周峰

摘要：植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅(qū)動，由種子內(nèi)部一系列有序代謝活動和基因順序表達(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。通過對這些調(diào)控途徑的認(rèn)識，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

中圖分類號：S330.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0497-03

植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅(qū)動，由種子內(nèi)部一系列有序代謝活動和基因順序表達(dá)調(diào)控的。研究表明，種子能否成功萌發(fā)的一個重要因素就是母體內(nèi)胚胎成熟過程中信使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)胞代謝過程和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程有密切關(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，通過對這些調(diào)控途徑的認(rèn)識，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和提高作物產(chǎn)量提供新技術(shù)。

1 激素對種子萌發(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在種子失水過程中會累積，它會誘導(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程中避免失水對生物大分子造成傷害。ABA還可抑制母體內(nèi)種子發(fā)育過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)后生長為壯苗。然而，對于非休眠種子來說，萌發(fā)過程需要降低對ABA的敏感性和對其生物合成的抑制，以降低體內(nèi)ABA水平。這時，體內(nèi)會合成赤霉素（Gibberellins， GA）促進(jìn)種子萌發(fā)。GA對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對種子萌發(fā)是必要的，但也不參與萌發(fā)的每個過程，比如GA不參與種子萌發(fā)時儲存的蛋白質(zhì)和脂肪的動員。

一氧化氮（Nitric oxide，NO）會刺激種子萌發(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，它可引起與獨(dú)腳金內(nèi)酯（Strigolactone，SL）激素類似的信號轉(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、生長素、茉莉酸等也影響種子萌發(fā)，它們之間形成一個激素信號轉(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)對種子萌發(fā)及活力的調(diào)控

種子發(fā)育和萌發(fā)過程中的失水和再結(jié)合水會導(dǎo)致氧化脅迫，損傷DNA。種子在儲存過程中，基因組也會有所損傷，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DNA聚合酶有抑制作用，所以種子萌發(fā)過程中，煙堿會通過煙堿水解酶發(fā)生降解。種子蛋白也會受到老化的傷害，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的降低會導(dǎo)致種子壽命的縮短和發(fā)芽率的降低[3]。

3 翻譯對種子萌發(fā)的調(diào)控

翻譯過程在種子萌發(fā)中起重要作用。種子萌發(fā)過程中，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。但它們在結(jié)合m7GpppN和其他帽子類似物的能力上存在差異。eIFiso4E是干燥種子儲存的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程可通過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)是通過種子儲存大量豐富的mRNA通過非帽子依賴翻譯完成的[4]。

種子萌發(fā)過程中，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。向日葵種子后熟過程中，休眠的解除與儲存的mRNA氧化有關(guān)，mRNA的氧化改變了mRNA翻譯過程，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 氧化還原信號調(diào)控

種子萌發(fā)過程中伴隨大量蛋白質(zhì)氧化還原狀態(tài)的改變。在谷物類植物中，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，還原儲存的蛋白質(zhì)和淀粉使它們更容易溶解和水解，同時還原那些在種子萌發(fā)過程起作用的酶。這說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)過程中，Trx會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)過程中ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的修飾。酶的磷酸化可調(diào)控DNA修復(fù)和蛋白質(zhì)翻譯過程，這對于種子萌發(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小時，種子會產(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)過程的代謝和能量過程。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的去除是最常見的蛋白質(zhì)修飾方式，這影響了蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，這個過程的部分抑制有助于幼苗的生長[10]。

6 種子活力的調(diào)控

種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢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指標(biāo)。含S氨基酸、脂肪和淀粉的動員代謝途徑、蛋白質(zhì)合成的起始因子、ABA信號轉(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，種子儲存了大量的蛋白質(zhì)和mRNA，儲存的mRNA的穩(wěn)定性是決定種子活力的關(guān)鍵因素。通過對擬南芥研究發(fā)現(xiàn)，編碼金屬硫蛋白的基因NnMT2a和NnMT3過表達(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)過程中抗氧化能力的提高有關(guān)[11，12]。

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