对于植物而言，精确感知光的能力控制着从种子萌发、光合作用、色素沉着到生长和开花模式的一切。现在，科学家首次获得了生物学中最重要的光探测器之一的详细图谱——一种存在于植物、真菌和细菌等多个物种中的蛋白质。通过解析被称为光敏色素的蛋白质的三维结构，科学家现在可以揭示植物如何对光作出反应的秘密，从而为一系列可能对农业产生深远影响的操控打开大门。

在11月17日出版的《自然》杂志上，来自威斯康星大学麦迪逊分校的一个科学家团队报告称，他们获得了一种细菌光敏色素的晶体结构，这是生物学中首个被描绘的此类感光结构。该报告指出，细菌光敏色素的结构表明，其架构大约在十亿年前首次出现在一个共同祖先中，并且不仅为细菌所共有，也为植物和真菌所共有。

“这可能是农业中最重要的光调节器，”威斯康星大学麦迪逊分校的植物遗传学家、该《自然》论文的两位资深合作作者之一Richard Vierstra说。“它告诉植物何时萌发。它告诉植物在哪里生长以吸收最多的光并避免竞争。它告诉植物何时开花。它告诉植物在生长季节结束时何时死亡。”

威斯康星大学研究人员（包括第一作者、研究生Jeremiah Wagner）的这一成就，为生物学家30年来深入探究植物、真菌和细菌如何利用光指导其发育的努力画上了句号。它可能会激发科学家们利用这一新知识的热潮，并可能有一天导致诸如植物的生长、开花和死亡可以被精确操控等成果。

“我们现在可以开始以合理的方式改变光敏色素的工作方式，以改善植物对光的反应，”Wagner说。“人们已经尝试这样做很长时间了。从实践上讲，我们现在可以尝试重新设计植物的视觉系统。”

据Vierstra介绍，每种植物中都存在多种光敏色素，它们几乎存在于所有细胞中。在直接对光作出反应的细胞中，如根尖和新芽中，它们的浓度更高。

威斯康星团队揭示的光敏色素来源于一种名为耐辐射奇球菌的微生物，这种细菌以其对电离辐射的耐受性而闻名。直到最近八年，Vierstra实验室和其他实验室的科学家才发现，像植物一样，一些细菌也含有光敏色素。这一发现为威斯康星团队定义光敏色素的结构开辟了道路，因为细菌易于在实验室中培养，并且它们的蛋白质比植物蛋白质更容易纯化和操作。

一旦分离出来，光敏色素就被结晶，并使用X射线束绘制其分子结构，从而形成蛋白质的三维图像。据该团队的另一位资深成员、威斯康星大学麦迪逊分校细菌学教授Katrina Forest称，这张三维肖像揭示了分子原子级的构型，是理解光感受器如何感知光并触发一系列控制生长和发育的下游事件的关键。

“有一些惊喜，”Forest谈到这种带状蛋白质时说。“这种蛋白质有一个结。”她指出，这是一个令人惊讶的特征，在已知结构的数万种蛋白质中，只有少数几种观察到这种结构。该团队推测，这个结可能有助于稳定蛋白质，使其能够完成捕获光并触发其控制的下游事件级联的任务。

“我们认为，如果没有这个结，蛋白质（由光引发的）构象变化可能会过于松散，无法有效地传递给下游蛋白质，”Forest解释道。

光敏色素具有独特的性质，使它们能够在感知红光和远红光两种稳定状态之间切换。光实际上是由位于蛋白质口袋内的一个专门色素检测到的。Forest说，红光和远红光的作用是可逆地改变口袋内色素的结构，然后翻转蛋白质上的开关，触发生长和发育事件。

有趣的是，光敏色素具有储存其检测到的光的能力，在感知后数天启动反应，Vierstra说。“这种记忆使植物能够预测每天光线的来源，并测量日照长度，以便在正确的季节开花。”

据Vierstra和Forest称，通过解析光敏色素蛋白的架构，有可能设计并引入作物中对不同波长光作出反应、或活性更高或更低的光敏色素。这些变化反过来可以使植物在不同的气候条件下生长或在一年中的不同时间开花等。

Vierstra说，获得对开花事件的精确控制，是大多数作物成功或失败的关键，因为我们吃的大部分食物来自花朵产生的种子和果实。在另一种情景下，有可能减弱作物中光敏色素的作用，以避免它们在田间密集种植时相互竞争光线。

除了Wagner、Vierstra和Forest之外，该论文的作者还包括西北大学的Joseph S. Brunzelle。这项工作主要由美国国家科学基金会资助。美国能源部和W.M. Keck基金会也提供了资助。