全 文 :核 农 学 报 2014,28(1):0052 ~ 0059
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃03⁃19 接受日期:2013⁃08⁃15
基金项目:教育部博士点基金项目 (20120101110079),浙江省钱江人才计划项目(2010R10084),浙江省人事厅留学人员科技活动项目择优项目
(20100129)。
作者简介:颜安,男,主要从事植物分子生物学和基因组学研究。 E⁃mail:snowanh@ 163. com
通讯作者:甘银波,男,教授,主要从事植物分子生物学和功能基因组学研究. E⁃mail: ygan@ zju. edu. cn
文章编号:1000⁃8551(2014)01⁃0052⁃08
光照和温度调控种子萌发的分子机理研究进展
颜 安 吴敏洁 甘银波
(浙江大学农业与生物技术学院,杭州 310058)
摘 要:种子萌发是个复杂的生理过程,受到内部因子和外界环境的共同调控,其中光照和温度是萌发过
程中最关键的环境因子。 目前已对种子萌发响应光温的信号传导途径进行了大量深入的研究,鉴定出
了一些参与光信号传递途径和温度信号途径的关键基因,揭示了光温信号途径与激素信号途径在种子
萌发过程中存在复杂的交联。 本文简要概述近年来光照和温度调控种子萌发的分子机理的最新研究进
展。
关键词:种子萌发;光照;光敏色素;温度
DOI:10:11869 / j. issn. 100⁃8551. 2014. 01. 0052
种子萌发是种子植物生命周期的开始,在植物个
体发育周期中是个非常关键的阶段,休眠的种子在适
宜的环境下吸收水分,开始动员营养物质代谢,胚乳和
种皮破裂,使胚根伸出,完成萌发过程[1 - 3]。 种子萌发
受到内部激素和外部环境的共同影响。 环境因子如光
照,温度,水分等对种子萌发有重要作用,其中光照和
温度是最关键的环境信号[1,4 - 5]。 目前人们已对种子
萌发响应光照和温度的分子机理进行了长期而深入的
研究,本文就近几年来在光温信号影响种子萌发的作
用机理研究中取得的进展做一概述,并对以后的研究
工作进行展望。
1 光对种子萌发的影响
光是植物生活中最重要的环境因子之一,在植物
从种子萌发,光合生长到开花结实等整个生长发育过
程中发挥着重要的作用[4,6]。
人们对光诱导的植物形态建成反应的研究始于
19 世纪 30 年代。 人们最早发现红光能够促进莴苣种
子萌发,而远红光抑制萌发[7]。 1952 年, Borthwick
等[8]实验发现用红光 /远红光交替处理莴苣种子,种
子的萌发状况取决于最后一次的光处理,若最后一次
用红光处理,种子萌发良好,而最后一次用远红光处
理,则萌发受到严重抑制,因此提出假设,认为种子中
存在一种可以以两种形式互变的色素,后来他们从植
物中 成 功 提 取 这 种 物 质, 命 名 为 光 敏 色 素
(phytochrome),并通过体外实验验证了它的光化学性
质,从而验证了该假设[9]。
1 1 光敏色素的结构和类型
光敏色素是一种水溶性蛋白,由 2 个单体组成,在
体内以同型或异型二聚体形式存在,每个单体由分子
量 125kDa的脱辅基蛋白多肽链共价结合于开环四吡
咯环生色团构成,光敏色素脱辅基蛋白在细胞溶质中
通过自我催化方式与生色团组装。 光敏色素有两种可
互相转换的形态,即远红光吸收型(Pfr)和红光吸收型
(Pr),Pfr吸收远红光后可转变成 Pr,反过来 Pr吸收红
光后则转变成 Pfr,其中 Pfr 是光敏色素的生理活性形
式[6,10]。
拟南芥的光敏色素家族由 5 个成员组成(phyA,
phyB,phyC,phyD和 phyE),这五个光敏色素蛋白各有
不同的感光特征和生物学功能[11 - 12]。 根据光敏色素
在光下的稳定性将光敏色素分为 2 类,即光不稳定型
(类型 1)和光稳定型(类型 2),在拟南芥中,phyA 属
于类型 1,其他光敏色素都属于类型 2[11,13 - 15]。
1 2 光敏色素对种子萌发的影响
研究表明 phyA,B,D,E都参与到拟南芥种子萌发
25
1 期 光照和温度调控种子萌发的分子机理研究进展
中,其中 phyA和 phyB 在种子萌发中起主要作用[16]。
在拟南芥中,低辐照度反应 LFR(红光 /远红光可逆反
应)诱导的萌发调控主要由 phyB 介导,而 phyA 通过
极低辐照度反应(VLFR)或持续远红光高辐照度 HIR
反应调控种子的萌发[10,17]。
phyB突变体种子未经低温 4℃层积处理将不能萌
发,表明 phyB对于未低温处理种子的萌发至关重要,
phyB和 phyA单突变体种子经过低温吸涨后都能够萌
发[16,18 - 20]。 当促进种子萌发的 GA 浓度已饱和时,功
能缺失 phyA 不影响萌发,只有当 phyB 也功能缺失
时,phyA敲除才会降低种子萌发率[21]。
phyD突变体在 31℃吸涨处理时萌发率下降,表明
phyD在高温时对种子萌发有促进作用,与 phyA 类似,
在正常温度下 phyD 对种子萌发的促进作用只有在
phyB缺陷时才能被检测到。 phyE 在种子萌发过程中
与 phyA,phyB,phyD 功能冗余,与 phyA 相比,phyE 似
乎在种子从高温处理(31℃)后再进行低温处理(4℃)
过程中对种子萌发有促进作用[21]。 另外, phyD 与
phyB结合可抑制远红光下 phyA 介导的 VLFR 反
应[22],因此不同的光敏色素参与到种子萌发响应光照
反应的不同方面。
1 3 光敏色素通过激素途径影响种子萌发
影响种子萌发的激素主要是赤霉素(GA)和脱落
酸(ABA),GA能够解除种子休眠,促进萌发,而 ABA
则作用相反,维持种子休眠和抑制萌发[18,23],种子最
终是否萌发则由其内部的赤霉素和脱落酸的含量比决
定[23 - 26]。
研究表明光敏色素能够促进赤霉素生物合成,
phyA和 phyB 都可以单独促进 GA 合成,而 phyB 对
GA合成的促进较大,进一步的研究证据表明 phyB 能
够调控拟南芥 GA3ox2 的转录,而 GA3ox2 催化活性 GA
反应的最后一步, 将非活性 GA9 转换成活性
GA4[27 - 28]。 另一个关键酶 GA3ox1 受其他光敏色素调
节。 值得注意的是只有当 phyB 介导的 GA 合成途径
受到中断同时 GA 水平足够低时,才能观察到其他光
敏色素对 GA合成的促进作用[21]。
光敏色素除了通过影响赤霉素代谢来调控种子萌
发,还可能通过提高种子对赤霉素的敏感性而促进种
子萌发,如在红光处理下,拟南芥 ga1 - 3 突变体需要
施加少量外源 GA 即可萌发。 而在暗处理下,对种子
施加外源 GA,种子也能萌发[29 - 30]。
另外有研究资料显示光敏色素也参与 ABA 的代
谢,而 ABA是维持种子休眠状态的主要激素,当暗中
吸涨的种子经过红光照射后,ABA 水平下降,而 phyB
突变体中的 ABA水平却不受红光影响,进一步的研究
发现拟南芥 ABA 代谢途径基因 CYP707A2 和 NCED6
的转录都受光调控,种子萌发过程中 NCED6 的表达受
远红光上调,受红光下调,而 ABA 分解代谢基因
CYP707A2 在红光照射后 6h 内都保持较高的表达水
平[31]。
1 4 种子萌发过程中的光信号传导
在细胞质中光敏色素蛋白以非活性 Pr 二聚体形
式存在,种子接受光照后,光敏色素生色团发生构象变
化,其 C15 和 C16 之间的双键发生顺反异构变化,由
Pr转换为 Pfr形式,同时光敏色素全蛋白基序在绞链
区发生构象变化,将 C 端的核定位序列 NLS 暴露,使
光敏色素蛋白从胞质转移到细胞核中,与其他蛋白质
因子互作,进而启动下游一系列基因变化,最终引起生
理和发育变化[32 - 33]。
Ni等[34]首先通过使用 phyB 的 C 端区域进行酵
母双杂交(Y2H)鉴定出一个光敏色素相互作用因子
(Phytochrome Interacting Factors,PIFs),命名为 PIF3,
通过酵母双杂交和体外免疫共沉淀( co⁃IP)分析发现
PIF3 可结合于拟南芥 phyA 和 phyB 蛋白 C 端,而
phyB的活性 Pfr的 N端和 C 端都显示出与 PIF3 较强
的结合能力[35]。
几年来,人们陆续鉴定出一系列其他 PIFs,包括
PIF1,PIF4,PIF5 和 PIF6 等,目前拟南芥中鉴定出的所
有 PIFs 都为 bHLH 转录因子家族的第 15 亚家
族[36 - 38],这些 bHLH转录因子包含两个区:一个是 15
个氨基酸组成的碱性区,参与结合下游靶基因,另一个
是含 60 个氨基酸的螺旋 -环 -螺旋区。 bHLH 转录
因子通过碱性区结合到靶基因启动子的顺式作用元件
上,最主要的顺式作用元件称为 E⁃box(5′⁃CANNTG⁃
3′,E⁃box分多种不同类型,其中 PIF3,PIF1 和 PIF4 与
靶基因启动子特异结合的 E⁃box 亚型称为 G⁃box(5′⁃
CACGTG⁃3′) [39 - 41]。
通过对 PIFs做序列联配分析表明 PIFs 在 N 端有
一个保守的基序,命名为活性光敏色素结合基序
(active phytochrome⁃binding motif,APB),定点突变分
析显示在所有 PIFs的 APB 中有四个固定的氨基酸残
基(EL—GQ)。 APB 基序对于 PIFs 结合于 phyB 活性
Pfr是必需的[42]。 通过酵母双杂交和体外免疫共沉淀
显示只有 PIF1 和 PIF3 能够与 phyA 的 Pfr 形式结
合[39,43 - 44],其中 PIF1 与 phyA 的亲和力较强,但是与
phyA结合的基序并不像 APB 那样保守,通过酵母双
杂交试验发现一个假定的 APA(active⁃phyA)结合基序
对于 PIF3 与 phyA的相互作用是必需的,而且该区域
35
核 农 学 报 28 卷
对于红光诱导的 PIF3 蛋白降解非常关键[45]。 尽管
PIF1 中也含有类似的基序,但对该基序定点突变后并
没有影响 PIF1 和 phyA的互作,表明 APA基序在 PIFs
中并不是高度保守的,而对所有的 phyA 相互作用蛋
白进行序列联配分析也没有鉴定出任何保守序列,因
此 phyA的保守结合基序还有待进一步的研究[46]。
目前在已鉴定的 PIFs 中,最早发现 PIF1 参与种
子萌发[47]。 PIF1 又称为 PIF3⁃like 5(PIL5),该基因参
与到多种植物生理进程中,包括对光诱导的种子萌发
的抑制,对光抑制下胚轴延长的去抑制,对下胚轴负向
地性的抑制以及对光照下叶绿素积累的抑制等[39,47]。
在种子萌发过程中,PIL5 作为一个分子开关,连
接光信号途径和激素信号途径[47 - 48]。 研究表明 PIL5
在光敏色素调控的种子萌发过程中是一个关键的负调
控因子,在无光照条件下通过降低活性 GA 水平和提
高 ABA水平抑制种子萌发,这种抑制作用部分通过抑
制 GA合成代谢基因(GA3ox1 和 GA3ox2)和 ABA分解
代谢基因(CYP707A2)的转录同时促进 GA 分解代谢
基因(GA2ox2)和 ABA合成代谢基因(ABA1, NCED6,
NCED9)的表达而实现[39,47,49 - 51]。 进一步研究发现,
PIL5 不仅调控 GA 和 ABA 代谢,而且也参与调控 GA
的信号途径,染色体免疫共沉淀(ChIP)试验发现两个
DELLA 基因,GA⁃INSENSITIVE (GAI)和 REPRESSOR
OF ga1 - 3 (RGA)是 PIL5 的直接靶基因,PIL5 通过直
接结合 GAI和 RGA的启动子区调控它们的转录,在无
光照条件下,PIL5 通过激活 GAI 和 RGA 的转录,进而
抑制 GA 诱导的种子萌发[49 - 50],而在有光照时,PIL5
蛋白不稳定,光敏色素受光激活后与 PIL5 相互作用而
激活 PIL5 的降解途径,最终导致 ABA 水平下降,GA
水平上升,通过 GA对 DELLA蛋白的去阻遏作用从而
促进种子萌发[49 - 50,52]。
近年来在 PIL5 下游鉴定出两个蛋白参与到 PIL5
对种子萌发的抑制中,分别为 SOMNUS(SOM)和 DOF
AFFECTING GERMINATION 1 (DAG1) [24,53 - 54]。 SOM
是 PIL5 的直接靶基因[55],编码一种核定位的 CCCH
型锌指蛋白。 som 突变体种子无需光照,在暗中就能
萌发。 与 PIL5 类似,SOM可通过抑制 GA合成代谢基
因 ( GA3ox1 和 GA3ox2 ) 和 ABA 分 解 代 谢 基 因
(CYP707A2),激活 GA 分解代谢基因 ( GA2ox2 )和
ABA合成代谢基因 (ABA1, NCED6 和 NCED9), 从而
导致种子中维持较低的 GA 水平和较高的 ABA 水平
进而抑制其萌发[54]。 另一个 PIL5 的直接靶基因
DAG1 是一种 Dof转录因子,也是种子萌发的负调控因
子,DAG1 通过直接抑制 GA3ox1 的转录从而抑制种子
萌发[53]。
后来人们利用 ChIP⁃chip 和基因芯片技术对 PIL5
的下游靶基因进行了系统的分析,鉴定出 166 个 PIL5
直接靶基因[52],GO分析显示这些 PIL5 直接靶基因大
多编码与激素相关的转录调节因子,如 ABI3, ABI5,
AUXIN RESPONSE FACTOR 18 ( ARF18 ), BES1 -
INTERACTINGMYC⁃LIKE PROTEIN 1 ( BIM1 ) 和
JASMONATE⁃ZIM⁃DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ1)等, 表
明 PIL5 可能通过参与调控脱落酸,生长素,油菜素内
酯(BR)和茉莉酸(JA)等激素的信号途径来影响种子
萌发,另外发现 PIL5 直接抑制细胞壁松弛蛋白基因
(EXP8 和 EXP10)和木葡聚糖内转糖苷酶编码基因
(XTH28)的表达,暗示在种子萌发过程中 PIL5 对细胞
壁的松弛有抑制作用[52]。
2 温度对种子萌发的影响
温度作为一种环境因子在植物整个生长发育过程
中发挥着重要作用,如控制种子休眠的深度[18],影响
植物伸长生长和通过春化途径控制开花时间等[56 - 59]。
种子成熟后往往会进入休眠期,等待环境适宜才
开始萌发,温度对于种子而言是一个非常重要的环境
因子,种子通过感知高温,低温或变温来判断季节的变
化及微环境的差异,选择合适的时机开始植物的生活
史。 较高的环境温度导致种子休眠度加深,而低温则
对于种子破除休眠有着非常关键的作用,有些植物的
种子需要在特定的温度下才能萌发,而有些植物种子
的萌发需要一个变温过程[1,60]。 拟南芥的种子吸涨后
在 4℃放置 3d左右即可破除休眠,这表明低温能够促
进种子萌发[25,61 - 62]。 Yamauchi 等[63]研究证实 4℃低
温处理吸涨种子能够提高种子内活性 GAs 的水平,
QRT⁃PCR分析表明 AtGA20ox1,AtGA20ox2 和 AtGA3ox1
的转录水平都显著提高,而参与 GA 分解代谢的
AtGA2ox2 的转录受下调,表明低温通过上调 GA 合成
代谢基因和下调 GA分解代谢基因来提高种子内活性
GA的含量进而促进萌发。 而 AtGA3ox1 的突变体 ga4
- 2 种子萌发不受低温促进,表明 AtGA3ox1 在低温刺
激种子萌发过程中有着很关键的作用,原位杂交技术
显示在低温处理后的种子里,AtGA3ox1 表达于整个胚
轴和糊粉层,而在 22℃处理下的种子中则检测不到杂
交信号[63]。 通过基因芯片分析发现与常温处理的种
子相比,4℃吸涨的种子里差异表达的基因中有很大比
例的基因受 GA调控,如细胞壁松弛蛋白 EXPA1,2,3,
8,9,15 和 20 等基因在 4℃吸涨的种子里表达量显著
45
1 期 光照和温度调控种子萌发的分子机理研究进展
提高,而细胞松弛蛋白在种子萌发胚乳破裂过程中发
挥重要作用,这些结果表明低温通过促进 GA 合成代
谢及 GA 信号途径来促进种子萌发[63]。 低温还可诱
导 ABA分解代谢中的关键基因 CYP707A2 的表达[64],
促使吸涨种子里的 ABA 含量逐渐降低[65],这表明低
温还通过降低 ABA水平来促进种子萌发[66]。
而在高温条件下,种子不能萌发,维持休眠状态,
这种现象称为热休眠(thermoinhibition)。 在 28℃条件
下进行的莴苣种子萌发实验中,施用 ABA合成的抑制
剂氟啶草酮后,莴苣种子的热休眠状态被消除,种子能
够萌发[67],而 ABA合成缺陷突变体 aba1 和 ABA不敏
感突变体 abi3 能在高温下萌发[68],表明 ABA 在高温
对种子萌发的抑制中是个关键的调控因子[69]。 在较
高的环境温度下,拟南芥种子中参与 ABA合成的基因
NCED2, NCED5 和 NCED9 受到上调,而 GA合成途径
基因 GA20ox1, GA20ox2,GA20ox3,GA3ox1 和 GA3ox2
的表达都受到抑制,导致种子中保持较高的 ABA水平
和较低的 GA 水平,使种子进入休眠状态,不能萌
发[70]。 最近的研究发现独脚金内酯也参与高温引起
的热休眠的调控中,独脚金内酯的合成突变体和信号
通路突变体对热休眠的敏感性增强,进一步分析发现
独脚金内酯通过调控种子中 GA 和 ABA 的水平来减
轻热休眠程度[71]。
种子在成熟期的环境温度可影响种子成熟后的休
眠度。 拟南芥种子在较低的温度下发育成熟后,休眠
度加深,而在较高温度下成熟则休眠较浅[72 - 73]。 种子
成熟期的低温处理可诱导多个参与休眠的基因,包括
DOG1 和 GA及 ABA代谢基因的表达。 Delay of Germi⁃
nation1 (DOG1)是近年来鉴定出来的参与调控拟南芥
种子休眠的主要调控因子,新成熟种子的休眠度与
DOG1 蛋白水平高度相关,而 dog1 突变体则没有休眠
特征[74]。 在较低温度下成熟的种子里,DOG1 的表达
水平受到上调,伴随着休眠程度的加深[75 - 76],因此可
用 DOG1 的表达水平来评估种子的休眠程度[76]。 在
种子发育过程中,DOG1 可间接促进 ABA 的合成[74],
而 ABA合成缺陷突变体 aba1 - 1 的种子即使在低温
下发育成熟,在成熟之后依然没有休眠特征,表明
ABA也参与低温调控的种子休眠[75,77]。
近年来,本课题组一直从事一个 bHLH 转录因子
SPATULA(SPT)及下游基因调控种子萌发的研究工
作[78 - 79],SPT 参与到种子萌发对低温的响应过程
中[80 - 81]。 SPT在拟南芥发育过程中是个多功能的调
控因子,在控制幼苗生长速率、根系生长、心皮和果实
发育、子叶与花瓣的伸张等生理过程中有重要的作
用[78 - 79,82 - 85]。 和 PIL5 一样,SPT 同属于 bHLH 转录
因子家族的第 15 亚家族,但 SPT 蛋白结构不含 APB
元件,不能够与 phyB 结合,是一种光稳定性蛋
白[42,80]。
最新研究结果显示 SPT 在调控拟南芥 Landsberg
和 Columbia 生态型的休眠中具有相反的功能[81],在
Col - 0 背景下,spt - 11 和 spt - 12 突变体休眠度较浅,
过量表达株系则休眠度比野生型深,而在 Ler 背景下,
过量表达 SPT后萌发率提高,而突变体 spt - 2 对低温
层积不敏感,新成熟的 spt - 2 种子无论有无光照都不
萌发[80]。 在光照下 SPT功能获得型突变体 spt - 10 种
子则不需要低温层积就可以萌发,表明在 Ler 背景下,
SPT在低温层积促进种子萌发过程中是一种正调控因
子,通过 QRT⁃PCR 分析发现 spt - 10 吸涨种子中
GA3ox1 和 GA3ox2 转录水平高于野生型,而 spt - 2 种
子的 GA3ox1 和 GA3ox2 转录水平都低于野生型,这表
明 SPT是 GA3ox1 和 GA3ox2 转录调控中的正向调控
因子,通过调控吸涨种子中的 GA 水平来影响种子萌
发[80],因此低温层积可能通过促进 SPT,进而间接上
调 GA3ox1 和 GA3ox2 的表达,促进活性 GA 的合成从
而促进种子萌发[70,80]。
3 种子萌发中的光温信号交联
红光和低温处理对种子萌发有类似的促进作用,
而远红光和高温条件则对种子萌发有类似的抑制作
用[86 - 87]。 研究表明在种子萌发过程中光信号途径和
温度信号途径存在一个复杂的交联( crosstalk),它们
通过共同调控下游激素代谢通路和信号通路实现信号
整合,如低温和光照通过对 GA3 氧化酶编码基因的转
录调控来提高赤霉素的合成从而影响种子萌发,而温
度信号通路中的 SPT 和光信号途径中的 PIL5 则分别
参与 其 中, 共 同 调 控 GA3ox1 和 GA3ox2 的 转
录[49 - 50,52,80],从而使种子萌发对光照和低温层积表现
出类似的响应特征,因此在种子萌发过程中,光照和低
温的双重刺激作用可确保种子内有足够的活性 GA 合
成来促进萌发[88 - 90]。
而且光温信号交联还体现在不同温度条件下种子
萌发对光的敏感性上,在光信号途径中,不同温度下有
不同的光敏色素参与调控种子萌发,phyB 在较宽的温
度范围内影响种子萌发,在较温暖条件下,phyB 对种
子萌发作用最大,其次是 phyA和 phyE,而在较低温度
下(10℃),phyE 的功能对萌发是必需的[21,91]。 另外
在高温环境下(31℃),phyD功能缺失导致种子萌发率
55
核 农 学 报 28 卷
显著下降[21]。
4 结论与展望
光照和温度都对种子萌发有重要的作用,植物由
此进化出来的光信号途径和温度信号途径赋予植物精
确感知周围环境并作出响应的能力,这对于植物适应
环境具有重要意义。 植物分别通过光受体和感温受体
接受光信号和温度信号,启动一系列光信号和温度信
号转导途径并引起下游级联反应,通过 crosstalk 共同
调控激素信号通路,最终影响种子萌发。 虽然近年来
通过分子生物学和遗传学手段进行种子萌发响应光温
信号分子机理的研究已取得了一些进展,但光温信号
传递途径还存在很多尚待解决的问题,如光敏色素如
何通过结合 PIFs引起 PIFs 的泛素化降解调控种子萌
发,种子如何感知温度及是否存在感温元件等等。 今
后的工作将重点揭示种子萌发过程中光信号的转导机
制,种子感知温度的分子机理,以期全面了解种子萌发
中光温信号途径与激素信号途径的交联机制。
参考文献:
[ 1 ] Bewley J D, Black M. Seeds: physiology of development and
germination[M]. New York: Plenum Press, 1994
[ 2 ] Bewley J D. Seed germination and dormancy[ J] . The Plant Cell,
1997, 9(7): 1055 - 1066
[ 3 ] Bentsink L, Koornneef M. Seed dormancy and germination [ M].
Washington: BioOne, 2008: 1 - 18
[ 4 ] Whitelam G C, Halliday K J. Annual Plant Reviews Volume 30:
Light and Plant Development [DB / OL]. (2007⁃11⁃12) . [2013⁃03⁃
05 ] . http: / / onlinelibrary. wiley. com / book / 10. 1002 / 9780470
988893
[ 5 ] Franklin K A. Light and temperature signal crosstalk in plant
development[J] . Current Opinion in Plant Biology, 2009, 12(1):
63 - 68
[ 6 ] Jiao Y, Lau O S, Deng X W. Light⁃regulated transcriptional
networks in higher plants[J] . Nat Rev Genet, 2007, 8(3): 217 -
230
[ 7 ] Flint L H. The action of radiation of specific wave⁃lengths in relation
to the germination of light sensitive lettuce seed[ J] . Proc Int Seed
Test Assoc, 1936, 8: 1 - 4
[ 8 ] Borthwick H A, Hendricks S, Parker M, Toole E, Toole V K. A
reversible photoreaction controlling seed germination [ J ] .
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States
of America, 1952, 38(8): 662 - 666
[ 9 ] Borthwick H, Hendricks S. Photoperiodism in plants[ J] . Science,
1960, 132(3435): 1223 - 1228
[10] Chen M, Chory J, Fankhauser C. Light Signal Transduction in
Higher Plants[J] . Annual Review of Genetics, 2004, 38(1): 87 -
117
[11] Clack T, Mathews S, Sharrock R. The phytochrome apoprotein
family in Arabidopsis is encoded by five genes: the sequences and
expression of PHYD and PHYE [ J ] . Plant Molecular Biology,
1994, 25(3): 413 - 427
[12] Mathews S, Sharrock R A. Phytochrome gene diversity[ J] . Plant,
Cell & Environment, 1997, 20(6): 666 - 671
[13] Furuya M. Phytochromes: their molecular species, gene families,
and functions[J] . Annual Review of Plant Biology, 1993, 44(1):
617 - 645
[14] Quail P H. An emerging molecular map of the phytochromes[ J] .
Plant, Cell and Environment, 1997, 20(6): 657 - 665
[15] Sharrock R A, Clack T. Patterns of expression and normalized levels
of the five arabidopsis phytochromes[ J] . Plant physiology, 2002,
130(1): 442 - 456
[16] Shinomura T, Nagatani A, Chory J, Furuya M. The induction of
seed germination in arabidopsis thaliana is regulated principally by
phytochrome B and secondarily by phytochrome A [ J ] . Plant
physiology, 1994, 104(2): 363 - 371
[17] Shinomura T, Nagatani A, Hanzawa H, Kubota M, Watanabe M,
Furuya M. Action spectra for phytochrome A⁃ and B⁃specific
photoinduction of seed germination in Arabidopsis thaliana [ J ] .
Proceedings of the National Academy of Sciences, 1996, 93(15):
8129 - 8133
[18] Koornneef M, Bentsink L, Hilhorst H. Seed dormancy and
germination[J] . Current Opinion in Plant Biology, 2002, 5(1): 33
- 36
[19] Poppe C, Schafer E. Seed Germination of Arabidopsis thaliana
phyA / phyB double mutants is under phytochrome control[J] . Plant
physiology, 1997, 114(4): 1487 - 1492
[20] Ritchie S, Gilroy S. Gibberellins: regulating genes and germination
[J] . New Phytologist, 1998, 140(3): 363 - 383
[21] Heschel M S, Butler C M, Chiang G C K, Wheeler A, Sharrock R
A, Whitelam G C, Donohue K. New roles of phytochromes during
seed germination[J] . International journal of plant sciences, 2008,
169(4): 531 - 540
[22] Hennig L, Poppe C, Sweere U, Martin A, Schäfer E. Negative
interference of endogenous phytochrome B with phytochrome A
function in arabidopsis[J] . Plant physiology, 2001, 125(2): 1036
- 1044
[23] Schwechheimer C, Willige B C. Shedding light on gibberellic acid
signalling[J] . Current opinion in plant biology, 2009, 12(1): 57
- 62
[24] Lau O S, Deng X W. Plant hormone signaling lightens up:
integrators of light and hormones [ J ] . Current opinion in plant
biology, 2010, 13(5): 571 - 577
[25] Weitbrecht K, Müller K, Leubner⁃Metzger G. First off the mark:
early seed germination[ J] . Journal of experimental botany, 2011,
62(10): 3289 - 3309
[26] 廖泳祥, 黄静, 高梅, 李东, 薛晶晶, 张红宇, 徐培洲, 吴先军.
水稻制种中杂交种子穗发芽生理特性研究 [ J] . 核农学报,
2009, 23(5): 864 - 867
65
1 期 光照和温度调控种子萌发的分子机理研究进展
[27] Yamaguchi S, Smith M W, Brown R G S, Kamiya Y, Sun T P.
Phytochrome regulation and differential expression of gibberellin 3β⁃
Hydroxylase genes in germinating Arabidopsis seeds[ J] . The Plant
Cell, 1998, 10(12): 2115 - 2126
[28] Yamaguchi S, Kamiya Y. Gibberellin biosynthesis: its regulation by
endogenous and environmental signals [ J ] . Plant and Cell
Physiology, 2000, 41(3): 251 - 257
[29] Yang Y Y, Nagatani A, Zhao Y J, Kang B J, Kendrick R E,
Kamiya Y. Effects of gibberellins on seed germination of
phytochrome⁃deficient mutants of Arabidopsis thaliana[J] . Plant and
Cell Physiology, 1995, 36(7): 1205 - 1211
[30] Arana M, Miguel L, Sánchez R. A phytochrome⁃dependent
embryonic factor modulates gibberellin responses in the embryo and
micropylar endosperm of Datura ferox seeds[J] . Planta, 2006, 223
(4): 847 - 857
[31] Seo M, Hanada A, Kuwahara A, Endo A, Okamoto M, Yamauchi
Y, North H, Marion⁃Poll A, Sun T, Koshiba T. Regulation of
hormone metabolism in Arabidopsis seeds: phytochrome regulation of
abscisic acid metabolism and abscisic acid regulation of gibberellin
metabolism[J] . The Plant Journal, 2006, 48(3): 354 - 366
[32] Andel F, Hasson K C, Gai F, Anfinrud P A, Mathies R A. Femto⁃
second time⁃resolved spectroscopy of the primary photochemistry of
phytochrome[J] . Biospectroscopy, 1997, 3(6): 421 - 433
[33] Chen M, Tao Y, Lim J, Shaw A, Chory J. Regulation of
phytochrome B nuclear localization through light⁃dependent
unmasking of nuclear⁃localization signals [ J ] . Current Biology,
2005, 15(7): 637 - 642
[34] Ni M, Tepperman J M, Quail P H. PIF3, a phytochrome⁃interacting
factor necessary for normal photoinduced signal transduction, is a
novel basic helix⁃loop⁃helix protein[J] . Cell, 1998, 95(5): 657 -
667
[35] Zhu Y, Tepperman J M, Fairchild C D, Quail P H. Phytochrome B
binds with greater apparent affinity than phytochrome A to the basic
helix⁃loop⁃helix factor PIF3 in a reaction requiring the PAS domain
of PIF3 [ J] . Proceedings of the National Academy of Sciences,
2000, 97(24): 13419 - 13424
[36] Toledo⁃Ortiz G, Huq E, Quail P H. The arabidopsis basic / helix⁃
loop⁃helix transcription factor family[J] . The Plant Cell, 2003, 15
(8): 1749 - 1770
[37] Duek P D, Fankhauser C. bHLH class transcription factors take
centre stage in phytochrome signalling[J] . Trends in Plant Science,
2005, 10(2): 51 - 54
[38] Leivar P, Quail P H. PIFs: pivotal components in a cellular
signaling hub[J] . Trends in Plant Science, 2011, 16(1): 19 - 28
[39] Huq E, Al⁃Sady B, Hudson M, Kim C, Apel K, Quail P H.
phytochrome⁃interacting factor 1 is a critical bHLH regulator of
chlorophyll biosynthesis[J] . Science, 2004, 305(5692): 1937 -
1941
[40] Huq E, Quail P H. PIF4, a phytochrome⁃interacting bHLH factor,
functions as a negative regulator of phytochrome B signaling in
Arabidopsis [ J ] . The Earopean Molecular Biology Organization
Journal, 2002, 21(10): 2441 - 2450
[41] Martiacutenez⁃Garca J F, Huq E, Quail P H. direct targeting of light
signals to a promoter element⁃bound transcription factor [ J ] .
Science, 2000, 288(5467): 859 - 863
[42] Khanna R, Huq E, Kikis E A, Al⁃Sady B, Lanzatella C, Quail P
H. A novel molecular recognition motif necessary for targeting
photoactivated phytochrome signaling to specific basic helix⁃loop⁃
helix transcription factors [ J] . The Plant Cell, 2004, 16 ( 11 ):
3033 - 3044
[43] Ni M, Tepperman J M, Quail P H. Binding of phytochrome B to its
nuclear signalling partner PIF3 is reversibly induced by light [ J] .
Nature, 1999, 400: 781 - 784
[44] Shimizu⁃Sato S, Huq E, Tepperman J M, Quail P H. A light⁃
switchable gene promoter system[ J] . Nature biotechnology, 2002,
20(10): 1041 - 1044
[45] Al - Sady B, Ni W, Kircher S, Schäfer E, Quail P H.
Photoactivated phytochrome induces rapid PIF3 phosphorylation prior
to proteasome⁃mediated degradation[ J] . Molecular cell, 2006, 23
(3): 439 - 446
[46] Castillon A, Shen H, Huq E. Phytochrome Interacting Factors:
central players in phytochrome⁃mediated light signaling networks
[J] . Trends in Plant Science, 2007, 12(11): 514 - 521
[47] Oh E, Kim J, Park E, Kim J I, Kang C, Choi G. PIL5, a
Phytochrome⁃interacting basic helix⁃loop⁃helix protein, is a key
negative regulator of seed germination in Arabidopsis thaliana[ J] .
The Plant Cell, 2004, 16(11): 3045 - 3058
[48] Seo M, Nambara E, Choi G, Yamaguchi S. Interaction of light and
hormone signals in germinating seeds[J] . Plant Molecular Biology,
2009, 69(4): 463 - 472
[49] Oh E, Yamaguchi S, Hu J, Yusuke J, Jung B, Paik I, Lee H S,
Sun T, Kamiya Y, Choi G. PIL5, a phytochrome⁃interacting bHLH
protein, regulates gibberellin responsiveness by binding directly to
the GAI and RGA promoters in Arabidopsis seeds[ J] . The Plant
Cell, 2007, 19(4): 1192 - 1208
[50] Oh E, Yamaguchi S, Kamiya Y, Bae G, Chung W I, Choi G. Light
activates the degradation of PIL5 protein to promote seed germination
through gibberellin in Arabidopsis[J] . The Plant Journal, 2006, 47
(1): 124 - 139
[51] Footitt S, Huang Z, Clay H A, Mead A, Finch⁃Savage W E.
Temperature, light and nitrate sensing coordinate Arabidopsis seed
dormancy cycling, resulting in winter and summer annual phenotypes
[J] . The Plant Journal, 2013, 74(6): 1003 - 1015
[52] Oh E, Kang H, Yamaguchi S, Park J, Lee D, Kamiya Y, Choi G.
Genome⁃wide analysis of genes targeted by phytochrome interacting
factor 3⁃LIKE5 during seed germination in Arabidopsis [ J] . The
Plant Cell, 2009, 21(2): 403 - 419
[53] Gabriele S, Rizza A, Martone J, Circelli P, Costantino P, Vittorioso
P. The Dof protein DAG1 mediates PIL5 activity on seed germination
by negatively regulating GA biosynthetic gene AtGA3ox1 [ J] . The
Plant Journal, 2010, 61(2): 312 - 323
[54] Kim D H, Yamaguchi S, Lim S, Oh E, Park J, Hanada A, Kamiya
Y, Choi G. SOMNUS, a CCCH⁃type zinc finger protein in
arabidopsis, negatively regulates light⁃dependent seed germination
75
核 农 学 报 28 卷
downstream of pil5 [ J] . The Plant Cell, 2008, 20 (5): 1260 -
1277
[55] Park J, Lee N, Kim W, Lim S, Choi G. ABI3 and PIL5
collaboratively activate the expression of somnus by directly binding
to its promoter in imbibed arabidopsis seeds[ J] . The Plant Cell,
2011, 23(4): 1404 - 1415
[56] Henderson I R, Dean C. Control of arabidopsis flowering: the chill
before the bloom[J] . Development, 2004, 131(16): 3829 - 3838
[57] Gray W M, Östin A, Sandberg G, Romano C P, Estelle M. High
temperature promotes auxin⁃mediated hypocotyl elongation in
Arabidopsis[J] . Proceedings of the National Academy of Sciences,
1998, 95(12): 7197 - 7202
[58] Mazzella M A, Bertero D, Casal J J. Temperature⁃dependent
internode elongation in vegetative plants of Arabidopsis thaliana
lacking phytochrome B and cryptochrome 1[J] . Planta, 2000, 210
(3): 497 - 501
[59] Penfield S. Temperature perception and signal transduction in plants
[J] . New Phytologist, 2008, 179(3): 615 - 628
[60] Chao W, Foley M, Do gˇramacı M, Anderson J, Horvath D.
Alternating temperature breaks dormancy in leafy spurge seeds and
impacts signaling networks associated with HY5[ J] . Functional &
Integrative Genomics, 2011, 11(4): 637 - 649
[61] Bewley J D, Black M. Physiology and biochemistry of seeds in
relation to germination[M]Berlin: Springer⁃Verlag, 1982
[62] Cone J, Spruit C. Imbibition conditions and seed dormancy of
Arabidopsis thaliana [ J] . Physiologia Plantarum, 2006, 59 (3):
416 - 420
[63] Yamauchi Y, Ogawa M, Kuwahara A, Hanada A, Kamiya Y,
Yamaguchi S. Activation of gibberellin biosynthesis and response
pathways by low temperature during imbibition of Arabidopsis
thaliana seeds[J] . The Plant Cell, 2004, 16(2): 367 - 378
[64] Kushiro T, Okamoto M, Nakabayashi K, Yamagishi K, Kitamura S,
Asami T, Hirai N, Koshiba T, Kamiya Y, Nambara E. The
Arabidopsis cytochrome P450 CYP707A encodes ABA 8′ -
hydroxylases: key enzymes in ABA catabolism [ J] . The EMBO
journal, 2004, 23(7): 1647 - 1656
[65] Penfield S, Hall A. A role for multiple circadian clock genes in the
response to signals that break seed dormancy in arabidopsis[J] . The
Plant Cell, 2009, 21(6): 1722 - 1732
[66] Chiwocha S D S, Cutler A J, Abrams S R, Ambrose S J, Yang J,
Ross A R S, Kermode A R. The etr1 - 2 mutation in Arabidopsis
thaliana affects the abscisic acid, auxin, cytokinin and gibberellin
metabolic pathways during maintenance of seed dormancy, moist⁃
chilling and germination[J] . The Plant Journal, 2005, 42(1): 35
- 48
[67] Gonai T, Kawahara S, Tougou M, Satoh S, Hashiba T, Hirai N,
Kawaide H, Kamiya Y, Yoshioka T. Abscisic acid in the
thermoinhibition of lettuce seed germination and enhancement of its
catabolism by gibberellin [ J ] . Journal of experimental botany,
2004, 55(394): 111 - 118
[68] Tamura N, Yoshida T, Tanaka A, Sasaki R, Bando A, Toh S,
Lepiniec L, Kawakami N. Isolation and characterization of high
temperature⁃resistant germination mutants of Arabidopsis thaliana
[J] . Plant and Cell Physiology, 2006, 47(8): 1081 - 1094
[69] Huo H, Dahal P, Kunusoth K, McCallum C M, Bradford K J.
Expression of 9 - cis⁃Epoxycarotenoid dioxygenase4 is essential for
thermoinhibition of lettuce seed germination but not for seed
development or stress tolerance[J] . The Plant Cell, 2013, 25(3):
884 - 900
[70] Toh S, Imamura A, Watanabe A, Nakabayashi K, Okamoto M,
Jikumaru Y, Hanada A, Aso Y, Ishiyama K, Tamura N, Iuchi S,
Kobayashi M, Yamaguchi S, Kamiya Y, Nambara E, Kawakami N.
High temperature⁃induced abscisic acid biosynthesis and its role in
the inhibition of gibberellin action in arabidopsis seeds[ J] . Plant
physiology, 2008, 146(3): 1368 - 1385
[71] Toh S, Kamiya Y, Kawakami N, Nambara E, McCourt P, Tsuchiya
Y. Thermoinhibition uncovers a role for strigolactones in arabidopsis
seed germination[ J] . Plant and Cell Physiology, 2012, 53 (1):
107 - 117
[72] Chiang G C K, Barua D, Kramer E M, Amasino R M, Donohue K.
Major flowering time gene, flowering locus C, regulates seed
germination in Arabidopsis thaliana[J] . Proceedings of the National
Academy of Sciences, 2009, 106(28): 11661 - 11666
[73] Donohue K, Dorn L, Griffith C, Kim E, Aguilera A, Polisetty CR,
Schmitt J. Environmental and genetic influences on the germination
of arabidopsis thallana in the field[ J] . Evolution, 2005, 59(4):
740 - 757
[74] Nakabayashi K, Bartsch M, Xiang Y, Miatton E, Pellengahr S,
Yano R, Seo M, Soppe W J J. The time required for dormancy
release in arabidopsis is determined by delay of germination1 protein
levels in freshly harvested seeds[J] . The Plant Cell, 2012, 24(7):
2826 - 2838
[75] Kendall S L, Hellwege A, Marriot P, Whalley C, Graham I A,
Penfield S. Induction of dormancy in arabidopsis summer annuals
requires parallel regulation of DOG1 and hormone metabolism by low
temperature and cbf transcription factors[J] . The Plant Cell, 2011,
23(7): 2568 - 2580
[76] Chiang G C K, Bartsch M, Barua D, Nakabayashi K, Debieu M,
Kronholm I, Koornneef M, Soppe W J J, Donohue K, De Meaux J.
DOG1 expression is predicted by the seed⁃maturation environment
and contributes to geographical variation in germination in
Arabidopsis thaliana[J] . Molecular Ecology, 2011, 20(16): 3336
- 3349
[77] Bentsink L, Jowett J, Hanhart C J, Koornneef M. Cloning of
DOG1, a quantitative trait locus controlling seed dormancy in
Arabidopsis[J] . Proceedings of the National Academy of Sciences,
2006, 103(45): 17042 - 17047
[78] Sidaway - Lee K, Josse E M, Brown A, Gan Y, Halliday K J,
Graham I A, Penfield S. Spatula links daytime temperature and
plant growth rate [ J] . Current biology, 2010, 20 (16): 1493 -
1497
[79] Josse E M, Gan Y, Bou⁃Torrent J, Stewart K L, Gilday A D,
Jeffree C E, Vaistij F E, Martínez⁃García J F, Nagy F, Graham I
A, Halliday K J. A Della in disguise: spatula restrains the growth of
85
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2014,28(1):0052 ~ 0059
the developing arabidopsis seedling[ J] . The Plant Cell, 2011, 23
(4): 1337 - 1351
[80] Penfield S, Josse E M, Kannangara R, Gilday A D, Halliday K J,
Graham I A. Cold and light control seed germination through the
bhlh transcription factor SPATULA[J] . Current biology, 2005, 15
(22): 1998 - 2006
[81] Vaistij F E, Gan Y, Penfield S, Gilday A D, Dave A, He Z, Josse
E M, Choi G, Halliday K J, Graham I A. Differential control of
seed primary dormancy in Arabidopsis ecotypes by the transcription
factor SPATULA [ J ] . Proceedings of the National Academy of
Sciences, 2013, 110(26): 10866 - 10871
[82] Heisler M G, Atkinson A, Bylstra Y H, Walsh R, Smyth D R.
Spatula, a gene that controls development of carpel margin tissues in
Arabidopsis, encodes a bHLH protein [ J] . Development, 2001,
128(7): 1089 - 1098
[83] Alvarez J, Smyth D R. CRABS CLAW and SPATULA, two
Arabidopsis genes that control carpel development in parallel with
agamous[J] . Development, 1999, 126(11): 2377 - 2386
[84] Makkena S, Lamb R S. The bHLH transcription factor SPATULA is
a key regulator of organ size in Arabidopsis thaliana [ J] . Plant
Signaling and Behavior, 2013, 8(5): e24140
[85] Makkena S, Lamb R S. The bHLH transcription factor SPATULA
regulates root growth by controlling the size of the root meristem[J] .
BMC Plant Biol, 2013, 13(1):1
[86] Roth - Bejerano N, Koller D, Negbi M. Mediation of phytochrome
in the inductive action of low temperature on dark germination of
lettuce seed at supra⁃optimal temperature [ J] . Plant physiology,
1966, 41(6): 962 - 964
[87] Scheibe J, Lang A. Lettuce seed germination: evidence for a
reversible light⁃induced increase in growth potential and for
phytochrome mediation of the low temperature effect [ J ] . Plant
physiology, 1965, 40(3): 485
[88] de Lucas M, Daviere J M, Rodriguez⁃Falcon M, Pontin M, Iglesias⁃
Pedraz J M, Lorrain S, Fankhauser C, Blazquez M A, Titarenko E,
Prat S. A molecular framework for light and gibberellin control of
cell elongation[J] . Nature, 2008, 451: 480 - 484
[89] Feng S, Martinez C, Gusmaroli G, Wang Y, Zhou J, Wang F,
Chen L, Yu L, Iglesias⁃Pedraz J M, Kircher S, Schafer E, Fu X,
Fan L⁃M, Deng X W. Coordinated regulation of Arabidopsis thaliana
development by light and gibberellins[J] . Nature, 2008, 451: 475
- 479
[90] Vidal A, Ben⁃Cheikh W, Talón M, García⁃Martínez J. Regulation
of gibberellin 20 - oxidase gene expression and gibberellin content in
citrus by temperature and citrus exocortis viroid[ J] . Planta, 2003,
217(3): 442 - 448
[91] Heschel MS, Selby J, Butler C, Whitelam G C, Sharrock R A,
Donohue K. A new role for phytochromes in temperature⁃dependent
germination[J] . New Phytologist, 2007, 174(4): 735 - 741
Progress on Regulatory Mechanisms of Light
and Temperature on Seed Germination
YAN An WU Min⁃jie GAN Yin⁃bo
(College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058)
Abstract:Seed germination is a complicated process regulated by both internal and external factors. Light and
temperature are two of the most critical environmental factors regulating seed germination. Recently extensive studies
have been made to elucidate the molecular mechanism underling seed germination in response to light and temperature.
Some key genes involved in light and temperature signal transduction have been identified and suggested that there is a
complex crosstalk among the light, temperature and hormone signaling pathway. This paper will briefly summarize the
progress on the molecular mechanism underling the regulation of seed germination by light and temperature signaling.
Key words:Seed germination; Light; Phytochrome; Temperature
95