太阳光不仅是植物助长的能量着手，也曾调节植物助长发育经过的重要信号。光敏色素是植物的红光/远红光感受器xiao77论坛，看成植物的“眼睛”演出进攻脚色。当下环球惬心变化更加泛泛、耕地资源慢慢缩紧，诊治环球食粮安全是一严重挑战。畴昔近一个世纪，农作物产量的不断进步成绩于越来越耐密植的作物新品种。来日作物产量进一步进步也将继续依赖于培育更耐密集熏陶的新品种。由于密植遮荫环境中植物的感光机理和耐密高产性状均和植物光敏色素卵白息息关联，叙述植物光敏色素反映以及传递光信号的机制将有助于改善作物密植性能及对复杂环境的稳妥性，从而为食粮安全的保险作出孝敬。

高等植物主要编码以光敏色素A（phyA）和光敏色素B（phyB）为代表的两类光敏色素，其中phyB是介导可逆红光反映的主要红光受体。光敏色素通过发色团PΦB在红光招揽态（Pr，基态）以及远红光招揽态（Pfr，激活态）之间进行可逆搬动。拟南芥phyB被光激活后，不错径直与一类光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factor，PIF)互作，传递光信号并调控下流基因抒发，促进光花式建成。因此phyB和PIFs组成了植物反映周围光环境的重要信号模块。拟南芥中8个PIF成员（PIF1-8）均包含两个进攻结构域：N端为纠合phyB-Pfr的激活态纠合域（Active-PHYB Binding motif，APB），其C端为纠合DNA的bHLH二聚化结构域。在昏黑条款下，phyB-Pr定位于细胞质中，PIF1/3/4/5在核中作用驱动幼苗暗花式建成的发育经过（下胚轴伸长，子叶闭合）。一朝幼苗感知红光，phyB-Pfr入核进而负调控上述PIFs，收敛下胚轴伸长和促进子叶张开，并督察植物光助长花式。尽管2022年好意思国Vierstra团队在《天然》（Nature）发文揭示了phyB-Pr的结构，但phyB-Pfr过火识别PIF的结构生物学基础过火调控机理仍不明晰。

2024年9月24日，北京大学当代农学院王继纵商榷员课题组与邓兴旺教讲课题组和谐在《细胞》（Cell）发表了题为“Light-induced remodeling of phytochrome B enables signal transduction by phytochrome-interacting factor”的商榷论文，揭示了恒久以来期待的phyB光信号转导的当先反应机制。

论文截图

该商榷理解了模式植物拟南芥光激活态phyB-Pfr以及不依赖于光的组成型激活突变体phyBY276H阔别纠合下流信号分子PIF6的复合物高分辨率冷冻电镜结构（分辨率次第为3.1Å，3.2Å）。基于分子结构分析、纠合突变体卵白光谱性质测定、体外以及半体外生化践诺表征，以及转基因植物的表型分析，揭示了光激活phyB由Pr搬动为Pfr的可贵分子机制，并提议了phyB和PIF之间“率领-契合”的互相作用模子，填补了植物光敏色素信号传导机制商榷的一个重要空缺。

由于全长PIFs卵白存在多半无序结构，体外重组抒发以及拼装phyB-PIF全长卵白复合物存在额外大的清贫。接头到系列文件报说念中PIFs的APB motif（N端100个氨基酸）足以介导其与phyB在体内及体外互作，商榷者收用了纠合才智最强的PIF6-APB（PIF6-100，仅N端100个氨基酸）进行phyB-PIF的复合物拼装并制备冷冻样品，最终到手理解得到了phyB-Pfr-PIF6以及缺失HKRD结构域（仅含N端908个氨基酸）的phyBY276H-908-PIF6复合物的高分辨率冷冻电镜结构。结构分析标明phyB-Pfr在光激活之后发生大限制结构重排，其光感应模块（photosensory module， PSM）从Pr情状下“头对尾”搬动为Pfr情状下“头党羽”二聚体，且PIF6-APB单体纠合在phyB-Pfr二聚体界面的一侧，组成phyB-PIF6三聚体。此外，phyBY276H-908-PIF6复合物结构与phyB-Pfr-PIF6险些皆备一致（图1）。

图1. phyB-Pfr-PIF6（B）和phyBY276H-PIF6（C）均为分歧称三聚体

为了叙述光激活驱动phyB的结构重排，作家缜密比对了之前文件报说念的phyB-Pr及本商榷赢得的phyB-Pfr结构，发现发色团PΦB分子在招揽红光后，其D环翻转了180˚，而且和口袋中的系列氨基酸再行成就互作相聚（图2A，左），最终导致PHY结构域里与其互作的舌状凸起结构发生由β片层到α螺旋的构象搬动（图2A，右）。结构分析标明，丝氨酸S584关于露出α螺旋体式的舌状结构相称进攻（图2A，右），进一步的体外生化以及转基因植物表型分析施展了S584关于维系phyB-Pfr激活情状和phyB信号通路至关进攻（图2B）。

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图2. 光率领PΦB分子（A，左）和PHY结构域舌状凸起结构（A，右）的构象搬动及功能考证（B）

在Pr情状下，phyB的C终局结构域PAS2以及HKRD与N终局结构域GAF和PHY互作以维系“头对尾”二聚体构象。而在phyB-Pfr中，其PHY结构域的舌状凸起结构搬动为α螺旋后，会径直和Pr情状里的PAS2结构域发生空间冲突（图3A，左；图3B，左），从而任意Pr情状下PAS2和PHY结构域之间的庸俗互作，这会进一步任意HKRD和PHY结构域（图3A，左；图3B，中），以及HKRD和GAF结构域（图3A，右；图3B，右）之间的分子内互作，这一系列的构象变化皆备突破Pr情状下的“头对尾”结构，最终激活phyB。此外，缺失HKRD结构域的phyB截短体卵白（phyB-908，仅含N端908个氨基酸）在光激活之后倾向于单体体式存在（图3C），进一步佐证了phyB-Pr在光激活后，原本由N端和C端模块互作维系的“头对尾”二聚体被突破，进而形成phyB-Pfr。

图3. PHY 结构域舌状凸起结构的构象搬动驱动phyB-Pr重构形成phyB-Pfr（A，B）及生化考证（C）

光激活后的phyB-Pfr阔别期骗其N终局的NTE结构域以及由举座N终局结构域形成的“头党羽”二聚体，来识别和纠合PIF6-APB的N终局和C终局（图4A）。PIF6-APB的N终局通过形成一个β发卡结构（PIF6-APB-β）与phyB-Pfr的NTE结构域发生庸俗互作（图4B），而phyB-Pfr二聚体结构中另一分子phyB并不具备露出结构的NTE，标明NTE的露出结构是由PIF6-APB的纠合所率领形成的。此外，PIF6-APB的C终局通过形成一个α螺旋结构（PIF6-APB-α）同期与两个phyB-Pfr的N终局结构域产生庸俗互作（图4C），印证了PIF6-100促进的phyB-908-Pfr的二聚化（图3C）。作家进一步通过系列生化、光谱践诺表征、纠合转基因植物的表型明确了NTE结构域以及N终局结构域介导的phyB-Pfr二聚化关于phyB-PIF互作的进攻性。

图4. phyB-Pfr的N终局结构域对PIF-APB的特异性识别（A）以及NTE结构域特异性识别PIF-APB的N终局β发卡结构（B），phyB-Pfr二聚体特异性识别PIF-APB的C终局α螺旋结构（C）

两个phyB-Pfr的结构比对标明phyB-PIF6复合物结构中的phyB-Pfr形成了分歧称的二聚体（图5A），这些分歧称性导致phyB-Pfr二聚体的另一侧界面莫得富足空间与PIF6-APB-β以及PIF6-APB-α形成符合的互作（图5B）。作家进一步通过pull-down以及Co-IP assay评估了溶液情状下phyB和PIF-APB以及PIF-FL的互作模式，生化数据标明PIF3和PIF6的APB motif以及PIF1和PIF3的全长卵白均不错和phyB-Pfr二聚体形成摩尔比为1:2（2:4）的复合物。

图5. 分歧称的phyB-Pfr二聚体只可纠合一个PIF6-APB单体

总的来说，这项商榷揭示了“头党羽”激活态phyB二聚体识别纠合PIF6-APB的复合物结构，料理了光敏色素商榷中光若何率领phyB变构激活并转导PIF信号的重要问题（图6），为作物感光性状的改造以及phyB关联光控基因抒发的“光遗传学”用具斥地提供了分子水平的精细图纸。

图6. 红光激活phyB并转导PIF信号的结构机制模子

王继纵和邓兴旺为该论文的通信作家。北京大学前沿交叉学科商榷院博士商榷生王征东和宋艳萍、北京大学当代农业商榷院科研助理王文凤和赵迪迪，以及北京大学当代农业商榷院林晓莉博士为论文共同第一作家。北京大学当代农业商榷院赵珺博士、迟程博士和高档工程师徐斌、中国科学院遗传与发育生物学商榷所博士商榷生沈萌对本商榷也作出了进攻孝敬。冷冻样品制备、样品筛选和数据汇集在商榷院生物微不雅结构商榷平台完成。该商榷得到了国度天然科学基金、国度要点研发名堂、山东省要点研发名堂、山东省科技立异基金、中科协后生东说念主才托举工程、山东省泰山后生学者名堂、北京大学当代农业商榷院、潍坊当代农业山东省践诺室、小麦育种寰宇要点践诺室、北京大学卵白质与植物基因商榷国度要点践诺室关联经费的资助。

内行不雅点

万建民院士（中国农业科学院作物科学商榷所）

光照是植物助长的能量着手，对农作物产量起着决定性作用。在农业坐蓐中，进步招物熏陶密度是增产的进攻阶梯。关联词，跟着密度加多，作物植株之间互相遮阴会加重，形成植株茎秆增高、变弱，易发生倒伏、小穗和抗逆性削弱等凸起问题。因此，叙述植物感知光照的分子机理对进步招物光稳妥才智和耐密性等具有十分进攻的真理。光敏色素是植物的红光、远红光受体，是影响作物反映光照变化的重要功能卵白。自1960年头度以“光敏色素”定名这类光受体以来，商榷东说念主员一直趣味光敏色素感知红光/远红光信号的机制。早在上世纪80年代末，商榷东说念主员在植物光敏色素phyA的电镜相片中就看到了“Y”字形的卵白颗粒。然则由于光敏色素属于多结构域光受体卵白，植物内源含量较低且重组抒发清贫，商榷东说念主员主要通过对相对容易赢得的微生物着手光敏色素进行结构表征，植物光敏色素的结构商榷相对停滞。直到2014年，PNAS杂志发表了基态phyB光感应模块截短体的晶体结构，2022年以来，来自于好意思国以及中国的多家单元接踵报说念了全长phyB及phyA基态的结构，从而渐渐成就了光敏色素基态结构特质的意识。但植物光敏色素激活态结构及光信号原初转导的机制仍不明晰，放胆了基于激活态phyB结构的光信号转导机制商榷。

这项商榷初度报说念了激活态植物光敏色素phyB纠合标识性下流信号分子PIF的复合物结构，揭示了庸俗商榷的不依赖与光照的组成型激活突变体phyBY276H纠合PIF的复合物结构，并纠合多种商榷要领，叙述了光照引起的激活态phyB结构重排以及光敏色素卵白和发色团分子之间互相和谐的动态变化机制。这项商榷充分呈报了恒久以来商榷东说念主员照看的phyB感光激活机理，填补了激活态植物光敏色素结构商榷的空缺，是生物学基础商榷的紧要突破。同期，光敏色素激活机制的理解为精确调控植物光反映成就了基础，对定向篡改玉米、小麦、水稻等进攻作物的感光性状、培育耐密高家具种真理紧要。

王海洋西席（华南农业大学） 

培育耐密植作物是进步招物单产的有用技巧模范。株型是决定作物耐密性的重要身分之一。关联词，密植容易诱发植物产生避荫反应，导致植株徒长、茎秆变细、根系发育削弱、加多倒伏风险等不利后果。看成植物反映红光/远红光信号的主要红光受体，光敏色素phyB关于植物应付外界光环境变化的稳妥性助长（株高、叶夹角、着花时代等）至关进攻，从而影响作物的株型、光合效能和产量。phyB被红光激活后，通过与PIF卵白径直互作传递光信号，进而运行和督察光花式建成的发育经过。关联词自1998年发现PIF是激活态光敏色素纠合卵白以来xiao77论坛，天然卤莽了部分影响phyB-PIF互作的重要位点，但激活态phyB与PIF卵白互作的结构基础和调控机理现在仍然未知。这项商榷通过理解了模式植物拟南芥光激活态phyB-Pfr以及不依赖于光的组成型激活突变体phyBY276H阔别纠合下流信号分子PIF6的复合物高分辨率冷冻电镜结构，揭示了phyB基态（Pr）在光激活后，其光感应模块（PSM）从Pr情状下“头对尾”搬动为Pfr情状下“头党羽”二聚体。由于phyB-Pfr二聚体的分歧称性，导致其仅一侧大约纠合PIF并形成phyB-Pfr-PIF的三聚体。作家进一步纠合突变体卵白光谱性质测定、体外以及半体外生化践诺表征，以及转基因植物的表型分析，考证了丝氨酸S584、NTE结构域以及N终局结构域关于介导phyB-Pfr二聚化，phyB-PIF互作和phyB信号通路的进攻性。该商榷初度揭示了phyB光激活及当先光信号传递（与PIF互作）的结构生物学基础，是比年来植物光敏色素信号传导商榷畛域取得的又一个紧要突破。商榷效果可为培育耐荫、耐密、抗倒伏、高光效作物新品种提供进攻表面指导和基因资源。