植物子叶生理功能的研究进展

王英男，彭晓媛，华晓雨，臧 威，阎秀峰，蔺吉祥

(东北林业大学盐碱地生物资源环境研究中心/东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

子叶(cotyledon)是植物种子的重要组成部分，在种子萌发与幼苗发育初期起到关键作用[1]。无胚乳植物种子在萌发过程中，子叶肥厚，贮藏着淀粉、脂肪酸以及蛋白质等营养物质，为种子萌发提供所需物质和能量[2]。而对于有胚乳种子，子叶通常并不发达，但可以从胚乳中吸收并转运一定的营养物质，供胚发育[3-4]。在幼苗发育初期，一些植物的子叶能够在第一片真叶具备光合能力之前，通过光合作用为幼苗提供大量的光合同化物，子叶还能够感知光信号，并通过信号分子的长距离传递，从而调控幼苗的发育[5]。此外，子叶还能够通过形态与生理功能的变化，参与幼苗抵御外界逆境胁迫的过程[6]。因此，子叶对于种子萌发、幼苗形成以及植物生活史的完成均有极其重要的意义。

目前，对于子叶生理功能的报道还很少见，已有研究多集中于盐碱、水淹等逆境胁迫下子叶生理功能的变化[7-8]、子叶缺失对幼苗生长的影响[9-10]以及子叶离体组织培养[11-12]等方面，但对子叶功能系统性的总结还从未见报道。基于此，本文从子叶的分类及功能、幼苗发育初期子叶相关的重要生理过程等方面进行归纳与总结，分析当前研究中存在的问题与不足，并提出研究展望，以期为相关研究提供参考。

1 子叶类型

1.1 单子叶与双子叶

子叶是植物最早出现的叶，而不同植物子叶数目也有所差异，因此可以将子叶数目作为植物分类的依据。英国博物学家约翰雷(John Ray)在《植物新方法》中第一次提出有的植物有2片子叶，而有的植物只有1片子叶，这对认知植物分类学有着重要的科学意义。随着植物分类学的不断发展，植物学家根据成熟胚中子叶的数目对被子植物进行分类，成熟胚只有1片子叶的称为单子叶植物(Monocotyledon)，如水稻(Oryzasativa)、小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、洋葱(Alliumcepa)等。有2片子叶的称为双子叶植物 (Dicotyledon)，如豆类、瓜类、棉花(Gossypiumspp.)、油菜(Brassicanapus)、蓖麻(Ricinuscommunis)等(图1)[13-14]。

1.2 出土型子叶与留土型子叶

不同植物的种子在萌发过程中，由于胚轴的生长速度不同，幼苗形态也存在一定差异。在种胚中，胚轴是连接胚芽与胚根的营养器官，同时也与子叶相连。由子叶着生点到第一片真叶之间的胚轴为上胚轴；由子叶着生点到胚根的一段为下胚轴。依据上、下胚轴在种子萌发时生长速度的不同，可以将植物子叶分为出土型子叶与留土型子叶。如蓖麻种子在萌发时，胚根首先突破种皮，伸入土中，形成主根，然后下胚轴加速伸长，将子叶和胚芽一同顶出土面，因此蓖麻的子叶为出土型子叶，大豆(Glycinemax)、棉花、油菜和各种瓜类的子叶均属于此类型子叶。而在蚕豆(Viciafaba)种子萌发时，胚根先突破种皮，向下生长成为主根。由于上胚轴的伸长，胚芽不久就被顶出土面，而下胚轴的伸长并不明显，子叶始终埋在土中。因此，蚕豆的子叶为留土型子叶，芸豆(Phaseolusvulgaris)、荔枝(Litchichinensis)、柑橘(Citrusreticulata)、小麦、玉米等的子叶都属于留土型子叶(图1)。

图1 小麦籽粒纵切图、蓖麻种子结构、蓖麻的出土型子叶、蚕豆的留土型子叶Fig. 1 Longitudinal section of a wheat grain, castor seed structure, the cotyledons of castor that epigaeous seedling, and the cotyledons of broad bean that hypogaeous seedling

2 子叶功能

2.1 营养贮藏

一般来说，胚乳是种子集中贮藏营养的地方，但也有一些植物种子不具胚乳，这类种子在生长发育时，胚乳的养料通常被胚吸收，并转入子叶中贮藏，所以成熟的种子里胚乳消失，或仅存一层干燥的薄层，不起贮藏营养的作用。对于此种类型的植物种子，子叶起到了贮藏营养的功能。大豆、落花生(Arachishypogaea)、蚕豆、棉、油菜、瓜类等的子叶，都具有营养贮藏的功能。而不同类型植物子叶中所贮藏的养分种类也有较大差异，在油菜、黄瓜(Cucumissativus)子叶中主要以油脂为贮藏物质，并以三酰甘油的形式存储于脂体中[15-16]。当种子萌发后，三酰甘油经脂肪酶催化释放脂肪酸，通过脂肪酸代谢为种子萌发和幼苗早期生长提供营养物质和能量[17-18]。而大豆子叶内含蛋白质较多，主要以沉降系数为7S、11S贮藏蛋白为主[19]。种子萌发后，贮藏蛋白经蛋白酶催化降解为氨基酸，随后通过氨基酸代谢，一方面为种子萌发和早期幼苗生长提供内源性的氮源及碳骨架，另一方面通过氨基酸代谢的中间产物α-酮戊二酸参与三羧酸循环，为种子萌发和早期幼苗生长提供能量[20]。

2.2 光合作用

种子萌发后，子叶出土型的植物(如大豆)，一般子叶比较肥厚，其贮藏的营养消耗殆尽后，就干瘪脱落。而棉花等植物种子子叶较薄，出土后立即展开变绿，开始进行光合作用，待真叶展开后，子叶枯萎脱落。此外，蓖麻等植物子叶出土后，能够长时间进行光合作用，即使真叶展开后一段时间也并不脱落。这种具有光合能力的子叶在真叶成为主要光合贡献者之前，能够为幼苗的生长提供大量的光合同化物。前人已有较多研究报道了子叶光合作用对幼苗生长的影响，如对白菜(Brassicapekinensis)子叶遮光的研究中发现，子叶遮蔽后幼苗株高及生物量与对照组相比分别下降了31.1%和24.9%[21]。而Hou等[22]在甜瓜(Cucumismelo)子叶生长对幼苗光合作用贡献的研究结果中表明，甜瓜子叶的光合贡献率随苗龄的增加而降低，在子叶展平期为100%，进入伸蔓期后仅为5%。对黄瓜幼苗的研究中发现，黄瓜幼苗子叶仅用50%的光合面积提供了近80%的CO2同化量。因此，在植物幼苗发育初期，子叶为幼苗的生长提供了大量的光合同化物，促进了幼苗的发育[23]。

2.3 胁迫防御

幼苗在生长发育过程中，会受到干旱、盐碱、温度、虫害等诸多生物与非生物胁迫的影响。而作为植物生长发育过程中最早出现的叶器官，子叶在抵御胁迫时也起到了重要作用。在长期进化的过程中，子叶形成了一系列的防御机制，以适应和抵御不同类型的胁迫。如在萝卜(Raphanussativus)子叶受害虫啃食的研究中发现，当子叶受到害虫啃食后，产生了形态上的防御，其受损子叶上下表皮颗粒明显增多，且上表皮毛明显增多，同时表皮毛上也存在颗粒状复合体[6,24]。在对水稻子叶受白叶枯菌感染的研究中发现，感染后的水稻子叶中与抗病途径相关OsPR1B基因表达量显著上调，从而激活表达下游相应的病程相关基因表达，进而对抗病相关的信号途径产生影响，使水稻对白叶枯菌产生防御能力[25-26]。此外，子叶在非生物胁迫下同样能够对幼苗起到保护作用。如对铅胁迫下海榄雌(Avicenniamarina)子叶生理功能研究中发现，铅胁迫下海榄雌子叶内可溶性糖含量显著下降，而在幼苗根和叶中可溶性糖含量显著增加，说明子叶在铅胁迫下为根、叶提供了营养，补偿了由于铅胁迫所造成的幼苗养分亏缺，从而在一定程度上增强了幼苗抵御铅胁迫的能力[27]。而在对盐胁迫下囊果碱蓬(Suaedaphysophora)的研究中发现，与真叶相比，子叶中Na+离子含量较高，且有着较高的Na+/K+，说明子叶起到了一定富集Na+的作用，从而降低了碱蓬幼苗其他部位Na+含量，缓解了盐胁迫对幼苗的损伤[28]。

总之，子叶在植物生长中的功能主要就是以上3种(表1)。

3 幼苗发育初期子叶相关重要生理过程

3.1 贮藏物质动员

3.1.1蛋白质动员 种子贮藏蛋白在种子成熟期合成，这类蛋白没有酶催化活性，主要为幼苗的生长提供所需的氮源和碳源。在豆科植物刺毛黧豆(Mucunapruriens)子叶超微结构及生理研究中发现，子叶中贮藏蛋白的动员早在种子萌发结束前就已开始，且动员时间主要集中在种子吸胀后48～72 h，晚于胚轴中蛋白质动员[29]。在豌豆(Pisumsativum)的研究中也发现了相似的结果[30]。贮藏蛋白的降解主要通过种子成熟时合成及在种子萌发后蛋白质体中新合成的蛋白酶催化[31]，而蛋白质动员过程中蛋白酶活性的调节对于幼苗的发育有着极为重要的意义，通过蛋白酶活性的调节使贮藏蛋白从积累转变为动员过程，从而为种子的萌发及幼苗的发育提供养分[32](表2)。蛋白酶催化的蛋白质动员过程主要在处于适宜酸性pH的蛋白质贮藏泡(PSVs)中进行[33]。He和Tan-Wisson[34]运用免疫电镜及激光共聚焦扫描电镜观察了大豆子叶PSVs中贮藏蛋白的水解过程，提出贮藏蛋白动员过程主要受PSVs酸化程度的调控。而对南瓜(Cucurbitapepo)幼苗子叶PSVs的进一步研究中发现，PSVs维持较为适宜的酸性pH主要依靠两种膜结合质子转运蛋白H+-ATPases与H+-PPases实现[35]。Wilson等[36]对大豆子叶蛋白质动员过程的研究中发现，对萌发后3和6 d的子叶进行H+-PPases抑制剂亚氨二磷酸盐(IDP)处理后，蛋白质动员过程差异较大，萌发后6 d子叶的IDP抑制处理蛋白质动员效率显著低于萌发后3 d的IDP抑制处理，说明在幼苗发育初期主要由H+-ATPases调节PSVs中的pH，进而调节蛋白质动员过程，而在幼苗发育中后期则主要由H+-PPases调节。

表1 子叶在植物生长过程中的功能Table 1 Function of cotyledons in plant growth processes

表2 幼苗发育初期子叶蛋白质动员Table 2 Cotyledon protein mobilization at the early stage of seedling development

3.1.2脂肪酸动员 油脂是油料作物种子的主要贮藏物质，主要存储在子叶等贮藏组织细胞的特定细胞器——油体(Lipid bodies)中[37]。在向日葵(Helianthusannuus)等油料作物种子中，脂肪酸以亚油酸[LA，(9Z,12Z)-octadeca-9,12-dienoic acid]的形式，经酯化作用存储于甘油三脂(TAGs，triacylglycerols)中[38]。油脂的动员主要在子叶中分步进行，首先油体中的TAGs被脂酶水解为LA和甘油。甘油进入细胞质，磷酸化为二醛丙酮磷酸，经糖酵解过程转化为丙酮酸，然后经三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)氧化为CO2和H2O。二羟丙酮磷酸也可以在醛缩酶的催化下生成己糖。LA降解则在乙醛酸循环体中进行，Behrends等[39]、程红焱和宋松泉[40]运用同位素标记技术研究脂肪酸在黄瓜幼苗子叶中的代谢过程，发现在子叶中脂肪酸降解主要通过β氧化途径降解为乙酰辅酶A，随后乙酰辅酶A在异柠檬酸裂解酶的作用下通过乙醛酸循环生成丙酮酸，进而参与糖异生过程，生成大量糖类，并转运到胚轴，以供幼苗生长之需。在拟南芥(Arabidopsisthaliana)幼苗生长初期，子叶中β氧化在脂肪酸转化为糖的过程中起到了关键作用[41]。

子叶中脂肪酸代谢过程除β氧化途径外，还存在脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)催化的脂肪酸氧化途径[42]。对子叶脂肪酸代谢的研究发现，向日葵与黄瓜幼苗子叶中均存在脂氧合酶催化的脂肪酸氧化途径，并认为该途径主要功能是参与含氧脂肪酸衍生物的降解[43]。脂氧合酶是一种含非血红素铁的加氧酶，其在生物体内的主要功能是专一催化具有顺-1, 4-戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸的加氧反应，由脂氧合酶催化的脂肪酸氧化途径被称为LOX途径。该途径是指在有氧条件下多元不饱和脂肪酸被脂加氧酶催化生成氢过氧化脂肪酸，经一系列分支酶作用，生成具有一定生理功能的化合物的过程。在高等植物体内LOX途径以18C脂肪酸(亚油酸、亚麻酸等)为初始底物，因此LOX途径又称十八碳途径[44]。根据18C脂肪酸氧化位置的不同，高等植物LOX分为2类，即9-LOX和13-LOX，它们氧化18C脂肪酸分别产生9-(9-HPOD)和13-过氧化氢衍生物(13-HPOD)。Weichert等[45]通过高效液相色谱(HPLC)对黄瓜幼苗子叶LA脂氧合酶途径代谢产物进行了分析，并对关键酶进行了鉴定，发现子叶中LOX主要为13-LOX，能够催化LA生成13-HPOD，并在乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase，ADH)、异构酶(isomerase，ISO)等相应酶的催化下进一步转化为各种烯醛和烯醇类化合物，为各种次生代谢产物提供合成前体，从而调节幼苗的生长发育(图2)。

图2 子叶中脂氧合酶催化的脂肪酸氧化途径Fig. 2 Fatty acid oxidation pathway catalyzed by lipoxygenase in cotyledon

9-LOX为9-脂氧合酶；13-LOX为13-脂氧合酶；9-HPL为9-过氧化物裂解酶；13-HPL为13-过氧化物裂解酶；ISO为乙醇脱氢酶；ADH为异构酶。

9-LOX, 9-Lipoxygenase; 13-LOX, 13-Lipoxygenase; 9-HPL, 9-Hydroperoxide Lyase; 13-HPL, 13-Hydroperoxide lyase; ISO, alcohol dehydrogenase; ADH, isomerase.

3.2 调控胚根发育

光形态建成是植物依赖光来控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终汇集成组织和器官的建成，即以光控制植物发育的过程[46]。光形态建立后，胚根伸长，并开始吸收土壤中的水分和矿质营养[5,47]。而子叶在幼苗光形态建立过程中对胚根的伸长起到了重要的调节作用，从而实现对种子贮藏营养的合理利用。对拟南芥子叶影响胚根生长的研究中发现，子叶光合产物蔗糖是调节胚根伸长的长距离信号的关键。当种子萌发处于黑暗中，种子中贮藏的有限养分主要供胚轴伸长，而胚根伸长几乎停滞，当胚轴不断伸长，直至将子叶顶出土面后，子叶展开，隐花色素、光敏色素等光信号受体感知光信号后，通过自身构象变化与下游信号分子相互作用；光敏色素相互作用因子(phytochrome-interacting factors,PIFs)是一类能够与光敏色素相互作用的转录因子家族，其中PIF3对叶绿素合成调节酶基因HEMA1、GUN5以及光合系统PSI中LHCA1、PsaE1基因的表达起负调控作用[48]；PIF1则能够与原叶绿素酸酯氧化还原酶POR的启动子相互作用，控制叶绿素的合成[49]。当光敏色素感受光信号后与PIFs相互作用并转移至核内，启动自身磷酸化进而启动子叶光合作用相关基因的表达[50]。当子叶光合作用启动后，通过向胚根输送大量的光合作用产物蔗糖，促进胚根的伸长，使胚根能够从土壤中获取幼苗生长所需的水分及矿质营养。

3.3 子叶绿化

子叶绿化标志幼苗具备了通过自身光合作用为植物生长提供营养的能力，其对幼苗根系的生长以及真叶的形成与发育起着至关重要的作用，因此子叶绿化是幼苗发育初期的一个重要生理过程(图3、表3)[51]。子叶的绿化过程包括子叶出土前在无光条件下的叶绿素前体原叶绿素酸酯(Pchlide)的合成与积累，以及出土后在有光条件下积累Pchlide的还原[52-53]。其中Pchlide的合成与积累过程是一个多步酶促反应，由底物谷氨酸开始，生成5-氨基酮戊酸(5-ALA)后，2分子5-ALA合成含吡咯环的胆色素原(PBG)，4个PBG分子聚合成原卟啉Ⅸ，随后与镁原子结合，形成镁-原卟啉IX经酶催化形成原叶绿素酸酯。Pchlide的还原过程则主要由原叶绿素酸酯氧化还原酶催化，在光照条件下生成叶绿素酯a。随后，叶绿素酯a在不同酶催化作用下生成叶绿素 a等光合色素，使子叶叶绿体具备了捕光能力，开始进行光合作用，为幼苗初期的生长发育提供光合同化物。

Pchlide在光照条件下易产生活性氧(ROS)，能够对细胞膜产生严重的光氧化损伤。因此，合理地调节Pchlide在子叶中的含量对于子叶绿化过程的顺利进行，以及幼苗的正常发育均具有较为重要的意义。Glu-tRNA还原酶是5-ALA合成的限速酶，通过对其酶活性的调节能够从源头控制Pchlid在子叶中的含量。Flu蛋白是一个分子量27 kD、定位于质体的膜蛋白，由apel等在过量积累原叶绿素酸酯的拟南芥Flu缺陷型中被鉴定[54]。Flu蛋白能够与Glu-tRNA还原酶C端的卷曲螺旋结构域特异性结合，从而抑制Glu-tRNA还原酶活性[55]。对油菜子叶5-ALA调控的研究发现，当Pchlide过量时通过Flu蛋白参与Glu-tRNA还原酶活性的负反馈调节。在黑暗中生长的Flu缺陷型植株中，由于Glu-tRNA还原酶活性缺乏Flu蛋白的抑制，原叶绿素酸酯大量积累[56]。在对挪威云杉(Piceaabies)子叶的研究中也有相似的结果，暗处理下Flu蛋白积累量显著高于光照处理，Glu-tRNA还原酶活性明显降低，从而降低了5-ALA和合成速率，限制了Pchlide在子叶中的积累[57]。除子叶中Flu蛋白对Pchlide含量的调控外，植物激素乙烯在子叶Pchlide含量调节中也发挥了较为重要的作用。Zhong等[58]通过启动子融合GUS的方法，分析了拟南芥子叶中植物激素乙烯对原叶绿素酸酯氧化还原酶(POR)基因表达的影响，发现通过AgNO3处理阻断乙烯信号转导后，子叶中POR基因未表达，该结果证实了乙烯能够调节POR基因的表达，进而影响了Pchlid在子叶中的含量。而在进一步的研究中，通过对拟南芥Flu缺陷型子叶进行乙烯处理，显著降低了子叶中Pchlide的含量，且ROS也有较大幅度的下降，说明子叶中存在一种由乙烯调控、不依赖Flu蛋白的Pchlide调节方式[58]。

Glu为谷氨酸; ATP为三磷酸腺苷；NADPH为还原型辅酶Ⅱ；GSA为L-谷氨酸-1-半醛; 5-ALA为5-氨基酮戊酸; PBG为胆色素原; HMB为羟甲基后胆色素原; UROⅢ为尿卟啉原Ⅲ; CoprogenⅢ为粪卟啉原Ⅲ; Protoporphyrinogen Ⅸ为原卟啉原Ⅸ; ProtoⅨ为原卟啉Ⅸ; Mg-ProtoⅨ为镁-原卟啉Ⅸ; Mg-PmtoⅨ-Me为镁-原卟啉Ⅸ单甲酯; Dv-Pchlide为二乙烯原叶绿素酸脂; Pchlide为原叶绿素酸脂; Chlide a为叶绿素酸脂a; Chl a为 叶绿素a; Chlide b为叶绿素酸脂b; Chl b为叶绿素b; Heme为亚铁血红素;Flu为荧光蛋白；PHY为光敏色素。

Glu, glutamyl; ATP, Adenosine triphosphate; NADPH, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; GSA, L-glutamic acid 1-semialdehyde; 5-ALA, 5-Aminolevulinic acid; PBG, Porphobilinogen; HMB, Hydroxymethylbilane; UROⅢ, Uroporphyrinogen Ⅲ; Coprogen Ⅲ, Coproporphyrinogen Ⅲ; Proto Ⅸ, Protoporphyrin Ⅸ; Mg-Proto Ⅸ, Mg-protoporphyrin Ⅸ; Mg-Pmto Ⅸ-Me, Mg-protoporphyrin Ⅸ monomethyl ester; Dv-Pchlide, Divinyl protochlorophyllide; Pchlide, Protochlorophyllide; Chlide a, Chlorophyllide a; Chl a, Chlorophyll a; Chlide b, Chlorophyllide b; Chl b, Chlorophyll b; Heme, ferroheme; Flu, Fluorescent protein; PHY, Phytochrome.

表3 子叶绿化过程中的催化酶Table 3 Catalytic enzymes in the process of cotyledon greening

4 展望

子叶在高等植物发育过程中参与了诸多重要的生理过程，不但能够为幼苗的发育提供营养及能量，还能够对幼苗的发育过程进行调节，且在幼苗响应生物与非生物胁迫过程中也起到了关键作用。综合分析发现，虽然关于子叶生理功能的研究已见大量报道，但研究大多集中于宏观水平，诸多机制还不明确，且缺乏对分子机理的深入理解，今后的研究需要在以下几个方面进一步深入：

1)利用基因芯片技术检测子叶绿化过程中基因表达水平的变化，同时要充分考虑不同植物的种类、相关基因的亚细胞定位以及外界条件变化，以便更确切地分析子叶绿化过程的影响机制及其调控特点。

2)结合转录组学与蛋白组学技术手段，在基因和蛋白层次解析子叶响应生物与非生物胁迫过程中的分子调控网络，鉴别子叶响应胁迫的相关调控基因与参与防御作用的功能蛋白质，从而更加系统地解析子叶在抵御生物与非生物胁迫过程中的途径与机理。

3)利用代谢组学高通量检测的技术特点并结合生物信息学的方法，分析油料作物子叶中脂肪酸的代谢过程，分析其代谢网络结构、限速步骤，从而更加全面、系统地理解子叶在贮藏物质动员过程中的重要作用。