În biologia dezvoltării, fotomorfogeneza este procesele care au loc într-o plantă sub influența luminii de compoziție și intensitate spectrală diferite. Fotomorfogeneza plantelor este de obicei investigată folosind surse de lumină cu spectru controlat.
Lumina joacă un rol extrem de important în dezvoltarea plantelor. Modificările morfologiei plantelor sub influența radiațiilor luminoase se numesc fotomorfogeneză. După ce sămânța germinează prin pământ, primele raze de soare provoacă o schimbare radicală în noua plantă.
Se știe că sub influența luminii roșii este activat procesul de germinare a semințelor, iar sub influența luminii roșii îndepărtate este suprimat. Lumina albastră inhibă și germinația. O astfel de reacție este caracteristică speciilor cu semințe mici, deoarece semințele mici nu au o cantitate suficientă de nutrienți pentru a asigura creșterea în întuneric atunci când trec prin pământ. Semințele mici germinează doar sub influența luminii roșii transmise de un strat subțire de pământ și este suficientă doar expunerea pe termen scurt - 5-10 minute pe zi. Creșterea grosimii stratului de sol duce la o îmbogățire a spectrului cu lumină roșie îndepărtată , care inhibă germinarea semințelor. La speciile de plante cu semințe mari care conțin o cantitate suficientă de nutrienți, nu este necesară lumina pentru a induce germinația.
În mod normal, o rădăcină răsare mai întâi dintr-o sămânță, apoi apare un lăstar . După aceea, pe măsură ce vlăstarul crește (de obicei sub influența luminii), se dezvoltă rădăcini și lăstari secundare. Un astfel de progres coordonat este o manifestare timpurie a fenomenului de creștere interconectată, atunci când dezvoltarea sistemului radicular afectează creșterea lăstarilor și invers. Într-o măsură mai mare, aceste procese sunt controlate de hormoni.
În absența luminii, germenul se află în așa-numita stare etiolata, în timp ce are un aspect palid și o formă agățată. Cârligul este un epicotil sau hipocotil expus , necesar pentru a proteja punctul de creștere atunci când germinează prin sol și va rămâne dacă creșterea continuă în întuneric.
Stare etiolata:
Stare deetiolata:
Restructurarea proceselor la culturile etiolate are loc sub influența luminii. De obicei, plantele sunt sensibile la lungimile de undă ale luminii în regiunile albastre, roșii și roșii îndepărtate ale spectrului și unul sau altul sistem fotosenzor este activat. Fotoreceptorii sensibili la razele roșii și roșii îndepărtate se numesc fitocromi. Există, de asemenea, cel puțin 5 tipuri de fotoreceptori care sunt sensibili la lumina albastră.
Fitocromul permite plantei să răspundă la expunerea la razele roșii și roșii îndepărtate.
Fitocromii sunt compuși proteici care conțin un pigment (cromofor).
Cromoforul este un tetrapirol liniar numit fitocromomobilină .
Apoproteina fitocrom este sintetizată sub formă de FK (roșu fitocrom). În procesul de atașare a cromoforului, holoproteina devine sensibilă la lumină. Sub influența luminii roșii, se transformă într-o formă biologic activă Fdk (fitocrom roșu îndepărtat). Forma Fdk sub influența luminii roșii îndepărtate intră din nou în starea Fk.
Genele majorității plantelor permit sinteza mai multor varietăți de fitocromi. Diferiții fitocromi răspund la diferite influențe, dar, în ciuda acestui fapt, în absența unui fitocrom, altul își poate îndeplini funcțiile, astfel încât sistemul fotoreceptor al plantei să aibă un anumit grad de redundanță.
Arabidobsis are 5 fitocromi: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE.
Analiza moleculară a genelor fitocrom și asemănătoare fitocromului din plantele superioare (ferigi, mușchi, alge) și bacteriile fotosintetice a arătat că fotocromii sunt derivati din fotoreceptorii procariotelor , precursori ai plantelor.
Plantele au mai mulți fotoreceptori care sunt sensibili la partea albastră a spectrului (fotoreceptorii b), care îndeplinesc funcții complet diferite decât fotoreceptorii din partea roșie a spectrului.
Pe baza rezultatelor experimentelor cu spectrul de acțiune, mutanții și analiza moleculară, s-a dovedit că plantele superioare au cel puțin 4, și posibil 5, fotoreceptori b diferiți.
Primii receptori b, a căror prezență a putut fi determinată în multe organisme, au fost criptocromii . Aceste proteine conțin cromofori din grupul flavinelor . Criptocromii au fost izolați din ADN fotoliază microbiană , o enzimă concepută pentru a repara o moleculă de ADN deteriorată de radiațiile ultraviolete.
Criptocromii s-au găsit și în plante. Ei controlează alungirea tulpinii, creșterea frunzelor, ritmurile circadiene și înflorirea.
Pe lângă lumina albastră, criptocromii percep și ultraviolete în apropiere (UV-A).
Fototropismul plantelor este controlat de fototropina fotoreceptorului. De asemenea, conține flavină ca cromofor. În prezent, este cunoscută o singură fototropină, NPH1. Pe lângă lumina albastră, fototropina percepe și ultraviolete (UV-A).
Experimente recente au arătat că al patrulea fotoreceptor b conține un cromofor pe bază de carotenoid . Acest fotoreceptor controlează deschiderea stomatelor , cu toate acestea, gena și proteina corespunzătoare nu au fost încă identificate.
Reacțiile rămase la radiații din partea albastră a spectrului, care nu pot fi reduse la reacția criptocromului, fototropinei și carotenoidelor, mărturisesc în favoarea existenței unui alt receptor.
Imediat după descoperirea criptocromilor la plante, mai multe laboratoare au găsit gene omoloage și fotoreceptori în mai multe alte organisme, inclusiv oameni, șoareci și Diptera. Se pare că la mamifere și Diptera, criptocromii sunt implicați în mecanismele ceasului biologic.
Pe baza experimentelor cu radiații UV, a fost demonstrată prezența fotoreceptorilor UV.