光是調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子，其調(diào)控作用貫穿植物整個(gè)生命周期。植物通過(guò)一系列光受體感知環(huán)境中不同光質(zhì)和光強(qiáng)的動(dòng)態(tài)變化，從而啟動(dòng)精確的光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。其中藍(lán)光受體隱花素(cryptochrome, CRY)作為介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào)的光受體，調(diào)控植物的光形態(tài)建成、光周期開(kāi)花、氣孔發(fā)育和開(kāi)放，DNA雙鏈斷裂修復(fù)，以及生物節(jié)律等重要生理過(guò)程。CRY不僅存在于植物中，也廣泛分布于包括細(xì)菌和哺乳動(dòng)物在內(nèi)的其他生物體中。例如，在果蠅中CRY作為光受體調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，在哺乳動(dòng)物中則作為晝夜節(jié)律系統(tǒng)的核心組成部分存在；而在候鳥(niǎo)與蝴蝶等遷徙性動(dòng)物中，CRY可以感應(yīng)地球磁場(chǎng)，為其長(zhǎng)途遷徙提供導(dǎo)航。在擬南芥中存在2個(gè)CRY：CRY1和CRY2。CRY1的主要功能包括促進(jìn)植物的光形態(tài)建成，而CRY2的主要功能包括促進(jìn)植物的光周期開(kāi)花。CRY1的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制涉及與E3泛素連接酶復(fù)合體COP1-SPAs的直接互作，并穩(wěn)定COP1的底物——光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中關(guān)鍵的促進(jìn)光形態(tài)建成的轉(zhuǎn)錄因子HY5，從而促進(jìn)光形態(tài)建成。然而，HY5是否通過(guò)細(xì)胞自噬途徑發(fā)生降解，以及CRY1是否通過(guò)調(diào)控HY5的自噬降解來(lái)促進(jìn)植物的光形態(tài)建成尚不清楚。

近日，我校生命科學(xué)學(xué)院楊洪全教授團(tuán)隊(duì)在植物生物學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊The Plant Cell在線(xiàn)發(fā)表了題為“Photoexcited CRY1 physically interacts with ATG8 to regulate selective autophagy of HY5 and photomorphogenesis in Arabidopsis”的研究論文(https://doi.org/10.1093/plcell/koaf196)，報(bào)道了藍(lán)光受體隱花素CRY1通過(guò)抑制HY5的選擇性細(xì)胞自噬來(lái)介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào)促進(jìn)植物光形態(tài)建成的分子機(jī)制。

自噬是一種被嚴(yán)格調(diào)控的細(xì)胞內(nèi)降解途徑，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)重分配以及逆境響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。尤其是在C和N營(yíng)養(yǎng)缺乏（?C?N）的情況下，自噬被激活，并通過(guò)選擇性自噬降解多種信號(hào)通路的關(guān)鍵因子調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育，幫助植物度過(guò)營(yíng)養(yǎng)缺乏的脅迫。楊洪全教授課題組為了尋找新的CRY1相互作用蛋白，通過(guò)酵母雙雜交方法篩酵母庫(kù)篩選到了自噬途徑關(guān)鍵蛋白ATG8。擬南芥編碼9個(gè)ATG8蛋白：ATG8a-i，它們具有較高的氨基酸序列相似性。ATG8（哺乳動(dòng)物中稱(chēng)為L(zhǎng)C3）在選擇性自噬中發(fā)揮核心作用。當(dāng)與磷脂酰乙醇胺（PE）發(fā)生脂化修飾后，ATG8能夠調(diào)控自噬的關(guān)鍵階段，包括自噬體的形成、底物識(shí)別以及與液泡的融合過(guò)程。ATG8的脂化過(guò)程依賴(lài)于具有的類(lèi)E1和類(lèi)E3酶活性的ATG5和ATG7，因此這兩種蛋白是自噬途徑中至關(guān)重要的組成部分。該研究發(fā)現(xiàn)CRY1在酵母雙雜交和體外pull-down實(shí)驗(yàn)中與9個(gè)ATG8都有不同程度的互作。作者選擇了被廣泛研究的ATG8a和ATG8e進(jìn)行了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)擬南芥中CRY1以藍(lán)光依賴(lài)的方式直接與ATG8a和ATG8e互作。作者通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)獲得了ATG8九突變體atg8n，并發(fā)現(xiàn)自噬突變體atg5 atg7和atg8n在黑暗下表現(xiàn)為減弱的暗形態(tài)表型，而在光下表現(xiàn)為增強(qiáng)的光形態(tài)建成表型，說(shuō)明自噬通過(guò)降解光形態(tài)建成正調(diào)控因子參與調(diào)控光形態(tài)建成。遺傳分析顯示，ATG8以及ATG5/ATG7在調(diào)控暗形態(tài)建成和光形態(tài)建成過(guò)程中分別作用于CRY1下游和HY5上游。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件下，且C和N充足（+C+N）的情況下，HY5只定位在細(xì)胞核中，而ATG8同時(shí)定位在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中。值得注意的是，黑暗且在?C?N條件下，ATG8與HY5發(fā)生直接互作，HY5和ATG8可以共同轉(zhuǎn)運(yùn)至自噬體中，HY5通過(guò)自噬途徑進(jìn)行降解，從而促進(jìn)暗形態(tài)建成。而在藍(lán)光照射下，CRY1與ATG8的互作抑制了ATG8與HY5的結(jié)合，進(jìn)而抑制了HY5的核輸出以及其與ATG8共同定位于自噬體和最終在液泡中的降解。另外，作者還發(fā)現(xiàn)CRY1介導(dǎo)藍(lán)光抑制ATG8的核輸出并抑制自噬體的形成，最終抑制HY5的自噬降解。該研究揭示了在黑暗條件下和CN營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)，HY5可以通過(guò)依賴(lài)于A(yíng)TG8的選擇性細(xì)胞自噬發(fā)生降解，以及CRY1通過(guò)與ATG8發(fā)生藍(lán)光依賴(lài)的互作抑制HY5的自噬降解，從而促進(jìn)植物光形態(tài)建成的機(jī)制。

CRY1介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào)通過(guò)抑制HY5的自噬降解來(lái)促進(jìn)植物光形態(tài)建成的分子模型圖

上海師范大學(xué)的博士生江露和張?jiān)婟垶樵撗芯抗ぷ鞯墓餐谝蛔髡撸虾煼洞髮W(xué)楊洪全教授和王文秀副教授為該論文的共同通訊作者。已畢業(yè)的碩士研究生楊光瓊、趙家琛、牛雨婷、熊敏妤、謝玲怡和在讀碩士研究生劉惠珊共同參與了這項(xiàng)工作。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、上海市分子植物科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海市種植資源協(xié)調(diào)中心的資助。

（供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）