幼苗感知第一縷光后如何開啟新的生命歷程？科學家發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵開關(guān)

當我們把一顆種子埋在土壤中，它在黑暗中萌發(fā)，長出細長的黃化幼苗。而一旦接觸到陽光，幼苗就會立刻停止伸長，葉片迅速轉(zhuǎn)綠——這一神奇的生命轉(zhuǎn)換背后，隱藏著植物感知和傳遞光線密碼的精密分子機制。

近日，中國科學院華南植物園劉勛成研究員團隊首次揭示了一種名為“乙酰化”的蛋白質(zhì)修飾方式在幼苗從“破土” 到“見光生長”過程中的核心調(diào)控作用。該成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《分子植物》（Molecular Plant）。

（圖片來源：作者使用AI生成）

幼苗從黑暗到照光后的劇變：蛋白質(zhì)“去乙酰化”大爆發(fā)

種子植物一生中最重要的轉(zhuǎn)變之一，就是從黑暗中的“黃化生長”（skotomorphogenesis）轉(zhuǎn)向光照下的“光形態(tài)建成”（photomorphogenesis）。這一過程涉及成千上萬蛋白質(zhì)的精密調(diào)控。賴氨酸乙酰化修飾（Lys-Ac）作為一種進化上保守而重要的蛋白質(zhì)修飾方式，這種修飾方式可以改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和功能，在植物發(fā)育中扮演著關(guān)鍵角色。然而，它在幼苗“脫黃化”過程中的具體功能，一直是個未解之謎。

該團體以模式植物擬南芥（一種生長周期短，個體小，且易于遺傳轉(zhuǎn)化的植物材料）為研究對象，創(chuàng)新性地對幼苗進行了光照前后的全蛋白質(zhì)組乙酰化修飾分析。結(jié)果令人驚訝：當黑暗中的幼苗接觸到光后，蛋白質(zhì)的賴氨酸乙酰化修飾呈現(xiàn)大面積減少——這提示著“去乙酰化”過程在光信號傳導中扮演關(guān)鍵角色。

光受體phyA動態(tài)乙酰化變化：一個關(guān)鍵的分子開關(guān)被發(fā)現(xiàn)

在植物從黑暗環(huán)境轉(zhuǎn)向光照的過程中，光受體蛋白扮演著至關(guān)重要的角色。本研究就聚焦于植物重要的光受體——光敏色素A（phyA）。團隊在早期研究中，通過最前沿的高通量蛋白質(zhì)乙酰化組學實驗，比較了黑暗生長的擬南芥幼苗與出土見光生長3小時后的幼苗中發(fā)生乙酰化修飾變化的蛋白質(zhì)和位點。發(fā)現(xiàn)當黃化幼苗見光后，phyA蛋白第65位的賴氨酸（K65）會發(fā)生特異性去乙酰化修飾。

更關(guān)鍵的是，這個位點正是調(diào)控phyA穩(wěn)定性的“分子開關(guān)”：K65去乙酰化直接促進phyA的泛素化修飾（一種蛋白質(zhì)修飾方式，通常作為蛋白質(zhì)降解的標記物）；泛素化標記進而引導phyA被26S蛋白酶體降解。這一降解過程對phyA行使光信號傳導功能至關(guān)重要。這是因為，作為光的信使，phyA蛋白在傳遞完光信號的幾個小時內(nèi)，必須要盡快的降解，從而避免過度的生化作用抑制幼苗的發(fā)育。

鎖定關(guān)鍵調(diào)控因子：植物特有的HDT2

我們進一步追蹤發(fā)現(xiàn)，一種植物特有的去乙酰化酶HDT2，正是操控這一過程的關(guān)鍵因子。

通過蛋白質(zhì)互作分析技術(shù)，如蛋白質(zhì)復合體分析、雙分子熒光互補以及免疫共沉淀等實驗，我們發(fā)現(xiàn)HDT2在細胞核內(nèi)與phyA直接相互作用，并特異性催化phyA的K65位點去乙酰化，促進phyA的泛素化修飾與蛋白質(zhì)的快速降解。

我們還開展了遺傳學實驗對此進行證實，結(jié)果顯示，HDT2缺失突變體在遠紅光下表現(xiàn)出明顯的光形態(tài)建成缺陷，充分說明該酶在phyA介導的光信號通路中的核心地位。

圖注：野生型和HDT2缺失突變體幼苗在遠紅光下的生長表型

（圖片來源：參考文獻[1]）

科學意義：揭示光控植物發(fā)育新機制

這項研究具有重要的科學意義，首次揭示出光觸發(fā)蛋白質(zhì)大規(guī)模去乙酰化是幼苗脫黃化的關(guān)鍵事件，其中光受體phyA通過其K65位點的特異性去乙酰化實現(xiàn)自身降解調(diào)控。值得注意的是，研究還鑒定出植物特有酶HDT2是光信號與蛋白質(zhì)修飾的橋梁，這一發(fā)現(xiàn)為理解植物光形態(tài)建成的分子機制提供了全新視角。

“這項工作揭示了賴氨酸去乙酰化修飾在植物光形態(tài)建成中的核心地位，”劉勛成研究員表示，“它首次證明蛋白質(zhì)乙酰化修飾直接調(diào)控光受體的穩(wěn)定性，為理解植物光信號轉(zhuǎn)導開辟了新維度。”

這項基礎(chǔ)研究的突破，不僅加深了對植物光感知機制的認知，也為未來通過分子設(shè)計調(diào)控作物幼苗生長提供了新的理論靶點。

結(jié)語

當種子破土而出，幼苗迎接第一縷陽光時，一場由HDT2精密調(diào)控的蛋白質(zhì)去乙酰化風暴正在細胞核內(nèi)上演——正是這些納米尺度的分子事件，決定了植物生命的綠色轉(zhuǎn)型，也成為植物開啟光合生命的第一個重要轉(zhuǎn)折點。從黑暗到光明，從依賴到自養(yǎng)，這場微觀世界的分子風暴，最終推動了植物王國至關(guān)重要的生存轉(zhuǎn)型。

參考文獻：

[1]Zheng, Feng, et al.“HDT2-mediated lysine deacetylation promotes phytochrome A degradation during photomorphogenesis in Arabidopsis.”Molecular Plant (2025).

出品：科普中國

作者：劉勛成（中國科學院華南植物園）

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