金云倩 王彬 郭書(shū)磊 趙霖熙 韓贊平

（1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，洛陽(yáng)471003；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，鄭州 450002；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安陽(yáng) 455000）

玉米不僅可以直接用于食品加工，還是畜牧養(yǎng)殖及水產(chǎn)業(yè)重要的飼料來(lái)源，也是醫(yī)療衛(wèi)生、輕工及化工等行業(yè)的主要原料之一。伴隨著規(guī)?；N植的發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步，以及玉米單產(chǎn)水平的不斷提升，玉米已經(jīng)成為世界上單產(chǎn)水平最高的谷物品種。我國(guó)玉米的種植面積和總產(chǎn)居于世界第二，但單產(chǎn)與美國(guó)等農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)相比仍有一定差距［1］。我國(guó)是世界上最大的豬肉消費(fèi)國(guó)，禽蛋、牛奶等的消費(fèi)量也在逐年增加，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)飼料的消費(fèi)越來(lái)越大，以及工業(yè)需求不斷增加，導(dǎo)致對(duì)玉米的需求量快速增長(zhǎng)［2］。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家糧食信息中心有關(guān)數(shù)據(jù)分析顯示，過(guò)去10年間，我國(guó)玉米供求形勢(shì)已從產(chǎn)大于需轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)不足需，隨著未來(lái)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、食品工業(yè)等進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而會(huì)帶動(dòng)玉米消費(fèi)需求繼續(xù)保持較快增速［3］。

確保國(guó)家糧食安全，種子是基礎(chǔ)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)將會(huì)一直是玉米產(chǎn)業(yè)亙古不變的發(fā)展趨勢(shì)，而種子質(zhì)量是建立玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵和保障。種子活力是種子質(zhì)量的重要參考指標(biāo)之一，也是代表種用價(jià)值的重要參考。種子活力反映種子發(fā)芽期間的生理生化過(guò)程，發(fā)芽率、田間出苗和生長(zhǎng)的整齊度與速度，出苗后對(duì)逆境的抵抗能力，以及持續(xù)到田間生長(zhǎng)表現(xiàn)，最終影響植物的產(chǎn)量［4］。因此，玉米種子活力的高低對(duì)大田玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)具有特殊重要意義。種子活力主要受遺傳因素和環(huán)境因素的影響，其中遺傳特性（基因型）對(duì)種子和幼苗活力影響顯著［5］。

赤霉素是種子的生理活性物質(zhì)之一，能調(diào)節(jié)種子的生理狀態(tài)和生化變化，促使種子生命活動(dòng)強(qiáng)度增高或降低的化學(xué)成分。種子本身具有合成GA 的能力，合成部位是胚，種子中的赤霉素有游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種。結(jié)合態(tài)赤霉素不具有生理活性，是一種貯藏和運(yùn)輸形式，而游離態(tài)的GA則具有生理活性，當(dāng)種子萌發(fā)時(shí)具有生理活性的GA 可促使細(xì)胞伸長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)控種子休眠促使種子發(fā)育［5］。目前，已從植物、真菌和細(xì)菌中分離和鑒定出136 種不同結(jié)構(gòu)的GAs，但絕大部分的GAs 沒(méi)有生物活性，只是活性GA 的前體或非活性代謝物，只有少量具有生物活性，其中GA1和GA4是主要的內(nèi)源活性因子［6］。外源活性赤霉素的施加可以應(yīng)用于破除種子休眠及促進(jìn)種子萌發(fā)來(lái)提高作物產(chǎn)量上，且已經(jīng)廣泛在玉米、洋蔥、西瓜、甜瓜、茄子、辣椒等作物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中得到應(yīng)用。這表明赤霉素參與調(diào)控種子活力對(duì)作物種子產(chǎn)量的影響顯著，種子是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，加強(qiáng)赤霉素調(diào)控種子活力機(jī)理的研究意義重大。

目前在種子活力及赤霉素的生物合成及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中參與調(diào)控活力水平的一些相關(guān)基因與數(shù)量位點(diǎn)的發(fā)掘中，對(duì)于水稻、小麥等作物的研究較多，有關(guān)赤霉素對(duì)種子活力影響的研究上也較多側(cè)重于施加外源GA 來(lái)影響種子活力的相關(guān)生理指標(biāo)上，而植物體對(duì)GA 信號(hào)從感知到傳遞，尤其是對(duì)于玉米種子發(fā)育過(guò)程中的GA 調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo)鏈的研究還不夠深入。不斷挖掘GA 參與調(diào)控玉米種子活力的關(guān)鍵靶基因，構(gòu)建GA 對(duì)玉米種子活力的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并加以利用，創(chuàng)新高活力玉米種子，進(jìn)而服務(wù)于玉米高產(chǎn)種質(zhì)的研發(fā)。

1 赤霉素的生物合成與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

1.1 赤霉素的生物合成

赤霉素是四環(huán)二萜類的植物激素，根據(jù)赤霉素分子碳原子總數(shù)不同，分為C19 和C20 兩類赤霉素，具有生物活性的GA 是通過(guò)復(fù)雜的生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)控制植物生長(zhǎng)和發(fā)育的。赤霉素在細(xì)胞中的合成部位是質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)等，絕大多數(shù)植物里種子中GA 的含量遠(yuǎn)超于其他部位，種子中合成GA 的部位是胚［7］。C19 類赤霉素的生理活性高于C20 類赤霉素。生物活性強(qiáng)的赤霉素有GA1、GA3、GA4、GA7、GA30、GA32、GA38等，生理活性弱的赤霉素有GA13、GA17、GA25、GA28、GA39等［8］。質(zhì)體內(nèi)具有生物活性的GA 在合成時(shí)是由牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（geranylgeranyl diphosphate，GGDP），經(jīng)過(guò)古巴焦磷酸合成酶（entcopalyl diphosphate synthase，CPS）、內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶（KS，ent-kaurene synthase）形成內(nèi)根-貝殼杉烯。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中內(nèi)根-貝殼杉烯由內(nèi)根-貝殼杉烯氧化酶（KO，ent-kaurene oxidase）、內(nèi)根-貝殼杉烯酸氧化酶（KAO，ent-kaurenoic acid oxidase）作用形成 GA12-醛，接著轉(zhuǎn)化為GA12和GA53，GA53是GA12在 GA13氧化酶的作用下轉(zhuǎn)變成的［9-11］。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中GA12和GA53在C20 處進(jìn)行一系列氧化，通過(guò)3 種氧化酶GA20-oxidase、GA3-oxidase 和GA2-oxidase 催化氧化形成其他種類GAs［10］。GA-C20 在GA13氧化酶作用下產(chǎn)生GA20，GA20在GA3-oxidase的作用下氧化為活性GA1，GA-C20 不經(jīng)GA13氧化酶作用則直接被GA20-oxidase 氧化產(chǎn)生GA9，再被GA3-oxidase 催化氧化形成活性GA4。GA20還被GA3-oxidase 催化為GA5，GA5繼續(xù)在GA3-oxidase的作用下生成GA3和GA6［11］。關(guān)于赤霉素的生物合成還有一些新的發(fā)現(xiàn)，玉米赤霉素GA 缺失突變體矮化f1（d1）表現(xiàn)為矮化和雄株性（即在雌花中形成花藥），d1 突變阻斷了GA 生物合成的3 個(gè)步驟，從位點(diǎn)分離和鑒定發(fā)現(xiàn)，D1 編碼一個(gè)GA3-oxidase，催化生物活性GA 合成的最后一步，重組D1 能夠在體外將GA20轉(zhuǎn)化為GA1，GA20轉(zhuǎn)化為GA3，GA5轉(zhuǎn)化為GA3，GA9轉(zhuǎn)化為GA4。體內(nèi)GFP 融合分析和使用D1 特異性抗體的細(xì)胞器部分的western blot 分析表明，D1 蛋白在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中是雙定位的。此外，上游赤霉素20-氧化酶1（ZmGA20ox1）蛋白也存在于細(xì)胞核和胞漿中，這表明具有生物活性的赤霉素可在赤霉素受體不敏感矮化蛋白1 存在的胞質(zhì)和胞核兩個(gè)區(qū)域合成，這與人們普遍認(rèn)為這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中來(lái)說(shuō)是一種新的發(fā)現(xiàn)［12］。

1.2 赤霉素的失活代謝

GA 的失活代謝主要是2β-羥化反應(yīng)。GA1和GA4在GA2-oxidase 催化氧化下分別形成無(wú)生理活性的GA8和GA34［8，10］。GA2-oxidase 還可將GA4和GA1的前體GA9和GA20分別氧化為無(wú)活性的GA51和GA29［13］。GA2-oxidase 可以在一系列生物調(diào)節(jié)下將GA12和GA53分別氧化為GA110和GA97［14］。研究表明在擬南芥種子成熟過(guò)程中，GAMT1 和GAMT2對(duì)GAs 的甲基化作用使GAs 失活并開(kāi)始降解［15］。水稻基因EUI1編碼P450 單加氧酶，在失活反應(yīng)中環(huán)氧化赤霉素（GAs），擬南芥EUI的兩個(gè)同源基因很可能通過(guò)催化類似于水稻EUI的具有生物活性GA的失活來(lái)微妙地調(diào)控植物的生長(zhǎng)［16］。因此，基于前人研究基礎(chǔ)，我們對(duì)赤霉素生物合成及失活途徑進(jìn)行整合和匯總，繪制GA 生物合成模擬簡(jiǎn)圖（圖1）。

圖1 赤霉素的生物合成Fig.1 Biosynthesis of gibberellin（GA）

1.3 赤霉素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

植物細(xì)胞接收外部信號(hào)刺激反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)植物本身細(xì)胞中內(nèi)源物質(zhì)的變化，當(dāng)植物體內(nèi)活性GAs 含量低時(shí)，GAs 促進(jìn)GA20-oxidase、GA3-oxidase 等合成關(guān)鍵基因的表達(dá)，抑制GA2-oxidase 的表達(dá)；當(dāng)植物體內(nèi)活性赤霉素含量升高時(shí)，GAs 反向調(diào)控GA合成關(guān)鍵基因的表達(dá)，進(jìn)而來(lái)穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)活性GA的含量。

植物體內(nèi)的受體細(xì)胞在激素等信號(hào)刺激下將這些信號(hào)在細(xì)胞中傳遞，引發(fā)細(xì)胞生理生化的變化，調(diào)節(jié)植物自身機(jī)能的改變，最終適應(yīng)環(huán)境的變化。GA 受體細(xì)胞接收GA 信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)利用水稻矮化基因突變體定位細(xì)胞核中第一個(gè)GA 受體GID1，GA 與受體GID1 結(jié)合，啟動(dòng)GID1 與蛋白降解組復(fù)合體SCF（多種亞基組成的E3 連接酶）的相互作用進(jìn)而活化SCF，降解信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的負(fù)調(diào)控因子DELLA 蛋白，使得GA 發(fā)揮其正調(diào)控作用［17-18］。當(dāng)細(xì)胞外GA 濃度降低時(shí)，GID1 與GA 不再結(jié)合，其N 端結(jié)構(gòu)域（NEx）呈疏松結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使DELLA 蛋白與GA 應(yīng)答基因結(jié)合并抑制其活性；當(dāng)細(xì)胞外GA 濃度升高時(shí)，GID1 通過(guò)其C 端結(jié)構(gòu)域與GA 結(jié)合并引發(fā)相關(guān)應(yīng)答反應(yīng)。首先，GA 誘導(dǎo)GID1 構(gòu)象發(fā)生變化，GID1的N-Ex 像蓋子一樣將GA 封閉在GID1 內(nèi)，形成疏水性的表面以便與DELLA 蛋白結(jié)合［19］。DELLA 蛋白位于細(xì)胞核中，在其N 端含有一段保守的氨基酸序列，這段序列對(duì)于DELLA 蛋白的降解途徑來(lái)說(shuō)是必須的［20］。DELLA 蛋白是細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可以抑制GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而限制植物生長(zhǎng)。研究表明DELLA 蛋白和BOI 蛋白通過(guò)相互作用，結(jié)合到擬南芥活性Gibberellin-Reponsive 基因的啟動(dòng)子上，并抑制這些基因，從而抑制GA 應(yīng)答［21］。文獻(xiàn)還報(bào)道Ca2+、cGMP 及NO 是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使，例如Ca2+與cGMP 是GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)正調(diào)控因子，NO則負(fù)調(diào)控GA 信號(hào)途徑［22-24］。另外水稻中的核蛋白OsWOX3A 對(duì)植物赤霉素的生物合成途徑也起到一個(gè)負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用［25］。

圖2 赤霉素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)Fig.2 Signal transduction of gibberellin（GA）

有關(guān)赤霉素生物合成、代謝失活及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的調(diào)控機(jī)理方面的進(jìn)展已經(jīng)有了比較清楚的脈絡(luò)途徑，但是這些生物合成代謝酶及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的揭示也大多數(shù)來(lái)源于水稻作物的基因和蛋白研究。玉米基因里GA 合成的相關(guān)基因位點(diǎn)D1 的確定，研究結(jié)果表明該基因定位于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)兩個(gè)區(qū)域。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，玉米基因家族中GA 的生物合成、代謝失活及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控途路等方面的研究也會(huì)越來(lái)越多地被報(bào)道。

2 種子活力

種子的一生經(jīng)歷著生長(zhǎng)、發(fā)育和衰老的過(guò)程，高活力的種子劣變程度低，受自身遺傳、外界環(huán)境變化、種子本身細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理功能的影響小。為保障國(guó)家糧食安全與種業(yè)安全，對(duì)各種作物的種子活力研究與探索也一直在不斷的深入，且也已經(jīng)取得一定的研究進(jìn)展。在種子的發(fā)育過(guò)程中，貯藏物質(zhì)的積累是種子活力形成的基礎(chǔ)。種子活力通常隨著生理狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，種子劣變涉及蛋白質(zhì)、糖、核酸、脂肪酸、揮發(fā)性物質(zhì)、酶的活性、呼吸強(qiáng)度、脂質(zhì)過(guò)氧化、修復(fù)機(jī)制等方面的變化［5］。在對(duì)玉米種子進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，隨著對(duì)玉米種子進(jìn)行老化時(shí)間的延長(zhǎng)，種胚內(nèi)的可溶性糖、Pro 含量、DHA 活性及POD 活性出現(xiàn)不同程度下降，活力強(qiáng)的種子仍能保持較高調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及酶活性［26］。高活力種子的劣變速率不僅低于低活力種子而且在發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽率等一些生長(zhǎng)表型指標(biāo)上也明顯強(qiáng)于低活力種子，表現(xiàn)出較好的抗性。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，兩個(gè)水稻品種的發(fā)芽率和活力指標(biāo)都有所降低，但不同水稻品種的抗老化能力存在一定的差異，實(shí)驗(yàn)中的各組數(shù)據(jù)對(duì)比表明農(nóng)大603的活力水平高于農(nóng)大37 的活力水平［27］。有學(xué)者對(duì)12 份陸地棉種子在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行發(fā)芽分析發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫及人工老化處理均會(huì)都降低陸地棉種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、苗鮮重和根鮮重，但新陸早7 號(hào)在低溫、中棉 35 號(hào)在低溫和人工老化都具有高發(fā)芽率，這足以說(shuō)明高活力陸地棉種子的抗性顯著強(qiáng)于低活力種子［28］。研究數(shù)據(jù)表明隨著自然老化時(shí)間的延長(zhǎng)，6 個(gè)花生品種（系）的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，其中花8107 品系的總體抗老化能力高于其他品種［29］。種子的劣變老化過(guò)程中伴隨著生理、生化活力水平的減弱，但高活力種子對(duì)比低活力種子受不良環(huán)境及條件的影響較小，能夠保持較好的抗性。由此我們可以依據(jù)不同品種的種子活力狀況來(lái)給出相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)減少種質(zhì)的浪費(fèi)。

種子活力是由多基因控制的數(shù)量性狀，可以進(jìn)行鑒定分析相關(guān)的QTL［30］。伴隨著分子生物學(xué)研究技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是高通量測(cè)序技術(shù)和各種組學(xué)技術(shù)的更新?lián)Q代，目前不同作物種子活力相關(guān)分子機(jī)制方面的研究也取得了一些進(jìn)展。以野生稻（Oryza longistaminata）與秈稻 9311 雜交后，再以9311 作為輪回親本得到的BC2F20 回交株系（backcross inbred lines，BILs）為材料，運(yùn)用基因組重測(cè)序技術(shù)進(jìn)行基因分型，檢測(cè)到36 個(gè)與種子活力相關(guān)的QTLs，其中6 個(gè)QTLs 與萌發(fā)相關(guān)，8個(gè)QTLs 與老化脅迫下幼苗生長(zhǎng)相關(guān)，而且與萌發(fā)相關(guān)的兩個(gè)主效QTLs q9GR8.1 和q9GP8.1 被精細(xì)定位到90 kb 左右的區(qū)間［31］。種子耐貯性是指種子在儲(chǔ)存過(guò)程中保持活力的能力。在粳稻品種日本晴和秈稻品種9311 雜交的回交重組自交系中使用高密度單核苷酸多態(tài)性連鎖圖譜對(duì)種子耐貯性的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在自然貯藏條件下檢測(cè)到7 個(gè)與種子耐貯性相關(guān)的QTLs，其中一個(gè)位點(diǎn)（qSS3.1）被認(rèn)為是引起脂質(zhì)損傷的氧化劑分子，并從qSS3.1 中篩選到 1 個(gè)編碼脂肪酸羥化酶的候選基因OsFAH2，而且過(guò)表達(dá)OsFAH2能顯著降低種子中脂質(zhì)過(guò)氧化和提高種子耐貯藏性［32］。Han 等［33］利用兩個(gè)玉米雜交組合Yu82×Shen137和 Yu537A×Shen137 構(gòu)建的2 個(gè)重組自交系群體的420 個(gè)家系為材料，借助SNP 分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜，鑒定到65 個(gè)與種子活力相關(guān)的QTLs，而與玉米種子活力相關(guān)的24 個(gè)候選基因主要富集在糖酵解途徑和蛋白質(zhì)代謝途徑，推測(cè)mQTL2、mQTL3-2、mQTL3-4和mQTL5-2的染色體區(qū)域可能是與種子活力相關(guān)的熱點(diǎn)區(qū)域。Renard 等［34］為了鑒定新的長(zhǎng)壽基因，對(duì)模式植物擬南芥自然衰老和3 種加速衰老方法的270 個(gè)生態(tài)型的自然變異進(jìn)行了表型分析，利用公開(kāi)獲得的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）數(shù)據(jù)集進(jìn)行全基因組分析，確定了與種子壽命相關(guān)的多個(gè)基因組區(qū)域，其中在獲得的20 個(gè)候選基因中有7 個(gè)與種子壽命成正相關(guān)，且NADPH 氧化酶（RBOH）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR1）和光系統(tǒng)Ⅰ亞基（PSAD1）凸顯了氧化應(yīng)激在種子衰老中的重要作用。細(xì)胞色素P-450 羥化酶、CYP86A8 和轉(zhuǎn)錄因子MYB47、KNAT7 和SEP3 支持種皮在種子老化過(guò)程中的保護(hù)作用。Li 等［35］對(duì)X78 和I178 種子在種子加速老化處理前（0d-AA）和加速老化處理后（5d-AA）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析，鑒定AA 處理后的差異表達(dá)基因（DEGs），結(jié)果發(fā)現(xiàn)13 個(gè)DEGs 可能與種子壽命直接或間接相關(guān)。Gong 等［36］利用非人工陳化和人工陳化2 d 的甜玉米種子構(gòu)建小RNA文庫(kù)，通過(guò)降解組測(cè)序鑒定與甜玉米種子活力相關(guān)的miRNAs，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)靶基因PC-5p-213179_17和PC-3p-477790_3，前者可能通過(guò)參與過(guò)氧化物酶活性、氧化還原過(guò)程和氧化應(yīng)激的響應(yīng)來(lái)防止甜玉米種子自由基脂質(zhì)過(guò)氧化，后者通過(guò)其靶向的熱穩(wěn)定蛋白來(lái)修復(fù)蛋白質(zhì)損傷進(jìn)而改善人工老化對(duì)種子活力的影響。

種子是農(nóng)業(yè)的芯片，高活力種子是農(nóng)業(yè)發(fā)展不斷進(jìn)步的保障，科學(xué)家們對(duì)于種子活力的研究一直都在不斷深入，由生理指標(biāo)觀察到種子活力靶基因的發(fā)掘，再到如何創(chuàng)制高活力作物種子。近年來(lái)在各種作物種子中越來(lái)越多有關(guān)活力及抗老化相關(guān)基因位點(diǎn)的發(fā)掘等研究，不僅為未來(lái)高活力種子基因庫(kù)的建立和利用奠定了基礎(chǔ)，而且為新時(shí)代分子育種提供了方向。

赤霉素作為植物重要的生理調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，能有效地促進(jìn)植物莖稈伸長(zhǎng)，加速植株的生長(zhǎng)和發(fā)育，促使作物提前開(kāi)花和成熟，有助于增加和改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；并且適宜濃度的赤霉素浸種不僅能夠打破種子的休眠，促進(jìn)發(fā)芽，還可以減少成熟果實(shí)器官的脫落，提高果實(shí)的結(jié)實(shí)率或形成無(wú)籽果實(shí)［8，37-39］。那么對(duì)于種子活力相關(guān)生理指標(biāo)的影響上赤霉素發(fā)揮著怎樣的調(diào)節(jié)作用及其應(yīng)用價(jià)值所在，此外赤霉素如何調(diào)控作物特別是玉米種子活力的分子機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還需進(jìn)一步深入。

3 赤霉素調(diào)控種子活力的研究進(jìn)展

3.1 赤霉素調(diào)控玉米種子活力的生理研究

赤霉素對(duì)玉米種子活力的影響也是如此，研究表明適宜濃度和時(shí)間的GA3浸種，不僅可以顯著提高其發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標(biāo)，而且玉米種子中可溶性糖（SS）、丙二醛（MDA）、α-淀粉酶、β-粉淀粉酶等生理指標(biāo)也有顯著的變化［40］。研究表明，活力高的玉米種子內(nèi)源激素GA 含量高于低活力的玉米種子，且適宜濃度的外源GA3處理陳玉米種子時(shí)均能促進(jìn)其發(fā)芽，極顯著提高陳玉米種子的活力［41］。甜玉米因其具有豐富的營(yíng)養(yǎng)和較好的口感深受人們的喜愛(ài)，王科翰［42］在玉米種衣劑中添加適宜濃度的赤霉素GA3（200 mg/L）能夠顯著提高甜玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。魏曉梅等［43］研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比，用GA3浸泡玉米種子后可明顯提高其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)。左月桃等［44］發(fā)現(xiàn)低溫脅迫條件下，適宜濃度GA3 溶液浸種處理后，玉米種胚內(nèi)兩種抗氧化酶（SOD、POD）活力顯著提高，提高種子耐低溫活性，保護(hù)種子在低溫條件下的萌發(fā)機(jī)制。赤霉素是一種天然的植物激素，在各種作物的應(yīng)用中因無(wú)毒、無(wú)害一直被青睞認(rèn)可。陳士林等［45］利用GA 處理玉米種子，從3×10-4-30 μmol/L 范圍內(nèi)種子發(fā)芽勢(shì)和簡(jiǎn)化活力指數(shù)逐漸升高，在30 μmol/L 時(shí)二者均達(dá)到最大值，隨著GA 濃度的進(jìn)一步增大，發(fā)芽勢(shì)和簡(jiǎn)化活力指數(shù)開(kāi)始逐漸下降。研究表明赤霉素可以促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，赤霉素和聚乙二醇復(fù)合引發(fā)可以促進(jìn)玉米種子活力［46］。廖爾華等［47］以四川主推雜交種正紅311 為材料，利用赤霉素浸種探討赤霉素對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適宜濃度（15 mg/L）的赤霉素浸種可以明顯提高玉米種子胚乳中的α-淀粉酶活性，提高發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。

赤霉素作為植物萌發(fā)和生長(zhǎng)的必須激素之一，在植物生長(zhǎng)的一生中發(fā)揮著重要作用。研究表明赤霉素可以提高多種水解酶類的活性，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等，通過(guò)水解酶的活性提高來(lái)發(fā)揮作用。此外赤霉素還可以促進(jìn)細(xì)胞器溶酶體等釋放出貯藏的酶類，進(jìn)而促進(jìn)植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)。隨著科學(xué)研究的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以利用化學(xué)合成的方法人工合成赤霉素，將會(huì)以合成容易、價(jià)格低、效果好的優(yōu)點(diǎn)大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

3.2 赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子研究

高活力種子具有長(zhǎng)時(shí)間的貯藏壽命和良好的抗性品質(zhì)，在種子發(fā)育早期，遺傳或生物合成抑制劑誘導(dǎo)的GA 缺乏會(huì)抑制ABA 缺乏的玉米籽粒的發(fā)芽狀況，且這一研究結(jié)果也證實(shí)赤霉素GA 參與了玉米種子萌發(fā)的調(diào)控［48］。Song 等［49］對(duì)玉米種子萌發(fā)過(guò)程中赤霉素代謝酶基因的全基因組鑒定及表達(dá)譜分析中發(fā)現(xiàn)，玉米基因組中包含3 個(gè)CPS基因、4個(gè)KS基因、2 個(gè)KO基因和1 個(gè)KAO基因，這些酶是合成GA 的前期步驟中重要的酶，表達(dá)譜分析表明，在玉米種子萌發(fā)過(guò)程中可以檢測(cè)到15 個(gè)GA 代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄本；最顯著的是，在種子胚中檢測(cè)到了6 個(gè)GA 代謝相關(guān)基因（ZmCPS1、ZmCPS2、ZmKS1、ZmKS4、ZmKO1和ZmGA20ox4） 的轉(zhuǎn)錄本，這6 個(gè)基因可能有助于在種子萌發(fā)早期將儲(chǔ)存的GA 前體轉(zhuǎn)化為活性GA。糊粉層存在于谷類種子胚乳的最外層，糊粉層細(xì)胞本身并不合成激素，但在種子萌發(fā)過(guò)程中，對(duì)胚分泌的赤霉素等激素有強(qiáng)烈反應(yīng)，赤霉素調(diào)節(jié)相應(yīng)的水解酶產(chǎn)生，促進(jìn)種子萌發(fā)。Zheng 等［50］研究發(fā)現(xiàn)在玉米種子萌發(fā)過(guò)程中，GA 增加了糊粉層中的組蛋白乙酰化并伴隨著rDNA的解聚，GA 處理后，剝離糊粉層的rDNA 染色質(zhì)解壓縮，基因組整體組蛋白乙?；?，這是由于組蛋白乙?；?組蛋白去乙酰化酶（HAT/HDACs）的相對(duì)酶活性增加。這一研究表明GA 處理可以提高糊粉層rRNA 和HAT/ HDAC基因啟動(dòng)子區(qū)組蛋白乙?；?，參與糊粉層對(duì)于玉米種子萌發(fā)的調(diào)節(jié)。種皮是玉米籽粒結(jié)構(gòu)的組成部分，其作用是保護(hù)種子免受機(jī)械損傷和病蟲(chóng)害的侵襲。種皮的主要成分是纖維素、淀粉和蛋白質(zhì)，種皮的厚度取決于纖維素的含量，纖維素生物合成復(fù)合體中如果缺少纖維素合成蛋白，將直接影響其生物合成。纖維素的合成依賴于纖維素合酶基因家族（CesA），它是植物多基因家族中的一員。Lv 等［51］研究發(fā)現(xiàn)GA 處理可以誘導(dǎo)玉米籽粒的粒長(zhǎng)和容重顯著提高，籽粒纖維素含量增加，而種皮厚度降低。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，篩選得到了與纖維素合成酶基因1（CesA1）表達(dá)強(qiáng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子亮氨酸拉鏈基序53（bZIP53），結(jié)合GA 處理后玉米籽粒發(fā)育中纖維素合成酶基因的表達(dá)量變化，發(fā)現(xiàn)bZIP53表達(dá)明顯促進(jìn)CesA1 的表達(dá)；此外，對(duì)轉(zhuǎn)錄因子bZIP53的分析表明，基因編碼的蛋白定位于細(xì)胞和核膜。通過(guò)GA 調(diào)控玉米種皮中纖維素增加的這一研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于通過(guò)提高玉米種皮的保護(hù)機(jī)制來(lái)增加玉米種子的活力水平來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的進(jìn)展。

這些有關(guān)玉米種子活力的研究進(jìn)展均表明赤霉素的生物合成與代謝及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中相關(guān)基因及合成代謝酶參與影響著玉米種子的萌發(fā)、籽粒大小、種皮結(jié)構(gòu)及玉米種子中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，參與調(diào)控玉米種子活力。未來(lái)加強(qiáng)深入赤霉素調(diào)控玉米種子活力分子機(jī)制的探索，發(fā)掘更多有關(guān)玉米活力的關(guān)鍵基因，針對(duì)性地利用赤霉素相關(guān)活力靶基因把控玉米種子活力具有重要意義。

3.3 赤霉素對(duì)其他作物種子活力的影響

外源活性GA 可以加速非休眠種子的萌發(fā)及調(diào)控糊粉層中淀粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖酶等酶類的產(chǎn)生及釋放；高等植物種子中活性GA 參與胚乳淀粉層中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和促進(jìn)種子萌發(fā)［7］。常博文等［52］從來(lái)自不同生態(tài)區(qū)的30 個(gè)花生品種中篩選出4 個(gè)耐低溫和4 個(gè)不耐低溫的花生品種進(jìn)行赤霉素（GA3）處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GA3可以顯著促進(jìn)4℃低溫處理后花生種子的萌發(fā)和種子活力，抑制了花生幼苗在低溫處理后的相對(duì)膜透性和丙二醛含量的上升，提高了可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸的含量。這表明赤霉素顯著提高了花生種子耐低溫的抗性，提高花生種子活力水平。屈旭等［53］研究發(fā)現(xiàn)利用適宜濃度GA 處理辣椒種子可以顯著促進(jìn)其種子萌發(fā)和幼苗根系的發(fā)育。朱麗偉［54］選擇不同成熟度的雜交水稻種子為研究對(duì)象，對(duì)其種子活力、生理生化和耐貯藏能力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，GA3浸種可顯著提高錢優(yōu)1 號(hào)與Y 兩優(yōu)689 雜交水稻種子活力，進(jìn)而提高其耐老化能力。余曉叢等［55］研究發(fā)現(xiàn)利用0-30 mg/L 赤霉素浸種可以促進(jìn)3 種草坪草的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及幼苗根系生長(zhǎng)，提高耐鹽性。高活力種子不僅發(fā)芽迅速、幼苗整齊、生長(zhǎng)均勻一致，而且在抗性及耐性等方面也強(qiáng)于低活力種子。

隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，在其他作物中有關(guān)GA 合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中調(diào)控通路及其相關(guān)基因位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、利用和功能研究取得了重要進(jìn)展，為研究赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子機(jī)制提供了重要參考。Fan 等在擬南芥中成功鑒定出15 個(gè)受赤霉素調(diào)控的GASA（gibberellic acid stimulatedArabidopsis）基因家族成員，其中GASA4正調(diào)控種子大小和總產(chǎn)量［56-57］。種子的休眠是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素，種子活力水平的高低受種子休眠等因素的影響，超表達(dá)赤霉素相關(guān)基因可以促進(jìn)林木種子萌發(fā)［58］。張運(yùn)城［59］分離并鑒定了油松GID1基因，轉(zhuǎn)基因擬南芥（PtGID1）種子在低濃度GA3條件下能夠萌發(fā)，說(shuō)明PtGID1能促進(jìn)擬南芥種子的生長(zhǎng)發(fā)育。Li 等［60］以羊草種子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)分析GA3處理對(duì)羊草種子萌發(fā)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GA3 處理后可能通過(guò)抑制Cel61a、egID、cel1、tpsA、SPAC2E11.16 c和TPP2的表達(dá)，增強(qiáng)AMY1.1、AMY1.2、AMY1.6和GLIP5的表達(dá)，抑制纖維二糖、纖維糊精和海藻糖的合成，同時(shí)促進(jìn)蔗糖、淀粉、纖維二糖、纖維糊精和海藻糖水解為葡萄糖，該發(fā)現(xiàn)為今后利用赤霉素提高種子發(fā)芽率和種子活力研究提供了重要依據(jù)。

DELLA 蛋白是GA 合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中重要的核轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)于種子的休眠和萌發(fā)起著至關(guān)重要的作用。2011年P(guān)earce 等證實(shí)了小麥半矮化Rht-1等位基因是屬于 DELLA 蛋白類且是通過(guò)GA-GID1-DELLA 信號(hào)途徑發(fā)揮生物學(xué)功能［61-62］。Sarnowska 等在擬南芥中發(fā)現(xiàn)DELLA 蛋白R(shí)GL2（RGA-LIKE 2）和RGL3與染色質(zhì)重塑因子SWI3C（SWITCH3C）發(fā)生相互作用，進(jìn)而影響GID1a以及GA3ox基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而調(diào)控GA 的感知和生物合成［63-64］。水稻矮化基因的發(fā)現(xiàn)給全球谷物的影響非常顯著，研究發(fā)現(xiàn)編碼GA20 氧化酶的OsGA20ox2與水稻中的半矮化sd-1基因位點(diǎn)密切相關(guān)，是由于OsGA20ox2發(fā)生了突變，GA20 氧化酶活性降低，導(dǎo)致GA53積累，引起所有的sd-1半矮化系的出現(xiàn)［62，65］。利用適宜濃度的外源赤霉素對(duì)于提高種子活力及不同植物的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的促進(jìn)作用，其生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中有關(guān)活力基因位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)也為GA 調(diào)控種子活力的網(wǎng)絡(luò)建立奠定了一定的基礎(chǔ)。研究表明赤霉素對(duì)于破除種子的休眠、改善種子的發(fā)芽率和提高種子的活力方面具有顯著的促進(jìn)作用，而且還發(fā)現(xiàn)全球小麥和水稻綠色革命中小麥半矮化Rht-1等位基因和水稻半矮化sd-1基因位點(diǎn)的發(fā)掘其調(diào)控通路都與赤霉素GA 有關(guān)，表明利用赤霉素調(diào)控作物種子活力可行且可控。

赤霉素對(duì)于種子活力的影響顯著，且適宜濃度的外源活性GA可顯著提高不同作物種子抗性、耐性，調(diào)控不同作物種子的活力水平?？梢酝ㄟ^(guò)不同作物種子對(duì)赤霉素的應(yīng)激情況相互借鑒學(xué)習(xí)，為赤霉素調(diào)控種子活力網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立奠定基礎(chǔ)。然而關(guān)于赤霉素調(diào)控玉米種子活力的相關(guān)研究卻比較有限，加強(qiáng)赤霉素調(diào)控玉米種子活力的關(guān)鍵靶基因及蛋白的發(fā)掘，深入解析玉米種子發(fā)育過(guò)程中GA 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理，探索GA 調(diào)控玉米種子活力的分子機(jī)制，構(gòu)建赤霉素調(diào)控玉米種子活力的機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)制高活力玉米種質(zhì)的目標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

本文主要綜述了赤霉素生物合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及赤霉素調(diào)控玉米種子活力和其他不同作物的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究提供有價(jià)值的參考。例如從GA信號(hào)與小麥和水稻半矮稈基因的相互作用中促使其產(chǎn)量提高，進(jìn)而造就全球小麥和水稻的綠色革命一樣，利用玉米矮稈突變體Dwarf11（D11）的特性來(lái)分析玉米種子中GA 的生物合成和調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而為玉米的高產(chǎn)服務(wù)［66］。眾所周知，在作物生產(chǎn)中，適當(dāng)矮化植株是提高作物抗倒伏能力和收獲指數(shù)的重要手段，如何利用優(yōu)良矮稈基因資源來(lái)改良或培育玉米抗倒伏矮稈高產(chǎn)品種具有重要意義。Chen等［67］將擬南芥AtGA2ox1基因轉(zhuǎn)化到玉米中，獲得一株莖稈高度降低的轉(zhuǎn)基因玉米，通過(guò)在玉米中過(guò)表達(dá)AtGA2ox1基因來(lái)降低內(nèi)源生物活性GA 水平，不僅降低了轉(zhuǎn)基因玉米的株高和營(yíng)養(yǎng)生物量，而且提高了轉(zhuǎn)基因玉米的產(chǎn)量。這一成果無(wú)疑為后續(xù)研究赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子機(jī)制提供了有價(jià)值的參考，此外，GA 如何調(diào)控同化物的運(yùn)輸、卸載和代謝最終影響庫(kù)強(qiáng)的作用機(jī)制還不清楚，具體通過(guò)哪些靶基因點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能仍需深入研究。

農(nóng)穩(wěn)社稷，糧安天下，種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為衡量種子質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，加大種子活力研究的細(xì)度和深度，對(duì)于創(chuàng)造高活力作物新種質(zhì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)創(chuàng)收、牢牢端穩(wěn)中國(guó)人飯碗意義重大。相伴多組學(xué)技術(shù)在種子活力研究中的不斷開(kāi)展，可以預(yù)見(jiàn)，新的種子活力研究體系將逐步構(gòu)建，結(jié)合細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)和各種組學(xué)技術(shù)（包括轉(zhuǎn)錄組、翻譯組、蛋白質(zhì)組和代謝組）研究，種子活力研究體系必將更加精細(xì)、透徹。毋庸置疑，GA 調(diào)控種子活力的機(jī)制會(huì)得到更加全面地剖解，不斷發(fā)掘更多玉米種子中GA參與調(diào)控活力的基因或蛋白。除此之外，厘清GA 調(diào)控相關(guān)表達(dá)調(diào)控的生理生化過(guò)程和代謝途徑，將生理生化表型與基因的表達(dá)有機(jī)結(jié)合在一起，更加有利于全面認(rèn)識(shí)玉米復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)和作用機(jī)制，為進(jìn)一步提高玉米種子活力和玉米的高效育種提供參考。