全 文 ：生 命 科 学 研 究 2009 年
蓝光是影响植物生长发育和光形态建成的重
要因子. 植物的蓝光反应包括抑制下胚轴伸长、
刺激子叶扩展、调节开花时间、控制气孔开放、
引导昼夜节律等生理活动［1］，这些生理活动主要
由隐花素 CRY1 （Cryptochrome 1） 和 CRY2
（Cryptochrome 2）以及向光素两类蓝光受体介导.
有研究表明，在蓝光诱导的一系列信号转导、传
播以及反馈调节过程中，植物组织和细胞中离子
稳态的变化如膜电位的改变、离子通道的开放等
起着重要作用［2，3］. Wang X等也曾指出蓝光处理
后的下胚轴细胞原生质体发生收缩可能与细胞
内的 K+浓度变化有关［4］. 因此研究蓝光对 K+吸
收的影响有助于深入认识蓝光反应.
钾（K+）是植物体内重要的营养元素，在渗透
蓝光受体 CRY1和 CRY2对拟南芥钾吸收影响的研究
俞 竞， 赵小英， 林建中， 梅 进， 唐冬英， 刘选明*
（湖南大学 生命科学与技术研究院 生物能源与材料研究中心，中国湖南 长沙 410028）
摘 要： 以拟南芥野生型 Col-4 和蓝光受体突变体 cry1， cry2 和 cry1cry2 为材料在蓝光下进行缺 K+处理 ，
cry1cry2 的下胚轴及根的伸长受抑制程度最大 . 经过对 K+充足条件下的 Col-4， cry1， cry2 和 cry1cry2 的钾元
素含量和持水性检测， 以及采用定量 PCR 对 K+转运载体和离子通道相关基因如 AKT1， AtKC1， AKUP1 等表
达水平的分析， 发现 cry1cry2 的钾元素含量最高、 持水性最低， 且其 K+转运载体和离子通道相关基因的表达
量也最高. 该结果说明蓝光下 CRY1 和 CRY2 的缺失对 K+的吸收起促进作用.
关键词： 钾； CRY1； CRY2； 拟南芥
中图分类号： Q943．2 文献标识码： A 文章编号：1007-7847（2009）03-0232-04
Blue Light Receptor CRY1 and CRY2 Affect Potassium
Absorption of Arabidopsis thaliana
YU Jing，ZHAO Xiao-ying，LIN Jian-zhong，MEI Jing，TANG Dong-ying，
LIU Xuan-ming*
（Institute of Life Science and Technology，Bioenergy and Biomaterial Research Center，Hunan University，Changsha 410028，
Hunan，China）
收稿日期： 2008-11-27；修回日期：2009-04-21
基金项目：985创新平台项目（20005）
作者简介：俞竞（1984-），女，湖南芷江县人，硕士研究生，主要从事植物生物化学及分子生物学方面的研究，E-mail：xiaojingyu112@163.com；
*通讯作者：刘选明（1963-），男，湖南新宁县人，湖南大学教授，博士生导师，主要从事植物生物化学及分子生物学方面的研究，Tel：
0731-8649854，E-mail：sw_xml@hnu.cn.
Abstract：With K+-free treatment of the wild type Col-4 and the blue light mutants cry1，cry2 and cry1cry2
in blue light，the growth inhibition of root and hypocotyl of cry1cry2 was greater than others. Under K +
sufficient conditions with blue light，the double mutant cry1cry2 had the highest K+ content，but had the
weakest water-holding capacity. Real-time RT-PCR showed the expressions of some K + transporter and
channel genes such as AKT1，AtKC1 and AtKUP1 were higher in cry1cry2. The results suggested that the
deficient of CRY1 and CRY2 promoted K+ accumulation.
Key words：Potassium；CRY1；CRY2；Arabidopsis thaliana
（Life Science Research，2009，13（3）：232～235）
第 13 卷 第 3 期 生命科学研究 Vol．13 No．3
2009 年 6 月 Life Science Research June 2009
第 3 期
图1 缺 K+ 和正常条件下培养 10 d 的 C ol-4， cry1， cry2
and cry1cry2 幼苗的表型
Fig.1 The phenotype of 10-old-seedlings of Col-4， cry1，
cry2 and cry1cry2 under K+ free or K+ sufficient condi-
tions
调节、阴离子基团的平衡、细胞膜极化、细胞延
伸、小叶和气孔运动以及气体交换调节等方面均
起重要作用［5］． 近年来，蓝光对植物体内 K+水平
影响的研究成为热点，但多见于采用膜片钳技术
来检测 K+的瞬时变化，而对植物 K+吸收、转运
和积累的整体水平的调节机制鲜见报道. 但是随
着分子生物学的不断发展，蓝光受体缺失突变体
的获得以及多种 K+ 通道和转运载体基因的相继
克隆，为深入研究蓝光对 K+吸收的影响提供了
重要的条件. 因此本研究以拟南芥野生型 Col-4
和蓝光受体突变体 cry1，cry2，cry1cry2为材料，
观察其在缺 K+处理下的表型差异，并对 K+充足
条件下各材料 K+含量、持水性、K+通道及其转运
载体相关基因的表达量进行检测，以探究蓝光受
体 CRY1和 CRY2对 K+吸收的调控作用．
1 材料与方法
1.1 材料培养和表型分析
将拟南芥种子 Col-4，cry1，cry2 和 crylcry2
用 70%的乙醇表面灭菌 30 s，0.1%氯化汞灭菌
8 min，然后用无菌水漂洗 5 次，再置于 4 ℃春
化处理 4 d. 将春化处理后的种子分别播种于含
3%蔗糖的 MS培养基（pH 6.0）和缺钾的 MS培养
基（pH 6.0）上，再置于光强为 40 μmol·m-2·s-1的
蓝光培养箱中，于 22~23 ℃培养 10 d后取材和
分析鉴定.
缺钾处理和 K+充足条件下培养 10 d的幼苗，
用直尺测量下胚轴长度和根长. 每个处理至少测
20株幼苗，测得的数据取平均值，实验重复 3次.
1.2 钾元素和持水性的测定
1）钾元素的测定：准确称取 K+ 充足条件下
的 Col-4，cry1，cry2和 crylcry2（干重 0.05 g）置
于 50 mL三角瓶中，加入 15 mL硝酸-高氯酸 4 ∶1
的混合体系，室温放置 24 h. 然后置于电热板上
缓慢加热至 250 ℃，持续消化 5 h，再把样品全
部转移到 25 mL的容量瓶中，去离子水定容. 消
化后的样品采用全谱直读等离子体发射光谱仪
进行 K+检测.
2）持水性的测定：准确称取 K+充足条件下的
Col-4，cry1，cry2和 crylcry2（鲜重 0.5 g）置于蓝光
培养箱中，并且每间隔 1 h称重一次，持续 4 h.
1.3 基因分析
采用安比奥公司生产的 RNA 提取试剂盒，
提取总 RNA. 按照 Promega试剂说明书在总 RNA
溶液中加适量的 RNase free DNaseI 得到去 DNA
的 RNA，用 M—MLV 逆转录酶逆转录约 2 μg
RNA 得到 cDNA. 用定量 PCR 检测 AKT1，
AtKC1，AtKUP1，AtKUP2，AtKUP3 mRNA 的水
平，引物序列见表 1.
2 结果与分析
2.1 缺 K+对 Col-4， cry1， cry2， cry1cry2 幼苗生
长的影响
对 Col-4，cry1，cry2 和 cry1cry2 进行缺 K+
处理，测量根和下胚轴的长度. 从图 1，2可知，
缺 K+条件下的 Col-4，cry1，cry2和 cry1cry2的根
和下胚轴长度均受到抑制，尤其 cry1cry2下胚轴
和根的生长抑制程度较大. 该结果表明蓝光受体
双突变体 cry1cry2 对缺钾最敏感. 有研究指出，
表 1 Real-time PCR 检测基因的引物序列
Table 1 Primers for detecting gene expression
Primers Sequences
AtKUP1F
AtKUP1R
AtKUP2F
AtKUP2R
AtKUP3F
AtRUP3R
AKT1F
AKT1R
AtKC1F
AtKC1R
ACTIN7F
ACTIN7R
5′GGAAGCGAAAGAAGCTGGAGTAGC3′
5′TCTGTTCCTCTGCAATTCGTGCTC3′
5′CTCCAACCAGAGAGTGTCTCCATCG3′
5′TCAGTTCCGCATCTGCTTCTGC3′
5′ATGATGGGAGAATGGCCGTTCT3′
5′CCTCGTACACTGAACGCAAACTCTG3′
5′GCACTCCCAAAGGCCATTAGATC3′
5′GTTGAAAAAGCAGGTCATTGGATAC3′
5′TGATATTGGTTGGGTATTCGG3′
5′GTCGGTGACATTGAGGTAAGTAG3′
5′ATCCCTCAGVACCTTCCAAC3′
5′ACAAACTCACCACCACGAAC3′
Col-4
Col -4
K
-
cry1
cry1
K
-
cry2
cry2
K
-
cry1cry2
cry1cry2
K
-
俞 竞等：蓝光受体CRY1和CRY2对拟南芥钾吸收影响的研究 233
生 命 科 学 研 究 2009 年
图3 K+充足条件下生长 10 d 的 Col-4， cry1， cry2 and
cry1cry2 幼苗的持水性
Fig.3 Water-holding capacity of 10-day-old seedlings of
Col-4， cry1， cry2 and cry1cry2 under K+ sufficient condition
图 2 缺K+ 和 K+充足条件下培养 10 d 的 Col-4， cry1，
cry2 and cry1cry2 幼苗的根和下胚轴的长度
Fig.2 Root and hypocotyl length of 10-day-old seedlings
of Col-4， cry1， cry2 and cry1cry2 under K+ free or K+
sufficient conditions
当胞质 K+浓度发生大的变化时，会影响以钾为
激活剂的蛋白质合成，从而降低生长速率，影响
细胞生长［6］. 所以 cry1cry2 在缺 K+条件下生长抑
制程度最大可能与该蓝光受体双突变体对 K+ 的
需求量有关.
2.2 CRY1和 CRY2的缺失对 K+含量的影响
为了研究缺 K+ 条件下 Col-4，cry1，cry2 和
cry1cry2的敏感度与 K+吸收的相关性，我们测定
了在 MS培养基上生长 10 d的 Col-4，cry1，cry2
和 cry1cry2 幼苗 K+含量（表 2）. 从表 2 可以看
出，Col-4，cry1和 cry2幼苗的 K+ 含量差异不显
著，而 cry1cry2幼苗中的 K+含量最高.
2.3 持水性对钾元素吸收的影响
植物的持水性在一定程度上反映了植物蒸
腾作用的强弱，而植物的蒸腾作用是植物水分和
矿质元素运输的主要动力，因此持水性的大小对
植物矿质元素的吸收有重要意义［7］. 我们对蓝光
下生长 10 d 的 Col-4，cry1，cry2 和 cry1cry2 的
幼苗进行持水性检测，从图 3 可以看出 Col-4，
cry1，cry2的持水性差异不明显，而 cry1cry2 的
持水性最弱. 同时在上述 K+ 含量的测定结果中，
我们已知 Col-4，cry1，cry2和 cry1cry2幼苗的 K+
含量差异不显著，而 cry1cry2幼苗中的 K+含量最
高. 因此，以上结果表明幼苗期 cry1cry2的持水
性较弱有利于 K+的吸收.
2.4 CRY1和 CRY2对钾通道基因的调控表达
植物为了适应外界不断变化的环境因素，
必须在整体水平和细胞水平上严格控制 K+的转
运［8］. 近年来，随着人们对植物利用 K+的生理机
制和遗传机理研究的深入，发现植物对 K+ 的吸
收主要通过高亲和性和低亲和性两个系统来进
行. 在低 K+ 下（胞外 K+ 浓度为 1～200 μmol / L），
植物通过细胞膜上 K+ 转运载体系统来实现主动
的 K+高吸附过程；在高 K+ 的条件下（胞外 K+ 浓
度高于 0.15～11 mmol / L）低亲和性吸收系统起主
要作用，它是细胞膜上 K+通道蛋白所介导的一
种被动转运过程［9］. 最近，人们又发现 KT / KUP
家族对 K+的吸收为双吸附体系［10］. 为了研究 K+
充足条件下蓝光对植物 K+吸收的影响，本文采用
定量 PCR技术对低亲和性吸收系统的 AKT1［11］，
AtKC1［12］和双吸附性转运载体 KT /KUP家族的几
个基因成员表达量进行了检测（图 4）. 由图 4可
以看出，在所检测的 4 个材料中，AtKC1，
AKT1，AtKUP1，AtKUP2 和 AtKUP3 在 cry1cry2
中的表达量最高，AKT1 在 cry1 中的表达量最
低，AtKUP3在 cry2中的表达量最低，AtKC1在
Col-4 中表达量最低，而 AtKUP1 和 AtKUP2 在
Col-4，cry1 和 cry2 中的表达量无明显差异 . 以
上结果表明，蓝光下 CRY1 和 CRY2 对 K+的吸
表 2 K+充足条件下生长 10 d 的 Col-4， cry1， cry2 and
cry1cry2 的钾元素含量
Table 2 K + content of 10-day-old seedings of Col-4，
cry1， cry2 and cry1cry2 under K+ sufficient condition
Sample in blue light K+ content /（μg·g-1） RSD/（%）
Col-4
cry1
cry2
cry1cry2
1 157
1 091
1 164
1 489
0.64
1.43
0.95
1.28
Col-4
cry1
cry2
cry1cry2
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 1 2 3 4
t / h
W
at
er
-h
ol
di
ng
ca
pa
ci
ty
/（
g·
h-
1 ）
234
第 3 期
图 4 AKT1， AtKC1， AtKUP1， AtKUP2， AtKUP3 的表达检测
Fig.4 Expression analysis of AKT1， AtKC1， AtKUP1， AtKUP2 and AtKUP3
收可能起协同作用，同时 CRY1 和 CRY2 基因
的双缺失对低亲和性 K+通道和双吸附机制转运
载体相关基因的表达有促进作用.
3 讨论
蓝光对钾（K+）的吸收是个非常复杂的过程，
涉及到不同蓝光受体对光强的感知、蓝光信号的
传导以及钾（K+）吸收机制的调控. 随着分子生物
学的发展，人们对 K+ 吸收调控机制的认识上升
到一个高度. 有研究表明蓝光能诱导细胞组织和
细胞中离子通道的打开及细胞中钙浓度的变化，
但是蓝光是否以细胞中钙浓度的变化作为信号
来影响 K+的吸收还没有定论［13］.
本研究发现 CRY1和 CRY2对 K+ 通道及转
运载体基因表达水平的调控作用存在差异 . 如
AKT1在 cry1的表达水平较低而在 cry2中其表达
量有所升高；AtKUP3 在 cry1与 Col-4 中的表达
量差异不大，但在 cry2 中表达量却降低；此外
AtKC1在 cry1，cry2和 cry1cry2中的表达量均高
于 Col-4. 这些基因表达水平的差异可能与不同
钾离子通道和转运载体的作用机理有关. 并且本
文仅对基因的表达水平进行了研究，而真正行使
K+ 转运功能的却是蛋白质，所以要想更深入的
地研究 CRY1 和 CRY2 对植物 K+ 吸收的影响，
还需对相关的钾离子通道和转运载体的蛋白水平
进行研究. 目前，相关的研究工作正在进行中.
参考文献（References）：
[1] LIN C. Plant blue—light receptors[J]． Trends Plant Sci，2000，
5（8）：337-342.
[2] 范玉琴，李德红. 植物的蓝光受体及其信号转导[J]. 激光
生物学报（FAN Yu-qin，LI De-hong. Receptors of blue light
and its signaling in plants [J]. Acta Laser Biology
Simca），2O04，13（4）：314-320.
[3] STAHLBERG R， COSGROVE D J. The propagation of slow
wave potentials in pea epicotyls[J]. Plant Physiol，1997，113
（1）：209-217.
[4] WANG X J， IINO M. Interaction of cryptochrome 1，
phytochrome， and Ion fluxes in blue-light-induced shrinking
of Arabidopsis hypocotyl protoplasts[J]. Plant Physiol，1998，
117（1）：1265-1279.
[5] MAATHUIS F J M，ICHIDA A M， SANDERS D. Roles of
higher plant K+ channels[J]. Plant Physiol，1997，114（4）：
1141-1149.
[6] 李欢庆，李桂玲，崔香环. 茉莉酸甲酯抑制拟南芥根伸长
生长电生理学机制 [J]. 广西植物（LI Huan-qing，LI Gui-
ling，CUI Xiang-huan. Electrophysiological mechanism of
root length growth of Arabidopsis thaliana inhibition by JA[J].
Guihaia），2008，28（3）：414-419.
[7] 潘瑞炽. 植物生理学[M]. 北京：高等教育出版社（PAN Rui-
chi. Plant Phisiology[M]. Beijing：Higher Education Press），
2000.8-42.
[8] EPSTEIN E，RAINS D W，ELZAM O E. Resolution of dual
mechanisms of potassium absorption by barley roots[J]. Proc
Natl Acad Sci U S A，1963，49（5）：684-692.
[9] EPSTEIN E. Dual pattern of ion absorption by plant cells and
by plants[J]. Nature，1966，212：1324-1327.
[10] AHN S J， SHIN S R， SCHACHTMAN D P. Expression of
KT/KUP Genes in Arabidopsis and the role of root hairs in K+
uptake[J]. Plant Physiol，2004，134（3）：1135-1144.
[11] FOX T C ， GUERINOT M L. Molecular biology of cation
transport in plants[J]. Annual Review of Plant Physiology
and Plant Molecular Biology ，1998，49（1）：669-696.
[12] REINTANZ B ， SZYROKI A， IVASHIKINA N， et al.
AtKC1， a silent Arabidopsis potassium channel α-subunit
modulates root hair K+ influx[J]. Proc Natl Acad Sci USA，
2002，99（6）：4079-4084.
[13] SUH S J，MORAN N， LEE Y S. Blue light activates
potassium-efflux channels in flexor cells from Samanea
saman motor organs via two mechanisms[J]. Plant Physiol，
2000，123（3）：833-843.
俞 竞等：蓝光受体CRY1和CRY2对拟南芥钾吸收影响的研究 235