激素調(diào)控種子休眠與萌發(fā)分子機(jī)制研究進(jìn)展

莘曉月,劉 鵬

(揚(yáng)州大學(xué) a. 農(nóng)學(xué)院,江蘇省作物遺傳生理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b. 農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院,教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇 揚(yáng)州 225009)

種子休眠和萌發(fā)是截然不同但又緊密聯(lián)系的生理過程,從休眠到萌發(fā)的轉(zhuǎn)變不僅是植物生命周期中關(guān)鍵發(fā)育期,而且對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有很大影響[1]。種子休眠和萌發(fā)受到植物體內(nèi)多種內(nèi)源激素和環(huán)境因子的精確調(diào)控[2]。通過突變體材料和分子生物學(xué)研究技術(shù),科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)脫落酸(abscisic acid,ABA)和赤霉素(gibberellins,GAs)是調(diào)控種子休眠和萌發(fā)的主要激素。越來越多的研究表明,生長(zhǎng)素(auxin)、細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)、乙烯(ethylene,ETH)、油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids,BRs)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)等激素在調(diào)控種子休眠和萌發(fā)中同樣扮演著重要角色。本文主要總結(jié)了激素調(diào)控種子休眠和萌發(fā)的分子機(jī)制,以及不同激素之間相互作用機(jī)理的研究進(jìn)展。

1 種子休眠

種子休眠對(duì)植物生存至關(guān)重要,它能確保種子僅在最適環(huán)境條件下才會(huì)發(fā)芽。種子休眠是種子植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中產(chǎn)生的適應(yīng)性性狀,使植物能夠在環(huán)境脅迫條件下得以生存[3]。大多數(shù)作物經(jīng)過長(zhǎng)期馴化種子休眠水平較低,以保證播種后出苗率較高。種子休眠期缺失會(huì)導(dǎo)致穗發(fā)芽,造成糧食作物減產(chǎn)和食用品質(zhì)下降,是影響糧食作物的重要災(zāi)害[4]。

1.1 DOG1基因在種子休眠中的作用

研究發(fā)現(xiàn),種子休眠屬于數(shù)量性狀。擬南芥DOG1(DELAY OF GERMINATION-1)基因是調(diào)控種子休眠的主效基因,并與ABA協(xié)同作用來抑制種子萌發(fā)[5]。研究發(fā)現(xiàn),DOG1和ABA信號(hào)通路之間存在交叉調(diào)控[6]。DOG1與蛋白磷酸酶(protein phosphatase 2C,PP2C)成員AHG1/AHG3(ABA HYPERSENSITIVE GERMINATION1/3)相結(jié)合并抑制其磷酸酶活性,從而增強(qiáng)ABA信號(hào),維持種子休眠水平[7]。擬南芥dog1突變體中種子內(nèi)源ABA含量降低,而GAs含量增多,種子不再進(jìn)入休眠期[8]。DOG1基因通常在發(fā)育中或成熟的種子中表達(dá),它的轉(zhuǎn)錄水平受多種因素影響,包括可變剪接、順式反義非編碼轉(zhuǎn)錄本(asDOG1)、microRNAs等[7]。在種子成熟期,DOG1蛋白不斷累積,其蛋白水平與種子的休眠程度高度相關(guān)。種子發(fā)育晚期通常富集了大量RFO(raffinose family oligosaccharides)、種子貯存蛋白、熱激蛋白和LEA(late embryogenesis abundant)蛋白,這些物質(zhì)對(duì)維持種子休眠是必需的[9]。擬南芥dog1-1突變體轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),ABA信號(hào)通路的關(guān)鍵基因ABI5和ABF4表達(dá)水平顯著降低,此外,編碼LEA蛋白和熱激蛋白基因的表達(dá)水平也下調(diào)。遺傳分析表明,DOG1通過正調(diào)控ABI5及其他轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)水平,進(jìn)而影響LEA蛋白和熱激蛋白的累積[10]。dog1-1突變體代謝組分析發(fā)現(xiàn),RFO含量與野生型相比明顯降低,表明DOG1蛋白水平對(duì)種子中貯存物的累積是必需的[7]。

多種轉(zhuǎn)錄因子通過與DOG1基因的啟動(dòng)子結(jié)合調(diào)控其轉(zhuǎn)錄[7]。據(jù)報(bào)道,4個(gè)擬南芥轉(zhuǎn)錄因子LEC1(LEAFY COTYLEDON1)、ABI3、FUS3(FUSCA3)和LEC2在種子發(fā)育過程中起關(guān)鍵調(diào)控作用[11-17]。其中ABI3、FUS3和LEC2蛋白都含有植物特異的B3 DNA結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ｒ恍宰R(shí)別存在于種子成熟相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)的RY [CATGCA(TG)]基序[11,18-19]。起初研究人員發(fā)現(xiàn)LEC1雖然影響DOG1基因的表達(dá),但是LEC1并不與DOG1啟動(dòng)子相互作用[20]。研究證實(shí),在擬南芥種子成熟階段bZIP67是DOG1表達(dá)的直接調(diào)節(jié)因子,LEC1通過調(diào)控bZIP67轉(zhuǎn)錄影響DOG1基因的表達(dá),從而明確了LEC1在種子休眠建立中的作用[21]。LEC1負(fù)責(zé)直接激活bZIP67表達(dá),LEC1功能缺失突變體中bZIP67和DOG1的表達(dá)均下調(diào)[22]。同時(shí)ABI3、FUS3和LEC2也會(huì)影響bZIP67表達(dá)。bZIP67通過識(shí)別G-box順式作用元件與DOG1啟動(dòng)子結(jié)合,促進(jìn)DOG1轉(zhuǎn)錄,從而建立種子休眠[21]。在DOG1啟動(dòng)子序列中存在一個(gè)RY基序[23],ChIP實(shí)驗(yàn)證實(shí)FUS3與DOG1啟動(dòng)子中RY序列結(jié)合[24-25],調(diào)控DOG1表達(dá)。

組蛋白修飾會(huì)改變?nèi)旧|(zhì)的活性狀態(tài),從而影響種子休眠相關(guān)基因的表達(dá),因此,組蛋白修飾在調(diào)控種子休眠過程中同樣發(fā)揮重要作用。當(dāng)種子解除休眠時(shí),DOG1基因上的組蛋白修飾發(fā)生明顯變化,其中H3K4me3修飾減少,而H3K27me3修飾增加,同時(shí)DOG1表達(dá)降低[21]。擬南芥HUB1(histone monoubiquitination 1),也稱RDO4(reduced dormancy-4),該基因編碼C3HC4鋅指蛋白。研究表明,HUB1是體內(nèi)組蛋白H2B單泛素化所必需的,它作為E3連接酶通過催化組蛋白H2B單泛素化,組蛋白H3K4和K79位點(diǎn)的甲基化修飾水平隨之增加,DOG1、ABI4等休眠相關(guān)基因的表達(dá)增強(qiáng),因此,HUB1是種子休眠的正向調(diào)控因子[26-27]。擬南芥組蛋白去甲基化酶LDL1(lysinespecific demethylase like 1)和LDL2通過下調(diào)組蛋白H3-Lys4甲基化水平,抑制DOG1、ABI2、ABI3等基因的表達(dá),因此,LDL1和LDL2負(fù)向調(diào)控種子休眠[28]。此外,擬南芥KYP/SUVH4是組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶,負(fù)責(zé)H3K9甲基化。在種子吸脹階段KYP/SUVH4的轉(zhuǎn)錄水平達(dá)到峰值,抑制休眠相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[29]。

1.2 ABA在種子休眠中的作用

ABA對(duì)誘導(dǎo)和維持種子休眠有重要作用[30]。在種子成熟過程中,ABA正向調(diào)節(jié)種子貯藏物的積累,且抑制胚生長(zhǎng),同時(shí)誘導(dǎo)種子耐干性和種子休眠。在ABA缺失的擬南芥突變體中,其種子萌發(fā)比野生型快[31]。

當(dāng)ABA合成途徑基因過量表達(dá)時(shí),其種子保持深度休眠。由NCED催化的氧化裂解反應(yīng)是ABA合成的限速步驟,在擬南芥中鑒定到5個(gè)NCED基因,它們?cè)诜N子發(fā)育不同時(shí)期或不同部位中特異表達(dá)[30,32];NCED基因過量表達(dá)株系中ABA含量增加進(jìn)而誘導(dǎo)休眠[30]。擬南芥突變體nced2569和nced259種子發(fā)育階段大部分黃氧素由胚乳中的活性NCED6催化生成,隨后黃氧素進(jìn)一步被催化形成ABA[31]。

ABA分解代謝基因突變體累積了較高含量ABA,從而導(dǎo)致種子休眠。由CYP707A編碼的8′-羥化酶是ABA代謝途徑中的關(guān)鍵酶[33-34]。擬南芥CYP707A家族有4個(gè)成員,CYP707A1-CYP707A4。其中CYP707A2基因在種子吸脹過程中表達(dá)上調(diào),并且在外源ABA存在下表達(dá)增強(qiáng)[33]。cyp707a2突變體的種子在吸水后積累的ABA含量約是野生型種子的6倍,表明該基因負(fù)責(zé)ABA的分解代謝[33]。擬南芥中CYP707A1主要在種子成熟中期負(fù)責(zé)降解ABA,而CYP707A2則主要在種子成熟后期和種子吸脹過程中發(fā)揮作用[35]。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),CYP707A2基因在中晚期的胚胎和胚乳組織中均有表達(dá),表明在2種組織中發(fā)生的ABA降解對(duì)解除休眠有重要意義[35]。

除了ABA合成分解途徑外,ABA信號(hào)途徑組分也影響種子休眠。ABA信號(hào)感知與轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2s核心組分[36],ABA通過細(xì)胞內(nèi)受體PYR/PYLs/RCARs[37]的識(shí)別發(fā)揮作用;當(dāng)ABA含量增加時(shí),ABA與受體PYR/PYLs/RCARs形成復(fù)合物,進(jìn)而與PP2C相結(jié)合,抑制其磷酸酶活性。SnRK2通過自身磷酸化保持活性狀態(tài),從而發(fā)揮激酶活性激活下游轉(zhuǎn)錄因子,促進(jìn)ABA信號(hào)應(yīng)答基因的表達(dá),開啟ABA信號(hào)通路[38]。ABI1和ABI2基因編碼PP2C蛋白。在擬南芥abi1-1和abi2-1顯性失活的突變體中,由于突變的蛋白和受體不再相互作用,種子休眠程度降低[39-40]。另一個(gè)擬南芥蛋白磷酸酶HONSU是休眠的負(fù)調(diào)控因子,它抑制ABA信號(hào)傳導(dǎo),同時(shí)激活GA通路,說明在種子休眠中HONSU是關(guān)聯(lián)ABA和GA信號(hào)途徑的關(guān)鍵因子[41]。但是,RDO5 (reduced dormancy 5)磷酸酶突變,不改變ABA含量和敏感性,種子休眠程度大幅降低[42-43];進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),RDO5參與的種子休眠主要通過調(diào)控RNA結(jié)合蛋白APUM9(ArabidopsisPUMILIO 9)和APUM11基因的轉(zhuǎn)錄實(shí)現(xiàn)的[43]。SnRK2s也是ABA信號(hào)途徑調(diào)控因子之一,在種子發(fā)育和萌發(fā)階段擬南芥的SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6在細(xì)胞核中表達(dá),這3個(gè)基因同時(shí)突變后,影響種子休眠,內(nèi)源ABA含量上升[44-45]。

位于ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的轉(zhuǎn)錄因子也是調(diào)控種子休眠的關(guān)鍵因子,其中擬南芥ABI3、ABI4和ABI5相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子研究較為深入。ABI3是保持種子休眠的正調(diào)控因子[46]。ABI3轉(zhuǎn)錄因子含有植物特有B3結(jié)構(gòu)域,通過與啟動(dòng)子區(qū)的種子特異調(diào)控元件Ry/Sph結(jié)合激活基因表達(dá)。擬南芥abi3突變體的種子萌發(fā)時(shí)對(duì)ABA不敏感[47]。研究報(bào)道,ABI3的表達(dá)受DEP(Despierto)的調(diào)控,dep基因功能缺失后種子完全喪失休眠,推測(cè)DEP基因影響種子萌發(fā)過程中對(duì)ABA的敏感程度[48]。WRKY41在種子中特異表達(dá),通過直接與ABI3啟動(dòng)子區(qū)W box結(jié)合,增強(qiáng)ABI3基因的轉(zhuǎn)錄水平,從而增強(qiáng)擬南芥種子休眠[49]。ABI3通過與ODR1(reversal of RDO5)啟動(dòng)子中RY基序結(jié)合從而直接抑制其轉(zhuǎn)錄。擬南芥ODR1與水稻鋅指蛋白Sdr4高度同源[50],在細(xì)胞核中ODR1與bHLH57能相互作用。ODR1表達(dá)受抑制后,不再與bHLH57形成復(fù)合物,使得bHLH57能誘導(dǎo)ABA合成酶關(guān)鍵基因NCED6和NCED9表達(dá),導(dǎo)致ABA水平上升。因此,ABI3-ODR1-bHLH57-NCED6/9模塊通過影響ABA生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控種子休眠[30,51]。

ABI4屬于APETALA2/乙烯反應(yīng)因子家族轉(zhuǎn)錄因子,受ABI4調(diào)控的基因啟動(dòng)子區(qū)均有CE1(coupling element 1)元件[52]。已有研究表明,在種子萌發(fā)過程中ABI4調(diào)節(jié)ABA的生物合成[53]。擬南芥ABI4基因也是通過篩選對(duì)ABA不敏感的萌發(fā)突變體被鑒定出來的[30]。abi4突變體的種子休眠程度降低,是因?yàn)锳BI4缺失導(dǎo)致CYP707A基因表達(dá)水平增加,造成ABA含量下降[53]。ChIP實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),ABI4通過與CYP707A1/2啟動(dòng)子結(jié)合而抑制其轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致ABA含量增加[2]。MYB96是響應(yīng)ABA應(yīng)答的R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子,它能夠誘導(dǎo)ABI4基因的表達(dá)。MYB96雖然上調(diào)ABA合成基因的轉(zhuǎn)錄,但是MYB96僅與NCED2和NCED6的啟動(dòng)子結(jié)合,推測(cè)MYB96間接調(diào)控其他的ABA合成基因[54]。此外,鈣離子還通過控制ABI4轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)種子萌發(fā)[55]。值得注意的是,ABI4也受轉(zhuǎn)錄因子SPT(Spatula)的調(diào)控,SPT表達(dá)水平在種子成熟過程中增加,表明SPT-ABI4模塊在休眠建立和維持期間起關(guān)鍵作用[56]。也有研究表明,ABI4負(fù)調(diào)控GA合成基因,但還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)[53]。

ABI5屬于bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族,在ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中處于核心位置,它通過與保守ABA應(yīng)答元件(ABRE,PyACGTGG/TC)結(jié)合啟動(dòng)受ABA誘導(dǎo)基因的表達(dá),從而抑制種子萌發(fā)[57]。在成熟的種子中,ABA含量維持在較高水平,ABI5激活晚期胚胎富集蛋白LEA基因的表達(dá),使ABI5和LEA蛋白大量累積,增強(qiáng)種子耐干燥特性[58]。活性的ABI5蛋白需要被磷酸化,實(shí)驗(yàn)表明,擬南芥激酶SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6通過磷酸化ABI5的特定殘基Ser42啟動(dòng)下游基因的表達(dá)[44]。光信號(hào)介導(dǎo)的種子萌發(fā)也是通過調(diào)控ABI5轉(zhuǎn)錄來實(shí)現(xiàn)的[59]。研究發(fā)現(xiàn),擬南芥ABI5啟動(dòng)子區(qū)存在多種受光調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。這些結(jié)合位點(diǎn)已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,例如T/G box(CACGTT)位點(diǎn)與BBX21結(jié)合,GT1基序(GGTTAA)與BBX19結(jié)合,G-box(CACGTG)位點(diǎn)分別與轉(zhuǎn)錄因子PIF1(phytochrome-interacting factors 1)、HY5(elongated hypocotyl 5)和SPT結(jié)合[59-61]。PIF1是與光受體色素蛋白相互作用的轉(zhuǎn)錄因子,直接激活A(yù)BI5基因表達(dá)[62]。因此,ABI5是整合多種信號(hào)途徑調(diào)控種子休眠與萌發(fā)的核心元件。

2 種子的萌發(fā)

種子萌發(fā)對(duì)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要,是植物生命周期的開始,是作物產(chǎn)量的先決條件。種子內(nèi)源ABA和GAs激素相對(duì)含量及其信號(hào)傳遞組分是決定種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素[63]。在種子吸水萌發(fā)時(shí),GAs開始合成[64]。研究發(fā)現(xiàn),擬南芥種子吸水初期ABA含量迅速下降,導(dǎo)致ABI5在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平都相應(yīng)下降,在吸水后的12～24 h甚至檢測(cè)不到。此時(shí),若添加外源ABA或環(huán)境滲透壓突然變化誘導(dǎo)合成ABA,ABI5能重新合成并迅速富集,從而延遲胚的發(fā)育并阻止胚乳弱化和種皮破裂。然而,這種ABA依賴的抑制效應(yīng)僅僅發(fā)生在種子吸水后48 h內(nèi)[65]。

GAs是重要的植物生長(zhǎng)促進(jìn)型激素,它能促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)。GA缺失突變體植株嚴(yán)重矮化。GAs在促進(jìn)擬南芥、番茄等種子萌發(fā)方面主要有2個(gè)作用：首先,GA對(duì)于種胚克服周圍組織(如糊粉層和種皮)的機(jī)械束縛是必需的[66],擬南芥GA缺陷突變體的種子不能萌發(fā),只要去除包裹在種胚周圍組織的束縛,種胚就可以繼續(xù)發(fā)育成矮化植株,說明GA能夠削弱周圍組織對(duì)種胚的物理約束而促進(jìn)胚根伸長(zhǎng)[66];其次,GA增加了種胚的生長(zhǎng)潛能,擬南芥GA缺陷突變體中種胚的生長(zhǎng)速率大大降低。在番茄種子中已鑒定出受GA誘導(dǎo)的與細(xì)胞壁松弛相關(guān)的基因,如編碼內(nèi)切甘露聚糖酶、木葡聚糖內(nèi)切轉(zhuǎn)糖基酶/水解酶基因等,其中一部分基因在胚根周圍的珠孔胚乳帽中特異性表達(dá)[67-68]。

Ogawa等[69]研究了擬南芥種子萌發(fā)過程GA合成基因和GA含量的變化特征,該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GA4可能是種子萌發(fā)時(shí)胚芽中主要的活性GA分子;在種子吸水后的24～32 h檢測(cè)到GA4水平顯著增加,此時(shí)觀察到胚根剛剛開始伸長(zhǎng),這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)GA在種子萌發(fā)后期起關(guān)鍵作用。與GA4水平增加一致,在種子吸水后,GA生物合成相關(guān)基因的表達(dá)水平也上調(diào),不同GA合成酶表達(dá)譜不同[70]。AtKO1(ent-kaurene oxidase 1)和AtGA3ox1 (GA 3-oxidase 1)基因在吸水后表達(dá)水平逐漸增強(qiáng),8 h達(dá)到最高值,隨后表達(dá)水平下降[71]。編碼GA3-氧化酶的2個(gè)基因AtGA3ox1和AtGA3ox2展示出不同的表達(dá)模式。AtGA3ox2的表達(dá)趨勢(shì)與GA4含量的變化趨勢(shì)相一致,表明該基因主要負(fù)責(zé)合成活性GA分子[72]。

擬南芥GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑組分已經(jīng)得到分離鑒定。GA與其受體GID1(GA-insensitive dwarf 1)結(jié)合,促進(jìn)萌發(fā)抑制因子RGL2(RGA-LIKE 2)與F-box蛋白SLY1(SLEEPY1)相互作用,導(dǎo)致RGL2被泛素標(biāo)記,隨后被蛋白酶體識(shí)別和降解[73-74]。RGL2蛋白在N端具有高度保守的DELLA結(jié)構(gòu)域,在擬南芥中還存在其他4種DELLA蛋白——GAI(GA-insensitive)、RGA(repressor-of-GA1-3)、RGL1和RGL3[75]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在光照條件下,rgl2功能突變后在較低GA水平下(在GA生物合成抑制劑處理時(shí)或在自身不能合成GA的突變體材料中)種子能正常萌發(fā),而在黑暗條件下,GAI和RGA蛋白的抑制功能是必要的,因?yàn)樵趃a1-3背景下只有三重突變體gai/rga/rgl2種子才能萌發(fā),這表明RGL2蛋白是GA介導(dǎo)種子萌發(fā)的關(guān)鍵抑制因子[76]。當(dāng)體內(nèi)GA含量低時(shí),RGL2蛋白累積使RING-H2型鋅指蛋白XERICO表達(dá),進(jìn)而增強(qiáng)ABA生物合成,導(dǎo)致種子萌發(fā)受抑制。相反,高水平ABA不僅促進(jìn)ABI5蛋白的富集和活性,而且誘導(dǎo)RGL2基因高表達(dá)。用GA生物合成抑制劑處理rgl2突變體種子,萌發(fā)過程中檢測(cè)到較低的ABI5水平,推測(cè)rgl2基因突變引起內(nèi)源ABA含量下降,從而使ABI5基因表達(dá)水平下降,最終實(shí)現(xiàn)種子萌發(fā)[77]。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí),DELLA蛋白中只有RGL2蛋白影響ABI5基因的表達(dá)[77]。

研究表明,GID1和SLY1正向調(diào)控種子萌發(fā)。擬南芥存在3個(gè)GA受體——GID1a、GID1b、GID1c[78]。gid1abc三重突變體不能萌發(fā),表明GA受體在調(diào)控種子萌發(fā)中發(fā)揮重要作用。SLY1也是GA信號(hào)正調(diào)控因子。SLY1功能缺失的擬南芥突變體植株矮小,種子高度休眠[79]。盡管sly1突變體比ga1-3或gid1abc突變體積累更多的DELLA蛋白,但它們表現(xiàn)出較弱的GA不敏感表型,這表明雖然DELLA蛋白水平較高,但sly1突變體中仍進(jìn)行著GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。sly1-2突變體種子可以通過2種機(jī)制來恢復(fù)其萌發(fā),即過量表達(dá)GID1基因和延長(zhǎng)后熟過程。在sly1-2突變體中,分別過表達(dá)GID1a、GID1b和GID1c(GID1-OE)后,能夠部分恢復(fù)sly1-2種子萌發(fā)表型,這是由于GID1的過表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)GID1-GA-DELLA復(fù)合物增加,相應(yīng)降低DELLA蛋白水平,表明在沒有SLY1介導(dǎo)DELLA降解的情況下GID1可以使DELLA阻遏物失活[80-81]。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),相比GID1a-OE和GID1c-OE,GID1b-OE恢復(fù)sly1-2種子萌發(fā)的能力更強(qiáng),可能是因?yàn)镚ID1b對(duì)GA和DELLA具有更高的親和力[81]。通常erecta野生型種子后熟期是2周,而sly1-2突變體需要1～2 a的后熟期才能解除休眠。sly1-2突變體后熟過程導(dǎo)致GAs激素水平上升和GID1b蛋白水平升高,通過形成GID1-GA-DELLA復(fù)合物使DELLA失活。以上結(jié)果表明,擬南芥sly1突變體中的DELLA抑制可以通過非蛋白水解機(jī)制解除[82]。

3 其他植物激素對(duì)種子休眠和萌發(fā)的影響

研究發(fā)現(xiàn),除ABA和GAs外,IAA、ETH、BR、CTK、JA等都參與種子休眠和萌發(fā)的調(diào)控[83]。

生長(zhǎng)素對(duì)種子休眠有正向調(diào)控作用,以依賴ABA的方式影響種子休眠,在高鹽的條件下,外源生長(zhǎng)素能夠抑制擬南芥種子萌發(fā)[84]。早期研究發(fā)現(xiàn),IAA處理能延緩小麥種子萌發(fā)和抑制穗發(fā)芽[85]。過量表達(dá)生長(zhǎng)素合成基因iaaM時(shí),轉(zhuǎn)基因擬南芥植株表現(xiàn)為較高的IAA含量,其種子休眠程度較高。反之,當(dāng)生長(zhǎng)素合成基因(yuc1/yuc6)或其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分(tir1/afb3和tir1/afb2)突變后,種子的休眠程度大大降低[2]。遺傳分析表明,ABI3是生長(zhǎng)素介導(dǎo)的調(diào)控種子休眠和萌發(fā)所必需的。當(dāng)IAA水平較低時(shí),生長(zhǎng)素應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子ARF10和ARF16被AXR2/3抑制;因此,ARF10/ARF16不能激活A(yù)BI3基因的表達(dá),種子不能保持休眠狀態(tài)[86]。相反,當(dāng)IAA水平高時(shí),ARF10和ARF16被釋放去激活A(yù)BI3基因轉(zhuǎn)錄,種子能維持休眠。ARF10和ARF16可能不直接結(jié)合到ABI3基因啟動(dòng)子序列,它們可能招募或激活其他的種子特異性轉(zhuǎn)錄因子激活A(yù)BI3表達(dá),需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步鑒定ARF10/16-ABI3調(diào)控通路中缺失的組分[86]。

研究表明,ETH能打破種子休眠并促進(jìn)種子萌發(fā),抵消ABA的作用[87]。擬南芥ETH信號(hào)通路的正調(diào)節(jié)因子突變能導(dǎo)致種子深度休眠,而負(fù)調(diào)控因子CTR1(Constitutive Triple Response 1)突變后種子能快速萌發(fā)[88]。多項(xiàng)研究已證實(shí),ETH負(fù)調(diào)控ABA生物合成和信號(hào)途徑,而且ETH可能通過不依賴ABA/GA途徑影響種子萌發(fā)。擬南芥組蛋白去乙酰復(fù)合物組分SNL1(sin3-like 1)結(jié)合組蛋白去乙?；窰DA19,調(diào)控組蛋白H3K9K18的乙?；?影響基因轉(zhuǎn)錄[89]。SNL1/SNL2功能缺失影響ABA和ETH相關(guān)基因的表達(dá),增強(qiáng)ETH對(duì)ABA的拮抗作用,降低種子休眠[90]。然而,擬南芥ETH受體ETR1(ethylene response 1)和ETR2突變體在鹽脅迫下響應(yīng)ABA應(yīng)答時(shí)表現(xiàn)為相反的表型,etr1-6功能缺失突變體的萌發(fā)情況比野生型好,而etr2-3功能缺失突變體的萌發(fā)情況比野生型差[91]。因此,ETR1和ETR2在植物細(xì)胞中同時(shí)具有依賴ETH和獨(dú)立于ETH通路的2種機(jī)制,進(jìn)而影響鹽脅迫處理下種子的萌發(fā)。

BRs是一種促進(jìn)生長(zhǎng)的植物激素。對(duì)擬南芥BR缺失突變體的研究發(fā)現(xiàn),BR可拮抗ABA對(duì)種子萌發(fā)的抑制,促進(jìn)種子發(fā)芽[92]。MFT(mother of FT and TFL1)在ABA和BRs調(diào)控種子萌發(fā)中發(fā)揮重要作用[93]。擬南芥中多個(gè)BR信號(hào)組分通過調(diào)控ABI5將BR信號(hào)途徑與ABA信號(hào)途徑相關(guān)聯(lián)。BIN2(brassinosteroid insensitive 2)是BR信號(hào)的關(guān)鍵抑制因子,它具有激酶活性[94]。在ABA存在下,通過磷酸化使ABI5蛋白保持穩(wěn)定,進(jìn)而參與ABA信號(hào)介導(dǎo)的種子萌發(fā)過程。而活性BRs會(huì)抑制BIN2和ABI5的互作[95]。BZR1是BR信號(hào)通路的核心轉(zhuǎn)錄因子,BZR1可以結(jié)合在ABI5啟動(dòng)子的G-box區(qū),抑制ABI5表達(dá)并導(dǎo)致植物對(duì)ABA不敏感[96]。BES1是BZR1的同源蛋白,它可以直接通過與ABI5蛋白相互作用,影響ABI5的轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性,導(dǎo)致ABI5調(diào)控的下游基因表達(dá)水平降低,對(duì)ABA處理不敏感,最終促進(jìn)種子萌發(fā)[97]。

CTK的作用是促進(jìn)細(xì)胞分裂[98]。擬南芥種子萌發(fā)時(shí)能夠下調(diào)ABI5轉(zhuǎn)錄并誘導(dǎo)ABI5蛋白降解,實(shí)現(xiàn)拮抗ABA的作用[99-100],說明ABI5是關(guān)聯(lián)CTK-ABA通路的重要因子。盡管CTK正調(diào)控種子萌發(fā),但是CTK受體功能缺失的突變體休眠程度降低,說明CTK調(diào)控種子萌發(fā)的機(jī)制比較復(fù)雜[101]。SA是經(jīng)典的植物防御激素,正常生長(zhǎng)條件下,SA通過抑制受GA誘導(dǎo)的α-淀粉酶的表達(dá)來抑制萌發(fā)[102];然而在高鹽脅迫下,SA可以減少氧化性損傷,從而促進(jìn)擬南芥種子萌發(fā)[103],SA調(diào)控種子萌發(fā)的分子機(jī)制仍待解析。外源施加JA可抑制種子萌發(fā)[104],但小麥中研究發(fā)現(xiàn),JA和ABA之間存在拮抗作用,即JA抑制ABA合成基因的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)ABA失活基因的表達(dá)[105]。擬南芥的2個(gè)JA信號(hào)途徑突變體coi1-16和jar1萌發(fā)時(shí)表現(xiàn)為ABA超敏感表型[106]。獨(dú)角金內(nèi)酯是由類胡蘿卜素衍生的植物激素,它能誘導(dǎo)根寄生植物種子的萌發(fā);在特定環(huán)境條件下,它通過影響內(nèi)源ABA和GAs激素相對(duì)含量促進(jìn)擬南芥種子萌發(fā)。研究表明,獨(dú)角金內(nèi)酯的關(guān)鍵信號(hào)通路組分會(huì)影響種子萌發(fā),如擬南芥SMAX1和水稻OsD53[107-108]。

4 總結(jié)與展望

通過對(duì)模式植物突變體的研究,確立了激素調(diào)控種子休眠和萌發(fā)的關(guān)鍵基因和核心信號(hào)通路,特別是對(duì)ABA和GA調(diào)控機(jī)制的研究越來越深入,并構(gòu)建了分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。IAA、ETH、BR、CTK、JA等通過調(diào)控ABA或GA通路中的信號(hào)組分影響種子休眠和萌發(fā)。然而,種子休眠和萌發(fā)是復(fù)雜的生物學(xué)過程,仍存在未知的科學(xué)問題需要進(jìn)一步探索。

圖1 激素調(diào)控種子休眠和萌發(fā)示意圖Fig.1 A schematic model for seed dormancy and germination regulated by phytohormones

最近研究人員嘗試從全新的角度結(jié)合多種技術(shù)手段研究種子休眠和萌發(fā)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),許多染色質(zhì)重塑因子在調(diào)控種子休眠方面發(fā)揮作用。例如,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶基因KYP/SUVH4受ABA抑制,而組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶基因HvGNAT/MYST受ABA誘導(dǎo)[29]。這些研究揭示了表觀遺傳調(diào)控相關(guān)基因在種子成熟過程中起著關(guān)鍵作用,進(jìn)而影響種子休眠的建立過程。由此推測(cè),種子休眠的維持可能與染色質(zhì)某些區(qū)域的特征性結(jié)構(gòu)有關(guān),即使在相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子存在的情況下,由于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)空間位阻的存在使萌發(fā)基因的調(diào)控序列無法與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,因此,基因也不能被轉(zhuǎn)錄。相反,休眠解除通常需要冷分層或后熟處理,在這一過程中種胚染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,使促進(jìn)萌發(fā)的基因可發(fā)生轉(zhuǎn)錄。Dorone等[109]通過篩選擬南芥干種子中表達(dá)水平較高的蛋白編碼基因,鑒定到FLOE1蛋白,它在種胚發(fā)育過程中基因表達(dá)逐漸增強(qiáng),在種子成熟干燥后達(dá)到峰值;FLOE1蛋白能夠感受環(huán)境水分變化,引發(fā)可逆的水合依賴性相分離(即在彌散、液滴和固體凝膠態(tài)之間的轉(zhuǎn)換),進(jìn)而調(diào)節(jié)種子萌發(fā)。FLOE1蛋白的發(fā)現(xiàn)為研究種子萌發(fā)提供了新的思路,也為抗旱作物設(shè)計(jì)并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新的方向。此外,田志喜團(tuán)隊(duì)與合作者利用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到一個(gè)控制大豆種皮綠色的G基因[110],在大豆馴化過程中G基因受到平衡選擇,與大豆種子休眠減弱相關(guān);遺傳實(shí)驗(yàn)證明該基因在水稻和擬南芥中均參與調(diào)控種子休眠;生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,G蛋白可能通過與ABA生物合成蛋白NCED3、PSY相互作用,調(diào)節(jié)ABA在種子中的累積,從而影響種子休眠。G基因的研究為從馴化的角度理解種子休眠特性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

未來科研人員可以從更多層面探索種子休眠和萌發(fā)的調(diào)控機(jī)制,組學(xué)技術(shù)發(fā)展和基因編輯技術(shù)的應(yīng)用有助于解析種子休眠和萌發(fā)中未知的科學(xué)問題,進(jìn)一步完善激素調(diào)控種子休眠和萌發(fā)的分子機(jī)制。