阳光下的魔术：光如何“唤醒”沉睡的种子？

种子能否顺利萌发，是植物完成生命周期的第一道门槛。而对于农业生产来说，发芽率高低又直接关系到粮食产量和作物质量。我们可能从初中就已经知道了，影响种子萌发的因素很多，包括温度、水分、氧气和光照。

在这之中，光照是一个长期被关注的关键因素。1786年，科学家就已经发现东爪草(Tillea aquatica)种子在光照下才会达到最高发芽率，而到1926年科学家就已经至少发现有930种植物种子的发芽与光照有关。因此，从这一点来说，光不仅是植物合成营养物质的能量来源，它同时也是一种信号，让种子判断何时开始生长。

然而，光具体又是如何影响种子萌发的呢？近些年以来，随着分子生物学的发展，科学家们逐渐揭示出植物体内存在一类能够感受光的分子，它们被称为光敏色素（phytochromes）分子。光敏色素能够感受到红光和远红光，在调节种子的休眠与萌发过程中发挥着重要作用。但是光信号是如何从光敏色素传递下去，又是如何调节植物体内激素，从而让植物对光信号产生反应，这个过程科学家们却并不清楚。

不过最近，我们团队（中国科学院华南植物园）在《Plant Communications》期刊发表的研究，为这一问题提供了新的答案。

我们团队使用了拟南芥作为研究材料。拟南芥是一种常见的十字花科小草本植物，原产于欧亚大陆，在全球的实验室里都被广泛应用。它的基因组较小，生命周期短，种植和观察都很方便，因此被视为植物学研究中的模式生物。许多关于植物生长和发育的分子机制，都是首先在拟南芥中被发现的。

拟南芥

（图片来源：Wikipedia）

在本研究中，核心的研究物质是植物的光敏色素。如前所述，光敏色素是植物体内能够感受光信号的分子，它们能够识别不同波长的光，并把这些信息传递到细胞内部。在不同波长光照下，它们的分子结构会发生可逆变化，从而在“活跃”与“失活”状态之间切换。这一特性使得光敏色素能将外界光信号转化为细胞内的反应。除了在种子萌发中发挥作用之外，光敏色素还参与了植物幼苗的伸长、生物钟调节以及开花时间的控制等过程。在拟南芥中，光敏色素家族尤其清晰，因而成为研究光信号机制的重要突破口。

在拟南芥中，发现了五种光敏色素，分别是phyA到phyE。其中，phyB在调控种子萌发方面作用最为显著。研究表明，phyB主要感受红光和远红光信号：当种子接受红光照射时，phyB被激活，从而促进萌发；而在远红光下，phyB则处于失活状态，种子通常保持休眠。

但仅知道这一过程，还无法解答主要的问题：光信号是如何在植物体内传递的。不过在这项研究中，我们团队发现了一种重要的蛋白质——BP（也称为KNAT1）。这种蛋白质原本存在于种子中，但通常会很快被分解，因此在黑暗条件下，它在细胞中的含量很低。

当光照激活phyB后，phyB会与BP结合，使BP不容易被分解。这样，BP就能够在细胞中积累到足够的量，开始发挥调控作用。进一步的实验结果表明，BP能够抑制与脱落酸（ABA）合成相关的基因表达，从而降低ABA水平。

由于ABA是一种抑制种子萌发的激素，水平下降后，萌发过程就更容易发生。由此可见，BP在光依赖的种子萌发中起到了连接光信号与激素调控之间的关键作用。

在拟南芥中过量表达ABA合成基因NCED6后，ABA过量合成，导致拟南芥的萌发被抑制，但ABA未过量合成的对照组（Col-0）则正常萌发

（图片来源：中国科学院华南植物园）

我们团队通过对phyB和BP作用的研究，发现了光信号影响种子萌发的详细过程。首先，红光照射会激活phyB，使其进入活跃状态。被激活的phyB能够与BP结合，从而阻止BP在细胞中被迅速分解。

接着，随着BP的积累，它会抑制与脱落酸（ABA）合成相关的基因的表达，导致ABA水平下降。由于ABA的主要功能是抑制种子萌发，当其含量降低后，种子便更容易完成从休眠到萌发的转变。

因此，这项研究明确了一条新的信号通路：“phyB–BP–ABA”通路。在光照条件下，这条通路被激活，从光信号的接收开始，一步步传导到激素水平的变化，最终推动种子萌发。这条机制为我们理解光信号如何具体作用于种子提供了完整的解释。

研究发现的“phyB–BP–ABA”信号通路

（图片来源：中国科学院华南植物园）

这条“phyB–BP–ABA”信号通路的发现，不仅补充了光调控种子萌发的科学图景，也为农业生产和作物改良提供了新的思路。

在农业生产中，种子是否能够同时、整齐地萌发，被称为齐苗率。齐苗率高意味着田间作物的个体生长比较一致，后续的田间管理更加容易，最终产量也更稳定。相反，如果种子发芽时间差异过大，就会导致田里出现大小苗，部分植株抢占了更多资源，最终造成减产。因此，理解光与激素的调控关系，有助于科学家通过育种或栽培措施，提高作物的齐苗率。

在环境适应方面，这一研究同样具有意义。对于干旱、盐碱或低温等逆境环境，过早发芽往往导致幼苗无法存活。若能通过调控光敏色素和BP的作用，使种子在不利条件下维持休眠，而在条件改善后再快速萌发，就可能提升作物在极端环境下的成活率。随着气候变化带来的不确定性增加，这类调控机制对于粮食安全尤为重要。

这项研究展示了基础科学如何逐步走向应用：从揭示光敏色素、BP蛋白与激素之间的关系，到为农业生产提供新的思路。理解种子萌发的分子机制，不仅拓展了我们对植物生命过程的认知，也为应对农业中的实际问题提供了潜在的解决途径。而这正是基础研究的价值所在。