在神奇的植物世界里，光对植物生长发育起着至关重要的作用。植物光敏色素（phy）作为感受红光和远红光的 “小雷达”，在光信号转导过程中扮演着关键角色。phy 主要分为 phyA 和 phyB 等类型，它们能与 PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs（PIFs）相互作用，进而调控植物的光响应。然而，此前关于 phyA、phyB 与 PIFs 之间具体的互作机制，科学界仍存在诸多谜团。比如，虽然已知 phyB 可通过 active phyB-binding（APB）基序与 PIFs 结合，但 phyA 是否通过 active phyA-binding（APA）基序与 PIFs 结合并不明确，而且它们结合的具体结构域和调控机制也有待探索 。这些问题如同迷雾，阻碍着人们深入了解植物光信号转导的奥秘，也限制了相关农业应用的发展。因此，开展对 phy 与 PIFs 互作机制的研究迫在眉睫。
韩国科学技术院（KAIST）的研究人员勇挑重担，踏上了解开这一谜团的征程。他们通过一系列严谨且富有创新性的实验，取得了令人瞩目的成果。研究发现，phyA 和 phyB 均通过 phy 的 C 末端输出模块（phyOPM）与 APA 相互作用，而 phyB 还能通过 N 末端光感受模块（phyPSM）与 APB 相互作用。不仅如此，苔藓植物地钱（Marchantia）的 Mp-phy 也通过 phyOPM-APA 互作与 PIFs 结合 。这表明 phyOPM-APA 互作是一种古老且保守的特征，存在于拟南芥（Arabidopsis thaliana）的 phyA、phyB 以及地钱的 Mp-phy 中。此外，研究还揭示了 phyOPM-APA 互作促进 PIF3 降解，但不会导致 phyB 自身的破坏；而 phyPSM-APB 互作则会引发 phyB 和 PIF3 的相互破坏。同时，研究人员还阐明了全长 phy 与 APA 的光依赖性互作，源于 phyPSM对 phyOPM的光依赖性掩蔽和去掩蔽机制。这些发现为深入理解植物光信号转导通路提供了关键线索，有助于人们更好地调控植物生长发育，在农业生产和植物生物技术领域具有重要的潜在应用价值。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的研究开辟了新的方向。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先是酵母双杂交（Y2H）实验，通过构建能产生藻蓝胆素（PCB）的酵母菌株 AH109C，检测 phy 与 PIFs 及其他互作蛋白的光依赖性互作。其次是体外结合实验，利用重组蛋白，分析 phy 不同结构域与 PIFs 的结合特性。此外，免疫印迹实验用于检测蛋白降解情况，半体内结合实验进一步验证了体内的蛋白互作关系。
研究结果
Y2H 实验捕获光依赖性互作：研究人员构建的 AH109C 酵母菌株能有效产生 PCB，支持有活性的 phy 形成。利用该菌株进行 Y2H 实验，成功捕获了 phyBPSM与 PIF3 以及全长 phyB 与其他互作蛋白（如 SPA1、SPA2、ELF3 和 TZP）的光依赖性互作，证明该菌株可用于检测 phy 与互作蛋白的光依赖性互作。
- phyA 与 APA 基序的互作：通过 Y2H 实验和体外结合实验发现，phyA 通过 phyAOPM-APA 互作与 PIF1 和 PIF3 结合，且这种互作具有光依赖性。phyAPSM无论在何种光照条件下，均不与 PIF3 或其突变体结合，而 phyAOPM能与 PIF3 及 PIF3mAPB结合，但不与 PIF3mAPA或 PIF3mAPA/mAPB结合 。
- phyB 与 APA、APB 基序的互作：Y2H 实验、体外结合实验和半体内结合实验表明，phyB 通过 phyBPSM-APB 和 phyBOPM-APA 两种互作方式与 PIF1 和 PIF3 结合。phyBPSM与 PIF3 及 PIF3mAPA在红光下结合，通过 APB 互作；phyBOPM与 PIF3 及 PIF3mAPB结合，通过 APA 互作。
- phyBOPM-APA 互作的功能：免疫印迹实验显示，phyBOPM-APA 互作可促进 PIF3 降解，但不会诱导 phyB 破坏；而 phyBPSM-APB 互作会导致 phyB 和 PIF3 相互破坏。在 phyA 突变背景下，红光可促进 PIF3、PIF3mAPA和 PIF3mAPB降解，但不促进 PIF3mAPA/mAPB降解；在 35S:PHYB-GFP/phyb-9 背景下，当 APB 突变时，phyB 降解被抑制，但 PIF3 降解仍可发生。
- Mp-phy 与 APA 基序的互作：Y2H 实验表明，地钱的 Mp-phy 与 Mp-PIF 以及拟南芥的 PIFs 通过 Mp-phyOPM-APA 互作结合。Mp-phyPSM不与 Mp-PIF、PIF1 或 PIF3 结合，而 Mp-phyOPM能与具有完整 APA 基序的 PIFs 结合。同时，拟南芥的 phyA 和 phyB 也可通过 phyOPM-APA 互作与 Mp-PIF 结合，说明该互作在进化上是保守的。
- phyPSM与 APA 的竞争结合：Y2H 实验和体外结合实验证明，phyPSM的 Pr 形式与 APA 竞争结合 phyOPM。在黑暗中，phyPSM与 phyOPM结合，阻止 APA 与 phyOPM结合；在红光下，phyPSM从 phyOPM解离，使 APA 能够结合 phyOPM，从而解释了全长 phy 与 APA 的光依赖性互作源于 phyOPM-APA 的光独立互作。
研究结论与讨论
本研究揭示了植物光敏色素与 PIFs 互作的新机制，证实了 phyOPM-APA 互作是一种古老且保守的特征，存在于不同植物的光敏色素中。phyPSM-APB 互作则是 phyB 特有的，且两种互作在 PIF3 和 phyB 的降解过程中具有不同作用。此外，研究还阐释了光依赖性 phy-PIF 互作的产生机制，为理解植物光信号转导提供了重要依据。这不仅有助于人们深入了解植物如何感知和响应光信号，还为未来通过调控光信号通路改善植物生长发育、提高作物产量和品质提供了理论基础，对农业生产和植物生物技术的发展具有深远意义。后续研究可进一步探索相关蛋白识别不同互作复合物的具体机制，以及光依赖性掩蔽和去掩蔽机制在其他植物蛋白互作中的作用，为该领域的发展开拓更广阔的空间。（子科生物报道）
