水稻种子萌发出苗研究及直播生产上相关难题

郑广杰 陶怡 沈兴连 叶昌 徐亚楠 褚光 徐春梅 王丹英

（1 中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室，杭州 311400；2 杭州余杭益民农业生产服务专业合作社，杭州 311107；第一作者：981958946@qq.com；*通信作者：wangdanying@caas.cn）

长期以来，具有控制杂草、高产稳产等优点的水稻移栽方式在我国水稻生产中占主导地位，育种工作也以移栽稻为主要目标，以此来保证水稻稳定生产和粮食安全的目标。然而，随着人口转移和生产土地集中化，劳动力的减少和务农人口的逐渐老龄化，水稻生产迫切需要一种兼具省时、省力、低成本、高效益的生产方式，因此以直播稻为主的水稻轻简化栽培方式逐渐被重视，推广面积逐年增加[1-4]。在直播稻生产上，种子萌发出苗这一阶段最为关键，种子在稻田的萌发率和出苗率关系到其最终产量。因此，研究种子的萌发出苗是直播稻生产至关重要的一环。

1 种子萌发和出苗

种子为适应环境而进入休眠状态以保持自身繁殖能力，萌发则是种子打破休眠期进入连续生长状态，并开始进行新的遗传表达、物质同化和能量代谢过程[5]。萌发的种子是植物整个生活周期中最脆弱的阶段，容易受到生物和环境逆境的影响。生理学上的种子萌发起始于水分吸收（吸胀），结束于胚轴伸出；而出苗是指种子发芽后成长的幼苗露出地表面的过程。水稻种子的萌发出苗过程可分为吸胀、萌动、发芽以及幼苗的形态建成[6]。

1.1 吸胀

此阶段种子快速吸水，种子内原生质胶体吸水膨胀。种子吸胀是一物理过程，活种子和死种子都可以吸胀。种子吸胀能力的强弱可用吸胀率（吸胀的体积与干种子的体积比）表示，稻谷等淀粉类种子的吸胀率是130%~140%。吸胀阶段进行种子细胞的活化修复，种子内部凝胶状的细胞膜、细胞质变为溶胶状态，种胚活细胞内部的蛋白质、酶等大分子和细胞器发生水合活化；原干种子中结构被破坏的细胞膜、线粒体和DNA得到伸展与修复[7-8]。种子细胞活化和修复能力受环境的影响，并与种子活力密切相关[9]。

1.2 萌动

此阶段吸水停滞，但种子内部的代谢活动加强，种胚细胞在活化和修复基础上出现细胞器和膜系统合成增殖，有新线粒体、内质网和高尔基体形成。内质网产生小液泡，小液泡的吸水胀大以及液泡间的融合，使胚根细胞体积增大，当其扩大伸展到一定程度，胚根尖端突破种皮，农业生产上俗称“露白”[6,9]。在适宜条件下，水稻种子从吸胀到萌动所需的时间约为2 d。

1.3 发芽

此阶段种子再次迅速吸水，此时的吸水为生理性吸水，胚细胞在分裂的同时也开始分化，进而逐渐建成胚根、胚芽等器官。胚的生长与水分供应有关，水分较少时胚根先出，水分多时则胚芽先出，传统上习惯把胚根与种子等长，胚芽达种子长的一半作为发芽的标准[6-7,9]。

1.4 幼苗的形态建成

种子发芽后根据其子叶出土状况，可分为子叶出土型和子叶留土型。大部分单子叶植物种子属于子叶留土型，其种子发芽时，穿土力较强。水稻种子出土的部分实际上是“子弹型”的胚芽鞘，胚芽鞘出土后在光照下开裂，内部的真叶才逐渐伸出，进行光合作用以及形态建成。

2 水稻种子萌发过程中贮藏物质的分解与代谢

2.1 贮藏物质的分解

在发芽过程中，水稻种子内部丰富的营养物质被逐步分解和利用，一部分作为能量，另一部分代谢转化成为新细胞的组成成分。贮藏在胚部的可溶性糖、氨基酸以及少量的蛋白，在种子吸胀萌动阶段首先被利用；贮藏在胚乳中的淀粉、脂肪、蛋白质等大分子物质在种子萌动之后，先被水解酶水解成可溶性的小分子物质，然后才被输送到胚的生长部位被进一步分解和利用。

萌发种子的水解酶有两种来源：一是已存在于种子中的束缚态酶的活化，如β-淀粉酶、磷酸化酶等；二是通过诱导合成新的酶，如α-淀粉酶、异柠檬酸酶、蛋白酶和酯酶等[9]。在水稻种子萌发过程中，受种胚产生的赤霉素调节，胚乳外围的糊粉层细胞会合成核酸酶、蛋白酶和淀粉酶等水解酶，糊粉层细胞死亡后，水解酶被释放到胚乳中，将胚乳中的贮藏物质降解成小分子物质[10]。

2.2 贮藏物质的代谢

水稻种子贮藏物质以碳水化合物和蛋白质为主，碳水化合物（包括淀粉、纤维素、半纤维素和可溶性糖等）约占稻谷的65%左右，其中最多的是淀粉；稻谷的蛋白质含量一般为8%~10%；水稻种子脂肪含量很低，仅约为2%[9]。

种子萌发过程中，在各种水解酶的作用下，淀粉转变为各种糖类。参与淀粉分解的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶、极限糊精酶和麦芽糖酶等[11]，其中β-淀粉酶是种子自带的，位于谷物糊粉层细胞中，其活性在种子吸水过程中逐渐升高，与种子萌发显著相关[12]；而α-淀粉酶主要是在种子萌发后期，即在形态建成阶段，由于赤霉素的诱导而大量合成[13]。淀粉在α-淀粉酶和β-淀粉酶的作用下生成葡萄糖、麦芽糖和极限糊精，而后两者又在酶的作用下生成葡萄糖，葡萄糖再经过糖代谢过程中的中间产物与其他生物合成和代谢产生联系。

水稻种子萌发过程中，非水溶性的贮藏蛋白首先被部分水解为分子量较小的可溶性蛋白质，然后被肽链水解酶（包括肽链内切酶、羧肽酶、氨肽酶）水解成氨基酸，成为合成新氨基酸和蛋白质的原料[14]。禾谷类种子蛋白质的分解主要发生在胚乳淀粉层、糊粉层、胚中轴和盾片。

2.3 呼吸作用和能量代谢

种子萌发需要足够的能量供给。种子吸胀过程中ATP（腺苷三磷酸）含量迅速增加，萌动阶段ATP 含量进一步上升，种子的萌发速度在ATP 含量达到最大值后加快[15]。种子萌发的能量刺激假说认为，ATP 含量的增加在种子萌发中起到原初作用[16]。

活种子吸胀后最明显的生理特征是呼吸增强，主要的呼吸途径包括糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径[8]。种子的呼吸底物在萌发初期以干种子预存的可溶性蔗糖、低聚糖为主，种子萌动后则以贮藏物质的水解产物为主。萌发初期，种子会经历短暂的无氧呼吸，此时糖酵解（EMP）和发酵途径占据主导地位；当细胞中线粒体修复完全后，无氧呼吸转变为有氧呼吸，此时经糖酵解产生的丙酮酸经丙酮酸激酶复合体催化形成乙酰辅酶A 进入三羧酸循环（TCA）进行氧化分解并释放能量[8,14]，而当种子的呼吸方式由EMP-TCA 途径转变为磷酸戊糖途径并活跃时，休眠的种子才会萌发[17-18]。糖酵解途径中的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶是催化不可逆反应的3 种酶，其中磷酸果糖激酶I 催化效率极低，是整个途径的限速酶；而磷酸戊糖途径的6-磷酸葡萄糖脱氢酶是该途径的限速酶[8,14]。

种子萌发过程能量代谢受到本身活力、化学成分以及环境条件适宜程度等因素的影响。种子萌发过程中能量的利用可以用物质效率衡量[19]。物质效率（%）=（黑暗条件下长成幼苗的干物质量/种子发芽所消耗的干物质量）×100%，同一作物高活力种子、适宜条件下发芽种子，其物质效率较高。

3 影响种子萌发出苗的因素

3.1 环境因素

影响水稻种子萌发的主要环境因素有水分、温度、氧气和光照。

水稻种子发芽所需的最低吸水量，籼稻一般为其种子质量的15%，粳稻为18%，即约相当于种子饱和吸水量的60%，当种子吸水达到饱和程度，即约相当种子质量的25%（籼）和30%（粳）发芽较快且整齐。水稻种子达到饱和含水量所需浸种的时间因水温而异，水温30 ℃时约需35 h，水温20 ℃时约需60 h 以上，水温10 ℃时则需80 h 以上。

水稻种子发芽的最低温度一般在10 ℃~12 ℃，在此范围内籼稻发芽要求的温度偏高，粳稻偏低。稻种发芽的最适温度为28 ℃~32 ℃，最高温度为40 ℃左右。发芽期间的温度不仅影响发芽的快慢，对发芽的整齐度也有很大影响。不同水稻品种对种子发芽的温度要求不尽相同。

氧气是种子发芽不可缺少的条件，一般作物种子在氧浓度10%以上才能正常萌发[20]。种子发芽的需氧量存在作物间、品种间差异，通常水稻种子发芽的需氧量要少于旱地作物如小麦等。水稻种子萌发对氧气的需求可以分为两个阶段：（1）从种子吸胀到破胸，以无氧呼吸（发酵作用）为主，此阶段需能较少，无氧呼吸即可维持；（2）种子胚根突破种皮（破胸）后，以有氧呼吸为主，需要产生较多的能量和中间代谢产物以满足种子根、芽的生长需要。在缺氧条件下，由于无氧呼吸产生的中间物和能量少，加上无氧呼吸产生的乙醇和乳酸的毒害作用，种子形态建成受抑，出现芽鞘伸长，而胚根和胚芽无法正常生长的现象。

水稻育秧时种子上覆土，种子在黑暗且水温合适环境下胚芽鞘迅速伸长突破土表成苗，但在近年的水稻直播生产中，特别是利用行走式直播机和无人机进行水稻直播作业时，种子是撒播于土表的。研究发现，光照条件下茉莉素（JA）会在水稻的中胚轴组织中积累，导致下胚轴伸长停滞[21]，JA 的合成与中胚轴的伸长生长负相关[22]。因此，光照可能也是影响直播稻出苗的一个环境因素。

除此之外，土壤、水质和生物因素（如病、虫、草等）对水稻种子的萌发也有一定影响。

3.2 内部因素

水稻种子内部的源—库关系、激素、活性氧（ROS）等对种子的萌发和出苗有较大影响。

水稻种子萌发时，胚组织不能进行自养，其所需的物质几乎完全由胚乳组织提供，此时，胚组织可视为“库”、胚乳组织可视为“源”，因此水稻胚乳贮藏物质的含量和分解速率，以及向胚细胞供给物质的能力都能够影响胚根、胚芽等“库”器官的生长，而营养物质由胚乳组织向胚组织转移的这一过程又受胚组织内的激素种类和含量影响。

大量研究表明，种子萌发主要受赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）这两种激素调控，GA/ABA 比值升高，种子萌发，反之则休眠。生长素（IAA）、油菜素内酯（BRs）、茉莉素（JAs）等植物激素也可通过与GA、ABA 的协同或拮抗作用来影响种子萌发[23-26]，种子萌发时，与激素信号转导相关的基因在萌发前期大量表达[27]。在萌发前期，IAA 和ABA 信号传导途径中的负调控基因大量表达[28]，萌发后期，胚中GA 大量合成，糊粉层细胞接受GA 的信号，合成α-淀粉酶并释放进入胚乳组织，使淀粉水解成麦芽糖和葡萄糖，促进种子的萌发和胚的生长[10,29]，但与此同时，若胚不能及时利用麦芽糖或葡萄糖等而造成其含量的积累，会抑制脱落酸（ABA）的降解[30]，在降低淀粉分解速度的同时，也会抑制α-淀粉酶在糊粉层中的合成。

活性氧（Reactive oxygen species ，ROS）是活性细胞产生的含氧（O）高化学反应活性物质，有超氧阴离子自由基（O2·－）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）、羟基自由基（·OH）等[31]，其中H2O2因其稳定性好、半衰期长，在细胞内存在时间较长，因而被视为能够作为信号分子的物质[32]。最初的观点认为，ROS 是对植物有害的物质，然而随着研究的深入，发现低浓度的ROS 是种子萌发所必需的[33-34]。种子萌发过程中，ROS 主要来自线粒体和细胞质中的NADPH 氧化酶[35-36]，其通过激活种子中的α-淀粉酶以及其他水解酶的合成来促进种子萌发[37]，在一定范围的ROS 浓度内，种子的发芽率与水稻种子胚中的ROS 浓度呈显著正相关[38]。然而，当信号传导过程完成后，ROS 的清除则需依赖于由超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等组成的酶促抗氧化系统和由谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（AsA）及谷胱甘肽还原酶（GR）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等组成GSH-AsA 循环的非酶促抗氧化系统[20]。若累积的大量ROS 不能被及时清除，也会对细胞内的生物大分子造成损伤，不利于种子的萌发[34]。

生产上，为衡量种子质量，反映在广泛环境条件下种子出苗和长成正常幼苗的潜在能力，提出了种子活力的概念。种子活力是一综合概念，涵盖种子的发芽和幼苗的生长潜势、种子在不利环境下的出苗能力和种子贮藏后能保持发芽力的性能等。种子的活力同时受内因和外因影响。内因包括种子的遗传背景和生理生化活性[39-41]，通过激素和ROS 等来调控种子的活力[42-44]，外因则是种子生产、储藏时的生态条件[45-47]，一般高活力的种子田间发芽成苗率高，但在生产实践上，室内发芽率与田间出苗率之间往往存在很大差距。

4 水稻生产中萌发出苗相关难题

水稻直播即将水稻种子直接播于大田上进行生产的一种方式，根据播种时大田水分含量状态可将直播分为旱直播、湿润直播和水直播。旱直播一般应用于水分较少地区，水直播则因为淹水逆境影响种子的发芽特性使得应用较少，因此直播稻生产上大都采用湿润直播的方式。不同于移栽育秧有良好的水、温、土环境，直播稻萌发出苗过程中的田间环境复杂，导致直播出苗率不稳定[48-51]，无法保证出苗成苗率，其中发芽出苗期两种最主要的逆境是芽苗期淹水和低温。

4.1 水稻芽苗期耐淹水

水稻对淹水胁迫的适应性表现出两种相反的策略，一种是生长缓慢甚至停止，减少碳水化合物、能量的消耗，以此来抵御淹水逆境；另一种则是迅速生长突破水面，以此获取氧气[52-53]。第1 种策略只适合短期淹水且退水快的逆境，而在田间生产上要求直播稻出苗快且齐，催芽后播种的种子更适合第2 种耐淹策略。

研究发现，具有耐淹性的种子在淹水逆境中萌发表现为胚芽鞘的迅速伸长[54]，当胚芽鞘突破水面后，第1 片叶、根系开始生长，同时胚芽鞘基部也会出现一些不定根[55-56]。对耐淹品种芽期的激素分析发现，淹水降低植株组织间氧气浓度，诱导乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）的大量合成，ACC 氧化酶（ACO）基因表达增强，将ACC 氧化成乙烯，植物组织中乙烯含量不断积累，而高浓度的乙烯又能够介导调控组织对GA 信号的响应，同时也能降低ABA 的含量，以此共同来调控胚芽鞘组织的伸长生长[57-58]。

当激素信号传递完成之后，细胞内开始一系列的生物合成代谢过程。研究表明，α-淀粉酶的活性与胚芽鞘的伸长之间存在正相关性[55]，α-淀粉酶促进淀粉降解生成葡萄糖等碳水化合物，此过程受到糖浓度的调控[59]；葡萄糖通过糖酵解产生ATP 和丙酮酸，磷酸果糖激酶（PKI）是此过程的限速酶，胚芽鞘生长速度也受其活性的影响。实验发现，6-磷酸果糖是水稻种子响应低氧条件胚芽鞘生长的重要代谢物，耐低氧的水稻品种具有更高的糖酵解速率[60]，在低氧条件下其含量明显上调。淹水的低氧环境中，因糖酵解产生的丙酮酸无法进入三羧酸循环继续氧化分解，耐淹品种表现出较高的丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶活性[55,61]，不仅能够将丙酮酸转化成乙醛，并消耗NADH 完成NAD+的再生，促进糖酵解进行来不断提供能量；还能再将乙醛转化成乙醇，减少乙醛对细胞的毒害，同时，淹水胁迫也会诱导细胞线粒体上的乙醛脱氢酶基因表达[62]，将乙醛氧化成乙酸，因此，水稻种子淹水初期会散发酒味和酸味，其程度因品种而异。然而，乙酸也能作为水稻细胞代谢的碳源[63]，耐淹品种代谢产生的乙酸能在乙酰辅酶A 合成酶（ACS）催化下生成乙酰CoA 进入乙醛酸循环，在异柠檬酸裂解酶（ICL）、苹果酸合酶（MS）等一系列酶作用下，最终转变成草酰乙酸[14]，为生物合成提供碳骨架。碳源的高利用效率或许是耐淹品种的种子异味较轻，且胚芽鞘能够快速伸长的原因。

细胞的生长不仅需要碳源，还需要氮源。水稻种子中的氮素来源于贮藏蛋白降解成的可溶性蛋白以及游离氨基酸，氨基酸与糖代谢的中间产物丙酮酸、草酰乙酸等有机酸发生生物合成反应。目前氮代谢与水稻芽苗期的耐逆研究报道很少，其具体机理仍不明确。

除此之外，淹水逆境会导致细胞产生大量ROS，当ROS 含量超过细胞对ROS 的清除能力之后，过量的ROS 便会与膜脂产生过氧化作用，对细胞膜造成损伤，进而生成丙二醛（MDA）对生物大分子造成损伤[64]。研究发现，淹水环境中，水稻芽期组织中的MDA 含量显著增加，但耐淹品种的MDA 增加幅度要低于不耐淹品种，而SOD、POD 活性则显著高于不耐淹品种[65]。因此，萌发种子的抗氧化能力也是胚芽鞘在淹水胁迫中存活并生长的重要指标。

4.2 水稻芽苗期耐低温

直播水稻播种时要求日平均气温稳定在12 ℃以上，长江流域的播种时间一般为4 月上中旬，但由于早春的气温波动较大，早稻直播时经常会遇到低温的影响。

低温胁迫影响细胞膜系统的完整性和稳定性，导致胞内溶质外渗[20]。研究发现，细胞膜系统的膜脂不饱和脂肪酸含量与水稻的耐冷性有正相关关系，不饱和脂肪酸影响膜脂的相变温度，进而影响其流动性，膜系统的流动性越高，低温对水稻造成的伤害就越低[66]。同时，低温影响SOD、POD、CAT 等抗氧化酶的活性和非酶促抗氧化系统，使得细胞内ROS 的代谢失衡[67]，产生大量的MDA，影响膜系统的完整性和稳定性。研究发现，耐冷品种水稻幼苗的抗氧化酶活性、抗氧化物质AsA、GSH 含量变化明显小于不耐冷水稻品种[66]。细胞内的渗透调节物质如可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等也会参与细胞的低温应答来抵御逆境，其含量的增加可以提高细胞液的渗透势、降低细胞液冰点，从而增强细胞的保水能力[20]。

低温也影响糖代谢相关酶的活性。低温胁迫下，参与淀粉水解的α-淀粉酶、参与糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性以及可溶性糖含量都显著降低，其中，α-淀粉酶的活性对温度非常敏感，低温下其活性仅为最适温度下酶活的1/5[68]。呼吸速率的降低导致细胞内ATP 的供应量不足，然而，也有研究认为，水稻对低温的耐受性差异并不是ATP 供给的不足，而是ATP 利用能力差异导致，一些耐冷性水稻品种虽然细胞内ATP 含量较低，但ATP 酶活性较高，而一些冷敏感品种细胞内虽然ATP 含量较高，但ATP 酶活性却很低[69]。

长期以来，ABA 被视为是一种重要的逆境激素，能够增强植物的抗逆性。研究发现，在低温胁迫下，耐冷性强的水稻品种中ABA 含量显著高于不耐冷的水稻品种[70]，但研究还发现，水稻种子参与低温应答的信号途径不仅有依赖ABA 的信号转导途径，还有不依赖ABA 的信号转导途径[71]，ABA 是否是水稻种子耐低温成苗的必要因素仍需进一步研究。

4.3 直播稻生产难题解决措施

直播稻生产上农户往往加大播种量以确保足够的基本苗，但若遇良好的条件时成苗率提高，又会导致水稻群体太大，给中后期管理带来困难[72]。目前，在播种量确定的前提下，提高水稻直播的出苗成苗率主要措施有：1）好氧耕整地，提高耕整地质量。生产实践表明，旱耕水整可以有效提高耕层含氧量，缓解秸秆大量还田导致的还原性增加对种子成苗的不利影响；利用耕整配套装备如激光平地机等提高水田平整度，消除渍水低洼，可有效提高田块的出苗均匀性。2）筛选和培育适合直播的水稻品种，提高水稻种子的抗逆性。目前出现了一些耐淹、耐低温的水稻品种，如杂交稻耘两优玖48，其发芽的种子在淹水条件下的成苗率可以达到80%以上。然而，生产上的环境条件并不是一成不变的，一个品种很难保证能够同时应对多种逆境，再加上种子内部的生理、分子机制网络十分复杂，选育优良直播水稻品种的工作还有很长的路要走。3）通过种子预处理或外源物质提高种子活力，增加芽苗期的耐渍性、耐寒性，促进早生快发。研究表明，破胸露白播种要比干种子出苗率高[73]；引发种子可有效加强其内部生理代谢，提高发芽率、发芽速度和芽苗整齐度[74]；用特殊材料包衣的种子可增强其出苗阶段的抗逆性，例如，抗寒种衣剂能够提高秧苗的抗寒性，促进幼苗的存活[75]；过氧化钙包衣种子可以促进种子在淹水逆境下的出苗[76]，且种子的发芽率随过氧化钙含量的增加而增加[77]。

5 展望

水稻直播具有诸多优点，特别是目前，无人机直播发展势头惊人，深入研究水稻种子发芽出苗特性，解决水稻直播面临的出苗成苗齐苗难题，对于推动直播稻发展意义重大。