植物種子萌發(fā)及活力的調控機制

周峰

摘要：植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅動，由種子內部一系列有序代謝活動和基因順序表達調控的。介紹了與種子萌發(fā)有關的激素、細胞修復、蛋白質翻譯、翻譯后修飾、甲硫氨酸代謝在種子萌發(fā)中的調控機制。通過對這些調控途徑的認識，可發(fā)現新的種子萌發(fā)標志物，為保障作物正常生長和提高作物產量奠定基礎。

關鍵詞：種子；萌發(fā)；活力；激素；修復；調控機制

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

植物種子的萌發(fā)活力是植物胚胎驅動，由種子內部一系列有序代謝活動和基因順序表達調控的。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胚胎成熟過程中信使mRNA積累的質量。蛋白質穩(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，因為它們與調控種子萌發(fā)的細胞代謝過程和信號轉導過程有密切關系。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，通過對這些調控途徑的認識，可發(fā)現新的種子萌發(fā)標志物，為保障作物正常生長和提高作物產量提供新技術。

1 激素對種子萌發(fā)的調控

植物種子的內源激素和種子萌發(fā)環(huán)境共同調控種子的萌發(fā)與休眠。脫落酸（Abscisic acid，ABA）對誘導種子休眠和維持吸脹種子的休眠狀態(tài)有積極調控作用。ABA在種子失水過程中會累積，它會誘導后胚胎豐富蛋白（Late embryogenesis abundant， LEA）的產生。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ABA水平。這時，體內會合成赤霉素（Gibberellins， GA）促進種子萌發(fā)。GA對GRAS轉錄調節(jié)蛋白起負調控作用，GRAS家族是植物特有的轉錄調控因子，由最初發(fā)現的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轉錄調節(jié)蛋白參與細胞分化，對種子萌發(fā)起抑制作用。ABA/GA調節(jié)種子萌發(fā)中新陳代謝的狀態(tài)轉變，使休眠的種子體內保留高生物活性的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，調節(jié)ABA新陳代謝和GA的生物合成。最近發(fā)現的卡里金（Karrikins，KAR1）能促進種子萌發(fā)和幼苗生長，它可引起與獨腳金內酯（Strigolactone，SL）激素類似的信號轉導反應。其他的激素如乙烯、蕓薹素內酯、水楊酸、細胞分裂素、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導網絡，而且相互作用，精確控制種子的萌發(fā)[2]。

2 細胞修復對種子萌發(fā)及活力的調控

種子發(fā)育和萌發(fā)過程中的失水和再結合水會導致氧化脅迫，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，其中很重要的一步就是DNA連接酶介導的DNA單、雙鏈損傷修復，在擬南芥中，DNA連接酶的失活會導致種子萌發(fā)的延遲。DNA聚合酶也與DNA損傷修復有關，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，異天冬氨酸甲基轉移酶（PIMT）可修復種子蛋白老化過程中異天冬氨酸位點的異構化，PIMT修復途徑消除了種子萌發(fā)過程中產生的一些有害蛋白產物。在擬南芥中，PIMT的降低會導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，有特殊的基因表達調控機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的帽子結構或其他帽子同系物特異地交叉結合，在蛋白質合成的起始中起關鍵作用。但它們在結合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。蛋白質組學研究表明，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等激素合成有關的酶和蛋白質。蛋白質合成是種子萌發(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。種子內大量豐富的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，mRNA的氧化改變了mRNA翻譯過程，這種非酶氧化作用不是隨機的而是有選擇性的，因為這些轉錄本在種子休眠中起重要作用。目前，尚不知mRNA的氧化機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)的調控

蛋白質組學研究表明，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控、磷酸化調控、去磷酸化調控和NO調控的翻譯后修飾作用。

4.1 氧化還原信號調控

種子萌發(fā)過程中伴隨大量蛋白質氧化還原狀態(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控作用，作為種子萌發(fā)的早期信號，還原儲存的蛋白質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制使蛋白質代謝處于靜止狀態(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控

磷酸化和去磷酸化是細胞信號轉導的普遍調控機制，大量的蛋白磷酸化酶和蛋白激酶參與調控種子萌發(fā)過程中ABA信號轉導的修飾。酶的磷酸化可調控DNA修復和蛋白質翻譯過程，這對于種子萌發(fā)的分子調控機制至關重要[7]。

4.3 NO調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控種子萌發(fā)，擬南芥種子吸脹后的幾個小時，種子會產生大量NO。它可結合金屬元素形成金屬結合蛋白，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)的調控機制之一[8，9]。

5 Met代謝在種子萌發(fā)中的調控作用

植物蛋白質合成中，甲硫氨酸（Methionine， Met）是最重要的，它不僅是蛋白質合成的基礎，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，早于胚根的出現。植物體內很多轉甲基反應是由腺苷基蛋氨酸依賴的甲基轉移酶催化的，這其中包括PIMT甲基轉移酶和DNA甲基轉移酶，這些酶影響著染色質結構，而種子萌發(fā)與DNA甲基化及染色質重構有關。此外，腺苷基蛋氨酸依賴的甲基轉移酶影響與種子萌發(fā)有關的激素信號轉導，它能形成ABA的受體，可影響水楊酸、茉莉酸和GA在植物體內的穩(wěn)態(tài)。這些激素都與種子的萌發(fā)調控有關。蛋白質N-端Met的去除是最常見的蛋白質修飾方式，這影響了蛋白質的穩(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，種子的壽命也是種子活力的一個指標。含S氨基酸、脂肪和淀粉的動員代謝途徑、蛋白質合成的起始因子、ABA信號轉導的組分、甲基循環(huán)都與種子活力密切相關。通過引發(fā)處理試驗，發(fā)現引發(fā)處理能增強種子活力，促進種子萌發(fā)，增強幼苗抵抗外界環(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和mRNA，儲存的mRNA的穩(wěn)定性是決定種子活力的關鍵因素。通過對擬南芥研究發(fā)現，編碼金屬硫蛋白的基因NnMT2a和NnMT3過表達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[11，12]。

參考文獻：

[1] ZHANG Z L， OGAWA M， FLEET C M， et al. Scarecrow-like3 promotes gibberellin signaling by antagonizing master growth repressor DELLA in Arabidopsis[J]. Proc Natl Acad Sci USA， 2011，108： 2160-2165.

[2] NELSON D C， FLEMATTI G R， GHISALBERTI E L， et al. Regulation of seed germination and seedling growth by chemical signals from burning vegetation[J]. Annu Rev Plant Biol， 2012，63：107-130.

[3] OG？魪 L， BOURDAIS G， BOVE J， et al. Protein repair L-isoaspartyl methyltransferase 1 is involved in both seed longevity and germination vigor in Arabidopsis[J]. Plant Cell， 2008，20（11）：3022-3037.

[4] RAJJOU L， DUVAL M， GALLARDO K， et al. Seed germination and vigor[J]. Annu Rev Plant Biol， 2012，63：507-533.

[5] HOWELL K A， NARSAI R， CARROLL A， et al. Mapping metabolic and transcript temporal switches during germination in rice highlights specific transcription factors and the role of RNA instability in the germination process[J]. Plant Physiol， 2009，149（2）： 961-980.

[6] BUCHANAN B B， BALMER Y. Redox regulation： A broadening horizon[J]. Annu Rev Plant Biol，2005，56：187-220.

[7] GRAEBER K， NAKABAYASHI K， MIATTON E， et al. Molecular mechanisms of seed dormancy[J]. Plant Cell Environ，2012，35（10）：1769-1786.

[8] ARC E， GALLAND M， CUEFF G， et al. Reboot the system thanks to protein post-translational modifications and proteome diversity： How quiescent seeds restart their metabolism to prepare seedling establishment[J].Proteomics，2011，11：1606-1618.

[9] 周春麗，鐘賢武，蘇 虎，等.一氧化氮對果蔬采后保鮮機理的研究進展[J].湖北農業(yè)科學，2011，50（10）：1954-1957.

[10] RANOCHA P， MCNEIL S D， ZIEMAK M J， et al. The S-methylmethionine cycle in angiosperms： ubiquity， antiquity and activity[J]. Plant J，2001，25（5）：575-584.

[11] ZHOU Y， CHU P， CHEN H， et al. Overexpression of Nelumbo nucifera metallothioneins 2a and 3 enhances seed germination vigor in Arabidopsis[J]. Planta，2012，235（3）： 523-537.

[12] 劉毓俠，王鐵固.種子活力研究進展[J].玉米科學，2012，20（4）：90-94.