不同溫度處理條件下植物種子萌發(fā)的研究進展＊

索風(fēng)梅，張昭，陳瑤，黃少雄，張本剛，齊耀東

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所北京100193）

不同溫度處理條件下植物種子萌發(fā)的研究進展＊

索風(fēng)梅，張昭＊＊，陳瑤，黃少雄，張本剛，齊耀東

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所北京100193）

種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育的開始，具有非常重要的生物學(xué)意義。研究表明不同的溫度處理可以有效提高植物種子的萌發(fā)效率，尤其是低溫處理條件下效果明顯且應(yīng)用廣泛。本文對不同溫度處理促進種子萌發(fā)的研究方法和低溫處理條件下種子內(nèi)源激素的變化等進行了綜述，并對今后的研究重點和方向進行了展望。

種子萌發(fā)溫度處理內(nèi)源激素分子機理

種子萌發(fā)是種子植物生長發(fā)育的前提，是實現(xiàn)植物種群更新和物種延續(xù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有非常重要的生物學(xué)意義，因此種子萌發(fā)一直是人們研究的重點和熱點。種子萌發(fā)過程受到內(nèi)部激素水平和外部環(huán)境因素的共同影響。促進種子萌發(fā)的方法包括物理方法和化學(xué)方法，其中溫度處理尤其是低溫處理種子萌發(fā)是目前最常用和最有效的物理方法之一。相關(guān)研究表明，不同溫度處理種子通常是通過誘導(dǎo)種子內(nèi)源激素的含量和比例進而促進種子的萌發(fā)，但調(diào)控機理和變化過程尚不清楚。相關(guān)研究多集中在低溫脅迫[1，2]，低溫誘導(dǎo)蛋白和基因[3，4]及植物的抗凍（寒）性[5，6]上，因此有必要對不同溫度處理促進種子萌發(fā)及低溫誘導(dǎo)種子內(nèi)源激素變化進行系統(tǒng)的總結(jié)和闡述，以期為植物種子生理學(xué)的研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 不同溫度處理促進種子萌發(fā)的研究方法

研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)植物休眠種子都可通過溫度處理（包括低溫、高溫、變溫等）打破種子休眠促進萌發(fā)。1860年，德國學(xué)者SaC提出最低與最高溫度是兩個極限溫度，不適合種子萌發(fā)，只有最適溫度才能促進種子萌發(fā)。植物種類不相同，最適萌發(fā)溫度也會略有不同，且通常條件下變溫條件下的種子發(fā)芽率優(yōu)于恒溫[7]。

1.1 低溫處理促進種子萌發(fā)的方法

低溫處理打破種子休眠的原因可能是低溫促使種皮內(nèi)含物或種皮物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列變化，使種皮透水、透氣性增加，進而提高了種子發(fā)芽率[8]。本課題組研究發(fā)現(xiàn)，黃檗種子經(jīng)低溫層積處理后萌發(fā)率顯著高于未經(jīng)低溫處理的；無論應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)劑還是應(yīng)用滲透調(diào)節(jié)劑則均需要結(jié)合低溫處理才能獲得較高萌發(fā)率[9]（圖1）。同時，低溫層積處理也是誘導(dǎo)北京丁香種子萌發(fā)、解除休眠的刺激因子，可以顯著提高種子萌發(fā)效率[10]。不同的植物種類，低溫處理的時間會略有不同。成仿云等[11]的研究表明在一定范圍內(nèi)延長低溫處理時間，能促進種子萌發(fā)和幼苗生長。Chien等[12]研究結(jié)果則表明低溫層積可以增加紫杉種子對GA3的敏感性，進而誘導(dǎo)休眠種子的萌發(fā)。而黃丹等研究發(fā)現(xiàn)種子在低溫層積過程中胚乳中營養(yǎng)物質(zhì)不斷分解，可以為萌發(fā)生長提供所需的物質(zhì)和能量[13]。不同的植物種子，需要的低溫條件也不相同，如4℃下處理唐古特白刺種子發(fā)芽率最高，可達88%[14]。山桃種子在0℃下層積效果較好，種子發(fā)芽率可達到55%[15]。另有研究表明，花椒、金蓮花、山木通、黃連等種子的萌發(fā)也需要低溫處理，才能達到較好的萌發(fā)效率[16]，但低溫層積溫度和時間需要根據(jù)不同的植物種類進行相應(yīng)的調(diào)整，才能獲得較好的萌發(fā)效率。

1.2 高溫處理促進種子萌發(fā)的方法

適當?shù)母邷靥幚頃挂恍┓N皮堅硬的種子加速萌發(fā)，但不同的植物種類，需要的高溫條件也不相同。宋紅等研究表明高溫處理（120℃）能顯著提高篤斯越桔和柳葉繡線菊種子的發(fā)芽率，高溫對珍珠梅和毛赤楊種子萌芽亦有一定促進作用[17]。適宜的高溫處理能促進北京丁香種子萌發(fā)，當處理溫度為40℃時種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及發(fā)芽指數(shù)均達到最高，比對照組分別提高了12.6%、6%和0.65%[18]。另有研究表明，50℃水浸泡菠菜種子5 min可有效提高該種子萌發(fā)效率[19]。日本東京大學(xué)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，用連續(xù)熱處理的方法處理泰國黃瓜種子可顯著提高其萌發(fā)率和種子活力[20]。相比低溫，植物種子對高溫處理的溫度更加敏感，因此高溫處理持續(xù)的時間和找到適宜溫度的臨界點很重要，溫度過高或者高溫持續(xù)時間過長，有可能引起種子酶活性降低，蛋白質(zhì)發(fā)生變性從而使發(fā)芽率降低或者造成爛芽。

1.3 變溫處理促進種子萌發(fā)的方法

很多植物種子在恒定的高溫或者低溫條件下均不能很好的萌發(fā)，但在變溫條件下卻能獲得較高的萌發(fā)效率。一系列研究表明，東亞唐松草、小木通、蕎麥葉貝母、白花蛇舌草等種子萌發(fā)都需要不同程度的變溫處理。相關(guān)研究表明，水曲柳種子萌發(fā)的最佳變溫條件為15/10℃，最佳的恒溫條件是10℃。且變溫條件下種子的萌發(fā)效果優(yōu)于比恒溫[21]。此外也有一些植物種子的休眠并不是由單一因素造成的，單純的溫度處理并不能獲得較好的萌發(fā)效率，這種情況下須采用一些特殊的綜合方法[22]。結(jié)縷草種子用水浸泡2天后再用30%NaOH溶液處理40 min，種子的發(fā)芽率可以達到82%[23]。張義等[24]發(fā)現(xiàn)低溫層積前用赤霉素（Gibberellin A3，GA3）浸泡可以顯著地提高桂花種子的發(fā)芽率，GA3浸泡與低溫層積相結(jié)合才能獲得較高的萌發(fā)效率。一般情況而言，變溫比恒溫處理對于種子萌發(fā)效率更優(yōu)，但變溫幅度和時間的需要根據(jù)不同的植物種類進行相應(yīng)的調(diào)整，才能獲得較好的萌發(fā)效果。

2 低溫誘導(dǎo)種子內(nèi)源激素的變化研究

圖1 低溫和激素處理黃檗種子發(fā)芽率變化圖

有研究者認為種子的休眠與萌發(fā)取決于內(nèi)源生長抑制劑和生長激素劑之間的平衡力[25]，而低溫處理通?？梢杂行Т蚱苾?nèi)源激素間的平衡，促進種子萌發(fā)。植物的內(nèi)源激素和抑制劑種類很多，有赤霉素（Gibberellin A，GA）、脫落酸（Abscisic Acid，ABA）、生長素（Auxin）、細胞分裂素（Cytokinin，CTK）等，其中，ABA和GA是種子休眠與萌發(fā)過程中相互拮抗的兩類激素。GA主要在種子萌發(fā)起始和胚根突出時發(fā)揮作用，而ABA幾乎參與調(diào)控了種子發(fā)育和萌發(fā)的全部過程[26]。張艷杰等[27]研究表明，南方紅豆杉種子休眠的限制因子很可能是ABA和GA的平衡調(diào)控作用。

2.1 低溫促進種子萌發(fā)的赤霉素調(diào)控途徑

研究表明，赤霉素GA和低溫層積的作用相似，低溫層積不僅促進了GA的合成，而且提高了種子對GA的敏感度；低溫層積使ABA/GA發(fā)生變化，導(dǎo)致了種子休眠的打破進而促進種子萌發(fā)[28]。Yamauchi等[29]通過4℃處理吸漲種子發(fā)現(xiàn)低溫可以通過上調(diào)GA合成代謝基因和下調(diào)分解代謝基因來提高種子內(nèi)GA的活性和含量進而促進萌發(fā)。利用突變體分析表明，AtGA3ox1在低溫刺激種子萌發(fā)過程中有關(guān)鍵的作用，且AtGA3ox1突變體種子的萌發(fā)不受低溫促進；進一步研究表明，低溫處理后AtGA3ox1基因表達量大大增加，分布于種子的整個胚軸和糊粉層，而在22℃處理的種子中卻檢測不到表達[30]。此外，基因芯片分析發(fā)現(xiàn)常溫處理和低溫處理種子中差異表達的基因中有很大比例的基因受GA調(diào)控，包括細胞松弛蛋白EXPA1、2、3、8、9、15和20等基因[29]。

2.2 低溫促進種子萌發(fā)的脫落酸ABA調(diào)控途徑

圖2 ABA/GA介導(dǎo)的低溫對種子萌發(fā)調(diào)控模式

相關(guān)研究表明，脫落酸ABA調(diào)控途徑也參與了低溫促進種子萌發(fā)的過程。低溫通過誘導(dǎo)ABA分解代謝中的關(guān)鍵基因CYP707A2的表達，促使吸漲種子里的ABA含量逐漸降低進而促進種子萌發(fā)[31]。擬南芥種子在低溫處理條件下就是通過降低ABA活性水平而促進種子萌發(fā)。ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子ABI1、ABI2、ABI3、ABI4等基因參與了ABA的調(diào)控過程，其中ABI3是種子休眠的主要調(diào)節(jié)物，ABA就是通過ABI3進而阻止種子萌發(fā)。Lazarova等從黃扁柏Chamaecyparis nootkatensis休眠種子中克隆到ABI3同源基因CnABI3，發(fā)現(xiàn)其作用是使種子保持休眠狀態(tài)[32]；Stephen等在解除甜櫻桃Prunus avium種子深休眠時發(fā)現(xiàn)低溫處理降低了ABI1、ABI2和ABI3的表達量[33]。相關(guān)研究表明，ABA/GAs的閾值范圍可以調(diào)控種子的休眠和萌發(fā)，且ABA和GA彼此抑制對方的合成與分解代謝基因[34]。在GA缺陷突變體ga1中，ABA合成和分解基因通過上調(diào)和下調(diào)導(dǎo)致ABA的含量增加[35]。在ABA豐富合成突變體cyp707a2中GA合成基因部分被抑制，相反在ABA缺陷突變體aba2中表達增強[36]。但是在GA信號通路下游抑制ABA代謝的分子組件至今未知。GA和ABA協(xié)同調(diào)控種子萌發(fā)的機制可能是源于同一靶標基因——α-淀粉酶基因，它們均可調(diào)控α-淀粉酶基因的轉(zhuǎn)錄[37]。淀粉酶合成后催化種子中儲藏的淀粉可以為種子萌發(fā)提供需要的物質(zhì)和能量。研究表明，GAs是通過DELLA依賴的一種方式調(diào)控Myb-like型轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到α-淀粉酶啟動子的GA應(yīng)答元件上進而激活它們的表達[38]。相反ABA下調(diào)α-淀粉酶的表達是通過誘導(dǎo)Ser/Thr激酶PKABA1、抑制GAMyb的轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)的[39]（圖2）。

3 展望

植物種子休眠是復(fù)雜的生理現(xiàn)象，內(nèi)源激素的變化及相互關(guān)系是控制休眠的重要內(nèi)因[40]，不僅與植物內(nèi)源激素的絕對含量有關(guān)，還與各類激素之間的平衡、特別是促進與抑制生長的激素之間的比例及平衡有很大關(guān)系[41]，而低溫層積處理是目前解除種子深休眠的主要手段?，F(xiàn)在越來越多的研究集中在ABA和“休眠基因”的上，ABA對基因表達起著一定的調(diào)控作用，許多相關(guān)基因的表達可被ABA增強[42]。目前，一些新的研究方法可以用于鑒別發(fā)芽和休眠相關(guān)的基因，進一步的研究可以利用mRNA差別顯示技術(shù)比較低溫誘導(dǎo)條件下種子中低溫敏感基因和萌發(fā)相關(guān)基因的表達改變狀況，分離并鑒定出低溫誘導(dǎo)種子萌發(fā)的基因，將誘導(dǎo)萌發(fā)基因向植物休眠種子進行遺傳轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，最終提高植物種子的萌發(fā)效率，這可能會成為未來一段時間的熱點和研究方向。

從生態(tài)學(xué)角度來說，植物長期生存進化的結(jié)果必然適應(yīng)其環(huán)境，而生境條件最終將有利于種子破除休眠、促進萌發(fā)和生長在[43]，因此種子萌發(fā)所需的最適溫度與其起源地生態(tài)條件密切有關(guān)[44]。適當溫度處理對某些藥用植物種子打破休眠、促進萌發(fā)起著關(guān)鍵作用，探究種子萌發(fā)需要變溫還是恒溫，高溫還是低溫，搞清楚種子萌發(fā)的最適溫度是引種馴化繼續(xù)解決的問題[45]。目前對于低溫誘導(dǎo)植物種子萌發(fā)的分子機制研究相對較少，相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)和分子機理尚不清楚，無法從分子水平解釋種子休眠和萌發(fā)的啟動和限制條件，不能更好的了解和掌握種子休眠及萌發(fā)。因此下一步研究將開展低溫處理植物種子萌發(fā)過程的分子事件和遺傳基礎(chǔ)研究，以期從中得到相對完善的理論體系和實驗?zāi)Ｐ?，為植物育種和繁殖提供理論參考和技術(shù)支持。

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Research Progress of Different Temperatures Treated Plants Seed Germination

Suo Fengmei,Zhang Zhao,Chen Yao,Huang Shaoxiong,Zhang Bengang,Qi Yaodong
(Institute of Medicinal Plant Development,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Beijing 100193,China)

For seed plants,the seed germination is the beginning of plant growth and development.There are extensive methodological researches on improvement of seed germination with different temperature treatments,among which low temperature induction can effectively increase the frequency of seed germination.This paper summarized the research progress on methods of seed germination and molecular events such as the change of endogenous phytohormones.Finally the research direction for the low temperature induced plants seed germination is prospected.

Seed,germination,different temperature treatments,endogenous phytohormone,molecular mechanism

10.11842/wst.2017.04.026

R931.2

A

（責任編輯：馬雅靜，責任譯審：王晶）

2016-11-22

修回日期：2017-04-20

＊國家自然科學(xué)基金委面上項目（81130069）：黃檗藥材質(zhì)量和種子品質(zhì)形成的相關(guān)性研究，負責人：張昭。

＊＊通訊作者：張昭，研究員，主要研究方向：中藥資源學(xué)。