赤霉素調(diào)控玉米種子活力的研究進展

金云倩 王彬 郭書磊 趙霖熙 韓贊平

（1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，洛陽471003；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，鄭州 450002；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所 棉花生物學(xué)國家重點實驗室，安陽 455000）

玉米不僅可以直接用于食品加工，還是畜牧養(yǎng)殖及水產(chǎn)業(yè)重要的飼料來源，也是醫(yī)療衛(wèi)生、輕工及化工等行業(yè)的主要原料之一。伴隨著規(guī)?；N植的發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技的進步，以及玉米單產(chǎn)水平的不斷提升，玉米已經(jīng)成為世界上單產(chǎn)水平最高的谷物品種。我國玉米的種植面積和總產(chǎn)居于世界第二，但單產(chǎn)與美國等農(nóng)業(yè)強國相比仍有一定差距［1］。我國是世界上最大的豬肉消費國，禽蛋、牛奶等的消費量也在逐年增加，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，對飼料的消費越來越大，以及工業(yè)需求不斷增加，導(dǎo)致對玉米的需求量快速增長［2］。根據(jù)國家統(tǒng)計局和國家糧食信息中心有關(guān)數(shù)據(jù)分析顯示，過去10年間，我國玉米供求形勢已從產(chǎn)大于需轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)不足需，隨著未來畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、食品工業(yè)等進一步發(fā)展，進而會帶動玉米消費需求繼續(xù)保持較快增速［3］。

確保國家糧食安全，種子是基礎(chǔ)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)將會一直是玉米產(chǎn)業(yè)亙古不變的發(fā)展趨勢，而種子質(zhì)量是建立玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵和保障。種子活力是種子質(zhì)量的重要參考指標(biāo)之一，也是代表種用價值的重要參考。種子活力反映種子發(fā)芽期間的生理生化過程，發(fā)芽率、田間出苗和生長的整齊度與速度，出苗后對逆境的抵抗能力，以及持續(xù)到田間生長表現(xiàn)，最終影響植物的產(chǎn)量［4］。因此，玉米種子活力的高低對大田玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)具有特殊重要意義。種子活力主要受遺傳因素和環(huán)境因素的影響，其中遺傳特性（基因型）對種子和幼苗活力影響顯著［5］。

赤霉素是種子的生理活性物質(zhì)之一，能調(diào)節(jié)種子的生理狀態(tài)和生化變化，促使種子生命活動強度增高或降低的化學(xué)成分。種子本身具有合成GA 的能力，合成部位是胚，種子中的赤霉素有游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種。結(jié)合態(tài)赤霉素不具有生理活性，是一種貯藏和運輸形式，而游離態(tài)的GA則具有生理活性，當(dāng)種子萌發(fā)時具有生理活性的GA 可促使細(xì)胞伸長，促進細(xì)胞分裂，調(diào)控種子休眠促使種子發(fā)育［5］。目前，已從植物、真菌和細(xì)菌中分離和鑒定出136 種不同結(jié)構(gòu)的GAs，但絕大部分的GAs 沒有生物活性，只是活性GA 的前體或非活性代謝物，只有少量具有生物活性，其中GA1和GA4是主要的內(nèi)源活性因子［6］。外源活性赤霉素的施加可以應(yīng)用于破除種子休眠及促進種子萌發(fā)來提高作物產(chǎn)量上，且已經(jīng)廣泛在玉米、洋蔥、西瓜、甜瓜、茄子、辣椒等作物的種子萌發(fā)和幼苗生長過程中得到應(yīng)用。這表明赤霉素參與調(diào)控種子活力對作物種子產(chǎn)量的影響顯著，種子是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，加強赤霉素調(diào)控種子活力機理的研究意義重大。

目前在種子活力及赤霉素的生物合成及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中參與調(diào)控活力水平的一些相關(guān)基因與數(shù)量位點的發(fā)掘中，對于水稻、小麥等作物的研究較多，有關(guān)赤霉素對種子活力影響的研究上也較多側(cè)重于施加外源GA 來影響種子活力的相關(guān)生理指標(biāo)上，而植物體對GA 信號從感知到傳遞，尤其是對于玉米種子發(fā)育過程中的GA 調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)鏈的研究還不夠深入。不斷挖掘GA 參與調(diào)控玉米種子活力的關(guān)鍵靶基因，構(gòu)建GA 對玉米種子活力的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并加以利用，創(chuàng)新高活力玉米種子，進而服務(wù)于玉米高產(chǎn)種質(zhì)的研發(fā)。

1 赤霉素的生物合成與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

1.1 赤霉素的生物合成

赤霉素是四環(huán)二萜類的植物激素，根據(jù)赤霉素分子碳原子總數(shù)不同，分為C19 和C20 兩類赤霉素，具有生物活性的GA 是通過復(fù)雜的生物合成和信號傳導(dǎo)途徑來控制植物生長和發(fā)育的。赤霉素在細(xì)胞中的合成部位是質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)等，絕大多數(shù)植物里種子中GA 的含量遠(yuǎn)超于其他部位，種子中合成GA 的部位是胚［7］。C19 類赤霉素的生理活性高于C20 類赤霉素。生物活性強的赤霉素有GA1、GA3、GA4、GA7、GA30、GA32、GA38等，生理活性弱的赤霉素有GA13、GA17、GA25、GA28、GA39等［8］。質(zhì)體內(nèi)具有生物活性的GA 在合成時是由牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（geranylgeranyl diphosphate，GGDP），經(jīng)過古巴焦磷酸合成酶（entcopalyl diphosphate synthase，CPS）、內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶（KS，ent-kaurene synthase）形成內(nèi)根-貝殼杉烯。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中內(nèi)根-貝殼杉烯由內(nèi)根-貝殼杉烯氧化酶（KO，ent-kaurene oxidase）、內(nèi)根-貝殼杉烯酸氧化酶（KAO，ent-kaurenoic acid oxidase）作用形成 GA12-醛，接著轉(zhuǎn)化為GA12和GA53，GA53是GA12在 GA13氧化酶的作用下轉(zhuǎn)變成的［9-11］。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中GA12和GA53在C20 處進行一系列氧化，通過3 種氧化酶GA20-oxidase、GA3-oxidase 和GA2-oxidase 催化氧化形成其他種類GAs［10］。GA-C20 在GA13氧化酶作用下產(chǎn)生GA20，GA20在GA3-oxidase的作用下氧化為活性GA1，GA-C20 不經(jīng)GA13氧化酶作用則直接被GA20-oxidase 氧化產(chǎn)生GA9，再被GA3-oxidase 催化氧化形成活性GA4。GA20還被GA3-oxidase 催化為GA5，GA5繼續(xù)在GA3-oxidase的作用下生成GA3和GA6［11］。關(guān)于赤霉素的生物合成還有一些新的發(fā)現(xiàn)，玉米赤霉素GA 缺失突變體矮化f1（d1）表現(xiàn)為矮化和雄株性（即在雌花中形成花藥），d1 突變阻斷了GA 生物合成的3 個步驟，從位點分離和鑒定發(fā)現(xiàn)，D1 編碼一個GA3-oxidase，催化生物活性GA 合成的最后一步，重組D1 能夠在體外將GA20轉(zhuǎn)化為GA1，GA20轉(zhuǎn)化為GA3，GA5轉(zhuǎn)化為GA3，GA9轉(zhuǎn)化為GA4。體內(nèi)GFP 融合分析和使用D1 特異性抗體的細(xì)胞器部分的western blot 分析表明，D1 蛋白在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中是雙定位的。此外，上游赤霉素20-氧化酶1（ZmGA20ox1）蛋白也存在于細(xì)胞核和胞漿中，這表明具有生物活性的赤霉素可在赤霉素受體不敏感矮化蛋白1 存在的胞質(zhì)和胞核兩個區(qū)域合成，這與人們普遍認(rèn)為這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中來說是一種新的發(fā)現(xiàn)［12］。

1.2 赤霉素的失活代謝

GA 的失活代謝主要是2β-羥化反應(yīng)。GA1和GA4在GA2-oxidase 催化氧化下分別形成無生理活性的GA8和GA34［8，10］。GA2-oxidase 還可將GA4和GA1的前體GA9和GA20分別氧化為無活性的GA51和GA29［13］。GA2-oxidase 可以在一系列生物調(diào)節(jié)下將GA12和GA53分別氧化為GA110和GA97［14］。研究表明在擬南芥種子成熟過程中，GAMT1 和GAMT2對GAs 的甲基化作用使GAs 失活并開始降解［15］。水稻基因EUI1編碼P450 單加氧酶，在失活反應(yīng)中環(huán)氧化赤霉素（GAs），擬南芥EUI的兩個同源基因很可能通過催化類似于水稻EUI的具有生物活性GA的失活來微妙地調(diào)控植物的生長［16］。因此，基于前人研究基礎(chǔ)，我們對赤霉素生物合成及失活途徑進行整合和匯總，繪制GA 生物合成模擬簡圖（圖1）。

圖1 赤霉素的生物合成Fig.1 Biosynthesis of gibberellin（GA）

1.3 赤霉素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

植物細(xì)胞接收外部信號刺激反應(yīng)來調(diào)節(jié)植物本身細(xì)胞中內(nèi)源物質(zhì)的變化，當(dāng)植物體內(nèi)活性GAs 含量低時，GAs 促進GA20-oxidase、GA3-oxidase 等合成關(guān)鍵基因的表達，抑制GA2-oxidase 的表達；當(dāng)植物體內(nèi)活性赤霉素含量升高時，GAs 反向調(diào)控GA合成關(guān)鍵基因的表達，進而來穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)活性GA的含量。

植物體內(nèi)的受體細(xì)胞在激素等信號刺激下將這些信號在細(xì)胞中傳遞，引發(fā)細(xì)胞生理生化的變化，調(diào)節(jié)植物自身機能的改變，最終適應(yīng)環(huán)境的變化。GA 受體細(xì)胞接收GA 信號在細(xì)胞內(nèi)形成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)利用水稻矮化基因突變體定位細(xì)胞核中第一個GA 受體GID1，GA 與受體GID1 結(jié)合，啟動GID1 與蛋白降解組復(fù)合體SCF（多種亞基組成的E3 連接酶）的相互作用進而活化SCF，降解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的負(fù)調(diào)控因子DELLA 蛋白，使得GA 發(fā)揮其正調(diào)控作用［17-18］。當(dāng)細(xì)胞外GA 濃度降低時，GID1 與GA 不再結(jié)合，其N 端結(jié)構(gòu)域（NEx）呈疏松結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使DELLA 蛋白與GA 應(yīng)答基因結(jié)合并抑制其活性；當(dāng)細(xì)胞外GA 濃度升高時，GID1 通過其C 端結(jié)構(gòu)域與GA 結(jié)合并引發(fā)相關(guān)應(yīng)答反應(yīng)。首先，GA 誘導(dǎo)GID1 構(gòu)象發(fā)生變化，GID1的N-Ex 像蓋子一樣將GA 封閉在GID1 內(nèi)，形成疏水性的表面以便與DELLA 蛋白結(jié)合［19］。DELLA 蛋白位于細(xì)胞核中，在其N 端含有一段保守的氨基酸序列，這段序列對于DELLA 蛋白的降解途徑來說是必須的［20］。DELLA 蛋白是細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可以抑制GA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進而限制植物生長。研究表明DELLA 蛋白和BOI 蛋白通過相互作用，結(jié)合到擬南芥活性Gibberellin-Reponsive 基因的啟動子上，并抑制這些基因，從而抑制GA 應(yīng)答［21］。文獻還報道Ca2+、cGMP 及NO 是細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使，例如Ca2+與cGMP 是GA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)正調(diào)控因子，NO則負(fù)調(diào)控GA 信號途徑［22-24］。另外水稻中的核蛋白OsWOX3A 對植物赤霉素的生物合成途徑也起到一個負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用［25］。

圖2 赤霉素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Fig.2 Signal transduction of gibberellin（GA）

有關(guān)赤霉素生物合成、代謝失活及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的調(diào)控機理方面的進展已經(jīng)有了比較清楚的脈絡(luò)途徑，但是這些生物合成代謝酶及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的揭示也大多數(shù)來源于水稻作物的基因和蛋白研究。玉米基因里GA 合成的相關(guān)基因位點D1 的確定，研究結(jié)果表明該基因定位于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)兩個區(qū)域。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，玉米基因家族中GA 的生物合成、代謝失活及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控途路等方面的研究也會越來越多地被報道。

2 種子活力

種子的一生經(jīng)歷著生長、發(fā)育和衰老的過程，高活力的種子劣變程度低，受自身遺傳、外界環(huán)境變化、種子本身細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理功能的影響小。為保障國家糧食安全與種業(yè)安全，對各種作物的種子活力研究與探索也一直在不斷的深入，且也已經(jīng)取得一定的研究進展。在種子的發(fā)育過程中，貯藏物質(zhì)的積累是種子活力形成的基礎(chǔ)。種子活力通常隨著生理狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，種子劣變涉及蛋白質(zhì)、糖、核酸、脂肪酸、揮發(fā)性物質(zhì)、酶的活性、呼吸強度、脂質(zhì)過氧化、修復(fù)機制等方面的變化［5］。在對玉米種子進行老化實驗研究的結(jié)果表明，隨著對玉米種子進行老化時間的延長，種胚內(nèi)的可溶性糖、Pro 含量、DHA 活性及POD 活性出現(xiàn)不同程度下降，活力強的種子仍能保持較高調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及酶活性［26］。高活力種子的劣變速率不僅低于低活力種子而且在發(fā)芽勢及發(fā)芽率等一些生長表型指標(biāo)上也明顯強于低活力種子，表現(xiàn)出較好的抗性。隨著老化時間的延長，兩個水稻品種的發(fā)芽率和活力指標(biāo)都有所降低，但不同水稻品種的抗老化能力存在一定的差異，實驗中的各組數(shù)據(jù)對比表明農(nóng)大603的活力水平高于農(nóng)大37 的活力水平［27］。有學(xué)者對12 份陸地棉種子在標(biāo)準(zhǔn)條件下進行發(fā)芽分析發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫及人工老化處理均會都降低陸地棉種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗長、根長、苗鮮重和根鮮重，但新陸早7 號在低溫、中棉 35 號在低溫和人工老化都具有高發(fā)芽率，這足以說明高活力陸地棉種子的抗性顯著強于低活力種子［28］。研究數(shù)據(jù)表明隨著自然老化時間的延長，6 個花生品種（系）的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢，其中花8107 品系的總體抗老化能力高于其他品種［29］。種子的劣變老化過程中伴隨著生理、生化活力水平的減弱，但高活力種子對比低活力種子受不良環(huán)境及條件的影響較小，能夠保持較好的抗性。由此我們可以依據(jù)不同品種的種子活力狀況來給出相對應(yīng)的措施來減少種質(zhì)的浪費。

種子活力是由多基因控制的數(shù)量性狀，可以進行鑒定分析相關(guān)的QTL［30］。伴隨著分子生物學(xué)研究技術(shù)的進步和發(fā)展，尤其是高通量測序技術(shù)和各種組學(xué)技術(shù)的更新?lián)Q代，目前不同作物種子活力相關(guān)分子機制方面的研究也取得了一些進展。以野生稻（Oryza longistaminata）與秈稻 9311 雜交后，再以9311 作為輪回親本得到的BC2F20 回交株系（backcross inbred lines，BILs）為材料，運用基因組重測序技術(shù)進行基因分型，檢測到36 個與種子活力相關(guān)的QTLs，其中6 個QTLs 與萌發(fā)相關(guān)，8個QTLs 與老化脅迫下幼苗生長相關(guān)，而且與萌發(fā)相關(guān)的兩個主效QTLs q9GR8.1 和q9GP8.1 被精細(xì)定位到90 kb 左右的區(qū)間［31］。種子耐貯性是指種子在儲存過程中保持活力的能力。在粳稻品種日本晴和秈稻品種9311 雜交的回交重組自交系中使用高密度單核苷酸多態(tài)性連鎖圖譜對種子耐貯性的數(shù)量性狀位點（QTL）進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在自然貯藏條件下檢測到7 個與種子耐貯性相關(guān)的QTLs，其中一個位點（qSS3.1）被認(rèn)為是引起脂質(zhì)損傷的氧化劑分子，并從qSS3.1 中篩選到 1 個編碼脂肪酸羥化酶的候選基因OsFAH2，而且過表達OsFAH2能顯著降低種子中脂質(zhì)過氧化和提高種子耐貯藏性［32］。Han 等［33］利用兩個玉米雜交組合Yu82×Shen137和 Yu537A×Shen137 構(gòu)建的2 個重組自交系群體的420 個家系為材料，借助SNP 分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜，鑒定到65 個與種子活力相關(guān)的QTLs，而與玉米種子活力相關(guān)的24 個候選基因主要富集在糖酵解途徑和蛋白質(zhì)代謝途徑，推測mQTL2、mQTL3-2、mQTL3-4和mQTL5-2的染色體區(qū)域可能是與種子活力相關(guān)的熱點區(qū)域。Renard 等［34］為了鑒定新的長壽基因，對模式植物擬南芥自然衰老和3 種加速衰老方法的270 個生態(tài)型的自然變異進行了表型分析，利用公開獲得的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）數(shù)據(jù)集進行全基因組分析，確定了與種子壽命相關(guān)的多個基因組區(qū)域，其中在獲得的20 個候選基因中有7 個與種子壽命成正相關(guān)，且NADPH 氧化酶（RBOH）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR1）和光系統(tǒng)Ⅰ亞基（PSAD1）凸顯了氧化應(yīng)激在種子衰老中的重要作用。細(xì)胞色素P-450 羥化酶、CYP86A8 和轉(zhuǎn)錄因子MYB47、KNAT7 和SEP3 支持種皮在種子老化過程中的保護作用。Li 等［35］對X78 和I178 種子在種子加速老化處理前（0d-AA）和加速老化處理后（5d-AA）進行轉(zhuǎn)錄表達分析，鑒定AA 處理后的差異表達基因（DEGs），結(jié)果發(fā)現(xiàn)13 個DEGs 可能與種子壽命直接或間接相關(guān)。Gong 等［36］利用非人工陳化和人工陳化2 d 的甜玉米種子構(gòu)建小RNA文庫，通過降解組測序鑒定與甜玉米種子活力相關(guān)的miRNAs，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個靶基因PC-5p-213179_17和PC-3p-477790_3，前者可能通過參與過氧化物酶活性、氧化還原過程和氧化應(yīng)激的響應(yīng)來防止甜玉米種子自由基脂質(zhì)過氧化，后者通過其靶向的熱穩(wěn)定蛋白來修復(fù)蛋白質(zhì)損傷進而改善人工老化對種子活力的影響。

種子是農(nóng)業(yè)的芯片，高活力種子是農(nóng)業(yè)發(fā)展不斷進步的保障，科學(xué)家們對于種子活力的研究一直都在不斷深入，由生理指標(biāo)觀察到種子活力靶基因的發(fā)掘，再到如何創(chuàng)制高活力作物種子。近年來在各種作物種子中越來越多有關(guān)活力及抗老化相關(guān)基因位點的發(fā)掘等研究，不僅為未來高活力種子基因庫的建立和利用奠定了基礎(chǔ)，而且為新時代分子育種提供了方向。

赤霉素作為植物重要的生理調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，能有效地促進植物莖稈伸長，加速植株的生長和發(fā)育，促使作物提前開花和成熟，有助于增加和改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；并且適宜濃度的赤霉素浸種不僅能夠打破種子的休眠，促進發(fā)芽，還可以減少成熟果實器官的脫落，提高果實的結(jié)實率或形成無籽果實［8，37-39］。那么對于種子活力相關(guān)生理指標(biāo)的影響上赤霉素發(fā)揮著怎樣的調(diào)節(jié)作用及其應(yīng)用價值所在，此外赤霉素如何調(diào)控作物特別是玉米種子活力的分子機制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還需進一步深入。

3 赤霉素調(diào)控種子活力的研究進展

3.1 赤霉素調(diào)控玉米種子活力的生理研究

赤霉素對玉米種子活力的影響也是如此，研究表明適宜濃度和時間的GA3浸種，不僅可以顯著提高其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標(biāo)，而且玉米種子中可溶性糖（SS）、丙二醛（MDA）、α-淀粉酶、β-粉淀粉酶等生理指標(biāo)也有顯著的變化［40］。研究表明，活力高的玉米種子內(nèi)源激素GA 含量高于低活力的玉米種子，且適宜濃度的外源GA3處理陳玉米種子時均能促進其發(fā)芽，極顯著提高陳玉米種子的活力［41］。甜玉米因其具有豐富的營養(yǎng)和較好的口感深受人們的喜愛，王科翰［42］在玉米種衣劑中添加適宜濃度的赤霉素GA3（200 mg/L）能夠顯著提高甜玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。魏曉梅等［43］研究發(fā)現(xiàn)與對照相比，用GA3浸泡玉米種子后可明顯提高其發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。左月桃等［44］發(fā)現(xiàn)低溫脅迫條件下，適宜濃度GA3 溶液浸種處理后，玉米種胚內(nèi)兩種抗氧化酶（SOD、POD）活力顯著提高，提高種子耐低溫活性，保護種子在低溫條件下的萌發(fā)機制。赤霉素是一種天然的植物激素，在各種作物的應(yīng)用中因無毒、無害一直被青睞認(rèn)可。陳士林等［45］利用GA 處理玉米種子，從3×10-4-30 μmol/L 范圍內(nèi)種子發(fā)芽勢和簡化活力指數(shù)逐漸升高，在30 μmol/L 時二者均達到最大值，隨著GA 濃度的進一步增大，發(fā)芽勢和簡化活力指數(shù)開始逐漸下降。研究表明赤霉素可以促進玉米生長，赤霉素和聚乙二醇復(fù)合引發(fā)可以促進玉米種子活力［46］。廖爾華等［47］以四川主推雜交種正紅311 為材料，利用赤霉素浸種探討赤霉素對玉米種子萌發(fā)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適宜濃度（15 mg/L）的赤霉素浸種可以明顯提高玉米種子胚乳中的α-淀粉酶活性，提高發(fā)芽勢和發(fā)芽率。

赤霉素作為植物萌發(fā)和生長的必須激素之一，在植物生長的一生中發(fā)揮著重要作用。研究表明赤霉素可以提高多種水解酶類的活性，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等，通過水解酶的活性提高來發(fā)揮作用。此外赤霉素還可以促進細(xì)胞器溶酶體等釋放出貯藏的酶類，進而促進植物種子萌發(fā)和生長。隨著科學(xué)研究的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以利用化學(xué)合成的方法人工合成赤霉素，將會以合成容易、價格低、效果好的優(yōu)點大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

3.2 赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子研究

高活力種子具有長時間的貯藏壽命和良好的抗性品質(zhì)，在種子發(fā)育早期，遺傳或生物合成抑制劑誘導(dǎo)的GA 缺乏會抑制ABA 缺乏的玉米籽粒的發(fā)芽狀況，且這一研究結(jié)果也證實赤霉素GA 參與了玉米種子萌發(fā)的調(diào)控［48］。Song 等［49］對玉米種子萌發(fā)過程中赤霉素代謝酶基因的全基因組鑒定及表達譜分析中發(fā)現(xiàn)，玉米基因組中包含3 個CPS基因、4個KS基因、2 個KO基因和1 個KAO基因，這些酶是合成GA 的前期步驟中重要的酶，表達譜分析表明，在玉米種子萌發(fā)過程中可以檢測到15 個GA 代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄本；最顯著的是，在種子胚中檢測到了6 個GA 代謝相關(guān)基因（ZmCPS1、ZmCPS2、ZmKS1、ZmKS4、ZmKO1和ZmGA20ox4） 的轉(zhuǎn)錄本，這6 個基因可能有助于在種子萌發(fā)早期將儲存的GA 前體轉(zhuǎn)化為活性GA。糊粉層存在于谷類種子胚乳的最外層，糊粉層細(xì)胞本身并不合成激素，但在種子萌發(fā)過程中，對胚分泌的赤霉素等激素有強烈反應(yīng)，赤霉素調(diào)節(jié)相應(yīng)的水解酶產(chǎn)生，促進種子萌發(fā)。Zheng 等［50］研究發(fā)現(xiàn)在玉米種子萌發(fā)過程中，GA 增加了糊粉層中的組蛋白乙?；殡S著rDNA的解聚，GA 處理后，剝離糊粉層的rDNA 染色質(zhì)解壓縮，基因組整體組蛋白乙?；?，這是由于組蛋白乙?；?組蛋白去乙?；福℉AT/HDACs）的相對酶活性增加。這一研究表明GA 處理可以提高糊粉層rRNA 和HAT/ HDAC基因啟動子區(qū)組蛋白乙?；?，參與糊粉層對于玉米種子萌發(fā)的調(diào)節(jié)。種皮是玉米籽粒結(jié)構(gòu)的組成部分，其作用是保護種子免受機械損傷和病蟲害的侵襲。種皮的主要成分是纖維素、淀粉和蛋白質(zhì)，種皮的厚度取決于纖維素的含量，纖維素生物合成復(fù)合體中如果缺少纖維素合成蛋白，將直接影響其生物合成。纖維素的合成依賴于纖維素合酶基因家族（CesA），它是植物多基因家族中的一員。Lv 等［51］研究發(fā)現(xiàn)GA 處理可以誘導(dǎo)玉米籽粒的粒長和容重顯著提高，籽粒纖維素含量增加，而種皮厚度降低。通過轉(zhuǎn)錄組測序分析，篩選得到了與纖維素合成酶基因1（CesA1）表達強相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子亮氨酸拉鏈基序53（bZIP53），結(jié)合GA 處理后玉米籽粒發(fā)育中纖維素合成酶基因的表達量變化，發(fā)現(xiàn)bZIP53表達明顯促進CesA1 的表達；此外，對轉(zhuǎn)錄因子bZIP53的分析表明，基因編碼的蛋白定位于細(xì)胞和核膜。通過GA 調(diào)控玉米種皮中纖維素增加的這一研究發(fā)現(xiàn)，對于通過提高玉米種皮的保護機制來增加玉米種子的活力水平來說是一個全新的進展。

這些有關(guān)玉米種子活力的研究進展均表明赤霉素的生物合成與代謝及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中相關(guān)基因及合成代謝酶參與影響著玉米種子的萌發(fā)、籽粒大小、種皮結(jié)構(gòu)及玉米種子中的營養(yǎng)物質(zhì)，參與調(diào)控玉米種子活力。未來加強深入赤霉素調(diào)控玉米種子活力分子機制的探索，發(fā)掘更多有關(guān)玉米活力的關(guān)鍵基因，針對性地利用赤霉素相關(guān)活力靶基因把控玉米種子活力具有重要意義。

3.3 赤霉素對其他作物種子活力的影響

外源活性GA 可以加速非休眠種子的萌發(fā)及調(diào)控糊粉層中淀粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖酶等酶類的產(chǎn)生及釋放；高等植物種子中活性GA 參與胚乳淀粉層中營養(yǎng)物質(zhì)的分解和促進種子萌發(fā)［7］。常博文等［52］從來自不同生態(tài)區(qū)的30 個花生品種中篩選出4 個耐低溫和4 個不耐低溫的花生品種進行赤霉素（GA3）處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GA3可以顯著促進4℃低溫處理后花生種子的萌發(fā)和種子活力，抑制了花生幼苗在低溫處理后的相對膜透性和丙二醛含量的上升，提高了可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸的含量。這表明赤霉素顯著提高了花生種子耐低溫的抗性，提高花生種子活力水平。屈旭等［53］研究發(fā)現(xiàn)利用適宜濃度GA 處理辣椒種子可以顯著促進其種子萌發(fā)和幼苗根系的發(fā)育。朱麗偉［54］選擇不同成熟度的雜交水稻種子為研究對象，對其種子活力、生理生化和耐貯藏能力進行研究發(fā)現(xiàn)，GA3浸種可顯著提高錢優(yōu)1 號與Y 兩優(yōu)689 雜交水稻種子活力，進而提高其耐老化能力。余曉叢等［55］研究發(fā)現(xiàn)利用0-30 mg/L 赤霉素浸種可以促進3 種草坪草的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及幼苗根系生長，提高耐鹽性。高活力種子不僅發(fā)芽迅速、幼苗整齊、生長均勻一致，而且在抗性及耐性等方面也強于低活力種子。

隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，在其他作物中有關(guān)GA 合成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中調(diào)控通路及其相關(guān)基因位點的發(fā)現(xiàn)、利用和功能研究取得了重要進展，為研究赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子機制提供了重要參考。Fan 等在擬南芥中成功鑒定出15 個受赤霉素調(diào)控的GASA（gibberellic acid stimulatedArabidopsis）基因家族成員，其中GASA4正調(diào)控種子大小和總產(chǎn)量［56-57］。種子的休眠是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素，種子活力水平的高低受種子休眠等因素的影響，超表達赤霉素相關(guān)基因可以促進林木種子萌發(fā)［58］。張運城［59］分離并鑒定了油松GID1基因，轉(zhuǎn)基因擬南芥（PtGID1）種子在低濃度GA3條件下能夠萌發(fā)，說明PtGID1能促進擬南芥種子的生長發(fā)育。Li 等［60］以羊草種子為實驗對象，采用轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)分析GA3處理對羊草種子萌發(fā)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GA3 處理后可能通過抑制Cel61a、egID、cel1、tpsA、SPAC2E11.16 c和TPP2的表達，增強AMY1.1、AMY1.2、AMY1.6和GLIP5的表達，抑制纖維二糖、纖維糊精和海藻糖的合成，同時促進蔗糖、淀粉、纖維二糖、纖維糊精和海藻糖水解為葡萄糖，該發(fā)現(xiàn)為今后利用赤霉素提高種子發(fā)芽率和種子活力研究提供了重要依據(jù)。

DELLA 蛋白是GA 合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中重要的核轉(zhuǎn)錄因子，對于種子的休眠和萌發(fā)起著至關(guān)重要的作用。2011年P(guān)earce 等證實了小麥半矮化Rht-1等位基因是屬于 DELLA 蛋白類且是通過GA-GID1-DELLA 信號途徑發(fā)揮生物學(xué)功能［61-62］。Sarnowska 等在擬南芥中發(fā)現(xiàn)DELLA 蛋白RGL2（RGA-LIKE 2）和RGL3與染色質(zhì)重塑因子SWI3C（SWITCH3C）發(fā)生相互作用，進而影響GID1a以及GA3ox基因的轉(zhuǎn)錄，進而調(diào)控GA 的感知和生物合成［63-64］。水稻矮化基因的發(fā)現(xiàn)給全球谷物的影響非常顯著，研究發(fā)現(xiàn)編碼GA20 氧化酶的OsGA20ox2與水稻中的半矮化sd-1基因位點密切相關(guān)，是由于OsGA20ox2發(fā)生了突變，GA20 氧化酶活性降低，導(dǎo)致GA53積累，引起所有的sd-1半矮化系的出現(xiàn)［62，65］。利用適宜濃度的外源赤霉素對于提高種子活力及不同植物的生長發(fā)育有一定的促進作用，其生物合成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中有關(guān)活力基因位點的發(fā)現(xiàn)也為GA 調(diào)控種子活力的網(wǎng)絡(luò)建立奠定了一定的基礎(chǔ)。研究表明赤霉素對于破除種子的休眠、改善種子的發(fā)芽率和提高種子的活力方面具有顯著的促進作用，而且還發(fā)現(xiàn)全球小麥和水稻綠色革命中小麥半矮化Rht-1等位基因和水稻半矮化sd-1基因位點的發(fā)掘其調(diào)控通路都與赤霉素GA 有關(guān)，表明利用赤霉素調(diào)控作物種子活力可行且可控。

赤霉素對于種子活力的影響顯著，且適宜濃度的外源活性GA可顯著提高不同作物種子抗性、耐性，調(diào)控不同作物種子的活力水平。可以通過不同作物種子對赤霉素的應(yīng)激情況相互借鑒學(xué)習(xí)，為赤霉素調(diào)控種子活力網(wǎng)絡(luò)機制的建立奠定基礎(chǔ)。然而關(guān)于赤霉素調(diào)控玉米種子活力的相關(guān)研究卻比較有限，加強赤霉素調(diào)控玉米種子活力的關(guān)鍵靶基因及蛋白的發(fā)掘，深入解析玉米種子發(fā)育過程中GA 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理，探索GA 調(diào)控玉米種子活力的分子機制，構(gòu)建赤霉素調(diào)控玉米種子活力的機制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)創(chuàng)制高活力玉米種質(zhì)的目標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

本文主要綜述了赤霉素生物合成、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及赤霉素調(diào)控玉米種子活力和其他不同作物的研究進展，為后續(xù)研究提供有價值的參考。例如從GA信號與小麥和水稻半矮稈基因的相互作用中促使其產(chǎn)量提高，進而造就全球小麥和水稻的綠色革命一樣，利用玉米矮稈突變體Dwarf11（D11）的特性來分析玉米種子中GA 的生物合成和調(diào)控機制，進而為玉米的高產(chǎn)服務(wù)［66］。眾所周知，在作物生產(chǎn)中，適當(dāng)矮化植株是提高作物抗倒伏能力和收獲指數(shù)的重要手段，如何利用優(yōu)良矮稈基因資源來改良或培育玉米抗倒伏矮稈高產(chǎn)品種具有重要意義。Chen等［67］將擬南芥AtGA2ox1基因轉(zhuǎn)化到玉米中，獲得一株莖稈高度降低的轉(zhuǎn)基因玉米，通過在玉米中過表達AtGA2ox1基因來降低內(nèi)源生物活性GA 水平，不僅降低了轉(zhuǎn)基因玉米的株高和營養(yǎng)生物量，而且提高了轉(zhuǎn)基因玉米的產(chǎn)量。這一成果無疑為后續(xù)研究赤霉素調(diào)控玉米種子活力的分子機制提供了有價值的參考，此外，GA 如何調(diào)控同化物的運輸、卸載和代謝最終影響庫強的作用機制還不清楚，具體通過哪些靶基因點來實現(xiàn)調(diào)控功能仍需深入研究。

農(nóng)穩(wěn)社稷，糧安天下，種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為衡量種子質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，加大種子活力研究的細(xì)度和深度，對于創(chuàng)造高活力作物新種質(zhì)、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)創(chuàng)收、牢牢端穩(wěn)中國人飯碗意義重大。相伴多組學(xué)技術(shù)在種子活力研究中的不斷開展，可以預(yù)見，新的種子活力研究體系將逐步構(gòu)建，結(jié)合細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)和各種組學(xué)技術(shù)（包括轉(zhuǎn)錄組、翻譯組、蛋白質(zhì)組和代謝組）研究，種子活力研究體系必將更加精細(xì)、透徹。毋庸置疑，GA 調(diào)控種子活力的機制會得到更加全面地剖解，不斷發(fā)掘更多玉米種子中GA參與調(diào)控活力的基因或蛋白。除此之外，厘清GA 調(diào)控相關(guān)表達調(diào)控的生理生化過程和代謝途徑，將生理生化表型與基因的表達有機結(jié)合在一起，更加有利于全面認(rèn)識玉米復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)和作用機制，為進一步提高玉米種子活力和玉米的高效育種提供參考。