Фитохром - Phytochrome

Фитохром
3G6O.pdb.jpg
Кристаллическая структура фитохрома.[1]
Идентификаторы
СимволФитохром
PfamPF00360
ИнтерПроIPR013515
Овсяный спектр поглощения фитохрома (Девлин, 1969)

Фитохромы являются классом фоторецептор в растения, бактерии и грибы используется для обнаружения света. Они чувствительны к свету в красный и дальний красный регион видимый спектр и могут быть классифицированы как Тип I, который активируется дальним красным светом, или Тип II, который активируется красным светом.[2] Последние достижения показали, что фитохромы также действуют как датчики температуры, поскольку более высокие температуры усиливают их дезактивацию.[3] Все эти факторы влияют на способность растения к прорастанию.

Фитохромы контролируют многие аспекты развития растений. Они регулируют прорастание из семена (фотобластика), синтез хлорофилл, удлинение сеянцев, размер, форма и количество и движение уходит и время цветение у взрослых растений. Фитохромы широко экспрессируются во многих тканях и на разных стадиях развития.[2]

Другие фоторецепторы растений включают: криптохромы и фототропины, которые отвечают на синий и ультрафиолетовый -Свет и UVR8, который чувствителен к ультрафиолетовый -B свет.

Структура

Фитохромы состоят из белок, ковалентно связан со светочувствительным билин хромофор.[4] Белковая часть состоит из двух идентичных цепей (А и В). Каждая цепочка имеет PAS домен, Домен GAF и домен PHY. Расположение доменов в фитохромах растений, бактерий и грибов сопоставимо, поскольку три N-концевых домена всегда являются доменами PAS, GAF и PHY. Однако С-концевые домены более расходятся. Домен PAS служит датчиком сигнала, а домен GAF отвечает за связывание с цГМФ, а также воспринимает световые сигналы. Вместе эти субъединицы образуют область фитохрома, которая регулирует физиологические изменения растений в зависимости от условий красного и дальнего красного света. У растений красный свет изменяет фитохром в его биологически активную форму, тогда как дальний красный свет изменяет белок в его биологически неактивную форму.

Изоформы или состояния

Две гипотезы, объясняющие индуцированные светом превращения фитохрома (Pр - красная форма, ПИК - дальняя красная форма, Б - белок). Слева - H+ диссоциация.[5] Справа - образование хлорофиллоподобного кольца.[6]

Фитохромы характеризуются фотохромностью красный / дальний красный. Фотохромные пигменты меняют свой «цвет» (спектральные свойства поглощения) при поглощении света. В случае фитохрома основным состоянием является Pр, то р Это означает, что он особенно сильно поглощает красный свет. Максимум поглощения представляет собой острый пик 650–670 нм, поэтому концентрированные растворы фитохрома для человеческого глаза выглядят бирюзово-голубыми. Но как только красный фотон поглощается, пигмент претерпевает быстрое изменение конформации с образованием Pfr штат. Вот fr указывает, что теперь преимущественно поглощается не красный, а дальний красный (также называемый «ближний инфракрасный»; 705–740 нм). Этот сдвиг оптической плотности очевиден человеческому глазу как более зеленоватый оттенок. Когда Pfr поглощает дальний красный свет и преобразуется обратно в Pр. Следовательно, красный свет делает Pfr, дальний красный свет делает Pр. В растениях не менее Pfr является физиологически активным или «сигнальным» состоянием.

Влияние фитохромов на фототропизм

Фитохромы также обладают способностью ощущать свет и заставляют растение расти навстречу свету, что называется фототропизм.[7] Яноуди и его коллеги хотели выяснить, какой фитохром вызывает фототропизм. Чтобы понять это, они провели серию экспериментов, которые нужно было начать с самого начала. Они обнаружили, что синий свет заставляет растение Arabidopsis thaliana проявлять фототропную реакцию, эта кривизна увеличивается с добавлением красного света.[7] Они обнаружили, что в растении присутствует пять фитохромов, они также обнаружили множество мутантов, у которых фитохромы не функционируют должным образом.[7] Два из этих мутантов были очень важны для этого исследования - это phyA-101 и phyB-1.[7] Это мутанты фитохрома А и В соответственно. Нормально функционирующий фитохром А вызывает чувствительность к дальнему красному свету и вызывает регуляцию выражения кривизны в направлении света.[7] В то время как фитохром В более чувствителен к красному свету.[7]

Эксперимент заключался в дикого типа форма Arabidopsis, phyA-101 (нуль-мутант фитохрома A (phyA)), phyB-1 (мутант с дефицитом фитохрома B).[7] Затем они подвергались воздействию белого света в качестве контрольного синего и красного света при разной плотности энергии света, измерялась кривизна.[7] Было определено, что для достижения фенотип phyA-101 дикого типа должен подвергаться воздействию на четыре порядка большей величины или около 100 мкмоль / м3.−2 флюенс.[7] Однако плотность энергии, которая заставляет phyB-1 проявлять ту же кривизну, что и у дикого типа, идентична таковой у дикого типа.[7] Было обнаружено, что фитохром, который экспрессировал большее, чем обычно, количество фитохрома А, по мере увеличения флюенса, кривизна также увеличивалась до 10 мкмоль-м.−2 кривизна была подобна дикому типу.[7] Фитохром, экспрессирующий более чем нормальное количество фитохрома B, демонстрировал кривизну, аналогичную таковой у дикого типа, при разной плотности энергии красного света вплоть до плотности 100 мкмоль-м.−2 при плотности энергии выше, чем эта кривизна, была намного выше, чем у дикого типа.[7]

Таким образом, эксперимент привел к открытию, что другой фитохром, помимо фитохрома А, влияет на кривизну, поскольку мутант не так уж далек от дикого типа, а phyA вообще не экспрессируется.[7] Таким образом, можно сделать вывод, что две фазы должны нести ответственность за фототропизм. Они определили, что отклик происходит при низких и высоких плотностях.[7] Это связано с тем, что для phyA-101 порог кривизны возникает при более высоких плотностях плотности энергии, но кривизна также возникает при низких значениях плотности энергии.[7] Поскольку порог мутанта возникает при высоких значениях плотности энергии, было определено, что фитохром А не отвечает за искривление при высоких значениях плотности энергии.[7] Поскольку мутант по фитохрому B проявлял реакцию, аналогичную реакции дикого типа, был сделан вывод, что фитохром B не нужен для увеличения воздействия низкой или высокой плотности энергии.[7] Было предсказано, что мутанты, которые сверхэкспрессируют фитохромы А и В, будут более чувствительными. Однако показано, что чрезмерная экспрессия phy A на самом деле не влияет на кривизну, поэтому фитохрома дикого типа достаточно для достижения максимальной кривизны.[7] Для мутанта со сверхэкспрессией фитохрома В более высокая кривизна, чем обычно, при более высоких плотностях света указывает на то, что phy B контролирует кривизну при высоких плотностях энергии.[7] В целом они пришли к выводу, что фитохром А регулирует кривизну при низкой плотности энергии света.[7]

Влияние фитохромов на рост корней

Фитохромы также могут влиять на рост корней. Хорошо задокументировано, что гравитропизм является основным тропизмом корней. Однако недавнее исследование показало, что фототропизм также играет роль. Положительный фототропизм, индуцированный красным светом, был недавно зарегистрирован в эксперименте, в котором использовался арабидопсис, чтобы проверить, какие участки растения оказывают наибольшее влияние на положительный фототропный ответ. Экспериментаторы использовали устройство, которое позволяло устанавливать верхушку корня в ноль градусов, так что гравитропизм не мог быть конкурирующим фактором. При освещении красным светом корни арабидопсиса имели искривление от 30 до 40 градусов. Это показало положительный фототропный отклик в красном свете. Затем они хотели точно определить, где именно в растении попадает свет. Когда корни были закрыты, искривление корней при воздействии красного света практически отсутствовало. Напротив, когда побеги были закрыты, наблюдалась положительная фототропная реакция на красный свет. Это доказывает, что светочувствительность имеет место в боковых корнях. Для дальнейшего сбора информации о фитохромах, участвующих в этой активности, мутанты фтохрома A, B, D и E и корни WT подвергались воздействию красного света. Мутанты фитохрома А и В были серьезно повреждены. Не было значительной разницы в ответе phyD и phyE по сравнению с диким типом, доказывая, что phyA и phyB ответственны за положительный фототропизм в корнях.

Биохимия

Химически фитохром состоит из хромофор, одиночная молекула билина, состоящая из открытой цепи из четырех пиррол кольца, ковалентно связанные с белок фрагмент через высококонсервативную аминокислоту цистеин. Именно хромофор поглощает свет и в результате изменяет конформацию билина, а затем и присоединенного белка, изменяя его из одного состояния или изоформы в другое.

Хромофор фитохрома обычно фитохромобилин, и тесно связан с фикоцианобилин (хромофор фикобилипротеины использован цианобактерии и красные водоросли улавливать свет для фотосинтез ) и желчь пигмент билирубин (на структуру которой также влияет воздействие света, что используется в фототерапия из желтушный новорожденные). Термин «били» во всех этих именах относится к желчи. Билины образуются из замкнутого тетрапиррольного кольца гема в результате окислительной реакции, катализируемой оксигеназой гема, с образованием их характерной открытой цепи. Хлорофилл тоже происходит от гема (Гем ). В отличие от билинов, гем и хлорофилл несут в центре кольца атом металла, железа или магния соответственно.[8]

Pfr состояние передает сигнал другим биологическим системам клетки, таким как механизмы, ответственные за ген выражение. Хотя этот механизм почти наверняка биохимический процесс, он все еще является предметом многочисленных споров. Известно, что хотя фитохромы синтезируются в цитозоль и Pр форма локализована там, Pfr форма, создаваемая световым освещением, перемещается в ядро клетки. Это подразумевает роль фитохрома в контроле экспрессии генов, и известно, что многие гены регулируются фитохромом, но точный механизм еще не полностью открыт. Было высказано предположение, что фитохром в составе Pfr форма, может действовать как киназа, и было продемонстрировано, что фитохром в Pfr форма может взаимодействовать напрямую с факторы транскрипции.[9]

Открытие

Пигмент фитохром был открыт Стерлинг Хендрикс и Гарри Бортвик на USDA-ARS Центр сельскохозяйственных исследований Белтсвилля в Мэриленд в период с конца 1940-х до начала 1960-х гг. С помощью спектрограф построенные из заимствованных и излишков военного времени, они обнаружили, что красный свет очень эффективен для стимулирования прорастания или запуска реакции цветения. Ответы на красный свет были обратимы дальним красным светом, что указывает на присутствие фотообратимого пигмента.

Пигмент фитохром был идентифицирован с помощью спектрофотометр в 1959 году биофизиком Уоррен Батлер и биохимик Гарольд Сигельман. Батлер также создал название «фитохром».

В 1983 году лаборатории Питера Куэла и Кларка Лагариаса сообщили о химической очистке целой молекулы фитохрома, а в 1985 году о первом фитохроме. последовательность гена был опубликован Говардом Херши и Питером Куэллом. К 1989 году молекулярная генетика и работа с моноклональные антитела что существует более одного типа фитохрома; например, горох Было показано, что растение имеет по крайней мере два типа фитохромов (тогда называемых типом I (обнаруживается преимущественно в темных проростках) и типом II (преобладает в зеленых растениях)). Теперь это известно секвенирование генома это Арабидопсис имеет пять генов фитохромов (PHYA-E), а в том рисе только три (PHYA-C). Хотя это, вероятно, отражает состояние некоторых двудольных и однодольных растений, многие растения являются полиплоид. Следовательно кукуруза, например, имеет шесть фитохромов - phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 и phyC2. Хотя все эти фитохромы имеют существенно разные белковые компоненты, все они используют фитохромобилин в качестве своего светопоглощающего хромофора. Фитохром А или phyA быстро разлагается в форме Pfr - гораздо сильнее, чем другие члены этого семейства. В конце 1980-х лаборатория Vierstra показала, что phyA разлагается системой убиквитина, первой естественной мишени системы, идентифицированной у эукариот.

В 1996 году Дэвид Кехо и Артур Гроссман из Института Карнеги Стэнфордского университета идентифицировали белки в нитевидных тканях. цианобактерии Fremyella diplosiphon, названный RcaE, с фитохромом, подобным растительному, который контролировал красно-зеленый фотообратимый ответ, называемый хроматической акклиматизацией, и идентифицировал ген в секвенированном, опубликованном геноме цианобактерии Synechocystis с более близким сходством с фитохромами растений. Это было первое свидетельство наличия фитохромов вне царства растений. Джон Хьюз из Берлина и Кларк Лагариас из Калифорнийского университета в Дэвисе впоследствии показали, что этот ген Synechocystis действительно кодирует добросовестный фитохром (названный Cph1) в том смысле, что это красный / дальний красный обратимый хромопротеин. Предположительно фитохромы растений произошли от наследственного цианобактериального фитохрома, возможно, в результате миграции генов из хлоропласт к ядру. Впоследствии фитохромы были обнаружены и в других прокариоты в том числе Дейнококк радиодуранс и Agrobacterium tumefaciens. В Деинококк фитохром регулирует выработку светозащитных пигментов, однако в Synechocystis и Агробактерии биологическая функция этих пигментов до сих пор неизвестна.

В 2005 году лаборатории Vierstra и Forest в Университет Висконсина опубликовал трехмерную структуру усеченного Деинококк фитохром (домены PAS / GAF). Эта статья показала, что белковая цепь образует узел - очень необычная структура для белка. В 2008 году две группы из Эссена и Хьюза в Германии и Янга и Моффата в США опубликовали трехмерные структуры всей фотосенсорной области. Одна структура была для Synechocystis sp. (штамм PCC 6803) фитохром в Pr и другой для Синегнойная палочка фитохром в Pfr штат. Структуры показали, что консервативная часть домена PHY, так называемый язык PHY, принимает разные складки. В 2014 году Такала и др. Подтвердили, что рефолдинг происходит даже для одного и того же фитохрома (из Деинококк ) в зависимости от условий освещения.

Генная инженерия

Примерно в 1989 г. несколько лабораторий успешно производили трансгенные растения которые продуцировали повышенное количество различных фитохромов (чрезмерное выражение ). Во всех случаях полученные растения имели заметно короткие стебли и темно-зеленые листья. Гарри Смит и его сотрудники из Лестерского университета в Англии показали, что, увеличивая уровень экспрессии фитохрома А (который реагирует на дальний красный свет), избегание тени ответы могут быть изменены.[10] В результате растения могут тратить меньше энергии на то, чтобы расти как можно выше, и иметь больше ресурсов для выращивания семян и расширения своей корневой системы. Это может иметь много практических преимуществ: например, травинки, которые будут расти медленнее, чем обычная трава, не потребуют такой частой стрижки, или культурные растения могут передавать больше энергии зерну, а не расти выше.

использованная литература

  1. ^ PDB: 3G6O​; Ян Х, Кук Дж, Моффат К. (2009). «Кристаллическая структура мутанта Q188L бактериофитохромного фотосенсорного домена PaBphP P. aeruginosa». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 106 (37): 15639–15644. Дои:10.1073 / pnas.0902178106. ЧВК  2747172. PMID  19720999.
  2. ^ а б Ли Дж, Ли Дж, Ван Х, Ван Дэн Х (2011). «Сигнальные механизмы фитохрома». Книга об арабидопсисе. 9: e0148. Дои:10.1199 / таб.0148. ЧВК  3268501. PMID  22303272.
  3. ^ Холлидей, Карен Дж .; Дэвис, Сет Дж. (2016). «Светочувствительные фитохромы чувствуют тепло» (PDF). Наука. 354 (6314): 832–833. Bibcode:2016Научный ... 354..832H. Дои:10.1126 / science.aaj1918. PMID  27856866. S2CID  42594849.
  4. ^ Шаррок Р. А. (2008). Суперсемейство фоторецепторов фитохром красный / дальний красный. Биология генома, 9 (8), 230. DOI: 10.1186 / gb-2008-9-8-230 ЧВК  2575506
  5. ^ Бритц С.Дж., Галстон А.В. (февраль 1983 г.). "Физиология движений в стеблях проростков Pisum sativum L. cv Alaska: III. Фототропизм по отношению к гравитропизму, нутации и росту". Физиология растений. 71 (2): 313–318. Дои:10.1104 / стр.71.2.313. ЧВК  1066031. PMID  16662824.
  6. ^ Уокер Т.С., Бейли Дж. Л. (апрель 1968 г.). «Две спектрально разные формы хромофора фитохрома, экстрагированные из этиолированных проростков овса». Biochem J. 107 (4): 603–605. Дои:10.1042 / bj1070603. ЧВК  1198706. PMID  5660640.
  7. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q р s т Абдул-кадер, Джануди (1977). «Множественные фитохромы участвуют в индуцированном красным светом усилении первого положительного фототропизма у Arabidopsis thaliana» (PDF). www.plantphysiol.org.
  8. ^ Маузет, Джеймс Д. (2003). Ботаника: введение в биологию растений (3-е изд.). Садбери, Массачусетс: Джонс и Бартлетт Обучение. С. 422–427. ISBN  978-0-7637-2134-3.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
  9. ^ Шин, А-Янг; Хан, Юн-Чжон; Пэк, Аён; Ан, Таэхо; Ким, Су Ён; Нгуен, Тай Сон; Сын Минки; Ли, Кын Ву; Шен, Ю (2016-05-13). «Доказательства того, что фитохром функционирует как протеинкиназа в световой сигнализации растений». Nature Communications. 7 (1): 11545. Bibcode:2016НатКо ... 711545S. Дои:10.1038 / ncomms11545. ISSN  2041-1723. ЧВК  4869175. PMID  27173885.
  10. ^ Робсон, П. Р. Х., Маккормак, А. С., Ирвин, А. С. и Смит, Х. Генная инженерия индекса урожайности табака посредством сверхэкспрессии гена фитохрома. Nature Biotechnol. 14, 995–998 (1996).
  • Гурурани, Маянк Ананд, Марккандан Ганесан и Пилл-Сун Сонг. «Фотобиотехнология как инструмент улучшения агрономических свойств сельскохозяйственных культур». Успехи биотехнологии (2014).

Источники