萌发过程中种子贮藏物质的动员和变化规律概述

岳佳铭，李曼莉

(中国农业大学草业科学与技术学院，草业科学北京市重点实验室，北京 100193)

种子不仅是植物生长发育的起点，而且是人类生存的物质基础。然而，种子完成生理成熟后，无论其贮藏条件如何，都无法避免劣变的发生。种子劣变导致萌发过程中的一系列生理生化变化，并且降低种子活力，从而影响种子在生产上的应用[1]。种子萌发过程不仅需要外界适宜的条件，更重要的是自身营养物质的供给，即贮藏物质的动员。其中与种子萌发关系最为密切的贮藏物质为糖类、蛋白质、脂肪等，对于种子特别是劣变种子的萌发起到非常关键的决定性作用。

本文对正常种子及劣变种子萌发过程中的糖类、蛋白质、脂肪及磷的动员情况进行了综述，分析和总结了这些主要贮藏物质在种子萌发过程中含量的变化情况，并且对该领域今后研究热点进行展望，以期为种子生产与贮藏工作提供理论指导。

1 种子萌发的过程

种子萌发的起点是吸胀，终点是胚根突破种子周围组织[2]。根据种子吸水进程，种子萌发可以分为快—慢—快3个阶段进行(如图1)：种子吸胀后(阶段Ⅰ)，预存在干种子中用于恢复种子代谢活动的细胞结构和酶开始动员，进行DNA损伤修复，利用预存的mRNA合成蛋白质，呼吸活动恢复，糖酵解和磷酸戊糖途径在此阶段恢复，萌动期(阶段Ⅱ)，种子吸水缓慢，利用新的mRNA合成蛋白质，线粒体结构得到修复，萌发后期(阶段Ⅲ)，胚根突破种皮的束缚，完成发芽[3]。

2 种子中主要贮藏物质在萌发及劣变过程中的动员

种子萌发情况是否良好，除了从发芽特性等指标观测，还需结合其内部营养源来判断。成熟种子内部会贮藏大量的淀粉、蛋白质和脂肪，它们都是为种子提供能量的贮藏物质，而在种子萌发第一阶段后期，这些贮藏物质开始动员，为种子的萌发做准备。所以对于种子来说，其内部主要贮藏物质的变化会影响到种子萌发的正常进行(图2)。它们可以通过相应的水解酶进行水解，再通过生化代谢途径进行分解，之后为种子的萌发提供能量。正常情况下，淀粉、蛋白质和脂肪会在淀粉酶、蛋白质水解酶和酯酶的作用下水解为糖、氨基酸和脂肪酸。而氨基酸和脂肪酸又可以通过脱氨基和乙醛酸循环等代谢过程产生糖代谢的中间产物，再通过糖异生转化为糖类物质，糖类物质就可以通过糖酵解和磷酸戊糖途径等，为种子的萌发提供充足的能量[4-8]。其中，水解产物及关键酶也对种子萌发起着至关重要的作用，比如，淀粉被α-淀粉酶水解后，能够为种子提供能量；脂肪酶水解脂肪后的不饱和脂肪酸能够再分解为丙二醛(MDA)。丙二醛是膜脂过氧化产物，在一定程度上能够反映种子膜脂过氧化强弱，并且对种子萌发有害，其含量会影响种子的活力[9]。此外，矿物质也是种子萌发营养物质之一，其中，磷对种子萌发以及幼苗建成也至关重要。种子内部磷的动员有利于种子萌发后的幼苗生长，是早期幼苗生长的磷源[10]。通常，种子磷通过酸性磷酸酶分解为无机磷，为种子及幼苗生长所用。

种子在贮藏过程中不可避免劣变的发生，种子劣变是种子生理机能的恶化，会使种子膜系统受损，呼吸速率降低，线粒体形态结构变化，抗氧化酶活性降低，蛋白质合成受阻，萌发及生长缓慢，抗逆性降低[11-12]。将小麦(TriticumaestivumL.)种子进行人工老化处理后，随种子萌发过程的进行，其内部游离脂肪酸含量呈上升趋势，丙二醛含量先增后降[13]。菠菜(SpinaciaoleraceaL.)种子随老化时间的延长，其浸出液中可溶性糖含量逐渐升高，并且种子中与萌发相关基因的表达量都有不同程度的下调[14]。

2.1 种子中贮藏的糖类在萌发过程中的变化

种子中贮藏的糖种类不同，按照其水溶性，可以分为可溶性糖(葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、水苏糖及棉子糖等)和不溶性糖(主要为淀粉)[15]。在干种子中，糖的主要贮藏形式为淀粉，等到种子吸胀后期，淀粉就会被动员，分解为可溶性糖，再经过糖代谢活动，为种子萌发提供能量。因此，淀粉含量及变化与种子萌发密切相关。

然而并不是所有的种子萌发初期其内部的淀粉都会立刻动员。大多数种子的淀粉动员都是在种子完全萌发后，但谷类种子其内部淀粉含量较高，对于淀粉的动员相对较早，为萌发后的几个小时内。淀粉的降解主要靠淀粉酶完成，谷物种子在淀粉动员期间，淀粉酶相关基因表达上调。诱导淀粉酶产生的并不是淀粉本身，而是种子中的赤霉素，赤霉素产生于种胚，并在幼胚的盾片和糊粉层中诱导淀粉酶的产生[16]。水解淀粉的主要淀粉酶为α-淀粉酶和β-淀粉酶，α-淀粉酶水解淀粉后为种子提供能量，而β-淀粉酶水解产物为β-极限糊精和β-麦芽糖，其产物中没有葡萄糖与寡糖分子[17]。除淀粉以外，种子中的可溶性糖含量对种子萌发也很重要，其中，蔗糖既能够维持种子细胞渗透调节，又有利于种子吸胀，在种子萌发初期，淀粉类种子内的可溶性糖含量以蔗糖为主，而葡萄糖是贯穿于整个糖代谢的物质，其含量与种子萌发呈正相关关系[18-21]。

种子未受到胁迫的情况下，由于淀粉在动员时会被消耗，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性增强，种子的淀粉含量在萌发过程中呈下降趋势，从而使可溶性糖含量增加。在萌发第二阶段，α-淀粉酶活性先增强，到第三阶段，β-淀粉酶活性开始增强，两种淀粉水解酶先后为种子的萌发提供能量[22]。然而种子中的可溶性糖含量变化却不统一，对于淀粉类种子，玉米(ZeamaysL.)[23]、高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)[24]种子萌发过程中可溶性糖含量基本呈增加趋势。但也有研究表明，玉米[25]、小麦[26]种子萌发过程中可溶性糖含量先增加后降低。而对于脂肪类种子，如油松(PinustabuliformisCarr.)[27]、芝麻(SesamumindicumL.)[28]等，可溶性糖含量则呈先降后升趋势，伯乐树(BretschneiderasinensisHemsl.)种子萌发时也有同样变化趋势[29]。王海杰等[30]对瓜儿豆(Cyamopsistetragonoloba(L.) Taub.)种子萌发进行研究中却发现，可溶性糖总量变化不明显，但蔗糖含量下降，果糖和葡萄糖含量增加。

种子在老化或劣变条件下萌发，糖类变化和正常种子不同，α-淀粉酶和β-淀粉酶活性降低，使种子内的淀粉含量增加[31]，从而导致可溶性糖含量降低。大麦(HordeumvulgareL.)种子内可溶性糖含量随老化时间延长而增加，但老化时间过长，其含量会下降[32]。对玉米种子进行老化处理后，其内部可溶性糖动员被抑制，使蔗糖等合成受阻，可溶性糖含量降低[33,8]。同样，在人工老化的甘蓝(BrassicaoleraceaL.)种子萌发过程中，可溶性糖含量也显著下降[34]。然而在老化的桔梗(Platycodongrandiflorus(Jacq.) A.DC.)种子中，可溶性糖含量先升高后降低[35]。总之，无论可溶性糖是何种变化，总体变化趋势都是下降的。

2.2 种子中贮藏的蛋白质在萌发过程中的变化

种子萌发过程中的蛋白质按其功能可以分为贮藏蛋白、结构蛋白、催化蛋白等[36]。贮藏蛋白与种子萌发关系最为密切，各种酶系统的激活和膜修复都需要贮藏蛋白或其降解产物的参与，其降解的氨基酸产物能够通过糖异生途径供种子萌发所用[37-39]。贮藏蛋白分为清蛋白(水溶蛋白)、球蛋白(盐溶蛋白)、醇溶蛋白和谷蛋白(碱溶蛋白)，其中，对于醇溶蛋白和谷蛋白研究较多[40-44]。在水稻(OryzasativaL.)中，醇溶蛋白能够作为氮源等被幼苗利用[45]。同时，可溶性蛋白对种子萌发也很重要，其含量增加不仅能够使种子保持较低的渗透势，利于种子吸水萌发，而且会增强种子对逆境的适应能力[46-47]。

种子未受到胁迫的情况下，蛋白酶水解种子中的蛋白质，其含量会降低，使可溶性蛋白和游离氨基酸含量升高。活力较高的大豆种子在萌发过程中，其贮藏蛋白降解速度明显较快[48]。对种子萌发过程的蛋白组学进行研究发现，花生(ArachishypogaeaL.)种子中的盐溶蛋白全部被利用，不同品种的大麦种子中清蛋白含量变化趋势基本一致[49-50]。对不同品种的大豆种子进行萌发，可溶性蛋白含量都是呈先降后升趋势，而对于桢楠(PhoebezhennanS.Lee et F.N.Wei)种子来说，研究结果相反[51,52]。叶底珠(Securinegasuffruticosa(Pall.) Rehd.)种子萌发过程中，蛋白质含量先降后升，游离氨基酸含量逐渐增加[53]。

种子在老化或劣变条件下萌发，其内部主要由贮藏蛋白来调控种子萌发，贮藏蛋白在高温高湿条件下被分解为各种氨基酸来应对外界对种子萌发造成的胁迫伤害[54]，所以贮藏蛋白含量降低的速度会更快，可溶性蛋白含量会升高，但最终会因为老化程度加深而降低。燕麦种子在老化处理后，4类贮藏蛋白均下调表达[55]，说明贮藏蛋白在种子老化过程中分解，对种子老化做出响应。老化的玉米[56]和白杨(PopulustomentosaCarr)[57]种子的差异蛋白分析表明，差异蛋白多与能量、贮藏蛋白等相关。在老化大豆[58]、棉花(UrenaprocumbensL.)[54]种子蛋白组研究中，也发现了差异贮藏蛋白的表达。对于老化的玉米种子，贮藏蛋白含量降低，内部可溶性蛋白含量随老化时间延长而降低[56,59]。

2.3 种子中贮藏的脂肪在萌发过程中的变化

脂肪对种子来说，其贮藏的能量远高于糖类和蛋白质[15]。在种子萌发过程中，脂肪通过脂肪酶水解为甘油和脂肪酸，在种胚中合成磷脂，对膜的修复和种胚生长至关重要[60-61]。β-氧化以及乙醛酸途径对种子萌发过程中的脂肪酸转化为蔗糖至关重要，种子内部蔗糖的动员会抑制脂肪的降解，但随吸胀的进行，种子内部糖类不再阻碍脂肪的降解[2]。而种子中的甘油能够通过转化为丙酮酸从而进入三羧酸循环，为种子萌发提供能量。研究发现，脂肪类种子萌发过程中，脂肪含量与可溶性糖和可溶性蛋白分别呈负相关和正相关关系，脂肪酶活性与可溶性蛋白含量呈极显著正相关，脂肪酶活性与游离脂肪酸含量呈正相关关系[28,62]。所以，贮藏物质对于种子萌发进程的作用往往是相互联系的。当然，不饱和脂肪酸氧化分解的产物丙二醛对种子萌发也很重要，研究表明，丙二醛含量越高，种子活力越低[63]。

种子未受到胁迫的情况下，脂肪含量呈下降趋势，而脂肪酶活性增强，丙二醛含量增加。藜麦(ChenopodiumquinoaWilld.)种子在萌发过程中，脂肪含量基本呈下降趋势[64]。烟草(NicotianatabacumL.)种子萌发过程中脂肪酶活性与脂肪酸含量的动态与种子萌发进程相一致[65]。对玉米种子的研究表明，种子的发芽率会随着种子中游离脂肪酸含量的升高而降低[66]。朱鹤等对7种作物种子萌发过程进行了研究，在萌发过程中，淀粉类种子的初始丙二醛含量较低，随萌发进程呈逐步上升的趋势，而脂肪类种子初始丙二醛含量较高，随萌发进程呈先升后降的变化趋势[67]。

种子在老化或劣变条件下萌发，虽然游离脂肪酸含量会增加，但由于不饱和脂肪酸含量会降低，导致丙二醛含量降低。对老化处理的白沙蒿(CaryopterismongholicaBunge)和油菜(BrassicanapusL.)种子进行萌发试验，不饱和脂肪酸含量随老化时间的延长而降低，饱和脂肪酸含量呈升高趋势，同样，游离脂肪酸含量也呈上升趋势[68]。然而，对于人工老化的甘蓝[69]和油菜[70]种子，其种子浸出液中的丙二醛含量却是先升后降，这也说明了随老化时间的延长，种子细胞膜受损，而到达一定老化程度时，种子几乎失去萌发能力，其种子浸出液的丙二醛含量也会下降。

2.4 种子中贮藏的磷在萌发过程中的变化

磷是植物生物膜结构中核苷酸、膜脂、磷脂等的化学组成成分，它还参与植物生长过程中的能量代谢、呼吸代谢、光合作用等重要的生理活动。磷与水分关系密切，正常水分条件下，磷会参与光合作用等过程，促进植物生长，而在干旱胁迫下，磷会参与水分调控[71]。磷作为植物所需的三大营养元素之一，不仅对植物的生长发育影响重大，而且与种子的萌发过程也密切相关。通常，种子磷主要以植素形式存在，在已经发芽的种子中，磷是以植素分解的无机磷形式运输到幼苗中，供给根系和茎的生长[10,72]。种子磷含量充足时，不仅能够为之后的幼苗生长提供养分，而且能够帮助改善后期土壤缺磷状况[73-75]。

种子未受到胁迫的情况下，种子磷含量会下降，酸性磷酸酶活性增强，无机磷含量增加。不同品种的小麦幼苗对种子磷的利用会有所差异，种子磷总量高的小麦品种郑麦366在萌发后6 d，其种子中的酸性磷酸酶活性、无机磷含量和种子磷减少量显著高于种子磷总量低的小麦品种周麦17，同样，根、茎、叶中的磷含量也显著高于种子磷总量低的小麦品种周麦17，这是因为郑麦366种子中较高的酸性磷酸酶促进植酸磷分解为无机磷[10]。张联合等[76]研究了高中低不同组的种子磷含量对小麦幼苗中含磷量的影响，发现高磷种子萌发后其内部的可溶性糖含量和酸性磷酸酶含量均高于中磷和低磷组，其根、茎、叶中的磷含量也同样高于中、低磷组，说明种子磷含量对种子萌发后的幼苗中的磷含量影响很大。

种子在老化或劣变条件下萌发，其内部酸性磷酸酶活性降低，从而导致无机磷含量降低。徐是雄等[77]对劣变花生种子的酸性磷酸酶进行了组织化学定位，发现酸性磷酸酶在高活力的干种子胚根细胞中活性高，在劣变干种子胚根细胞中则较低，而种子萌发后，高活力种子胚根细胞中酸性磷酸酶活性似乎有所增加，劣变种子胚根细胞中的酸性磷酸酶活性则大大降低。通常，种子萌发时，内部植酸磷通过酸性磷酸酶分解为无机磷，无机磷才能为种子的萌发提供磷素营养。劣变花生种子中的酸性磷酸酶活性低，此时种子中的植酸磷不能通过酸性磷酸酶的作用分解为无机磷，以至于在劣变花生种子萌发后的幼苗胚根细胞中的酸性磷酸酶活性都很低，所以幼苗和根系的生长都会受到影响。

3 展 望

种子萌发是一个复杂的过程，在种子的萌发事件中会涉及到DNA修复与蛋白质重组、线粒体修复、贮藏物质动员、胚细胞形成与伸长等活动(图1)，这些活动进行得顺利与否都会与之后的幼苗建成、栽培管理、种子的成熟与收获、种子生产与贮藏等密切相关。近些年，国内外关于种子萌发的研究主要集中于种子萌发对外界环境的响应[78-80]、种子萌发的分子机制[81-82]等。种子萌发初期的能量是由预存的线粒体呼吸作用提供的[83]，Nietzel等[84]也发现一种硫醇氧化还原开关能够驱动种子中的线粒体能量代谢，加快种子萌发。当然，种子萌发的能量来源不只是线粒体提供的，贮藏物质和磷对种子萌发也做了很大贡献。

种子劣变也是逆境胁迫的一种，近些年对于种子劣变的研究热点集中在呼吸[85]、线粒体[86-87]、酶活变化[88-89]，而种子萌发的顺利进行是需要各种生理和代谢活动共同调控的，这些变化自然也离不开贮藏物质的动员，但是关于种子萌发对劣变的响应研究甚少。劣变种子萌发时的贮藏物质是如何动员的，劣变切断了贮藏物质代谢的哪条通路，导致种子不能正常萌发等，这些问题都有待解决。从贮藏物质角度揭示种子劣变的机制，不仅能够对种子生产与贮藏提供理论基础，而且对于种子寿命的预测也有指导意义。

此外，随着各项技术的发展和学科交叉合作日益密切，运用多种技术从多学科角度来解析科学问题成为目前科研工作者开展研究工作的趋势。在基础研究中，结合分子遗传学、物理学(如多光谱成像技术)、生物信息学(如转录组、蛋白组测序及代谢组分析)等，从多个角度和不同层面来剖析种子萌发过程中贮藏物质的变化规律具有非常重要的意义和应用前景，是全面深入揭示种子萌发机制的重要研究手段和策略。