種子引發(fā)提高草類植物抗旱性的表現(xiàn)及機(jī)理

石曉琪, 米素娟, 鐘天航, 韓云華

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020)

干旱在各種非生物脅迫中破壞性最強(qiáng)，是導(dǎo)致全球作物減產(chǎn)的主要原因之一。我國受旱災(zāi)影響的耕地面積占總受災(zāi)耕地面積的26%[1]，每年由于干旱導(dǎo)致的糧食損失占到總產(chǎn)量的17%以上[2]。水分參與植物生命活動的全周期，干旱使植物可利用的水分減少，對植物形態(tài)、生理代謝、品質(zhì)產(chǎn)量等方面產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致植物生長發(fā)育受阻[3-5]。

我國耕地面積有限，草類植物種植生產(chǎn)主要利用內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等干旱半干旱地區(qū)沙化、鹽堿化較嚴(yán)重的邊際土地，更易受到干旱的威脅[6]。生產(chǎn)實(shí)踐中可通過抗旱育種、改善灌溉條件、種子處理等方式提高草類植物生產(chǎn)性能。種子引發(fā)是種子處理的一種，在提高植物抗旱性方面具有良好的效果和經(jīng)濟(jì)性[7]。以往種子引發(fā)相關(guān)綜述多是關(guān)于作物、蔬菜抗旱方面的研究[7-8]，關(guān)于種子引發(fā)在草類植物抗旱應(yīng)用方面的綜述還不多見。本文總結(jié)了種子引發(fā)技術(shù)在草類植物抗旱方面的影響及種子引發(fā)提高抗旱能力的機(jī)制，以期為種子引發(fā)在草類植物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 種子引發(fā)技術(shù)的定義和方法

1.1 種子引發(fā)技術(shù)

種子引發(fā)由Heydecker于1973年提出[9]，通過滲透調(diào)節(jié)來控制種子緩慢吸水達(dá)到預(yù)發(fā)芽狀態(tài)，有助于提升種子的萌發(fā)質(zhì)量和抗逆性。種子引發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵在于控制種子“萌而未發(fā)”，引發(fā)使種子達(dá)到預(yù)萌發(fā)狀態(tài)，生理代謝活動激活，而胚根、胚芽不會突破種皮發(fā)芽[10]。通過引發(fā)處理使種子吸脹的緩慢吸水階段被無限延長，為種子贏得足夠的時(shí)間使種子的胚為萌發(fā)作好充分準(zhǔn)備[11](圖1)。

圖1 種子引發(fā)過程Fig.1 Seed priming process

1.2 種子引發(fā)方法

種子引發(fā)有多種方式。水引發(fā)(Hydro-priming)通過調(diào)節(jié)給水條件，控制種子吸水，避免吸脹傷害，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)萌發(fā)的目的[12]。水引發(fā)技術(shù)具有簡捷便宜、無毒無害、易推廣和易應(yīng)用的優(yōu)勢，但也存在吸濕不均，微生物過量繁殖的問題，導(dǎo)致種子感染或失活死亡[13]。滲調(diào)引發(fā)(Osmo-priming)是通過控制溶液水勢，實(shí)現(xiàn)種子定量吸水的引發(fā)技術(shù)。常用溶液包括KCl，NaNO3，NaCl，KNO3，聚乙二醇(PEG)、甜菜堿等。引發(fā)溶液可以是單一藥劑，也可以是多種藥劑混合。固體基質(zhì)引發(fā)(Solid matrix priming)是將種子、引發(fā)液與固體基質(zhì)以一定比例混合，使種子膠體緩慢吸脹。常用固體基質(zhì)有沙子、蛭石、聚丙烯酸鈉膠等。生物引發(fā)(Bio-priming)指利用有益微生物作為引發(fā)劑，抑制病原微生物，分泌植物激素等，促進(jìn)種子萌發(fā)。激素引發(fā)(Hormonal priming)是使用赤霉素(Gibberellic acid,GA)、脫落酸(Abscisic acid，ABA)、油菜素內(nèi)酯(Brassinolide,BR)等激素浸種，提高植物抗逆性和發(fā)芽率的引發(fā)方法[14]。物理引發(fā)是利用如磁場、超聲波等物理介質(zhì)處理種子的引發(fā)方法[15]。

近年來，納米顆粒植物互作的研究突飛猛進(jìn)，多項(xiàng)研究表明，納米顆粒夠促進(jìn)植物生長、防治植物病害等。納米引發(fā)(Nano-priming) 也作為一種新的引發(fā)技術(shù)而受到大家關(guān)注。該引發(fā)技術(shù)可以使種子在貯藏過程中維持較高的種子活力，增強(qiáng)種子萌發(fā)抗逆能力，提高萌發(fā)率、幼苗整齊度，并且激活了萌發(fā)過程中與植物抗逆性表達(dá)的相關(guān)基因[16-17]。

除引發(fā)劑自身化學(xué)特性的差異外，不同引發(fā)方式控制種子吸水的速度也各不相同。一般來說，固體基質(zhì)引發(fā)能更好的控制引發(fā)用水量，避免種子吸脹損傷?？刂埔l(fā)液水勢也有類似效果。此外，種子回干的時(shí)間、溫度等條件同樣影響引發(fā)結(jié)果[18]。為取得理想引發(fā)效果，需要選用適宜的引發(fā)方法并控制回干條件。

2 種子引發(fā)對草類植物抗旱性的影響

表1總結(jié)了種子引發(fā)在草類植物中的研究，各種引發(fā)方法均有良好的抗旱效果，具體表現(xiàn)為促進(jìn)萌發(fā)、提升幼苗生長性能、改善田間表現(xiàn)等。

2.1 引發(fā)促進(jìn)干旱條件下種子萌發(fā)

種子萌發(fā)和幼苗階段對水分最敏感。缺水推遲發(fā)芽并降低最終發(fā)芽率和發(fā)芽整齊度，導(dǎo)致作物生產(chǎn)性能下降[19]。種子引發(fā)可提高多種草類植物種子萌發(fā)和出苗抗旱性。田雨等發(fā)現(xiàn)滲透引發(fā)降低了紫花苜蓿(Medicagosativa)種子發(fā)芽對水勢的需求，使種子快速發(fā)芽，提高了在發(fā)芽階段的抗旱能力[20]。水引發(fā)提升了干旱脅迫下沙棘(Hippophaerhamnoides)種子的萌發(fā)特性，未引發(fā)時(shí)種子干旱臨界萌發(fā)條件為-0.6 MPa，引發(fā)后提升為-0.9 MPa，沙棘的抗旱適應(yīng)性增強(qiáng)[21](表1)。在干旱條件下，用0.40%～1.20% NaCl引發(fā)處理的夏枯草(Prunellavulgaris)種子，用赤霉素引發(fā)白花蛇舌草種子(Oldenlandiadiffusa)，均能夠提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)并促進(jìn)幼苗的生長[22-23]。PEG引發(fā)可提高無芒雀麥(Bromusinermis)、葦狀羊茅(Festucaarundinacea)、羊茅(Festucaovina)種子的發(fā)芽率[24]。甘氨酸甜菜堿引發(fā)顯著提高了干旱條件下草地早熟禾(Poapratensis)、狗牙根(Cynodondactylon)的發(fā)芽率[25]。水引發(fā)和尿素引發(fā)長穗偃麥草(Agropyronelongatum)種子,可以改善其種子在干旱脅迫下的發(fā)芽指數(shù)[26]。

種子引發(fā)還可提高低活力種子萌發(fā)的抗旱性。干旱條件下，激素引發(fā)提高了長穗偃麥草老化種子的發(fā)芽率和發(fā)芽速率，50 ppm的生長素引發(fā)使自然老化的種子的發(fā)芽率提高了18%，細(xì)胞分裂素處理提升了種子活力指數(shù)[27]。

2.2 引發(fā)改善草類植物抗旱性和田間表現(xiàn)

水分脅迫導(dǎo)致幼苗根系代謝紊亂，部分功能喪失，活力減弱，根系生長被抑制[28-29]。研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿、甘露糖、亞精胺引發(fā)提高了干旱脅迫下白三葉(Trifoliumrepens)根系活力，改善了根的吸水能力，顯著增強(qiáng)了幼苗的抗旱能力[30-32]。田新會發(fā)現(xiàn)，黃腐酸引發(fā)苜蓿顯著提升干旱下幼苗的根長、根粗，增強(qiáng)幼苗抗旱能力[33]。由此可見，種子引發(fā)對苗期抗旱性能提升具有重要作用。

種子引發(fā)可顯著改善干旱情況下草類植物的田間表現(xiàn)。陶奇波研究發(fā)現(xiàn)用水、PEG和亞精胺引發(fā)使干旱環(huán)境下無芒隱子草溫室和田間的出苗率分別提升4%～17%和9%～19%[34]。PEG(-0.6 MPa)和抗壞血酸(AsA)引發(fā)苜蓿種子提高植物在缺水條件下的株高、生物量等[35-36](表1)。閔丹丹發(fā)現(xiàn)用PEG和KNO3使紫花苜蓿在干旱條件下的田間生物量提升53%～57%[37]。

3 種子引發(fā)提高草類植物幼苗抗旱性機(jī)制

如圖2所示，干旱脅迫影響細(xì)胞中水分的自由度，種子內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species,ROS)大量積累。過量的ROS使細(xì)胞脂質(zhì)和各種膜結(jié)構(gòu)過氧化受損，細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)外泄。脂質(zhì)過氧化同時(shí)導(dǎo)致丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量增加，細(xì)胞膜進(jìn)一步受到破壞，透性加劇，滲出液電導(dǎo)率上升[38-40]。活性氧自由基能直接與核酸作用，影響核酸結(jié)構(gòu)和DNA復(fù)制，最終導(dǎo)致基因表達(dá)受阻，細(xì)胞功能受損[41-42]。

種子引發(fā)能夠激活或改變干旱脅迫下植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化過程和分子調(diào)控途徑(表1)，有助于草類植物幼苗耐旱能力的提升(圖3)。

圖2 植物對干旱的響應(yīng)(根據(jù)文獻(xiàn)[38-42]以及表1總結(jié)繪制)Fig.2 Plant response to drought stress(plotted from references[38-42] andTable 1)

圖3 種子引發(fā)對植物抗旱性的影響(根據(jù)文獻(xiàn)[43-84]以及表1總結(jié)繪制)Fig.3 The effect of seed priming on plant drought resistance(plotted from references[43-84] and Table 1)

3.1 形態(tài)機(jī)制

根是吸收土壤水分、感受外部刺激的重要部分，當(dāng)土壤缺水時(shí)根系迅速向植株發(fā)出信號，同時(shí)調(diào)整根系形態(tài)及數(shù)量[43]。增加根冠和根芽比例使植物在干旱脅迫下能夠最大限度地吸收水分，并從土壤中汲取營養(yǎng)物質(zhì)，從而適應(yīng)干旱環(huán)境，增強(qiáng)植物早期發(fā)育能力[44-45]。研究發(fā)現(xiàn)，引發(fā)處理能提升植物幼苗的根冠比、根芽比、平均根重，側(cè)根數(shù)量和根長[46-47]，改善植物抗旱性。

植物角質(zhì)層能夠減輕植物非必要水分蒸騰并且抵御外界不良環(huán)境，與植物抗旱性緊密相關(guān)[48]。研究發(fā)現(xiàn)，水引發(fā)和2,4-表油菜素內(nèi)酯引發(fā)可以提高幼苗氣孔導(dǎo)度，顯著增加角質(zhì)含量，減少蒸騰耗水[49]，提高植物水分自由度。

3.2 生理生化機(jī)制

3.2.2促進(jìn)細(xì)胞膜修復(fù) 種子引發(fā)能夠促進(jìn)細(xì)胞膜的修復(fù)與活化，改變細(xì)胞膜離子通透性。例如，用GA3引發(fā)青綠苔草(Carexleucochlora)種子，能夠修復(fù)細(xì)胞膜，改變其離子通透性[53](表1)。引發(fā)延長了種子萌發(fā)的激活階段，使種子有充分的時(shí)間修復(fù)膜損傷[54]。植物遭到水分脅迫后，細(xì)胞膜的透過性下降，導(dǎo)致外界非必要元素進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)細(xì)胞液和離子外滲。通過引發(fā)可以恢復(fù)細(xì)胞膜離子的選擇透過性，維持細(xì)胞正常滲透壓，因此增強(qiáng)植物的抗旱能力[14]。

3.2.3改善有機(jī)物滲透調(diào)節(jié)能力 干旱脅迫下，植物適應(yīng)逆境的能力與植物細(xì)胞滲調(diào)能力有關(guān)[55]。植物受到水分脅迫后，雖通過調(diào)節(jié)自身生理生化過程積累一些滲調(diào)物質(zhì)，但含量較少仍不足以抵抗脅迫導(dǎo)致的損害[56]。種子引發(fā)處理后，一方面能夠有效提高脯氨酸、甘露醇、甜菜堿、可溶性糖等有機(jī)物質(zhì)含量，有助于維持細(xì)胞滲透壓，調(diào)節(jié)植物生理過程，以應(yīng)對脅迫損傷[57-59]；另一方面，這些有機(jī)物質(zhì)本身具有一定的生理活性，如可溶性糖的積累有利于清除超氧陰離子、減輕氧化毒害、維持葉片相對含水量和保持葉片氣孔開放[60-61]；脯氨酸在維持膜完整性、清除ROS以及維持光反應(yīng)中心電子流等生理生化過程中發(fā)揮著重要作用，這些過程與植物耐旱性密切相關(guān)[62]。研究發(fā)現(xiàn)，用水引發(fā)苜蓿能夠提高種子脯氨酸含量[63]，有助于改善幼苗的抗旱表現(xiàn)(表1)。

3.2.4提高代謝酶活性 種子內(nèi)貯藏的淀粉經(jīng)淀粉酶水解成小分子糖類，既為種子萌發(fā)提供能量，又使?jié)B透物質(zhì)增多，維持了細(xì)胞滲透壓，增強(qiáng)種子抗逆性[64-65]。研究發(fā)現(xiàn)甘露糖預(yù)處理白三葉種子，提高了其在干旱脅迫下淀粉酶的活性，減輕干旱脅迫導(dǎo)致的淀粉代謝抑制[31]。此外，引發(fā)還可通過提升醛縮酶、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、磷酸脂酶、酯酶、乙醇脫氫酶、β-甘露糖酶、異檸檬酸裂解酶、DNA修復(fù)酶等酶的活性[66]，從而提升植物抗旱能力。

3.2.5調(diào)節(jié)激素含量 研究發(fā)現(xiàn)一些內(nèi)源激素的含量與植物抗逆基因的表達(dá)相關(guān)[67]。這些內(nèi)源激素構(gòu)成植物細(xì)胞內(nèi)特定的防御信號途徑[60]。ABA是調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育的重要激素之一，可通過調(diào)節(jié)氣孔的運(yùn)動，使植物組織內(nèi)的水分保持平衡，通過增強(qiáng)根的通透性，提高水的可吸收性，使得植物的抗逆性得到提升[68]。擬南芥(Arabidopsisthaliana)種子用非蛋白氨基酸b-氨基丁酸引發(fā)后，通過ABA的積累、響應(yīng)脅迫基因的表達(dá)和關(guān)閉氣孔等方式，提高了對水分脅迫的抗性[69]。杜利霞等研究發(fā)現(xiàn)，用6-BA引發(fā)賴草(Leymussecalinus)種子能夠顯著提升ABA，GA含量，加速種子代謝，促進(jìn)種子萌發(fā)[70]。

3.2.6改善幼苗光合特性 光合作用作為植物不可缺少的基礎(chǔ)生理過程，直接影響生物產(chǎn)量。光合作用對干旱環(huán)境高度敏感，在干旱條件下，光合作用受到抑制，表現(xiàn)為葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、和細(xì)胞間CO2濃度等降低[49]，光合作用受阻，植物生長發(fā)育不良[28,71]。研究表明，通過納米鐵引發(fā)柳枝稷(Panicumvirgatum)能夠提高干旱脅迫下其幼苗的光合特性，使幼苗的光合效率提升，抗氧化系統(tǒng)能力增強(qiáng)，減輕干旱脅迫對柳枝稷的損傷[72]。

3.3 分子機(jī)制

種子引發(fā)有利于遺傳物質(zhì)修復(fù)和誘導(dǎo)相關(guān)抗旱基因表達(dá)，促進(jìn)了細(xì)胞活動周期的恢復(fù)，促進(jìn)了抗旱相關(guān)蛋白的合成。同時(shí)引發(fā)使植物留下“脅迫記憶”，有助于之后快速應(yīng)對類似脅迫。

3.3.1提高DNA復(fù)制效率 成熟種子中存在處于不同分裂時(shí)期的細(xì)胞[73]。干旱脅迫細(xì)胞產(chǎn)生一些信號分子，抑制G1期到S期的過渡，減緩有絲分裂中的DNA復(fù)制[74-75]。種子引發(fā)能夠加快細(xì)胞核DNA復(fù)制，推動細(xì)胞從G1期向S或G2期轉(zhuǎn)化，將細(xì)胞周期推進(jìn)到有絲分裂的階段[76-77]，緩解了干旱的不利影響。無芒隱子草經(jīng)過引發(fā)處理，顯著提高了G2期的細(xì)胞比例，即DNA復(fù)制效率明顯提高，有效增強(qiáng)了無芒隱子草種子的活力，有助于改善其田間出苗情況[34]。

3.3.2誘導(dǎo)抗逆關(guān)鍵基因表達(dá) 種子引發(fā)可以調(diào)節(jié)多個(gè)應(yīng)激反應(yīng)途徑的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)表觀修飾，提高對惡劣環(huán)境的耐受性[40]。水通道蛋白是一種細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞膜上形成小孔，控制水分在細(xì)胞上的進(jìn)出，對種子和植株抗旱脅迫過程的水分運(yùn)輸有重要作用[78]。種子經(jīng)引發(fā)處理后，水通道蛋白基因BnPIP1的表達(dá)被激活[79]。干旱條件下，2,4-表油菜素內(nèi)酯引發(fā)處理中植物幼苗角質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá)量是對照的3倍[49]。

在干旱脅迫下，硝普鈉(100 μmol·L-1)引發(fā)煙草(Nicotianatabacum)種子處理中脯氨酸合成關(guān)鍵酶P5CS的基因表達(dá)量均有不同程度的提高，提高了脯氨酸含量[60]。擬南芥種子引發(fā)后，DNA糖苷酶AtOGG1基因表達(dá)上調(diào)，有助于消除DNA病變，提高對非生物脅迫的耐受力[80]。水引發(fā)蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)種子使SOD基因與APX基因上調(diào)，有助于提高幼苗耐受力[81]。

3.3.3脅迫記憶 引發(fā)處理使種子萌發(fā)時(shí)期處于較溫和的脅迫中，使植物萌發(fā)后留下“脅迫記憶”，使植物再遇到類似脅迫可以快速反應(yīng)或更好的應(yīng)對[82]。引發(fā)作為一種輕度脅迫，能夠提前激活部分抗逆基因和蛋白質(zhì)，抗逆能力在種子回干后被保留[83]。種子預(yù)先暴露在脅迫下，能改變其后續(xù)表現(xiàn)，擬南芥植物表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄速率增加和逆境反應(yīng)基因(RD29B和RAB18)的轉(zhuǎn)錄水平提高[84]。

表1 種子引發(fā)對植物抗旱的影響Table 1 The effects of seed priming on plant drought resistance

續(xù)表1

4 問題與展望

近年來，種子引發(fā)研究進(jìn)展迅速，許多新引發(fā)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著種子引發(fā)技術(shù)的研究不斷深入，其機(jī)理揭示也愈發(fā)清晰。但目前在草類植物引發(fā)研究中也存在著一些問題。相較作物、蔬菜等，種子引發(fā)技術(shù)在草類植物上的研究重視程度不足。種子引發(fā)效果在種子種類、品種、種子批次間存在差異[93]，草類植物種類繁多，尚未有可以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的種子引發(fā)技術(shù)。關(guān)于種子引發(fā)后種子回干方面的研究較少。種子回干條件的不同，如回干時(shí)間、回干溫度等，會對種子理化過程產(chǎn)生不同變化，從而影響引發(fā)效果；引發(fā)后種子的貯藏壽命研究不夠充分，影響其實(shí)際應(yīng)用效果?，F(xiàn)有研究多集中在室內(nèi)種子的萌發(fā)階段與幼苗階段，對引發(fā)后田間效果的檢驗(yàn)及后續(xù)產(chǎn)量變化方面關(guān)注不夠，研究內(nèi)容也以引發(fā)后植物形態(tài)和生理的變化為主，而缺少關(guān)于分子層面的研究。

隨著對山水林田湖草沙共同體理念深入人心，種子引發(fā)技術(shù)在草類植物中的研究勢必更加充分，在降低引發(fā)成本的同時(shí)，改善引發(fā)效果。同時(shí)分子生物學(xué)和生物信息學(xué)等技術(shù)不斷深入發(fā)展，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、表型組學(xué)等組學(xué)手段結(jié)合種子引發(fā)方面的研究也逐步深入，有助于進(jìn)一步解析種子引發(fā)技術(shù)提高草類植物抗旱性的內(nèi)在機(jī)制。