植物種子萌發(fā)的生物力學(xué)

周 峰，王海鷗，華 春，吳雨龍，汪振炯

(1.南京曉莊學(xué)院食品科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171;2.江蘇省高校特殊生物質(zhì)廢棄物資源化利用重點建設(shè)實驗室，江蘇 南京 211171)

植物生物力學(xué)是一個多學(xué)科領(lǐng)域。植物細(xì)胞的機(jī)械特性主要是來自細(xì)胞壁、細(xì)胞、組織和器官的特性，而且很大程度上依賴水分含量。植物的生活史有幾個階段是基于生物力學(xué)，比如種子萌發(fā)、受精作用、花粉管形成等。種子萌發(fā)始于靜態(tài)的吸脹作用，然后種子胚軸伸長，最終被覆物破裂胚根出現(xiàn)完成種子萌發(fā)。從生物力學(xué)角度看，種子萌發(fā)的完成依賴于2個相反作用力的平衡，即胚軸(胚根-下胚軸生長區(qū))的生長潛力，即胚生長產(chǎn)生由內(nèi)向外“頂”的力；種子被覆物包括胚乳、種皮或果皮的阻力[1]。由于細(xì)胞壁組成和吸水能力不同，種子各組織的動力學(xué)特性也不一樣。種子萌發(fā)過程中胚細(xì)胞生長的動力學(xué)主要是種子吸收水分后，膨壓減小，細(xì)胞壁組織發(fā)生不可逆的松弛。這導(dǎo)致胚伸長和胚根形成。被子植物中，胚根出現(xiàn)前胚乳弱化(endosperm weakening)是一個普遍現(xiàn)象。生物化學(xué)和生物力學(xué)研究表明，胚乳弱化可減少珠孔的穿透阻力，這受環(huán)境和激素調(diào)控，包括一些組織特異性細(xì)胞壁重塑蛋白質(zhì)的表達(dá)，如擴(kuò)展蛋白、水解酶和直接作用的質(zhì)外體活性氧(apoplastic reactive oxygen species, aROS)。胚乳弱化的生物力學(xué)及生物化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)珠孔端胚乳(micropylar endosperm, ME)和合點端胚乳(chalazal endosperm, CE)區(qū)是不同的。在ME處，主要通過細(xì)胞壁松弛、細(xì)胞分離和細(xì)胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)使得ME局部組織抗性減弱、自溶，最終形成ME以利于胚根出現(xiàn)[1]。關(guān)于種子萌發(fā)的分子調(diào)控、代謝變化和激素信號互作已有報道[2]，本文將種子作為生物材料，通過生物力學(xué)從機(jī)械角度闡述種子萌發(fā)機(jī)制。

1 生物學(xué)材料特性

生物材料通常是復(fù)合材料，主要是由聚合物纖維嵌入到蛋白質(zhì)基質(zhì)中形成的。大多數(shù)生物材料展現(xiàn)出的機(jī)械特性遠(yuǎn)超用合成材料加工的。植物細(xì)胞壁是由纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)構(gòu)成的。這種剛性結(jié)構(gòu)和原生質(zhì)體的滲透特性是細(xì)胞、組織和器官機(jī)械特性的基礎(chǔ)。生物材料的機(jī)械特性不僅由組成成分的材料性質(zhì)決定，結(jié)構(gòu)的特殊排列也會影響機(jī)械特性。比如很多生物材料由于纖維的數(shù)量、排列和取向不同其機(jī)械特性也不同。生物材料特殊的機(jī)械性能在于它們從分子到宏觀的不同水平和層次組織，所以與鋼材相比木材具有高性能的特殊強(qiáng)度。這種特殊性能至少由5種結(jié)構(gòu)水平上的排列決定：積分(幾何生物軸)、超微結(jié)構(gòu)(細(xì)胞壁結(jié)構(gòu))、微觀(細(xì)胞結(jié)構(gòu))、宏觀(組織結(jié)構(gòu))和生化組成(細(xì)胞壁組分)[3]。

材料對外載荷一般表現(xiàn)為3種類型：彈性行為(elastic behaviour)：可恢復(fù)變形；塑性行為(plastic behaviour)：不可恢復(fù)的變形；粘彈性行為(viscoelastic behaviour)：隨時間變化而變形。生物材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對外載荷的響應(yīng)表現(xiàn)出更為復(fù)雜的力學(xué)行為。大多數(shù)生物材料一般都表現(xiàn)出粘彈性行為，因為它們確實有粘性成分，并且表現(xiàn)出隨時間變化的行為。粘彈性材料的另一個特征是蠕變(creep)。蠕變是當(dāng)應(yīng)力作用時間延長發(fā)生的緩慢塑性變形，但大多數(shù)生物材料都是在正常負(fù)載條件下彈性范圍內(nèi)起作用。此外生物材料具有各向異性(anisotropic)，這意味著不同加載方向生物材料的機(jī)械性能會不同。結(jié)合生物學(xué)家和材料學(xué)家的觀點，結(jié)構(gòu)和力學(xué)研究將為了解植物等生物材料提供新方法。已有報道把這種方法應(yīng)用到了種子劣變機(jī)制研究[3]。

2 種子萌發(fā)的生物物理學(xué)

大多數(shù)被子植物的成熟種子二倍體胚被一層或多層種子被覆物包裹著。這些被覆物一般是由生活的三倍體胚乳和已經(jīng)死亡的二倍體種子組成，它們對種子萌發(fā)具有重要調(diào)控作用。食品科學(xué)中主要研究種子的斷裂韌性、沖擊損傷、拉伸和壓縮，在豌豆、橄欖、核桃、向日葵、孜然和小麥的種子或果實已測得這些參數(shù)。這些研究結(jié)果確定了水分含量對機(jī)械性能的影響。總體趨勢是水分含量的增加降低了種子的斷裂韌性，而調(diào)控種子萌發(fā)的主要因素是種皮、胚乳弱化和胚生長潛力。番木瓜(Caricapapaya)種子的種皮開裂是其發(fā)芽過程中的第一個標(biāo)志，然后就是胚乳破裂。去除種皮能打破種子休眠，而熱休克發(fā)芽刺激處理和脫落酸(abscisic acid, ABA)發(fā)芽抑制處理沒有改變種皮力學(xué)[4]。

種子的最外層被覆物大多數(shù)是由已經(jīng)死亡的組織(種皮、果皮)構(gòu)成，它們可與外界環(huán)境相互聯(lián)系，保護(hù)胚抵抗外界不利環(huán)境因素。它們的一個機(jī)械作用就是通過種皮限制休眠(coat-imposed seed dormancy)調(diào)控種子萌發(fā)時間。很多植物在死亡的組織(種皮、果皮)和胚之間有一層或多或少的生活胚乳組織。胚乳、種皮除了提供機(jī)械屏障外，它們還具有調(diào)控或抑制水分吸收，阻止胚生長的抑制劑(如ABA)的去除，阻止氣體交換以在胚內(nèi)引起氧缺乏。例如家獨行菜(Lepidiumsativum)種子在種皮和胚乳破裂前，種皮和胚乳能阻止產(chǎn)生乙烯所需的氧氣吸收[5]。非休眠(nondormant,ND)種子和果實以及生理型(physiological,PD)、形態(tài)型(morphological,MD)、生理形態(tài)型休眠(morphophysiological,MPD)中，被覆物可調(diào)控吸脹吸水的速率和水分空間分布。只有在物理型休眠(physically dormant,PY)類型中，被覆物才能阻止吸脹作用，阻止水分吸收是PY型種子的標(biāo)志。很多豆科植物種皮密不透水是由于它們的種皮有木質(zhì)化的次生細(xì)胞壁形成的一層或多層?xùn)艡诮M織。種子的柵欄組織內(nèi)充滿了防水物質(zhì)包括木質(zhì)素、木栓質(zhì)、醌類和酚類等[6]。

蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)種子的KNOX4(KNOTTED-like homeobox)基因和大豆種子的GmHs1-1基因編碼一種鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶蛋白能夠調(diào)控種子不透水性、堅實程度和物理型休眠[7]。PY型種子如裂葉牽牛(Ipomoeahederaceae)和白星薯(Ipomoealacunosa)在珠孔等天然開口的區(qū)域能形成特殊的水孔器(water-gap)結(jié)構(gòu)[6]，阻止水分進(jìn)入。在適宜的環(huán)境條件下，水孔器打開，形成水通道讓水分進(jìn)入，這時物理型休眠被解除，種子萌發(fā)[8]。裂葉牽牛在濕熱條件下萌發(fā)，而白星薯是在干熱條件下萌發(fā)，兩者種子通過種臍上端的裂隙吸收水蒸氣，種臍墊(hilar pad)能夠吸收水分并且在吸水后膨脹，使原有的種臍間隙閉合。而高溫情況下水蒸氣氣壓上升，最終使種皮開裂、休眠解除[6]。而在野老鸛草(Geraniumcarolinianum)種子中，受低溫影響會在柵欄層和亞柵欄層產(chǎn)生不同的機(jī)械拉力，其中比較弱的一部分柵欄層組織會產(chǎn)生強(qiáng)烈收縮形成微裂紋。水分通過這些微裂紋進(jìn)入后，由于柵欄層膨脹和拉力作用會導(dǎo)致柵欄層分離。這反過來又會形成水皰(blister)激活珠孔周圍預(yù)先形成的閥瓣(hinged valve)，閥瓣的去除最終導(dǎo)致覆蓋在水孔器邊緣的柵欄層被撕裂[8]。

3 胚生長的生物力學(xué)

植物細(xì)胞有剛性的細(xì)胞壁，加上水分進(jìn)入液泡形成的膨壓，給植物提供了穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境。而植物生長需要按照一定的模式。植物的初生細(xì)胞壁基本上可以認(rèn)為是一種非線性粘彈性材料，可塑性擴(kuò)張。細(xì)胞不可逆增大是通過細(xì)胞壁膨壓釋放促進(jìn)水分吸收完成的。當(dāng)細(xì)胞壁松動時，細(xì)胞壁中的聚合物發(fā)生蠕變，水分進(jìn)入液泡細(xì)胞膨脹生長。滲透吸水最終導(dǎo)致腫脹狀態(tài)，激活代謝，胚軸細(xì)胞擴(kuò)大生長。這種生長與核內(nèi)復(fù)制有關(guān)，在胚根出現(xiàn)之前胚的萌發(fā)只需要細(xì)胞生長而不需要細(xì)胞分裂。為了完成萌發(fā)，胚胎的生長潛力必須增加并超過阻礙。其機(jī)制是胚細(xì)胞壁的擴(kuò)展性需增加塑性而不是彈性伸長，并同時減小被覆物的阻礙[9]。種子萌發(fā)過程中珠孔端胚乳細(xì)胞壁也會發(fā)生類似的生化變化，這說明胚乳弱化是種子萌發(fā)過程中胚乳破裂所必需的。此外細(xì)胞彼此分離和局部PCD也是細(xì)胞弱化的一些其它特征[10]。

4 胚乳弱化的生物力學(xué)

關(guān)于胚和胚乳的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)和特征以及胚乳弱化已有很多報道。本文重點討論與種子萌發(fā)有關(guān)的生物力學(xué)，即通過穿透力分析證明的胚乳弱化作用。成熟種子有一個進(jìn)化趨勢就是胚乳豐富度從高到低。小胚和豐富的生活胚乳組織是進(jìn)化祖先類型，而且與MPD和MD類型有關(guān)。這種類型的種子在被子植物中含量最為豐富，但通過穿透力實驗研究，沒有直接證據(jù)表明胚乳弱化作用存在于MPD和MD類型中。PD 和ND類型可能起源于豐富胚乳的MPD和MD類型，穿透力實驗證明在PD 和ND類型中存在胚乳弱化作用[11]。

胚乳弱化的直接證據(jù)來自穿透力測定，是通過金屬探針直接測定珠孔端胚乳穿透力量。這種方法最早就是在真雙子葉植物群菊類(Asterid Clade)中應(yīng)用的，如番茄(Solanumlycopersicum)、巴西狼果(Solanumlycocarpum)等[12]。這些物種的胚乳弱化分為2個階段，第1個階段不受ABA影響，第2個階段對ABA敏感。赤霉素(gibberellic acid,GA )則通過弱化珠孔端胚乳的機(jī)械障礙而促進(jìn)萌發(fā)。為了了解番茄胚乳弱化的生物力學(xué)機(jī)制，對ME和CE進(jìn)行了穿透力分析比較。研究發(fā)現(xiàn)成熟番茄種子的胚乳具有極性，ME和CE的功能不同。CE弱化不像ME那樣強(qiáng)烈，CE可作為胚的錨定位點支持胚朝珠孔端延伸。ME的弱化至少部分通過細(xì)胞壁的生化變化，吸收水分使之進(jìn)入胚軸生長區(qū)的細(xì)胞。并使得胚根朝著弱化的ME區(qū)突出，所以ME弱化是調(diào)控番茄種子萌發(fā)的關(guān)鍵生物力學(xué)和生物化學(xué)調(diào)控步驟[13]。電鏡研究結(jié)果也證明，ME細(xì)胞貯藏物質(zhì)的降解先于胚根突出。

目前通過對菊類各種胚乳進(jìn)行穿透力分析研究發(fā)現(xiàn)，胚乳弱化導(dǎo)致ME區(qū)的抗性減弱，而胚乳弱化還受到細(xì)胞壁修飾水解酶、擴(kuò)展蛋白、aROS的直接作用等因素，pH依賴的細(xì)胞壁過氧化物酶、草酸氧化酶和胺氧化酶可以在質(zhì)外體中產(chǎn)生活性氧aROS。細(xì)胞壁修飾，特別是在胚乳細(xì)胞壁中觀察到的物理和微觀變化，在調(diào)控胚乳弱化中起重要作用。胚乳弱化與細(xì)胞壁水解有關(guān)，和胚乳弱化的有關(guān)細(xì)胞壁酶主要有纖維素酶、果膠甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶等。擴(kuò)展蛋白是不具有水解等酶促活性，但可打斷纖維素和半纖維素之間的非共價鍵(如氫鍵)從而使細(xì)胞壁松弛的一類細(xì)胞壁蛋白[14]。aROS可攻擊細(xì)胞壁導(dǎo)致其松弛，因而可能與胚乳弱化也存在相關(guān)性[15]。

谷粒中高度分化的胚及其盾片直接鄰接富含淀粉的已死亡較大胚乳，而這層胚乳外面包被著生活胚乳組織糊粉層和已經(jīng)死亡的麩皮層。谷粒吸脹過程的活體核磁共振成像研究表明，小麥吸水的早期階段其水分吸收有多條途徑包括珠孔開放、胚及其盾片和麩皮層都能快速吸水。谷粒的糊粉層是一層生活組織，但在種子萌發(fā)和幼苗出苗過程中會發(fā)生PCD。近期通過穿透力研究發(fā)現(xiàn)，對分離的糊粉層進(jìn)行GA處理，能促進(jìn)生活胚乳組織的弱化，但對中間層(外種皮和內(nèi)果皮)不起作用[16]。

5 種子的機(jī)械傳感

植物生活史中感受機(jī)械力量信號是調(diào)控基因表達(dá)、組織生長和細(xì)胞命運的重要組成部分。研究表明在擬南芥種皮中有一層機(jī)械敏感層能夠感受來自胚和胚乳施加的機(jī)械力量。最近利用納米壓痕法(nano-indentation)測定擬南芥胚乳發(fā)育的硬度[4]。ZOU基因，它是一個由胚乳調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育的基因，在胚胎發(fā)育至心形期時在胚乳中開始表達(dá)，通過特異表達(dá)可促進(jìn)胚乳細(xì)胞凋亡而協(xié)調(diào)胚和胚乳發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。與野生型相比，zou突變體有更堅實的胚乳組織，胚乳不降解。這層堅實的覆蓋物會阻礙胚擴(kuò)張抑制其生長，其成熟胚胎比野生型明顯的小，最終產(chǎn)生小而皺縮的種子[17]。這些機(jī)械敏感組織與觸摸基因(touch gene)假說有關(guān)，假說認(rèn)為胚根延伸的推動力誘導(dǎo)了ME基因表達(dá)，觸摸基因主要編碼細(xì)胞壁重塑蛋白如擴(kuò)展蛋白。然而目前研究仍然缺乏觸摸基因誘導(dǎo)種子在機(jī)械感受和信號傳導(dǎo)方面的直接證據(jù)[18]。

總之，種子萌發(fā)的生物力學(xué)研究具有重要的理論和實踐意義，調(diào)控種子萌發(fā)的生物力學(xué)因素主要包括種皮、胚乳弱化和胚生長潛力等。這些因素決定了種子萌發(fā)的整齊度和速度，也是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和種子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。未來將進(jìn)一步揭示胚乳弱化的萌發(fā)調(diào)控分子機(jī)制、環(huán)境調(diào)控及不同細(xì)胞壁變化的生物力學(xué)進(jìn)化方式，同時對天然種皮生物力學(xué)的研究也可延伸到人工種皮中及其材料的力學(xué)特性研究中[19]。