一氧化氮調(diào)控種子休眠與萌發(fā)的研究進展

廖卓毅 周健 錢存夢 夏濤

摘要 作為一種生物活性分子，一氧化氮（Nitric oxide，NO）對植物許多生理過程都具有重要影響，包括對植物種子的休眠解除和萌發(fā)的促進作用。簡要綜述了NO及其相關(guān)化合物在種子休眠解除和萌發(fā)上的研究進展，對NO在種子休眠解除和萌發(fā)過程中與植物激素、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及光照等因子的互作加以討論，以此闡述它們在休眠解除和萌發(fā)過程中的關(guān)系，同時討論NO的生態(tài)學(xué)意義，并且展望未來種子休眠與萌發(fā)中NO的研究重點和方向。

關(guān)鍵詞 一氧化氮;休眠;萌發(fā);植物激素;活性氧;光照

中圖分類號 S722.3 ?文獻標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-007-03

Research Advance of Regulation of Nitric Oxide in Seed Dormancy and Germination

LIAO Zhuoyi， ZHOU Jian， QIAN Cunmeng， XIA Tao*

（The Southern Modern Forestry Collaborative Innovation Center， Nangjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037）

Abstract As a bioactive molecule， nitric oxide （NO） plays an important role in many plant physiological processes， including seed dormancy release and germination. This paper gave a brief overview on the implication of NO and its relative compounds in the control of seed dormancy and germination， as well as clarified its crosstalk with phytohormone， reactive oxygen species （ROS） and light during seed dormancy release and germination. In addition， we also discussed the ecological significance of NO， and forecasted the direction and emphasis on future researches.

Key words Nitric oxide （NO）; Dormancy; Germination; Phytohormone; Reactive oxygen species （ROS）; Light

基金項目 國家自然基金項目（31270711）;江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）;江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目（KYLX0898）。

作者簡介 廖卓毅（1989- ），男，廣西來賓人，碩士研究生，研究方向：林木種苗生理。*通訊作者，講師，博士，從事植物學(xué)方面的研究。

收稿日期 20141204

種子休眠與萌發(fā)是植物重要的生理事件，受光照、溫度、水分、激素及遺傳等諸多因素的影響，而一氧化氮（Nitric oxide，NO）是其中的影響因子之一。NO是一種在動植物多個生理活動中發(fā)揮重要作用的易擴散生物活性分子^[1-2]，在植物生長、發(fā)育過程中的各種功能在近十年來已被研究者逐漸發(fā)現(xiàn)。早期的報道指出，NO對防止植物免受病原體所引起的過敏反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用^[3]。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，NO還能夠抑制植物的成熟和衰老，并且作為一種抗氧化劑，能延緩植物細胞程序性死亡（Programmed cell death，PCD）^[4]。此外，NO還可促進幼苗的發(fā)育^[5]，抑制植物花期^[6]，協(xié)同脫落酸（Abscisic acid，ABA）誘導(dǎo)葉片氣孔關(guān)閉^[7]，甚至是植物根系適應(yīng)低氧環(huán)境所必須的物質(zhì)之一^[8]。NO參與植物種子休眠解除的報道^[9-12]也較多，但在解除種子休眠、提高種子萌發(fā)率的方法中，人們更多地將注意力放在層積、激素和酸蝕處理等措施上，卻常常忽視NO能夠有效解除種子休眠、促進萌發(fā)的事實。少數(shù)關(guān)于NO在種子休眠與萌發(fā)中作用的研究雖然證實了NO的這一功能，但仍未能夠進一步全面闡述其作用機制。筆者簡要介紹了NO在種子休眠解除、萌發(fā)方面的研究進展，并且試圖闡述NO與植物激素、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及光敏色素在調(diào)控種子休眠與萌發(fā)過程中的互作關(guān)系，以期為深入了解NO在種子休眠解除及萌發(fā)過程中的作用機理提供一定的參考，同時為種子休眠與萌發(fā)研究提供一條新的思路。

1 NO及其相關(guān)物質(zhì)在種子休眠與萌發(fā)中的作用

最近研究顯示，含氮物質(zhì)包括硝酸鹽、亞硝酸鹽及疊氮化合物等處理種子可打破休眠，可能是通過產(chǎn)生NO所致。對吸脹24 h的小麥和高粱種子施用硝酸鹽處理，利用電子順磁共振（Electron paramagnetic resonance，EPR）檢測后發(fā)現(xiàn)其胚軸勻漿中NO含量隨著處理時間的延長而增加^[13]。這一結(jié)果表明，在種子吸脹過程中外生性硝酸鹽含量是決定NO釋放的一個關(guān)鍵因子，而含氮物質(zhì)打破種子休眠是通過NO來完成的。不同學(xué)者還相繼開展外源性NO直接應(yīng)用于泡桐（Paulownia tomentosa）^[14]、擬南芥（Arabidopsis thaliana）^[9-10]、蘋果（Malus pumila Mill.）^[11-12]、柳枝稷（Panicum virgatum）^[15]及杜梨（Pyrus betulaefolia）^[16]等植物種子休眠解除的研究。一般認(rèn)為，內(nèi)源性NO主要在種子胚乳中產(chǎn)生，并且作用于該部位，使得胚乳進一步軟化進而破裂，有利于胚的萌發(fā)^[17]。NO促進種子休眠解除和萌發(fā)往往伴隨著與其他因子的相互作用，其中與植物激素、活性氧（ROS）和光敏色素間的互作已被發(fā)現(xiàn)，并從這一角度展開系列研究。目前，NO和植物激素及ROS間的相互作用已相對清晰。有研究表明，NO在某些情況下也可以加強光在種子萌發(fā)事件中的作用，提高大多數(shù)休眠及非休眠種子的萌發(fā)率，因此推測NO可能與光敏色素存在某種程度上的交聯(lián)，只是相比于前面兩者，人們對NO與光敏色素的這一交聯(lián)機制仍知之甚少。

2 休眠解除與種子萌發(fā)過程中NO與其他因子的互作

2.1 NO和植物激素間的交聯(lián)

在吸脹種子中，ABA合成抑制劑氟啶酮（Fluridone）或噠草伏（Norflurazon）的應(yīng)用可以降低ABA的合成，并且因此促進種子的休眠解除和萌發(fā)。Piterkova等^[17]研究發(fā)現(xiàn)，NO清除劑cPTIO能明顯抑制由氟啶酮刺激所致的番茄種子的萌發(fā)。相反，Bethke等^[18]表明，NO供體硝普鈉（Sodium nitroprusside，SNP）能提高噠草伏在擬南芥休眠種子上的影響，同時降低種子對外源ABA的靈敏性。這些發(fā)現(xiàn)表明，在種子中NO可減少ABA的累積和靈敏性。藥理試驗證實，NO提高了擬南芥CYP707A2基因的表達，在種子吸水的初期NO的迅速累積（尤其是在胚乳層）被認(rèn)為是內(nèi)源ABA迅速分解和解除休眠所必須的^[10]。而Bethke等^[18]研究還發(fā)現(xiàn)，NO可通過誘導(dǎo)GA3ox1和GA3ox2基因的轉(zhuǎn)錄（編碼合成GA的2個關(guān)鍵基因），上游調(diào)控GA的信號通路，導(dǎo)致糊粉細胞形成空泡，而這一過程恰恰是由ABA抑制著的。由于離體胚的生長并未受NO供體或清除劑的影響，胚乳被認(rèn)為是NO在種子中合成并且作用的初始部位。

在十字花科中，乙烯可通過抑制ABA在種胚上的作用來刺激胚乳和種皮結(jié)構(gòu)的弱化和破裂，從而正向調(diào)控種子的萌發(fā)^[19]。Gniazdowska等^[11]報道，NO打破蘋果胚的休眠與引起胚中乙烯的增加有關(guān)。NO可以引發(fā)ROS的瞬態(tài)產(chǎn)生，而ROS的累積可以提高乙烯前體ACC的合成酶（ACC synthetase，ACS）和氧化酶（ACC oxidase，ACO）的活性，促進乙烯的累積。而ACC合成抑制劑氨基氧乙酸（Aminooxyacetic acid，AOA）完全阻止NO的作用，說明NO解除蘋果胚休眠是通過乙烯依賴的途徑，而乙烯合成的抑制阻礙著ABA、乙烯和NO三者在促進休眠釋放和萌發(fā)過程中的相互作用。因此，在種子休眠釋放和萌發(fā)過程中此三者似乎存在著不同水平上的交聯(lián)^[12]。

除了影響激素的平衡，NO還可能通過增加NADPH的氧化直接加速磷酸戊糖途徑（Pentose phosphate pathway，PPP）以解除種子的休眠^[20-21]。通過這種途徑，葡萄糖分解代謝的增加也反過來維持和促進種子的休眠^[22]。

2.2 NO和ROS的互作

與NO一樣，ROS在控制種子休眠釋放和萌發(fā)中也發(fā)揮著重要的作用^[23-24]。在植物細胞中，ROS由特定的酶促反應(yīng)產(chǎn)生，或是作為新陳代謝的副產(chǎn)物^[25-26]。根據(jù)含量的不同，ROS既可在包括促進休眠釋放和萌發(fā)等植物生理事件中產(chǎn)生積極作用，又可對植物造成有害的后果。因此，有學(xué)者提出，在種子吸脹中所產(chǎn)生的ROS的含量應(yīng)處在一個確定的“氧化窗”，以滿足種子的萌發(fā)，而當(dāng)?shù)陀谶@一“氧化窗”時，ROS發(fā)揮的功效則以氧化損害為主^[24]。

Gniazdowska等^[12]發(fā)現(xiàn)，NO促進休眠蘋果種子的胚萌發(fā)，與萌發(fā)早期胚中ROS（H₂O₂和O-₂）濃度的快速增長有關(guān)，ROS的增加主要發(fā)生在胚根生出前期的胚軸中，因此認(rèn)為外源ROS和NO通過引起種子中ROS的積累而打破種子休眠，且胚軸中ROS的增加可能就是種子萌發(fā)的開始。此外，NO和ROS也可通過與植物激素間的互作影響種子的休眠與萌發(fā)。Liu等^[25]提出，NO和ROS能共同解除由ABA所引起的休眠。NO和H₂O₂在種子內(nèi)的迅速累積發(fā)生于ABA分解和GA合成前的吸脹階段。在此過程中，H₂O₂能夠增強ABA的分解代謝和GA的生物合成。H₂O₂介導(dǎo)CYP707A基因的表達。當(dāng)H₂O₂受到抑制時，ABA代謝降低，但對于GA的合成不產(chǎn)生任何影響。由此推測，NO是作為H₂O₂的上游信號在加強ABA代謝中發(fā)揮作用的^[10]。結(jié)合上述NO與乙烯的關(guān)系，將NO、ROS及植物激素間互作的關(guān)系歸納為圖1。

圖1 NO、ROS及植物激素在休眠解除過程中的互作關(guān)系模型

2.3 NO與光敏色素的互作

光是植物生長和發(fā)育的一個非常重要的環(huán)境因子，對種子休眠和萌發(fā)同樣意義重大。光照與含氮物質(zhì)間的相互作用在之前的研究中已被發(fā)現(xiàn)。一般而言，含氮物質(zhì)能夠與光相互作用，進而促進種子的萌發(fā)。

光敏色素首次在萵苣（Lactuca sativa）種子中被發(fā)現(xiàn)。研究表明，紅光能夠促進種子萌發(fā)，而黑暗條件下吸脹種子不能萌發(fā)。Beligni等^[5]發(fā)現(xiàn)，對黑暗條件下吸脹的萵苣種子施加100 μmol/L SNP或SNAP，萌發(fā)率可高達95%以上，而在此基礎(chǔ)上施用cPTIO時，萌發(fā)率則降低到5%以下。這表明NO涉及光促萌發(fā)的事件。在擬南芥中，紅光脈沖和KCN共同作用所致的萌發(fā)率均高于上述兩者的任何一個單獨作用。而對于光照刺激萌發(fā)種子，KCN和SNP等NO供體的作用同樣能提高發(fā)芽率，而且在含PhyA的擬南芥中，這一效果明顯高于含PhyB的種子^[27]。泡桐種子的萌發(fā)要求持續(xù)的光照，但紅光和含氮物質(zhì)的處理可以有效地代替泡桐萌發(fā)的這一光照要求。Grubisic等^[14]研究表明，KCN₃、硝化甘油和亞硝酸鹽均可提高由紅光引起的泡桐種子萌發(fā)的比例。在隨后的試驗中，NO及其供體SNAP、SIN1被證實同樣可以促進由紅光刺激的種子萌發(fā)^[28]。這些均表明NO及含氮化合物與光敏色素之間存在著互作，進一步提高種子的萌發(fā)效率。

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