活性氧調(diào)控作物種子發(fā)芽機理的研究進展

鄧本良

摘要 活性氧在協(xié)助作物種子打破休眠進而促進發(fā)芽過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此類活性分子能降解脫落酸以及氧化細(xì)胞中多種大分子物質(zhì)從而促進種子進入發(fā)芽狀態(tài)，這其中NADPH氧化酶介導(dǎo)的活性氧發(fā)揮著重要作用。介紹了活性氧種類、產(chǎn)生部位、毒害和信號功能，并闡述了包括H2O2在內(nèi)的活性氧在調(diào)控作物種子打破休眠促進發(fā)芽方面的研究進展。

關(guān)鍵詞 活性氧;種子發(fā)芽;脫落酸;NADPH 氧化酶

中圖分類號 Q946文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）13-0021-02

Abstract Reactive oxygen species play a key role in assisting crop seeds to break dormancy and promote germination.Such active molecules can degrade abscisic acid and oxidize a variety of macromolecular substances in the cells to promote the seeds to enter the germination state.Among them，NADPH oxidasemediated active oxygen plays an important role.The types，generation sites，poisons and signal functions of reactive oxygen species were introduced，and the research progress of reactive oxygen species including H2O2 in regulating crop seeds to break dormancy and promote germination was described.

Key words Reactive oxygen species;Seed germination;Abscisic acid;NADPH oxidase

成熟健康的作物種子在自然或人工條件下需要各種合適的內(nèi)外條件才能發(fā)芽。內(nèi)在條件包括有生命力且完整的胚，足夠的營養(yǎng)儲備以及非休眠狀態(tài);外在條件包括充足的水分，適宜的溫度以及足夠的氧氣，少數(shù)需要充足的光照（如煙草和萵苣種子）。當(dāng)種子打破休眠進入萌發(fā)階段后，通常需要經(jīng)歷吸脹、水合與相關(guān)酶的活化，細(xì)胞分裂增長，胚突破種皮，最后長成幼苗[1-2]。為了幫助種子打破休眠，人們通常采取諸如冷水或熱水浸泡，挫傷種皮，酸堿處理，超聲波處理甚至冰凍處理等方法促進發(fā)芽[3]。研究發(fā)現(xiàn)，脫落酸和赤霉素這2種關(guān)鍵激素參與調(diào)控作物種子打破休眠而發(fā)芽。此外，某些小分子氧化劑如雙氧水（H2O2）處理能加速脫落酸降解和赤霉素生成，從而迅速進入發(fā)芽狀態(tài)[4]。事實上，作物種子在發(fā)芽過程中線粒體能產(chǎn)生大量H2O2，協(xié)助自身打破休眠而發(fā)芽。大量研究顯示，高濃度H2O2在生物體內(nèi)能造成大分子物質(zhì)（如脂類、蛋白和核酸等）損傷，從而影響正常生長發(fā)育[5]，但低濃度H2O2能起到類似于一氧化氮（NO）信號分子作用，調(diào)控植物多種生理功能，如種子發(fā)芽、植株生長、根的伸長、葉片擴展、種子的生成和老化等[6]。近年來，從激素到組學(xué)水平對種子發(fā)芽都有廣泛深入研究[7-8]，筆者基于前期研究工作，闡述包括H2O2 在內(nèi)的活性氧（reactive oxygen species）在調(diào)控作物種子打破休眠促進發(fā)芽方面的研究進展[9-16]。

1 植物中的活性氧

1.1 活性氧種類和產(chǎn)生部位

一切有氧呼吸生物（包括動物、植物以及非厭氧微生物）在新陳代謝過程中因為氧分子未充分還原，獲得多余電子，從而產(chǎn)生少量活性氧[5]?；钚匝醯姆N類有超氧陰離子自由基（O2·-）、過氧化氫（H2O2）、單線態(tài)氧（1O2）以及羥自由基（·OH）等[5]。在這些活性氧中，H2O2因為半衰期較長，能在細(xì)胞中存在較長時間，又能跨膜傳遞，所以成為較理想的信號分子[6]。在植物體內(nèi)，能產(chǎn)生活性氧的部位主要是線粒體、過氧化物酶體、葉綠體（綠色光合細(xì)胞），以及介于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜之間的胞質(zhì)空間中的NADPH氧化酶和細(xì)胞膜上過氧化物酶等[17]。在這些能產(chǎn)活性氧的部位中，NADPH氧化酶因為位于細(xì)胞膜上，能夠最早感應(yīng)外界環(huán)境刺激，所以其產(chǎn)生的活性氧更多地充當(dāng)了信號分子[18]。研究發(fā)現(xiàn)，多種環(huán)境脅迫因子都能激活該酶，產(chǎn)生超氧陰離子，并被胞質(zhì)空間的超氧化物歧化酶（SOD）轉(zhuǎn)化為H2O2，進而作用于下游級聯(lián)信號途徑發(fā)揮調(diào)控作用。

1.2 活性氧的毒害和信號功能

盡管活性氧含量極低，但是多種逆境脅迫（如干旱、鹽害、UV、重金屬毒害等）會誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量活性氧，因后者在細(xì)胞中得不到及時清除，所以會對多種生物大分子產(chǎn)生氧化損傷毒害，進而影響到細(xì)胞的正常功能，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致細(xì)胞凋亡[5]。近年發(fā)現(xiàn)，低水平的活性氧可以起到信號分子作用，能激活植物的抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)（antioxidant defense system），從而合成更多的活性氧清除酶（如SOD、CAT和APX等）和抗氧化物分子（如抗壞血酸、谷胱甘肽以及生育酚等）[5]。此外，在植物抵御真菌類病害過程中，活性氧在過敏反應(yīng)（hypersensitive response）中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并進而激活水楊酸信號途徑發(fā)揮抗病作用[19]。

2 活性氧調(diào)控作物種子發(fā)芽

2.1 種子發(fā)芽產(chǎn)生活性氧的主要部位

盡管種子發(fā)芽受多種因素調(diào)控[20]，但研究發(fā)現(xiàn)多種作物種子發(fā)芽都跟活性氧的產(chǎn)生有密切關(guān)系[21-22]。在作物種子發(fā)芽過程中，活性氧主要來自線粒體和胞質(zhì)空間的NADPH氧化酶[23-25]。研究發(fā)現(xiàn)種子發(fā)芽過程中，線粒體會大量增生以產(chǎn)生足夠ATP支撐種子萌發(fā)過程中的能量需求[26]，但同時其產(chǎn)生活性氧也是種子打破休眠不可少的。然而，在逆境下產(chǎn)生過量活性氧也會造成嚴(yán)重氧化損傷從而導(dǎo)致種子發(fā)芽終止[23]。此外，來自于胞質(zhì)空間的NADPH氧化酶產(chǎn)生的活性氧也是種子發(fā)芽所必需的[24]。研究發(fā)現(xiàn)，在正常條件下，利用該酶特異性抑制劑DPI （二聯(lián)苯碘） 處理種子，會降低活性氧產(chǎn)生，從而顯著降低種子發(fā)芽率[24]。此外，來自胞質(zhì)空間其他的酶如胞外過氧化物酶以及超氧化物歧化酶所產(chǎn)活性氧同樣在種子發(fā)芽過程中發(fā)揮著重要作用[25]。

2.2 活性氧調(diào)控種子發(fā)芽機理

一般來說，種子通過積累脫落酸而抑制赤霉素合成，從而維持種子處于休眠狀態(tài)[20]。而當(dāng)種子遇到合適的外界條件后，就會迅速進入萌發(fā)狀態(tài)，其中一個成熟理論認(rèn)為是活性氧將脫落酸迅速降解，并促進赤霉素合成基因的表達從而大量合成該激素[4，27]。因此，有學(xué)者提出活性氧甚至蛋白損傷促進種子發(fā)芽的假說[28-29]。如Oracz等[29]提出種子發(fā)芽過程中活性氧產(chǎn)生導(dǎo)致某些蛋白氧化損傷，從而幫助種子打破休眠進而萌發(fā)。后來進一步研究發(fā)現(xiàn)，不僅蛋白氧化損傷能促進種子打破休眠，而且mRNA氧化損傷[30]甚至脂類氧化損傷[10]也能幫助種子打破休眠從而促進萌發(fā)。然而，活性氧有雙重功能，含量過高時會傷害植物細(xì)胞功能，只有處于較低水平才能起到信號分子作用[31]。對于種子發(fā)芽來說，過高的活性氧積累不利于種子發(fā)芽，但是過低的活性氧產(chǎn)生同樣不利于種子發(fā)芽。所以有學(xué)者提出了“oxidative window for gerimination”假說，認(rèn)為只有處于某個范圍內(nèi)的活性氧含量才能促進種子發(fā)芽，反之，過高或過低都將抑制種子進入發(fā)芽狀態(tài)[32]。此外，種子發(fā)芽除了跟線粒體以及NADPH氧化酶產(chǎn)生的活性氧有關(guān)外，也與活性氧清除酶的活力有關(guān)。如通過抑制過氧化氫酶（H2O2清除酶）的活力，也能促進種子打破休眠，加速萌發(fā)[33]。

2.3 逆境下活性氧調(diào)控作物種子發(fā)芽

對于活性氧調(diào)控種子在逆境下發(fā)芽的研究目前較少。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫下或者高鹽脅迫下，活性氧清除劑不能幫助種子打破休眠發(fā)芽，然而通過添加微量活性氧誘導(dǎo)劑如重金屬甚至氧化樂果農(nóng)藥都能幫助種子在ABA-依賴性逆境脅迫下發(fā)芽[11，14]。然而，在ABA-非依賴性脅迫如高濃度鉛離子毒害下，可以通過抑制NADPH氧化酶促進種子發(fā)芽[15]。

2.4 活性氧調(diào)控衰老作物種子發(fā)芽

衰老的作物種子可以用多種方法使其重新恢復(fù)活力，如用PEG溶液浸泡等[34]。 事實上，衰老種子重新恢復(fù)活力也與活性氧有密切關(guān)系[35]。老化的種子中不但有大量活性氧以及脂類氧化損傷物質(zhì)積累[35]，而且活性氧清除酶（尤其過氧化氫酶）活力也很低[36]。研究發(fā)現(xiàn)，用抗氧化劑如抗壞血酸或者還原型谷胱甘肽不能讓人工老化的玉米種子重新恢復(fù)活力，但是用褪黑素處理可極顯著地提高其活力[13]。

2.5 抗氧化物質(zhì)含量對作物種子發(fā)芽的影響

相對于活性氧，抗氧化物質(zhì)能幫助細(xì)胞清除過多的高活性小分子物質(zhì)，從而使細(xì)胞處于一種合理的氧還平衡狀態(tài)中。種子發(fā)芽過程中因為活性氧大量增生，所以也伴隨著大量抗氧化物質(zhì)的合成[37]。研究顯示，不同顏色（白色、黃色、紅色和紫色）的玉米種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度相差極大[9，16]。有趣的是，在常溫下深色玉米種子發(fā)芽能力低，而在逆境如高溫下深色玉米種子發(fā)芽率反而高于淺色玉米種子。通過系列藥理學(xué)和種子抗氧化能力檢測發(fā)現(xiàn)深色種子抗氧化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于淺色種子。這也意味著與活性氧促進種子發(fā)芽相反，這類能清除活性氧的抗氧化物質(zhì)起到抑制種子發(fā)芽的作用，然而其也在自然條件惡劣環(huán)境下對種子發(fā)芽起到保護作用[9]。

3 展望

種子發(fā)芽受多種因素如內(nèi)源激素以及外部環(huán)境的調(diào)控。而活性氧在內(nèi)外環(huán)境因子與激素調(diào)控之間起到一個很好的信號分子作用，其研究具有理論和生產(chǎn)實踐上的價值。但是在活性氧調(diào)控種子發(fā)芽這一領(lǐng)域還有很多問題需要闡明：①活性氧在種子發(fā)芽調(diào)控過程中，NADPH氧化酶和線粒體介導(dǎo)的活性氧所扮演的角色是否類似還是有不同功能;②活性氧作為信號分子是如何調(diào)控下游的信號途徑（如MAPK途徑等）的;③活性氧與其他信號分子如一氧化氮在種子發(fā)芽過程中是如何協(xié)同工作的。

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