光环境的适应性。STO 基因在植物中通常作为盐胁迫的负调控因子，但其与 HY5 的相互作用表明，它可能在光信号调控中也具有重要作用。在 Arabidopsis thaliana 中，AtSTO 与 HY5 相互作用，并在 UV-B 光诱导下抑制 hypocotyl（子叶轴）的伸长，这提示 ZjSTO 可能通过类似机制影响 ZjHY5 的功能。通过酵母双杂交和双分子荧光互补（BiFC）实验，研究人员确认了 ZjHY5 与 ZjSTO 的相互作用，并进一步分析了它们的结合模式和相互作用位点。结果显示，ZjHY5 与 ZjSTO 的结合表面通过盐桥、氢键和疏水相互作用形成稳定的复合体，这可能对光信号的传导和植物的光形态建成具有重要意义。

从实验数据来看，ZjHY5 的过表达不仅改变了植物的形态结构，还显著影响了其生理特性。例如，在不同光照条件下，转基因植物的细胞膜离子泄漏率高于对照组，这可能表明其细胞膜稳定性受到一定程度的影响。同时，转基因植物的总抗氧化能力显著增强，而膜脂过氧化产物 MDA（丙二醛）的含量在无光或仅远红光照射下高于对照组，这说明 ZjHY5 的表达可能增加了植物对氧化损伤的敏感性。然而，这种变化也可能是植物为了适应不同的光环境而进行的一种自我调节机制，通过增强抗氧化能力来维持细胞的稳定性和功能。

在光合作用相关蛋白的表达方面，ZjHY5 的过表达显著提高了多个光捕获蛋白的表达水平，包括 PSI（光系统 I）和 PSII（光系统 II）的光捕获复合体蛋白。这些蛋白在光合作用过程中负责吸收和传递光能，因此它们的表达水平变化可能直接影响植物的光能转化效率。此外，ZjHY5 还影响了与光系统 II 反应中心亚基相关的基因表达，其中部分亚基的表达水平显著上调，而另一些则未发生变化。这种差异可能反映了 ZjHY5 在光系统 II 蛋白调控中的选择性作用，可能与光信号的强度和波长有关。

研究还发现，ZjHY5 的过表达显著改变了植物的昼夜节律相关基因的表达模式。在“植物昼夜节律”这一通路中，多个基因的表达水平在转基因植物中发生了变化，包括 CRY（隐花色素）、COP1（抑制光形态建成的 E3 连接酶）、FT（开花时间基因）和 SPA1（光信号传导相关蛋白）等。这些基因的表达变化可能表明 ZjHY5 在调控植物的生物钟方面也具有重要作用，从而帮助植物更好地适应光环境的变化。

通过转录组分析，研究人员还发现了 ZjHY5 对植物激素信号传导通路的显著影响。在“植物激素信号传导”这一通路中，有 318 个基因被鉴定为与 ZjHY5 的调控相关，其中包括多种激素信号传导相关蛋白，如生长素、细胞分裂素、赤霉素和脱落酸的信号传导分子。这些基因的表达变化可能表明，ZjHY5 在植物对多种环境信号的响应中起着协调作用，帮助植物在不同光照条件下实现最佳的生长和发育状态。

综合来看，ZjHY5 的过表达不仅改变了植物的形态结构，还显著影响了其生理和分子层面的特性。这一研究揭示了 ZjHY5 在光信号传导中的关键作用，尤其是在调控叶绿体结构、光合作用相关蛋白表达以及植物激素平衡方面。通过与 ZjSTO 的相互作用，ZjHY5 可能作为系统信号分子，帮助植物在不同光条件下实现光形态建成的适应性调整。此外，ZjHY5 的表达还与植物的抗氧化能力和细胞膜稳定性密切相关，这提示其在植物对环境胁迫的响应中可能具有重要作用。

本研究的结果对于理解光信号如何调控植物的生长发育具有重要意义。在实际应用中，这些发现可能为提高 turfgrass（草坪草）的光适应性提供新的思路。例如，通过调控 ZjHY5 的表达，可以优化草坪草的叶片形态和光合作用效率，使其在不同光照条件下表现出更强的生长能力。此外，ZjHY5 与光信号传导相关基因的相互作用也为进一步研究植物光信号传导网络提供了理论依据。

在光信号传导过程中，植物需要精确调控其内部的信号传导路径，以适应外部环境的变化。HY5 作为光信号传导的关键调控因子，其功能可能不仅限于光形态建成，还可能涉及植物的其他生理过程，如细胞伸长、细胞分裂、叶绿体发育、色素积累和营养吸收等。通过与其他信号传导分子的相互作用，HY5 可能协调多个信号通路，确保植物在不同光条件下实现最佳的生长和发育。这一发现也表明，HY5 在植物的多方面发育过程中具有重要作用，可能作为多种环境信号的整合点。

在研究中，ZjHY5 的过表达还导致了植物叶片的形态变化，如变薄和变窄。这种变化可能与光合作用效率的提升有关，因为更薄的叶片可能有助于光的穿透和吸收，而更窄的叶片则可能减少光的散射，提高光能的利用效率。此外，叶绿体类囊体的结构变化，如类囊体堆叠的减少，可能意味着植物在低光条件下通过调整叶绿体结构来优化光能的捕获和利用。这一现象在其他植物中也有类似报道，例如在 Arabidopsis thaliana 中，低光条件下的类囊体堆叠减少，这可能是一种植物适应低光环境的策略。

通过结合酵母双杂交和双分子荧光互补技术，研究人员进一步确认了 ZjHY5 与 ZjSTO 的相互作用。这种相互作用可能通过调节光信号的传导路径，影响植物对光环境的适应性。例如，ZjSTO 作为光信号传导中的一个负调控因子，可能在低光条件下抑制 HY5 的功能，从而降低光形态建成的效率。而在高光条件下，ZjHY5 的过表达可能通过增强光信号的传导，提高植物的光适应能力。

此外，本研究还发现 ZjHY5 的表达对植物的抗氧化系统有显著影响。在不同光照条件下，转基因植物的总抗氧化能力明显增强，而膜脂过氧化产物 MDA 的含量则在无光或远红光照射下升高。这可能意味着 ZjHY5 的表达增加了植物对氧化损伤的敏感性，同时也提示其在调控植物抗氧化能力方面具有双重作用。一方面，它可能通过增强抗氧化能力来保护细胞免受氧化损伤；另一方面，其表达可能在某些条件下导致氧化应激的增加，从而影响植物的生理状态。

综上所述，ZjHY5 在植物的光信号传导和形态建成中起着关键作用。通过调控叶绿体结构、光合作用相关蛋白的表达以及植物激素的平衡，ZjHY5 帮助植物更好地适应不同光环境。这一研究不仅深化了我们对植物光信号传导机制的理解，也为未来的植物育种和基因工程提供了重要的理论依据和应用方向。