通過研究種子發(fā)芽控制的早期過程，研究人員可以更好地理解種子發(fā)芽的驅(qū)動機制。未來亦可以考慮如何將這些驅(qū)動機制用于作物生物技術(shù)。這項研究成果對農(nóng)業(yè)具有十分積極的意義，一方面可以使種子保持盡可能長時間的發(fā)芽活力，另一方面也可以幫助種子在損失最小化的情況下同步發(fā)芽。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的是德國明斯特大學(xué)（University of Münster），該研究成果已發(fā)表在 PNAS（《美國國家科學(xué)院院刊》）雜志上。

研究背景

植物種子對于不經(jīng)意的觀察者來說顯得平淡無奇——但是它們卻擁有超能力一般的特性。在干燥狀態(tài)下它們可以積蓄能量長達數(shù)年，然后在適宜的環(huán)境條件下突然釋放能量以供發(fā)芽。死亡谷國家公園（Death Valley National Park）中的“超級綻放”就是最明顯的例子。種子在經(jīng)歷了幾十年干旱炎熱的沙漠環(huán)境之后，一旦遇到降雨，立刻就會發(fā)芽，并在幾個月之后形成罕見而壯觀的沙漠綻放現(xiàn)象。種子擁有完整的胚胎，這個胚胎只有在適宜的條件下才能持續(xù)生長。這個過程可能需要幾年的時間——在一些極端情形下也可能需要幾個世紀(jì)。

種子發(fā)芽受幾種植物激素的控制，在這方面科研人員已經(jīng)開展了大量研究。但是，對于使激素發(fā)揮作用的過程卻知之甚少。種子中的能量如何被釋放？怎樣才能盡早、有效地進行能量代謝？

研究方法

研究人員使用一種新型的熒光生物傳感器，在活的種子細胞中觀察了能量代謝和依賴于硫的氧化還原代謝。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)種子與水接觸時，能量代謝會在幾分鐘之內(nèi)開始，而植物細胞的“發(fā)電站”（即線粒體）會激活種子的呼吸作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)通過激活哪些分子開關(guān)可以使能量得到有效釋放——所謂的硫醇氧化還原開關(guān)在其中發(fā)揮著核心作用。

為了能夠觀察到能量代謝過程中發(fā)生的活動，研究人員在顯微鏡下觀察了細胞中的能量通用貨幣三磷酸腺苷（ATP）和線粒體中的電子能量煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）。他們對干燥的擬南芥種子和“吸水”的擬南芥種子進行了比較。

為了確定氧化還原開關(guān)對于啟動種子發(fā)芽是否重要，研究人員使用遺傳學(xué)方法使特定蛋白質(zhì)失活，然后比較了經(jīng)基因修改的種子和未經(jīng)基因修改的種子的反應(yīng)。讓種子在實驗室中人工老化之后，研究者發(fā)現(xiàn)如果缺少相關(guān)蛋白質(zhì)，種子發(fā)芽的活性就會大大降低。

研究人員的下一步工作涉及所謂的氧化還原蛋白質(zhì)組分析，即他們使用生化方法對相關(guān)的氧化還原蛋白進行了整體檢查。為此，他們分離出激活的線粒體并對其快速冷凍，以便能夠直接研究該過程發(fā)生的狀態(tài)。然后，研究人員使用質(zhì)譜法鑒定出了幾種所謂的半胱氨酸肽，它們對于能量代謝的資源利用效率發(fā)揮著重要作用。

該過程可以比喻為大城市的交通控制系統(tǒng)。早高峰就像發(fā)芽，因為大量代謝物被放置于‘道路上。早高峰期（即發(fā)芽）開始之前，需要在清晨就打開交通信號燈和行車路線系統(tǒng)。這個過程是由硫醇氧化還原開關(guān)完成的。

來源：Sciencedaily