PNAS:植物感光的“眼睛” :或可人工操纵 光敏色素感红光远红

旅行家

作者：Richard Vierstra

来源：《美国国家科学院院刊》

发布时间：2014-8-29 11:52:38

植物感光的“眼睛” ：或可人工操纵

维斯特拉认为，植物光敏色素控制技术将给农业带来巨大改变，其最大的推动作用是让农民能以更高的密度进行栽植，在既定范围内生产出更多的作物，从而节省空间和其他资源。

想在院子一小块地里种出高产的玉米？想在腊月里开出美丽的月季花？美国威斯康星大学麦迪逊分校的理查德·维斯特拉（Richard Vierstra）多年来一直在钻研的技术，将让这些梦想很快成为现实。

近日，这位遗传学教授的实验室里又有新消息传出，有望进一步推进这项工作。新的发现表明，植物借以感受光线的“眼睛”——光敏色素，有可能被人工操纵，也就是说人类可以“欺骗”树荫下的植物，让它们以为是在太阳底下。

维斯特拉研究小组在近期的《美国国家科学院院刊》上首次揭示出植物光敏色素的结构。植物光敏色素是一种探测光线的重要分子，它告诉植物什么时候发芽、生长、制造养分、开花，甚至凋萎。这种光敏色素是一种光线传感器，就像眼睛一样。它将阳光转化成化学信号，从而决定植物的生长。通过操纵光敏色素，研究小组可以改变一切植物的生长和发育条件。实验结果在美国植物生物学家学会召开的年会上进行了宣读。

“分子告诉植物什么时候开花。”维斯特拉说，“植物利用分子来感知是否被树荫遮住；植物利用光敏色素来产生色彩视觉——感知是否处在另一些植物的周围。”

在此前的研究中，维斯特拉确定了感光细菌体内一种类似的光敏色素的结构。这项发现引导他进入植物领域。他已经在相关技术上获得好几项专利，并且正在考虑将研究商业化。确定植物光敏色素的三维结构，将极大地推动技术进步。

维斯特拉说，这一发现对于农业最重要的推动作用之一，是让农民能以更高的密度进行栽植，在既定范围内生产出更多的作物，从而节省空间和其他资源。

目前，栽植作物时，植物之间的相对距离受到一定的限制。密度过高时，植物的叶片相互遮挡，不能充分接受光照。受到遮蔽的植物为了争取更多的阳光，就会向上生长，将能量用于增长树枝和树干，而不是产生果实和种子。

这一过程的肇因是光敏色素，它能感知照射在植物上的光线波长。光照充足的植物吸收红光，而光照不足的植物只能接收到剩下的远红光。光敏色素“看到”的光线类型，告诉植物究竟是向外、向上生长，还是开花、结果。光敏色素基于光照条件，在一种活跃状态和不活跃状态中循环。

“光敏色素在活跃态与不活跃态之间的光转化，可以说是地球上最重要的变化，因为它让植物进行光合作用，这样才有了我们吃的食物，我们呼吸的氧气。”维斯特拉说。

维斯特拉研究小组发现，他们可以通过对这种光线传感器进行特定的改变，欺骗它更多地停留在活跃态。维斯特拉表示：“我们可以欺骗光敏色素，让植物以为光照是充足的，哪怕实际并非如此。”

30年前，当维斯特拉还是威斯康星大学麦迪逊分校的博士后研究人员时，首次纯化光敏色素蛋白质。现在他的研究又回到了这一领域。维斯特拉希望以研究小组的发现为支架，能提供一个从根本上改变农业的工具包。

这项工作受到美国国家科学基金会和美国威斯康星大学农业与生命科学学院的资助。维斯特拉在这项技术上的专利归威斯康星州校友研究基金会所有。（熊姣）

http://www.pnas.org/content/111/28/10179.abstract