太陽光不僅是植物生長的能量來源🧔🏽‍♀️，還是調節植物生長發育過程的關鍵信號。光敏色素是植物的紅光/遠紅光感受器👨‍🌾，作為植物的“眼睛”扮演重要角色🚣‍♀️。當下全球氣候變化愈加頻繁、耕地資源逐步縮緊🐞，維護全球糧食安全是一嚴重挑戰。過去近一個世紀🚯🧝🏽‍♀️，農作物產量的不斷提高得益於越來越耐密植的作物新品種。將來作物產量進一步提高也將繼續依賴於培育更耐密集種植的新品種。由於密植遮蔭環境中植物的感光機理和耐密高產性狀均和植物光敏色素蛋白息息相關🗒，闡明植物光敏色素響應以及傳遞光信號的機製將有助於改善作物密植性能及對復雜環境的適應性，從而為糧食安全的保障作出貢獻👲🏿。

高等植物主要編碼以光敏色素A（phyA）和光敏色素B（phyB）為代表的兩類光敏色素，其中phyB是介導可逆紅光響應的主要紅光受體🏄🏻。光敏色素通過發色團PΦB在紅光吸收態（Pr，基態）以及遠紅光吸收態（Pfr，激活態）之間進行可逆轉變🏜👈🏻。擬南芥phyB被光激活後，可以直接與一類光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factor👎🏿，PIF)互作，傳遞光信號並調控下遊基因表達，促進光形態建成。因此phyB和PIFs構成了植物響應周圍光環境的關鍵信號模塊。擬南芥中8個PIF成員（PIF1-8）均包含兩個重要結構域：N端為結合phyB-Pfr的激活態結合域（Active-PHYB Binding motif，APB）🥫，其C端為結合DNA的bHLH二聚化結構域。在黑暗條件下🦛，phyB-Pr定位於細胞質中🗾，PIF1/3/4/5在核中作用驅動幼苗暗形態建成的發育過程（下胚軸伸長🍾，子葉閉合）🧖‍♀️。一旦幼苗感知紅光👨🏼‍🦱，phyB-Pfr入核進而負調控上述PIFs，抑製下胚軸伸長和促進子葉展開，並維持植物光生長形態。盡管2022年美國Vierstra團隊在《自然》（Nature）發文揭示了phyB-Pr的結構🙅🏿‍♀️🧑🏼‍🍼，但phyB-Pfr及其識別PIF的結構生物學基礎及其調控機理仍不清楚。

2024年9月24日🧢，意昂3体育官网現代農學院王繼縱研究員課題組與鄧興旺教授課題組合作在《細胞》（Cell）發表了題為“Light-induced remodeling of phytochrome B enables signal transduction by phytochrome-interacting factor”的研究論文🧑🏼‍🚒，揭示了長期以來期待的phyB光信號轉導的最初反應機製。

論文截圖

該研究解析了模式植物擬南芥光激活態phyB-Pfr以及不依賴於光的組成型激活突變體phyB^Y276H分別結合下遊信號分子PIF6的復合物高分辨率冷凍電鏡結構（分辨率依次為3.1Å🧑‍💻，3.2Å）。基於分子結構分析👇🏼、結合突變體蛋白光譜性質測定🧑🏻‍🦼‍➡️、體外以及半體外生化實驗表征🙎🏽，以及轉基因植物的表型分析👨🏽‍💼，揭示了光激活phyB由Pr轉變為Pfr的詳細分子機製，並提出了phyB和PIF之間“誘導-契合”的相互作用模型🤾🏽‍♀️，填補了植物光敏色素信號傳導機製研究的一個關鍵空白🧒🏼。

由於全長PIFs蛋白存在大量無序結構，體外重組表達以及組裝phyB-PIF全長蛋白復合物存在相當大的困難。考慮到系列文獻報道中PIFs的APB motif（N端100個氨基酸）足以介導其與phyB在體內及體外互作，研究者選取了結合能力最強的PIF6-APB（PIF6-100🟧，僅N端100個氨基酸）進行phyB-PIF的復合物組裝並製備冷凍樣品，最終成功解析得到了phyB-Pfr-PIF6以及缺失HKRD結構域（僅含N端908個氨基酸）的phyB^Y276H-908-PIF6復合物的高分辨率冷凍電鏡結構。結構分析表明phyB-Pfr在光激活之後發生大規模結構重排😨，其光感應模塊（photosensory module, PSM）從Pr狀態下“頭對尾”轉變為Pfr狀態下“頭對頭”二聚體♖，且PIF6-APB單體結合在phyB-Pfr二聚體界面的一側，組成phyB-PIF6三聚體💁🏻‍♂️。此外📙，phyB^Y276H-908-PIF6復合物結構與phyB-Pfr-PIF6幾乎完全一致（圖1）。

圖1. phyB-Pfr-PIF6（B）和phyBY276H-PIF6（C）均為不對稱三聚體

為了闡明光激活驅動phyB的結構重排，作者細致比對了之前文獻報道的phyB-Pr及本研究獲得的phyB-Pfr結構，發現發色團PΦB分子在吸收紅光後，其D環翻轉了180˚，並且和口袋中的系列氨基酸重新建立互作網絡（圖2A🐁，左），最終導致PHY結構域裏與其互作的舌狀突出結構發生由β片層到α螺旋的構象轉變（圖2A🤦🏽，右）。結構分析表明🔪，絲氨酸S584對於穩定α螺旋形式的舌狀結構非常重要（圖2A，右），進一步的體外生化以及轉基因植物表型分析證明了S584對於維系phyB-Pfr激活狀態和phyB信號通路至關重要（圖2B）👝。

圖2. 光誘導PΦB分子（A🪂👲🏻，左）和PHY結構域舌狀突出結構（A🫰，右）的構象轉變及功能驗證（B）

在Pr狀態下，phyB的C末端結構域PAS2以及HKRD與N末端結構域GAF和PHY互作以維系“頭對尾”二聚體構象。而在phyB-Pfr中⛹🏽‍♀️🔞，其PHY結構域的舌狀突出結構轉變為α螺旋後，會直接和Pr狀態裏的PAS2結構域發生空間沖突（圖3A👩🏽‍💻，左；圖3B，左），從而破壞Pr狀態下PAS2和PHY結構域之間的廣泛互作✝️，這會進一步破壞HKRD和PHY結構域（圖3A，左；圖3B，中），以及HKRD和GAF結構域（圖3A，右；圖3B，右）之間的分子內互作🤽‍♂️，這一系列的構象變化完全打破Pr狀態下的“頭對尾”結構🏊🏿‍♀️，最終激活phyB。此外，缺失HKRD結構域的phyB截短體蛋白（phyB-908🧧，僅含N端908個氨基酸）在光激活之後傾向於單體形式存在（圖3C）💀，進一步佐證了phyB-Pr在光激活後🧓🏼，原來由N端和C端模塊互作維系的“頭對尾”二聚體被打破，進而形成phyB-Pfr。

圖3. PHY 結構域舌狀突出結構的構象轉變驅動phyB-Pr重構形成phyB-Pfr（A🚱，B）及生化驗證（C）

光激活後的phyB-Pfr分別利用其N末端的NTE結構域以及由整體N末端結構域形成的“頭對頭”二聚體，來識別和結合PIF6-APB的N末端和C末端（圖4A）。PIF6-APB的N末端通過形成一個β發夾結構（PIF6-APB-β）與phyB-Pfr的NTE結構域發生廣泛互作（圖4B），而phyB-Pfr二聚體結構中另一分子phyB並不具備穩定結構的NTE，表明NTE的穩定結構是由PIF6-APB的結合所誘導形成的🐆。此外，PIF6-APB的C末端通過形成一個α螺旋結構（PIF6-APB-α）同時與兩個phyB-Pfr的N末端結構域產生廣泛互作（圖4C）🫰，印證了PIF6-100促進的phyB-908-Pfr的二聚化（圖3C）🧛‍♂️。作者進一步通過系列生化、光譜實驗表征、結合轉基因植物的表型明確了NTE結構域以及N末端結構域介導的phyB-Pfr二聚化對於phyB-PIF互作的重要性🙍🏻‍♂️。

圖4. phyB-Pfr的N末端結構域對PIF-APB的特異性識別（A）以及NTE結構域特異性識別PIF-APB的N末端β發夾結構（B），phyB-Pfr二聚體特異性識別PIF-APB的C末端α螺旋結構（C）

兩個phyB-Pfr的結構比對表明phyB-PIF6復合物結構中的phyB-Pfr形成了不對稱的二聚體（圖5A），這些不對稱性導致phyB-Pfr二聚體的另一側界面沒有足夠空間與PIF6-APB-β以及PIF6-APB-α形成合適的互作（圖5B）🏇🏼🖖🏽。作者進一步通過pull-down以及Co-IP assay評估了溶液狀態下phyB和PIF-APB以及PIF-FL的互作模式💶🤸🏿，生化數據表明PIF3和PIF6的APB motif以及PIF1和PIF3的全長蛋白均可以和phyB-Pfr二聚體形成摩爾比為1:2（2:4）的復合物。

圖5. 不對稱的phyB-Pfr二聚體只能結合一個PIF6-APB單體

總的來說🛶👱🏿‍♀️，這項研究揭示了“頭對頭”激活態phyB二聚體識別結合PIF6-APB的復合物結構，解決了光敏色素研究中光如何誘導phyB變構激活並轉導PIF信號的關鍵問題（圖6）💶，為作物感光性狀的改造以及phyB相關光控基因表達的“光遺傳學”工具開發提供了分子水平的精細圖紙🤽🏻‍♀️。

圖6. 紅光激活phyB並轉導PIF信號的結構機製模型

王繼縱和鄧興旺為該論文的通訊作者。意昂3体育官网前沿交叉學科研究院博士研究生王征東和宋艷萍、意昂3体育官网現代農業研究院科研助理王文鳳和趙迪迪🌱，以及意昂3体育官网現代農業研究院林曉莉博士為論文共同第一作者📦。意昂3体育官网現代農業研究院趙珺博士、遲程博士和高級工程師徐斌、中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士研究生沈萌對本研究也作出了重要貢獻👌。冷凍樣品製備🐥、樣品篩選和數據收集在研究院生物微觀結構研究平臺完成⚱️。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發項目、山東省重點研發項目、山東省科技創新基金、中科協青年人才托舉工程、山東省泰山青年學者項目、意昂3体育官网現代農業研究院、濰坊現代農業山東省實驗室、小麥育種全國重點實驗室、意昂3体育官网蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室相關經費的資助。

專家觀點

萬建民院士（中國農業科學院作物科學研究所）

光照是植物生長的能量來源，對農作物產量起著決定性作用👳。在農業生產中✍️，提高作物種植密度是增產的重要途徑🫧🎑。然而，隨著密度增加⛱💊，作物植株之間相互遮陰會加劇，造成植株莖稈增高🤵🏽‍♀️、變弱，易發生倒伏🤛👩‍🏫、小穗和抗逆性減弱等突出問題。因此🈯️🫷🏻，闡明植物感知光照的分子機理對提高作物光適應能力和耐密性等具有十分重要的意義。光敏色素是植物的紅光🗾、遠紅光受體，是影響作物響應光照變化的關鍵功能蛋白🙌🏼。自1960年首次以“光敏色素”命名這類光受體以來🧑‍🏭，研究人員一直好奇光敏色素感知紅光/遠紅光信號的機製💁🏿。早在上世紀80年代末，研究人員在植物光敏色素phyA的電鏡照片中就看到了“Y”字形的蛋白顆粒。但是由於光敏色素屬於多結構域光受體蛋白👍🏿，植物內源含量較低且重組表達困難👩🏽‍🏭，研究人員主要通過對相對容易獲得的微生物來源光敏色素進行結構表征，植物光敏色素的結構研究相對停滯。直到2014年💇‍♀️，PNAS雜誌發表了基態phyB光感應模塊截短體的晶體結構，2022年以來⏰，來自於美國以及中國的多家單位相繼報道了全長phyB及phyA基態的結構，從而逐漸建立了光敏色素基態結構特性的認識。但植物光敏色素激活態結構及光信號原初轉導的機製仍不清楚，限製了基於激活態phyB結構的光信號轉導機製研究。

這項研究首次報道了激活態植物光敏色素phyB結合標誌性下遊信號分子PIF的復合物結構👗，揭示了廣泛研究的不依賴與光照的組成型激活突變體phyBY276H結合PIF的復合物結構🧎🏻‍♀️‍➡️，並結合多種研究方法，闡明了光照引起的激活態phyB結構重排以及光敏色素蛋白和發色團分子之間相互協調的動態變化機製⛔️。這項研究充分回答了長期以來研究人員關註的phyB感光激活機理，填補了激活態植物光敏色素結構研究的空白，是生物學基礎研究的重大突破。同時，光敏色素激活機製的解析為精準調控植物光響應建立了基礎，對定向改良玉米🧝🏽、小麥、水稻等重要作物的感光性狀、培育耐密高產品種意義重大ℹ️。

王海洋教授（華南農業大學） 

培育耐密植作物是提高作物單產的有效技術措施。株型是決定作物耐密性的關鍵因素之一。然而🤷🏼👐🏽，密植容易誘發植物產生避蔭反應😵，導致植株徒長、莖稈變細🎗、根系發育減弱、增加倒伏風險等不利後果🦹🏽‍♀️。作為植物響應紅光/遠紅光信號的主要紅光受體👩🏿‍✈️，光敏色素phyB對於植物應對外界光環境變化的適應性生長（株高、葉夾角👯🦻🏻、開花時間等）至關重要，從而影響作物的株型🚣🏼、光合效率和產量🧇。phyB被紅光激活後☔️，通過與PIF蛋白直接互作傳遞光信號👢🚵🏼‍♀️，進而啟動和維持光形態建成的發育過程。然而自1998年發現PIF是激活態光敏色素結合蛋白以來🐓，雖然鑒定了部分影響phyB-PIF互作的關鍵位點🙋🏻‍♂️🐄，但激活態phyB與PIF蛋白互作的結構基礎和調控機理目前仍然未知。這項研究通過解析了模式植物擬南芥光激活態phyB-Pfr以及不依賴於光的組成型激活突變體phyBY276H分別結合下遊信號分子PIF6的復合物高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了phyB基態（Pr）在光激活後🤵🏻，其光感應模塊（PSM）從Pr狀態下“頭對尾”轉變為Pfr狀態下“頭對頭”二聚體。由於phyB-Pfr二聚體的不對稱性🏃‍♂️‍➡️，導致其僅一側能夠結合PIF並形成phyB-Pfr-PIF的三聚體。作者進一步結合突變體蛋白光譜性質測定🎷、體外以及半體外生化實驗表征，以及轉基因植物的表型分析，驗證了絲氨酸S584、NTE結構域以及N末端結構域對於介導phyB-Pfr二聚化，phyB-PIF互作和phyB信號通路的重要性🤌🏼。該研究首次揭示了phyB光激活及最初光信號傳遞（與PIF互作）的結構生物學基礎，是近年來植物光敏色素信號傳導研究領域取得的又一個重大突破。研究成果可為培育耐蔭🦻🏻、耐密、抗倒伏、高光效作物新品種提供重要理論指導和基因資源。