种子引发对植物次生代谢的影响

周 珂，刘乃新，2

(1.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080； 2.农业农村部甜菜品质监督检验测试中心，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

非生物胁迫比如干燥和恶劣的温度对农产品有着很大的不利影响。这些非生物胁迫是抑制或延迟种子萌发和幼苗建立的原因。发芽是植物生长过程中的一个关键阶段，对环境条件的变化有高度的反应，它被与胚胎发育相关的生理、生化和分子过程控制。非生物胁迫会导致细胞中几个生理、生化和分子过程的一系列变化，它们扰乱植物细胞的代谢平衡，这可能导致氧化应激，膜损伤、细胞呼吸减少和活性氧产生。

种子引发是一种前景良好的策略，通过提高发芽率和出苗整齐度来提高种子的萌发表现，从而使幼苗更好更快地发育。目前已经开发了几种种子引发方法来改善种子萌发和幼苗生长，用几种药剂引发种子，从而增强植物抗逆性已经发展成为一种有前景的方法。种子可以用不同的化学物质、离子、有机化合物、激素和抗氧化剂来引发；种子引发的成功与引发过程中的环境变量、植物种类、种子数量和活力以及引发方法密切相关。

种子引发刺激许多涉及发芽早期阶段的生理、生化和分子机制，并且它可以诱导非生物胁迫耐受机制，从而在幼苗建立期间和之后改善生长。种子引发激活一系列生理、生化、细胞、系统和分子调节，在非生物胁迫条件下增强植物的生长。

种子引发通过吸胀过程中的代谢修复、渗透调节和刺激发芽前的代谢过程来提高种子的发芽率和均匀性。包括早期的储备动员，修复机制，和复制过程中的DNA处理带来的影响。种子引发促进了很多种子萌发的相关的活动，如能量代谢、储备动员、胚乳弱化、呼吸和支持胚细胞的扩张。种子引发通过调节DNA修复途径、降解酶、过氧化氢酶和其他抗氧化清除酶、蛋白质和核酸的合成、磷脂和固醇的积累来促进萌发。

种子引发还促进了与非生物胁迫相关的特定防御机制。它增加了保护蛋白的积累，如热休克蛋白(HSPs)和胚胎形成丰富的晚期，增强抗氧化清除酶，如SOD, GPX和CAT，激活膜外排泵，上调过氧化物还原蛋白基因编码。种子引发可以调节耐受性，通过增加蛋白质合成潜力和翻译后修饰以及保持翻译转化率的最优商。

国外很多国家已经广泛地使用种子引发技术，我国这几年才意识到种子引发的重要性，由于起步时间晚，形成了我国的甜菜种子引发技术一直处于摸索阶段的局面。我国关于甜菜的种子引发的技术的研究越来越多，如程大友等利用氯化钠盐溶液对甜菜种子进行外理。表明低浓度的氯化钠溶液对甜菜种子的萌发有一定的促进作用[1]。刘军利用4种不同浓度的微量元素及植物生长调节剂对甜菜种子浸种表明锰、硼、锌等微量元素浸种能激化甜菜种子的活力，提高发芽势和发芽率，促进幼苗的生长[2]。鲁兆新等利用植物生长剂、维生素、微量元素等多种药剂，进行甜菜种子活化剂的配方筛选及室内发芽试验选出1个效里好的配方制成甜菜种子活化剂[3]。王海凤等利用不同浓度的水杨酸对甜菜抗、感丛根病品种进行浸种处理，表明适宜浓度的水杨酸均对抗病品种和感病品种的种子萌发有促进作用[4]。宋柏权等研究引发技术对甜菜纸筒育苗出苗的影响，表明引发技术处理过的甜菜种子出苗快，利于纸筒育苗苗床管理，提高育苗质量[5]。

1 种子引发的主要方法

1.1 液体引发(Liquid priming)

液体引发是以溶质为引发剂, 种子置于溶液湿润的滤纸上或浸于溶液中, 通过控制溶液的水势调节种子吸水量。常用的包括无机盐类，如：硝酸钾、磷酸钾、硝酸钙、氯化钠、氯化镁、氯化钙等小分子化合物, 聚乙二醇6000(PEG 6000) 或聚乙二醇8000 ( PEG 8000) 、交联型丙烯酸钠(SPP) 、聚乙烯醇(PVA)等大分子化合物。SPP 是一种高度亲水树脂, 吸水量强达 500 倍, 保水力强, 且可均匀缓慢地释放水分, 在提高豌豆、番茄、菠菜、甜椒等种子的活力方面, 表现出很好的效果[6]。PVA 在引发黄瓜、苦瓜、线椒、茄子、菜豆等种子上也有很好的效果, 能明显地提高种子活力、萌发率和抗冷能力[7-10]。

1.2 固体基质引发(Solidmatrix priming,SMP)

利用固体载体为基质进行引发[11]。此方法是将要处理的种子、预先定量的固体基质材料及定量的水混合，且使溶液达到稳定，然后将混合液放置在能使空气进入，还要能减少蒸发损耗的容器内(例如上部有小开口的密闭容器)，在一定温度下处理种子一段时间，使种子从基质中充分吸水但不萌发，达到水分含量均衡的状态，最终使植株活力增强。任何种子都可以通过这种方法处理，包括大量的蔬菜、林木及农作物种子。如黄瓜、生菜、胡萝卜、洋葱、甜瓜、甜玉米、番茄、茄子、辣椒、豆类、萝卜、南瓜、豌豆、花种、紫花首蓓及大豆等[12]。

1.3 滚筒引发(Drum priming)

英国国际园艺研究组织根据引发的基本原理发明了滚简引发体系，这一技术发明者Rowse于1991年、1992年申请到专利[13]。此法是先将种子放置在铝质的滚筒内，然后喷入水汽，滚筒以水平轴转动，滚筒内种子在滚筒周线上以每秒1-2 cm的速度转动，同时把水按照可控的比例释放入腔室，种子仅在接触腔室内壁的过程中充分吸收水分，通过控制一定时间的吸水，可使种子达到萌发的含水量水平时停止水合，防止种子提前萌芽。一般来说种子在滚筒内吸湿5 d至15 d，然后用空气流干燥种子[14]。试验采用滚筒引发方法处理蜜红无籽西瓜种子, 研究发现在21℃、70%湿度条件下,引发处理48 h的效果最好,种子的发芽率、发芽势和发芽指数均为最高,与对照相比,分别提高了48.7个百分点、43.7个百分点和11.0[15]。

1.4 生物引发(Bio-priming)

生物引发是将种子生物处理与播前控制吸水方法相结合的种子处理新技术，引发期间利用有益真菌或细菌作为种子保护剂，让其大量繁殖布满种子表面，使幼苗免遭有害菌的侵袭[16]。生物引发的一般步骤是先将种子进行表面消毒，用成膜剂(如甲基纤维素)包膜种子，然后将种子放在两层发芽纸或纸巾间在适宜的温度下缓慢吸水至一定水平。据报道，甜玉米种子用带有荧光假单细菌(Pseudomonas fluorescens)AB254的1.5%甲基纤维素悬浮液包衣，包衣种子短暂回干2 h，然后在23℃下吸水20 h并立即播种，能在一定程度上防止猝倒病的发生且提高4周苗龄的苗高[17]。可以将生物引发与渗透引发结合，可以提高番茄健康苗的比率[18]。

1.5 膜引发(Membrane Priming)

此方法是将种子与一种半渗透性膜(该膜具有内、外两个表面)的外表面接触 ,PEG溶液直接与膜的内表面接触，种子通过半渗透性膜从PEG溶液中吸取水分[19]。在吸取水分的过程中，种子和半渗透性膜不断周期性地相互滚动，使水分均匀转移，并充分覆盖了种子的整个表面，从而完成种子的引发过程。这种处理方法既可适用于大量的种子引发，也可对少量的种子(如名贵的花卉种子)进行引发，并且优于基质引发，引发后不需要进行种子分离。这种引发方法应用于:胡荽、茴香、牛至属植物、辣椒、欧芹、韭、樱草属的植物、天竺葵、旱芹、紫罗兰等，其最大优点是适用于表面有粘液的种子的引发，如紫罗兰和鼠尾草的种子[20]。

1.6 水引发(Water Prming)

水引发是在控制给水条件下使种子定量吸水，达到促进萌发且不引起吸胀伤害(Imbibition damaze)的浸种技术。Rowse发明的滚筒引发技术(Drum priming，是水引发技术中具有开拓性的成果。该法是先将种子放置在铝质滚筒内，然后喷入水汽和控制滚筒转速，每批种子的吸水量和吸水速率采用计算机系统控制，处理时间5-15 d。Warren等在此基础上作了改进，按一定的间隔时间定量加水，有效地使甜玉米种子缓慢吸水，取得了很好的引发效果。该技术已在蔬菜种子中大规模应用，如：洋葱、胡萝卜[21]。

2 影响种子引发的因素

种子引发的有效性主要受激发液的渗透势、激发时间、环境温度、激发方式、种子批号与活力、植物种类以及激发种子的贮存条件等环境变量的影响。

2.1 温度

种子的引发和萌发都需要相似的温度和其他环境因素。每种作物都有不同的最适发芽温度。由此可见，番茄种子的最适引发和萌发温度为27- 28℃。然而，洋葱种子在20℃下引发效果更好。这可能是由于每一种植物都有不同的最适温度来进行引发种子。种子吸胀过程中的低温会延缓种子引发的生理生化过程，即使种子吸收了大量的水分，也需要更长的时间才能达到相同的效果。

2.2 氧气

大多数种子可以在含20%氧气的环境中发芽，但在种子引发过程中，它们甚至可以在含氧量较低的环境中发芽。种子灌浆降低了种子对低氧水平的敏感性。种子需要足够的氧气(超过10%)。在较低的氧气水平下，一些种子发生无氧呼吸，导致乙醇增加。在许多作物中，这种处理促进了种子更快的萌发和幼苗的生长。另一方面，种子在曝气溶液中长期浸泡会对种子引发产生有害影响，因为这会增加种子的代谢和盐渗透。由于氧的溶解度低(50%)和迁移率低(10%)，种子的相对氧可利用性降低了5%。因此，需要通气系统来支持种子呼吸，特别是在PEG溶液中。与不加气的PEG溶液相比，加气PEG溶液中的种子萌发率有更高的提高。研究发现，加气K3PO4溶液与不加气K3PO4溶液对生菜种子萌发没有影响。此外，在加气PEG或盐溶液中浸泡种子比潮湿的固体介质更有好处。

2.3 渗透势和溶液浓度

在蒸馏水中渗透势为零(0 MPa)，在启动液中为负(>～2.0 MPa)，但在风干种子中，由于细胞质中溶质含量高，渗透势可低至-350～-50 MPa。当种子浸泡在引发液中时，水会从水势较高的溶液中移到水势较低的溶液中，直到达到平衡。浸种过程中种子的自吸特性与种子粒径、表皮渗透性和可水化基质含量直接相关。引发液的浓度和水势是决定种子引发效果的重要因素。引发液中的离子浓度过高时，会对种子引发产生不良影响。在种子内很容易被吸收和积累，由于营养不平衡和细胞毒性作用，导致种子引发受到抑制。如果浓度低于最低值，引发处理将不能启动预期的引发的生理生化过程。另一方面，如果引发液的浓度过高或者持续的时间过长，由于毒性作用，种子引发会受到抑制或者完全受到抑制。在干旱或者盐胁迫的情况下，引发液的浓度会影响种子的性能。用高浓度的盐溶液作底液，处理时间长，发芽率低。用低浓度的盐溶液，处理时间短，提高了种子的性能，从而提高了种子的发芽率，提高了幼苗的活力，提高了耐盐胁迫能力。

不同的研究表明，在引发液中增加药剂(如NaCl、CaCl2、KNO3和微量元素)浓度可能会降低许多作物的发芽指数和幼苗生长。这些降低可能是由于更大的渗透压和离子毒性。

2.4 处理时间

处理时间的长短对于某些植物来说很重要。可控吸水是种子引发技术的基础，会受到浸泡时间的影响。引发时间和最佳引发培养基浓度是决定种子引发成功和幼苗建立的一个非常重要的因素。这是因为在引发过程中，种子达到种子吸水的饱和水平。在胚根出芽前，对种子进行引发是有益的。然而进一步延长引发时间，可能导致种子在干燥过程中死亡，会对种子的引发造成不利的影响。理想的引发时间因引发剂种类、溶液渗透势和引种温度的不同而不同。

引发温度在10℃-25℃之间，启动时间在12 h-5 d之间，视作物而定。种子处理、引发时间和引发温度对胡萝卜、生菜和洋葱种子的发芽率有显著影响。

一般来说，种子引发的成功受到引发时间和蔬菜种类的影响。一般情况下，种子引发成功与否受引发时间长短和蔬菜品种的影响。

2.5 种子质量

种子质量是影响种子引发过程的关键因素。为了获得一个良好的引发效果，使用有活力和无菌的种子，对于种子的引发过程，使用质量好的种子是很必要的。不同种子的活力存在差异。因此，不同种子批次的种子引发存在差异，为了使种子具有最大的活力，需要在接近生理成熟期的时间收获种子。

2.6 光照

如果植物需要光来进行萌发，在引发过程中可能需要光。光胚种子如生菜和芹菜需要光来发芽，可以在种子引发时，将种子暴露在光下，以此减少种子的休眠。

3 种子引发的生理机能

种子引发是一项控制种子缓慢吸水和逐步回干的种子处理技术[22]，是在控制条件下使种子缓慢吸水停留在吸胀的第二阶段,让种子进行预发芽的生理生化代谢和修复作用,促进细胞膜、细胞器的修复和酶的活化,处于准备发芽的代谢状态,但防止胚根的伸出,为萌发提前进行生理准备的一种播前种子处理技术。引发的目的在于提高种子迅速、整齐出苗能力和幼苗的抗逆性[23],从而间接节约种子,降低成本,提高效益[21]。

种子发芽时的水分吸收是一个正常的三相过程。首先是快速的初始吸水(第一阶段，即吸胀)，接着是一个水分含量略有变化的激活阶段(第二阶段)，然后随着胚胎轴的伸长和生长的恢复，吸水进一步增加(第三阶段)。在激活期结束之前，种子的引发是一个可逆过程，在贮藏过程中，种子可以再次脱水并保持存活，在适当的条件下又可以重新发芽。当水分进入干燥的种子时，不受休眠和表皮通透性影响的种子引发过程分为三个阶段。吸水过程可分为以下三个阶段:

3.1 初期的快速吸收

当干燥的种子浸泡在水里，种子细胞内的溶质降低了膨压势，导致快速吸水(第一阶段)，并且随着种子在吸涨过程中的水势增加，种子的含水量也在增加。细胞壁的膨胀阻力导致细胞内充盈电位的增加。在种子吸胀过程中，在胚胎中合成蛋白质，利用现有的和新的信使核糖核酸(mRNA)，并修复和合成DNA和线粒体。当种子中细胞的水势增加时，水分吸收减慢，种子进入滞后期(阶段Ⅱ)。

3.2 开始代谢过程的种子(迟滞期)

第二阶段被称为滞后阶段，在这一阶段，种子的水势与种子环境的水势保持平衡。在这一阶段，种子在相对较长的时间内吸收少量水分，显著的代谢活动与酶的激活和呼吸的增加有关。因此，种子可以完成萌发前的所有生理过程，并且为胚根的出现和萌发相关的主要代谢变化做好准备，如新的线粒体和蛋白质合成，都在这个阶段开始。因此，它也被称为激活阶段。第一阶段和第二阶段是种子引发过程中最微妙的阶段，是种子引发成功的关键。

3.3 后续胚根的出现和恢复增长

当胚萌发前，阶段Ⅱ完成时，进入阶段Ⅲ，胚根突破种皮，水分和氧气吸收迅速增加。同时，这一阶段促进根的生长，其出现与细胞的分裂和扩大相一致。

4 种子引发的作用

在正常和逆境条件下，种子的引发和种植是影响种子生命周期的主要因素。为了提高种子的性状，采用了很多方法来改进引发进程。种子引发是提高种子萌发潜力和提高非生物胁迫耐受性最常用的方法。不同的催种方法和催种剂在许多作物上都有很好的催种效果，这种有益的作用不仅用于种子的引发，还可以延伸到后期。种子引发是提高种子萌发性能的一种方式，特别是在不同的环境条件下或者对质量较差的种子进行引发。种子引发的好处也在随后的幼苗生长中发现，形成了更强的作物抗倒伏能力，有较强的与杂草竞争和耐病原体感染的能力和在非生物胁迫条件下改善植物的生长。种子引发可以打破或缓解生菜和菊苣等植物的光休眠和热休眠。种子发芽较早，发芽均匀，幼苗生命力强，耐受性强。种子引发促进根毛的增殖，这可能导致更有效的营养和水分吸收。此外，它还能减少几种种子传播的病原体，包括芸苔属种子中的油菜黄单胞菌和芹菜中的葡萄球菌。种子引发是一项低成本、简单、低风险的技术，对农民来说，是一项有用的技术。

4.1 提高种子发芽和出苗能力

经引发的种子，发芽率高、出苗整齐、畸苗率较低。甜椒种子经PEG引发后，胚根长势及活力指数均明显高于对照，幼苗地上部鲜重、干重及根鲜重、干重也明显高于对照[24]。引发的番茄种子，出苗提早，叶面积增大，光合能力增强，植株生长量增加[25]，用硝酸钙溶液引发油菜种子，提高了大田油菜的活力[26]，在20%和25%的水分条件下，种子的发芽指数显著提高，平均发芽天数显著缩短。25%PEG渗透调节能提高苦瓜种子活力，渗透调节4h，发芽率、生长势和活力指数分别由对照62.5%、3.05%和1.95%提高到90.6%、7.88%和7.15%[8]。

4.2 提高种子的抗逆性

经过盐混合引发后的水稻种子的淀粉酶活性显著高于未处理的干种子，且处理后0.58% NaCl盐逆境处理对其淀粉酶活性的影响较小，表明引发有利于种子在逆境条件下分解贮藏物质，供给芽生长[27]。引发可以促进杂交水稻种子对已有果糖的利用，降低种子内部果糖水平，增加种子内部脯氨酸含量，并提高后期盐胁迫幼苗内部果糖水平，从而增强杂交水稻幼苗的耐盐性[28]。盐引发有效地将雄性不育香瓜在冬季15℃低温下的发芽率提高50%左右。这说明经引发后的种子对低温的抗性提高[29]。PEG引发番茄种子，由于耐盐性和种子活力的提高，从而提高了种子在含有 NaCl 0.80 g/kg土壤中的发芽率和产量，并且平均发芽时间缩短了33%[30]。

4.3 提高未成熟种子和老化种子的活力

未成熟种子由于胚部尚未发育成熟，发芽率很低，通过引发种子可以进一步实现生理成熟，从而提发芽率。老化种子由于质膜结构受到严重破坏，细胞质物质外渗，使种子活力下降。在引发过程中，种子缓慢吸水，使细胞膜有充分时间进行修复，进行生化作用及修补老化结构，从而提高种子的活力，PEG引发后老化甜椒种子发芽指数提高，发芽速度加快。

4.4 打破种子休眠

芹菜、莴苣种子在高温下萌发时容易进入热休眠状态，通常温度在25-30℃时发芽就受到抑制，当温度高于35℃时很少有种子发芽。用PEG引发、无机盐小分子引发都能使芹菜、莴苣种子的发芽率、发芽指数以及发芽势显著提高，即打破休眠[31]。

4.5 降低种皮粘度

对于香瓜种子利用硝酸钾引发6 d后，种皮粘性降低，发芽速度提高，缩短从定植到收获的时间[32]。

5 种子引发时的生理、生化和分子的反应

5.1 种子内部形态和生理生化的变化

种子引发后的生理生化变化引发过后种子内部会发生形态和各种生理生化的变化。主要表现在以下几个方面:(1)弱化了种子内部胚根周围的限制组织(如番茄种子的胚乳帽)和促进胚根生长；(2)增加细胞弹性和促进胚生长；(3)促进细胞膜修复和提高膜的完整性，降低种子内容物的外渗，即使在低温逆境下，引发种子细胞吸胀仍均匀，细胞器发育良好，ATP酶在质膜上分布均匀，膜结构与功能发育正常；(4)引起一些与种子发芽、活力和抗劣变相关酶活性的提高；(5)引起种子内源激素水平变化；(6)促进RNA和蛋白质合成以及ATP利用；(7)活化水解酶而引起种子内蛋白质、脂肪和淀粉等贮存物的迁移降低染色体畸变频率，修复因老化引起的染色体损伤[33]。

5.2 种子引发引起分子水平的变化

Castro等[34]通过DNA含量的分析研究了番茄引发种子胚根尖细胞周期的作用。结果表明干种子的细胞停留在细胞周期的G1阶段,在标记中未见到微管蛋白。引发吸收水24 h后，处于G2阶段的细胞的数量增加，在24-48 h期间开始发现55-KD的微管蛋白。因而,渗透引发使微管蛋白和DNA含量增加。引发后的发芽率、微管蛋白和DNA含量均表现较快的增加。各处理微管蛋白和含量的增加均比可见的发芽表现早。Castro等[35]后来通过数量遗传和细胞分析对DNA合成和微管蛋白的积累的研究,鉴定了番茄种子吸水和引发期间胚的细胞周期情况。结果表明大多数的未处理的种子胚细胞限制在G1阶段,说明没有DNA的合成,经证实是缺乏澳脱氧尿苷的合成。引发后，在整个胚芽时期，一直可以观察到DNA的合成和微管束的形成的全过程。在引发吸水的过程中，细胞周期蛋白的前期激活可能与发芽能力的提高有关。乔爱民等[36]利用RAPD技术对菜苔人工老化种子DNA的损伤和PEG引发处理的修复作用进行了研究,结果表明人工老化对菜苔种子基因组DNA具有损伤作用,表现为随老化程度的加深，DNA带逐渐减弱直至完全消失,而PEG引发对老化的菜苔种子损伤的DNA具有修复作用,表现为新的DNA带产生,原有DNA带增强。Achard等选择了先前标定的核糖体原生质体蛋白PRL21的PRL21基因,用于分析发芽期间基因表达的活性。引发回干后发现种子AUBEI仍然存在,因此认为AUBEI可作为菠菜种子引发的标记基因。

种子的播种至出苗时期，对作物立地起着重要的作用。种子引发被用来提高种子的发芽率和均匀性。因为吸胀时间缩短，种子引发的次数较多，增强种子的萌发代谢，改善修复过程。种子引发通过生理、生化、分子和细胞的变化，提高了种子的性能，使其更早、均匀地发芽。

种子引发的好处包括上调细胞分裂、细胞壁修饰、转录、储备动员、翻译、氧化应激反应和水运输的蛋白质和基因，其中DNA和膜修复优于正常的吸胀。通过种子引发来改善萌发。种子引发上调了参与胚乳弱化的蛋白质编码基因，如木葡聚糖内转葡糖苷酶、甘露聚糖酶和扩张蛋白。活性和表达的蛋白质可能通过胚乳收缩、细胞壁溶解和细胞质凝结的收缩来降低胚根突起的物理耐受性。某些储存蛋白如十字花科和球蛋白只在种子引发时被发现，而在种子萌发时不被发现。同样的，应激相关蛋白如热休克蛋白是在渗透过程中合成的，而不是在水的自吸过程中合成的。这些蛋白质在渗透过程中保护细胞免受水分胁迫，它们作为分子伴侣，保护自然受损的蛋白质。低浓度的ROS起信号分子的作用。非生物胁迫条件导致过量的ROS产生和积累，导致氧化损伤。它们对高水平的分子有有害影响。它们会导致DNA氧化，导致DNA链断裂，从而导致发芽失败。种子引发在低水平上刺激ROS的产生，这反映了细胞分裂的强烈激活。引发的种子增强了细胞代谢中最重要的酶的活性。这些酶包括酸性磷酸酶、酯酶、乙醛糖酶和涉及调动储存的酶，如α和β淀粉酶、异柠檬酸裂解酶。此外，种子引发可提高抗氧化酶活性的积累。这些增加可以通过减少活性氧的产生和增加种子萌发过程中活性氧的清除来优化防御机制。在种子干燥过程中修复DNA的能力与种子的萌发过程有关。发芽前的代谢过程对从DNA损伤中恢复至关重要，其中包括清除ROS和DNA修复机制，如同源重组核苷酸、非同源端连接和碱基切除修复(Huang et al. 2008)。种子引发的分子反应包括DNA修复机制和新RNA和蛋白质合成的基因表达。胚胎中的DNA修复机制必须保持在合适的水平，以增加成功发芽的机会。在吸胀过程中激活的DNA修复机制恢复了胚胎细胞的细胞周期进程，进行DNA的复制，然后提高了引发效率，但DNA修复缺陷导致细胞死亡增加。DNA修复是种子引发的最有价值和最重要的过程，它决定了种子引发的潜在效益。种子引发促进萌发可能与某些特定基因的上调有关，如萌发相关基因、抗氧化剂和植物生长促进基因。种子引发诱导萌发前代谢所需的952个基因和75个蛋白质的表达，包括转录活性，DNA的复制和修复机制。此外，它还诱导表达参与细胞周期调控和维持的基因编码蛋白，直接或间接参与DNA修复的基因，以及APX、CAT和SOD基因。

6 胁迫诱导萌发种子的代谢变化

胁迫条件对许多植物种子的发芽有负面影响。在植物的生物生命周期中，种子的发芽和幼苗的生长是对非生物胁迫最敏感的阶段。即使高质量的种子，各种非生物压力也会延迟或阻止种子发芽。在种子发芽的早期阶段，非生物胁迫会对核酸、原蛋白和脂质造成氧化损伤。

6.1 干旱、盐分和高温对植物生化、生理和代谢的影响

干旱、盐分和高温是对作物的发育、生长和产量产生不利影响的主要非生物胁迫。它们会引起植物的各种生化、生理和代谢变化，包括ROS的产生，可诱发膜脂质过氧化，导致膜损伤、DNA的严重损害、细胞的渗漏和光合成分的破坏。盐分影响种子发芽，它会通过渗透作用阻止浸泡期间的水吸收，或通过钠离子和氯离子降低胚胎活力，钠离子和氯离子对胚胎具有毒性作用。离子的毒性作用破坏了酶和其他大分子结构，损害了细胞和细胞器，抑制了蛋白质的合成。此外，盐分改变了植物组织中的激素平衡。过多的盐分与植物组织中的辅助素、赤霉素、水杨酸和细胞因子的减少以及脱落酸(ABA)和茉莉酸(JA)的增加有关。种子发芽被盐分诱导的代谢过程的干扰所抑制，如：水吸收的减少和储存的储备动员的变化，从而影响蛋白质的结构组织。

植物对盐度和干旱的胁迫的反应显示出类似的生理机制。植物细胞将这两种压力视为缺水。同时，冷胁迫会扰乱细胞的代谢平衡，导致细胞呼吸减少和膜损伤。将发芽的种子暴露在各种非生物胁迫下会导致氧化胁迫，表现为过氧化氢、超氧化物和羟基自由基的过度产生，这些自由基具有很强的活性，会通过氧化核酸、蛋白质和脂质，使细胞老化，对细胞造成损害 。

6.2 ROS与植物的抗氧化系统对植物非生物胁迫的影响

植物有一个抗氧化系统来清除有毒的ROS(活性氧)。抗氧化剂防御系统的有效运行对植物不耐受的非生物胁迫至关重要。ROS在植物中扮演两个相反的角色：在低浓度时，它们作为信号分子调节防御反应。同时，细胞中过量的ROS会对蛋白质、膜脂质、核酸、碳水化合物、色素、叶绿体和酶造成损害，最终导致氧化胁迫。ROS的损害取决于在适当的时间和地点生产和清除以维持ROS之间的平衡，而这种平衡可能被非生物胁迫所扰乱。当植物在正常条件下生长时，ROS的产生和清除处于一种动态平衡。但当植物暴露在各种非生物胁迫下时，ROS的产生和积累会破坏这种微妙的平衡。ROS引发细胞大分子(蛋白质、核酸和脂质)的损伤，并最终损害细胞结构，甚至损害抗氧化系统。在非生物胁迫下，脂质过氧化可能是参与抑制种子发芽的最重要的分子机制之一。非生物胁迫引起的ROS的产生增加了丙二醛(MDA)的含量，它是脂质过氧化的最具诱变性的产物，并可能通过与细胞大分子反应对细胞造成损害。一些研究报告了在各种非生物压力下MDA含量的增加。它还可以提供非生物胁迫下细胞水平膜损伤的指示。因此，它的含量反映了植物组织的氧化损伤。损伤程度取决于ROS的形成与抗氧化清除系统对其的清除之间的平衡，抗氧化清除系统对氧化损伤提供了关键的保护，它似乎是一个相对重要的耐应激特性。应激引起的ROS积累是由抗氧化的系统来对抗的。抗氧化系统包括许多酶，比如抗氧化酶(如SOD和CAT)和低分子质量抗氧化剂的非酶化合物，如AsA、谷胱甘肽、硫氧还蛋白和胡萝卜素。因此，协助清除ROS和保护植物细胞的抗氧化能力与它们的耐盐性有关。超氧化物在SOD的作用下转化为过氧化氢(H2O2)，最后由CAT转化为分子氧和水，从而防止H2O2形成极其危险的羟基自由基。在细胞膜改变过程中，这在种子内部起着许多重要的作用。

种子生理学的重要组成部分是要承受由于ROS产量增加而造成的严重氧化损伤。从种子在母株上发育成熟和种子萌发开始，种子的代谢活性随种子含水量的改变而发生巨大变化。代谢物浓度的改变主要是由于线粒体的呼吸活性增强和许多酶如NADPH氧化酶、草酸氧化酶、过氧化物酶和β-氧化途径的活性增加。另一方面，ROS的产生会导致氧化损伤，直接影响萌发过程。在ROS分子中，H2O2发挥其作为信号分子的作用。然而，种子必须配备强大的ROS解毒系统，以迅速降低有害分子的浓度。这种解毒是由一个有效的系统进行的，该系统包括酶(即超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、过氧化氢酶)和非酶抗氧化分子(即还原谷胱甘肽、抗坏血酸)。在较低浓度下，ROS的产生也被认为是信号分子，如H2O2、硫化氢和一氧化氮，它们负责将种子从休眠阶段转变为萌发阶段。

同样，Kubala(2015a)等人证实，种子水合再干燥再回到原始含水量的过程会导致ROS的产量增加以及抗氧化酶系统的诱导。菠菜种子渗透引发后的AsA、GSH和APS的诱导也伴随着超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的产生。因此，菠菜种子吸胀过程中AsA-GSH循环的诱导明确表明了它可以降低吸收种子中脂质过氧化成分的水平。此外，Kubala等人(2015a)也描述了抗氧化防御系统的诱导仅仅是幼苗建立的需要，这发生在萌发的最后阶段，因为过氧化氢酶的产量增加了。他们还通过整合蛋白质组学和转录组学方法证实，由于引发引起的萌发与抗氧化系统的诱导密切相关。在甘蓝型油菜种子的引发研究中，作者记录了由于渗透引发对CAT2和PER21编码基因的上调，并观察了GR蛋白的积累。同样，他们也记录了PER13基因的上调导致种子在萌发过程中过氧化物酶、过氧化物还原蛋白和DHAR这些引物的积累。此外，作者推测甘蓝型油菜水发种子的耐胁迫潜力与萌发过程中抗氧化代谢活性的诱导有关。CAT、SOD和APX产量的增加与各自基因的扩增表达有关。同样，Nouman等人(2014年)认为，辣木叶提取物引发辣木种子即使在盐胁迫条件下也能促进植物生长，这都是由于POD、CAT、SOD等抗氧化酶的产生。同样，由于用β-氨基酸丁酸启动的种子在萌发过程中POX和SOD的活性增强，会增加对氯化钠和聚乙二醇胁迫的耐受性。同样在烟草品种中，由于用腐胺引发种子后会诱导抗氧化酶，因此提高了对低温胁迫耐受性(Nouman等人，2014年)。在Islam等人(2015年)进行的一项关于水引发小麦种子的研究中，APX、POD和CAT产量的增加会导致小麦幼苗的耐盐性。应用PEG，通过渗透作用改善了在严重干燥条件对高粱种子萌发和高粱幼苗建立的影响，这与SOD、POD、CAT、APX等抗氧化剂活性的增加有关(Zhang等2015a，b)。同样，APX活性的增加以及CAT、POD和SOD活性的降低，也可以减少水稻种子中氧化锌纳米颗粒胁迫引起的负面影响(Salah等2015)。在贮藏期间，ROS的产生显著影响种子的年龄。ROS会诱导种子的质量降低。由于老化引起的种子质量问题的恢复可以通过激活CAT来恢复，而种子引发在CAT的激活中起着重要作用。此外，已经观察到向日葵种子的老化会增加过氧化氢的储存和CAT在基因表达水平以及蛋白质含量上的减少(Kibinza等人，2011)。通过种子水引发消除了老化的负面影响，然后通过诱导基因的表达和酶的翻译来合成CAT。引发会引起种子代谢发生巨大变化，从而增加了许多次生代谢产物的产生。这些代谢物在缓解种子的有害氧化刺激、恢复种子的老化以及调节ROS的产生方面发挥着重要作用。