岳佳銘，李曼莉

(中國農業(yè)大學草業(yè)科學與技術學院，草業(yè)科學北京市重點實驗室，北京 100193)

種子不僅是植物生長發(fā)育的起點，而且是人類生存的物質基礎。然而，種子完成生理成熟后，無論其貯藏條件如何，都無法避免劣變的發(fā)生。種子劣變導致萌發(fā)過程中的一系列生理生化變化，并且降低種子活力，從而影響種子在生產上的應用[1]。種子萌發(fā)過程不僅需要外界適宜的條件，更重要的是自身營養(yǎng)物質的供給，即貯藏物質的動員。其中與種子萌發(fā)關系最為密切的貯藏物質為糖類、蛋白質、脂肪等，對于種子特別是劣變種子的萌發(fā)起到非常關鍵的決定性作用。

本文對正常種子及劣變種子萌發(fā)過程中的糖類、蛋白質、脂肪及磷的動員情況進行了綜述，分析和總結了這些主要貯藏物質在種子萌發(fā)過程中含量的變化情況，并且對該領域今后研究熱點進行展望，以期為種子生產與貯藏工作提供理論指導。

1 種子萌發(fā)的過程

種子萌發(fā)的起點是吸脹，終點是胚根突破種子周圍組織[2]。根據(jù)種子吸水進程，種子萌發(fā)可以分為快—慢—快3個階段進行(如圖1)：種子吸脹后(階段Ⅰ)，預存在干種子中用于恢復種子代謝活動的細胞結構和酶開始動員，進行DNA損傷修復，利用預存的mRNA合成蛋白質，呼吸活動恢復，糖酵解和磷酸戊糖途徑在此階段恢復，萌動期(階段Ⅱ)，種子吸水緩慢，利用新的mRNA合成蛋白質，線粒體結構得到修復，萌發(fā)后期(階段Ⅲ)，胚根突破種皮的束縛，完成發(fā)芽[3]。

2 種子中主要貯藏物質在萌發(fā)及劣變過程中的動員

種子萌發(fā)情況是否良好，除了從發(fā)芽特性等指標觀測，還需結合其內部營養(yǎng)源來判斷。成熟種子內部會貯藏大量的淀粉、蛋白質和脂肪，它們都是為種子提供能量的貯藏物質，而在種子萌發(fā)第一階段后期，這些貯藏物質開始動員，為種子的萌發(fā)做準備。所以對于種子來說，其內部主要貯藏物質的變化會影響到種子萌發(fā)的正常進行(圖2)。它們可以通過相應的水解酶進行水解，再通過生化代謝途徑進行分解，之后為種子的萌發(fā)提供能量。正常情況下，淀粉、蛋白質和脂肪會在淀粉酶、蛋白質水解酶和酯酶的作用下水解為糖、氨基酸和脂肪酸。而氨基酸和脂肪酸又可以通過脫氨基和乙醛酸循環(huán)等代謝過程產生糖代謝的中間產物，再通過糖異生轉化為糖類物質，糖類物質就可以通過糖酵解和磷酸戊糖途徑等，為種子的萌發(fā)提供充足的能量[4-8]。其中，水解產物及關鍵酶也對種子萌發(fā)起著至關重要的作用，比如，淀粉被α-淀粉酶水解后，能夠為種子提供能量；脂肪酶水解脂肪后的不飽和脂肪酸能夠再分解為丙二醛(MDA)。丙二醛是膜脂過氧化產物，在一定程度上能夠反映種子膜脂過氧化強弱，并且對種子萌發(fā)有害，其含量會影響種子的活力[9]。此外，礦物質也是種子萌發(fā)營養(yǎng)物質之一，其中，磷對種子萌發(fā)以及幼苗建成也至關重要。種子內部磷的動員有利于種子萌發(fā)后的幼苗生長，是早期幼苗生長的磷源[10]。通常，種子磷通過酸性磷酸酶分解為無機磷，為種子及幼苗生長所用。

種子在貯藏過程中不可避免劣變的發(fā)生，種子劣變是種子生理機能的惡化，會使種子膜系統(tǒng)受損，呼吸速率降低，線粒體形態(tài)結構變化，抗氧化酶活性降低，蛋白質合成受阻，萌發(fā)及生長緩慢，抗逆性降低[11-12]。將小麥(TriticumaestivumL.)種子進行人工老化處理后，隨種子萌發(fā)過程的進行，其內部游離脂肪酸含量呈上升趨勢，丙二醛含量先增后降[13]。菠菜(SpinaciaoleraceaL.)種子隨老化時間的延長，其浸出液中可溶性糖含量逐漸升高，并且種子中與萌發(fā)相關基因的表達量都有不同程度的下調[14]。

2.1 種子中貯藏的糖類在萌發(fā)過程中的變化

種子中貯藏的糖種類不同，按照其水溶性，可以分為可溶性糖(葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、水蘇糖及棉子糖等)和不溶性糖(主要為淀粉)[15]。在干種子中，糖的主要貯藏形式為淀粉，等到種子吸脹后期，淀粉就會被動員，分解為可溶性糖，再經過糖代謝活動，為種子萌發(fā)提供能量。因此，淀粉含量及變化與種子萌發(fā)密切相關。

然而并不是所有的種子萌發(fā)初期其內部的淀粉都會立刻動員。大多數(shù)種子的淀粉動員都是在種子完全萌發(fā)后，但谷類種子其內部淀粉含量較高，對于淀粉的動員相對較早，為萌發(fā)后的幾個小時內。淀粉的降解主要靠淀粉酶完成，谷物種子在淀粉動員期間，淀粉酶相關基因表達上調。誘導淀粉酶產生的并不是淀粉本身，而是種子中的赤霉素，赤霉素產生于種胚，并在幼胚的盾片和糊粉層中誘導淀粉酶的產生[16]。水解淀粉的主要淀粉酶為α-淀粉酶和β-淀粉酶，α-淀粉酶水解淀粉后為種子提供能量，而β-淀粉酶水解產物為β-極限糊精和β-麥芽糖，其產物中沒有葡萄糖與寡糖分子[17]。除淀粉以外，種子中的可溶性糖含量對種子萌發(fā)也很重要，其中，蔗糖既能夠維持種子細胞滲透調節(jié)，又有利于種子吸脹，在種子萌發(fā)初期，淀粉類種子內的可溶性糖含量以蔗糖為主，而葡萄糖是貫穿于整個糖代謝的物質，其含量與種子萌發(fā)呈正相關關系[18-21]。

種子未受到脅迫的情況下，由于淀粉在動員時會被消耗，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性增強，種子的淀粉含量在萌發(fā)過程中呈下降趨勢，從而使可溶性糖含量增加。在萌發(fā)第二階段，α-淀粉酶活性先增強，到第三階段，β-淀粉酶活性開始增強，兩種淀粉水解酶先后為種子的萌發(fā)提供能量[22]。然而種子中的可溶性糖含量變化卻不統(tǒng)一，對于淀粉類種子，玉米(ZeamaysL.)[23]、高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)[24]種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量基本呈增加趨勢。但也有研究表明，玉米[25]、小麥[26]種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量先增加后降低。而對于脂肪類種子，如油松(PinustabuliformisCarr.)[27]、芝麻(SesamumindicumL.)[28]等，可溶性糖含量則呈先降后升趨勢，伯樂樹(BretschneiderasinensisHemsl.)種子萌發(fā)時也有同樣變化趨勢[29]。王海杰等[30]對瓜兒豆(Cyamopsistetragonoloba(L.) Taub.)種子萌發(fā)進行研究中卻發(fā)現(xiàn)，可溶性糖總量變化不明顯，但蔗糖含量下降，果糖和葡萄糖含量增加。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，糖類變化和正常種子不同，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性降低，使種子內的淀粉含量增加[31]，從而導致可溶性糖含量降低。大麥(HordeumvulgareL.)種子內可溶性糖含量隨老化時間延長而增加，但老化時間過長，其含量會下降[32]。對玉米種子進行老化處理后，其內部可溶性糖動員被抑制，使蔗糖等合成受阻，可溶性糖含量降低[33,8]。同樣，在人工老化的甘藍(BrassicaoleraceaL.)種子萌發(fā)過程中，可溶性糖含量也顯著下降[34]。然而在老化的桔梗(Platycodongrandiflorus(Jacq.) A.DC.)種子中，可溶性糖含量先升高后降低[35]。總之，無論可溶性糖是何種變化，總體變化趨勢都是下降的。

2.2 種子中貯藏的蛋白質在萌發(fā)過程中的變化

種子萌發(fā)過程中的蛋白質按其功能可以分為貯藏蛋白、結構蛋白、催化蛋白等[36]。貯藏蛋白與種子萌發(fā)關系最為密切，各種酶系統(tǒng)的激活和膜修復都需要貯藏蛋白或其降解產物的參與，其降解的氨基酸產物能夠通過糖異生途徑供種子萌發(fā)所用[37-39]。貯藏蛋白分為清蛋白(水溶蛋白)、球蛋白(鹽溶蛋白)、醇溶蛋白和谷蛋白(堿溶蛋白)，其中，對于醇溶蛋白和谷蛋白研究較多[40-44]。在水稻(OryzasativaL.)中，醇溶蛋白能夠作為氮源等被幼苗利用[45]。同時，可溶性蛋白對種子萌發(fā)也很重要，其含量增加不僅能夠使種子保持較低的滲透勢，利于種子吸水萌發(fā)，而且會增強種子對逆境的適應能力[46-47]。

種子未受到脅迫的情況下，蛋白酶水解種子中的蛋白質，其含量會降低，使可溶性蛋白和游離氨基酸含量升高?；盍^高的大豆種子在萌發(fā)過程中，其貯藏蛋白降解速度明顯較快[48]。對種子萌發(fā)過程的蛋白組學進行研究發(fā)現(xiàn)，花生(ArachishypogaeaL.)種子中的鹽溶蛋白全部被利用，不同品種的大麥種子中清蛋白含量變化趨勢基本一致[49-50]。對不同品種的大豆種子進行萌發(fā)，可溶性蛋白含量都是呈先降后升趨勢，而對于楨楠(PhoebezhennanS.Lee et F.N.Wei)種子來說，研究結果相反[51,52]。葉底珠(Securinegasuffruticosa(Pall.) Rehd.)種子萌發(fā)過程中，蛋白質含量先降后升，游離氨基酸含量逐漸增加[53]。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，其內部主要由貯藏蛋白來調控種子萌發(fā)，貯藏蛋白在高溫高濕條件下被分解為各種氨基酸來應對外界對種子萌發(fā)造成的脅迫傷害[54]，所以貯藏蛋白含量降低的速度會更快，可溶性蛋白含量會升高，但最終會因為老化程度加深而降低。燕麥種子在老化處理后，4類貯藏蛋白均下調表達[55]，說明貯藏蛋白在種子老化過程中分解，對種子老化做出響應。老化的玉米[56]和白楊(PopulustomentosaCarr)[57]種子的差異蛋白分析表明，差異蛋白多與能量、貯藏蛋白等相關。在老化大豆[58]、棉花(UrenaprocumbensL.)[54]種子蛋白組研究中，也發(fā)現(xiàn)了差異貯藏蛋白的表達。對于老化的玉米種子，貯藏蛋白含量降低，內部可溶性蛋白含量隨老化時間延長而降低[56,59]。

2.3 種子中貯藏的脂肪在萌發(fā)過程中的變化

脂肪對種子來說，其貯藏的能量遠高于糖類和蛋白質[15]。在種子萌發(fā)過程中，脂肪通過脂肪酶水解為甘油和脂肪酸，在種胚中合成磷脂，對膜的修復和種胚生長至關重要[60-61]。β-氧化以及乙醛酸途徑對種子萌發(fā)過程中的脂肪酸轉化為蔗糖至關重要，種子內部蔗糖的動員會抑制脂肪的降解，但隨吸脹的進行，種子內部糖類不再阻礙脂肪的降解[2]。而種子中的甘油能夠通過轉化為丙酮酸從而進入三羧酸循環(huán)，為種子萌發(fā)提供能量。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪類種子萌發(fā)過程中，脂肪含量與可溶性糖和可溶性蛋白分別呈負相關和正相關關系，脂肪酶活性與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關，脂肪酶活性與游離脂肪酸含量呈正相關關系[28,62]。所以，貯藏物質對于種子萌發(fā)進程的作用往往是相互聯(lián)系的。當然，不飽和脂肪酸氧化分解的產物丙二醛對種子萌發(fā)也很重要，研究表明，丙二醛含量越高，種子活力越低[63]。

種子未受到脅迫的情況下，脂肪含量呈下降趨勢，而脂肪酶活性增強，丙二醛含量增加。藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)種子在萌發(fā)過程中，脂肪含量基本呈下降趨勢[64]。煙草(NicotianatabacumL.)種子萌發(fā)過程中脂肪酶活性與脂肪酸含量的動態(tài)與種子萌發(fā)進程相一致[65]。對玉米種子的研究表明，種子的發(fā)芽率會隨著種子中游離脂肪酸含量的升高而降低[66]。朱鶴等對7種作物種子萌發(fā)過程進行了研究，在萌發(fā)過程中，淀粉類種子的初始丙二醛含量較低，隨萌發(fā)進程呈逐步上升的趨勢，而脂肪類種子初始丙二醛含量較高，隨萌發(fā)進程呈先升后降的變化趨勢[67]。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，雖然游離脂肪酸含量會增加，但由于不飽和脂肪酸含量會降低，導致丙二醛含量降低。對老化處理的白沙蒿(CaryopterismongholicaBunge)和油菜(BrassicanapusL.)種子進行萌發(fā)試驗，不飽和脂肪酸含量隨老化時間的延長而降低，飽和脂肪酸含量呈升高趨勢，同樣，游離脂肪酸含量也呈上升趨勢[68]。然而，對于人工老化的甘藍[69]和油菜[70]種子，其種子浸出液中的丙二醛含量卻是先升后降，這也說明了隨老化時間的延長，種子細胞膜受損，而到達一定老化程度時，種子幾乎失去萌發(fā)能力，其種子浸出液的丙二醛含量也會下降。

2.4 種子中貯藏的磷在萌發(fā)過程中的變化

磷是植物生物膜結構中核苷酸、膜脂、磷脂等的化學組成成分，它還參與植物生長過程中的能量代謝、呼吸代謝、光合作用等重要的生理活動。磷與水分關系密切，正常水分條件下，磷會參與光合作用等過程，促進植物生長，而在干旱脅迫下，磷會參與水分調控[71]。磷作為植物所需的三大營養(yǎng)元素之一，不僅對植物的生長發(fā)育影響重大，而且與種子的萌發(fā)過程也密切相關。通常，種子磷主要以植素形式存在，在已經發(fā)芽的種子中，磷是以植素分解的無機磷形式運輸?shù)接酌缰?，供給根系和莖的生長[10,72]。種子磷含量充足時，不僅能夠為之后的幼苗生長提供養(yǎng)分，而且能夠幫助改善后期土壤缺磷狀況[73-75]。

種子未受到脅迫的情況下，種子磷含量會下降，酸性磷酸酶活性增強，無機磷含量增加。不同品種的小麥幼苗對種子磷的利用會有所差異，種子磷總量高的小麥品種鄭麥366在萌發(fā)后6 d，其種子中的酸性磷酸酶活性、無機磷含量和種子磷減少量顯著高于種子磷總量低的小麥品種周麥17，同樣，根、莖、葉中的磷含量也顯著高于種子磷總量低的小麥品種周麥17，這是因為鄭麥366種子中較高的酸性磷酸酶促進植酸磷分解為無機磷[10]。張聯(lián)合等[76]研究了高中低不同組的種子磷含量對小麥幼苗中含磷量的影響，發(fā)現(xiàn)高磷種子萌發(fā)后其內部的可溶性糖含量和酸性磷酸酶含量均高于中磷和低磷組，其根、莖、葉中的磷含量也同樣高于中、低磷組，說明種子磷含量對種子萌發(fā)后的幼苗中的磷含量影響很大。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，其內部酸性磷酸酶活性降低，從而導致無機磷含量降低。徐是雄等[77]對劣變花生種子的酸性磷酸酶進行了組織化學定位，發(fā)現(xiàn)酸性磷酸酶在高活力的干種子胚根細胞中活性高，在劣變干種子胚根細胞中則較低，而種子萌發(fā)后，高活力種子胚根細胞中酸性磷酸酶活性似乎有所增加，劣變種子胚根細胞中的酸性磷酸酶活性則大大降低。通常，種子萌發(fā)時，內部植酸磷通過酸性磷酸酶分解為無機磷，無機磷才能為種子的萌發(fā)提供磷素營養(yǎng)。劣變花生種子中的酸性磷酸酶活性低，此時種子中的植酸磷不能通過酸性磷酸酶的作用分解為無機磷，以至于在劣變花生種子萌發(fā)后的幼苗胚根細胞中的酸性磷酸酶活性都很低，所以幼苗和根系的生長都會受到影響。

3 展 望

種子萌發(fā)是一個復雜的過程，在種子的萌發(fā)事件中會涉及到DNA修復與蛋白質重組、線粒體修復、貯藏物質動員、胚細胞形成與伸長等活動(圖1)，這些活動進行得順利與否都會與之后的幼苗建成、栽培管理、種子的成熟與收獲、種子生產與貯藏等密切相關。近些年，國內外關于種子萌發(fā)的研究主要集中于種子萌發(fā)對外界環(huán)境的響應[78-80]、種子萌發(fā)的分子機制[81-82]等。種子萌發(fā)初期的能量是由預存的線粒體呼吸作用提供的[83]，Nietzel等[84]也發(fā)現(xiàn)一種硫醇氧化還原開關能夠驅動種子中的線粒體能量代謝，加快種子萌發(fā)。當然，種子萌發(fā)的能量來源不只是線粒體提供的，貯藏物質和磷對種子萌發(fā)也做了很大貢獻。

種子劣變也是逆境脅迫的一種，近些年對于種子劣變的研究熱點集中在呼吸[85]、線粒體[86-87]、酶活變化[88-89]，而種子萌發(fā)的順利進行是需要各種生理和代謝活動共同調控的，這些變化自然也離不開貯藏物質的動員，但是關于種子萌發(fā)對劣變的響應研究甚少。劣變種子萌發(fā)時的貯藏物質是如何動員的，劣變切斷了貯藏物質代謝的哪條通路，導致種子不能正常萌發(fā)等，這些問題都有待解決。從貯藏物質角度揭示種子劣變的機制，不僅能夠對種子生產與貯藏提供理論基礎，而且對于種子壽命的預測也有指導意義。

此外，隨著各項技術的發(fā)展和學科交叉合作日益密切，運用多種技術從多學科角度來解析科學問題成為目前科研工作者開展研究工作的趨勢。在基礎研究中，結合分子遺傳學、物理學(如多光譜成像技術)、生物信息學(如轉錄組、蛋白組測序及代謝組分析)等，從多個角度和不同層面來剖析種子萌發(fā)過程中貯藏物質的變化規(guī)律具有非常重要的意義和應用前景，是全面深入揭示種子萌發(fā)機制的重要研究手段和策略。