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10kz2384

2010年 第55卷 第24期:2384 ~ 2390

https://www.wendangku.net/doc/ac6073164.html, https://www.wendangku.net/doc/ac6073164.html,

英文引用格式: Liu J, Liu Y M, Takano M , et al. Involvement of phytochromes in gibberellin-mediated photomorphogenesis in rice seedlings (in Chinese). Chi-nese Sci Bull (Chinese Ver), 2010, 55: 2384–2390, doi: 10.1360/972010-859

论 文

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

光敏色素影响赤霉素调控的水稻幼苗光形态建成特征

刘婧①, 柳艳梅②, TAKANO Makoto ③, 王宝山①, 谢先芝②④*

① 山东师范大学生命科学学院, 济南 250014;

② 山东省农业科学院高新技术研究中心, 济南 250100;

③ National Institute of Agrobiological Sciences, Tsukuba, Ibaraki 305-8602, Japan; ④ 农业部黄淮海作物遗传改良与生物技术重点实验室, 济南 250100 * 联系人, E-mail: xzhxie2010@https://www.wendangku.net/doc/ac6073164.html, 2010-05-04收稿, 2010-06-13接受

国家自然科学基金资助项目(30870192, 30971744)

摘要 赤霉素(gibberellin, GA)是一种重要的植物激素, 它与光敏色素协同调节拟南芥植株的光形态建成特征. 但是GA 对水稻幼苗光形态建成和暗形态建成的影响, 特别是在此过程中光敏色素与GA 之间的相互作用仍不清楚. 本研究利用野生型和光敏色素突变体(phyA 和phyB )水稻作为研究材料, 分析了GA 生物合成抑制剂多效唑(PAC)对黑暗和光照下生长的水稻幼苗胚芽鞘、地上部分和主根延伸以及光调控基因LHCB 表达的影响. 据此推测, 在暗生长条件下, PAC 处理能够抑制野生型水稻幼苗胚芽鞘的生长, 诱导LHCB 基因的表达; phyA 突变体对PAC 处理的反应不如野生型敏感; phyB 突变体和野生型反应基本相同. 在光照条件下, PAC 处理能够抑制水稻幼苗地上部分的生长, phyB 突变体对PAC 处理的反应不如野生型和phyA 突变体敏感. 此外, phyB 介导的光信号负调控PAC 诱导的主根延伸反应. 据此推测, GA 是维持水稻幼苗暗形态建成、抑制光形态建成所必需的; 另一方面, phyA 和phyB 或正或负调控PAC 所诱导的光形态建成反应. 本研究结果揭示了光敏色素和GA 在水稻幼苗生长发育中的相互作用, 为进一步研究光和GA 协同调控水稻发育的分子机制奠定了基础.

关键词

水稻 赤霉素 光敏色素 光形态建成 光调控基因

根据萌发及萌发后生长条件的不同, 植物所经历的发育途径明显不同. 暗处生长幼苗表现出黄化特征, 如拟南芥下胚轴伸长、缺少叶绿素和光调控基因表达受抑制, 这些被称为暗形态建成特征(skotomorphogenesis); 光下生长的拟南芥表现出下胚轴被抑制、子叶变大、叶绿素合成和光调控基因表达的激活, 这些特征被称为光形态建成特征(photomorphogenesis). 在拟南芥中的研究表明, 光形态建成和暗形态建成均受到复杂严格的控制.

在暗生长条件下, 拟南芥COP9信号复合体与COP1, COP10和DET1共同负调控光调控基因的表达, 抑制光形态建成的发生, 保证了拟南芥暗生长条件下的黄化特征[1]. 此外, 利用赤霉素(gibberellin, GA)

生物合成抑制剂多效唑(paclobutrazol, PAC)处理暗生长拟南芥幼苗能够诱导部分的光形态建成特征, 如下胚轴伸长受到抑制、顶端钩打开、子叶部分打开和光调控基因如LHCB (light-harvesting chlorophyll a /b binding protein)和RBCS (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase small subunit)的诱导表达[2]. 拟南芥中, GA 合成缺陷型突变体ga1-3暗生长条件下表现出部分光形态建成特征[2]. 这表明植物激素GA 是维持暗形态建成所必需的.

在光照条件下, 光能够诱导植物光形态建成发生. 光敏色素(phytochrome)主要感受红光/远红光, 在植物黄花苗中, 光敏色素以不具有活性的Pr 构象存在于细胞质中, 当植物受到光照射后, 光敏色素

论文

分子转变成具有生物活性Pfr构象. Pfr形式的光敏色素转移到细胞核中[3,4], 与核内的PIFs (phytochrome- interacting factors)转录因子相互作用, 诱导光调控基因的表达和光形态建成发生[5,6]. 然而, 如上面所述, GA抑制了光形态建成发生, 与光的作用正好相反. 近年来, GA和光敏色素在调控拟南芥光形态建成中拮抗作用的分子机制已有报道[7,8].

黑暗生长的水稻幼苗表现出暗形态建成特征, 如长胚芽鞘、缺少叶绿素和光调控基因表达受阻; 然而光下生长的水稻幼苗表现出胚芽鞘抑制、叶绿素合成和光调控基因表达被激活等光形态建成特征. 水稻光敏色素基因家族包括3个成员, 即PHYA, PHYB和PHYC[9~12].日本农业生物资源研究所的研究者们筛选到了所有水稻光敏色素单突变体, 并通过杂交获得了所有的双突变体组合和三突变体[13,14]. 通过比较野生型和光敏色素突变体光形态建成特征, 我们发现水稻光敏色素phyA, phyB和phyC在幼苗光形态建成中具有重要作用, 如三种光敏色素介导的光信号均能够抑制胚芽鞘的延伸, 诱导光调控基因(LHCB和RBCS)的表达[14,15]. 最近Shimizu等人[16]的研究表明, phyA和phyB介导的光信号能够抑制水稻主根的延伸. 那么GA是否参与水稻的光形态建成和暗形态建成反应? GA和光敏色素在水稻幼苗发育中是否相互作用? 为了回答这些问题, 本研究比较了在不同生长条件(黑暗和光照)、不同浓度的GA生物合成抑制剂PAC处理下野生型和光敏色素突变体phyA和phyB 水稻幼苗生长发育特征, 包括胚芽鞘和主根延伸、地上部分生长和光调控基因LHCB表达特征. 我们的结果表明, GA是维持水稻暗形态建成所必需的, phyA和phyB影响水稻幼苗发育中GA调控的反应.

1 材料与方法

(ⅰ) 植物材料. 实验中所用到水稻光敏色素突变体phyA和phyB及其对应的野生型(WT)均为日本晴品种(Oryza sativa L., cultivar Nipponbare), 突变体的遗传背景分别是phyA4和phyB1[13,14].

(ⅱ) 水稻幼苗的培育及其PAC和GA3处理. 野生型和光敏色素突变体水稻种子去壳、表面消毒后, 播种于含不同PAC (Wako)浓度(0, 10–7, 10–6, 10–5和10–4 mol/L) 0.3% (w/v)的琼脂培养基中, 在4℃放置过夜, 次日将其移至黑暗或者光照(28℃, 光照强度为7200 Lx)下培养8 d. 对于GA3处理实验, 我们同时

在琼脂培养基中加入10–5 mol/L 或5×10–5 mol/L PAC

和10–4 mol/L GA3 (Wako).

(ⅲ) 水稻幼苗胚芽鞘及主根长度测量及计算.

水稻幼苗在上述条件培养8 d后, 我们分别测量暗生

长的水稻幼苗胚芽鞘和主根的长度、光下生长的水

稻幼苗地上部分及主根的长度. 以WT, phyA和phyB

突变体各自的无PAC处理的水稻幼苗作为100%, 分

别计算这些参数的相对长度. 每个处理至少测量15

棵幼苗, 实验数据使用Excel 2003进行分析, 每个实

验重复至少3次.

(ⅳ) RNA分析. 在暗室中快速收集PAC处理的

幼苗地上部分, 在液氮中速冻. 按照TaKaRa RNAiso

Plus (宝生物工程(大连)有限公司)说明书提取水稻

RNA. 利用RNase-free DNase (TaKaRa)除去RNA中

的DNA, 按全式金生物技术有限公司EasyScript First-

Strand cDNA Synthesis SuperMix说明书进行逆转录

反应. 内标ACTIN基因(AY212324)扩增的反应条件

为: 94℃, 3 min, 94℃, 30 s, 54℃, 30 s, 72℃, 1 min, 共

25个循环. LHCB基因家族2个成员Os03g0592500及

Os09g0346500基因PCR扩增的反应条件为: 94℃, 3

min, 94℃, 1 min, 50℃, 1 min, 72℃, 30 s, 共23个循

环. 利用3.0%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物. 本研

究中所用引物由北京赛百盛基因技术有限公司合成,

序列如下: Os03g0592500 F1, 5′-TGAGCACAACGA-

CACGAT-3′/R1, 5′-TCTCCTCGATCGATCACA-3′; Os-

09g0346500F1, 5′-GTAGCTAGCAGTGGTTAATTGT-

3′/R1, 5′-TCTTCATCTTCTTAGTGTACACAAC-3′;

Actin F2, 5′-CAATGTGCCAGCTATGTATGTC-3′/R2,

5′-TTCCCGTTCAGCAGTGGTAG-3′.

2 结果与分析

水稻胚芽鞘生长抑制和捕光色素蛋白编码基因

(LHCB)的诱导表达是2个重要的光形态建成特征.

为了分析赤霉素对水稻暗形态建成的影响以及在此

过程中光敏色素是否与GA相互作用, 我们检测了赤

霉素生物合成抑制剂PAC对暗生长野生型、phyA和

phyB突变体水稻幼苗胚芽鞘、主根延伸以及LHCB基

因表达的影响.

2.1 PAC对黑暗生长野生型和光敏色素突变体胚

芽鞘及主根延伸的影响

如图1所示, 在黑暗条件下, 随着PAC浓度的增

2385

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大, 野生型水稻幼苗胚芽鞘长度逐渐减小, 直至10–5 mol/L PAC, PAC 对地上部分高度影响不大. 这表明胚芽鞘延伸对PAC 处理较为敏感. 为了检测光敏色素是否影响PAC 所诱导反应, 我们比较了野生型、phyA 和phyB 突变体中胚芽鞘和主根的长度.

如图

2(a) 所示, 野生型和phyB 突变体胚芽鞘相对长度减小的趋势基本相同. phyA 突变体胚芽鞘相对长度也逐渐降低, 但是变化趋势与野生型不完全相同, 如在PAC 浓度

图1 全黑暗条件下野生型水稻幼苗的表型

将野生型水稻(日本晴)种子播种在0.3%琼脂培养基(0)及含有不同浓度PAC (10–7, 10

–6, 10–5和

10–4

mol ·L –1)的0.3%琼脂培养基中,

在黑暗条件下培养8 d, 然后拍照

图2 全黑暗条件下PAC 对WT, phyA 和phyB 水稻幼苗

胚芽鞘和主根相对长度的影响

将WT, phyA 和phyB 突变体水稻种子分别播种在0.3%琼脂培养基(0)及含有不同浓度PAC (10–7, 10–6, 10–5和10–4 mol ·L –1)的0.3%琼脂培养基中, 在黑暗条件下培养8 d 后测量胚芽鞘和主根的长度, 然后分别以WT, phyA 和phyB 突变体各自的无PAC 处理的水稻幼苗作为100%, 计算胚芽鞘相对长度(a)和幼苗主根相对

长度(b). 误差线代表标准误差

为10–5 mol ·L –1时, phyA 幼苗胚芽鞘的相对长度高于WT. 可见phyA 突变体对此浓度PAC 处理的敏感性低于野生型, 据此推测, phyA 可能正调控PAC 抑制胚芽鞘生长反应.

在同样生长条件下, 低浓度(如10–7和10–6 mol ·L –1) PAC 能诱导野生型、phyA 和phyB 突变体主根的延伸(图2(b)); 随着PAC 浓度的增大(10–4 mol ·L –1), 水稻幼苗的主根长逐渐被抑制. 这种趋势在WT, phyA 和phyB 突变体中无明显差异. 这些结果不仅表明了主根和胚芽鞘延伸对PAC 处理的反应不同, 而且也表明了光敏色素不参与暗生长条件下PAC 调控的主根延伸反应.

2.2 PAC 对暗生长野生型和光敏色素突变体

LHCB 基因表达的影响

为了分析GA 对光调控基因表达的影响, 我们比较了PAC 对暗生长野生型、phyA 和phyB 突变体中LHCB 基因家族两个成员Os03g0592500和Os09g03- 46500转录本水平的影响. 已有的研究表明, LHCB 基因的表达水平在暗生长的WT, phyA 和phyB 突变体中无明显差异, 因此我们用WT 的未处理材料代表了phyA 和phyB 突变体未处理材料[14,15]. 如图3所示, 相对于未处理的材料, 10–5和5×10–5 mol ·L –1 PAC 处理均能诱导这2个基因在野生型和phyB 突变体中大量表达, 而且表达水平在两种材料中无明显差异. 但是在phyA 突变体中, 10–5 mol ·L –1 PAC 不能明显诱导这2个基因的表达, 5×10–5 mol ·L –1 PAC 能够诱导2个基因的表达, 但表达水平低于野生型. 这个结果表明, 在黑暗条件下, PAC 处理能够诱导水稻幼苗中光调控基因的表达, phyA 可能影响水稻幼苗对PAC 处理的敏感性.

那么PAC 对LHCB 基因的诱导是否与GA 有关? 我们分析了外源10–4 mol ·L –1 GA3对野生型水稻幼苗LHCB 基因表达的影响. 在图4可以看出, 10–5 mol ·L –1 PAC 处理诱导了光调控基因Os03g0592500的大量表达, 这个结果与图4一致. 当同时加入外源GA3时, 该基因的表达被抑制, 即逆转了PAC 的诱导效果. 这个结果表明, PAC 对LHCB 基因表达的诱导是通过影响GA 反应而导致的.

综合上述结果, 我们可以看出PAC 处理能够抑制暗生长水稻幼苗胚芽鞘生长和诱导光调控基因的

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图3 黑暗条件下外源PAC 对WT, phyA 和phyB 水稻幼

苗中LHCB 基因表达的影响

将WT, phyA 和phyB 突变体水稻种子分别播种在0.3%琼脂培养基(0)及含有不同浓度PAC (10–5和5×10–5 mol ·L –1)的0.3%琼脂培

养基中, 在黑暗条件下培养8 d 后取地上部分作为实验材料进行

RT-PCR 分析.

ACTIN 基因作为内标

图4 外源GA3对野生型水稻幼苗中LHCB 基因表达的

影响

将WT 水稻种子分别播种在0.3%琼脂培养基(对照)、含有10–5 mol ·L –1 PAC (PAC) 或同时含有10–5 mol ·L –1 PAC 和10–4 mol ·L –1 GA3 (PAC/GA3)的0.3%琼脂培养基中, 在黑暗条件下培养8 d 后取地上部分作为实验材料进行RT-PCR 分析. ACTIN

基因作为内标

表达, 这些都是水稻光形态建成的特征, 据此推测, GA 是维持水稻暗形态建成特征所必需的, 而且 phyA 正调节水稻幼苗对PAC 处理的反应.

2.3 PAC 对光下生长的野生型和光敏色素突变

体水稻发育的影响

光信号和GA 信号在水稻幼苗生长发育中是否相互作用呢? 我们分析了在光照条件下PAC 对phyA 和phyB 水稻幼苗地上部分和主根生长的影响. 如图5(a)所示, 光照条件下, PAC 处理明显抑制所有材料地上部分的生长. 在10–5 mol/L PAC 处理下, phyB 突变体相对长度较野生型和phyA 突变体大, 表明phyB 介导的光信号增强了PAC 对地上部分生长的抑制效果.

浓度为10–7

, 10–6

和10–5

mol/L 的PAC 能促进野生型和光敏色素突变体主根延伸. 而浓度为10–4 mol ·L –1的PAC 抑制了主根延伸(图5(b)). 值得注意的是, phyB 突变体的相对根长明显大于野生型和phyA 突变体. 据此推测, phyB 介导的光信号部分抵

消了PAC 处理诱导效果.

我们也分析了光照条件下PAC 处理对LHCB 基因表达的影响, 结果表明PAC 诱导LHCB 基因表达现象在野生型和光敏色素突变体中均没有出现(资料未

显示), 这个结果表明, 光能够克服GA 对LHCB 基因表达的抑制.

3 讨论

3.1 GA 维持水稻幼苗的暗形态建成特征

本研究结果表明, PAC 处理能够抑制暗生长水稻的胚芽鞘生长(图1和2(a))和LHCB 基因的表达(图3), 表明GA 是维持水稻暗形态建成, 阻遏光形态建成所必需的. 相似现象在拟南芥和豌豆中已有报道[2]. 在拟南芥和豌豆中, PAC 处理能够抑制暗生长

幼苗下胚轴的延伸、子叶展开和光调控基因表达. 据此推测, 在暗生长植物幼苗中, GA 阻遏光形态建成 发生可能是植物的一种普遍现象. 值得注意的是, 尽管PAC 是植物体内赤霉素的生物合成抑制剂,

图5 全光照条件下PAC 处理对WT, phyA 和phyB 水稻

幼苗地上部分和主根相对长度的影响

将WT, phyA 和phyB 突变体水稻种子分别播种在0.3%琼脂培养基(0)及含有不同浓度PAC (10–7, 10–6, 10–5和10–4 mol ·L –1)的0.3%琼脂培养基中, 在光照条件下培养8 d 后测量地上部分和主根的长度, 然后分别以WT, phyA 和phyB 突变体各自的无PAC 处理的水稻幼苗作为100%, 计算地上部分相对长度(a)和幼苗主

根相对长度(b). 误差线代表标准误差

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时它还可以使植物的内源激素发生改变(如IAA 降低、ABA 含量提高), 进而影响植物生长发育 [17]. 那么本实验PAC 处理所导致的胚芽鞘生长受抑制和LHCB 基因的诱导是否与其他激素变化有关? 在我们的实验中, 外源GA3处理能够完全恢复LHCB 基因的表达至未处理水平(图4), 这表明GA 是影响光调控基因表达的关键因素.

GA 是如何维持植物的暗形态建成特征呢? 随着GA 信号传递途径DELLA 蛋白和光信号传导途径中PIF 转录因子的深入研究[6,18,19], 人们对GA 在拟南芥生长发育中作用的分子机制研究越来越深入. 特别是在2008年Nature 第451卷同一期上, 连续2篇研究论文揭示了GA 调节拟南芥光形态建成的作用模式[7,8]. 根据他们的研究结果, 在暗生长条件下, 细胞内GA 含量比较高, GA 与核内DELLA 蛋白相互作用, 导致DELLA 蛋白泛素化而降解, 这样PIF3或PIF4能够与靶基因的启动区结合, 启动靶基因表达, 促进细胞延长, 植株表现出较长下胚轴等暗形态建成特征. 当施加外源PAC 时, PAC 能够降低植物细胞内GA 含量, 这样当细胞内GA 含量较低时, DELLA 蛋白与PIF3或PIF4相互作用, 从而阻止PIF3或PIF4与靶基因的启动子相结合, 与细胞延伸相关的基因表达被抑制, 这样拟南芥表现出部分光形态建成特征, 如下胚轴被抑制等. 尽管水稻的DELLA 蛋白分子特征已经清楚[20,21], 但是关于水稻PIF 类转录因子与DELLA 蛋白之间相互作用的研究仍是空白. 因此暗生长条件下, GA 促进细胞延长的作用机理在水稻和拟南芥中是否相同仍需要进一步验证.

在本研究中, 我们发现低浓度的PAC 处理能够促进暗生长水稻幼苗主根的延伸, 高浓度的PAC 抑制主根的延伸(图2(b)). 然而在地上部分, 低浓度和高浓度PAC 均能抑制胚芽鞘的延伸(图2(a)). PAC 对地上部分和主根生长影响的不同可能有以下2种解释: 第一种可能是参与地上部分和地下部分内源GA 代谢途径的基因不同, 因此对低浓度外源PAC 的应答也不同. Sakamoto 等人[22]的研究表明, GA 生物合成途径上基因在根和其他器官中的表达水平有明显差异. 在根部, 低浓度PAC 导致的反馈调节可能促进了GA 含量. 第二种可能是, 低浓度和高浓度PAC 处理导致其他激素的不同变化, 这些激素影响了主根延伸. 最近, 张幸福等人的报道表明, 低于0.5 μmol/L 的ABA 促进水稻幼苗根伸长, 超过此浓度的

ABA 抑制根伸长[23]. 据此推测, 外源PAC 处理可能通过诱导水稻ABA 含量而影响主根的延伸.

3.2 光敏色素与GA 在水稻幼苗生长发育中的相

互作用

在本研究中, PAC 处理对暗生长下的野生型和phyB 突变体的胚芽鞘生长的抑制和光调控基因表达的诱导无明显差异, 然而phyA 突变体对PAC 处理不如野生型敏感(图2(a)和图3), 也就是说phyA 参与PAC 诱导的LHCB 基因的表达和胚芽鞘生长抑制反应. 这个结果出乎我们的意料, 通常我们认为当植物受到光照射后, 光敏色素分子转变成具有生物活性Pfr 构象. Pfr 形式的光敏色素转移到细胞核中, 才能与核内的其他蛋白质相互作用, 从而调控光反应[24~27]. 那么在黑暗条件下, phyA 是如何参与PAC 诱导的反应呢? 目前研究表明, 尽管核转移是phyA 和phyB 发挥大部分生物学功能的必要条件, 但是拟南芥phyA 在细胞质中也能发挥生物学功能, 如负向地性反应 [28]. 此外, 水稻phyA-GFP 在黑暗条件下也有核定位现象(TAKANO Makoto, 个人通讯). 据此推测, 在暗生长条件下, 尽管极少量核定位phyA 不足以诱导光形态建成反应, 但是在PAC 处理后, 这些少量的核定位phyA 可能增强了低含量GA 对光形态建成的诱导效果.

在光照条件下, PAC 处理所导致的地上部分生长抑制现象在phyB 突变体中较弱(图5(a)), 然而PAC 对主根延伸的诱导作用在phyB 突变体中更为明显(图5(b)). 可见, phyB 介导的光信号正调控PAC 抑制地上部分生长的反应, 负调控PAC 诱导主根延伸反应. 在拟南芥中的研究表明, 光敏色素对GA 途径的影响表现在两个方面: 在光照条件下核定位phyB Pfr 形式与PIF3或PIF4相结合, 导致它们泛素化而降解, 从而不能启动靶基因的表达, 细胞延长被抑制[7,8], 拮抗了GA 调控的细胞延长反应. 另一方面, 光敏色素介导的光信号能够抑制拟南芥下胚轴中GA 生物合成相关基因的表达, 诱导GA 分解基因的表达, 从而降低GA 含量, 这样DELLA 蛋白质与PIF3或PIF4相互作用, 阻止PIF3或PIF4与靶基因的启动子相结合, 拟南芥下胚轴伸长相关基因被抑制[18]. Reed 等人[29]的报道表明, 拟南芥phyB 降低幼苗对GA 的反应能力. 在本研究中, phyB 感受的光信号能够抑制水稻主根

论文

的延伸, 这种抑制作用抵消了PAC对主根延伸的诱导效果. 另外, Shimizu等人[16]的研究已表明, phyA 介导的光信号也能够抑制水稻主根的延伸, 据此推测, PAC对phyAphyB突变体的主根延伸诱导效果可能更明显.

总之, 本研究结果表明GA是维持水稻幼苗暗形态建成所必需的, phyA和phyB影响水稻幼苗中GA调控的生长发育过程. 本研究中发现的暗生长条件下phyA对光形态建成影响的现象还未有报道, 这个发现需要我们对phyA核转移特征进行重新认识. 此外, 本研究中所发现的水稻phyA, phyB与GA调控反应之间的相互作用也未见报道, 因此我们的结果为研究水稻GA和光敏色素途径之间相互作用的分子机制奠定了基础.

参考文献

1Kim T N, Kim B N, von Arnim A G. Repressors of photomorphogenesis. Int Rev Cytol, 2002, 220: 185—223

2Alabadí D, Gil J, Blázquez M A, et al. Gibberellins repress photomorphogenesis in darkness. Plant Physiol, 2004, 134: 1050—1057

3Nagy F, Sch?fer E. Control of nuclear import and phytochromes. Curr Opin Plant Biol, 2000, 3: 450—454

4Huq E, Al-Sady B, Quail P H. Nuclear translocation of the photoreceptor phytochrome B is necessary for its biological function in seed-

ling photomorphogenesis. Plant J, 2003, 35: 660—664

5Chen M, Chory J, Fankhauser C. Light signal transduction in higher plants. Annu Rev Genet, 2004, 38: 87—117

6Castillon A, Shen H, Huq E. Phytochrome interacting factors: Central players in phytochrome-mediated light signaling networks. Trends

Plant Sci, 2007, 12: 514—521

7Feng S, Martinez C, Gusmaroli G, et al. Coordinated regulation of Arabidopsis thaliana development by light and gibberellins. Nature,

2008, 451: 475—479

8De Lucas M, Davière J M, Rodríguez-Falcón M, et al. A molecular framework for light and gibberellin control of cell elongation. Nature,

2008, 451: 480—484

9Kay S A, Keith B, Shinozaki K, et al. The sequence of the rice phytochrome gene. Nucleic Acids Res, 1989, 17: 2865—2866

10Dehesh K, Tepperman J, Christensen A H, et al. PhyB is evolutionarily conserved and constitutively expressed in rice seedling shoots.

Mol Gen Genet, 1991, 225: 305—313

11Tahir M, Kanegae H, Takano M. Phytochrome C (PHYC) gene in rice: Isolation and characterization of a complete coding sequence.

Plant Physiol, 1998, 118: 1535

12Basu D, Dehesh K, Schneider-Poetsch H J, et al. Rice PHYC gene: Structure, expression, map position and evolution. Plant Mol Biol,

2000, 44: 27—42

13Takano M, Kanegae H, Shinomura T, et al. Isolation and characterization of rice phytochrome A mutants. Plant Cell, 2001, 13: 521—534

14Takano M, Inagaki N, Xie X, et al. Distinct and cooperative functions of phytochromes A, B, and C in the control of deetiolation and

flowering in rice. Plant Cell, 2005, 17: 3311—3325

15Xie X, Shinomura T, Inagaki N, et al. Phytochrome-mediated inhibition of coleoptile growth in rice: Age-dependency and action spectra.

Photochem Photobiol, 2007, 83: 131—138

16Shimizu H, Tanabata T, Xie X, et al. Phytochrome-mediated growth inhibition of seminal roots in rice seedlings. Physiol Plant, 2009, 137:

289—297

17Rademacher W. Growth retardants: Effets on gibbeerllin biosynthesis and other metabolic pathways. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol

Biol, 2000, 51: 501—531

18Achard P, Liao L, Jiang C, et al. DELLAs contribute to plant photomorphogenesis. Plant Physiol, 2007, 143: 1163—1172

19Oh E, Yamaguchi S, Hu J, et al. PIL5, a phytochrome-interacting bHLH protein, regulates gibberellin responsiveness by binding directly

to the GAI and RGA promoters in Arabidopsis seeds. Plant Cell, 2007, 19: 1192—1208

20Itoh H, Ueguchi-Tanaka M, Sato Y, et al. The gibberellin signaling pathway is regulated by the appearance and disappearance of SLEN-

DER RICE1 in nuclei. Plant Cell, 2002, 14: 57—70

21Ueguchi-Tanaka M, Nakajima M, Katoh E, et al. Molecular interactions of a soluble gibberellin receptor, GID1, with a rice DELLA pro-

tein, SLR1, and gibberellin. Plant Cell, 2007, 19: 2140—2155

22Sakamoto T, Miura K, Itoh H, et al. An overview of gibberellin metabolism enzyme genes and their related mutants in rice.Plant Physiol,

2004, 134: 1642—1653

23张幸福, 韩栓, 王伟, 等. ABA和GA刺激的ROS代谢调节水稻幼根伸长分析. 河南大学学报(自然科学版), 2010, 1: 62—66

24Quail P H. Phytochrome photosensory signalling networks. Nat Rev Mol Cell Biol, 2002, 3: 85—93

25Wang H. Signaling mechanisms of higher plant photoreceptors: A structure-function perspective. Curr Top Dev Biol, 2005, 68: 227—261

2389

2010年8月 第55卷 第24期

2390

26 Rockwell N C, Su Y S, Lagarias J C. Phytochrome structure and signaling mechanisms. Annu Rev Plant Biol, 2006, 57: 837—858 27 Kevei E, Schafer E, Nagy F. Light-regulated nucleo-cytoplasmic partitioning of phytochromes. J Exp Bot, 2007, 58: 3113—3124 28 R?sler J, Klein I, Zeidler M. Arabidopsis fhl /fhy1 double mutant reveals a distinct cytoplasmic action of phytochrome A. Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104: 10737—10742

29 Reed J, Foster K, Morgan P, et al. Phytochrome B affects responsiveness to gibberellins in Arabidopsis . Plant Physiol, 1996, 112: 337—342

Involvement of phytochromes in gibberellin-mediated photomorphogenesis in rice seedlings

LIU Jing 1,2, LIU YanMei 2, TAKANO Makoto 3, WANG BaoShan 1 & XIE XianZhi 2,4

1

College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China;

2

High-Tech Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China; 3

National Institute of Agrobiological Sciences, Tsukuba, Ibaraki 305-8602, Japan; 4

Laboratory of Crop Genetic Improvement and Biotechnology, Huanghuaihai, Ministry of Agriculture, Jinan 250100, China

Gibberellin (GA) is an important plant hormone, which, together with phytochrome-mediated light signals, regulates Arabi-dopsis thaliana development. However, roles of GA and its interaction with phytochromes in mediating skotomorphogenesis and photomorphogenesis remain unclear in rice. In the present study, the lengths of coleoptiles, seminal roots and up-ground parts were measured in either dark- or white light-grown seedlings treated with GA biosynthesis inhibitor PAC in wild type and rice phytochrome mutants. Meantime, transcript levels of light-regulated genes LHCB were also analyzed. It was ob-served that PAC treatment caused the inhibition of coleoptile elongation and induction of LHCB genes in dark-grown seed-lings. Moreover phyA mutant exhibited less sensitive to PAC than wild type and phyB mutant in dark-grown seedlings. In white light-grown seedlings, growth of up-ground parts was inhibited by PAC while phyB mutant exhibited less sensitive than wild type and phyA mutant did. In addition, phyB antagonistically affect the inductive responses of root elongation triggered by PAC in light-grown seedlings. These results suggest that GA is necessary to maintain skotomorphogenesis and to suppress photomorphogenesis in dark-grown rice seedlings. In addition, phyA and phyB either negatively or positively affect re-sponses caused by PAC treatment in rice seedlings. For the first time, our findings reveal the interaction between phyto-chrome- and GA-mediated pathways which lays the foundation for dissecting the molecular mechanism of coordinated regu-lation of rice development by light and GA.

rice, gibberellin, phytochromes, photomorphogenesis, light-regulated genes

doi: 10.1360/972010-859

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