Cell发文！深圳大学刘宏涛课题组：“黑暗”也拥有勃勃生机

你发现了吗？

发豆芽成功的要点之一

就是“避光”

我们看到在黑暗中长大的豆芽

有很长的下胚轴和黄色子叶

（嗯就是我们平常吃的那部分）

但在光下萌发的豆芽

则会长出很短的下胚轴

和绿色子叶

这些都是很容易被我们观察到的

植物地上部相关表型

科学家称之为

“暗形态建成”和“光形态建成”

但似乎很少有人去关注

也较少有研究去解析

埋在土壤中的地下部“根”

在黑暗和光下形态的不同

这个课题组的最新研究

颠覆传统观念，打破认知局限

揭示了“黑暗”对植物“根”

生长发育的调控机制

2024年11月15日，著名国际顶尖学术期刊《Cell》在线发表了深圳大学刘宏涛课题组题为“The Arabidopsis blue-light photoreceptor CRY2 is active in darkness to inhibit root growth”的研究论文。

黑暗中的世界

是否同样蕴藏勃勃生机？

点击观看视频

了解课题组研究成果

↓ ↓ ↓

该论文打破传统研究框架

首次揭示蓝光受体隐花素CRY

在非光激发态具有特异功能

表明蓝光不仅能“激活”CRY功能

也能“失活”CRY功能

深圳大学生命与海洋科学学院博士后曾德圣（右）为该论文的第一作者，深圳大学生命与海洋科学学院院长、教授刘宏涛（左）为通讯作者。博士生吕军清和教授李旭也参与了相关工作。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

打破传统研究框架

推开光受体研究的

另一扇门

光是植物进行光合作用

养活我们全人类的能量来源

同时也是非常重要的信号

可以调控植物的生长发育

植物上的光受体蛋白很多

它们就像是植物的眼睛

能感受不同波段的光

然后告诉自己

我应该如何发育

刘宏涛课题组

一直在研究这些“植物的眼睛”

以及这些“眼睛”的功能

其中，蓝光受体隐花素CRYs

介导蓝光调控植物

下胚轴伸长、开花、生物钟等

发育过程

以往关于CRYs的研究

都聚焦于CRYs的“蓝光激发”机制

以及CRYs“蓝光依赖”的功能活性

那么

CRYs在“黑暗中”

或者在“非蓝光激发态”

是否具有调控植物

生长发育的功能？

在“黑暗”中

它能工作吗？

在这个课题中

他们惊喜地发现

蓝光受体在非激发状态

在黑暗中

是有功能的！

研究跳出惯有研究思路

首次系统地回答

拟南芥蓝光受体CRY2

在未接收蓝光光子的

非光激发态

是否具有功能活性的问题

揭示了CRYs不仅具有

被蓝光信号“打开”的

“蓝光依赖”的功能活性

还具有

被蓝光信号“关闭”的

“黑暗依赖”的功能活性

这个发现意味着

以往几十年来对光受体的研究

只打开了我们

对光受体认知的半扇门

该成果的发表

为光信号领域开辟了

“光受体在黑暗中的功能”

这一全新的研究方向

刘宏涛：

“科学需要改变思维方式，不能用惯性思维；意外的现象或结果可能更值得探究。”

当你看到了

和想象中不一样的结果时

其实可能是更重要的结果

刘宏涛说

过去大家都认为

蓝光受体突变体

在黑暗中没有表型

但团队的博士后曾德圣

发现只是下胚轴的伸长没有表型

但“根”是有表型的

且黑暗中的表型比光下更明显

这才有了后面的进一步研究

“所以我一直提醒学生们，每次都要特别细心地去观察，发现新的现象，然后拓展思维；不能用惯性思维，认为过去大家都是这么想的，我也就这么想，那么可能就不会有创新的发现。”

CRY2在黑暗中

调控多个生命过程

地上地下各司其职

刘宏涛课题组研究发现

拟南芥蓝光受体CRY2

在黑暗中居然调控

细胞分裂、光合作用等多个

重要生命过程的相关基因表达

进一步表型观察表明

黑暗条件下

在通常会被忽视的黄化苗根部

CRY2通过抑制根尖分生区细胞分裂

从而抑制主根伸长

而蓝光则解除该抑制

通过筛选获得

在黑暗或非蓝光条件下

同CRY2结合的蛋白

FORKED-LIKE (FL) 家族成员

FL1和FL3

它们和CRY2的结合

特异受蓝光抑制

后续研究确认FL只能结合

非蓝光激发的CRY2单体

而不能结合

蓝光激发后的CRY2多聚体

FL1和FL3是两个位于

CRY2遗传学下游的

促细胞分裂因子

具备结合细胞分裂基因染色质

并促进基因表达的功能

黑暗中

CRY2通过结合FL

抑制FL促根尖分生区细胞分裂

从而抑制主根伸长

蓝光下

CRY2形成多聚体

不再能同FL结合

FL功能被释放

从而促进主根伸长

CRY2–FL调控拟南芥主根伸长

这个研究描绘了一幅

CRY2在地上地下各司其职

以不同的活性状态

通过不同的信号通路

达成“让植物茁壮成长”

这一共同目标的和谐画面

为调控农作物生长发育

奠定了理论基础

CRY2黑暗中的功能

有助于我们更立体、更宏观地

理解光信号对植物生长发育的调控

为很多常见且有趣的自然现象

提供一个全新的解释视角

黑暗中生长的黄化苗之所以具有长下胚轴和短根，是因为非光激发态CRY2抑制根伸长并利于种子将有限的能量优先供给下胚轴伸长，帮助其破土而出，进入光能自养。此现象对应萌发于土壤深层、需破土而出才能见光生长的植物种子。

光下的绿苗之所以具有短下胚轴和长根，是因为光激发态CRY2在地上部抑制下胚轴伸长，根部FL1和FL3由于不同光激发态CRY2相互作用，其功能活性被释放从而促进地下部主根伸长，有助于植物吸收养分并建立更合理的植株形态。此现象对应萌发于土表或者浅土层、无需承担破土而出压力的种子。

这就是推文开头提到的，为什么我们想成功发豆芽，必须避光~

（call back）

CRY2在不同生长时期，不同光照环境以不同活性状态协调植物生长发育

课题组这一发现

为利用光受体改善农作物形态

调控农作物生长发育创新研究

提供了坚实理论基础

曾德圣：  

“除在人工气候室设置黑暗条件外，大自然中，埋藏在土壤深处的植物根部、生物不透光的组织细胞、地球生命经历的黑夜等都是可以被我们利用的‘黑暗资源’。我们课题组研究CRY2在黑暗中的功能，为以后利用‘黑暗’对农作物生长发育进行调控，提供了理论指导，也为我们理解包括光信号通路在内的所有信号通路，提供了全新的研究视角。”

刘宏涛：

“从应用层面来讲，植物要高产，不光要有强的光合作用，还要‘营养高效’，植物在地下吸收营养、吸收水分的能力要强。我们可以利用我们这个发现，去调控改造植物的根系，让它们更好地吸收营养。我们课题组的发现在理论层面也是一个特别大的拓展，延展到其他受体，可能在非激活状态也是有功能的，这给科学研究打开了一个新的方向。”

刘宏涛与曾德圣

刘宏涛，深圳大学生命与海洋科学学院教授、博导、院长，植物生理与分子生物学学会女科学家分会会长。担任 Plant Cell, Current Biology，PNAS (guest editor)，JIPB，中国科学（生命科学），Plant Communications，aBiotech杂志编委。 获得国家基金委“杰出青年基金”“优秀青年基金”、科技部中青年科技创新领军人才、中科院“百人计划”等项目资助。曾获“国务院政府特殊津贴”“中国青年科技奖”“中国青年女科学家奖”“亚太光生物学会青年科学家奖”“中科三安光生物学杰出贡献奖”等奖励。围绕“光信号调控植物发育可塑性”这一科学问题开展了系统性研究，取得了一系列研究成果。相关研究成果以通讯作者发表在Developmental Cell、Nature Plants、Nature Structure & Molecular Biology、 Nature Communications、EMBO Journal、PNAS、Plant Cell等。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.031

统筹 | 张颖卓 林海音

素材来源 | 刘宏涛课题组

采访拍摄 | 张颖卓 李子豪 陆瀚政

采写编辑 | 林海音

责编 | 廖楷狄 林海音

审校 | 杨振宇 李翔 李世卓 王若琳

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