A fejlődésbiológiában fotomorfogenezisnek nevezzük azokat a folyamatokat, amelyek a növényben különböző spektrális összetételű és intenzitású fény hatására mennek végbe . A növények fotomorfogenezisét jellemzően szabályozott spektrumú fényforrásokkal vizsgálják.
A fény rendkívül fontos szerepet játszik a növények fejlődésében. A növények morfológiájában a fénysugárzás hatására bekövetkező változásokat fotomorfogenezisnek nevezzük. Miután a mag kicsírázik a talajon, a nap első sugarai gyökeres változást okoznak az új növényben.
Ismeretes, hogy vörös fény hatására a magok csírázási folyamata aktiválódik, távoli vörös fény hatására pedig elnyomódik. A kék fény a csírázást is gátolja. Ez a reakció a kis magvakkal rendelkező fajokra jellemző, mivel a kis magvak nem rendelkeznek elegendő tápanyag-ellátással ahhoz, hogy biztosítsák a növekedést a sötétben, amikor áthaladnak a földön. A kis magvak csak a vékony földréteg által átbocsátott vörös fény hatására csíráznak, és csak rövid távú expozíció elegendő - napi 5-10 perc. A talajréteg vastagságának növelése a spektrum távoli vörös fénnyel való gazdagodásához vezet , ami gátolja a magok csírázását. A nagy magvú, elegendő tápanyagot tartalmazó növényfajoknál nincs szükség fényre a csírázás előidézéséhez.
Általában a magból először egy gyökér sarjad ki, majd megjelenik a hajtás . Ezt követően a hajtás növekedésével (általában fény hatására) másodlagos gyökerek és hajtások fejlődnek ki. Az ilyen összehangolt haladás az összekapcsolt növekedés jelenségének korai megnyilvánulása, amikor a gyökérrendszer fejlődése befolyásolja a hajtás növekedését, és fordítva. Ezeket a folyamatokat nagyobb mértékben a hormonok szabályozzák.
Fény hiányában a csíra úgynevezett etiolált állapotban van, sápadt megjelenésű, horgas alakú. A horog fedetlen epikotil vagy hipokotil , amely a növekedési pont védelméhez szükséges, amikor a talajon keresztül csírázik, és megmarad, ha a növekedés sötétben is folytatódik.
Etiolált állapot:
Leépült állapot:
Az etiolált növényekben a folyamatok átstrukturálása fény hatására megy végbe. A növények jellemzően a spektrum kék, vörös és távoli vörös tartományában érzékenyek a fény hullámhosszaira, és egyik-másik fotoszenzoros rendszer aktiválódik. A vörös és távoli vörös sugarakra érzékeny fotoreceptorokat fitokrómoknak nevezzük. Legalább 5 fajta fotoreceptor is létezik, amelyek érzékenyek a kék fényre.
A fitokróm lehetővé teszi a növény számára, hogy reagáljon a vörös és távoli vörös sugarakra.
A fitokrómok pigmentet (kromofort) tartalmazó fehérjevegyületek.
A kromofor egy lineáris tetrapirrol, az úgynevezett fitokromomobilin .
A fitokróm apoproteint FK (fitokrómvörös) formájában szintetizálják. A kromofor kötődése során a holoprotein fényérzékenysé válik. Vörös fény hatására biológiailag aktív Fdk (fitokróm far vörös) formává alakul. Az Fdk forma a távoli vörös fény hatására ismét Fk állapotba kerül.
A legtöbb növény génjei többféle fitokróm szintézisét teszik lehetővé. A különböző fitokrómok különböző hatásokra reagálnak, de ennek ellenére egy fitokróm hiányában egy másik képes ellátni a funkcióit, így a növény fotoreceptor rendszere bizonyos fokú redundanciával rendelkezik.
Az Arabidobsisnak 5 fitokrómja van: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE.
A fitokróm és fitokróm-szerű gének molekuláris elemzése magasabbrendű növényekben (páfrányok, mohák, algák) és fotoszintetikus baktériumokban kimutatta, hogy a fotokrómok a prokarióták , növényi prekurzorok fotoreceptoraiból származnak .
A növényeknek több, a spektrum kék részére érzékeny fotoreceptora van (b-fotoreceptor), amelyek teljesen más funkciókat látnak el, mint a spektrum vörös részének fotoreceptorai.
A hatásspektrummal, mutánsokkal és molekulaanalízissel végzett kísérletek eredményei alapján bebizonyosodott, hogy a magasabb rendű növények legalább 4, esetleg 5 különböző b-fotoreceptorral rendelkeznek.
Az első b-receptorok, amelyek jelenléte számos szervezetben meghatározható volt, a kriptokrómok voltak . Ezek a fehérjék a flavin csoportból származó kromoforokat tartalmaznak . A kriptokrómokat mikrobiális DNS-fotoliázból izolálták , egy olyan enzimből, amelyet az ultraibolya sugárzás által károsodott DNS-molekula helyreállítására terveztek.
A kriptokrómokat növényekben is találták. Szabályozzák a szár megnyúlását, a levelek növekedését, a cirkadián ritmust és a virágzást.
A kék fény mellett a kriptokrómok közel ultraibolya sugárzást (UV-A) is érzékelnek.
A növényi fototropizmust a fototropin fotoreceptor szabályozza. Flavint is tartalmaz kromoforként. Jelenleg csak egy fototropin, az NPH1 ismert. A kék fény mellett a fototropin közeli ultraibolya sugárzást (UV-A) is érzékel.
A legújabb kísérletek kimutatták, hogy a negyedik b-fotoreceptor karotinoid alapú kromofort tartalmaz . Ez a fotoreceptor szabályozza a sztómák kinyílását , azonban a megfelelő gént és fehérjét még nem azonosították.
A spektrum kék részének fennmaradó sugárzási reakciói, amelyek nem redukálhatók a kriptokróm, a fototropin és a karotinoidok reakciójára, egy másik receptor létezése mellett tanúskodnak.
Közvetlenül azután, hogy felfedezték a kriptokrómokat a növényekben, számos laboratórium homológ géneket és fotoreceptorokat talált számos más organizmusban, köztük emberben, egerben és kétszárnyúban. Úgy tűnik, hogy emlősökben és kétszárnyúakban a kriptokrómok részt vesznek a biológiai óramechanizmusokban.
UV sugárzással végzett kísérletek alapján kimutatták az UV fotoreceptorok jelenlétét.