影響草坪種子萌發(fā)的內(nèi)因述評

宋采博　王　波　榮秀連

摘要：在草坪建植中，種子萌發(fā)特性直接影響建坪的速度和質(zhì)量。本文從種子自身結(jié)構(gòu)、內(nèi)源激素及胚的休眠與后熟等方面綜述了對種子萌發(fā)的影響。認(rèn)為種子自身是影響胚萌發(fā)的主要因素，且受許多基因調(diào)控和環(huán)境因子的影響。應(yīng)重視種子對嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)的研究，從分子水平上闡述其對嚴(yán)酷生境的適應(yīng)機(jī)制。

關(guān)鍵詞：種子萌發(fā)；內(nèi)因；影響因素

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，人們對環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，越來越注重構(gòu)建環(huán)境友好、各生態(tài)因子和諧的生態(tài)系統(tǒng)。因此，加快對宕口、高速公路、高等級公路護(hù)坡的綠化顯得很迫切。但上述生境較為嚴(yán)酷，如何使草坪草種子迅速萌發(fā)、扎根，進(jìn)而生長，關(guān)鍵是種子萌發(fā)的內(nèi)因，這些內(nèi)部因素主要是指種子自身是否具有足夠的儲備和是否具有利用這些儲備在接受外部信號后啟動各種生命活動的生物化學(xué)反應(yīng)的能力。

1 種子結(jié)構(gòu)對種子萌發(fā)的影響

吸脹過程是種子萌發(fā)的初級階段，胚外周的胚乳、種皮和果皮等結(jié)構(gòu)，它們對胚有營養(yǎng)、保護(hù)等功能，但它們的存在往往使胚得不到足夠的水分和充足的氧氣，阻礙了萌發(fā)。

除去硬實種皮或使種皮破裂，種子即可迅速吸水而萌發(fā)。硬實可以通過擦破種皮或果皮、濃硫酸浸泡、低溫或輻射處理而破除?；哪参镓堫^刺當(dāng)年收獲的種子硬實率高達(dá)50%以上，削切種皮可以有效破除硬實。熱水浸種、砂擦處理、濃硫酸浸泡均對刺槐種子的硬實現(xiàn)象有破除作用。用熱水浸種24小時，能使種子發(fā)芽率達(dá)79.33%。熱水浸種同樣可以提高麻黃種子的萌發(fā)率。甘草種子種皮角質(zhì)硬實，自然發(fā)芽率為10%~20%，98.3%濃硫酸浸種60分鐘，發(fā)芽率可提高到82.1%；1%氫氧化鈉浸種24小時，發(fā)芽率可提高到80.2%；用紫外線照射15~60分鐘或用32.68nm波長的激光連續(xù)照射，發(fā)芽率也比對照提高25%。

種皮抑制萌發(fā)表現(xiàn)在不透氣性。蒼耳果實內(nèi)含2粒種子，上位種子不透氣，在空氣中氧氣濃度為21%的條件下才能萌發(fā)；下位種子對氧的透氣性大，6%氧氣條件下即可萌發(fā)。埋存于地下的古蓮種子休眠可以達(dá)幾百年甚至上千年，堅硬的種殼阻止氧氣進(jìn)入是重要的原因。

種皮的存在對胚發(fā)育還常常起到機(jī)械的阻礙作用，繁枝莧等植物種皮雖然對水分有透過性，但堅硬的種皮使胚根不能穿過，從而抑制萌發(fā)。藏嵩草的完整種子在室內(nèi)和野外的萌發(fā)率分別為4%和2%，而剝?nèi)シN皮后種子萌發(fā)率達(dá)47.3%，種皮堅硬是造成一些植物種子萌發(fā)率低的主要原因。

2 種子內(nèi)含植物激素對種子萌發(fā)的影響作用

種子本身往往含有種子萌發(fā)生化過程的調(diào)節(jié)物——激素，因此被推崇為首要的萌發(fā)因子。激素執(zhí)行其生物學(xué)功能的過程實際上是一個細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程，通過信息傳導(dǎo)對種子內(nèi)的各種生理變化做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)種子內(nèi)部一系列蛋白質(zhì)、酶的代謝，從而控制種子的萌發(fā)。

迄今利用大量影響種子休眠和萌發(fā)的相關(guān)突變體研究發(fā)現(xiàn)，在種子休眠獲得或解除過程中起關(guān)鍵作用的內(nèi)源信號分子即是脫落酸(Abscisic acid,ABA)和赤霉素(Gibberellin acid, GA)。其中，ABA促進(jìn)種子貯藏蛋白和脂肪的合成，促進(jìn)種子脫水耐性和種子休眠的獲得，抑制種胚萌發(fā)；而GA促進(jìn)α-淀粉酶、核酸酶、蛋白水解酶、ATP酶等的表達(dá)，解除種子休眠，促進(jìn)萌發(fā)。種子休眠或萌發(fā)取決于這2種激素的平衡。

2.1 ABA誘導(dǎo)種胚細(xì)胞停止分裂、啟動和維持種子休眠

ABA調(diào)控植物發(fā)育的許多方面，包括種子貯存蛋白和脂類的合成，提高種子抗旱性，促進(jìn)休眠，抑制種子萌發(fā)和植株再生等。種子發(fā)育的全過程包括種胚發(fā)育和種子成熟2個階段。種子成熟階段受ABA信號誘導(dǎo)，細(xì)胞分裂停止，貯藏物質(zhì)積累，獲得脫水耐性，種胚進(jìn)入休眠狀態(tài)。Wang等的研究結(jié)果表明，ABA誘導(dǎo)種胚細(xì)胞內(nèi)依賴周期蛋白的激酶抑制物(Cyclin-dependent kinase inhibitor, ICKI)的表達(dá)，使細(xì)胞周期停滯于G1期不能進(jìn)入S期。Liu等報道，番茄ABA缺陷型突變體成熟種子由于缺乏ABA，使胚細(xì)胞不能受阻于G1期，直接通過S期后停滯于G2期，因此比野生型種子具有更高比例的G2期細(xì)胞(4C DNA)，這些例證表明內(nèi)源ABA是使胚細(xì)胞停滯于G1期所必需的信號分子。

Karssen等發(fā)現(xiàn)擬南芥種胚在成熟過程中出現(xiàn)2個ABA峰，第1個峰來源于母體，第2個峰主要來源于種胚自身的合成，而第2個峰的ABA對抑制擬南芥未成熟胚的萌發(fā)極為重要。FUS3和LEC基因調(diào)節(jié)種胚的生長與停滯，這些基因的突變導(dǎo)致種胚和胚乳細(xì)胞分裂不停止，種胚持續(xù)生長。Raz等報道在FUS3和LEC突變體種子發(fā)育過程中，ABA含量比野生型低3倍，這使其種子表現(xiàn)很高的胎萌性。在野生型擬南芥種子中，胚性ABA累積，誘導(dǎo)種子進(jìn)入休眠，并維持休眠狀態(tài)。比較向日葵、大麥、白花煙草的休眠和無休眠種子內(nèi)源激素的差異，可知種子休眠的維持還與吸脹過程中ABA的重新合成有關(guān)。Kawaka-mi等發(fā)現(xiàn)3個無休眠性的小麥突變體，其ABA含量正常，但其種胚失去對ABA的敏感性,此外LEC1突變也嚴(yán)重降低了ABA的敏感性。上述例證表明種胚中ABA含量及其對ABA的敏感性在誘導(dǎo)和維持種子休眠中起著關(guān)鍵作用。

2.2 GA啟動和促進(jìn)種子萌發(fā)

萌發(fā)過程開始于種子吸水，結(jié)束于胚軸伸長及胚根突出種皮。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥GA缺陷型突變體如ga1-3和ga1-2的有活力種子在適宜的發(fā)芽條件下不能萌發(fā)；GA合成抑制劑如Paclobutrazol(pp333)和Uniconazole(S-3307)，也抑制種子的萌發(fā)這些實例均表明種子吸脹后胚根突出種皮需要新的GA合成。在促進(jìn)種子萌發(fā)中GA至少起到2種信號作用：第一是軟化種胚周圍的組織，克服種皮機(jī)械限制；第二是促進(jìn)種胚的生長。在番茄種子中，GA誘導(dǎo)與細(xì)胞壁松弛有關(guān)的基因如內(nèi)β-甘露聚糖酶基因、木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶/水解酶基因、擴(kuò)展蛋白基因、β-1,3-葡聚糖酶基因和幾丁質(zhì)酶基因等表達(dá)，且其中的某些基因只在與胚根對應(yīng)的株孔處特異表達(dá)。

2.3 ABA與GA在調(diào)控種子休眠和萌發(fā)中的互作

在調(diào)控種子休眠和萌發(fā)中，ABA和GA起到相反的作用。Koornneef等報道擬南芥ABA缺陷型突變體種子體眠性降低。Debeaujon等報道GA缺陷型擬南芥突變體種子休眠性增強(qiáng)，需用外源GA才能萌發(fā)，而去除種皮可解除這種需要，因為種皮發(fā)芽障礙和ABA引起的胚休眠需要GA來克服。ABA和GA雙缺陷型突變體種子具有萌發(fā)能力，表明種胚中GA與ABA在調(diào)節(jié)過程中存在相互拮抗關(guān)系。在煙草中，GA與種皮、胚乳裂解導(dǎo)致的休眠解除相關(guān)，GA促進(jìn)與休眠解除有關(guān)的報告基因β-1,3-葡聚糖酶基因的表達(dá)，促進(jìn)種子萌發(fā)，而ABA延遲胚乳裂解、種皮破裂，抑制β-GLUⅠ基因的誘導(dǎo)，保持種子處于休眠狀態(tài)。

2.4 其他植物激素對種子萌發(fā)的影響

除了ABA和GA對種子萌發(fā)有影響外，其他植物激素如乙烯(Ethylene,ETH)和細(xì)胞分裂素(Cytokinin,CTK)對種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育的影響也有報道。

CTK在參與種子萌發(fā)過程中最明顯的作用是，當(dāng)它與抑制物質(zhì)，特別是ABA同時使用時表現(xiàn)出與ABA拮抗作用。各種濃度的GA打破休眠的作用受ABA抑制，而ABA的抑制效應(yīng)又被CTK所克服。因此認(rèn)為，CTK具有促進(jìn)GA起作用的“許可”作用。

ETH對種子萌發(fā)的調(diào)控作用也是很重要的方面，利用乙烯生物合成前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸處理水浮蓮種子，明顯提高了發(fā)芽率，說明有了乙烯合成前體，加速ETH合成，提高了發(fā)芽率。另外，加入乙烯生物合成抑制劑——氨基氧乙酸，則能夠明顯抑制了其種子的萌發(fā)。

3 胚休眠與后熟

種子的萌發(fā)與胚的休眠密切相關(guān)。有些植物的種子脫離母體時尚未成熟，處于休眠狀態(tài)。在休眠期，胚經(jīng)過形態(tài)和組織上的進(jìn)一步變化才能成熟，達(dá)到可以萌發(fā)的狀態(tài)，如列當(dāng)科的部分植物。也有些植物種子的胚在形態(tài)和組織上已經(jīng)成熟，但是要萌發(fā)還必須經(jīng)過后熟。這些植物只有經(jīng)過一段特殊的處理后才能萌發(fā)。使需要后熟的種子萌發(fā)，溫度是一個重要的影響因素。后熟對溫度的要求一般分2種情況：一是常溫，種子含水量較低時進(jìn)行后熟，經(jīng)干藏后種子才能萌發(fā)。例如鳳仙花隨干藏天數(shù)的增加，萌發(fā)加速，萌發(fā)率提高。二是低溫，這些種子要求先經(jīng)過一段時間的低溫，即春化作用，然后才能在適宜的環(huán)境下萌發(fā)。如低溫可以打破沙鞭種子的休眠。沙鞭種子在秋天成熟，它們需要經(jīng)過冬天至少一個月的低溫層積來打破休眠。

種子的不同部位常常不是一起經(jīng)過休眠階段的，牡丹種子屬于典型的上胚軸休眠型，當(dāng)種子生根后，若不變化條件，則一直保持生根生長，雖然中胚軸和上胚軸有所膨大，但上胚軸不會生長出芽，只有經(jīng)過冬季低溫，翌年才開始生長。

4 展望

種子萌發(fā)是植物生活史的重要階段。每一種植物在長期的進(jìn)化歷史中都演化出了與其生境相適應(yīng)的萌發(fā)對策。目前的工作大量集中在生理生態(tài)方面的研究，但是植物在環(huán)境中的適應(yīng)性，這方面的報道較少。所以今后工作：一方面重視環(huán)境對種子萌發(fā)的影響；另一方面要重視植物生理生化方面的研究，特別在分子水平上來改變植物對不良環(huán)境的適應(yīng)，為今后土地荒漠化和鹽堿化的改善提供理論基礎(chǔ)。（收稿：2008-09-04）