Nature Commun. | CONSTANS在拟南芥中调控开花，而在衣藻中调控光保护反应

光对于光合作用是必不可少的，但是超过生物体吸收能力的光量会导致氧化胁迫，甚至细胞死亡。植物和藻类发展出一种光保护响应机制——能量依赖的淬灭 （qE，energy-dependent quenching） ，通过qE，植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉，从而减少光氧化带来的损伤。qE由类囊体腔内光合电子流产生的低pH值驱动，这种低pH能够改变捕光复合体II的色素组成，并激活特定的光保护蛋白，例如PSBS和LHCSRs 【1】 。在蓝藻中，qE型光保护受光保护蛋白(LHCSRs和PSBS) 表达的诱导 【2】 。两种光感受器PHOT和UVR8是绿藻光保护基因信号转导和蛋白表达的启动因子 【3,4】 。两个phot 抑制子，det1和ddb1，参与LHCSRs的诱导表达，并形成一个E3泛素连接酶复合物CUL4-DDB1 DET1 介导PHOT信号参与LHCSRs基因表达 【5】 。尽管如此，在光保护基因信号转导途径中很多重要的参与者仍然未知，特别是直接激活这些光保护基因表达的转录因子。

CO（CONSTANS）是一种生物钟调控基因，编码一种开花所需的转录因子。CO通过直接调控 FT（FLOWERING LOCUS T）的转录介导光周期开花【6】。CO及其在光受体控制下的泛素化是调控光周期开花的核心。NF-Y蛋白（NUCLEAR FACTOR Y）， NF-YA、NF-YB和NF-YC，广泛存在于真核生物中，通过与目标基因的启动子区域结合转录调控下游基因表达【7】。NF-Ys与CO相互作用参与调控植物开花。在微藻中还没有发现类似的机制，因为它们的种群增长依赖于细胞分裂，而不像在陆地植物中那样依赖于开花。尽管衣藻不能开花，但在它的基因组中已经发现了这些转录因子的存在，包括CrCO、NF-YB和NF-YC。通过对绿藻和陆生植物中CO和COL（CO-like）基因的系统发育分析表明CrCO是绿色光合真核生物中CO的前体。NF-Y蛋白家族的系统发育分析，衣藻NF-YB和NF-YC分别与NF-YB1/8/10和NF-YC1/2/3/4/9聚类。这些研究结果表明，CO/NF-YB/NF-YC转录复合体可能在陆地植物分化之前就已经出现。

近日，日本国立基础生物研究所Jun Minagawa团队在Nature Communicaitons发表了一篇题为The CONSTANS flowering complex controls the protective response of photosynthesis in the green alga Chlamydomonas的研究论文，揭示了转录因子CrCO/NF-Ys复合体调控衣藻光保护反应。

该研究筛选到四个DSR (Decient in LHCSR expression) 突变体。其中DSR10 (CrCO-1)和DSR15 (CrCO-2) 突变体中CrCO基因发生了突变，另外两个突变体DSR28 (nfyb-1) 和 CC4286 (nfyb-2) 中NF-YB基因发生了突变。光保护基因LHCSRs和PSBSs在这四个突变体中的表达量显著降低，表明CrCO和NF-YB是莱茵衣藻光保护反应的关键调节因子。DSR15 (crco-2)和DSR28 (nfyb-1) 突变体表现出严重的光抑制，回补CrCO或NF-YB成功地恢复了突变体表型。这些结果表明，CrCO和NF-YB对于qE依赖的光保护反应的激活至关重要。光照诱导的CrCO蛋白的积累是引起光保护反应的主要原因。

荧光检测发现CrCO和NF-YB在细胞核中共定位。酵母双杂交分析表明CrCO NF-YB/NF-YC具有相互作用。免疫共沉淀同样证明了CrCO和NF-YB/NF-YC之间的互作。CrCO或NF-YB/NF-YC突变抑制了光保护基因的转录，同时，开花植物CO和NF-YA/NF-YB/NF-YC的突变可以减少FT的转录。因此，CrCO和NF-YB可能作为转录因子调节莱茵衣藻光保护基因的表达。为了检测CrCO和NF-YB是否与莱茵衣藻光保护基因启动子结合，通过染色质免疫沉淀检测发现，在HL（high light）条件下CrCO和NF-YB都能够光保护基因启动子结合，表明CrCO/NF-YB/NF-YC转录模块参与了莱茵衣藻光保护反应。

在陆生植物中，E3 泛素连接酶SPA1和COP1通过泛素化降解调控CO蛋白的积累。COP1和UVR8之间的相互作用对陆地植物和莱茵衣藻的UV反应很重要。免疫共沉淀实验发现，UVR8与SPA1，COP1形成UVR8/SPA1 COP1蛋白质复合体。由于SPA1和COP1参与了陆地植物中CO的泛素依赖蛋白酶体降解，该研究进一步分析了SPA1、COP1和CrCO之间可能的相互作用。Y2H实验证明SPA1和COP1都可以与CrCO相互作用。为了进一步阐明E3泛素连接酶是否参与CrCO和光保护蛋白的积累，对spa1突变体的分析发现，SPA1突变导致CrCO和光保护蛋白 (LHCSRs和PSBS) 的积累。此外，MG132处理也会导致CrCO蛋白的积累，通过LC-MS/MS分析发现CrCO蛋白能够被泛素标记，这表明CrCO通过泛素蛋白酶体降解。

Hypothetical signal transduction pathways and physiological functions of CONSTANS/NF-YB/NF-YC-dependent control of the target genes in C.reinhardtii and A. thaliana

本研究通过对CrCO和NF-YB缺陷的DSR突变体的研究，发现转录因子CrCO和NF-Ys形成一个复合物，控制着衣藻的光保护反应。此外， CrCO/NF-Ys复合物直接受到SPA1和COP1依赖的E3泛素连接酶的直接抑制。该研究表明，CrCO及其泛素化是莱茵衣藻光保护的核心调控机制。

参考文献： 【1】Horton, P., Ruban, A. V. & Walters, R. G. Regulation of light harvesting in green plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 47, 655–684 (1996). 【2】Allorent, G. & Petroutsos, D. Photoreceptor-dependent regulation of photoprotection. Curr. Opin. Plant Biol. 37, 102–108 (2017). 【3】Petroutsos, D. et al. A blue-light photoreceptor mediates the feedback regulation of photosynthesis. Nature 537, 563–566 (2016). 【4】Allorent, G. et al. UV-B photoreceptor-mediated protection of the photosynthetic machinery in Chlamydomonas reinhardtii. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 14864–14869 (2016). 【5】Aihara, Y., Fujimura-Kamada, K., Yamasaki, T. & Minagawa, J. Algal photoprotection is regulated by the E3 ligase CUL4-DDB1DET1. Nat. Plants 5, 34–40 (2019). 【6】Suarez-Lopez, P. et al. CONSTANS mediates between the circadian clock and the control of owering in Arabidopsis. Nature 410, 1116–1120 (2001). 【7】Nardini, M. et al. Sequence-specic transcription factor NF-Y displays histone-like DNA binding and H2B-like ubiquitination. Cell 152, 132–143 (2013).