水稻种子活力的研究进展

张安鹏 钱前 高振宇,*

水稻免耕直播近年来已成为广大农村水稻栽培的主要方式。直播技术对种子的要求高，需要选用在各种逆境环境下仍具有高活力的种子。另外，在我国东北和南方稻区，机插秧比例呈上升趋势，规模化的工厂化育秧要求种子去休眠的整齐度一致。因此，种子活力日益受到育种家和农民的关注。种子活力是衡量种子质量的关键指标。种子活力的遗传分析和生理生化机理的研究，对育种实践和农业生产有着重要的指导作用。

1 种子的发育萌发过程和种子活力概念

种子基本上都会经历发育和萌发两个过程[1]。发育过程包括胚形态的发生和成熟时期[2]。萌发则包括三个阶段：一、快速吸水，代谢加强；二、缓慢吸水，水分处于平衡状态，合成mRNA，对赤霉素、脱落酸和生长素等激素进行调节[3-5]，细胞分裂，胚根伸长，萌动发生；三、加速吸水，胚根和胚芽的生长速度加快，完整幼苗的雏形出现[6]。种子活力是种子生理学的一个新领域，等同于1876年Nobbe提出的“生长力”一词。1950年，国际种子检验协会第一次讨论了如何定义种子活力。1976年，种子活力被定义为种子在发芽和出苗期间各种活性强度和不同特性的整体表现。1980年，北美官方种子分析家协会把种子活力定义为在田间环境条件下种子能够迅速整齐出苗以及幼苗能够正常生长的潜力[7]。

2 水稻种子活力的影响因素及其生理生化机制

种子活力是一个综合性状[8]，不仅取决于自身的遗传因素，发育期间所处的环境条件和种子成熟后的贮藏条件也会对种子活力造成极大影响[9-11]。遗传条件是决定种子活力大小的内部因素[12]。王洋等[13]根据太湖流域的生态特点，选用297个地方粳稻品种和2个对照品种，对它们的种子活力各项指数进行分析，发现品种间存在着真实的遗传差异。佟汉文等[14]通过对湖北地区3个小麦试点的16个小麦新品种的种子活力指数的结果分析，发现品种间的遗传差异对种子活力的影响要比地点间的差异大。成广雷等[15]研究发现，不同基因型玉米的种子活力面对临界胁迫时的表现差异较大，在相同贮藏条件下，基因型是影响种子活力的决定性因素。方玉梅等[9]对水稻不同杂交组合后代的种子活力进行了研究，发现选用相同父本、不同母本的杂交后代的种子活力差异显著，而选用不同材料作为父本、同一材料作为母本所得到的杂交后代种子活力基本相当，说明杂交水稻种子活力组合间的不同主要由母体遗传造成。

环境因素同样对种子活力有较大影响。在适温环境下生长的日本晴种子要比在低温下生长的平均寿命短[16-17]。许多实验室对种子活力和成熟度进行了研究，发现两者之间存在紧密关联[18-22]。Guan等[23]对甜玉米种子的时间序列分析发现种子干质量比其他活力参数对种子活力的影响更大。随着种子的生长，蛋白质和淀粉等物质不断积累，发芽率提高，种子活力增强，当种子生长至一定程度时达到最高峰，此时的种子发芽率和种子活力均达到最大值[7]。当种子活力到达最大值以后，其他活性因子如维生素E、寡聚糖、核酸、挥发性物质和蛋白因子等会导致种子活力不可逆的下降[24]。如果种子在脱水阶段失水过多，细胞内就会发生有害的生理变化，溶质结晶；离子平衡和酸碱平衡被破坏；蛋白质不可逆变性；生物膜的降解和代谢活动不正常进行，从而导致种子受到脱水伤害[25]。播种后，肥料施用量对种子活力也具有影响，Troyjack等[26]通过对氮肥施用量对玉米种子活力的影响进行研究，发现施N量为36.4 kg/hm2时，玉米种子活力最高。种子在储藏过程中各种代谢活动仍持续进行，温度和湿度对种子活力的影响最大[27]。张玉兰等[28]研究表明，适度降低水稻种子的含水量有利于保持种子活力。张兆英等[29]对白术、黄芩和远志三种药用植物设计了不同的贮藏条件，结果发现随着种子含水量的升高，三种植物的种子活力都降低。张凤等[30]对大豆种子活力进行了研究，得出中等和低含水量有利于种子活力的保持的结论。人们一般采用低温和超干两种方法来维持种子活力[31]。Yamane等[32]通过对抗旱水稻和常规水稻种子活力各项指标的对比，发现在旱直播及土壤缺磷条件下，抗旱水稻种子活力显著高于常规品种，直接影响到后期水稻产量。

膜脂过氧化作用和自由基增生是造成种子活力下降的两个重要原因[7]。种子劣变时，脂质发生过氧化，膜透性增加，细胞内溶质向外渗出，合成能力下降，各种激素发生改变，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性降低，造成对自由基及过氧化物的清除能力减弱，自由基积累，对膜磷脂分子的不饱和脂肪酸造成破坏，膜原有的保护功能降低，有毒物质如丙二醛(MDA)等的积聚，造成种子活力下降。不饱和脂肪酸与氧气可以在脂氧合酶(LOX)的催化下反应生成脂肪酸过氧化物酶，LOX活性增加时，不饱和脂肪酸降低，脂肪酸氧化和自由基生成，种子劣变速度加快[33]。

基因组学的发展推动了种子活力的研究。在大肠杆菌中重组表达胚胎晚发育丰富蛋白(LEA)提高了细胞对各种非生物胁迫(高盐、渗透、冷、热和紫外线辐射等)的耐受性，在体外LEA可以维持乳酸脱氢酶在包括热、冻融和干旱等非生物胁迫下的稳定性，表明LEA与多种非生物胁迫抗性相关[34]。Catusse等[35]利用蛋白质组学方法对甜菜种子活力的蛋白差异和表达特异性进行了分析。Châtelain团等[36]发现甲硫氨酸亚砜还原酶(MSRs)可以通过调节拟南芥种子氧化修复增加种子寿命。对转基因水稻种子老化与萌发率关系的研究表明，miR164c上调会降低种子的耐老化能力，而miR168a的上调对种子活力的保持是有利的[37]。拟南芥种子中含有棉子糖、水苏糖和毛蕊花糖等低聚糖，这些都与种子活力显著相关，同时，过表达ZmGOLS2和ZmRS或单独过表达ZmGOLS2均可显著增加低聚糖的含量，种子活力也得以增强[38]。植物中存在一类与种子活力密切相关的小热休克蛋白(sHSP)。Kaur等[39]研究发现胞质sHSP OsHSP18.2能够通过减少种子中有害的活性氧积累来提高水稻种子活力。Cheng等[40]研究发现凝集素受体蛋白激酶有助于种子萌发和水稻的先天免疫，敲除OslecRK基因会抑制α-淀粉酶基因的表达，从而降低种子活力。当加速衰老时，胚中会过度积累含异天冬氨酸的蛋白，OsPIMT1通过修复包含异天冬氨酸的有害蛋白，提高种子的生命力[41-42]。磷脂酰肌醇激酶(PI3K)在正常植物生长和应激反应中起重要的作用，有研究证实，磷脂酰肌醇激酶通过调节NADPH氧化酶活性来控制水稻种子的萌发[43]。

3 水稻种子活力的遗传分析和QTL定位

种子活力是一个复杂的农艺性状，受多种因素的影响。种子活力有多项指标，包括种子的平均发芽率、发芽指数和活力指数[44-45]、幼苗期的根长(seedling root length，SRL)、苗长(seedling shoot length，SSL)、鲜质量(seedling wet weight，SWW)和干质量(seedling dry weight，SDW)等[46-47]。这些性状都是由多基因控制的数量性状，同时受种子自身发育状况、收获磨损情况和储藏条件等各种环境因素的影响，因此，对其开展遗传分析相对比较困难。随着现代分子生物学的发展，数量性状位点(quantitative trait loci,QTL)分析成为研究复杂性状的有效方法[48-50]并应用于水稻种子活力的研究。

虽然水稻种子活力的QTL分析屡见报道，但由于不同实验室所用的试验材料和实验条件不同，得到的结果也不尽相同(表1)。中国农业科学院作物科学研究所利用籼粳交(密阳23/吉冷1号)的F2:3群体鉴定了14℃低温下水稻的种子活力相关QTL，并推断耐寒基因与水稻种子活力密切相关[51]。Song等[44]利用亲本大关稻和IR28构建的重组自交系群体对种子的萌发率、发芽率和发芽指数进行了QTL定位，发现定位结果与种子大小、种子形状和种子休眠的QTL定位结果一致。南京农业大学洪德林课题组选取540份水稻品种(419份来自中国，121份来自越南)组成的自然群体进行了种子活力的全基因组关联分析，共关联到控制根长、苗长和地上部干重性状的27个位点，其中11个位点与前人的研究结果一致，16个为尚未报道的新位点，并且配制了15个双亲的杂交组合用以提高种子活力[52]。2012年，他们共检测到水稻种子发育各时期的28个加性效应QTL和9对上位性QTL；2013年，又检测到34个与种子活力紧密连锁的微卫星(SSR)标记。对比两年数据的较发现，有20个加性效应QTL在两年内均能检测到，其中5个QTL为新位点；利用筛选出的4个RIL，通过自由杂交组合配置回交群体，筛选出19个与水稻种子活力相关的优异等位基因[53]。华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室利用珍汕97和明恢63构建了RIL群体，对水稻种子的发芽率、干重和根系活力等进行了QTL分析，发现淀粉酶活性、还原糖含量和根系活力相关QTL与种子活力QTL位点结果一致[54]。

QTL的精细定位方面，中国科学院植物分子生理学重点实验室漆小泉研究组利用水稻籼粳交组合的RIL群体定位到8个种子活力相关QTL，并将其中水稻第1和第5染色体的两个主效QTLqSV1和qSV5c分别缩小至1.13 Mb和400 kb的物理区间内[55]。Abe等[56]在水稻第3染色体的长臂端定位到一个控制幼苗株高的QTL，预测候选基因为GA20氧化酶基因(OsGA20ox1)。南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室利用粳稻品种春江06和籼稻品种台中本地1号配组，对自然贮藏和人工老化过程中的种子活力开展QTL分析，在水稻12条染色体上共检测到19个与种子活力相关的QTL，并将qGP9定位在水稻第9染色体两个STS标记之间92.6 kb的物理距离内[57]。

中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室利用籼稻品种93-11和光温敏不育系品种培矮64S，采用单粒传法构建了132个株系组成的RIL，定位到57个与种子活力相关的QTL。Zhang等[58]用目标片段来自培矮64S的重组自交系与93-11连续回交，利用构建得到的回交群体将水稻第1染色体上的控制种子活力的苗长主效QTLqSSL1b精细定位在两个分子标记之间约80.5 kb的物理距离内，预测了候选基因。Li等[59]以珍汕97为背景，构建了包含143个株系的染色体片段代换系，通过QTL分析检测到4个与种子萌发相关的位点，并将qGR2精细定位在水稻第2染色体10.4 kb的范围内。

一些已克隆的基因也被证实可影响水稻的种子活力。OslecRK基因位于水稻第4染色体的47 kb定位区间内，它在萌发和开花时表达，营养生长期不表达，且主要在水稻胚芽、胚根以及穗中表达，在胚芽鞘、根、叶以及茎中不表达，该基因的敲除会降低种子的活力[40]。OsFbx352是一个具有F-box结构域的蛋白，可能参与E3泛素连接酶复合体的形成，OsFbx352的表达受脱落酸(ABA)诱导上调，葡萄糖对水稻种子萌发有抑制作用，但OsFbx352通过影响ABA的合成和代谢，降低ABA的水平，从而对葡萄糖诱导的种子萌发抑制起调节作用[60]。从热激处理的水稻黄化苗中分离出编码Ⅱ类小热激蛋白(sHSP)的全长cDNA克隆，命名为Oshsp18.2，其表达蛋白是一种老化反应蛋白，起着分子伴侣的作用，可以通过限制活性氧(ROS)的积累来保护和稳定细胞内环境，在改善非生物胁迫下的种子发育、延长种子寿命和提高种子活力上起重要作用[39,61]。OsPIMT1基因则主要在成熟种子的胚中表达，胚乳中的表达量较低。该基因受胁迫诱导

表1 已报道的水稻种子活力相关QTL/基因Table 1.Some of reported seed vigor genes or QTLs.

表达，氧化胁迫可使其表达量增加3倍，冷胁迫和盐胁迫也可导致OsPIMT1表达量增加2倍。OsPIMT还受脱落酸的诱导，但对水杨酸和茉莉酸处理并不响应；当加速衰老时，胚中会过度积累富含异天冬氨酸的蛋白，OsPIMT1通过修复有害的异天冬氨酸富含蛋白，从而提高种子的生命力[41-42]。OsRac-1能从细胞质转运到质膜，在NADPH氧化酶的形成过程中起着关键作用，磷脂酰肌醇3-激酶PI3K能促进Rac-1向质膜的运输，从而调控NADPH氧化酶活性，进而加速水稻种子的萌发过程[43]。OsMT2b基因编码由84个氨基酸组成的蛋白产物，可负调控水稻根中的细胞分裂素含量，可能通过调节水稻根和胚中的细胞分裂素含量来控制水稻根的发育和种胚的萌发[62]。

4 研究展望

种子活力是衡量种子质量的关键指标，受到多种因素的影响，包括自身遗传因素、种子生长的环境条件、成熟程度、收获时的机械损伤以及贮藏条件等[73]。为了提高种子活力，我们可以选取具有优良特性的材料配制杂交组合，同时在后代中加强选择具有优良表型的个体，根据基因型选取具有高种子活力的材料[12]。种子活力在种子生理成熟期达到最大值，因此，为了保证收获的种子具有最大活力，需要严格控制种子的收获期。同时，在种子的贮藏过程中，保证外界环境处于适宜状态并及时进行调节，可有效减缓种子活力降低的程度[31]。

国内外已有不少实验室对水稻种子活力性状开展了遗传研究，但还存在一定的局限性。譬如，环境条件和实验材料的单一性；只对种子萌发某个时期的发芽率加以分析，而未对种子萌发的完整过程进行检测；从分子水平对种子活力的研究相对较少；已克隆的种子活力相关基因相对不足等。因此，有必要在多种环境条件下对同一群体或在相同环境下对不同群体的种子活力进行分析，从而解决环境和实验材料的单一性问题。同时，设计多重实验，在种子萌发的不同时期考查种子活力相关表型，并与相应的基因型分析结合，为种子活力基因的定位克隆和分子标记辅助选择育种提供依据。此外，发芽率、电导率、CAT活性和H2O2含量等都可以在一定程度上反映种子活力，一些快速非损伤的方法如便携式激光散斑技术、测定单粒种子氧气消耗、高光谱成像技术、非损伤红外热呈像法和非损伤微测技术等也逐步被开发应用于种子活力测定[74]。

高活力的种子具有较高的生产潜力和生长优势。提高水稻种子活力，可以提高发芽率、发芽势和发芽指数，增加幼苗的整齐度和成苗率，增强植株的健壮度，从而最终实现高产[75]。前人的研究成果给我们以借鉴，我们科研人员需要在此基础上更深入地发掘出更多的种子活力相关基因和收集更丰富的优异种质资源，为我国乃至世界的水稻增产贡献力量。

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