种子萌发过程中光感受器的双面

种子发芽取决于许多植物的光。但并非总是如此：Aethionema arabicum是一种适应具有挑战性的环境条件的植物，它以自己的方式进行。在这里，光敏色素，红光和远红光的受体，在种子发芽中起着意想不到的作用，并将这个过程时间安排到最佳季节。

这些发现现在发表在《植物生理学》上，是信号模块进化重新布线的一个令人信服的例子，这些模块有助于植物适应其栖息地。该研究由奥地利科学院格雷戈尔孟德尔分子植物生物学研究所(GMI)的研究人员领导。

虽然有些植物种子需要光才能发芽， 其他种子对光不敏感甚至被光抑制.对光在种子发芽中的作用的大多数见解都源于使用模式生物拟南芥的研究，其中需要光来启动发芽。

相比之下，光是其他植物发芽的强抑制剂，但这种效应的分子基础在很大程度上仍然未知。由Gregor Mendel研究所(GMI)的Zsuzsanna Mérai博士领导的一组研究人员现在使用植物Aethionema arabicum(Brassicaceae)来研究光抑制种子发芽的分子机制。

Aethionema arabicum起源于开放和干燥的栖息地，在明亮，漫长和炎热的日子里，种子在表面发芽会降低幼苗存活的机会。对发芽的光抑制被解释为将发芽限制在较冷的季节或位于地下的种子的特征。

在他们的研究中，Mérai 和她的同事证明，光敏色素，即红色和远红色波长的光受体，在 Aethionema 对光的反应中起着双重作用;它们可以刺激但也抑制发芽。通过光敏色素测量光强度和持续时间，种子获得有关日长的信息，从而获得有关季节的信息。

塞浦路斯变体有助于理解光抑制

Mérai和她的同事使用一种源自塞浦路斯(CYP)的Aethionema变体的种子，这些种子在暴露于白光时不会发芽。在其自然栖息地，CYP变体仅在早春白天相对较短且温度凉爽时发芽。这使得植物能够在干燥的夏季之前完成其生命周期。

Mérai试图通过创建一系列诱变种子来研究Aethionema CYP中的光抑制机制，他们筛选出突变体，这些突变体也可以在白光下发芽，与原始系相反。现在，研究人员在分子水平上表征了一种突变体。

他们称它为“koy-1”，以突厥神话中的太阳神Koyash命名。他们证明其突变影响了血红素加氧酶1，这是发色团生物合成所需的关键基因，发色团是光敏色素的光检测分子。这种突变限制了发色团蛋白的量，并导致koy-1的光响应性改变。

光敏色素的双重作用使环境适应成为可能

koy-1突变体使梅拉伊和她的同事发现了进一步的机械细节。“通过改变光强度、波长和持续时间，我们能够剖析与Aethionema中的光敏色素相关的复杂光响应模式，”Mérai说。koy-1中功能性光敏色素的低残留量使我们能够揭示出Aethionema种子萌发中令人惊讶的双重作用。

他们的实验表明，高光强度和持续时间强烈抑制发芽，而短曝光有利于发芽。这两种对光的相反反应是由两种关键激素之间的不同比例引起的：发芽抑制脱落酸(ABA)与发芽诱导赤霉酸(GA)。

“我们已经知道拟南芥的光照会导致高GA和低ABA水平。现在，我们也知道Aethionema CYP在非常有限的光线下也有类似的反应。然而，随着辐照度的增加，激素水平实际上颠倒了，导致发芽抑制，“Mérai说。“对光强度和持续时间的相反反应具有遗传基础，并且是对植物自然环境的适应，使Aethionema CYP在早春发芽，但不会晚发芽。

进化适用于重新布线模块

通过揭示相同的分子参与者可以介导截然相反的影响，该团队记录了进化如何“重新布线”现有模块以充分响应环境要求。通过这种组合变化，记录在多个生物体中，进化可以实现“快速”变化，而无需新的参与者从头开始进化。

“我们的研究结果通过研究非模式生物和非作物植物，为更好地了解自然界和生物多样性中的分子过程铺平了道路。从拟南芥中获得的科学知识是必不可少的，但并不总是代表所有植物。在这里，我们证明我们甚至可以发现自然界中完全相反的分子机制，“Mérai总结道，他的工作将Aethionema确立为研究光对种子发芽影响的新模型。