Fytokrom

Lyset gir ikke bare plantene energi til å drive fotosyntese og vanntransport, men kontrollerer også plantenes vekst og utvikling. Fytokrom ble oppdaget av den amerikanske plantefysiologen L Flint som arbeidet med effekten av lys på spiring av salatfrø, men H Borthwick og S Hendricks ved US Department of Agriculture, Beltsville i USA videreførte dette arbeidet i 1962, oppdaget fotoreversibiliteten i fytokrom ved frøspiring, som ga et gjennombrudd i fytokromforskningen.

Fytokrom er et vannløselig pigmentprotein med molekylvekt 250 kDa, bestående av en dimer med to subenheter, hver 125 kDa. Hver subenehet har et lysabsorberende pigment, kromofor, og en polypeptidkjede kalt apoprotein. Kromofor og apoprotein danner et intakt holoprotein. Kromoforen, en åpen lineært tetrapyrrol, bundet til proteinet med en thioeterbinding til cystein, en autokatalytisk kobling mellom kromofor og apoprotein. Kromoforen lages i kloroplastene fra hem i en sidevei til klorofyllsyntesen.  Apoproteinet lages i cellekjernen. Fytokrom er tilstede i alle planter i svært små konsentrasjoner. Det er lite lys som skal til for å mette de prosessene hvor fytokrom deltar. Fykobiliproteiner som deltar i fotosyntesen hos blågrønnbakterier og rødalger har også en åpen tetrapyroll som kromofor gruppe, i motsetning til ringformet tetrapyroll i klorofyll og hem.

Fytokrom er et fotoreversibelt dimert protein (2 x 125 kDa) hvor to former er i stasjonær likevekt med hverandre avhengig av forholdet mellom rødt og mørkerødt lys. Fytokrom deltar bl.a. i:

1) Strekning

2) Lysavhengig frøspiring

3) Åpning av apikal krok ved spiring hos tofrøbladete

4) Fotoperiodisitet og blomstring, cirkadiske rytmer

5) Induksjon av vekstavslutning og hvile (knopphvile)

6) Busking hos gras

7) Sovebevegelser (nyktinasti) og andre bladbevegelser

Forholdet mellom rødt (R) og mørkerødt lys (MR):

\(\frac{R}{MR}= \frac{660 nm\; \pm \; 5 nm}{730 nm\; \pm \; 5 nm}\)

Det er mer mørkerødt lys ved soloppgang og solnedgang, under 5 millimeter jord og under vegetasjon. Minskning i R/MR ratio gir økt strekningsvekst i skygge hos solplanter (skyggeunngåelse), men gir ingen effekt på skyggeplanter. 

Planter som står skyggefullt under andre trær får flyttet fytokromlikevekten mot rødtformen av fytokrom (FR). Solplanter som står i vegetasjonsskygge blir derfor lange og strantete. Solplanteadapsjonen til skygge er økt strekning, redusert bladareal og redusert greining. Den apikale dominansen blir utpreget slik at det dannes få sideskudd. Responsen er mest utpreget hos solplanter og observeres i liten grad hos obligate skyggeplanter.

Lianer, kvelerfiken, vindelplanter (Convolvolus) og neslesnyltetråd (Cuscuta europaea) er klatreparasitter som har behov for å vokse inn i en vegetasjonsskygge hvor det er størst sannsynlighet for å finne en stamme eller stengel de kan klatre i (skototropisme). Fytokromsystemet har mulighet til å registrere hvor det er vegetasjonsskygge, noe som deretter påvirker vekstretningen.

Fytokrom registrer informasjon om lysmiljøet omkring plantene. Fytokrom består av to interkonvertible lysabsorberende hovedformer FR og FMR, og fungerer som en autofosforylerende protein kinase som regulerer ekspresjon av gener.  Den rødtlysabsorberende formen FR har blå farge (absorberer 650-680 nm)  og den mørkerødtabsorberende form FMR (abosorberer 710-740 nm) er grønnfarget. Fytokrom kan også absorbere blått lys, mens gulgrønt lys absorberes i mindre grad. Virkningen av lys som registreres av fytokrom avhenger av likevekten mellom de to formene, som igjen avhenger av forholdet mellom rødt og mørkerødt lys. Biologisk respons følger som regel med økende konsentrasjon av FMR.

   De to formene av fytokrom har overlappende absorbsjonsspektere slik at det er en dynamisk likevekt mellom dem. Mengden FMR etter at fytokrom er mettet med rødt lys er ca. 85 %. Bredspektret mørkerødt (fjerntrødt) lys gir ca. 97% FR og 3% FMR.  Ved belysning med rødt lys skjer det en cis-trans isomeri mellom karbonatom 15 og 16. På grunn av de små mengdene med fytokrom og stort innhold av klorofyll er det vanskelig å måle fytokrom i grønt vev. Bruk av antistoffer mot fytokrom og reportergener viser at det er mye fytokrom skuddspisser og apikal krok, men fytokrom finnes også i rothetta.

Fytokrom regulerer membranegenskapene, og rødt lys kan endre fluksen av kalsium (Ca2+) over plasmamembranen, et trinn i en molekylær signaloverføringsvei. Fytokromresponsene består av rask signaloverføring som resulterer i bevegelse, morfologiske endringer og vekst. Tiden mellom stimulieksponering og respons kan være fra minutter til flere uker (blomstring). Raske responser er forflytning av organeller, eller skrumping eller svelling av celler ifm. med bladbevegelser. Allerede etter ca. 8 minutter kan man observere at rødt lys gir hemmet strekningsvekst.

Lys absorbert av fytokrom påvirker fotomorfogenese. Forholdet mellom rødt og mørkerødt i vanlig lys gjør at fytokromlikevekten forflyttes over mot mørkerødtformen FMR. Karakteristisk for alle fytokromresponser er at de kan reverseres flere ganger ved å gi alternerende små mengder med rødt - mørkerødt - rødt - mørkerødt osv.. Det er det lyset som gis til slutt og som flytter fytokromlikevekten den ene eller andre veien som er avgjørende. Imidlertid virker denne reverseringen bare for en kortere periode etter stimuli og deretter forsvinner fotoreversibiliteten. Dette kan forklares med en flertrinns signalsekvens.

Det mørkerødtabsorberende fytokromformen (FMR) deltar i følgende prosesser:

1) Spiring hos lyskrevende frø.

2) Redusert strekning av internodier. Redusert strekning er også en blåttlysrespons.

3) Utfolding av apikal krok (hypokotylekrok) hos tofrøbladete planter når skuddet kommer opp av jorda og opp i lyset. Fytokrom hemmer etylensyntesen i lys, som igjen gir åpning av den apikale kroken. Kroken gjør at bladene trekkes baklengs gjennom jorda.

4) Redusert strekning av koleoptile og gjennombrudd av første blad hos enfrøbladete planter.

5) Dannelse av bladprimordier og utvikling av første blad. For å få utviklet bladplaten fullstendig trengs imidlertid høyere lysintensiteter hvor blått lys er mest effektivt.

6) Utrulling av blad under deetiolering. Spesielt gras har evnen til å rulle sammen bladene. I mørke blir planter (unntatt gymnospermer, moser og karsporeplanter) bleke uten klorofyll (etiolert). Aspargesskudd dekket av jord blir hvite, og stangselleri blir hvite, lange og sukkulente hvis de blir dekket til.

7) Start av kloroplastutvikling.

8) Vridning av kloroplasten hos grønnalgen Mougeotia.

9) Anthocyaninsyntese.

10) Turgorforandring i pulvinusceller og endring av bladvinkler. Skyldes ionefluks.

11) Knopphvile.

12) Start av redproduktiv fase.

13) Positiv og negativ kontroll av genekspresjon.

14) Regulering av cirkadiske rytmer og blomstring.

15) Endring i membranpotensial og fluks av ioner.

Plantene har flere forskjellige typer fytokromer. Fytokrom kodes av en multigenfamilie kalt PHY, fem forskjellige PHY-gener (PHYA, PHYB, PHYC, PHYD og  PHYE) lager fytokrom som har så forskjellig aminosyresekvens at det indikerer forskjellig opprinnelse og at de inngår i flere ulike og unike reguleringsveier. Enfrøbladete planter har bare PHYA, PHYB og PHYC.  PHY-gener får økt diversitet under evolusjonen. Transkripsjonen PHY-gener hemmes i lys. Fytokromprotein A er ustabilt og brytes raskt ned etter binding til ubiquitin. Ubiquitin er et polypeptid som bindes til protein og gjør det gjenkjennelig for proteosomer og nedbrytning. De fleste enzymproteiner i planter blir kontinuerlig brutt ned og bygget opp igjen avhengig av behov, og ubiquitinering gir et signal til nedbrytning.

Fysiologisk sett har plantene to typer fytokrom: type I fytokrom og type II fytokrom. I etiolert vev er det mest type I fytokrom, og i grønt plantevev i lys er det omtrent  lik mengde type I og II. I lys degraderes fytokrom slik at mengden blir tilpasset de høye lysfluksene. Enfrøbladete planter mister type I i lys ved hemming av transkripsjon, mRNA degradering og proteolyse. Mørkerødtformen (FMR) type II er stabil i motsetning til type I FMR. PHY-gener koder for fytokrom type I og II. 

Fytokrom påvirkes av små mengder lys

Når man snakker om lysintensitet er det intensiteten av lys utsendt fra en lyskilde (sola eller kunstig belysning). Irradianse er lyset som treffer et objekt. Fluensen er antall lyspartikler som treffer en overflate og måles i enheten μmol m-2. Et mol er Avogadros tall med partikler dvs. 6.022•1023. Fluensraten eller lysfluksen  er antall lyspartikler som treffer per areal- og tidsenhet og måles i μmol m-2 s-1.

Det er mulig å dele fytokromresponser inn i 3 hovedtyper etter fluens:

1) Meget lav fluensrespons (MLFR) er en effekt på fytokrom som skjer ved svært små lysmengder fra 0.001 μmol m-2 til metning ved 0.050 μmol m-2. Denne fytokromeffekten er ikke fotoreversibel. Det er fytokrom B som deltar og påvirkes av rødt og blått lys. Eksempel på MLFR er rødtlysindusert hemming av strekning av mesokotylen i mørkespirt havre. Lys fra 0.001 til 0.1 μmol m-2 påvirker spiring av Arabidopsisfrø. Ved MLFR omdannes ca. Bare 0.02% av totalt fytokrom til den mørkerødtabsorberende formen FMR.

2) Lav fluensrespons (LFR) er en fytokromeffekt som skjer ved lysmengder mellom 1 μmol m-2 - 1000 μmol m-2. Det er denne som er rødt-mørkerødt reversibel og det er sannsynligvis fytokrom B som deltar. Eksempler på LFR er bladbevegelser og spiring av salatfrø. LFR følger resiprositetsloven til Bunsen og Roscoe (1850): Responsen ved høy lysintensitet i kort tid er lik responsen ved lav lysintensitet i lang tid, i.e. total fluens er avhengig av fluens og tid.

3) Høy irradianse respons (HIR) er proporsjonal med irradianse og varighet inntil lysmetning, og HIR er mettet ved mer enn 100 ganger mer fluens enn LFR. HIR er ikke fotoreversibel, og følger ikke resiprositetsloven. HIR skjer i mørkespirte planter via fytokrom A. HIR responsen hos etiolerte planter (aksjonsspekteret) har topper i mørkerødt, blått og UV A lys, og mørkerødtabsorbsjonen skyldes type I fytokrom A.  Aksjonstoppene i blått og UVA skyldes fotoreseptorene for kryptokrom (CRY1 og CRY2). Hos lysspirte planter skjer høy irradianse effekten via fytokrom B og rødt lys. Typiske HIR effekter fra kontinuerlig eksponering med høy irradianse  er hemming av hypokotylestrekning hos etiolert sennep og fullstendig utvikling av bladplaten. Andre HIR effekter er biosyntese av anthocyaniner hos tofrøbladete planter; induksjon av blomstring hos bulmeurt (Hyoscyamus); åpning av plumulakrok (kimkrok) i salat; økt størrelse av kimblad i sennep (Sinapis); samt produksjon av etylen i Sorghum

Som apropos til cis-trans konformasjonsendring i fytokrom  skyldes synet i øyet hos vertebrater en cis-trans isomerisering i retinal. Dette gir en konformasjonsendring i rhodopsin, aktivering av G-protein, aktivering av cGMP fosfodiesterase som medfører lavere konsentrasjon av cGMP, lukking av Na+ kanaler og et elektrisk stimuli som registreres og tolkes i hjernen. G-proteiner er membranproteiner som binder GTP og GDP på en subhenhet av proteinet. Hydrolyse av GTP er nødvendig for at reguleringen skal skje. Syklisk GMP (cGMP) er en sekundær budbringer som også kan delta i signaloverføringen fra fytokrom.

 

Fytokrom – rødt-mørkerødt reseptor

Fytokrom styrer mange utviklingsprosesser i planter.

Bakterier bruker et to-komponent signalsystem (to-komponent histidin kinase) for å motta informasjon om de ytre miljøbetingelsene. En komponent er et sensorprotein som mottar signalet og via et transmittor-domene blir signalet overført til et respons regulator protein med autofosforylering og defosforylering. Det er indikasjoner på at fytokrom har sin opprinnelse fra en bakteriell histidin kinase. Noe som styrker sammenhengen er kromatisk adapsjon hos blågrønnbakterier som kan endre forholdet mellom fykobiliproteiner (fykocyanin og fykoerythrin) tilpasset lysforholdene. Fykobiliproteiner har samme kromofore gruppe som fytokrom, en lineær tetrapyrrol.

Fytokromsignalet blir overført via fosforylering og defosforylering. Fytokrom er et 120 kilodalton (kDa) stort apoprotein med en kromofor (prostetisk) gruppet i form av en lineær tetrapyrrol med fire ringer A, B, C og D festet til aminosyren cystein i en thioeterbinding. Jfr. syklisk tetrapyrrol i klorofyll og hem. Den lineære tetrapyrrolen i fytokrom blir laget fra hem, katalysert av hem oksygenase med ferredoksin som elektrondonor:

hem + 3 ferredoksinredusert + 3O2 → biliverdin IXa + Fe2+ + 3 ferredoksinoksidert + CO + 3H2O

Biliverdin Ixa blir redusert videre til isomeren (3Z)-fytokromobilin katalysert av et ferredoksinavhengig enzym (3Z)-fytokromobilin syntase. Deretter skjer det en isomering og man får dannet  (3E)-fytokromobilin som blir bundet til protein.

Absorbsjon av rødt lys gjør at en cis-karbon dobbeltbinding mellom C15 og D-ringen skifter til en trans-konfigurasjon. Ved lysabsorbsjonen skifter pi-elektronene til et anti-bindende orbital slik at molekylet kan dreie, uten at dobbeltbindingen hindrer dette.

En hengsleregion atskiller den N- og C-terminale halvdelen av fytokrom. I den C-terminale enden av fytokrom er det en histidin kinase som kan foreta autofosforylering. Den N-terminale enden inneholder en fotosensorisk del: PAS-domene, GAF-domene med en bilin ligase som binder kromoforen, samt et PHY-domene som stabiliserer mørkerødtformen av fytokrom, atlså PAS-GAF-PHY.  Nedenfor hengsle-regionen er det to PAS-relaterte domener (PRD) etterfulgt av histidin kinase region i C-terminal ende. Kjernelokaliseringssekvensen NLS finnes i PRD-området i fytokrom B. PHY-domenet inneholder NLS for fytokrom A. Absorbsjon av rødt lys i kromoforen gir en konformasjonsendring i fytokrom som gjør at proteinet svinger rundt en hengsel og blottlegger kjernelokaliseringssekvenser slik at mørkerødtformen av fytokrom, PMR , kommer inn i cellekjernen. Det finnes også reguleringssekvenser som PAS-domene.

Hos vårskrinneblom er det fem forskjellige fytokrom PHYA, PHYB, PHYC, PHYD og PHYE. PHYA er ustabilt i lys, og PHYA finnes mest i etiolert og nydannet cellevev. Ris (Oryza sativa) har tre fytokrom PHYA, PHYB og PHYC. Konglepalmer (Cycas) har også tre typer fytokrom, bartær (Gymnospermer) og moser har fire typer, mens kråkefot (Lycopodium) har en type fytokrom.

Det finnes flere typer fytokrom interagerende faktorer (PIF) som har en negativ regulering i fotomorfogenesen. PIF gir etiolering i mørke (skotomorfogenese) og virker som transkripsjonsfaktor for gener som blir indusert i mørke, samt represserer lysinduserte gener. Rødt lys absorbert av fytokrom gir mørekerødtformen av fytokrom som forårsaker fosforylering og degradering av PIF via proteasomer.  PIF3 er en basisk heliks-løkke-heliks (bHLH) transkripsjonsfaktorer i cellekjernen som binder seg til PHYB. Mørkerødtformen av fytokrom i samvirke med PIF3 gir fosforylering av PIF3, som etter merking med ubiquitin fraktes til proteasomer for nedbrytning. Mange signalveier i planter virker via degradering av repressor-proteiner.

PHYB deltar i skyggunngåelse. Det finnes mange forskjellige PIF e.g. COP1 (konstitutiv morfogenese 1) som er en E3-ubiquitin ligase. COP1 befinner seg i cytosol når det er lyst, og i cellekjernen når det er mørkt. Noen PIF (FHY1, FHL) bidrar til å få PHYA inn i cellekjernen.  Arabidopsis responsregulater ARR4 er en PIF.

Det er et samvirke mellom fotoreseptorene fytokrom, fototropin og kryptokrom.

Fytokrom og molekylærbiologi

Fytokrom regulerer genekspresjon i cellekjernen. Fytokrom er en lysregulert protein kinase med rødtlysregulering av protein fosforylering og fosforyleringsavhengig binding av transkripsjonsfaktorer til promoter i fytokromregulerte gener. Kromofor og protein får en konformasjonsendring etter belysning med rødt lys. N-terminal ende av fytokrom inneholder et kromofor-bindende bilin-lyase domene (BLD) hvor tetrapyrollen er bundet og et PHY-domene som stabiliserer fytokrom i den mørkerødtabsorberende formen FMR.

En hengsle-region atskiller N- og C-terminal ende av fytokrom, og har en funksjon ved omdannelse av inaktiv FR til aktiv FMR. I C-terminal ende er det to repeterte PAS-domener som deltar i dimerisering og i interaksjon med nedstrøms effektorprotein. PAS har navn etter proteinene PER, ARNT og SIM. I PAS-domene er det to kjernelokaliseringssekvenser (NLS), og hvis disse blir eksponert så blir FMR fraktet inn i kjernen. En C-terminal histidin kinase deltar i autofosforylering. I cytosol er fytokrom holoprotein dimerisert i inaktiv stadium FR.  Ved bestråling med rødt lys (660 nm) skjer det en cis-trans dimerisering mellom karbon C15=C16 og rotasjon i C14-C15, noe som  gir konformasjonsendring i hengsleregionen som blottlegger kjernelokaliseringssekvensen, og derved blir FMR fraktet inn i cellekjernen. Aktivert mørkerødtform fosforylerer fytokrom kinase substrat 1 (PKS1) og interagerer med G-proteiner. Når aktiverte fytokromformer kommer inn i kjernen påvirkes transkripsjonen direkte via fytokrom interagrende faktor 3 (PIF3).

Fytokrom i bakterier er et lysavhengig sensorprotein med serin/threonin kinase som fosforylerer et tilsvarende responsregulatorprotein.

Type I lages av genet PHYA og kalles  fytokrom A. Fytokrom A overfører responser fra kontinuerlig mørkerødt lys. PHYA er transkripsjonsaktiv i mørkespirte frøplanter, men har ingen spesiell funksjon i hvitt lys, og hemmes av lys hos enfrøbladete planter. PHYA mRNA er ustabil slik at når mørkespirte planter overføres til lys nedbrytes PHYA mRNA. Fytokrom A (PHYA) deltar i de-etiolering i mørkerødt lys og ved meget lav fluensrespons (MLFR) spiring i Arabidopsis i bredspekteret lys. PHYA er er fotoreseptor for MLFR. Klassiske mørkerødt-HIR i etiolerte planter er mediert av PHYA. Mengden av holoprotein PHYA reguleres ved proteinnedbrytning. PHYA merkes med ubiquitin som bindes kovalent og derved går ubiquitin-merket PHYA til proteasom og nedbrytes. Seleksjon av phyA-mutanter skjer i kontinuerlig mørkerødt lys hvor de er høye, og deretter overføres de til kontinuerlig rødt lys hvor de er normale. 

Fytokrom B (PHYB) responderer på kontinuerlig rødt med høy fluensrate (R-HIR) eller hvitt lys. Fytokrom B deltar i skyggeunngåelse, strekning og frøspiring. PHYB regulerer lav fluensrespons og deltar i fotoreversibel frøspiring.

Fytokrom B mutanter phyB med lang hypokotyle i hvitt lys lager lite klorofyll, og det er feil i evne til å respondere på hormoner. Strekning av hypokotylen hemmes i hvitt lys og fytokrom er fotoreseptoren. Hypokotylemutanter hy har lang hypokotyle i lys. Mutanten hy3 mangler PHYB. PHYB og PHYE oppfører seg som type II fytokrom.

PHYD og PHYE deltar ved strekning av bladstilk og internodier, og deltar i kontroll av blomstringstidspunkt. Hos tofrøbladete planter synker konsentrasjonen av PHYA i lys ved proteolyse, men ikke så mye PHYB, PHYC og PHYD type II fytokrom og finnes i etiolerte og lyseksponerte planter.

I signalveien for fytokrom deltar fytokrominteragerende faktorer (PIF) hvor PIF3 er en heliks-løkke-heliks transkripsjonsfaktor. Andre faktorer er fytokromm kinase substrat I (PKS1), nukleosiddifosfat kinase 2 (NDPK2) og fytokromassosiert proteinfosfatase 5 (PAPP5).

Det finnes flere plantemutanter som enten har redusert mengde fytokrom eller hvor fytokromsignalveien er påvirket. For eksemplel aurea (au) mutant av tomat, lang hypokotyle fra agurk (lh) og lang hypokotyle mutanter (hy) av Arabidopsis. Både au og lh har redusert mengde av fytokrom type I. hy mutanter har uvirksomme gener for fytokrom og kryptokrom. Andre eksempler på lysfenotypemutanter er cop (consititutive photomorphogenesis), det (de-etiolated) og fusca . COP1 koder for E3-ubiquitin ligase. COP9 og andre COP-proteiner hører med til COP9 signalosom (CSN). I mørke går COP1 inn i kjernen og undertrykker lysregulerende gener og ubiquitinerer HY5. I mørke blir HY5 degradert via COP-DET-FUS proteasomkompleks. I lys vil COP1 interagere direkte med SPA1 og blir eksportert til cytoplasma.

Bakterier har registreringsproteiner som består av et mottaksdomene og responsdomene. Noen brassinosteroider deltar i lysregulerte prosesser. Steroidhormoner kan bevege seg gjennom membraner og kan virke som transkripsjonsfaktor eller overflatereseptor.

Forsøk som viser at fytokrom kan gi endringer i den elektriske ladningen på overflaten av rotspisser av bygg (Hordeum vulgare) (Tanadaeffekt). Rødt lys gjør at rotspissene fester seg til negativt ladet glass.

Lysabsorbsjon i den kromofore gruppen i fytokrom.

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:21 - Sist endret 1. apr. 2019 12:50