全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(7): 1141−1156 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家科技支撑计划项目(2012BAC01B05)和国家自然科学基金项目(31171624, 31070299)资助。
∗ 通讯作者(Corresponding author): 宋松泉, E-mail: sqsong@ibcas.ac.cn, Tel: 010-62836484
第一作者联系方式: E-mail: Hengheng0425@126.com
Received(收稿日期): 2014-01-28; Accepted(接受日期): 2014-04-15; Published online(网络出版日期): 2014-05-16.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140516.1002.016.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01141
种子萌发及其调控的研究进展
徐恒恒 1 黎 妮 2 刘树君 1 王伟青 1 王伟平 2 张 红 1
程红焱 1 宋松泉 1,*
1中国科学院植物研究所, 北京 100093; 2湖南杂交水稻研究中心 / 杂交水稻国家重点实验室, 湖南长沙 410125
摘 要: 大多数有花植物通过有性生殖和产生种子繁衍后代, 种子的成功萌发和正常成苗决定植物物种的繁衍与生
存。种子萌发容易受到机械伤害、病害和环境胁迫的影响, 是植物生活周期中最重要和最脆弱的阶段, 对于一年生和
二年生植物则更为重要。种子萌发是一个复杂的多步骤过程, 在这个过程中静止的干燥种子迅速恢复代谢活性, 完成
胚伸出周围结构的细胞事件, 以及为随后的幼苗生长做准备。本文综述了近年来种子萌发及其调控的研究进展, 主要
包括种子萌发过程中的重要生理事件, 与种子萌发有关的蛋白合成、翻译后修饰和蛋白质组, 以及植物激素对种子萌
发的调节。此外, 我们还提出了种子萌发的能量刺激假说, 此假说为减少禾谷类作物种子和粮食生产中发生的穗萌现
象提供了新的研究思想, 并且有助于回答植物学、农学和园艺学中的 2个基本问题, 即胚怎样从它的周围结构中伸出
完成萌发？胚的伸出怎样被阻断以至于种子被维持在休眠状态？
关键词: 萌发主要事件; 植物激素; 蛋白合成与翻译后修饰; 蛋白质组; 萌发的调节; 种子萌发
Research Progress in Seed Germination and Its Control
XU Heng-Heng1, LI Ni2, LIU Shu-Jun1, WANG Wei-Qing1, WANG Wei-Ping2, ZHANG Hong1, CHENG
Hong-Yan1, and SONG Song-Quan1,*
1 Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093; 2Hunan Hybrid Rice Research Center / State Key Laboratory of Hybrid Rice,
Changsha 410125
Abstract: Most flowering plants reproduce through sexual breeding and seed production. The success of seed germination and the
establishment of a normal seedling determinate the propagation and survival of plant species. Seed germination is the most critical
and flimsy phase in plant life cycle because of its high vulnerability to injury, disease and environmental stress, which are very
important especially for annual and biannual plant species. Seed germination is a complex and multistep process during which the
quiescent dry seeds quickly recover the metabolic activity, complete essential cellular events for the embryo to emerge from sur-
rounding structures, and prepare for subsequent seedling growth. In the present paper, the recent research progress in seed germi-
nation and its control is reviewed, mainly including the important physiological events during germination, the protein synthesis,
posttranslational modification and proteome associated with seed germination, and regulation of phytohormone on seed germina-
tion. Furthermore, we have also proposed an energy stimulating hypothesis for seed germination, which provides a new idea for
decreasing the pre-harvest sprouting occurred in seed and foodstuff production of cereal crops and answering two fundamental
questions in botany, agronomy, and horticulture: how does the embryo emerge from its surrounding structures to complete germi-
nation and how is embryo emergence blocked so that seeds can be maintained in the dormant state?
Keywords: Main events of germination; Phytohormone; protein synthesis and posttranslational modification; Proteome; Regula-
tion of germination; Seed germination
大多数有花植物通过有性生殖和产生种子繁衍
后代, 种子活力的保持和成功萌发成苗决定着植物
种群的繁衍和生存 [1], 也决定植物进入自然和农业
生态系统的时间, 直接影响作物的产量[2]。因此, 种
子萌发具有重要的经济和生态意义。由于种子萌发
容易受到机械伤害、病害和环境胁迫的影响, 种子
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萌发也被认为是植物生活周期中最重要和最脆弱的
阶段 [1]; 对于一年生和二年生植物 , 种子的成功萌
发则更为重要。
种子萌发起始于水分吸收(吸胀), 结束于胚轴的
伸出, 通常是胚根突破周围结构[3]。胚轴突破周围结构
也被称为“可见萌发”, 此时, 种子已经完成萌发。萌发
(germination)的术语通常被用来表示它的完成, 例如,
“50%的萌发”表示一个种子批中 50%的种子已经萌
发。狭义的萌发(sensu stricto germination)不包括幼苗
生长, “萌发的幼苗(germinating seedling)” 的术语具有
明显的错误[3]。萌发有时也被种子检验员称为从土壤
中出苗, 因为他们的兴趣在于检测幼苗的建成。一个
更为准确的术语是“出苗(seedling emergence”或者是
“成苗(seedling establishment)”。在新生幼苗中发生的
事件, 例如主要贮藏物的动员, 也不属于萌发的内容,
它们是萌发后的事件。Bewley 等[3]注意到有大量关于
种子生理、细胞学和分子生物学的文献, 是利用已萌
发的种子(或者幼苗)作材料来研究种子萌发的机制,
错误地描述种子萌发的结论; 因此, 从这些文献中获
取信息时必须小心。
在许多栽培作物特别是一些重要的禾谷类作物,
例如水稻、小麦和玉米中 , 由于长期的栽培选择 ,
即种子迅速和整齐的萌发, 使其种子在成熟后期遇
到连续阴雨时会产生收获前萌发 , 也称穗萌(pre-
harvesting sprouting)[4-5]。穗萌是种子在植株上的一种
特殊萌发, 在禾谷类作物种子和粮食生产中已经造
成巨大的经济损失[4], 是目前全球关注的重要问题。
Rajjou等[1]提示, 从 1900年以来, 发表了 25 000多
篇关于种子萌发的文献。这些文献充分表明了种子
萌发在农业、林业和园艺生产中的重要性以及在不
同物种中的复杂性。Nonogaki等[6]认为, 尽管获得了
种子萌发过程中一些基因表达的信息, 但由于种子
萌发事件的复杂性以及不同植物种子的遗传多样性,
完成种子萌发的关键事件仍未确定。本文综述了近
年来种子萌发及其调控的研究进展, 主要包括种子
萌发过程中的重要生理变化, 与种子萌发有关的蛋
白质合成、翻译后修饰和蛋白质组, 以及种子萌发
的激素调节, 试图为解释种子萌发的机制, 促进引
种时种子能迅速而整齐地萌发并减轻或防止收获前
穗萌提供新的研究思想。
1 种子萌发过程中的重要生理变化
当具有生活力的干燥种子吸收水分时, 一系列
的事件被启动, 最终引起胚通常是胚根的伸出, 表
明种子已成功地完成萌发。种子萌发过程中发生的
细胞变化是复杂的, 当吸胀时, 代谢活性迅速增加,
由成熟干燥和干燥种子时氧化所引起的结构伤害被
恢复, 基本的细胞活性被重新激活, 胚为出苗和随
后的早期幼苗生长作好准备(图 1)[3]。
1.1 吸胀作用
种子萌发通常被描述为一个由 3 个阶段所组成
的过程, 随着水分吸收开始(阶段 I, 吸胀作用), 重
新开启代谢过程(阶段 II), 胚根突破周围结构完成萌
发(阶段 III) (图 1) [3]。干燥种子具有非常低的水势[7],
能使水分迅速地进入。由于这个过程被衬质势
(matrix potential)所驱动, 吸胀作用也在死种子中发
生[8]。水分吸收的动力学受种子结构的影响, 水分不
可能均等地进入种子的所有部位[9]。最初, 吸胀作用
引起衬质例如细胞壁和细胞内的贮藏多聚物的水
合。水分吸收随着时间的延长而增加是种子内水合
细胞数量的增加, 而不是所有细胞水合作用一致增
加的结果。利用质子核磁共振微成像(proton nuclear
resonance micro-imaging)技术能够检测到吸胀过程
中的水合模式。在烟草种子中, 水分首先到达珠孔
端胚乳和胚根的顶部[10], 使该区域的代谢作用迅速
恢复。许多其他的植物种子包括小麦种子也是通过
珠孔发生类似的水分吸收模式 [11]; 但也有例外, 例
如西部白松, 种子合点端的子叶是最先水合的部位[12]。
在吸胀过程中, 种子迅速膨胀, 其大小和形状也发
生变化。Robert等[13]发现, 乙烯突变体的种子形状和
吸胀行为不同于野生型种子。吸胀种子的大小和形
状变化差异可用于大规模的突变体筛选, 计算方法
促进了图像时间序列(image time series)的高通量分
析[14]。
种子的最初吸胀作用常常伴随着细胞溶质的大
量渗漏。渗漏是由快速和/或者不均匀的重新水合作
用所引起的膜和细胞分室作用被伤害的结果。在种
子成熟干燥和随后的贮藏过程中, 细胞膜的结构被
维持在凝胶相 ; 当重新水合时 , 转变成为液晶相 ;
在相变过程中, 一些膜被伤害, 导致溶质从细胞内
渗漏[3]。渗漏也能降低种子内抑制物的浓度, 从而促
进种子萌发[3]。
1.2 呼吸作用与能量产生
在种子吸胀开始后的几分钟, O2 的吸收和 CO2
的释放迅速增加[2-3]。成熟的干燥种子含有内膜分化
不完全的线粒体以及呼吸作用必需的功能酶例如三
羧酸循环的酶和末端氧化酶, 在吸胀开始后的几小
时能通过氧化磷酸化提供足够的 ATP [6]。在干燥种
第 7期 徐恒恒等: 种子萌发及其调控的研究进展 1143



图 1 水分吸收的时间进程以及一些重要的与萌发和早期幼苗生长有关的变化。
Fig. 1 Time course of water uptake and some important changes associated with germination and early seedling growth
阶段 I的吸胀作用主要是一种物理过程; 生理活性可能发生在细胞变为水合后的几分钟内, 所有的种子组织均处充分吸胀之前。在阶
段 II, 种子的含水量比较恒定, 代谢活性随着大量的新基因的转录增加。在阶段 II的后期, 胚根突破周围结构标记着萌发的完成。在
阶段 III, 当幼苗建成和主要的贮藏物被利用时, 进一步吸收水分。图中的曲线是一条模式化的水分吸收的时间进程。完成这些事件所
需要的时间随着物种和种子所受到的萌发条件而改变。根据 Weitbrecht等[2]、Bewley等[3]和 Nonogaki等[6]重绘。
Imbibition in phase I is primarily a physical process; physiological activities may commence within minutes of a cell becoming hydrated, well
before all seed tissues become fully imbibed. During phase II, seed water content is fairly constant and metabolic activities increase with
substantial transcription of new genes. Radicle emergence through the surrounding structures at the end of this phase II marks the completion
of germination. In phase III, there is further uptake of water as the young seedling becomes established, utilizing the major stored reserves.
The curve is a stylized time course for water uptake. The time taken for these events to be completed varies among species and the germina-
tion conditions to which the seed is subjected. Redrawn after Weitbrecht et al.[2], Bewley et al.[3], and Nonogaki et al.[6]

子中, 这些酶可能被线粒体专一的胚胎发生晚期丰富
(late embryogenesis abundant, LEA)蛋白保护[15-16]。在
吸胀完成后(时期 II), 当线粒体经过修复和复制时,
线粒体的呼吸作用增加。在种子中线粒体有两种不
同的发育模式。在贮藏淀粉为主的种子例如豌豆、
绿豆和豇豆中, 以预存的线粒体被修复和重新活化
为主; 而在贮藏油为主的种子例如花生、蓖麻和南
瓜中, 新线粒体的生物发生是主要的[6]。
糖酵解和戊糖磷酸途径也在吸胀的种子中具有
活性。在吸胀过程中或者吸胀后, 许多种子经历短
暂的厌氧条件, 导致乙醇的产生。当线粒体 ATP 的
产生受到低氧限制时(常常是由于胚周围结构的限
制), 糖酵解途径占优势; 相反, 当线粒体变得活跃
时, 戊糖磷酸途径占优势[6]。最近, 我们发现杨树种
子在吸胀过程中的呼吸速率迅速增加, 吸胀 0.5 h时
的种子呼吸速率是干燥种子的 5 倍; 细胞色素 c 氧
化酶途径抑制剂 KCN, 交替氧化酶途径抑制剂水杨
基羟肟酸(salicylhydroxamic acid)和解偶联剂 2,4-二
硝基酚(2,4-dinitrophenol)显著地抑制杨树种子的萌发
(宋松泉等, 未发表数据), 表明呼吸作用(能量产生)在
种子萌发中起重要作用, 但作用方式还不清楚。
1.3 DNA和蛋白质的修复
基因组DNA的损伤包括在延长干藏过程中端粒
顺序的逐渐丧失[17], 链断裂, 以及由温度、水分、氧
气和活性氧(reactive oxygen species, ROS)积累所引
起的其他类型的DNA损伤[18]。染色体损伤的积累和
/或者这种伤害在种子吸胀过程中不能被修复似乎
是种子贮藏过程中生活力丧失的重要因素。玉米种
子成熟过程中的脱水和吸胀过程中的重新水合导致
大量的单链DNA断裂, 其中大部分伤害可能归因于
吸胀伤害。这包括萌发早期DNA中缺嘌呤/缺嘧啶位
点(apurinic/apyrimidinic site)的产生和修复。DNA损
伤明显地是种子萌发过程中的一种主要障碍, 能被
DNA连接酶(DNA ligase)修复。当拟南芥种子吸胀时,
DNA连接酶的表达被迅速活化; 在核DNA复制或者
细胞分裂缺乏时 , 观察到高水平的DNA重新合成 ,
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表明在DNA修复中的作用[2]。在拟南芥中, 植物专一
的DNA连接酶VI的失活使种子萌发延迟 [19]。atlig6
突变体对种子老化也表现出过敏性反应 , 表明
AtLIG6是拟南芥种子质量和寿命的主要决定子[19]。
在苜蓿种子萌发的早期阶段, 与氧化损伤的DNA修
复有关的酶[例如, 甲酰嘧啶-DNA糖基化酶(forma-
midopyrimidine-DNA glycosylase)和8-氧鸟嘌呤DNA
糖基化酶 /裂解酶 (8-oxoguanine DNA glycosylase/
lyase)]被上调也支持DNA的修复是种子萌发所需要
的 [20]。烟碱是多聚腺苷二磷酸 -核糖聚合酶 [poly
(ADP-ribose) polymerase, PARP; 与DNA的修复有关]
的抑制剂, 在种子萌发过程中这个化合物必须被降
解。在拟南芥成熟种子中, 编码烟酰胺酶(nicotina-
midase)的基因NIC2被高水平地表达[21]。敲除突变体
nic2-1的种子表现出烟酰胺酶活性降低和延迟萌发,
说明烟酰胺被NIC2正常地代谢 , 从而释放对PARP
活性的抑制, 允许DNA修复发生[21]。
在种子干燥和/或者贮藏过程中, 由于异常氨基
酸的形成也发生蛋白质的伤害; 这样可能导致蛋白
质的错误折叠, 引起蛋白质功能的下降或者丧失。
PIMT通过催化异常的L-异天冬氨酰残基转换成为
正常的L-天冬氨酰在种子伤害蛋白的修复中起重要
作用[22-23]。在诱变处理的拟南芥种子中, PIMT1(编码
PIMT的一个基因)的过表达减少蛋白质中异常氨基
酸残基的积累, 引起种子活力和寿命的增加; 相反,
PIMT1的降低表达增加新鲜收获的成熟干燥种子中
蛋白质L-异天冬氨酰残基的积累, 导致胁迫条件下
种子活力的下降, 以及对老化处理的过敏性反应[23]。
PIMT2主要定位于内膜系统, 例如线粒体、叶绿体和
细胞质, 提出PIMT2在一些亚细胞中参与蛋白质的
修复[22]。
2 蛋白质合成和翻译后修饰对种子萌发的
控制
2.1 贮存 mRNA的作用
在干燥的拟南芥和大麦种子中存在多于 12 000
种mRNA[24-25], 在干燥的水稻种子中含有超过 17 000
种 mRNA[26]。这些 mRNA被称为贮存的或者残留的
信息 , 来源于种子发育 , 并在细胞脱水中存留 ; 但
是, 这些信息在干燥种子中的定位是不清楚的, 它
们可能被束缚在细胞质内的信使核蛋白复合物
(messenger ribonucleoprotein complexes)中[6]。在干燥
种子中, 例如小麦胚含有蛋白质重新合成所需要的
全部组分[3]。在重新水合的几分钟内, 能利用存留的
mRNA, 核糖体被转变成为多聚核糖体蛋白合成复
合物(polysomal protein-synthesizing complexes)[3]。转
录和翻译抑制剂的实验支持拟南芥种子萌发过程中
贮藏 mRNA 的参与。RNA 聚合酶 II 的抑制剂 α-鹅
膏蕈碱(α-amanitin)不抑制种子萌发, 而蛋白质合成
抑制剂环己酰亚胺(cycloheximide)明显地阻止胚根
的伸出[27-28] (宋松泉等, 数据待发表)。值得注意的是,
利用存留的 mRNA的重新蛋白合成足够允许种子完
成萌发, 但是在吸胀早期哪些存留的 mRNA 是萌发
完成所必需的仍然不清楚。
2.2 种子萌发过程中的蛋白质组分析
He 等[29]利用蛋白质组技术构建了萌发水稻种
子的代谢和调节途径。拟南芥[30-32]、水稻[33-34]、玉
米[35]、豌豆[36]、番茄[37]、蓖麻[38]、麻疯树[39]和海枣[40]
种子萌发过程中的差异蛋白质组分析表明, 有许多
蛋白被差异积累。这些蛋白主要涉及代谢作用(包
括氨基酸、脂类、氮和硫、糖、辅因子和次生代谢),
能量产生(糖酵解、戊糖磷酸途径、三羧酸循环和
呼吸作用), 转录 , 蛋白质合成与目标(包括蛋白质
合成、折叠和水解), 细胞生长与结构(细胞骨架、
生长调节), 细胞防御与救援(防御相关蛋白、去毒
和胁迫反应)以及贮藏蛋白(图2)。应该注意的是, 由
于不同物种的干燥种子中所含的 mRNA 的种类与
丰度不同, 上述蛋白质组研究中所涉及的种子萌发
条件不一致, 并且蛋白质组分析所鉴定的蛋白数量
有限, 要比较上述物种萌发过程中同一蛋白的积累
模式是困难的。
根据差异积累的蛋白质组研究, 发现与甲硫氨
酸(Met)代谢有关的一些蛋白例如 S-腺苷甲硫氨酸
(S-adenosylmethionine, AdoMet)合成酶[29-31,36,41-42]、
Met 合酶[36]、不依赖钴胺素的 Met 合酶(cobalamin-
independent Met synthase)[31]、以及半胱氨酸合酶[36,41-42]
在种子萌发过程中增加积累; 这些结果与 Rajjou等[1]
的观点一致, 他们认为 Met 代谢在种子萌发中起重
要作用。在由植物合成的必需氨基酸中, Met是一种
重要的代谢物 , 因为它不仅是蛋白质合成的底物 ,
而且是 AdoMet (一种普遍的甲基供体)、多胺、植物
激素乙烯和维生素生物素的前体[43-44]。已经提出, 在
所有的生物中, Met 代谢是一种看家机制(housekeeping
mechanism)[1]。
在拟南芥[31]、水稻[28-29,33,41-42]、玉米[45]、豌豆[36]、
麻疯树[39]、海枣[40]和蓖麻[38]种子萌发过程中, 增加
积累一些与糖酵解、三羧酸循环、戊糖磷酸途径和
第 7期 徐恒恒等: 种子萌发及其调控的研究进展 1145



图 2 萌发的豌豆种子胚轴中已鉴定的差异积累蛋白
Fig. 2 Differentially-accumulated proteins identified in embryonic axis of germinating pea seeds
A: 鉴定的差异积累的蛋白图谱。B: 141个鉴定蛋白的功能分类与分布; 这些蛋白点仅仅含有一个蛋白, 括号中的数字表示每种蛋白
类型的数量。引自 Wang等[36]。
A: gel map of identified differentially-accumulated proteins. B: functional classification and distribution of the 141 identified proteins with
only one protein match. The number of protein spots is shown in brackets for each category. From Wang et al.[36]

能量产生有关的蛋白, 为种子萌发提供能量和碳骨
架。在 25℃ (萌发)、43℃ (不萌发)、(43+25)℃ (恢
复萌发)和 ABA (不萌发)中萌发的水稻种子的蛋白
质组分析表明, 增加积累蛋白 OsJ_19262 (6-磷酸果
糖激酶 3)和甘油醛-3-磷酸脱氢酶(刘树君等, 未发
表数据)。这些结果表明能量供应是种子完成萌发所
必需的, 但不是足够的。
与蛋白合成相关的蛋白例如多聚腺苷酸-结合
蛋白、真核翻译起始因子 5A-3和因子 3亚基 I、50S
核糖体蛋白 L1 [36], 叶绿体翻译延长因子 EF-Tu [30-31]
和线粒体延长因子 Tu [28]; 在蛋白折叠中涉及的蛋
白 dnak-类型的分子伴侣热休克蛋白(HSP) 70[33], 线
粒体HSP 60[31]和新生多肽复合物结构域蛋白[46]; 与
蛋白水解有关的蛋白包括 20S蛋白酶体 α-亚基[46]、
α-类型 5、α-类型 6[42]和 α-类型 7[36], 26S蛋白酶体调
节亚基 4同源物和 6A同源物[41-42]等在种子萌发过程
中增加积累。
信号转导相关蛋白 , 14-3-3蛋白和14-3-3家族
蛋白 [39], 类14-3-3蛋白 [29], 核苷二磷酸激酶和激
酶I [33,41-42], 蛋白激酶APK18和假定的蛋白激酶[35,45],
依赖-Ca2+蛋白激酶、腺苷酸激酶和假定的丝氨酸 /
苏氨酸蛋白激酶[42]也在种子萌发过程中增加积累。
尽管这些蛋白在种子萌发过程中被增加积累, 但它
们在种子萌发完成中的作用仍然不清楚。
液泡ATPase β-亚基、依赖电压的阴离子通道[28,41-42]
和P-类型H+-ATPase[39]在种子萌发过程中增加积累,
这些蛋白与运输有关 , 可能通过改变细胞的水势 ,
从而促进细胞伸长。与细胞生长和结构有关的蛋白,
例如肌动蛋白1和7[28,30-31,42], 肌动蛋白解聚因子 [52]
和类肌动蛋白解聚因子蛋白[36], α-2,4、α-3,5和β-2微
管蛋白[30-31,46], 微管蛋白α-1链和β-1链[28], 以及β-伸
展蛋白(β-expansin)[41-42]在种子萌发过程中增加积累,
表明这些蛋白与种子的萌发直接相关。拟南芥野生
型种子中的α-2,4微管蛋白的丰度较低, 随着种子萌
发其丰度明显增加; 多效唑(paclobutrazol)抑制种子
萌发, 多效唑处理的种子中α-2,4微管蛋白的丰度类
似于干燥种子。拟南芥GA缺陷型突变体种子(ga1
mutant seed)中的α-2,4微管蛋白的丰度类似于野生
型干燥种子 , 但不能萌发 ; 当在萌发介质中添加
GA4+7时, 种子的萌发率达100%, α-2,4微管蛋白的丰
度显著增加, 远远高于完全萌发的野生型种子[31]。
水引发(hydropriming)和渗透引发(osmopriming)促进
拟南芥种子的萌发速率和β-2微管蛋白的增加积累[30]。
乙烯生物合成的关键酶1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶
(1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase, ACO)在
种子萌发过程中也增加积累 [36,39], 已经证明乙烯能
促进种子萌发和拮抗ABA的作用[47]。
已经提出萌发过程本身就是一种“胁迫”, 细胞
防御与救援蛋白的积累可能是种子萌发过程中活化
的自我防御机制的一部分[42], 在种子萌发中起间接
的(保护)作用。此外, 在种子萌发过程中, 增加积累
一些贮藏蛋白; 根据这些蛋白的实验分子量小于理
论分子量, 推测它们可能是贮藏蛋白的降解产物。
应该注意的是, 在种子萌发过程中, 还有不同类型
的蛋白下调, 其中一部分蛋白可能与种子萌发有关,
这里因篇幅的限制, 就不讨论了。
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2.3 翻译后修饰对种子萌发的控制
在干燥种子和萌发的种子中, 有许多蛋白受到
翻译后修饰 [45,48], 这些修饰通过影响蛋白质的功能
包括定位、复合物的形成、稳定性和活性等调节种
子的萌发。
2.3.1 氧化还原信号 萌发伴随着种子中蛋白质
氧化还原状态的广泛变化。在禾谷类作物中, 干燥
种子的淀粉胚乳和胚中的蛋白质主要以氧化状态
(S-S)存在, 在吸胀后被转化成为还原或者巯基(-SH)
状态[49]。硫氧还蛋白(thioredoxin, Trx)是一种调节二
硫键的蛋白 , 在氧化–还原作用的转换中起重要作
用。当烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)存在、
Trx被酶促还原时, Trx作为一种萌发早期的信号起
作用, 通过(a)还原贮藏蛋白, 增加它们的可溶性和
对蛋白水解的敏感性; (b)减少和失活抑制专一淀粉
酶和蛋白酶的二硫健蛋白, 促进贮藏淀粉和蛋白的
降解; 以及(c)还原性地活化在种子萌发中具有功能
的酶[49], 促进贮藏物的动员。在模式豆科植物苜蓿
种子的萌发过程中已经观察到类似的结果, 表明Trx
像在单子叶植物中所描述的那样在双子叶植物种子
萌发过程中起作用[50]。这些研究提出在成熟干燥种
子中蛋白质组的氧化形式引起代谢的静止; 而种子
萌发过程中在Trx存在时通过蛋白质二硫键的还原,
这些氧化形式的蛋白质被还原[49]。
另一种蛋白质的氧化修饰产生于ROS引起的蛋
白质羰基化作用(protein carbonylation)。在拟南芥种
子的吸胀过程中, 不同的羰基化蛋白积累[32]。这个
过程的靶子是专一的代谢酶、翻译因子和一些分子
伴侣。尽管在各种模式系统中常常认为羰基化蛋白
的积累是在老化的背景下产生; 显然在种子中不是
这样, 因为含有大量羰基化蛋白的拟南芥种子能够
迅速地萌发和产生有活力的幼苗。似乎观察到的蛋
白质羰基化模式的专一变化对于抵消和 /或者利用
由萌发种子代谢活性恢复所产生的ROS是需要的[51]。
观察到的高丰度种子贮藏蛋白的羰基化作用可能反
映了它们在清除种子萌发过程中产生的活性氧的作
用[32]。此外, 已经提出这种羰基化作用可能通过降
低蛋白结构的稳定性和促进蛋白水解来增加幼苗建
成过程中种子贮藏蛋白的动员[32]。
2.3.2 磷酸化/去磷酸化 在细胞信号中磷酸化
和去磷酸化代表一种普遍的调节机制。已经证明一
组蛋白磷酸酶和蛋白激酶通过 ABA 信号的调节控
制种子萌发[26,52]。同样, 在 DNA修复[45]和蛋白质翻
译[53]中涉及的酶的磷酸化对于种子萌发的分子控制
也是非常重要的。
2.3.3 一氧化氮(NO)介导的翻译后修饰 NO 是
生物系统中的一种主要的和多功能的中介物。然而,
尽管已经证明 NO 调节种子的代谢活性, 但它在种
子萌发控制中的作用方式仍然不清楚。已经报道 ,
NO能与金属蛋白的过渡金属结合(金属的亚硝基化)
或者引起半胱氨酸的 S-亚硝基化作用(S-nitrosylation)
或者酪氨酸的硝化作用(tyrosine nitration)[48,54]。在吸胀
1 h的拟南芥种子中, 已观察到 NO的短暂爆发[55]。
此外, 在吸胀 24 h的高粱胚轴中已观察到一些硝化
蛋白增加[56]。蛋白硝化作用(protein nitration)是一种
硝化应激(nitrosative stress)的生物学标记, 可能参与
植物中蛋白质的转换或者信号转导[57-58]。有趣的是,
钼辅因子硫化酶 (molybdenum cofactor sulfurase,
ABA3, ABA 合成的最后步骤涉及的一种酶)的酪氨
酸硝化作用已经在拟南芥中报道[59]。在种子吸胀过
程中, 由这种机制引起的 ABA合成的失活可能有助
于种子的萌发。此外, 增加的证据表明蛋白质的 S-
亚硝基化作用可能调节种子萌发过程中的代谢和能
量过程[48]。
除了上述翻译后修饰外, 已经证明蛋白质生物
素化(biotinylation)、糖基化(glycosylation)、泛素化
(ubitinylation)、法尼基化 (farnesylation)和乙酰化
(acetylation)也对种子萌发起调节作用[48]。
3 植物激素对种子萌发的调节
3.1 脱落酸
脱落酸是种子休眠的正调节剂, 是萌发的负调
节剂, 在种子休眠和萌发中起主要作用[47,60-61]。许多
ABA缺陷型的物种表现出萌发能力增加, 有时产生
胎萌的种子; 而过量积累ABA的突变体和转基因系
表现出加强休眠[62-63]。这些基因型已经证明了ABA
在种子发育过程中的主要功能是抑制提前萌发和诱
导初生休眠。同样, 利用ABA生物合成抑制剂的实
验表明, 在吸胀种子中ABA的重新合成对于种子休
眠的维持是必需的[64]。
细胞内的ABA含量被生物合成和降解代谢之间
的平衡所调节[65]。9-顺式-环氧类胡萝卜素二加氧酶
(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenases, NCED)催化9-
顺式-环氧类胡萝卜素、9-顺式-新黄质和9’-顺式堇菜
黄质的裂解, 这是ABA生物合成的主要调节步骤。
玉米黄质环氧酶(zeaxanthin epoxidase, ZEP), 一种
第 7期 徐恒恒等: 种子萌发及其调控的研究进展 1147


叶黄素环化酶, 也被认为在ABA生物合成过程中具
有调节功能。ABA被羟基化作用或者与糖结合失去
活性。P450单加氧酶的CYP707A家族成员编码ABA
8’-羟化酶(8’-hydroxylase), 这是ABA 8’-羟化作用途径
中的关键步骤, 在ABA含量的控制中起调节作用[47,60]。
到目前为止研究过的所有物种都以多基因家族的形
式编码NCED和CYP707A, 这些成员的不同结合有
助于组织和环境的专一调节。
在发育过程中积累和在干燥种子中存在的ABA
随着种子吸胀下降。这种下降在休眠(Cvi)和非休眠
(Col)的拟南芥种子中发生 , 主要取决于CYP707A2
的活性 [62,64,66-68]。在 Col和 Cvi拟南芥种子中 ,
CYP707A2基因在吸胀开始后2~3 h被诱导[68], 导致
ABA含量的迅速下降 , 暗示与CYP707A2蛋白的重
新合成关系密切[67]。这种早期诱导被几种因子, 例
如硝酸盐[69]、NO[67]和后熟[81]所调节。休眠的Cvi种
子和热抑制的Col种子在吸胀初期表现出ABA含量
下降, 然后增加[64,70]。因此, ABA含量的降低可能是
种子萌发的一个前提条件。
拟南芥分子遗传学的最近进展揭示了核心的
ABA信号途径。蛋白磷酸酶 2C (protein phosphatase
2C, PP2C)基因家族的成员 , 包括 ABA 不敏感 I
(ABA-INSENSITIVE1, ABI1)和 ABI2是中心调控因子
(图 3-A), 这些基因功能的缺失突变引起 ABA 的过
敏性反应, 暗示它们是 ABA信号的负调控因子[71]。
隐性 PP2C突变体的比较分析表明, AtPP2CA/AHG3
是吸胀种子中的重要执行者[72]。蔗糖非发酵-1 (sucrose
non-fermenting-1, SNF1)相关的蛋白激酶亚家族 2
(SNF1-related protein kinase subfamily 2, SnRK2)的
成员是一种 ABA 信号的关键正调控因子, snrk2.2
snrk2.3 snrk2.6 三突变体在萌发过程中以及在高湿
度下的胎萌中表现出一种强烈的 ABA不敏感性[73-74]。
SnRK2 能活化 ABA 反应元件(ABA-responsive ele-
ment, ABRE)结合的碱性亮氨酸拉链(basic leucine
zipper, bZIP)转录因子, 包括 ABI5 [74]。当 SnRK2从
PP2C的抑制中去抑制时, 成为活性形式[75-76]。ABA
的受体蛋白有 5种不同的形式[77-80]。在这些受体中,
起始蛋白(START protein)的 PYR1/PYL/RCAR 家族
以依赖于 ABA的方式通过调节 PP2C的活性在种子
ABA 响应中起控制作用[78,80]。在拟南芥基因组中,
家族的 14个成员(PYR1, PYL1-13)被编码, pyr1 prl1 prl2
prl4四重突变体表现出强烈的 ABA不敏感萌发[80]。
在种子中, 转录作用是ABA响应中的重要步骤
(图3-B)。遗传分析表明ABI3 (B3类型)、ABI4 (AP2
类型)和ABI5 (bZIP类型)是授予种子ABA响应的关
键转录因子[81]。在植物界, 这些转录因子是保守的,
拟南芥中相应的直系同源基因也存在于单子叶植物
中。ABI5/TRAB1专一地与典型的ABRE结合, 这是
触发ABA介导的转录作用的顺式元件。在吸胀的拟
南芥种子中, ABI5蛋白被ABA调节, 是一种对ABA
响应的指示物[82]。ABI3/VP1与RY/Sph (一个种子专
一的启动子)重复结合, 而ABI4/ZmABI4与耦合元件
1 (coupling element 1, CE1) 结合, 这些因子与ABRE
一道起作用以触发ABA介导的转录作用[60]。
3.2 赤霉素
在种子萌发过程中, GA能促进种子萌发和拮抗
ABA的抑制作用[47]。具有生物活性的 GA4存在于干
燥种子和后熟种子中, 在种子萌发后期 GA4 含量进
一步增加[83]。GA20 氧化酶(GA20ox)和 GA3 氧化酶
(GA3ox)是 GA生物合成的关键调节酶, 而 GA2氧化
酶催化 GA 的降解[84]。Ogawa 等[83]证明, 在种子萌
发过程中, GA的生物合成定位于胚根、下胚轴和珠
孔端胚乳。单子叶和双子叶植物的 GA 生物合成酶
突变体是对 GA 敏感的, 表现出生长和发育的缺陷,
这些缺陷能被外源 GA 恢复。水稻和大麦的 GA 敏
感突变体表现出矮小、不育以及种子萌发过程中不
能通过 α-淀粉酶的诱导动员贮藏物[85]。编码 GA 降
解代谢酶 GA2ox 的基因的过量表达增加 GA 的转变,
导致减少小麦种子的萌发和 α-淀粉酶的诱导[86]。
GA信号由一种可溶性受体蛋白GA不敏感的矮
秆蛋白1 (GA-INSENSITIVE DWARF1, GID1)感受。
感受GA的机制是保守的, 在拟南芥和水稻中是一致
的[84]。通过图位克隆(map-based cloning)技术, 已经
在水稻GA不敏感的突变体中鉴定了GID1基因 [87],
在大麦中鉴定了GID1的同系物GSE1[88], 以及在拟
南芥中鉴定了同系物GID1a、GID1b和GID1c[89-90]。
GA受体的突变产生类似于严重的GA生物合成突变
的表型, 但这些表型不能被外源GA恢复。GID1蛋白
主要定位于细胞核, 但也有定位细胞质的报道[90]。
DELLA基因被定义为GA信号的阻遏物 , 因为
DELLA基因的功能获得突变(gain-of-function muta-
tion)引起减少的GA信号(例如矮小), 而功能丧失突
变(loss of function mutation)导致增加的GA信号(例
如苗高或者细长的表型)。GID1通过直接的蛋白质-
蛋白质相互作用增加DELLA的阻遏反应。所有的
DELLA阻遏物含有一个保守的氨基酸顺序的N-末
端DELLA调节区域(Asp-Glu-Leu-Leu-Ala)和一个C-
末端GRAS (例如GAI、RGA和SCARECROW)功能区
1148 作 物 学 报 第 40卷



图 3 ABA信号途径
Fig. 3 The pathway for ABA signalling
A: 由 PYR/PYL/RCAR蛋白家族介导的 ABA信号途径。左边, 没有 ABA: SnRK2激酶被蛋白磷酸酶 2C (PP2C)失活, 因此, 包括 ABI5
的下游靶子被失活。右边, ABA的结合改变了 PYR/PYL/RCAR的构型, 抑制了 PP2C 的活性。去阻遏的 SnRK2激酶活化下游的靶子。
B: 种子中 ABA介导的转录作用的组分。ABI5是 bZIP转录因子的一个成员, 能与含有 ABA反应元件(ABRE)的 ACGT核心结合。
ABI3和 ABI4分别与 RY/Sph元件和偶联元件 1 (CE1)结合。RY/Sph和 CE1是协同促进 ABRE介导的转录的顺式元件。ABI3和 ABI5
相互作用, 但 ABI4和 ABI5不相互作用。引自 Nambara等[60]。
A: The pathway for ABA signalling mediated by the PYR/PYL/RCAR family of proteins. Left, no ABA: SnRK2 kinase is inactivated by
protein phosphatase 2C (PP2C), and thus the downstream targets, including ABI5, are inactive. Right, ABA-binding alters the conformation
of PYR/PYL/RCAR and inhibits the activity of PP2C. De-repressed SnRK2 kinase activates the downstream targets. B: The components of
ABA-mediated transcription in seeds. ABI5 is a member of the bZIP transcription factors that bind to the ACGT-core containing the ABA
responsive element (ABRE). ABI3 and ABI4 bind to the RY/Sph element and coupling element 1 (CE1), respectively. RY/Sph and CE1 are
cis elements that synergistically enhance ABRE-mediated transcription. ABI3 and ABI5 interact with each other, but ABI4 and ABI5 do not.
From Nambara et al.[60]

域[84]。大麦的DELLA基因被称为SLENDER1 (SLN1),
水稻的DELLA基因被称为SLENDER RICE1 (SLR1)。
拟南芥具有5个DELLA基因 , 其中REPRESSOR OF
GA1-3 (RGA)、GA-INSENSITIVE (GAI)和RGA-LIKE
(RGL1)的突变能够救援(rescue)植株的高度, RGA、
RGL2和RGL1的突变能够救援开花, 而RGL2、RGA、
GAI和RGL3的突变能够救援种子的萌发 ; DELLA
RGL2显著地影响种子萌发, 而DELLA RGA显著地
影响植株高度[84]。
GA能通过泛素 -蛋白酶体途径 (ubiquitin-
proteasome pathway)目标水解DELLA蛋白, 从而降
低DELLA对GA反应的阻遏作用(图4-A)。最初, 这个
模型的根据是GA缺乏所引起的矮小表型能被外源
GA处理救援, 这种救援与DELLA蛋白的消失有关[91]。
SLY1/GID2是 催 化 DELLA蛋 白 多 聚 泛 素 化 的
SCF(SKP1、CULLIN和F-BOX) E3泛素连接酶的
F-box亚基[92-93]。SCF复合物的F-box亚基通过一个C-
末端的蛋白质-蛋白质相互作用区域授予底物特异
性, 以及通过N-末端的F-box区域与SCF复合物的其
余部分相互作用[94]。用GA处理GA生物合成突变体
ga1-3, 种子在5 h内或者幼苗在10 min内, 通过泛素
化作用导致DELLA蛋白的破坏[95-96]; 这种破坏能够
被26S蛋白酶体的抑制剂阻断[97]。因此, GA促进的
DELLA蛋白的多聚泛素化作用通过26S蛋白酶体使
其成为靶子被降解。
GID1-GA-DELLA 复合物的形成触发 DELLA
和 F-box蛋白 SLY1/GID2之间的蛋白质-蛋白质相互
作用。酵母三-杂交分析(yeast three-hybrid analysis)
表明, GID1-GA-DELLA复合物的形成促进 GID2与
DELLA 的结合[98]。GA 促进 SLY1 与 GID1 的共免
疫沉淀(coimmunoprecipitation), 暗示 GID1-DELLA
复合物的形成也促进植物中 GID1-DELLA-SLY1 的
相互作用[92]。在GA生物合成突变体 gid1和 sly1/gid2
中 DELLA 蛋白的高水平积累表明 GA、GID1 受体
和 SCF复合物的组分对于 DELLA蛋白通过泛素-蛋
白酶体途径水解是需要的[97]。此外, 在无细胞系统
中, GA、GID1、SCFSLY1和泛素足够使拟南芥 DELLA
蛋白发生多聚泛素化作用。在拟南芥和水稻中有一
个 SLY1/GID2 的同系物称为 SNEEZY (SNE)或者
SLY2 [99]。SNE可能在 GA信号中起作用, 而 SLY1
是 DELLA 蛋白积累的主要调控因子, 已知在 sly1
sne双突变体中 SNE突变具有小的加性效应[92,100]。
第 7期 徐恒恒等: 种子萌发及其调控的研究进展 1149



图 4 依赖和不依赖蛋白水解的 GA信号模型
Fig. 4 Proteolysis-dependent and -independent GA signaling models
A: 标准的 GA信号模型, 依赖 GA的 GID1-DELLA复合物的形成通过 SCFSLY1 E3引起 DELLA的识别和泛素化。多聚泛素化通过 26S
蛋白酶体导致 DELLA的蛋白水解, 从而降低 DELLA对 GA反应的抑制作用。B: 当 DELLA不被水解、GID1-GA-DELLA复合物的
形成阻碍 DELLA抑制 GA反应时, sly1突变体中不依赖蛋白水解的 GA信号发生。C: EL1介导的 DELLA磷酸化激活 DELLA作为一
种 GA反应的抑制剂。引自 Hauvermale 等[84]。
A: The canonical GA signaling model illustrating GA-dependent GID1-DELLA complex formation resulting in DELLA recognition and
ubiquitylation by the SCFSLY1 E3. Polyubiquitylation leads to DELLA proteolysis by the 26S proteasome, thereby decreasing the DELLA
repression of GA responses. B: Proteolysis-independent GA signaling in sly1 mutants occurs when GID1-GA-DELLA complex formation
blocks DELLA repression of GA responses without DELLA destruction. C: EL1-mediated phosphorylation of DELLA activates DELLA as a
repressor of GA responses. From Hauvermale et al.[84]

如果所有GA信号通过DELLA蛋白水解发生 ,
那么, DELLA蛋白积累的水平应该总是与严格的GA
不敏感表型相关。在sly1和gid2 F-box突变体中的情
况并不是这样, 它积累多得多的DELLA蛋白, 但表
现出比GA生物合成或者GA受体无效的突变体要较
少严格的GA不敏感表型[90,101]。似乎DELLA能被一
种非蛋白水解机制失活 , 这样不是所有的在
sly1/gid2突变体中积累的DELLA蛋白在功能上作为
GA信号的阻遏物[95,101-102]。根据下面的证据提出了
GID1-GA-DELLA复合物的形成单独阻断DELLA抑
制的模型: (1) sly1/gid2表型被GID1基因的过量表达
救援, 而没有DELLA蛋白水平的降低; (2) sly1/gid2
中的GA信号需要GID1-GA-DELLA复合物形成所需
要的所有元件 , 包括GA激素的合成、GID1基因、
DELLA-GID1蛋白相互作用需要的DELLA区域。根
据这种情况 , 似乎在 sly1突变体中GID1通过与
DELLA蛋白结合而不是通过触发DELLA蛋白水解
引起GA信号(图4-B)。不像拟南芥GID1a和GID1c那
样, GID1b蛋白与GA的结合具有较高的亲和性, 在
GA缺乏时表现出能与DELLA相互作用。这就解释了
为什么GID1b的过量表达能更好地援救GA不敏感的
sly1突变体表型的原因 [102-103]。在GA缺乏时 , 这种
GA-不依赖的 GID1b-DELLA结合可能提供了一种
低水平的GA信号。拟南芥GID1b具有低的表达水平,
暗示GID1b积累的控制对于调节基本的GA反应可能
是必需的[90,104]。
已有的证据表明, DELLA的活性可能被磷酸化
和O-连接的N-乙酰葡糖胺 (O-linked N-acetylglu-
cosamine, O-GlcNAc)修饰影响。研究表明DELLA被
磷酸化, 但这种修饰在控制DELLA活性或者蛋白降
解中的精确作用是不清楚的。DELLA的磷酸化最初
在水稻和拟南芥中观察到 [94,105]。最近的证据表明,
由水稻EARLY FLOWERING1 (EL1)编码的丝氨酸/苏
氨酸蛋白酪蛋白激酶I (Ser/Thr protein casein kinase
I) 通 过 直 接 的 蛋 白 磷 酸 化 作 用 调 节 DELLA
SLR1[106]。EL1作为GA信号的负调节因子和DELLA
的正调节因子起作用 , 因为丧失EL1功能导致与早
期开花有关的GA敏感性增加以及引起种子萌发过
程中α-淀粉酶的增加表达。El1表型与GA处理后
DELLA SLR1蛋白降解速率的轻微增加有关; 与磷
1150 作 物 学 报 第 40卷


酸酶抑制剂的实验一致, 磷酸化的DELLA更稳定。
两方面的证据建议, EL1通过磷酸化调节DELLA。首
先, EL1蛋白在体外磷酸化DELLA SLR1。其次, 在
DELLA SLR1 (S196A和S510A)中Ser到Ala的突变能
阻断EL1-依赖的磷酸化作用 , 防止基因表达的
DELLA活化。此外, Ser到Asp的突变(S196D和S510D)
导致DELLA活化的转录物增加积累。这就提出
DELLA可能通过这2个位点的磷酸化被调节 , 一个
位点在DELLA调节区域内, 另一个位点在GRAS功
能区域内[84]。
SPINDLY (SPY)编码一种O-GlcNAc转移酶, 在
拟南芥、水稻和小麦中负调节GA信号[107-109]。在拟
南芥中, spy抑制功能获得的DELLA突变rga-Δ17。这
种抑制与DELLA的消失无关 , 而与明显的DELLA
磷酸化有关 [110]。SPY RNA干扰也抑制水稻gid2
F-box突变体 , 而没有DELLA的蛋白水解 , 但引起
DELLA SLR1蛋白磷酸化的增加[108]。由于沉默SPY
也抑制水稻gid1和GA生物合成突变体 , 似乎在spy
中增加的GA信号既不需要DELLA的蛋白水解 , 也
不需要GID1-DELLA复合物的形成[84]。
3.3 乙烯
在高等植物中, 乙烯通过Yang-cycle从Met合成[111]。
乙烯生物合成的限速步骤分别由2个酶家族调节 ,
ACC合酶(ACC synthase, ACS)催化AdoMet转换成为
ACC; ACO催化ACC转变成为活性乙烯。ACO的积累
和乙烯释放的增加与一些物种的种子萌发相联系[112-113]。
已经证明ACO转录物的水平被乙烯本身和其他植物
激素调节 [114]。在豌豆种子萌发过程中 , 乙烯通过
Ps-ACO1转录物的正反馈调节促进乙烯的生物合成,
而Ps-ACS1 mRNA的水平和ACC的总含量不被乙烯
处理影响。乙烯对豌豆种子萌发的促进作用与β-1,3-
葡聚糖酶有关, 此酶在胚轴的胚根中被专一地诱导
表达 , 但不在子叶中被诱导表达 [115-116]。乙烯的生
物合成和响应性被定位在豌豆胚根的延长区和分
化区。用乙烯产生试剂乙烯利处理钻果大蒜芥种子
不显著地影响SoACS7 mRNA的水平和ACC的总含
量[117]。与这个结果一致, 由氨基乙氧基乙烯甘氨酸
(aminoethoxyvinylglycine, AVG)抑制ACS对种子萌
发没有明显的影响, 而Co2+抑制ACO减少钻果大蒜
芥的最大萌发百分数[117]。这些结果表明, SoACO2的
表达与钻果大蒜芥种子的萌发有关。
乙烯信号是通过它的受体发生的; 最初在拟南
芥中分离到的受体突变体是乙烯三重反应1 (ethyl-
ene triple response 1, etr1), 一种定位于内质网膜的
二聚体组氨酸激酶和乙烯信号的负调控因子[118]。在
拟南芥中, 已知有ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4
五种乙烯受体。当与乙烯结合时, 受体失活, 相继使
组成性三重反应 1 (constitutive triple response1,
CTR1)失活。CTR1是一种丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶,
作为一种乙烯信号的负调控因子起作用。失活的
CTR1引起连续的MAP-激酶级联 (MAP-kinase cas-
cade), 以及调节正调控因子EIN2和它定位在核中的
转录因子 , 例如EIN3、EIL1和EREBPs/ERFs, 从而
活化乙烯反应基因的转录[119]。已经证明, 在乙烯作
用抑制剂2,5-降冰片二烯 (2,5-norbornadiene, NBD)
的实验中, 已知的乙烯受体的信号对于许多物种的
种子萌发是重要的, 例如十字花科的拟南芥和家独
行菜、豆科的豌豆、茄科的烟草和许多其他物种[47,119]。
已经提出几种假说来解释乙烯在萌发种子中的作用
机制, 家独行菜种子珠孔端胚乳弱化的生化定量强
有力地表明乙烯信号和生物合成是这个过程所需要
的[119]。通过诱导引起细胞壁松弛或者细胞分离的细
胞壁重塑蛋白(cell wall remodeling proteins, CWRP)
和/或者ROS的表达, 表明乙烯促进珠孔端胚乳的弱
化[61,120]。已经提出, 在胚轴中乙烯通过促进径向细
胞膨胀或者通过降低种子的基础水势 (base water
potential)起作用[47,118]。
3.4 脱落酸、赤霉素和乙烯之间的相互作用
种子萌发的控制是一个非常复杂的过程, 它需
要不同激素之间的协同作用和相互作用[47]。已知种
子的休眠状态被ABA诱导和维持, 而被GA解除。在
更宽的植物休眠的视野中, 这种ABA-GA的拮抗作
用也是明显的, 它控制块茎和休眠芽的萌发[121-122]。
ABA和它相关的转录因子例如ABI3/VP1被描述为
古老的休眠调控因子, 因为在系统发生上它们是普
遍的 , 因此 , 在进化上它们是古老的 [61,123-124]。与
ABA相反, GA负调节休眠, 因为它解除种皮介导的
种子休眠和促进种子萌发[47,123]。ABA和GA代谢在
种子萌发过程中相互联系, 例如在aba2-2突变体中
GA的生物合成增加, ABA抑制种子萌发过程中GA
的生物合成[125]。此外, 与野生型比较, 在ga1突变体
中ABA合成更多, 降解更少; 外源添加GA后, 相反
的结果被观察到[81]。我们的结果也表明ABA显著地
抑制莴苣种子的萌发, 但这种抑制作用能被GA3有
效地降低[126]。
乙烯促进种子萌发, 以及拮抗ABA对种子萌发
第 7期 徐恒恒等: 种子萌发及其调控的研究进展 1151


的抑制作用[47,119]。乙烯不敏感etr1突变体种子表现
出形状改变、休眠增加、萌发率低以及它们的萌发
是ABA过敏性的[112]。在etr1种子中, 这种现象至少
部分是由于较高的ABA含量引起的。同样, 具有降
低乙烯敏感性的ein2突变体种子表现出增加的ABA
敏感性[112]。已经证明, 拟南芥ctr1功能丧失突变体
种子萌发过程中具有减少的ABA敏感性 , 以及在
ACC介导的胚乳破裂和ABA抑制的恢复中是受损伤
的[119]。
已经提出, 在解除休眠和促进萌发中存在一种
GA-乙烯的增效作用[118]。在打破欧洲水青冈种子休
眠过程中, GA20氧化酶(FsGA20ox1)的表达被连接到
这两种激素之间的交叉作用[127]。在钻果大蒜芥中,
当SoACO2的表达被种子后熟抑制时 , GA3氧化酶
(SoGA3ox)的表达被促进 [128]。在GA缺乏的拟南芥
ga1-3突变体中, GA处理导致ACO表达的增加, 这就
提出GA活化乙烯的生物合成和/或者反应。此外, 在
ga1-3突变体中, 乙烯处理能够代替GA缺乏和诱导
在光下萌发。与这些结果相反, 乙烯不能代替GA处
理诱导GA缺乏的gib-1番茄突变体种子的萌发[119]。
4 结语
种子萌发是一个复杂的过程, 在这个过程中静止
的干燥种子迅速地恢复代谢活性, 完成胚伸出周围结
构的细胞事件, 以及为随后的幼苗生长做准备[1-3,6]。
在拟南芥、油菜、苜蓿、玉米等种子萌发之前, 胚
轴细胞的伸长是显著的, 但未观察到明显的细胞分
裂[129-132]。在萌发过程中, 种子大小和形状的所有变
化都是由细胞膨胀引起的。膨胀的植物细胞通过改
变壁的主要组分纤维素微纤丝和果胶 /半纤维素调
整细胞壁的延展性。细胞壁的松弛允许水分渗入 ,
从而驱动细胞膨胀和产生细胞膨压[133]。这就提出在
萌发过程中胚的伸长可能主要是依赖于细胞壁延展
性的增加。Bethke等[134]在拟南芥种子水分吸收的第
二阶段早期观察到胚和胚乳细胞具有许多小液泡。
已经观察到, 拟南芥种子的萌发不是由于胚根本身
的延长引起的, 而是由于下胚轴以及下胚轴和胚根
之间的过渡区的少量细胞伸长引起的[132]。因此, 根
据种子萌发过程中下胚轴–胚根细胞的伸长、代谢活
性的迅速增加以及由差异蛋白质组分析所构建的关键
事件, 我们提出了“种子萌发的能量刺激假说”(图5)。
种子萌发的能量刺激假说认为在干燥种子吸胀
初期, 预存线粒体呼吸作用(能量产生)的迅速增加
在种子萌发中起原初作用, 但不足以使种子完成萌
发, 需要一系列事件的协同作用, 才能引起细胞壁
松弛、细胞伸长和完成萌发(图5)。胚轴细胞质膜具
有H+-ATPase, 能水解呼吸作用产生的ATP, 同时将
H+泵入细胞壁, 从而活化伸展蛋白(expansin), 使细
胞壁松弛, 细胞吸水和伸长(图5)。已经提出伸展蛋
白是促进细胞壁膨胀的细胞外蛋白, 可能通过破坏

图 5 种子萌发的能量刺激假说
Fig. 5 Energy stimulating hypothesis for seed germination
1152 作 物 学 报 第 40卷


半纤维素细胞壁组分和纤维素微纤丝之间的氢键起
作用[135]。LeEXP4 mRNA专一地定位于珠孔端胚乳
帽区域, 表明这种蛋白可能有助于胚根伸出需要的
组织弱化。GA缺乏的(gib-1)突变体种子只有在外源
GA 存在时才能萌发 , 在吸胀 12 h 内 GA 诱导
LeEXP4 的表达[135-136]。此外, 氨基酸的活化, 蛋白
质的合成、降解和磷酸化修饰也需要 ATP; 呼吸作
用的中间产物能为其他生物大分子的合成提供碳骨
架。值得注意的是种子萌发的能量刺激假说是根据
近年来的研究进展结合作者实验室的研究结果提出
来的, 还需要进一步用实验来证实。可以认为, 此假
说将为解释种子萌发的机制和减少穗萌提供新的研
究思想。
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