萌發(fā)過程中種子貯藏物質(zhì)的動員和變化規(guī)律概述

岳佳銘，李曼莉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，草業(yè)科學(xué)北京市重點實驗室，北京 100193)

種子不僅是植物生長發(fā)育的起點，而且是人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，種子完成生理成熟后，無論其貯藏條件如何，都無法避免劣變的發(fā)生。種子劣變導(dǎo)致萌發(fā)過程中的一系列生理生化變化，并且降低種子活力，從而影響種子在生產(chǎn)上的應(yīng)用[1]。種子萌發(fā)過程不僅需要外界適宜的條件，更重要的是自身營養(yǎng)物質(zhì)的供給，即貯藏物質(zhì)的動員。其中與種子萌發(fā)關(guān)系最為密切的貯藏物質(zhì)為糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等，對于種子特別是劣變種子的萌發(fā)起到非常關(guān)鍵的決定性作用。

本文對正常種子及劣變種子萌發(fā)過程中的糖類、蛋白質(zhì)、脂肪及磷的動員情況進(jìn)行了綜述，分析和總結(jié)了這些主要貯藏物質(zhì)在種子萌發(fā)過程中含量的變化情況，并且對該領(lǐng)域今后研究熱點進(jìn)行展望，以期為種子生產(chǎn)與貯藏工作提供理論指導(dǎo)。

1 種子萌發(fā)的過程

種子萌發(fā)的起點是吸脹，終點是胚根突破種子周圍組織[2]。根據(jù)種子吸水進(jìn)程，種子萌發(fā)可以分為快—慢—快3個階段進(jìn)行(如圖1)：種子吸脹后(階段Ⅰ)，預(yù)存在干種子中用于恢復(fù)種子代謝活動的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和酶開始動員，進(jìn)行DNA損傷修復(fù)，利用預(yù)存的mRNA合成蛋白質(zhì)，呼吸活動恢復(fù)，糖酵解和磷酸戊糖途徑在此階段恢復(fù)，萌動期(階段Ⅱ)，種子吸水緩慢，利用新的mRNA合成蛋白質(zhì)，線粒體結(jié)構(gòu)得到修復(fù)，萌發(fā)后期(階段Ⅲ)，胚根突破種皮的束縛，完成發(fā)芽[3]。

2 種子中主要貯藏物質(zhì)在萌發(fā)及劣變過程中的動員

種子萌發(fā)情況是否良好，除了從發(fā)芽特性等指標(biāo)觀測，還需結(jié)合其內(nèi)部營養(yǎng)源來判斷。成熟種子內(nèi)部會貯藏大量的淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪，它們都是為種子提供能量的貯藏物質(zhì)，而在種子萌發(fā)第一階段后期，這些貯藏物質(zhì)開始動員，為種子的萌發(fā)做準(zhǔn)備。所以對于種子來說，其內(nèi)部主要貯藏物質(zhì)的變化會影響到種子萌發(fā)的正常進(jìn)行(圖2)。它們可以通過相應(yīng)的水解酶進(jìn)行水解，再通過生化代謝途徑進(jìn)行分解，之后為種子的萌發(fā)提供能量。正常情況下，淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪會在淀粉酶、蛋白質(zhì)水解酶和酯酶的作用下水解為糖、氨基酸和脂肪酸。而氨基酸和脂肪酸又可以通過脫氨基和乙醛酸循環(huán)等代謝過程產(chǎn)生糖代謝的中間產(chǎn)物，再通過糖異生轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)，糖類物質(zhì)就可以通過糖酵解和磷酸戊糖途徑等，為種子的萌發(fā)提供充足的能量[4-8]。其中，水解產(chǎn)物及關(guān)鍵酶也對種子萌發(fā)起著至關(guān)重要的作用，比如，淀粉被α-淀粉酶水解后，能夠為種子提供能量；脂肪酶水解脂肪后的不飽和脂肪酸能夠再分解為丙二醛(MDA)。丙二醛是膜脂過氧化產(chǎn)物，在一定程度上能夠反映種子膜脂過氧化強(qiáng)弱，并且對種子萌發(fā)有害，其含量會影響種子的活力[9]。此外，礦物質(zhì)也是種子萌發(fā)營養(yǎng)物質(zhì)之一，其中，磷對種子萌發(fā)以及幼苗建成也至關(guān)重要。種子內(nèi)部磷的動員有利于種子萌發(fā)后的幼苗生長，是早期幼苗生長的磷源[10]。通常，種子磷通過酸性磷酸酶分解為無機(jī)磷，為種子及幼苗生長所用。

種子在貯藏過程中不可避免劣變的發(fā)生，種子劣變是種子生理機(jī)能的惡化，會使種子膜系統(tǒng)受損，呼吸速率降低，線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，抗氧化酶活性降低，蛋白質(zhì)合成受阻，萌發(fā)及生長緩慢，抗逆性降低[11-12]。將小麥(TriticumaestivumL.)種子進(jìn)行人工老化處理后，隨種子萌發(fā)過程的進(jìn)行，其內(nèi)部游離脂肪酸含量呈上升趨勢，丙二醛含量先增后降[13]。菠菜(SpinaciaoleraceaL.)種子隨老化時間的延長，其浸出液中可溶性糖含量逐漸升高，并且種子中與萌發(fā)相關(guān)基因的表達(dá)量都有不同程度的下調(diào)[14]。

2.1 種子中貯藏的糖類在萌發(fā)過程中的變化

種子中貯藏的糖種類不同，按照其水溶性，可以分為可溶性糖(葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、水蘇糖及棉子糖等)和不溶性糖(主要為淀粉)[15]。在干種子中，糖的主要貯藏形式為淀粉，等到種子吸脹后期，淀粉就會被動員，分解為可溶性糖，再經(jīng)過糖代謝活動，為種子萌發(fā)提供能量。因此，淀粉含量及變化與種子萌發(fā)密切相關(guān)。

然而并不是所有的種子萌發(fā)初期其內(nèi)部的淀粉都會立刻動員。大多數(shù)種子的淀粉動員都是在種子完全萌發(fā)后，但谷類種子其內(nèi)部淀粉含量較高，對于淀粉的動員相對較早，為萌發(fā)后的幾個小時內(nèi)。淀粉的降解主要靠淀粉酶完成，谷物種子在淀粉動員期間，淀粉酶相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)。誘導(dǎo)淀粉酶產(chǎn)生的并不是淀粉本身，而是種子中的赤霉素，赤霉素產(chǎn)生于種胚，并在幼胚的盾片和糊粉層中誘導(dǎo)淀粉酶的產(chǎn)生[16]。水解淀粉的主要淀粉酶為α-淀粉酶和β-淀粉酶，α-淀粉酶水解淀粉后為種子提供能量，而β-淀粉酶水解產(chǎn)物為β-極限糊精和β-麥芽糖，其產(chǎn)物中沒有葡萄糖與寡糖分子[17]。除淀粉以外，種子中的可溶性糖含量對種子萌發(fā)也很重要，其中，蔗糖既能夠維持種子細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)，又有利于種子吸脹，在種子萌發(fā)初期，淀粉類種子內(nèi)的可溶性糖含量以蔗糖為主，而葡萄糖是貫穿于整個糖代謝的物質(zhì)，其含量與種子萌發(fā)呈正相關(guān)關(guān)系[18-21]。

種子未受到脅迫的情況下，由于淀粉在動員時會被消耗，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性增強(qiáng)，種子的淀粉含量在萌發(fā)過程中呈下降趨勢，從而使可溶性糖含量增加。在萌發(fā)第二階段，α-淀粉酶活性先增強(qiáng)，到第三階段，β-淀粉酶活性開始增強(qiáng)，兩種淀粉水解酶先后為種子的萌發(fā)提供能量[22]。然而種子中的可溶性糖含量變化卻不統(tǒng)一，對于淀粉類種子，玉米(ZeamaysL.)[23]、高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)[24]種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量基本呈增加趨勢。但也有研究表明，玉米[25]、小麥[26]種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量先增加后降低。而對于脂肪類種子，如油松(PinustabuliformisCarr.)[27]、芝麻(SesamumindicumL.)[28]等，可溶性糖含量則呈先降后升趨勢，伯樂樹(BretschneiderasinensisHemsl.)種子萌發(fā)時也有同樣變化趨勢[29]。王海杰等[30]對瓜兒豆(Cyamopsistetragonoloba(L.) Taub.)種子萌發(fā)進(jìn)行研究中卻發(fā)現(xiàn)，可溶性糖總量變化不明顯，但蔗糖含量下降，果糖和葡萄糖含量增加。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，糖類變化和正常種子不同，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性降低，使種子內(nèi)的淀粉含量增加[31]，從而導(dǎo)致可溶性糖含量降低。大麥(HordeumvulgareL.)種子內(nèi)可溶性糖含量隨老化時間延長而增加，但老化時間過長，其含量會下降[32]。對玉米種子進(jìn)行老化處理后，其內(nèi)部可溶性糖動員被抑制，使蔗糖等合成受阻，可溶性糖含量降低[33,8]。同樣，在人工老化的甘藍(lán)(BrassicaoleraceaL.)種子萌發(fā)過程中，可溶性糖含量也顯著下降[34]。然而在老化的桔梗(Platycodongrandiflorus(Jacq.) A.DC.)種子中，可溶性糖含量先升高后降低[35]?？傊?，無論可溶性糖是何種變化，總體變化趨勢都是下降的。

2.2 種子中貯藏的蛋白質(zhì)在萌發(fā)過程中的變化

種子萌發(fā)過程中的蛋白質(zhì)按其功能可以分為貯藏蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白、催化蛋白等[36]。貯藏蛋白與種子萌發(fā)關(guān)系最為密切，各種酶系統(tǒng)的激活和膜修復(fù)都需要貯藏蛋白或其降解產(chǎn)物的參與，其降解的氨基酸產(chǎn)物能夠通過糖異生途徑供種子萌發(fā)所用[37-39]。貯藏蛋白分為清蛋白(水溶蛋白)、球蛋白(鹽溶蛋白)、醇溶蛋白和谷蛋白(堿溶蛋白)，其中，對于醇溶蛋白和谷蛋白研究較多[40-44]。在水稻(OryzasativaL.)中，醇溶蛋白能夠作為氮源等被幼苗利用[45]。同時，可溶性蛋白對種子萌發(fā)也很重要，其含量增加不僅能夠使種子保持較低的滲透勢，利于種子吸水萌發(fā)，而且會增強(qiáng)種子對逆境的適應(yīng)能力[46-47]。

種子未受到脅迫的情況下，蛋白酶水解種子中的蛋白質(zhì)，其含量會降低，使可溶性蛋白和游離氨基酸含量升高?；盍^高的大豆種子在萌發(fā)過程中，其貯藏蛋白降解速度明顯較快[48]。對種子萌發(fā)過程的蛋白組學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，花生(ArachishypogaeaL.)種子中的鹽溶蛋白全部被利用，不同品種的大麥種子中清蛋白含量變化趨勢基本一致[49-50]。對不同品種的大豆種子進(jìn)行萌發(fā)，可溶性蛋白含量都是呈先降后升趨勢，而對于楨楠(PhoebezhennanS.Lee et F.N.Wei)種子來說，研究結(jié)果相反[51,52]。葉底珠(Securinegasuffruticosa(Pall.) Rehd.)種子萌發(fā)過程中，蛋白質(zhì)含量先降后升，游離氨基酸含量逐漸增加[53]。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，其內(nèi)部主要由貯藏蛋白來調(diào)控種子萌發(fā)，貯藏蛋白在高溫高濕條件下被分解為各種氨基酸來應(yīng)對外界對種子萌發(fā)造成的脅迫傷害[54]，所以貯藏蛋白含量降低的速度會更快，可溶性蛋白含量會升高，但最終會因為老化程度加深而降低。燕麥種子在老化處理后，4類貯藏蛋白均下調(diào)表達(dá)[55]，說明貯藏蛋白在種子老化過程中分解，對種子老化做出響應(yīng)。老化的玉米[56]和白楊(PopulustomentosaCarr)[57]種子的差異蛋白分析表明，差異蛋白多與能量、貯藏蛋白等相關(guān)。在老化大豆[58]、棉花(UrenaprocumbensL.)[54]種子蛋白組研究中，也發(fā)現(xiàn)了差異貯藏蛋白的表達(dá)。對于老化的玉米種子，貯藏蛋白含量降低，內(nèi)部可溶性蛋白含量隨老化時間延長而降低[56,59]。

2.3 種子中貯藏的脂肪在萌發(fā)過程中的變化

脂肪對種子來說，其貯藏的能量遠(yuǎn)高于糖類和蛋白質(zhì)[15]。在種子萌發(fā)過程中，脂肪通過脂肪酶水解為甘油和脂肪酸，在種胚中合成磷脂，對膜的修復(fù)和種胚生長至關(guān)重要[60-61]。β-氧化以及乙醛酸途徑對種子萌發(fā)過程中的脂肪酸轉(zhuǎn)化為蔗糖至關(guān)重要，種子內(nèi)部蔗糖的動員會抑制脂肪的降解，但隨吸脹的進(jìn)行，種子內(nèi)部糖類不再阻礙脂肪的降解[2]。而種子中的甘油能夠通過轉(zhuǎn)化為丙酮酸從而進(jìn)入三羧酸循環(huán)，為種子萌發(fā)提供能量。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪類種子萌發(fā)過程中，脂肪含量與可溶性糖和可溶性蛋白分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系，脂肪酶活性與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關(guān)，脂肪酶活性與游離脂肪酸含量呈正相關(guān)關(guān)系[28,62]。所以，貯藏物質(zhì)對于種子萌發(fā)進(jìn)程的作用往往是相互聯(lián)系的。當(dāng)然，不飽和脂肪酸氧化分解的產(chǎn)物丙二醛對種子萌發(fā)也很重要，研究表明，丙二醛含量越高，種子活力越低[63]。

種子未受到脅迫的情況下，脂肪含量呈下降趨勢，而脂肪酶活性增強(qiáng)，丙二醛含量增加。藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)種子在萌發(fā)過程中，脂肪含量基本呈下降趨勢[64]。煙草(NicotianatabacumL.)種子萌發(fā)過程中脂肪酶活性與脂肪酸含量的動態(tài)與種子萌發(fā)進(jìn)程相一致[65]。對玉米種子的研究表明，種子的發(fā)芽率會隨著種子中游離脂肪酸含量的升高而降低[66]。朱鶴等對7種作物種子萌發(fā)過程進(jìn)行了研究，在萌發(fā)過程中，淀粉類種子的初始丙二醛含量較低，隨萌發(fā)進(jìn)程呈逐步上升的趨勢，而脂肪類種子初始丙二醛含量較高，隨萌發(fā)進(jìn)程呈先升后降的變化趨勢[67]。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，雖然游離脂肪酸含量會增加，但由于不飽和脂肪酸含量會降低，導(dǎo)致丙二醛含量降低。對老化處理的白沙蒿(CaryopterismongholicaBunge)和油菜(BrassicanapusL.)種子進(jìn)行萌發(fā)試驗，不飽和脂肪酸含量隨老化時間的延長而降低，飽和脂肪酸含量呈升高趨勢，同樣，游離脂肪酸含量也呈上升趨勢[68]。然而，對于人工老化的甘藍(lán)[69]和油菜[70]種子，其種子浸出液中的丙二醛含量卻是先升后降，這也說明了隨老化時間的延長，種子細(xì)胞膜受損，而到達(dá)一定老化程度時，種子幾乎失去萌發(fā)能力，其種子浸出液的丙二醛含量也會下降。

2.4 種子中貯藏的磷在萌發(fā)過程中的變化

磷是植物生物膜結(jié)構(gòu)中核苷酸、膜脂、磷脂等的化學(xué)組成成分，它還參與植物生長過程中的能量代謝、呼吸代謝、光合作用等重要的生理活動。磷與水分關(guān)系密切，正常水分條件下，磷會參與光合作用等過程，促進(jìn)植物生長，而在干旱脅迫下，磷會參與水分調(diào)控[71]。磷作為植物所需的三大營養(yǎng)元素之一，不僅對植物的生長發(fā)育影響重大，而且與種子的萌發(fā)過程也密切相關(guān)。通常，種子磷主要以植素形式存在，在已經(jīng)發(fā)芽的種子中，磷是以植素分解的無機(jī)磷形式運(yùn)輸?shù)接酌缰?，供給根系和莖的生長[10,72]。種子磷含量充足時，不僅能夠為之后的幼苗生長提供養(yǎng)分，而且能夠幫助改善后期土壤缺磷狀況[73-75]。

種子未受到脅迫的情況下，種子磷含量會下降，酸性磷酸酶活性增強(qiáng)，無機(jī)磷含量增加。不同品種的小麥幼苗對種子磷的利用會有所差異，種子磷總量高的小麥品種鄭麥366在萌發(fā)后6 d，其種子中的酸性磷酸酶活性、無機(jī)磷含量和種子磷減少量顯著高于種子磷總量低的小麥品種周麥17，同樣，根、莖、葉中的磷含量也顯著高于種子磷總量低的小麥品種周麥17，這是因為鄭麥366種子中較高的酸性磷酸酶促進(jìn)植酸磷分解為無機(jī)磷[10]。張聯(lián)合等[76]研究了高中低不同組的種子磷含量對小麥幼苗中含磷量的影響，發(fā)現(xiàn)高磷種子萌發(fā)后其內(nèi)部的可溶性糖含量和酸性磷酸酶含量均高于中磷和低磷組，其根、莖、葉中的磷含量也同樣高于中、低磷組，說明種子磷含量對種子萌發(fā)后的幼苗中的磷含量影響很大。

種子在老化或劣變條件下萌發(fā)，其內(nèi)部酸性磷酸酶活性降低，從而導(dǎo)致無機(jī)磷含量降低。徐是雄等[77]對劣變花生種子的酸性磷酸酶進(jìn)行了組織化學(xué)定位，發(fā)現(xiàn)酸性磷酸酶在高活力的干種子胚根細(xì)胞中活性高，在劣變干種子胚根細(xì)胞中則較低，而種子萌發(fā)后，高活力種子胚根細(xì)胞中酸性磷酸酶活性似乎有所增加，劣變種子胚根細(xì)胞中的酸性磷酸酶活性則大大降低。通常，種子萌發(fā)時，內(nèi)部植酸磷通過酸性磷酸酶分解為無機(jī)磷，無機(jī)磷才能為種子的萌發(fā)提供磷素營養(yǎng)。劣變花生種子中的酸性磷酸酶活性低，此時種子中的植酸磷不能通過酸性磷酸酶的作用分解為無機(jī)磷，以至于在劣變花生種子萌發(fā)后的幼苗胚根細(xì)胞中的酸性磷酸酶活性都很低，所以幼苗和根系的生長都會受到影響。

3 展 望

種子萌發(fā)是一個復(fù)雜的過程，在種子的萌發(fā)事件中會涉及到DNA修復(fù)與蛋白質(zhì)重組、線粒體修復(fù)、貯藏物質(zhì)動員、胚細(xì)胞形成與伸長等活動(圖1)，這些活動進(jìn)行得順利與否都會與之后的幼苗建成、栽培管理、種子的成熟與收獲、種子生產(chǎn)與貯藏等密切相關(guān)。近些年，國內(nèi)外關(guān)于種子萌發(fā)的研究主要集中于種子萌發(fā)對外界環(huán)境的響應(yīng)[78-80]、種子萌發(fā)的分子機(jī)制[81-82]等。種子萌發(fā)初期的能量是由預(yù)存的線粒體呼吸作用提供的[83]，Nietzel等[84]也發(fā)現(xiàn)一種硫醇氧化還原開關(guān)能夠驅(qū)動種子中的線粒體能量代謝，加快種子萌發(fā)。當(dāng)然，種子萌發(fā)的能量來源不只是線粒體提供的，貯藏物質(zhì)和磷對種子萌發(fā)也做了很大貢獻(xiàn)。

種子劣變也是逆境脅迫的一種，近些年對于種子劣變的研究熱點集中在呼吸[85]、線粒體[86-87]、酶活變化[88-89]，而種子萌發(fā)的順利進(jìn)行是需要各種生理和代謝活動共同調(diào)控的，這些變化自然也離不開貯藏物質(zhì)的動員，但是關(guān)于種子萌發(fā)對劣變的響應(yīng)研究甚少。劣變種子萌發(fā)時的貯藏物質(zhì)是如何動員的，劣變切斷了貯藏物質(zhì)代謝的哪條通路，導(dǎo)致種子不能正常萌發(fā)等，這些問題都有待解決。從貯藏物質(zhì)角度揭示種子劣變的機(jī)制，不僅能夠?qū)ΨN子生產(chǎn)與貯藏提供理論基礎(chǔ)，而且對于種子壽命的預(yù)測也有指導(dǎo)意義。

此外，隨著各項技術(shù)的發(fā)展和學(xué)科交叉合作日益密切，運(yùn)用多種技術(shù)從多學(xué)科角度來解析科學(xué)問題成為目前科研工作者開展研究工作的趨勢。在基礎(chǔ)研究中，結(jié)合分子遺傳學(xué)、物理學(xué)(如多光譜成像技術(shù))、生物信息學(xué)(如轉(zhuǎn)錄組、蛋白組測序及代謝組分析)等，從多個角度和不同層面來剖析種子萌發(fā)過程中貯藏物質(zhì)的變化規(guī)律具有非常重要的意義和應(yīng)用前景，是全面深入揭示種子萌發(fā)機(jī)制的重要研究手段和策略。