周峰

摘要：植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅(qū)動(dòng)，由種子內(nèi)部一系列有序代謝活動(dòng)和基因順序表達(dá)調(diào)控的。介紹了與種子萌發(fā)有關(guān)的激素、細(xì)胞修復(fù)、蛋白質(zhì)翻譯、翻譯后修飾、甲硫氨酸代謝在種子萌發(fā)中的調(diào)控機(jī)制。通過(guò)對(duì)這些調(diào)控途徑的認(rèn)識(shí)，可發(fā)現(xiàn)新的種子萌發(fā)標(biāo)志物，為保障作物正常生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：種子；萌發(fā)；活力；激素；修復(fù)；調(diào)控機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：S330.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）03-0497-03

植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅(qū)動(dòng)，由種子內(nèi)部一系列有序代謝活動(dòng)和基因順序表達(dá)調(diào)控的。研究表明，種子能否成功萌發(fā)的一個(gè)重要因素就是母體內(nèi)胚胎成熟過(guò)程中信使mRNA積累的質(zhì)量。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和DNA的完整性在種子萌發(fā)的表型中也起重要作用，因?yàn)樗鼈兣c調(diào)控種子萌發(fā)的細(xì)胞代謝過(guò)程和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程有密切關(guān)系。此外，含S氨基酸在決定種子起始萌發(fā)的生化過(guò)程中起關(guān)鍵作用?？傊N子活力依賴很多生化和分子途徑，通過(guò)對(duì)這些調(diào)控途徑的認(rèn)識(shí)，可發(fā)現(xiàn)新的種子萌發(fā)標(biāo)志物，為保障作物正常生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量提供新技術(shù)。

1 激素對(duì)種子萌發(fā)的調(diào)控

植物種子的內(nèi)源激素和種子萌發(fā)環(huán)境共同調(diào)控種子的萌發(fā)與休眠。脫落酸（Abscisic acid，ABA）對(duì)誘導(dǎo)種子休眠和維持吸脹種子的休眠狀態(tài)有積極調(diào)控作用。ABA在種子失水過(guò)程中會(huì)累積，它會(huì)誘導(dǎo)后胚胎豐富蛋白（Late embryogenesis abundant， LEA）的產(chǎn)生。后胚胎豐富蛋白能在種子后熟過(guò)程中避免失水對(duì)生物大分子造成傷害。ABA還可抑制母體內(nèi)種子發(fā)育過(guò)程中的早熟和有害萌發(fā)，這使得種子能夠充分發(fā)育成熟，萌發(fā)后生長(zhǎng)為壯苗。然而，對(duì)于非休眠種子來(lái)說(shuō)，萌發(fā)過(guò)程需要降低對(duì)ABA的敏感性和對(duì)其生物合成的抑制，以降低體內(nèi)ABA水平。這時(shí)，體內(nèi)會(huì)合成赤霉素（Gibberellins， GA）促進(jìn)種子萌發(fā)。GA對(duì)GRAS轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白起負(fù)調(diào)控作用，GRAS家族是植物特有的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，由最初發(fā)現(xiàn)的3個(gè)家族成員GAI（Gibberllic acid insensitive）、RGA（Repressor of GAI）和SCR（Scarecrow）的特征字母命名。而GRAS轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白參與細(xì)胞分化，對(duì)種子萌發(fā)起抑制作用。ABA/GA調(diào)節(jié)種子萌發(fā)中新陳代謝的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使休眠的種子體內(nèi)保留高生物活性的ABA[1]。盡管GA對(duì)種子萌發(fā)是必要的，但也不參與萌發(fā)的每個(gè)過(guò)程，比如GA不參與種子萌發(fā)時(shí)儲(chǔ)存的蛋白質(zhì)和脂肪的動(dòng)員。

一氧化氮（Nitric oxide，NO）會(huì)刺激種子萌發(fā)，活性氧（Reactive oxygen species，ROS）也可控制種子萌發(fā)。ROS與NO相互作用，調(diào)節(jié)ABA新陳代謝和GA的生物合成。最近發(fā)現(xiàn)的卡里金（Karrikins，KAR1）能促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，它可引起與獨(dú)腳金內(nèi)酯（Strigolactone，SL）激素類(lèi)似的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)。其他的激素如乙烯、蕓薹素內(nèi)酯、水楊酸、細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素、茉莉酸等也影響種子萌發(fā)，它們之間形成一個(gè)激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，而且相互作用，精確控制種子的萌發(fā)[2]。

2 細(xì)胞修復(fù)對(duì)種子萌發(fā)及活力的調(diào)控

種子發(fā)育和萌發(fā)過(guò)程中的失水和再結(jié)合水會(huì)導(dǎo)致氧化脅迫，損傷DNA。種子在儲(chǔ)存過(guò)程中，基因組也會(huì)有所損傷，導(dǎo)致種子活力喪失。損傷的DNA能在種子萌發(fā)過(guò)程中得到修復(fù)，其中很重要的一步就是DNA連接酶介導(dǎo)的DNA單、雙鏈損傷修復(fù)，在擬南芥中，DNA連接酶的失活會(huì)導(dǎo)致種子萌發(fā)的延遲。DNA聚合酶也與DNA損傷修復(fù)有關(guān)，煙堿對(duì)DNA聚合酶有抑制作用，所以種子萌發(fā)過(guò)程中，煙堿會(huì)通過(guò)煙堿水解酶發(fā)生降解。種子蛋白也會(huì)受到老化的傷害，異天冬氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（PIMT）可修復(fù)種子蛋白老化過(guò)程中異天冬氨酸位點(diǎn)的異構(gòu)化，PIMT修復(fù)途徑消除了種子萌發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的一些有害蛋白產(chǎn)物。在擬南芥中，PIMT的降低會(huì)導(dǎo)致種子壽命的縮短和發(fā)芽率的降低[3]。

3 翻譯對(duì)種子萌發(fā)的調(diào)控

翻譯過(guò)程在種子萌發(fā)中起重要作用。種子萌發(fā)過(guò)程中，有特殊的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制確保選擇性的翻譯mRNA。真核翻譯起始因子eIF4E（Eukaryotic translation initiation factor 4E）家族成員包括eIF4E及其異構(gòu)體eIFiso4E。eIF4E和eIFiso4E因子在翻譯起始過(guò)程的作用相同，能夠與mRNA的帽子結(jié)構(gòu)或其他帽子同系物特異地交叉結(jié)合，在蛋白質(zhì)合成的起始中起關(guān)鍵作用。但它們?cè)诮Y(jié)合m7GpppN和其他帽子類(lèi)似物的能力上存在差異。eIFiso4E是干燥種子儲(chǔ)存的mRNA翻譯必需的，其作用不能由eIF4E取代。蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，甜土植物種子翻譯起始過(guò)程可通過(guò)帽子依賴或非帽子依賴機(jī)制完成，而像玉米中其胚軸的萌發(fā)是通過(guò)種子儲(chǔ)存大量豐富的mRNA通過(guò)非帽子依賴翻譯完成的[4]。

種子萌發(fā)過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄本要重新合成以確保種子的活力，尤其是那些與編碼GA等激素合成有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)合成是種子萌發(fā)完成所必需的，儲(chǔ)存的mRNA模板，它們的穩(wěn)定性與種子活力密切相關(guān)。種子內(nèi)大量豐富的mRNA在雙子葉植物和單子葉植物中保守性很高，而雙子葉和單子葉植物大約早在2億年前就分化了，說(shuō)明這些轉(zhuǎn)錄本在所有植物種子萌發(fā)中都起重要作用。向日葵種子后熟過(guò)程中，休眠的解除與儲(chǔ)存的mRNA氧化有關(guān)，mRNA的氧化改變了mRNA翻譯過(guò)程，這種非酶氧化作用不是隨機(jī)的而是有選擇性的，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)錄本在種子休眠中起重要作用。目前，尚不知mRNA的氧化機(jī)制是否也存在于種子的萌發(fā)過(guò)程中，但一定量的特殊mRNA的降解是種子萌發(fā)的前提[5]。

4 翻譯后修飾對(duì)種子萌發(fā)的調(diào)控

蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，種子蛋白有大量的翻譯后修飾作用，這影響著種子蛋白的定位、組裝、穩(wěn)定和活性。這些翻譯后修飾作用主要包括氧化還原調(diào)控、磷酸化調(diào)控、去磷酸化調(diào)控和NO調(diào)控的翻譯后修飾作用。

4.1 氧化還原信號(hào)調(diào)控

種子萌發(fā)過(guò)程中伴隨大量蛋白質(zhì)氧化還原狀態(tài)的改變。在谷物類(lèi)植物中，干燥種子的淀粉質(zhì)胚乳主要以氧化狀態(tài)的二硫鍵（S-S）存在，以及種子吸脹后還原態(tài)的硫氫基（-SH）。硫氧還原蛋白（Thioredoxinn，Trx）在氧化還原變化中起調(diào)控作用，作為種子萌發(fā)的早期信號(hào)，還原儲(chǔ)存的蛋白質(zhì)和淀粉使它們更容易溶解和水解，同時(shí)還原那些在種子萌發(fā)過(guò)程起作用的酶。這說(shuō)明干燥成熟的種子存在某種機(jī)制使蛋白質(zhì)代謝處于靜止?fàn)顟B(tài)，而在萌發(fā)過(guò)程中，Trx會(huì)還原二硫化物從而激活蛋白[6]。

4.2 磷酸化和去磷酸化調(diào)控

磷酸化和去磷酸化是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的普遍調(diào)控機(jī)制，大量的蛋白磷酸化酶和蛋白激酶參與調(diào)控種子萌發(fā)過(guò)程中ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的修飾。酶的磷酸化可調(diào)控DNA修復(fù)和蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程，這對(duì)于種子萌發(fā)的分子調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要[7]。

4.3 NO調(diào)控的翻譯后修飾作用

NO具有解除種子休眠的生理活性，可通過(guò)參與翻譯后修飾調(diào)控種子萌發(fā)，擬南芥種子吸脹后的幾個(gè)小時(shí)，種子會(huì)產(chǎn)生大量NO。它可結(jié)合金屬元素形成金屬結(jié)合蛋白，也可使半胱氨酸亞硝基化，酪氨酸硝化。半胱氨酸的亞硝基化參與調(diào)控種子萌發(fā)過(guò)程的代謝和能量過(guò)程。鉬輔因子硫化酶參與ABA合成的最后一步，鉬輔因子硫化酶的酪氨酸硝化作用使萌發(fā)前ABA合成受阻，這是種子決定環(huán)境條件是否有利于萌發(fā)的調(diào)控機(jī)制之一[8，9]。

5 Met代謝在種子萌發(fā)中的調(diào)控作用

植物蛋白質(zhì)合成中，甲硫氨酸（Methionine， Met）是最重要的，它不僅是蛋白質(zhì)合成的基礎(chǔ)，而且是S-腺苷甲硫氨酸的前體，是多胺、乙烯、生物素合成的甲基供體。在擬南芥種子萌發(fā)過(guò)程中，Met合成酶在種子吸脹后24 h就大量出現(xiàn)，早于胚根的出現(xiàn)。植物體內(nèi)很多轉(zhuǎn)甲基反應(yīng)是由腺苷基蛋氨酸依賴的甲基轉(zhuǎn)移酶催化的，這其中包括PIMT甲基轉(zhuǎn)移酶和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，這些酶影響著染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，而種子萌發(fā)與DNA甲基化及染色質(zhì)重構(gòu)有關(guān)。此外，腺苷基蛋氨酸依賴的甲基轉(zhuǎn)移酶影響與種子萌發(fā)有關(guān)的激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，它能形成ABA的受體，可影響水楊酸、茉莉酸和GA在植物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。這些激素都與種子的萌發(fā)調(diào)控有關(guān)。蛋白質(zhì)N-端Met的去除是最常見(jiàn)的蛋白質(zhì)修飾方式，這影響了蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，這個(gè)過(guò)程的部分抑制有助于幼苗的生長(zhǎng)[10]。

6 種子活力的調(diào)控

種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長(zhǎng)的潛勢(shì)和抗逆能力的總體表現(xiàn)，種子的壽命也是種子活力的一個(gè)指標(biāo)。含S氨基酸、脂肪和淀粉的動(dòng)員代謝途徑、蛋白質(zhì)合成的起始因子、ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的組分、甲基循環(huán)都與種子活力密切相關(guān)。通過(guò)引發(fā)處理試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)引發(fā)處理能增強(qiáng)種子活力，促進(jìn)種子萌發(fā)，增強(qiáng)幼苗抵抗外界環(huán)境脅迫的能力。這是由于在胚根突出之前，種子儲(chǔ)存了大量的蛋白質(zhì)和mRNA，儲(chǔ)存的mRNA的穩(wěn)定性是決定種子活力的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)擬南芥研究發(fā)現(xiàn)，編碼金屬硫蛋白的基因NnMT2a和NnMT3過(guò)表達(dá)可明顯提高種子活力以及種子萌發(fā)抵抗外界環(huán)境脅迫的能力，這可能與種子早期的萌發(fā)過(guò)程中抗氧化能力的提高有關(guān)[11，12]。

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