关于种子发芽早期活动的新观察

通过研究种子发芽控制的早期过程，研究人员可以更好地理解种子发芽的驱动机制。未来亦可以考虑如何将这些驱动机制用于作物生物技术。这项研究成果对农业具有十分积极的意义，一方面可以使种子保持尽可能长时间的发芽活力，另一方面也可以帮助种子在损失最小化的情况下同步发芽。领导这项研究的是德国明斯特大学（University of Münster），该研究成果已发表在 PNAS（《美国国家科学院院刊》）杂志上。

研究背景

植物种子对于不经意的观察者来说显得平淡无奇——但是它们却拥有超能力一般的特性。在干燥状态下它们可以积蓄能量长达数年，然后在适宜的环境条件下突然释放能量以供发芽。死亡谷国家公园（Death Valley National Park）中的“超级绽放”就是最明显的例子。种子在经历了几十年干旱炎热的沙漠环境之后，一旦遇到降雨，立刻就会发芽，并在几个月之后形成罕见而壮观的沙漠绽放现象。种子拥有完整的胚胎，这个胚胎只有在适宜的条件下才能持续生长。这个过程可能需要几年的时间——在一些极端情形下也可能需要几个世纪。

种子发芽受几种植物激素的控制，在这方面科研人员已经开展了大量研究。但是，对于使激素发挥作用的过程却知之甚少。种子中的能量如何被释放？怎样才能尽早、有效地进行能量代谢？

研究方法

研究人员使用一种新型的荧光生物传感器，在活的种子细胞中观察了能量代谢和依赖于硫的氧化还原代谢。研究人员发现，当种子与水接触时，能量代谢会在几分钟之内开始，而植物细胞的“发电站”（即线粒体）会激活种子的呼吸作用。研究人员还发现通过激活哪些分子开关可以使能量得到有效释放——所谓的硫醇氧化还原开关在其中发挥着核心作用。

为了能够观察到能量代谢过程中发生的活动，研究人员在显微镜下观察了细胞中的能量通用货币三磷酸腺苷（ATP）和线粒体中的电子能量烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）。他们对干燥的拟南芥种子和“吸水”的拟南芥种子进行了比较。

为了确定氧化还原开关对于启动种子发芽是否重要，研究人员使用遗传学方法使特定蛋白质失活，然后比较了经基因修改的种子和未经基因修改的种子的反应。让种子在实验室中人工老化之后，研究者发现如果缺少相关蛋白质，种子发芽的活性就会大大降低。

研究人员的下一步工作涉及所谓的氧化还原蛋白质组分析，即他们使用生化方法對相关的氧化还原蛋白进行了整体检查。为此，他们分离出激活的线粒体并对其快速冷冻，以便能够直接研究该过程发生的状态。然后，研究人员使用质谱法鉴定出了几种所谓的半胱氨酸肽，它们对于能量代谢的资源利用效率发挥着重要作用。

该过程可以比喻为大城市的交通控制系统。早高峰就像发芽，因为大量代谢物被放置于‘道路上。早高峰期（即发芽）开始之前，需要在清晨就打开交通信号灯和行车路线系统。这个过程是由硫醇氧化还原开关完成的。

来源：Sciencedaily