植物种子萌发及活力的调控机制

周峰

摘要：植物种子的萌发活力是植物胚胎驱动，由种子内部一系列有序代谢活动和基因顺序表达调控的。介绍了与种子萌发有关的激素、细胞修复、蛋白质翻译、翻译后修饰、甲硫氨酸代谢在种子萌发中的调控机制。通过对这些调控途径的认识，可发现新的种子萌发标志物，为保障作物正常生长和提高作物产量奠定基础。

关键词：种子；萌发；活力；激素；修复；调控机制

中图分类号：S330.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0497-03

植物种子的萌发活力是植物胚胎驱动，由种子内部一系列有序代谢活动和基因顺序表达调控的。研究表明，种子能否成功萌发的一个重要因素就是母体内胚胎成熟过程中信使mRNA积累的质量。蛋白质稳态和DNA的完整性在种子萌发的表型中也起重要作用，因为它们与调控种子萌发的细胞代谢过程和信号转导过程有密切关系。此外，含S氨基酸在决定种子起始萌发的生化过程中起关键作用。总之，种子活力依赖很多生化和分子途径，通过对这些调控途径的认识，可发现新的种子萌发标志物，为保障作物正常生长和提高作物产量提供新技术。

1 激素对种子萌发的调控

植物种子的内源激素和种子萌发环境共同调控种子的萌发与休眠。脱落酸（Abscisic acid，ABA）对诱导种子休眠和维持吸胀种子的休眠状态有积极调控作用。ABA在种子失水过程中会累积，它会诱导后胚胎丰富蛋白（Late embryogenesis abundant， LEA）的产生。后胚胎丰富蛋白能在种子后熟过程中避免失水对生物大分子造成伤害。ABA还可抑制母体内种子发育过程中的早熟和有害萌发，这使得种子能够充分发育成熟，萌发后生长为壮苗。然而，对于非休眠种子来说，萌发过程需要降低对ABA的敏感性和对其生物合成的抑制，以降低体内ABA水平。这时，体内会合成赤霉素（Gibberellins， GA）促进种子萌发。GA对GRAS转录调节蛋白起负调控作用，GRAS家族是植物特有的转录调控因子，由最初发现的3个家族成员GAI（Gibberllic acid insensitive）、RGA（Repressor of GAI）和SCR（Scarecrow）的特征字母命名。而GRAS转录调节蛋白参与细胞分化，对种子萌发起抑制作用。ABA/GA调节种子萌发中新陈代谢的状态转变，使休眠的种子体内保留高生物活性的ABA[1]。尽管GA对种子萌发是必要的，但也不参与萌发的每个过程，比如GA不参与种子萌发时储存的蛋白质和脂肪的动员。

一氧化氮（Nitric oxide，NO）会刺激种子萌发，活性氧（Reactive oxygen species，ROS）也可控制种子萌发。ROS与NO相互作用，调节ABA新陈代谢和GA的生物合成。最近发现的卡里金（Karrikins，KAR1）能促进种子萌发和幼苗生长，它可引起与独脚金内酯（Strigolactone，SL）激素类似的信号转导反应。其他的激素如乙烯、芸薹素内酯、水杨酸、细胞分裂素、生长素、茉莉酸等也影响种子萌发，它们之间形成一个激素信号转导网络，而且相互作用，精确控制种子的萌发[2]。

2 细胞修复对种子萌发及活力的调控

种子发育和萌发过程中的失水和再结合水会导致氧化胁迫，损伤DNA。种子在储存过程中，基因组也会有所损伤，导致种子活力丧失。损伤的DNA能在种子萌发过程中得到修复，其中很重要的一步就是DNA连接酶介导的DNA单、双链损伤修复，在拟南芥中，DNA连接酶的失活会导致种子萌发的延迟。DNA聚合酶也与DNA损伤修复有关，烟碱对DNA聚合酶有抑制作用，所以种子萌发过程中，烟碱会通过烟碱水解酶发生降解。种子蛋白也会受到老化的伤害，异天冬氨酸甲基转移酶（PIMT）可修复种子蛋白老化过程中异天冬氨酸位点的异构化，PIMT修复途径消除了种子萌发过程中产生的一些有害蛋白产物。在拟南芥中，PIMT的降低会导致种子寿命的缩短和发芽率的降低[3]。

3 翻译对种子萌发的调控

翻译过程在种子萌发中起重要作用。种子萌发过程中，有特殊的基因表达调控机制确保选择性的翻译mRNA。真核翻译起始因子eIF4E（Eukaryotic translation initiation factor 4E）家族成员包括eIF4E及其异构体eIFiso4E。eIF4E和eIFiso4E因子在翻译起始过程的作用相同，能够与mRNA的帽子结构或其他帽子同系物特异地交叉结合，在蛋白质合成的起始中起关键作用。但它们在结合m7GpppN和其他帽子类似物的能力上存在差异。eIFiso4E是干燥种子储存的mRNA翻译必需的，其作用不能由eIF4E取代。蛋白质组学研究表明，甜土植物种子翻译起始过程可通过帽子依赖或非帽子依赖机制完成，而像玉米中其胚轴的萌发是通过种子储存大量丰富的mRNA通过非帽子依赖翻译完成的[4]。

种子萌发过程中，转录本要重新合成以确保种子的活力，尤其是那些与编码GA等激素合成有关的酶和蛋白质。蛋白质合成是种子萌发完成所必需的，储存的mRNA模板，它们的稳定性与种子活力密切相关。种子内大量丰富的mRNA在双子叶植物和单子叶植物中保守性很高，而双子叶和单子叶植物大约早在2亿年前就分化了，说明这些转录本在所有植物种子萌发中都起重要作用。向日葵种子后熟过程中，休眠的解除与储存的mRNA氧化有关，mRNA的氧化改变了mRNA翻译过程，这种非酶氧化作用不是随机的而是有选择性的，因为这些转录本在种子休眠中起重要作用。目前，尚不知mRNA的氧化机制是否也存在于种子的萌发过程中，但一定量的特殊mRNA的降解是种子萌发的前提[5]。

4 翻译后修饰对种子萌发的调控

蛋白质组学研究表明，种子蛋白有大量的翻译后修饰作用，这影响着种子蛋白的定位、组装、稳定和活性。这些翻译后修饰作用主要包括氧化还原调控、磷酸化调控、去磷酸化调控和NO调控的翻译后修饰作用。

4.1 氧化还原信号调控

种子萌发过程中伴随大量蛋白质氧化还原状态的改变。在谷物类植物中，干燥种子的淀粉质胚乳主要以氧化状态的二硫键（S-S）存在，以及种子吸胀后还原态的硫氢基（-SH）。硫氧还原蛋白（Thioredoxinn，Trx）在氧化还原变化中起调控作用，作为种子萌发的早期信号，还原储存的蛋白质和淀粉使它们更容易溶解和水解，同时还原那些在种子萌发过程起作用的酶。这说明干燥成熟的种子存在某种机制使蛋白质代谢处于静止状态，而在萌发过程中，Trx会还原二硫化物从而激活蛋白[6]。

4.2 磷酸化和去磷酸化调控

磷酸化和去磷酸化是细胞信号转导的普遍调控机制，大量的蛋白磷酸化酶和蛋白激酶参与调控种子萌发过程中ABA信号转导的修饰。酶的磷酸化可调控DNA修复和蛋白质翻译过程，这对于种子萌发的分子调控机制至关重要[7]。

4.3 NO调控的翻译后修饰作用

NO具有解除种子休眠的生理活性，可通过参与翻译后修饰调控种子萌发，拟南芥种子吸胀后的几个小时，种子会产生大量NO。它可结合金属元素形成金属结合蛋白，也可使半胱氨酸亚硝基化，酪氨酸硝化。半胱氨酸的亚硝基化参与调控种子萌发过程的代谢和能量过程。钼辅因子硫化酶参与ABA合成的最后一步，钼辅因子硫化酶的酪氨酸硝化作用使萌发前ABA合成受阻，这是种子决定环境条件是否有利于萌发的调控机制之一[8，9]。

5 Met代谢在种子萌发中的调控作用

植物蛋白质合成中，甲硫氨酸（Methionine， Met）是最重要的，它不仅是蛋白质合成的基础，而且是S-腺苷甲硫氨酸的前体，是多胺、乙烯、生物素合成的甲基供体。在拟南芥种子萌发过程中，Met合成酶在种子吸胀后24 h就大量出现，早于胚根的出现。植物体内很多转甲基反应是由腺苷基蛋氨酸依赖的甲基转移酶催化的，这其中包括PIMT甲基转移酶和DNA甲基转移酶，这些酶影响着染色质结构，而种子萌发与DNA甲基化及染色质重构有关。此外，腺苷基蛋氨酸依赖的甲基转移酶影响与种子萌发有关的激素信号转导，它能形成ABA的受体，可影响水杨酸、茉莉酸和GA在植物体内的稳态。这些激素都与种子的萌发调控有关。蛋白质N-端Met的去除是最常见的蛋白质修饰方式，这影响了蛋白质的稳定性，这个过程的部分抑制有助于幼苗的生长[10]。

6 种子活力的调控

种子活力是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势和抗逆能力的总体表现，种子的寿命也是种子活力的一个指标。含S氨基酸、脂肪和淀粉的动员代谢途径、蛋白质合成的起始因子、ABA信号转导的组分、甲基循环都与种子活力密切相关。通过引发处理试验，发现引发处理能增强种子活力，促进种子萌发，增强幼苗抵抗外界环境胁迫的能力。这是由于在胚根突出之前，种子储存了大量的蛋白质和mRNA，储存的mRNA的稳定性是决定种子活力的关键因素。通过对拟南芥研究发现，编码金属硫蛋白的基因NnMT2a和NnMT3过表达可明显提高种子活力以及种子萌发抵抗外界环境胁迫的能力，这可能与种子早期的萌发过程中抗氧化能力的提高有关[11，12]。

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