張康康， 侯丹平， 譚金松， 畢慶宇， 畢俊國(guó)， 劉國(guó)蘭， 余新橋， 胡立勇， 羅利軍

(1.上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心， 上海 201106； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)， 武漢 430072 )

干旱是造成農(nóng)作物減產(chǎn)的重要影響因子。目前，全國(guó)受到干旱影響的耕地面積為783.8萬(wàn)hm2，占全國(guó)總耕地面積的30%[1]。干旱對(duì)農(nóng)作物的影響從種子萌發(fā)期開(kāi)始，貫穿整個(gè)生長(zhǎng)階段。在萌發(fā)期，干旱致使種子萌發(fā)不同步、萌發(fā)率低，甚至完全抑制種子萌發(fā)[2]。在生長(zhǎng)階段，干旱引起植物細(xì)胞膨壓降低，抑制植物幼苗正常生長(zhǎng)[2]，使植株弱小低矮。在生長(zhǎng)后期，干旱影響花粉的活性，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致花粉失活，致使糧食減產(chǎn)甚至絕收。為了應(yīng)對(duì)干旱脅迫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響，科學(xué)家們采用多種手段在植物抗旱機(jī)理、提高植物抗旱性等方面做了大量的研究，取得了重要的成果。這些手段包括傳統(tǒng)的篩選育種、雜交育種和新興的基因工程育種、分子標(biāo)記輔助育種。在栽培領(lǐng)域，種子引發(fā)是栽培學(xué)家用來(lái)提高植物抗旱性的一項(xiàng)重要手段。許多研究表明，種子引發(fā)在促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物抗旱性等方面發(fā)揮著重要的作用。

種子引發(fā)的概念首次由Heydecker等[3]于1973年提出，是一項(xiàng)控制種子緩慢吸水和逐步回干的播前種子處理技術(shù)[4]，它采用天然或合成的化合物處理種子，通過(guò)控制種子緩慢吸收水分使其停留在吸漲的第二階段，使種子進(jìn)行預(yù)發(fā)芽的生理生化代謝和修復(fù)，促進(jìn)細(xì)胞膜、細(xì)胞器、DNA的修復(fù)和酶的活化，使其處于準(zhǔn)備發(fā)芽的代謝狀態(tài)，同時(shí)防止胚根伸出[5]。種子引發(fā)能夠提高種子出苗的整齊度[6]，提高種子發(fā)芽率[7]，增加幼苗的干重和苗高[8-9]，打破種子休眠特性[10]，提高未成熟種子和老化種子的活力[11-12]，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抵抗干旱脅迫的能力。Zheng等[13]采用三種引發(fā)處理，均有效緩解了干旱脅迫對(duì)水稻幼苗的損傷，增強(qiáng)了水稻抗旱能力。在植物響應(yīng)干旱脅迫中，經(jīng)過(guò)引發(fā)處理的種子能夠做出更快更積極的響應(yīng)，由引發(fā)處理的種子所長(zhǎng)成的植株，能夠形成更迅速更強(qiáng)健的多重防御機(jī)制[14]。種子引發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)單安全，省時(shí)省力，便宜有效，更容易被農(nóng)民所接受，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的可用來(lái)增強(qiáng)植物抗旱性的技術(shù)。

本文就目前國(guó)內(nèi)外種子引發(fā)技術(shù)的研究進(jìn)展以及種子引發(fā)提高植物抗旱性的機(jī)制進(jìn)行了綜述，回顧了傳統(tǒng)的種子引發(fā)技術(shù)，如水引發(fā)、固體基質(zhì)引發(fā)、滲調(diào)引發(fā)等，還闡述了新型種子引發(fā)技術(shù)，即物理引發(fā)、納米引發(fā)，概述了引發(fā)技術(shù)提高植物抗旱性的機(jī)制，以期為受干旱制約的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供應(yīng)對(duì)參考。

1 種子引發(fā)技術(shù)

1.1 水引發(fā)

水引發(fā)是先將植物種子放入水中預(yù)浸，保持適當(dāng)溫度，持續(xù)引發(fā)一定的時(shí)間(引發(fā)持續(xù)的時(shí)間由種子萌發(fā)吸水的快慢決定)，然后再將種子放置在陰涼處自然風(fēng)干至種子初始重量[14]。水引發(fā)是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、安全可行、易操作的技術(shù)，該技術(shù)的本質(zhì)就是通過(guò)滲透調(diào)節(jié)作用改善種子內(nèi)部的生理生化代謝，提高種子活力。研究表明，水引發(fā)通過(guò)調(diào)控種子內(nèi)部的生理生化活動(dòng)，增強(qiáng)種子活力、縮短萌發(fā)時(shí)間、提高發(fā)芽率、促進(jìn)種子胚根生長(zhǎng)、提高出苗整齊度、增強(qiáng)早期幼苗的抗性，從而增加作物產(chǎn)量[15-16]。盡管如此，水引發(fā)存在一定的缺點(diǎn)，可能會(huì)引起種子吸濕不均和引發(fā)期間微生物繁殖在種子表面等[5]。

1.2 固體基質(zhì)引發(fā)

固體基質(zhì)引發(fā)是美國(guó)Kamterter公司發(fā)明的種子引發(fā)技術(shù)，于1989年第一次利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行種子引發(fā)商品化生產(chǎn)[17]，該技術(shù)通過(guò)固體基質(zhì)控制種子吸水量達(dá)到引發(fā)目的。在固體基質(zhì)引發(fā)體系中，種子、固體基質(zhì)和水是三個(gè)基本組分，干種子能從固相載體中吸水直到平衡。目前常用的固體基質(zhì)有片狀蛭石、頁(yè)巖、多孔生粘土、軟煙煤、聚丙酸鈉膠、合成硅酸鈣、砂等[18]。研究報(bào)道，砂引發(fā)能夠提高谷子種子在干旱脅迫下的出苗率[19]。Pandita等[20]通過(guò)將固體基質(zhì)引發(fā)劑與木霉菌結(jié)合，改善了秋葵種子的萌發(fā)特性，提高了脅迫條件下秋葵的出苗率和產(chǎn)量。

1.3 滲調(diào)引發(fā)

滲調(diào)引發(fā)技術(shù)是以溶質(zhì)作為引發(fā)劑，將種子置于溶液浸濕的濾紙上或直接浸于溶液中，通過(guò)控制溶液的水勢(shì)同時(shí)調(diào)節(jié)種子的吸水速度和吸水量，從而達(dá)到引發(fā)效果的種子處理技術(shù)。根據(jù)引發(fā)劑的不同，滲調(diào)引發(fā)可以分成兩類(lèi)：有機(jī)滲透物質(zhì)、無(wú)機(jī)滲透物質(zhì)。

1.3.1有機(jī)滲透物質(zhì)

有機(jī)物質(zhì)如聚乙二醇(PEG)、殼聚糖和甜菜堿等。PEG-6000是植物引發(fā)劑應(yīng)用比較廣泛的高分子物質(zhì)，溶液無(wú)植物毒性，能夠形成較低的水勢(shì)，很好地控制水分進(jìn)入細(xì)胞。PEG引發(fā)苜蓿種子減輕了干旱脅迫對(duì)早期幼苗生長(zhǎng)的有害影響，提高苜蓿幼苗的抗旱能力[21]。殼聚糖是一種天然的高分子多糖，主要來(lái)源于海產(chǎn)品加工的廢棄物。常青山等[22]研究指出，使用適宜濃度的殼聚糖溶液浸種，可以改善種子各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)，降低干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的不利影響。甜菜堿是植物體內(nèi)的一種滲透調(diào)節(jié)劑、酶的保護(hù)劑，參與細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)，保持代謝關(guān)鍵酶在滲透脅迫下的活性，維持細(xì)胞膜的完整性。在干旱脅迫條件下，采用甜菜堿溶液引發(fā)白三葉種子，明顯促進(jìn)種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率，提高幼苗干物質(zhì)的積累，增強(qiáng)幼苗的抗旱能力[23]。

1.3.2無(wú)機(jī)滲透物質(zhì)

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)有氯化鈣、氯化鉀等氯化鹽，硒的鹽溶液，磷酸鹽，硝酸鹽等。作為一種滲透質(zhì)，無(wú)機(jī)鹽溶于水后，能夠改變?nèi)芤旱乃畡?shì)，降低滲透勢(shì)，調(diào)節(jié)種子吸收水分，同時(shí)其水解離子還可以進(jìn)入胚部細(xì)胞，改變細(xì)胞內(nèi)的微環(huán)境，對(duì)種子預(yù)發(fā)芽的代謝活動(dòng)產(chǎn)生影響。Rehman等[24]研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈣引發(fā)能夠改善大田直播條件下的水稻產(chǎn)量。在干濕交替水分管理下，氯化鈣引發(fā)增加有效分蘗數(shù)、穗長(zhǎng)，提高生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。硒是人類(lèi)和動(dòng)物必需的基本微量元素之一，是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的組成部分，能夠有效防止活性氧引起的氧化損傷。研究表明，適宜濃度的硒引發(fā)增加小麥種子的總糖和總游離氨基酸的含量，增強(qiáng)小麥幼苗的抗旱能力。硒引發(fā)沒(méi)有改變正常條件下幼苗的生物量，但在干旱條件下隨著硒含量的增加，幼苗的生物量也顯著增加[25]。

1.4 激素引發(fā)

激素引發(fā)是將種子浸泡在一定濃度的激素水溶液中進(jìn)行種子引發(fā)的方法。植物激素是植物自身產(chǎn)生的，能夠以微小的劑量對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起顯著調(diào)節(jié)作用的有機(jī)物。目前，種子引發(fā)常用的植物激素可分為兩類(lèi)：傳統(tǒng)植物激素，如赤霉素、脫落酸、生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素；新型植物激素，包括油菜素內(nèi)酯、水楊酸、茉莉酸類(lèi)物質(zhì)以及多胺。

1.4.1傳統(tǒng)植物激素

生長(zhǎng)素是最早被發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)激素，具有促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)節(jié)種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用[26]。產(chǎn)IAA內(nèi)生菌發(fā)酵上清液浸種處理玉米種子提高了高度干旱脅迫下種子的萌發(fā)率，緩解了高度干旱脅迫對(duì)玉米種子的傷害[27]。赤霉素能夠打破種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，促進(jìn)葉片生長(zhǎng)、花和果實(shí)發(fā)育。李洋等[28]研究表明，赤霉素引發(fā)老化的玉米種子，顯著提高發(fā)芽率和苗高，提高種子活力，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，是一種比較理想的種子引發(fā)劑。與赤霉素相同，細(xì)胞分裂素也具有打破種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)的作用。常見(jiàn)人工合成的細(xì)胞分裂素主要有激動(dòng)素(KT)和6-芐氨基嘌呤(6-BA)。張文會(huì)等[29]研究認(rèn)為，在PEG脅迫下，適宜濃度的6-BA可提高水稻種子的發(fā)芽率，促進(jìn)根、芽的生長(zhǎng)，提高水稻的抗旱性。脫落酸是一類(lèi)有倍半萜結(jié)構(gòu)的植物內(nèi)源激素，具有抑制種子萌發(fā)，促進(jìn)衰老的作用。隨著研究的不斷深入，F(xiàn)ujita等[30]發(fā)現(xiàn)脫落酸廣泛參與植物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)，如干旱，低溫和滲透脅迫，它是植物的抗逆誘導(dǎo)因子。有研究報(bào)道，與未引發(fā)處理相比，脫落酸引發(fā)提高逆境環(huán)境下種子的萌發(fā)率[31]。

1.4.2新型植物激素

新型植物激素在種子引發(fā)技術(shù)上也得到了廣泛應(yīng)用。油菜素內(nèi)酯是一種甾醇類(lèi)激素，可促進(jìn)植物種子萌發(fā)，提高光合作用，增強(qiáng)植物對(duì)逆境脅迫的抵抗能力。經(jīng)油菜素內(nèi)酯浸種可提高干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)指數(shù)、根長(zhǎng)，提高幼苗葉片光合速率，減輕干旱對(duì)玉米造成的損害[32]。水楊酸能夠促進(jìn)種子萌發(fā)出苗，幫助植物抵抗各種非生物脅迫。楊若鵬等[33]采用不同濃度的水楊酸引發(fā)黃瓜種子，結(jié)果表明，水楊酸引發(fā)通過(guò)提高抗氧化酶活性，提高可溶性蛋白、可溶性糖、游離脯氨酸含量，降低MDA含量來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，減輕干旱脅迫對(duì)黃瓜生長(zhǎng)的抑制作用，且以濃度1.0 mmol·L-1的水楊酸引發(fā)效果最好。茉莉酸類(lèi)物質(zhì)是植物自身產(chǎn)生的脂類(lèi)信號(hào)物質(zhì)，包括茉莉酸，茉莉酸甲酯及其衍生物，主要參與調(diào)控種子萌發(fā)，光合特性等生理過(guò)程。在抗逆防御方面，茉莉酸類(lèi)物質(zhì)能夠應(yīng)答外界刺激，傳導(dǎo)逆境信號(hào)，啟動(dòng)抗逆響應(yīng)調(diào)控機(jī)制。楊藝等[34]研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的茉莉酸和茉莉酸甲酯引發(fā)可緩解干旱脅迫對(duì)棉花種子的傷害，促進(jìn)種子萌發(fā)，增強(qiáng)根系代謝，減輕幼苗氧化損傷，增強(qiáng)植物抗旱能力。多胺是一類(lèi)具有生物活性的低分子脂肪族含氮堿，廣受關(guān)注的有精胺、亞精胺及腐胺，它們的代謝變化與逆境條件下植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。Farooq等[35]采用將精胺、亞精胺及腐胺浸種和葉面噴施相結(jié)合的方法處理水稻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多胺處理提高了水稻的凈光合作用、水分利用效率，增加了游離脯氨酸、花青素和可溶性酚類(lèi)物質(zhì)的產(chǎn)生，改善了細(xì)胞膜的功能。在抗氧化劑中，過(guò)氧化氫酶活性與H2O2和膜透性呈負(fù)相關(guān)，表明多胺處理減輕了細(xì)胞膜的氧化損傷。

1.5 生物引發(fā)

生物引發(fā)是一種提前浸種并同時(shí)接種有益微生物的種子處理技術(shù)，結(jié)合了生物制劑(微生物)和生理浸泡(種子水合)兩個(gè)階段。生物引發(fā)接種的微生物主要有假單胞菌屬，腸桿菌屬，木霉屬和芽孢桿菌屬。接種的微生物能夠定殖在植物根際，維持植物較長(zhǎng)時(shí)間的生理生長(zhǎng)狀態(tài)[36]，因此生物引發(fā)能夠促進(jìn)作物的成熟。用具有抗干旱特性的哈茨木霉對(duì)小麥種子進(jìn)行引發(fā)可提高小麥的抗旱能力。干旱脅迫下，引發(fā)處理增強(qiáng)ROS清除能力，提高L-苯丙氨酸解氨酶活性和總酚含量，減少脯氨酸，丙二醛和過(guò)氧化氫含量[37]。根際細(xì)菌常被用作接種劑來(lái)提高作物產(chǎn)量和抵御逆境脅迫。某些根際細(xì)菌能刺激植物生長(zhǎng)，因此被稱(chēng)為促進(jìn)植物生長(zhǎng)根際細(xì)菌(PGPR)[38]。Kasim等[39]使用PGPR引發(fā)小麥種子，改善了植物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制，緩解了干旱脅迫對(duì)小麥的損傷。

1.6 物理引發(fā)

物理引發(fā)是通過(guò)采用物理介質(zhì)處理種子的新型種子引發(fā)技術(shù)，采用的物理介質(zhì)主要有磁場(chǎng)、γ-射線(xiàn)、超聲波、紫外線(xiàn)、x-射線(xiàn)、微波等[40-41]。物理引發(fā)不僅成本低，清潔環(huán)保，低劑量的使用對(duì)種子無(wú)毒害作用，而且能夠有效增強(qiáng)種子的抗逆能力。在物理引發(fā)中，磁場(chǎng)引發(fā)是唯一非侵入性的種子引發(fā)技術(shù)。磁場(chǎng)引發(fā)可以提高種子的發(fā)芽率、活力和幼苗的生物量，增強(qiáng)植物對(duì)生物和非生物脅迫的耐受性，這是因?yàn)榇艌?chǎng)引發(fā)減少活性氧的產(chǎn)生，增強(qiáng)抗氧化酶的活性的原因[41-42]。干旱脅迫下，磁場(chǎng)處理通過(guò)清除自由基，降低細(xì)胞滲透勢(shì)，減輕黃瓜幼苗體內(nèi)膜脂過(guò)氧化水平，提高幼苗抗旱能力[43]。伽馬射線(xiàn)(γ-射線(xiàn))在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域是一種強(qiáng)大的誘變工具，它可以直接與細(xì)胞組分相互作用。伽馬射線(xiàn)的生物效應(yīng)主要取決于射線(xiàn)強(qiáng)度、劑量和暴露時(shí)間。伽馬射線(xiàn)引發(fā)改善植物細(xì)胞的激素信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，激活抗氧化能力，最終提前打破種子休眠，提高發(fā)芽率，克服生長(zhǎng)環(huán)境中的不利因素[44]。超聲波引發(fā)是指使用頻率20～100 kHz之間的機(jī)械波對(duì)種子進(jìn)行引發(fā)處理。在現(xiàn)有的種子處理方法中，超聲波引發(fā)是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)槠渚哂锌焖?、?jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[45]。近年來(lái)，超聲波因其可以打破種子休眠、改善種子萌發(fā)特性而得到了廣泛應(yīng)用。有研究報(bào)道，超聲波引發(fā)會(huì)在種皮上施加機(jī)械壓力，增加種子的孔隙度，即所謂的聲空化，種子吸水率增強(qiáng)使得酶和其他生化反應(yīng)得到激活。因此，超聲波引發(fā)增強(qiáng)吸收的水的傳質(zhì)，使其能夠與種子胚自由反應(yīng)。由于水解酶的活性增加，赤霉素被釋放導(dǎo)致糊粉細(xì)胞代謝速率增強(qiáng)，胚乳中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最終因細(xì)胞膜破裂得到動(dòng)員[46]。

1.7 納米引發(fā)

納米引發(fā)是一項(xiàng)采用納米材料引發(fā)種子的新型技術(shù)，該技術(shù)利用粒子尺度小于100 nm的納米材料來(lái)改善種子生產(chǎn)、加工與處理，促進(jìn)種子萌發(fā)，提高種子質(zhì)量，具有廣闊的發(fā)展前景[47]。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍 (1～100 nm) 或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，常見(jiàn)的納米材料類(lèi)型包括碳基納米材料(石墨烯、碳納米管和富勒烯等)，金屬基納米材料(如納米金屬單質(zhì)或者氧化)，復(fù)合材料等[48]。納米材料具有特殊的性質(zhì)，將納米材料浸泡在水中，可以改變水分子的排列方式和能態(tài)，增加水的溶解力，提高水的細(xì)胞生物通透性[49]。利用納米材料處理種子，可以增強(qiáng)種子的活力，提高種子體內(nèi)各種酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，提高植物對(duì)水分和肥料的吸收，促進(jìn)新陳代謝，在原有品種農(nóng)藝性狀的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高植物的抗病蟲(chóng)以及多重抗逆能力，達(dá)到增產(chǎn)和品質(zhì)改善的效果[50]。大量研究表明，使用納米材料引發(fā)可提高農(nóng)作物種子的發(fā)芽率，促進(jìn)幼苗干物質(zhì)積累。如用微量營(yíng)養(yǎng)元素的納米粒子引發(fā)種子能夠提高種子發(fā)芽率，促進(jìn)幼苗發(fā)育[51]。在干旱脅迫條件下，納米引發(fā)顯著提高種子發(fā)芽率，增加根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)，促進(jìn)根、莖生物量的積累，有效減輕干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的傷害[52]。

1.8 其他引發(fā)物質(zhì)

抗壞血酸是一種必不可少的維生素，也是非酶促反應(yīng)活性分子，參與植物體內(nèi)ROS的代謝過(guò)程，是自然界的抗氧化劑。抗壞血酸與其他抗氧化劑共同調(diào)節(jié)植物細(xì)胞內(nèi)ROS平衡，減輕ROS對(duì)植物的傷害，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，保證細(xì)胞正常生長(zhǎng)，增強(qiáng)逆境脅迫下植物的抗逆能力，因此，抗壞血酸在植物響應(yīng)環(huán)境脅迫中起著重要的作用。適宜濃度抗壞血酸溶液引發(fā)種子能維持植物的抗氧化能力，保護(hù)植物免受氧化脅迫損傷[53]。

褪黑素是一種多效性分子，最早被發(fā)現(xiàn)在牛的松果體中，被作為一種神經(jīng)激素[54]。褪黑素可以促進(jìn)根的再生，調(diào)節(jié)光周期作用，影響光合特性，提高植物的抗逆性。褪黑素對(duì)水分和脂類(lèi)的親和力較強(qiáng)，很容易穿透種皮和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，有效清除逆境脅迫對(duì)植物體產(chǎn)生的氧化損傷，增強(qiáng)植物抵抗逆境的能力。最新研究表明，褪黑素引發(fā)可以緩解干旱脅迫下油菜幼苗的氧化損傷，通過(guò)改善氣孔數(shù)目、大小等特性，保持葉綠體結(jié)構(gòu)完整性，維持細(xì)胞擴(kuò)張，提高抗氧化酶活性及非酶促抗氧化劑的含量，最終提高油菜的抗旱性[55]。

丁烯酸內(nèi)酯，最初英文命名為Butenolide。2009年，該物質(zhì)被西澳大利亞大學(xué)最終命名為Karrikins[56-57]。研究認(rèn)為，丁烯酸內(nèi)酯能夠促進(jìn)擬南芥種子對(duì)光的響應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)種子萌發(fā)。丁烯酸內(nèi)酯也參與調(diào)控植物幼苗光形態(tài)建成，主要包括促進(jìn)子葉生長(zhǎng)、葉綠素積累以及影響下胚軸的生長(zhǎng)等方面[58]。已有研究指出，丁烯酸內(nèi)酯可以作為一種引發(fā)劑。使用丁烯酸內(nèi)酯引發(fā)番茄種子，能夠顯著提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)等，而且引發(fā)的種子能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間的引發(fā)促進(jìn)效應(yīng)[59]。

2 種子引發(fā)提高植物抗旱性的機(jī)制

2.1 生理生化機(jī)制

2.1.1滲透調(diào)節(jié)

干旱脅迫下，植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及功能受損，細(xì)胞溶質(zhì)外流，滲透能力降低。滲透調(diào)節(jié)能夠增加細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)的濃度，降低滲透勢(shì)，維持細(xì)胞膨壓，保持水分吸收和細(xì)胞各項(xiàng)生理功能的正常進(jìn)行。干旱脅迫下，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括脯氨酸，可溶性糖，可溶性蛋白，甜菜堿等。最近的研究表明，種子引發(fā)積累更多的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等溶質(zhì)，降低植物細(xì)胞的滲透勢(shì)，維持幼苗生長(zhǎng)，提高幼苗的抗旱性。而且，更高水平的可溶性糖能夠?yàn)槌擅缂坝酌缟L(zhǎng)提供大量的能源物質(zhì)[21]。類(lèi)似的報(bào)道指出，種子引發(fā)提高脯氨酸、可溶性蛋白，穩(wěn)定細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，緩解干旱脅迫的不利影響[55]。淀粉代謝是種子萌發(fā)過(guò)程中重要的能量代謝，其代謝產(chǎn)生的可溶性糖可以維持細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。種子引發(fā)可以加速種子體內(nèi)的淀粉代謝，主要原因是引發(fā)處理提高α-淀粉酶的活性，從而增加可溶性糖的含量，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，增強(qiáng)抗旱性[13]。

2.1.2抗氧化系統(tǒng)

干旱逆境脅迫下，活性氧(ROS)將會(huì)過(guò)量積累，造成大量植物細(xì)胞的氧化損傷?？寡趸到y(tǒng)是脅迫條件下調(diào)控ROS積累的關(guān)鍵防御系統(tǒng)，故又稱(chēng)之為活性氧清除系統(tǒng)，由多種酶及非酶類(lèi)物質(zhì)組成的多因素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)參與清除活性氧抗氧化劑性質(zhì)的不同，將其分為非酶促抗氧化系統(tǒng)和酶促抗氧化系統(tǒng)。非酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)，酶促抗氧化系統(tǒng)主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽還原酶(GR)。ASA-GSH循環(huán)參與種子萌發(fā)過(guò)程，在種子引發(fā)過(guò)程中具有重要的抗氧化作用。Chen等[60]研究發(fā)現(xiàn)，引發(fā)處理后萌發(fā)種子表現(xiàn)出ASA-GSH循環(huán)的增強(qiáng)。在干旱脅迫下，種子引發(fā)通過(guò)提高種子發(fā)芽勢(shì)、促進(jìn)快速成苗進(jìn)一步增強(qiáng)ASA-GSH循環(huán)，增強(qiáng)植物的抗旱能力。種子引發(fā)能夠增強(qiáng)酶促抗氧化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)減少超氧化物和過(guò)氧化物等自由基的產(chǎn)生，清除ROS，維持植物體內(nèi)ROS代謝的動(dòng)態(tài)平衡，保護(hù)植物免受脅迫威脅。大量研究表明，干旱脅迫下種子引發(fā)提高SOD、CAT、APX等酶的活性，減少活性氧的產(chǎn)生，減輕膜脂過(guò)氧化作用，提高植物的抗旱能力[21,55,61-62]。

2.1.3激素調(diào)節(jié)

干旱脅迫引起植物體內(nèi)激素失衡，影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。激素調(diào)節(jié)是植物響應(yīng)干旱脅迫做出的最初反應(yīng)之一。種子引發(fā)可以調(diào)節(jié)信號(hào)分子和植物激素的水平，從而影響它們?cè)诎l(fā)芽過(guò)程中的相互關(guān)系和交叉感應(yīng)，進(jìn)一步影響它們的生長(zhǎng)、發(fā)育和脅迫耐受性[63]。ABA被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)干旱脅迫最有效的植物激素之一。研究證明，種子引發(fā)增強(qiáng)了干旱脅迫下植物內(nèi)源性ABA的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)植物水分狀況，抵抗氧化損傷。Tayyab等[61]研究發(fā)現(xiàn)，使用茉莉酸甲酯引發(fā)增加了植物內(nèi)源ABA的含量，增強(qiáng)了玉米幼苗的抗旱性。Xiong等[64]的研究同樣報(bào)道了種子引發(fā)能夠提高油菜幼苗內(nèi)源ABA的水平，并通過(guò)增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)降低了活性氧的含量，抵御了水分脅迫對(duì)植物幼苗的傷害。然而，上述這些研究?jī)H涉及種子和幼苗活力的基本生理生化指標(biāo)，對(duì)于種子引發(fā)的干旱響應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑還需要做進(jìn)一步的研究。

2.2 分子機(jī)制

2.2.1種子引發(fā)與脅迫記憶

發(fā)芽種子脅迫耐受性的增強(qiáng)是種子引發(fā)誘導(dǎo)的交叉耐受性的表現(xiàn)[65]。脅迫耐受性是通過(guò)兩種策略實(shí)現(xiàn)的。策略一，種子引發(fā)啟動(dòng)了許多與發(fā)芽有關(guān)的代謝活動(dòng)，如能量代謝的增強(qiáng)，早期貯藏物質(zhì)的動(dòng)員，胚芽擴(kuò)張和胚乳弱化[60,66-67]。這些代謝活動(dòng)促進(jìn)了干燥的靜態(tài)種子向發(fā)芽狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并提高了發(fā)芽潛力。策略二，引發(fā)對(duì)種子施加非生物脅迫，該脅迫抑制胚根突出，刺激脅迫響應(yīng)，誘導(dǎo)交叉耐受。這兩種策略共同構(gòu)成了種子的“脅迫記憶”，可以在以后的脅迫中募集，介導(dǎo)發(fā)芽種子更強(qiáng)的耐受性[65,68]。脅迫記憶指植物遭受脅迫后發(fā)生的遺傳生化變化或修飾，并在隨后的脅迫中表現(xiàn)出相同的反應(yīng)[69]。引發(fā)將會(huì)在植物體內(nèi)留下脅迫記憶，幫助其抵抗各種脅迫。隨著脅迫的開(kāi)始，植物體內(nèi)與脅迫相關(guān)的代謝網(wǎng)絡(luò)被迅速激活，這共同形成了一種脅迫抗性機(jī)制[65]。脅迫記憶的產(chǎn)生使得引發(fā)種子在萌發(fā)過(guò)程中提高了抗脅迫能力。

2.2.2表觀遺傳修飾

種子引發(fā)激活許多代謝過(guò)程，這些代謝過(guò)程增強(qiáng)脅迫耐受性[70]，改善種子活力，因此引發(fā)種子發(fā)芽期間抗旱性的增加是“脅迫記憶”的結(jié)果，這種現(xiàn)象對(duì)發(fā)芽種子獲得干旱脅迫耐受性起著重要作用。表觀遺傳修飾可以解釋種子引發(fā)相關(guān)的脅迫反應(yīng)，如DNA甲基化和組蛋白修飾[65,71-72]，這表明表觀遺傳修飾是“脅迫記憶”及其相關(guān)的干旱脅迫耐受性的關(guān)鍵點(diǎn)。研究指出，甲萘醌亞硫酸氫鈉(MSB)引發(fā)調(diào)節(jié)滲透脅迫下植物脯氨酸代謝控制基因的表觀遺傳變化。MSB引發(fā)導(dǎo)致參與脯氨酸生物合成(P5CS1)和降解(ERD5)的基因啟動(dòng)子區(qū)的低甲基化。這導(dǎo)致基因P5CS1上調(diào)和ERD5下調(diào)，使得脯氨酸積累量增加。在成年植株中，脅迫引起DNA序列的一些變化，這與MSB在植物基因P5CS1上游區(qū)域留下的表觀遺傳印記相似[73]。Kubala等[74]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下種子引發(fā)使得編碼組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶HAG2基因上調(diào)。

3 小結(jié)與展望

近些年來(lái)，隨著種子引發(fā)技術(shù)研究的不斷深入，種子引發(fā)技術(shù)日臻完善，也取得了不錯(cuò)的研究成果。然而，該技術(shù)也存在一定的問(wèn)題。種子引發(fā)后的回干過(guò)程會(huì)影響種子內(nèi)部不同的生理生化過(guò)程，降低種子的壽命和活力。引發(fā)期間長(zhǎng)時(shí)間的種子處理導(dǎo)致種子耐受性的喪失。此外，種子引發(fā)后的貯藏條件，如溫度，濕度，空氣成分等，也會(huì)對(duì)種子活力產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，導(dǎo)致貯藏能力下降，壽命縮短，甚至增加種子表面污染菌數(shù)。盡管新的種子引發(fā)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，然而真正用于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的種子引發(fā)技術(shù)并不多，更多的是傳統(tǒng)引發(fā)技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，種子引發(fā)應(yīng)該考慮品種特性和引發(fā)效果，選擇適宜的引發(fā)劑。引發(fā)劑的選擇應(yīng)該綜合考慮地區(qū)環(huán)境條件因素，種植作物種類(lèi)，引發(fā)效果及成本，達(dá)到降低成本，提高抗逆能力，增加產(chǎn)量，獲取最大利益的目的。

隨著生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，種子引發(fā)技術(shù)內(nèi)在機(jī)理和引發(fā)效果的研究都取得一定的結(jié)果。未來(lái)的研究可以結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組、蛋白質(zhì)組等組學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步深入研究不同種子引發(fā)機(jī)理，掌握引發(fā)規(guī)律。由于引發(fā)技術(shù)存有一定的局限性，因而有必要尋找克服引發(fā)技術(shù)缺陷的方法，完善種子引發(fā)的控制技術(shù)，進(jìn)一步研究引發(fā)種子的貯藏技術(shù)。繼續(xù)投入新型種子引發(fā)技術(shù)的研究，逐漸推進(jìn)新型引發(fā)技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。對(duì)于種子活力喪失嚴(yán)重或種子活力低的種子，維持種子活力是關(guān)鍵，而利用種子引發(fā)技術(shù)或許能夠恢復(fù)或提高種子活力。種子引發(fā)技術(shù)可作為搶救和保護(hù)種質(zhì)基因庫(kù)瀕危種質(zhì)的有效途徑，確保種質(zhì)遺傳穩(wěn)定性。