钟上威课题组揭示植物光温共感知的分子机制

光照与温度紧密联系，是生物体判断昼夜与季节改变的重要信息来源。通过一个受体同时感知光照与温度，能最大程度实现对光温环境信号的快速整合，提高适应能力。但是光照与温度是独立物理信号，例如冷暖空气能快速改变温度而不影响光照，需要受体能区分感知。2016年，两篇Science论文（Science 354, 886-889; Science 354, 897-900）首次报道温度能调控光敏色素B（phyB）的活性，提出其分子机制是高温促进phyB从活化构象Pfr转变为非活化构象Pr（Pfr to Pr）。然而，黑暗或遮荫环境也能同样促进phyB的Pfr to Pr构象转变，该分子机制无法将温度、黑暗和遮荫等环境信号区分开。

2022年6月20日，Molecular Cell杂志发表了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室钟上威研究组的题为“Integration of light and temperature sensing by liquid-liquid phase separation of phytochrome B”的研究论文，报道了光敏色素B蛋白通过光控可逆构象转变与温控液液相分离，实现植物对光照与温度两种关键环境因子的同时感知（图1）。该研究提出了生物体如何通过同一蛋白感知不同环境信号的分子模型。

图1 phyB通过可逆构象转变与液液相分离，同时感知光照与温度信号。

本研究中，作者对锁定在Pfr构象的phyB点突型YHB（该点突型不能转变为Pr构象）进行研究，发现其蛋白能感知温度变化，呈现出动态可逆的聚集或解离行为（图2A）。将YHB转入phyB突变体，筛选出从低到高不同表达量的转基因纯合植株，发现当Pfr构象锁定的YHB与野生型phyB活性水平相近时（#27），YHB转基因植株呈现与野生型相似的温度响应表型（图2B），说明phyB通过独立于Pfr to Pr构象转变的机制进行温度感知。

图2 Pfr构象锁定的phyB点突型蛋白YHB感知温度呈现动态可逆的聚集或解离，其转基因植株（#27）能正常响应温度变化。#27和#2为两个独立转基因植株，#27中YHB与野生型中phyB活性相近，#2中YHB高于野生型中phyB活性。

为了探究phyB蛋白感知温度的机制，作者对其理化性质做了深入研究。通过序列分析与实验验证，作者发现phyB的N末端延伸片段（NTE）具有无序特性，是一个能调控蛋白质聚集的IDR（Intrinsically Disordered Region，固有无序序列区域）。同时，phyB的C端具有极强的寡聚化能力，可以进行自我聚集，这两段区域促使活化的phyB分子通过LLPS（Liquid-liquid phase separation，液液相分离）形成光小体（photobodies）。实验结果表明，NTE及C端的去除，均会使phyB丧失光小体的形成能力。当用其他类似性质的动植物蛋白IDR置换NTE或用具有寡聚能力的GUS蛋白置换C端后，均可恢复其相分离的能力。结合先前的蛋白质结构数据与该研究的生化分析，发现phyB处于非活化的Pr构象时，NTE被包埋于N端感光区域的GAF位置，整个N端对C端的寡聚能力产生抑制，抑制phyB通过液液相分离形成光小体。而当光活化phyB为Pfr构象时，NTE从GAF区域释放出来，由于NTE无序序列的特性，可以与其他phyB分子的NTE发生弱多价相互作用，解除N端对C端的抑制，使得C端暴露出来，通过寡聚化作用驱动phyB通过液液相分离形成光小体。

作者进一步对phyB光小体的形成与解离调控做了深入研究。发现光照能促进光小体形成，而高温则促使光小体解离。为了排除phyB构象改变的影响，作者对锁定在Pfr构象的phyB（YHB）蛋白进行了研究。YHB蛋白在细胞中组成型形成光小体，完全不响应光照变化，但是随着环境温度升高，YHB的光小体逐渐解离，直至完全消失。更有意思的是，当YHB从高温转为低温时，完全消失的YHB光小体又逐渐重新形成，说明YHB光小体能动态可逆响应环境温度变化。那么YHB光小体是如何感知温度信号的呢？作者用其他IDR置换NTE，能观察到光小体的形成，但却不再具有感知温度变化的特性，说明NTE是phyB温度感知的特异序列。将C端去除，YHB的截短体不能形成光小体，对温度也没有响应，而用GUS置换C端后，既能观察到光小体的形成，也能观测到其对温度的感知能力。作者最后做了转基因的遗传验证实验。发现将NTE替换为其它IDR时，转基因植株能恢复phyB突变体光形态建成表型，但对温度不响应；当C端去除时，phyB的N端截短体（phyBN）能部分恢复phyB突变体光形态建成表型，但对温度不响应；而当phyB的N端截短体连接GUS蛋白（phyBN-GUS），则能完全恢复转基因植株对温度的响应能力。这些结果充分说明光小体形成是phyB温度感知所必需的：C端通过其寡聚作用促进光小体形成，但没有温度感知的特异序列；NTE能直接感知温度变化，并通过液液相分离动态可逆调控光小体形成，从而实现phyB的温度感知能力。

在该研究中，作者还发现phyB通过蛋白质相互作用与液液相分离，有选择地将多种转录因子招募进入光小体，在光小体中富集phyB信号通路分子，提高了信号传导能力。当phyB光小体解离时，信号通路分子也随之解离，使得phyB信号传导活性快速降低，抑制其功能输出。因此，phyB通过液液相分离动态可逆地形成与解离光小体，快速调控phyB信号通路传导效率，使得植物能独立于phyB构象转变，实现对环境温度变化的生理响应。

北京大学生命科学学院博士生陈迪与博士后吕默含为论文的并列第一作者，钟上威研究员为该论文通讯作者。北大生科院范六民教授与首都师范大学施慧教授也参与了该项工作。该研究得到了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、国家自然科学基金、启东-SLS创新基金、北京大学现代农业研究院以及北大生科院仪器中心成像平台的大力支持。