不同温度处理条件下植物种子萌发的研究进展＊

索风梅，张昭，陈瑶，黄少雄，张本刚，齐耀东

（中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所北京100193）

不同温度处理条件下植物种子萌发的研究进展＊

索风梅，张昭＊＊，陈瑶，黄少雄，张本刚，齐耀东

（中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所北京100193）

种子萌发是植物生长发育的开始，具有非常重要的生物学意义。研究表明不同的温度处理可以有效提高植物种子的萌发效率，尤其是低温处理条件下效果明显且应用广泛。本文对不同温度处理促进种子萌发的研究方法和低温处理条件下种子内源激素的变化等进行了综述，并对今后的研究重点和方向进行了展望。

种子萌发温度处理内源激素分子机理

种子萌发是种子植物生长发育的前提，是实现植物种群更新和物种延续的关键环节，具有非常重要的生物学意义，因此种子萌发一直是人们研究的重点和热点。种子萌发过程受到内部激素水平和外部环境因素的共同影响。促进种子萌发的方法包括物理方法和化学方法，其中温度处理尤其是低温处理种子萌发是目前最常用和最有效的物理方法之一。相关研究表明，不同温度处理种子通常是通过诱导种子内源激素的含量和比例进而促进种子的萌发，但调控机理和变化过程尚不清楚。相关研究多集中在低温胁迫[1，2]，低温诱导蛋白和基因[3，4]及植物的抗冻（寒）性[5，6]上，因此有必要对不同温度处理促进种子萌发及低温诱导种子内源激素变化进行系统的总结和阐述，以期为植物种子生理学的研究和农业生产提供参考。

1 不同温度处理促进种子萌发的研究方法

研究发现大多数植物休眠种子都可通过温度处理（包括低温、高温、变温等）打破种子休眠促进萌发。1860年，德国学者SaC提出最低与最高温度是两个极限温度，不适合种子萌发，只有最适温度才能促进种子萌发。植物种类不相同，最适萌发温度也会略有不同，且通常条件下变温条件下的种子发芽率优于恒温[7]。

1.1 低温处理促进种子萌发的方法

低温处理打破种子休眠的原因可能是低温促使种皮内含物或种皮物理结构发生了一系列变化，使种皮透水、透气性增加，进而提高了种子发芽率[8]。本课题组研究发现，黄檗种子经低温层积处理后萌发率显著高于未经低温处理的；无论应用植物生长调节剂还是应用渗透调节剂则均需要结合低温处理才能获得较高萌发率[9]（图1）。同时，低温层积处理也是诱导北京丁香种子萌发、解除休眠的刺激因子，可以显著提高种子萌发效率[10]。不同的植物种类，低温处理的时间会略有不同。成仿云等[11]的研究表明在一定范围内延长低温处理时间，能促进种子萌发和幼苗生长。Chien等[12]研究结果则表明低温层积可以增加紫杉种子对GA3的敏感性，进而诱导休眠种子的萌发。而黄丹等研究发现种子在低温层积过程中胚乳中营养物质不断分解，可以为萌发生长提供所需的物质和能量[13]。不同的植物种子，需要的低温条件也不相同，如4℃下处理唐古特白刺种子发芽率最高，可达88%[14]。山桃种子在0℃下层积效果较好，种子发芽率可达到55%[15]。另有研究表明，花椒、金莲花、山木通、黄连等种子的萌发也需要低温处理，才能达到较好的萌发效率[16]，但低温层积温度和时间需要根据不同的植物种类进行相应的调整，才能获得较好的萌发效率。

1.2 高温处理促进种子萌发的方法

适当的高温处理会使一些种皮坚硬的种子加速萌发，但不同的植物种类，需要的高温条件也不相同。宋红等研究表明高温处理（120℃）能显著提高笃斯越桔和柳叶绣线菊种子的发芽率，高温对珍珠梅和毛赤杨种子萌芽亦有一定促进作用[17]。适宜的高温处理能促进北京丁香种子萌发，当处理温度为40℃时种子的发芽率、发芽势以及发芽指数均达到最高，比对照组分别提高了12.6%、6%和0.65%[18]。另有研究表明，50℃水浸泡菠菜种子5 min可有效提高该种子萌发效率[19]。日本东京大学学者研究发现，用连续热处理的方法处理泰国黄瓜种子可显著提高其萌发率和种子活力[20]。相比低温，植物种子对高温处理的温度更加敏感，因此高温处理持续的时间和找到适宜温度的临界点很重要，温度过高或者高温持续时间过长，有可能引起种子酶活性降低，蛋白质发生变性从而使发芽率降低或者造成烂芽。

1.3 变温处理促进种子萌发的方法

很多植物种子在恒定的高温或者低温条件下均不能很好的萌发，但在变温条件下却能获得较高的萌发效率。一系列研究表明，东亚唐松草、小木通、荞麦叶贝母、白花蛇舌草等种子萌发都需要不同程度的变温处理。相关研究表明，水曲柳种子萌发的最佳变温条件为15/10℃，最佳的恒温条件是10℃。且变温条件下种子的萌发效果优于比恒温[21]。此外也有一些植物种子的休眠并不是由单一因素造成的，单纯的温度处理并不能获得较好的萌发效率，这种情况下须采用一些特殊的综合方法[22]。结缕草种子用水浸泡2天后再用30%NaOH溶液处理40 min，种子的发芽率可以达到82%[23]。张义等[24]发现低温层积前用赤霉素（Gibberellin A3，GA3）浸泡可以显著地提高桂花种子的发芽率，GA3浸泡与低温层积相结合才能获得较高的萌发效率。一般情况而言，变温比恒温处理对于种子萌发效率更优，但变温幅度和时间的需要根据不同的植物种类进行相应的调整，才能获得较好的萌发效果。

2 低温诱导种子内源激素的变化研究

图1 低温和激素处理黄檗种子发芽率变化图

有研究者认为种子的休眠与萌发取决于内源生长抑制剂和生长激素剂之间的平衡力[25]，而低温处理通常可以有效打破内源激素间的平衡，促进种子萌发。植物的内源激素和抑制剂种类很多，有赤霉素（Gibberellin A，GA）、脱落酸（Abscisic Acid，ABA）、生长素（Auxin）、细胞分裂素（Cytokinin，CTK）等，其中，ABA和GA是种子休眠与萌发过程中相互拮抗的两类激素。GA主要在种子萌发起始和胚根突出时发挥作用，而ABA几乎参与调控了种子发育和萌发的全部过程[26]。张艳杰等[27]研究表明，南方红豆杉种子休眠的限制因子很可能是ABA和GA的平衡调控作用。

2.1 低温促进种子萌发的赤霉素调控途径

研究表明，赤霉素GA和低温层积的作用相似，低温层积不仅促进了GA的合成，而且提高了种子对GA的敏感度；低温层积使ABA/GA发生变化，导致了种子休眠的打破进而促进种子萌发[28]。Yamauchi等[29]通过4℃处理吸涨种子发现低温可以通过上调GA合成代谢基因和下调分解代谢基因来提高种子内GA的活性和含量进而促进萌发。利用突变体分析表明，AtGA3ox1在低温刺激种子萌发过程中有关键的作用，且AtGA3ox1突变体种子的萌发不受低温促进；进一步研究表明，低温处理后AtGA3ox1基因表达量大大增加，分布于种子的整个胚轴和糊粉层，而在22℃处理的种子中却检测不到表达[30]。此外，基因芯片分析发现常温处理和低温处理种子中差异表达的基因中有很大比例的基因受GA调控，包括细胞松弛蛋白EXPA1、2、3、8、9、15和20等基因[29]。

2.2 低温促进种子萌发的脱落酸ABA调控途径

图2 ABA/GA介导的低温对种子萌发调控模式

相关研究表明，脱落酸ABA调控途径也参与了低温促进种子萌发的过程。低温通过诱导ABA分解代谢中的关键基因CYP707A2的表达，促使吸涨种子里的ABA含量逐渐降低进而促进种子萌发[31]。拟南芥种子在低温处理条件下就是通过降低ABA活性水平而促进种子萌发。ABA信号转导因子ABI1、ABI2、ABI3、ABI4等基因参与了ABA的调控过程，其中ABI3是种子休眠的主要调节物，ABA就是通过ABI3进而阻止种子萌发。Lazarova等从黄扁柏Chamaecyparis nootkatensis休眠种子中克隆到ABI3同源基因CnABI3，发现其作用是使种子保持休眠状态[32]；Stephen等在解除甜樱桃Prunus avium种子深休眠时发现低温处理降低了ABI1、ABI2和ABI3的表达量[33]。相关研究表明，ABA/GAs的阈值范围可以调控种子的休眠和萌发，且ABA和GA彼此抑制对方的合成与分解代谢基因[34]。在GA缺陷突变体ga1中，ABA合成和分解基因通过上调和下调导致ABA的含量增加[35]。在ABA丰富合成突变体cyp707a2中GA合成基因部分被抑制，相反在ABA缺陷突变体aba2中表达增强[36]。但是在GA信号通路下游抑制ABA代谢的分子组件至今未知。GA和ABA协同调控种子萌发的机制可能是源于同一靶标基因——α-淀粉酶基因，它们均可调控α-淀粉酶基因的转录[37]。淀粉酶合成后催化种子中储藏的淀粉可以为种子萌发提供需要的物质和能量。研究表明，GAs是通过DELLA依赖的一种方式调控Myb-like型转录因子结合到α-淀粉酶启动子的GA应答元件上进而激活它们的表达[38]。相反ABA下调α-淀粉酶的表达是通过诱导Ser/Thr激酶PKABA1、抑制GAMyb的转录来实现的[39]（图2）。

3 展望

植物种子休眠是复杂的生理现象，内源激素的变化及相互关系是控制休眠的重要内因[40]，不仅与植物内源激素的绝对含量有关，还与各类激素之间的平衡、特别是促进与抑制生长的激素之间的比例及平衡有很大关系[41]，而低温层积处理是目前解除种子深休眠的主要手段。现在越来越多的研究集中在ABA和“休眠基因”的上，ABA对基因表达起着一定的调控作用，许多相关基因的表达可被ABA增强[42]。目前，一些新的研究方法可以用于鉴别发芽和休眠相关的基因，进一步的研究可以利用mRNA差别显示技术比较低温诱导条件下种子中低温敏感基因和萌发相关基因的表达改变状况，分离并鉴定出低温诱导种子萌发的基因，将诱导萌发基因向植物休眠种子进行遗传转化或转移，最终提高植物种子的萌发效率，这可能会成为未来一段时间的热点和研究方向。

从生态学角度来说，植物长期生存进化的结果必然适应其环境，而生境条件最终将有利于种子破除休眠、促进萌发和生长在[43]，因此种子萌发所需的最适温度与其起源地生态条件密切有关[44]。适当温度处理对某些药用植物种子打破休眠、促进萌发起着关键作用，探究种子萌发需要变温还是恒温，高温还是低温，搞清楚种子萌发的最适温度是引种驯化继续解决的问题[45]。目前对于低温诱导植物种子萌发的分子机制研究相对较少，相关的遗传基础和分子机理尚不清楚，无法从分子水平解释种子休眠和萌发的启动和限制条件，不能更好的了解和掌握种子休眠及萌发。因此下一步研究将开展低温处理植物种子萌发过程的分子事件和遗传基础研究，以期从中得到相对完善的理论体系和实验模型，为植物育种和繁殖提供理论参考和技术支持。

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Research Progress of Different Temperatures Treated Plants Seed Germination

Suo Fengmei,Zhang Zhao,Chen Yao,Huang Shaoxiong,Zhang Bengang,Qi Yaodong
(Institute of Medicinal Plant Development,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Beijing 100193,China)

For seed plants,the seed germination is the beginning of plant growth and development.There are extensive methodological researches on improvement of seed germination with different temperature treatments,among which low temperature induction can effectively increase the frequency of seed germination.This paper summarized the research progress on methods of seed germination and molecular events such as the change of endogenous phytohormones.Finally the research direction for the low temperature induced plants seed germination is prospected.

Seed,germination,different temperature treatments,endogenous phytohormone,molecular mechanism

10.11842/wst.2017.04.026

R931.2

A

（责任编辑：马雅静，责任译审：王晶）

2016-11-22

修回日期：2017-04-20

＊国家自然科学基金委面上项目（81130069）：黄檗药材质量和种子品质形成的相关性研究，负责人：张昭。

＊＊通讯作者：张昭，研究员，主要研究方向：中药资源学。