全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 2期，2008年 4月 257
蓝光对拟南芥种子萌发的影响
赵小英 1，唐冬英 1，向静 1,2，曾建新 1，刘选明 1,*
1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，长沙 410082；2长沙学院生物工程与环境科学系，长
沙410003
提要：通过检测分析不同蓝光条件下，拟南芥野生型和蓝光受体突变体的种子萌发率发现，蓝光诱导拟南芥种子萌发，
隐花素主要介导蓝光诱导拟南芥种子的早期(蓝光培养 1~3 d)萌发，并且与光照强度有关。施用GA生物合成抑制剂多效
唑或嘧啶醇的研究结果表明，相同浓度的抑制剂对 cry1cry2突变体种子萌发的抑制作用比野生型强，并且解除抑制剂对
cry1cry2突变体种子萌发所需的外源有生物活性的GA3量也较野生型多。这些实验结果初步证实了隐花素介导蓝光诱导
种子萌发，并且可能与蓝光下种子萌发过程中有生物活性的GA合成增加有关。
关键词：蓝光；拟南芥；种子萌发；赤霉素
The Effect of Blue Light on Seed Germination of Arabidopsis thaliana
ZHAO Xiao-Ying1, TANG Dong-Ying1, XIANG Jing1,2, ZENG Jian-Xin1, LIU Xuan-Ming1,*
1Bioenergy and Biomaterial Research Center, Institute of Life Science and Technology, Hunan University, Changsha 410082,
China; 2Department of Bioengineering and Eenvironmental Science, Changsha University, Changsha 410003, China
Abstract: Seed germination of wild type (WT) and blue light receptor mutant of Arabidopsis thaliana under
blue light was analyzed, our results indicated that Arabidopsis seed germination was induced by blue light, and
Cryptochrome mediated blue light induction of early seed germination (seeds were grown under blue light for
less than three days), and fluence rate dependent. Response of WT, cry1 and cry1cry2 mutant seed germination
to GA inhibitor pacolobutrazol and ancymidol was investigated, and cry1cry2 mutant was more sensitive to GA
inhibitor, and more GA3 was needed to recover inhibition of cry1cry2 by GA inhibitor. We concluded that
cryptochrome-mediated increase of GAs synthesis might responsible for cryptochrome-dependent induction of
seed germination in response to blue light.
Key words: blue light; Arabidopsis thaliana; seed germination; gibberellin
收稿 2008-02-21 修定 2008-03-17
资助 国家自然科学基金(30600368, 30770200)和湖南省自然
科学基金(05JJ3 0038)。
致谢 美国加州大学洛杉矶分校林辰涛教授对论文进行指导。
* 通讯作者(E-mail：sw_xml@hnu.cn；Tel：0731-8821721)。
种子萌发是一个复杂的生理过程，受多种内
外因素影响(Koornneef 等 2002)，其中赤霉素
(gibberellin, GA)是一个重要的因子。GA在促进拟
南芥(Arabidopsis thaliana)种子萌发过程中具有重
要作用。许多GA缺失突变体如 ga1-3和 ga2-1的
种子不能正常萌发(Koornneef等 1980)。GA生物
合成抑制剂多效唑抑制种子萌发，说明种子吸胀
后胚根的出现需要新合成GA (Nambara等 1991；
Jacobsen和Olszewski 1993)。由此可见，GA的
水平是决定种子萌发的关键因素。
外界环境因子如光是调节GA代谢和信号转导
的主要因子。连续白光下吸胀的种子中GA4的含
量高于在暗中吸胀的种子(Derkx等 1994)。红光
处理后可降低诱导ga1突变体以及抑制剂处理后的
野生型种子萌发所需的外源GA的施用量(Yang等
1995)。这些研究结果表明，光可改变拟南芥种
子萌发过程中GA的代谢和组织器官对GA的敏感
性。
近来研究发现，隐花素介导蓝光调节大豆幼
苗中 GA的代谢(Foo等 2006；Platten等 2005)。
基因芯片分析结果也发现，隐花素介导蓝光调节
拟南芥GA代谢酶基因的表达(Ma等 2002；Folta
等 2003；Ohgishi等 2004)。我们已有的研究结果
表明，隐花素至少部分通过抑制 GA20ox和诱导
GA2ox 家族基因的表达，降低拟南芥幼苗体内
GA4的含量，从而抑制幼苗下胚轴的伸长(Zhao等
2007a；b)。由于GA不仅影响植物的生长发育，
也影响种子萌发，但关于蓝光是否影响种子萌
发，目前尚未有深入研究的报道。因此，我们
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以拟南芥野生型和蓝光受体突变体 cry1、cry2和
cry1cry2为材料初步研究了蓝光对拟南芥种子萌发
的影响。
材料与方法
拟南芥[Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.]哥伦
比亚生态型野生型(wild type，WT) col-4和遗传
背景为哥伦比亚生态型的cry1、cry2和cry1cry2突
变体由美国加州大学洛杉矶分校林辰涛实验室赠
送。蓝光光源为 LED-B (波长为 470 nm，半幅
宽为 30 nm)。蓝光的光照强度用 Li-250量子光度
计测量。试剂GA3购自中国医药集团上海化学试
剂公司，多效唑购自百灵威化学技术有限公司，
嘧啶醇购自 Sigma公司。
测定拟南芥种子的萌发率时，首先将种子用
70%的乙醇表面灭菌 30 s，0.1% 氯化汞灭菌 8
min，用无菌水冲洗 4~5次后将种子播在含 0.8%
琼脂的MS固体培养基上，每处理播约 100粒种
子。播种后将其放入 4 ℃处理 4 d，然后转入暗
中或不同光照强度的连续蓝光下培养，温度均为
22~23 ℃。以是否形成子叶为准每天观察并统计
种子的萌发率，连续观察 6 d。
检测GA生物合成抑制剂多效唑和嘧啶醇的抑
制效应时，将抑制剂的母液用 70%的乙醇配置，
母液浓度为最终使用浓度的 500倍。在加MS培
养基之前，先将抑制剂加入培养皿中，然后倒入
预冷的培养基摇匀即可。把野生型和突变体种子
分别播在含不同浓度抑制剂的培养基上，4 ℃处
理 4 d，然后转入暗中或不同光照强度的连续蓝光
下培养，培养第 3天时观察并统计种子的萌发率。
为了检测GA3对多效唑和嘧啶醇处理后种子
萌发的恢复作用，在含有抑制剂多效唑(10-2 µmol·L-1)
和嘧啶醇(10-1 µmol·L-1)的培养基中，分别加入不
同浓度的GA3，把野生型和突变体种子播在上述
培养基上，4 ℃处理 4 d后，分别放入暗中或不
同光照强度的连续蓝光下进行培养，培养第 3天
时观察并统计种子的萌发率。
实验结果
1 蓝光诱导拟南芥种子萌发
(1)从图 1可看出，培养至第 2天时，野生型
种子在暗培养条件下的萌发率约为 4 0%；0 .0 1
µ mol · m - 2 · s - 1 光照强度蓝光下种子萌发率约为
50%；当蓝光光照强度为 1 µmol·m-2·s-1或更高
时，种子萌发率约为 100%。这说明，蓝光诱导
种子萌发，并且随光照强度的增加，诱导作用增
强。
(2)暗培养、很低(0.1<µmol·m-2·s-1)或较高(>
10 µmol·m-2·s-1)光照强度蓝光下野生型与蓝光受体
突变体种子的萌发率无明显的差异(图 1)，但当蓝
光光照强度为 0.1~10 µmol·m-2·s-1时，1~3 d内 cry1
和cry1cry2突变体种子的萌发率比野生型的要低，
尤其是培养至第2天时，cry1和cry1cry2突变体种
子的萌发率比野生型的约低 1半(图 1-a、b、d)，
而 cry2突变体的种子萌发率则与野生型的种子萌
发率之间无明显差异(图 1 -c、d)。可见，隐花
素介导较弱光照强度(0.1~10 µmol·m-2·s-1)蓝光诱导
种子的早期(蓝光培养 1~3 d)萌发，并且 CRY1起
主要作用。
2 蓝光下GA生物合成抑制剂对不同基因型拟南
芥种子萌发的抑制
暗培养条件下，当多效唑和嘧啶醇浓度分别
为 10-2 µmol·L-1(图 2-a)和 10-1 µmol·L-1 (图 2-b)时，
野生型和突变体种子的萌发完全被抑制。但是，
当培养在光照强度仅为 0.01 µmol·m-2·s-1蓝光下
时，抑制剂对种子萌发的抑制作用就可得到部分
解除(图 2-a~c)。较低光照强度(<10 µmol·m-2·s-1)
蓝光下，多效唑浓度为 10-2 µmol·L-1时，野生型
种子的萌发率比未施用抑制剂的约低1半。较高光
照强度(>10 µmol·m-2·s-1)蓝光下，多效唑浓度为 10-2
µmol·L-1时，野生型种子的萌发率也下降，但与
未施用抑制剂的相比其差异不明显(图 2-a)。由此
可见，蓝光可在一定程度上解除抑制剂对种子萌
发的抑制作用，并且随光照强度增加解除作用越
强。
相同浓度的抑制剂对突变体种子萌发的抑制
作用比对野生型的要强，较低光照强度( < 1 0
µmol·m-2·s-1)蓝光下两者之间的差异更明显，并且
cry1cry2双突变体种子的萌发率比cry1单突变体更
低(图 2)。可见，蓝光受体突变会增强种子对抑
制剂的敏感性。
此外，从图 1和图 2中还可看出，未加 GA
生物合成抑制剂时，暗中培养或蓝光培养第 3天
时野生型和突变体的种子萌发率无明显差异。当
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图 1 蓝光诱导拟南芥种子萌发
Fig.1 Blue light induce Arabidopsis seed germination
a：野生型与 c r y 1 突变体种子萌发率；b：野生型与 c r y 1 c r y 2 突变体种子萌发率；c：野生型与 c r y 2 突变体种子萌发率；
d：不同光照强度蓝光下野生型与 c ry 1、c ry 2 和 c ry 1 c ry 2 突变体培养第 2 天时的照片。B0 .0 1、B0.1、B1、B10 和 B1 00 表示
幼苗生长在光照强度分别为 0 .0 1、0 .1、1、1 0 和 1 0 0 µm ol · m-2· s-1 的连续蓝光下。
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加入相同浓度的抑制剂多效唑(10-2 µmol·L-1)或嘧啶
醇(10-1 µmol·L-1)时，暗培养下野生型种子的萌发
率和 cry1cry2突变体之间也无明显差异。但是，
蓝光下，尤其是较低光照强度(<10 µmol·m-2·s-1)蓝
光下，cry1cry2突变体种子的萌发率明显降低，
仅为野生型的 10%~50% (图 2)。这说明，当不
用任何GA生物合成抑制剂处理时，可能蓝光培
养 3 d时，cry1cry2突变体萌发种子中合成的有生
物活性的GA虽然少，但足以诱导种子萌发。当
施用GA生物合成抑制剂时，由于cry1cry2突变体
中有生物活性的GA合成少，而对抑制剂更加敏
感。因此，蓝光培养第 3 天时，隐花素对种子
萌发的影响可能仅在用GA生物合成抑制剂处理时
才会显示，这还需要作进一步研究。
3 蓝光下外源GA3对抑制剂处理后不同基因型拟
南芥种子萌发的恢复
暗培养条件下，当外源GA3浓度为10-7 mol·L-1
时，暗培养中的种子都没有萌发，而 0 . 0 1
µmol·m-2·s-1蓝光下的种子萌发率达 20%~40% (图
3-b)。不同光照强度蓝光下，种子恢复萌发所需
的外源 G A 3 浓度不一样。较低光照强度( < 1 0
µmol·m-2·s-1)蓝光下，当外源 GA3加入量为 10-6
图 2 蓝光下抑制剂多效唑(a)和嘧啶醇(b、c)对拟南芥种子萌发的影响
Fig.2 Effects of GA inhibitor paclobutrazol (a) and ancymidol (b, c) on Arabidopsis seed germination grown under blue light
B0.01、B0 .1、B1、B1 0 和 B1 00 表示幼苗生长在光照强度分别为 0.0 1、0.1、1、10 和 100 µmol ·m -2· s-1 的连续蓝光下。
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图 3 蓝光下GA3解除GA合成抑制剂多效唑(a)和嘧啶醇(b)对种子萌发的抑制作用
Fig.3 GA3 can recover inhibition of seed germination by GA inhibitor paclobutrazol (a) or ancymiaol (b) under blue light
B0.01、B0.1、B1、B10 和 B100 表示幼苗生长在光照强度分别为 0.01、0.1、1、10 和 100 µmol · m -2· s-1 的连续蓝光下。
mol·L-1时，野生型和突变体种子还没有完全恢复
萌发；较高光照强度(>10 µmol·m-2·s-1)蓝光下，
当外源 GA3浓度为 10-7 mol·L-1时，野生型种子
就基本恢复萌发(图 3)。可见，解除抑制剂对种
子萌发的抑制作用所需的外源GA3与蓝光光照强
度有关，并随光照强度增加所需的外源GA3减少。
相同光照条件下，解除抑制剂对 c r y 1 和
cry1cry2种子萌发的抑制作用所需的GA3量比野生
型的要多。例如，100 µmol·m-2·s-1光照强度蓝光
下，当外源GA3加入量为 10-7 mol·L-1时野生型种
子基本恢复萌发，而 cry1和 cry1cry2种子恢复萌
发所需的外源GA3比野生型的要高10倍(图3)，表
明蓝光受体突变可能降低了萌发种子内源有生物活
性 GA 的合成。
讨　　论
上世纪 50年代，通过莴苣种子萌发研究发现
了红光 /远红光受体光敏素(Borthwick等 1952)。
此后不久 Ikuma和 Thiman (1960)又发现光敏素可
能通过促进 GA积累而影响种子萌发，多年后的
研究证实了光敏素介导红光诱导萌发种子中有生物
活性的GA1的积累(Toyomasu等 1993)。但关于蓝
光是否影响种子萌发，至今还未见报道。有研究
表明光通常通过调控GA代谢而调节植物的生长和
发育过程，包括种子萌发、去黄化作用、茎伸
长、诱导开花(Olszewski等 2002；Sun和Gubler
2004；Sullivan和Deng 2003)等，并且主要由红
光受体光敏素和蓝光受体隐花素介导(Quail 2002；
Lin和 Shalitin 2003)。我们已有的研究结果表明，
隐花素至少部分通过抑制GA20ox和诱导GA2ox家
族基因的表达，降低拟南芥幼苗体内 GA4的含
量，从而抑制幼苗下胚轴的伸长(Zhao等 2007a，
b)。因此，我们初步探讨了蓝光对种子萌发的影
响及其作用机理。
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我们的研究结果表明，蓝光诱导拟南芥种子
萌发，并且随光照强度增加诱导作用也增强。当
蓝光受体CRY1或CRY1和CRY2都缺失时，较低
光照强度蓝光下种子的萌发率降低，并且
cry1cry2双突变体的萌发率比cry1单突变体的萌发
率更低(图 1-a、b)，这说明 CRY1和 CRY2介导
蓝光诱导种子萌发，并且具有协同作用，较高光
照强度蓝光对种子萌发的诱导可能由其他蓝光受体
介导(Klar等 2007)。
此外，我们发现蓝光可在一定程度上解除
GA生物合成抑制剂多效唑或嘧啶醇对种子萌发的
抑制作用(图 2)，并且可部分代替外源GA3诱导种
子萌发(图 3)，但蓝光受体突变会增强种子对抑制
剂的敏感性(图 2)，解除抑制剂对 cry1和 cry1cry2
种子萌发的抑制作用所需的GA3量也比野生型的
要多(图 3)。这说明，蓝光可能通过增加萌发种
子中的GA合成而诱导种子萌发，蓝光下 cry1和
cry1cry2突变体种子萌发率下降，至少部分是由
于种子萌发过程中GA合成下降所致(Plummer等
1997)，但并不排除蓝光通过增强种子对GA3的敏
感性而诱导种子萌发(李凤玲等 2000)。这需要通
过直接测量萌发种子中有生物活性的GA含量以及
从分子水平上进行验证(Y amaguchi 等 19 98；
Yamaguchi和Kamiya 2002)。
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