近年來，電子顯微鏡技術(shù)在從細(xì)胞和分子水平揭示植物生理機(jī)制的研究中扮演著越來越重要的作用，這些研究成果或發(fā)表在頂尖雜志或被寫入教科書，極大得推動了植物學(xué)及農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，越來越多的科學(xué)家從植物重要蛋白質(zhì)及其結(jié)構(gòu)出發(fā)，去解讀諸如分子組裝及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制等問題，由此來闡明相關(guān)基因或蛋白的特異性生理功能。

對光的吸收是植物光合作用的基礎(chǔ)。同時(shí)，對植物而言，光也是一種重要的信號分子，調(diào)控著植物生長發(fā)育的過程。而光敏色素 (phytochrome，Phys) 是植物感知紅光和遠(yuǎn)紅光的光受體，常以二聚體的形式存在，另在每個(gè)單體上共價(jià)結(jié)合一個(gè)線性的四吡咯環(huán)PΦB，作為發(fā)色團(tuán)。光敏色素可以在吸收紅光的Pr構(gòu)象和吸收遠(yuǎn)紅光的Pfr構(gòu)象之間進(jìn)行可逆切換。

在高等植物中，主要含有以phyA和phyB為代表的兩類光敏色素。2022年《Nature》期刊報(bào)道了高等植物全長phyB的紅光吸收型Pr結(jié)構(gòu)，但phyA的全長結(jié)構(gòu)尚未被報(bào)道。因此，無法對phyA和phyB植物光敏色素類受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制進(jìn)行全面的理解，也無法探究phyA和phyB之間的結(jié)構(gòu)差異。此外，還有很多問題尚未解答，譬如光敏色素紅光吸收型Pr和遠(yuǎn)紅光吸收型Pfr構(gòu)象之間是如何保持平衡的？而phyA作為一種光感受器的分子機(jī)制又是如何運(yùn)行的？

2023年7月25日，北京大學(xué)-現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院的王繼縱研究員發(fā)表在Cell Research雜志上的研究成果，走進(jìn)了冷凍電鏡及植物遠(yuǎn)紅光受體光敏感性分子機(jī)制的故事：

植物遠(yuǎn)紅光受體光敏感性的分子機(jī)制

光既是植物生長的能量來源，也是調(diào)控植物整個(gè)生長發(fā)育過程的重要信號分子。光敏色素是植物的紅光/遠(yuǎn)紅光（600-700 nm）受體，利用共價(jià)結(jié)合的線性四吡咯環(huán)化合物PΦB作為發(fā)色團(tuán)。光敏色素有紅光吸收型（Pr）和遠(yuǎn)紅光吸收型（Pfr）兩種主要構(gòu)象形式。在植物中，Pr形式存在于胞質(zhì)中，在光激活后以Pfr形式轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，繼而調(diào)節(jié)植物整個(gè)生長過程。高等植物主要編碼以phyA和phyB為代表的兩類光敏色素受體。PhyB是介導(dǎo)經(jīng)典紅光/遠(yuǎn)紅光可逆低輻照響應(yīng)（LFR）或紅光高輻照響應(yīng)（R-HIR）的主要紅光受體，而phyA則負(fù)責(zé)極低輻照響應(yīng)（VLFR）和遠(yuǎn)紅光高輻照度響應(yīng)（FR-HIR），因此其具有更高的光敏性。

王繼縱老師的研究成果解析了雙子葉植物擬南芥 AtphyA-Pr，單子葉植物玉米 Zm-phyA1-Pr以及擬南芥未結(jié)合PΦB的phyA（apo-At-phyA）的三種全長蛋白的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（分辨率依次為3.0?，3.3?，3.8?），結(jié)合光譜吸收分析，詳細(xì)揭示了植物phyA高度光敏感性與生理功能特異性的分子基礎(chǔ)。