赤霉素调控玉米种子活力的研究进展

金云倩 王彬 郭书磊 赵霖熙 韩赞平

（1.河南科技大学农学院，洛阳471003；2.河南省农业科学院粮食作物研究所，郑州 450002；3.中国农业科学院棉花研究所 棉花生物学国家重点实验室，安阳 455000）

玉米不仅可以直接用于食品加工，还是畜牧养殖及水产业重要的饲料来源，也是医疗卫生、轻工及化工等行业的主要原料之一。伴随着规模化种植的发展、农业科技的进步，以及玉米单产水平的不断提升，玉米已经成为世界上单产水平最高的谷物品种。我国玉米的种植面积和总产居于世界第二，但单产与美国等农业强国相比仍有一定差距［1］。我国是世界上最大的猪肉消费国，禽蛋、牛奶等的消费量也在逐年增加，畜牧养殖业的快速发展，对饲料的消费越来越大，以及工业需求不断增加，导致对玉米的需求量快速增长［2］。根据国家统计局和国家粮食信息中心有关数据分析显示，过去10年间，我国玉米供求形势已从产大于需转变为产不足需，随着未来畜禽养殖产业、食品工业等进一步发展，进而会带动玉米消费需求继续保持较快增速［3］。

确保国家粮食安全，种子是基础，高产、稳产将会一直是玉米产业亘古不变的发展趋势，而种子质量是建立玉米高产、稳产的关键和保障。种子活力是种子质量的重要参考指标之一，也是代表种用价值的重要参考。种子活力反映种子发芽期间的生理生化过程，发芽率、田间出苗和生长的整齐度与速度，出苗后对逆境的抵抗能力，以及持续到田间生长表现，最终影响植物的产量［4］。因此，玉米种子活力的高低对大田玉米的高产和稳产具有特殊重要意义。种子活力主要受遗传因素和环境因素的影响，其中遗传特性（基因型）对种子和幼苗活力影响显著［5］。

赤霉素是种子的生理活性物质之一，能调节种子的生理状态和生化变化，促使种子生命活动强度增高或降低的化学成分。种子本身具有合成GA 的能力，合成部位是胚，种子中的赤霉素有游离态和结合态两种。结合态赤霉素不具有生理活性，是一种贮藏和运输形式，而游离态的GA则具有生理活性，当种子萌发时具有生理活性的GA 可促使细胞伸长，促进细胞分裂，调控种子休眠促使种子发育［5］。目前，已从植物、真菌和细菌中分离和鉴定出136 种不同结构的GAs，但绝大部分的GAs 没有生物活性，只是活性GA 的前体或非活性代谢物，只有少量具有生物活性，其中GA1和GA4是主要的内源活性因子［6］。外源活性赤霉素的施加可以应用于破除种子休眠及促进种子萌发来提高作物产量上，且已经广泛在玉米、洋葱、西瓜、甜瓜、茄子、辣椒等作物的种子萌发和幼苗生长过程中得到应用。这表明赤霉素参与调控种子活力对作物种子产量的影响显著，种子是农业现代化的基础，加强赤霉素调控种子活力机理的研究意义重大。

目前在种子活力及赤霉素的生物合成及其信号转导过程中参与调控活力水平的一些相关基因与数量位点的发掘中，对于水稻、小麦等作物的研究较多，有关赤霉素对种子活力影响的研究上也较多侧重于施加外源GA 来影响种子活力的相关生理指标上，而植物体对GA 信号从感知到传递，尤其是对于玉米种子发育过程中的GA 调节信号传导链的研究还不够深入。不断挖掘GA 参与调控玉米种子活力的关键靶基因，构建GA 对玉米种子活力的调控网络，并加以利用，创新高活力玉米种子，进而服务于玉米高产种质的研发。

1 赤霉素的生物合成与信号转导

1.1 赤霉素的生物合成

赤霉素是四环二萜类的植物激素，根据赤霉素分子碳原子总数不同，分为C19 和C20 两类赤霉素，具有生物活性的GA 是通过复杂的生物合成和信号传导途径来控制植物生长和发育的。赤霉素在细胞中的合成部位是质体、内质网和细胞质基质等，绝大多数植物里种子中GA 的含量远超于其他部位，种子中合成GA 的部位是胚［7］。C19 类赤霉素的生理活性高于C20 类赤霉素。生物活性强的赤霉素有GA1、GA3、GA4、GA7、GA30、GA32、GA38等，生理活性弱的赤霉素有GA13、GA17、GA25、GA28、GA39等［8］。质体内具有生物活性的GA 在合成时是由牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（geranylgeranyl diphosphate，GGDP），经过古巴焦磷酸合成酶（entcopalyl diphosphate synthase，CPS）、内根-贝壳杉烯合成酶（KS，ent-kaurene synthase）形成内根-贝壳杉烯。内质网中内根-贝壳杉烯由内根-贝壳杉烯氧化酶（KO，ent-kaurene oxidase）、内根-贝壳杉烯酸氧化酶（KAO，ent-kaurenoic acid oxidase）作用形成 GA12-醛，接着转化为GA12和GA53，GA53是GA12在 GA13氧化酶的作用下转变成的［9-11］。细胞质基质中GA12和GA53在C20 处进行一系列氧化，通过3 种氧化酶GA20-oxidase、GA3-oxidase 和GA2-oxidase 催化氧化形成其他种类GAs［10］。GA-C20 在GA13氧化酶作用下产生GA20，GA20在GA3-oxidase的作用下氧化为活性GA1，GA-C20 不经GA13氧化酶作用则直接被GA20-oxidase 氧化产生GA9，再被GA3-oxidase 催化氧化形成活性GA4。GA20还被GA3-oxidase 催化为GA5，GA5继续在GA3-oxidase的作用下生成GA3和GA6［11］。关于赤霉素的生物合成还有一些新的发现，玉米赤霉素GA 缺失突变体矮化f1（d1）表现为矮化和雄株性（即在雌花中形成花药），d1 突变阻断了GA 生物合成的3 个步骤，从位点分离和鉴定发现，D1 编码一个GA3-oxidase，催化生物活性GA 合成的最后一步，重组D1 能够在体外将GA20转化为GA1，GA20转化为GA3，GA5转化为GA3，GA9转化为GA4。体内GFP 融合分析和使用D1 特异性抗体的细胞器部分的western blot 分析表明，D1 蛋白在细胞核和细胞质中是双定位的。此外，上游赤霉素20-氧化酶1（ZmGA20ox1）蛋白也存在于细胞核和胞浆中，这表明具有生物活性的赤霉素可在赤霉素受体不敏感矮化蛋白1 存在的胞质和胞核两个区域合成，这与人们普遍认为这些反应发生在细胞质中来说是一种新的发现［12］。

1.2 赤霉素的失活代谢

GA 的失活代谢主要是2β-羟化反应。GA1和GA4在GA2-oxidase 催化氧化下分别形成无生理活性的GA8和GA34［8，10］。GA2-oxidase 还可将GA4和GA1的前体GA9和GA20分别氧化为无活性的GA51和GA29［13］。GA2-oxidase 可以在一系列生物调节下将GA12和GA53分别氧化为GA110和GA97［14］。研究表明在拟南芥种子成熟过程中，GAMT1 和GAMT2对GAs 的甲基化作用使GAs 失活并开始降解［15］。水稻基因EUI1编码P450 单加氧酶，在失活反应中环氧化赤霉素（GAs），拟南芥EUI的两个同源基因很可能通过催化类似于水稻EUI的具有生物活性GA的失活来微妙地调控植物的生长［16］。因此，基于前人研究基础，我们对赤霉素生物合成及失活途径进行整合和汇总，绘制GA 生物合成模拟简图（图1）。

图1 赤霉素的生物合成Fig.1 Biosynthesis of gibberellin（GA）

1.3 赤霉素的信号转导

植物细胞接收外部信号刺激反应来调节植物本身细胞中内源物质的变化，当植物体内活性GAs 含量低时，GAs 促进GA20-oxidase、GA3-oxidase 等合成关键基因的表达，抑制GA2-oxidase 的表达；当植物体内活性赤霉素含量升高时，GAs 反向调控GA合成关键基因的表达，进而来稳定细胞内活性GA的含量。

植物体内的受体细胞在激素等信号刺激下将这些信号在细胞中传递，引发细胞生理生化的变化，调节植物自身机能的改变，最终适应环境的变化。GA 受体细胞接收GA 信号在细胞内形成信号转导网络（图2）。研究发现利用水稻矮化基因突变体定位细胞核中第一个GA 受体GID1，GA 与受体GID1 结合，启动GID1 与蛋白降解组复合体SCF（多种亚基组成的E3 连接酶）的相互作用进而活化SCF，降解信号转导途径中的负调控因子DELLA 蛋白，使得GA 发挥其正调控作用［17-18］。当细胞外GA 浓度降低时，GID1 与GA 不再结合，其N 端结构域（NEx）呈疏松结构状态，使DELLA 蛋白与GA 应答基因结合并抑制其活性；当细胞外GA 浓度升高时，GID1 通过其C 端结构域与GA 结合并引发相关应答反应。首先，GA 诱导GID1 构象发生变化，GID1的N-Ex 像盖子一样将GA 封闭在GID1 内，形成疏水性的表面以便与DELLA 蛋白结合［19］。DELLA 蛋白位于细胞核中，在其N 端含有一段保守的氨基酸序列，这段序列对于DELLA 蛋白的降解途径来说是必须的［20］。DELLA 蛋白是细胞核转录调节因子，可以抑制GA 信号转导进而限制植物生长。研究表明DELLA 蛋白和BOI 蛋白通过相互作用，结合到拟南芥活性Gibberellin-Reponsive 基因的启动子上，并抑制这些基因，从而抑制GA 应答［21］。文献还报道Ca2+、cGMP 及NO 是细胞内信号转导的第二信使，例如Ca2+与cGMP 是GA 信号转导正调控因子，NO则负调控GA 信号途径［22-24］。另外水稻中的核蛋白OsWOX3A 对植物赤霉素的生物合成途径也起到一个负反馈的调节作用［25］。

图2 赤霉素的信号转导Fig.2 Signal transduction of gibberellin（GA）

有关赤霉素生物合成、代谢失活及其信号转导过程的调控机理方面的进展已经有了比较清楚的脉络途径，但是这些生物合成代谢酶及其信号转导通路的揭示也大多数来源于水稻作物的基因和蛋白研究。玉米基因里GA 合成的相关基因位点D1 的确定，研究结果表明该基因定位于细胞核与细胞质两个区域。随着分子生物学技术的不断发展，玉米基因家族中GA 的生物合成、代谢失活及其信号转导调控途路等方面的研究也会越来越多地被报道。

2 种子活力

种子的一生经历着生长、发育和衰老的过程，高活力的种子劣变程度低，受自身遗传、外界环境变化、种子本身细胞结构及生理功能的影响小。为保障国家粮食安全与种业安全，对各种作物的种子活力研究与探索也一直在不断的深入，且也已经取得一定的研究进展。在种子的发育过程中，贮藏物质的积累是种子活力形成的基础。种子活力通常随着生理状态的改变而发生变化，种子劣变涉及蛋白质、糖、核酸、脂肪酸、挥发性物质、酶的活性、呼吸强度、脂质过氧化、修复机制等方面的变化［5］。在对玉米种子进行老化实验研究的结果表明，随着对玉米种子进行老化时间的延长，种胚内的可溶性糖、Pro 含量、DHA 活性及POD 活性出现不同程度下降，活力强的种子仍能保持较高调节物质含量及酶活性［26］。高活力种子的劣变速率不仅低于低活力种子而且在发芽势及发芽率等一些生长表型指标上也明显强于低活力种子，表现出较好的抗性。随着老化时间的延长，两个水稻品种的发芽率和活力指标都有所降低，但不同水稻品种的抗老化能力存在一定的差异，实验中的各组数据对比表明农大603的活力水平高于农大37 的活力水平［27］。有学者对12 份陆地棉种子在标准条件下进行发芽分析发现，低温胁迫及人工老化处理均会都降低陆地棉种子发芽势、发芽率、苗长、根长、苗鲜重和根鲜重，但新陆早7 号在低温、中棉 35 号在低温和人工老化都具有高发芽率，这足以说明高活力陆地棉种子的抗性显著强于低活力种子［28］。研究数据表明随着自然老化时间的延长，6 个花生品种（系）的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均呈下降趋势，其中花8107 品系的总体抗老化能力高于其他品种［29］。种子的劣变老化过程中伴随着生理、生化活力水平的减弱，但高活力种子对比低活力种子受不良环境及条件的影响较小，能够保持较好的抗性。由此我们可以依据不同品种的种子活力状况来给出相对应的措施来减少种质的浪费。

种子活力是由多基因控制的数量性状，可以进行鉴定分析相关的QTL［30］。伴随着分子生物学研究技术的进步和发展，尤其是高通量测序技术和各种组学技术的更新换代，目前不同作物种子活力相关分子机制方面的研究也取得了一些进展。以野生稻（Oryza longistaminata）与籼稻 9311 杂交后，再以9311 作为轮回亲本得到的BC2F20 回交株系（backcross inbred lines，BILs）为材料，运用基因组重测序技术进行基因分型，检测到36 个与种子活力相关的QTLs，其中6 个QTLs 与萌发相关，8个QTLs 与老化胁迫下幼苗生长相关，而且与萌发相关的两个主效QTLs q9GR8.1 和q9GP8.1 被精细定位到90 kb 左右的区间［31］。种子耐贮性是指种子在储存过程中保持活力的能力。在粳稻品种日本晴和籼稻品种9311 杂交的回交重组自交系中使用高密度单核苷酸多态性连锁图谱对种子耐贮性的数量性状位点（QTL）进行分析，结果发现在自然贮藏条件下检测到7 个与种子耐贮性相关的QTLs，其中一个位点（qSS3.1）被认为是引起脂质损伤的氧化剂分子，并从qSS3.1 中筛选到 1 个编码脂肪酸羟化酶的候选基因OsFAH2，而且过表达OsFAH2能显著降低种子中脂质过氧化和提高种子耐贮藏性［32］。Han 等［33］利用两个玉米杂交组合Yu82×Shen137和 Yu537A×Shen137 构建的2 个重组自交系群体的420 个家系为材料，借助SNP 分子标记遗传连锁图谱，鉴定到65 个与种子活力相关的QTLs，而与玉米种子活力相关的24 个候选基因主要富集在糖酵解途径和蛋白质代谢途径，推测mQTL2、mQTL3-2、mQTL3-4和mQTL5-2的染色体区域可能是与种子活力相关的热点区域。Renard 等［34］为了鉴定新的长寿基因，对模式植物拟南芥自然衰老和3 种加速衰老方法的270 个生态型的自然变异进行了表型分析，利用公开获得的单核苷酸多态性（SNPs）数据集进行全基因组分析，确定了与种子寿命相关的多个基因组区域，其中在获得的20 个候选基因中有7 个与种子寿命成正相关，且NADPH 氧化酶（RBOH）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR1）和光系统Ⅰ亚基（PSAD1）凸显了氧化应激在种子衰老中的重要作用。细胞色素P-450 羟化酶、CYP86A8 和转录因子MYB47、KNAT7 和SEP3 支持种皮在种子老化过程中的保护作用。Li 等［35］对X78 和I178 种子在种子加速老化处理前（0d-AA）和加速老化处理后（5d-AA）进行转录表达分析，鉴定AA 处理后的差异表达基因（DEGs），结果发现13 个DEGs 可能与种子寿命直接或间接相关。Gong 等［36］利用非人工陈化和人工陈化2 d 的甜玉米种子构建小RNA文库，通过降解组测序鉴定与甜玉米种子活力相关的miRNAs，结果发现两个靶基因PC-5p-213179_17和PC-3p-477790_3，前者可能通过参与过氧化物酶活性、氧化还原过程和氧化应激的响应来防止甜玉米种子自由基脂质过氧化，后者通过其靶向的热稳定蛋白来修复蛋白质损伤进而改善人工老化对种子活力的影响。

种子是农业的芯片，高活力种子是农业发展不断进步的保障，科学家们对于种子活力的研究一直都在不断深入，由生理指标观察到种子活力靶基因的发掘，再到如何创制高活力作物种子。近年来在各种作物种子中越来越多有关活力及抗老化相关基因位点的发掘等研究，不仅为未来高活力种子基因库的建立和利用奠定了基础，而且为新时代分子育种提供了方向。

赤霉素作为植物重要的生理调节物质之一，能有效地促进植物茎秆伸长，加速植株的生长和发育，促使作物提前开花和成熟，有助于增加和改善作物的产量和品质；并且适宜浓度的赤霉素浸种不仅能够打破种子的休眠，促进发芽，还可以减少成熟果实器官的脱落，提高果实的结实率或形成无籽果实［8，37-39］。那么对于种子活力相关生理指标的影响上赤霉素发挥着怎样的调节作用及其应用价值所在，此外赤霉素如何调控作物特别是玉米种子活力的分子机制及其调控网络还需进一步深入。

3 赤霉素调控种子活力的研究进展

3.1 赤霉素调控玉米种子活力的生理研究

赤霉素对玉米种子活力的影响也是如此，研究表明适宜浓度和时间的GA3浸种，不仅可以显著提高其发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数等指标，而且玉米种子中可溶性糖（SS）、丙二醛（MDA）、α-淀粉酶、β-粉淀粉酶等生理指标也有显著的变化［40］。研究表明，活力高的玉米种子内源激素GA 含量高于低活力的玉米种子，且适宜浓度的外源GA3处理陈玉米种子时均能促进其发芽，极显著提高陈玉米种子的活力［41］。甜玉米因其具有丰富的营养和较好的口感深受人们的喜爱，王科翰［42］在玉米种衣剂中添加适宜浓度的赤霉素GA3（200 mg/L）能够显著提高甜玉米种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数。魏晓梅等［43］研究发现与对照相比，用GA3浸泡玉米种子后可明显提高其发芽率、发芽势和发芽指数。左月桃等［44］发现低温胁迫条件下，适宜浓度GA3 溶液浸种处理后，玉米种胚内两种抗氧化酶（SOD、POD）活力显著提高，提高种子耐低温活性，保护种子在低温条件下的萌发机制。赤霉素是一种天然的植物激素，在各种作物的应用中因无毒、无害一直被青睐认可。陈士林等［45］利用GA 处理玉米种子，从3×10-4-30 μmol/L 范围内种子发芽势和简化活力指数逐渐升高，在30 μmol/L 时二者均达到最大值，随着GA 浓度的进一步增大，发芽势和简化活力指数开始逐渐下降。研究表明赤霉素可以促进玉米生长，赤霉素和聚乙二醇复合引发可以促进玉米种子活力［46］。廖尔华等［47］以四川主推杂交种正红311 为材料，利用赤霉素浸种探讨赤霉素对玉米种子萌发的影响，结果发现，适宜浓度（15 mg/L）的赤霉素浸种可以明显提高玉米种子胚乳中的α-淀粉酶活性，提高发芽势和发芽率。

赤霉素作为植物萌发和生长的必须激素之一，在植物生长的一生中发挥着重要作用。研究表明赤霉素可以提高多种水解酶类的活性，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等，通过水解酶的活性提高来发挥作用。此外赤霉素还可以促进细胞器溶酶体等释放出贮藏的酶类，进而促进植物种子萌发和生长。随着科学研究的不断发展，已经可以利用化学合成的方法人工合成赤霉素，将会以合成容易、价格低、效果好的优点大规模应用于现代农业生产，为农业生产服务。

3.2 赤霉素调控玉米种子活力的分子研究

高活力种子具有长时间的贮藏寿命和良好的抗性品质，在种子发育早期，遗传或生物合成抑制剂诱导的GA 缺乏会抑制ABA 缺乏的玉米籽粒的发芽状况，且这一研究结果也证实赤霉素GA 参与了玉米种子萌发的调控［48］。Song 等［49］对玉米种子萌发过程中赤霉素代谢酶基因的全基因组鉴定及表达谱分析中发现，玉米基因组中包含3 个CPS基因、4个KS基因、2 个KO基因和1 个KAO基因，这些酶是合成GA 的前期步骤中重要的酶，表达谱分析表明，在玉米种子萌发过程中可以检测到15 个GA 代谢相关基因的转录本；最显著的是，在种子胚中检测到了6 个GA 代谢相关基因（ZmCPS1、ZmCPS2、ZmKS1、ZmKS4、ZmKO1和ZmGA20ox4） 的转录本，这6 个基因可能有助于在种子萌发早期将储存的GA 前体转化为活性GA。糊粉层存在于谷类种子胚乳的最外层，糊粉层细胞本身并不合成激素，但在种子萌发过程中，对胚分泌的赤霉素等激素有强烈反应，赤霉素调节相应的水解酶产生，促进种子萌发。Zheng 等［50］研究发现在玉米种子萌发过程中，GA 增加了糊粉层中的组蛋白乙酰化并伴随着rDNA的解聚，GA 处理后，剥离糊粉层的rDNA 染色质解压缩，基因组整体组蛋白乙酰化升高，这是由于组蛋白乙酰化酶/组蛋白去乙酰化酶（HAT/HDACs）的相对酶活性增加。这一研究表明GA 处理可以提高糊粉层rRNA 和HAT/ HDAC基因启动子区组蛋白乙酰化水平，参与糊粉层对于玉米种子萌发的调节。种皮是玉米籽粒结构的组成部分，其作用是保护种子免受机械损伤和病虫害的侵袭。种皮的主要成分是纤维素、淀粉和蛋白质，种皮的厚度取决于纤维素的含量，纤维素生物合成复合体中如果缺少纤维素合成蛋白，将直接影响其生物合成。纤维素的合成依赖于纤维素合酶基因家族（CesA），它是植物多基因家族中的一员。Lv 等［51］研究发现GA 处理可以诱导玉米籽粒的粒长和容重显著提高，籽粒纤维素含量增加，而种皮厚度降低。通过转录组测序分析，筛选得到了与纤维素合成酶基因1（CesA1）表达强相关的转录因子亮氨酸拉链基序53（bZIP53），结合GA 处理后玉米籽粒发育中纤维素合成酶基因的表达量变化，发现bZIP53表达明显促进CesA1 的表达；此外，对转录因子bZIP53的分析表明，基因编码的蛋白定位于细胞和核膜。通过GA 调控玉米种皮中纤维素增加的这一研究发现，对于通过提高玉米种皮的保护机制来增加玉米种子的活力水平来说是一个全新的进展。

这些有关玉米种子活力的研究进展均表明赤霉素的生物合成与代谢及信号转导过程中相关基因及合成代谢酶参与影响着玉米种子的萌发、籽粒大小、种皮结构及玉米种子中的营养物质，参与调控玉米种子活力。未来加强深入赤霉素调控玉米种子活力分子机制的探索，发掘更多有关玉米活力的关键基因，针对性地利用赤霉素相关活力靶基因把控玉米种子活力具有重要意义。

3.3 赤霉素对其他作物种子活力的影响

外源活性GA 可以加速非休眠种子的萌发及调控糊粉层中淀粉酶、蛋白酶、β-葡萄糖酶等酶类的产生及释放；高等植物种子中活性GA 参与胚乳淀粉层中营养物质的分解和促进种子萌发［7］。常博文等［52］从来自不同生态区的30 个花生品种中筛选出4 个耐低温和4 个不耐低温的花生品种进行赤霉素（GA3）处理，结果发现GA3可以显著促进4℃低温处理后花生种子的萌发和种子活力，抑制了花生幼苗在低温处理后的相对膜透性和丙二醛含量的上升，提高了可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸的含量。这表明赤霉素显著提高了花生种子耐低温的抗性，提高花生种子活力水平。屈旭等［53］研究发现利用适宜浓度GA 处理辣椒种子可以显著促进其种子萌发和幼苗根系的发育。朱丽伟［54］选择不同成熟度的杂交水稻种子为研究对象，对其种子活力、生理生化和耐贮藏能力进行研究发现，GA3浸种可显著提高钱优1 号与Y 两优689 杂交水稻种子活力，进而提高其耐老化能力。余晓丛等［55］研究发现利用0-30 mg/L 赤霉素浸种可以促进3 种草坪草的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数及幼苗根系生长，提高耐盐性。高活力种子不仅发芽迅速、幼苗整齐、生长均匀一致，而且在抗性及耐性等方面也强于低活力种子。

随着分子生物学的不断发展，在其他作物中有关GA 合成及信号转导过程中调控通路及其相关基因位点的发现、利用和功能研究取得了重要进展，为研究赤霉素调控玉米种子活力的分子机制提供了重要参考。Fan 等在拟南芥中成功鉴定出15 个受赤霉素调控的GASA（gibberellic acid stimulatedArabidopsis）基因家族成员，其中GASA4正调控种子大小和总产量［56-57］。种子的休眠是影响种子萌发的关键因素，种子活力水平的高低受种子休眠等因素的影响，超表达赤霉素相关基因可以促进林木种子萌发［58］。张运城［59］分离并鉴定了油松GID1基因，转基因拟南芥（PtGID1）种子在低浓度GA3条件下能够萌发，说明PtGID1能促进拟南芥种子的生长发育。Li 等［60］以羊草种子为实验对象，采用转录组和代谢组学分析GA3处理对羊草种子萌发的影响，结果发现GA3 处理后可能通过抑制Cel61a、egID、cel1、tpsA、SPAC2E11.16 c和TPP2的表达，增强AMY1.1、AMY1.2、AMY1.6和GLIP5的表达，抑制纤维二糖、纤维糊精和海藻糖的合成，同时促进蔗糖、淀粉、纤维二糖、纤维糊精和海藻糖水解为葡萄糖，该发现为今后利用赤霉素提高种子发芽率和种子活力研究提供了重要依据。

DELLA 蛋白是GA 合成和信号转导过程中重要的核转录因子，对于种子的休眠和萌发起着至关重要的作用。2011年Pearce 等证实了小麦半矮化Rht-1等位基因是属于 DELLA 蛋白类且是通过GA-GID1-DELLA 信号途径发挥生物学功能［61-62］。Sarnowska 等在拟南芥中发现DELLA 蛋白RGL2（RGA-LIKE 2）和RGL3与染色质重塑因子SWI3C（SWITCH3C）发生相互作用，进而影响GID1a以及GA3ox基因的转录，进而调控GA 的感知和生物合成［63-64］。水稻矮化基因的发现给全球谷物的影响非常显著，研究发现编码GA20 氧化酶的OsGA20ox2与水稻中的半矮化sd-1基因位点密切相关，是由于OsGA20ox2发生了突变，GA20 氧化酶活性降低，导致GA53积累，引起所有的sd-1半矮化系的出现［62，65］。利用适宜浓度的外源赤霉素对于提高种子活力及不同植物的生长发育有一定的促进作用，其生物合成及信号转导过程中有关活力基因位点的发现也为GA 调控种子活力的网络建立奠定了一定的基础。研究表明赤霉素对于破除种子的休眠、改善种子的发芽率和提高种子的活力方面具有显著的促进作用，而且还发现全球小麦和水稻绿色革命中小麦半矮化Rht-1等位基因和水稻半矮化sd-1基因位点的发掘其调控通路都与赤霉素GA 有关，表明利用赤霉素调控作物种子活力可行且可控。

赤霉素对于种子活力的影响显著，且适宜浓度的外源活性GA可显著提高不同作物种子抗性、耐性，调控不同作物种子的活力水平。可以通过不同作物种子对赤霉素的应激情况相互借鉴学习，为赤霉素调控种子活力网络机制的建立奠定基础。然而关于赤霉素调控玉米种子活力的相关研究却比较有限，加强赤霉素调控玉米种子活力的关键靶基因及蛋白的发掘，深入解析玉米种子发育过程中GA 的信号转导机理，探索GA 调控玉米种子活力的分子机制，构建赤霉素调控玉米种子活力的机制网络，实现创制高活力玉米种质的目标。

4 结论与展望

本文主要综述了赤霉素生物合成、信号转导以及赤霉素调控玉米种子活力和其他不同作物的研究进展，为后续研究提供有价值的参考。例如从GA信号与小麦和水稻半矮秆基因的相互作用中促使其产量提高，进而造就全球小麦和水稻的绿色革命一样，利用玉米矮秆突变体Dwarf11（D11）的特性来分析玉米种子中GA 的生物合成和调控机制，进而为玉米的高产服务［66］。众所周知，在作物生产中，适当矮化植株是提高作物抗倒伏能力和收获指数的重要手段，如何利用优良矮秆基因资源来改良或培育玉米抗倒伏矮秆高产品种具有重要意义。Chen等［67］将拟南芥AtGA2ox1基因转化到玉米中，获得一株茎秆高度降低的转基因玉米，通过在玉米中过表达AtGA2ox1基因来降低内源生物活性GA 水平，不仅降低了转基因玉米的株高和营养生物量，而且提高了转基因玉米的产量。这一成果无疑为后续研究赤霉素调控玉米种子活力的分子机制提供了有价值的参考，此外，GA 如何调控同化物的运输、卸载和代谢最终影响库强的作用机制还不清楚，具体通过哪些靶基因点来实现调控功能仍需深入研究。

农稳社稷，粮安天下，种子是农业生产的物质基础，作为衡量种子质量的关键指标，加大种子活力研究的细度和深度，对于创造高活力作物新种质、实现农业增产创收、牢牢端稳中国人饭碗意义重大。相伴多组学技术在种子活力研究中的不断开展，可以预见，新的种子活力研究体系将逐步构建，结合细胞学、生理学和各种组学技术（包括转录组、翻译组、蛋白质组和代谢组）研究，种子活力研究体系必将更加精细、透彻。毋庸置疑，GA 调控种子活力的机制会得到更加全面地剖解，不断发掘更多玉米种子中GA参与调控活力的基因或蛋白。除此之外，厘清GA 调控相关表达调控的生理生化过程和代谢途径，将生理生化表型与基因的表达有机结合在一起，更加有利于全面认识玉米复杂性状的遗传基础和作用机制，为进一步提高玉米种子活力和玉米的高效育种提供参考。