种子萌发阶段的代谢及其调控

， ， (南京晓庄学院， 江苏 南京 211171)

·综述·

种子萌发阶段的代谢及其调控

杨寒霖，周峰，华春
(南京晓庄学院， 江苏 南京 211171)

种子萌发阶段的代谢变化，对于了解种子萌发物质代谢动力学机制及其调控和协调机制具有重要意义。介绍了种子萌发过程的贮藏蛋白质和mRNA及萌发早期的吸胀机制，重点概述了种子萌发早期、胚根突出前和胚根突出后3个阶段的能量代谢途径和蛋白质、淀粉和脂代谢途径及其调控机制。对于明确种子进化、结构和萌发分子机制等生命系统组成的基本原则具有重要意义，同时可应用于种质的分子改良，并将种子作为转基因产物生产的优良平台。

萌发早期； 能量； 代谢； 调控

种子萌发是植物通过相互协调的调控方式使胚克服胚乳的机械阻力从而具有生长潜能的过程。干燥种子的萌发包括对亚细胞结构的重建和在缺氧环境下对代谢物的重新激活，它是一个复杂的过程，狭义上的萌发分为2个阶段，第1阶段是对水的早期反应，第2阶段是从种子吸胀到胚根突起。萌发过程受很多遗传、内源性和环境因素的影响，包括转录、翻译、细胞伸长、细胞周期活化、修复机制和细胞器重组等[1]。所有代谢过程都是由中心代谢途径产生能量及用于构造细胞和激素平衡的产物。传统的种子萌发研究方法包括野生型和突变体的酶活性检测和植物激素分析等。此外，代谢产物分析、转录组学和蛋白质组学与作图群体法相结合，对于研究种子从吸胀吸水到胚根突出萌发阶段的代谢调控机制具有重要意义。本文介绍了种子萌发过程中代谢物的重建和调控机制，尤其是中心代谢途径参与种子萌发及其调控作用。这可为建立种子萌发和幼苗生长生物标志物和预测模型的构建奠定基础[2]。

1 种子的萌发

正常种子发育的最后阶段，所有代谢和细胞过程都会休眠，种子进入干燥期。干燥种子进入贮藏蛋白质、代谢物和转录本的阶段。在非休眠种子的吸胀过程中，这些贮藏物在不同层次上参与种子萌发。有些贮藏物在种子成熟和干燥过程中起作用，如后胚胎丰富(late embryogenesis abundant,LEA)蛋白和脱落酸(abscisic acid,ABA)诱导蛋白或mRNA。水稻和大麦种子的贮藏物能在种子吸胀后的24 h内发生降解，以保证发芽的正常进行。其它一些mRNA和贮藏蛋白质则在种子发芽过程中起作用，这些mRNA在种子脱水过程中发生转录贮藏于种子中，在种子萌发过程中翻译成蛋白质。抑制mRNA的转录过程并不会使种子萌发终止，但其翻译过程被抑制则能使种子萌发终止，可见贮藏mRNA的重要性[3]。目前，已在拟南芥中发现了12 470种贮藏mRNA，这些mRNA的转录延迟会导致种子萌发延迟，这说明mRNA的转录是幼苗生长和植物构建所必需的。贮藏mRNA超过25%与代谢相关，这些代谢相关基因在种子吸胀过程中，其丰度发生很大变化[4]。

2 萌发早期的吸胀机制

干燥种子的吸胀是种子萌发的起点，首先是一个快速被动吸水过程，然后是一个延迟吸水过程，最后又进入快速吸水过程。吸胀过程中，相对于转录组有限的代谢变化，代谢库的丰度变化更多。通过代谢库的代谢活动维持蛋白质的产生、细胞生长和分裂。然而，种子吸胀过程中代谢快速恢复的另一个重要作用是产生氧化还原状态，促进酶的活性和能量产生，以保证胚根突出。达到合适的氧化还原状态后，可平衡三羧酸循环的脱氢酶和线粒体电子传递链的活性，还可通过硫氧还蛋白活性，减少蛋白质二硫键形成。这些蛋白质修饰过程有助于促进蛋白酶和淀粉酶的敏感性，促进蛋白质和淀粉的降解[5]。

吸胀过程中，种子也会增加一定量的氧，这会导致活性氧(reactive oxygen species, ROS)的积累和氧化还原状态的改变。尽管活性氧的积累是有害的，但近期研究表明，活性氧信号参与种子萌发的活化过程。例如，缺乏活性氧清除系统的突变体表型为没有休眠过程，而缺乏NADPH氧化酶的突变体要比野生型有更长的休眠期。此外，拟南芥萌发种子所含的贮藏蛋白质、糖酵解酶、线粒体ATP合成酶、核酮糖二磷酸羧化酶、醛糖还原酶、蛋氨酸合成酶和很多分子伴侣中存在特殊的ROS诱导羰基化模式。蛋白质羧基化的特殊模式在种子萌发信号转导和调控过程中起重要作用。ROS通过细胞壁降解和细胞程序性死亡参与胚乳的弱化，这些都是胚根突出的基本调控过程[6]。

3 萌发早期的能量代谢及其调控

3.1 糖酵解和三羧酸循环途径

ATP在种子吸胀前6 h上升，然后达到稳定值。ATP的产生能力很大程度上反映代谢活性，并与发芽率和幼苗生长密切相关。种子吸胀早期伴随着氧气的吸收和二氧化碳的释放，这表明细胞存在呼吸作用。呼吸作用途径包括碳水化合物的酵解和脂肪酸的β氧化，它们的产物可参加到三羧酸循环中为线粒体电子传递链提供能量，并反过来继续产生ATP。燕麦种子吸胀8 h后，其6-磷酸葡萄糖激酶含量增高10倍，拟南芥6-磷酸葡萄糖激酶和6-磷酸果糖激酶含量增高7倍。吸胀种子积累6-磷酸葡萄糖可为种子萌发储备能量。从吸胀一开始到胚根突出，线粒体会运输蛋白质到内膜，包括热休克蛋白、三羧酸循环相关酶、电子传递链复合体和ATP复合体，线粒体嵴的数量也会增加[7]。

3.2 其它能量代谢途径

尽管种子吸胀的前几个小时会快速吸水并紧接着进行快速呼吸作用，但种子内部的氧条件并没有达到最优状态。在萝卜(Raphanussativus)、莴苣(Lactucasativa)，亚麻(Glycinemax)、大豆(Linumusitatissimum)和甘蓝(B.oleracea)等油料种子中，高氧条件下种子发芽与呼吸水平和能荷水平存在相关性，但低氧条件下并不相关。说明除氧之外还有更多的限制性因素。谷物种子在低氧条件下，发芽与呼吸水平和能荷水平不相关，因为有的吸胀种子的线粒体尚未完全发育成熟。说明种子还可能通过无氧发酵或其它途径为萌发提供能量。吸胀种子中丙酮酸被其它途径利用受阻时，就会激活无氧发酵途径。这种情况下，吸胀种子乙醇发酵途经会增加，乙醇脱氢酶转录上调表达。但是，乙醇发酵的有毒产物是种子萌发的一个限制因素[5]。

种子吸胀1 h后，苹果酸脱氢酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶会短暂上升然后下降，表明这些酶在种子萌发早期起重要作用。它们可将草酰乙酸最终转换为磷酸烯醇式丙酮酸，进而在丙酮酸激酶作用下转变为丙酮酸进行无氧酵解。研究表明，很多氨基酸可为萌发种子能量的产生提供底物。自由氨基酸会贮藏在干燥种子中，在种子吸胀的前几个小时被利用。拟南芥种子就会积累非蛋白氨基酸如伽马氨基丁酸(g-aminobutyrate,GABA)，板栗子叶中的GABA含量也十分丰富，能在萌发时转移至胚。GABA能促进吸胀种子的三羧酸循环，而缺氧有助于萌发期GABA的积累。GABA库对于吸胀种子在能量和氧气缺乏或贮藏库受限时，能起到重要的调控作用[8]。

4 萌发早期的营养物代谢及其调控

4.1 萌发早期的蛋白质代谢

蛋白质的重新合成对于种子萌发是必需的，但干燥种子的自由氨基酸不能满足种子萌发的蛋白质合成，所以吸胀过程中贮藏蛋白质要重新降解。贮藏蛋白质贮藏在双子叶植物的胚轴和子叶中的蛋白质贮藏型液泡(protein storage vacuole,PSV)中，谷物类种子贮藏在胚乳和糊粉层的PSV中。贮藏蛋白质首先降解的是胚中的蛋白质，并接着在胚中被利用。大麦萌发早期的氨基酸主要来自贮藏蛋白质和贮藏氨基酸，因为氨基酸合成基因要在吸胀48 h后才能表达。胚根突出之前，甲硫氨酸和S-腺苷甲硫氨酸含量会显著增加，但除了甲硫氨酸，其它氨基酸在吸胀前几个小时并不十分重要[9]。

4.2 萌发早期的淀粉和糖代谢

大多数种子贮藏淀粉的动员是在完全萌发后，但谷物种子的淀粉动员和降解是接着在萌发后的几个小时内。这个时期，大麦和水稻的淀粉酶和脂肪降解酶相关基因都上调表达。大麦种子编码氨基酸、寡肽和ATP运输体的基因在萌发的胚中高效表达，确保贮藏组织中氮源和能量的供应。豌豆胚和子叶中的淀粉酶活性也均有增加。贮藏淀粉的降解是被赤霉素诱导，而赤霉素是在胚中产生然后分泌到幼胚盾片和糊粉层中，在那里诱导淀粉酶和其它水解酶[10]。

棉籽糖家族的寡聚糖是大多数植物种子糖的贮藏形式，它们的降解需要α-半乳糖苷酶和转化酶。种子发育过程中棉籽糖积累在细胞质，而降解酶贮藏于PSV并在萌发过程中被释放出来。棉籽糖的分子小、可溶性好，比淀粉更容易贮藏。豌豆50%的棉籽糖在胚根出现后才被降解。大麦编码棉籽糖降解酶的基因和海藻糖生成基因则在萌发早期表达。棉籽糖和海藻糖，除了作为种子碳源的贮藏物外还可在种子中形成玻璃态，这可避免种子完全干燥从而保护细胞膜[11]。

4.3 萌发早期的脂代谢

拟南芥种子萌发早期，三酯酰甘油分解为脂肪酸和甘油。甘油通过3-磷酸甘油分流用于产生能量，这个时期的脂肪酶和3-磷酸甘油转录本增加。萌发延迟的种子缺少脂肪酶和3-磷酸甘油分流，而且不能被外源蔗糖所逆转。在萌发的第1阶段，高含量的蔗糖会抑制油脂降解，但吸胀3 d后糖含量不再影响脂降解。β-氧化和乙醛酸途径对脂肪酸转化为蔗糖至关重要，乙醛酸途径在种子萌发早期起重要作用。大麦和水稻的β-氧化酶转录本和蛋白质在吸胀前几个小时就增加，但通过转录组学对拟南芥种子研究发现，萌发过程中这些途径并没有增加[5]。

5 胚根突出前的代谢及其调控

狭义的种子萌发指的是胚根突出之前的种子代谢过程。种子萌发和幼苗生长之前的种子吸胀时间因植物种类、种子储存时间和环境条件而异。一般萌发发生在种子吸胀48 h后。萌发后很多在萌发早期的代谢过程会继续，但有些代谢过程出现较晚或会发生变化。

5.1 胚根突出前的能量代谢

种子萌发早期和后期的主要区别在于种子的含氧状态，另外对能量的需求也会增加，这会影响到碳水化合物的水平，比如贮藏葡萄糖和果糖含量先下降后上升，这表明它们正在被补充更新。胚乳中的糖酵解途径、三羧酸循环、电子传递链和脂代谢在吸胀后20 h开始占据主导地位，而在胚根中要等种皮破裂后，吸胀后38 h。拟南芥和水稻种子萌发过程中磷酸戊糖途径的6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶活性增加，在胚根突出前达到最高峰，两者的活性增加与种子休眠解除有关[12]。大麦种子吸胀后24 h，氧化磷酸化会上调表达，这表明线粒体还在继续发育。氧化磷酸化缺失突变体中，种子萌发和幼苗生长会延迟，这表明这些代谢过程需要很高的能量。拟南芥种子吸胀1 d萌发后接近胚根突出时，此时的氧含量非常高但发酵作用仍在进行，比如乳酸的丰度含量就很高。水稻种子萌发对缺氧耐受性高，与发酵途径相关蛋白质在吸胀后24 h含量逐渐增高，在胚根突出前达到最大值[13]。关于这些不同途径的相互作用及它们对能量库的输入比例尚需进一步的研究。

5.2 胚根突出前的蛋白质代谢

随着胚根突出，贮藏蛋白质降解为成长的胚提供新蛋白质合成的氨基酸和细胞代谢物。研究表明，种子萌发抑制剂ABA并不是通过阻止脂肪动员降解，而是通过阻止贮藏蛋白质降解而抑制萌发，可见贮藏蛋白质降解的重要性。这种抑制作用可通过补充碳源和氮源部分缓解，而蛋白质降解的终产物氨基酸会抑制蛋白质降解。豌豆胚中的蛋白质会受到氨基酸的负反馈调控，为加速蛋白质的降解，萌发的种子会重新合成新的蛋白酶。例如，黑绿豆(Vignamungo)半胱氨酸内肽酶参与贮藏球蛋白的降解，在吸胀4 d后达到最高峰然后下降。多胺包括腐胺、亚精胺、精胺和酪胺在萌发能力差的种子中含量高，但在萌发能力高的种子中含量低。胺结合物在可萌发的种子中含量丰富，但在萌发过程中其含量会迅速下降，它们作为胺的贮藏库在需要时释放出来[7]。

5.3 胚根突出前的脂代谢

种子大部分贮藏组织中油脂的降解是在种子萌发后开始的，但胚胎干细胞中有一部分油脂在萌发过程中被利用，与贮藏蛋白降解方式相似。脂肪酸的β氧化和乙醛酸途径大多数发生在乙醛酸循环体，它是种子中的一种特殊过氧化物酶体。在干燥种子中，它以小的未完全发育成熟的形式存在；当种子萌发时，它逐渐生长并积累乙醛酸循环特殊的蛋白质如苹果酸合酶和异柠檬酸裂解酶。其它脂降解和脂利用途径相关酶如顺乌头酸酶、过氧化氢酶等是在胚根突出之前积累。过氧化物酶体中的柠檬酸合成酶，催化乙酰辅酶A通过乙醛酸途径形成柠檬酸的过程，是拟南芥种子萌发过程中必不可少的。而拟南芥缺少编码此酶的基因突变体就不能萌发，这可能与缺少能量有关[14]。

6 胚根突出后的代谢及其调控

胚根突出前的代谢变化为种子萌发提供了能量和形态构造的区域。萌发过程，胚根要延伸突出种皮。研究表明，胚根周围的胚乳是很多植物萌发的调控因素。拟南芥胚乳中呼吸代谢途径要比胚根中发生的早，此过程中细胞壁的代谢对于胚根延长和胚乳弱化起重要作用。水稻中大多数与细胞壁有关的代谢、转录和蛋白质合成都是在种子吸胀12～24 h内发生。细胞壁水解酶是胚乳弱化的重要因素，胚乳珠孔β-甘露糖酶的表达能水解细胞壁主要成分甘露聚糖。此外，还在胚乳帽中发现了β-1,3-葡聚糖酶、木葡聚糖内切酶和扩展蛋白。而ABA抑制萌发可能就是通过下调与胚乳弱化密切相关的ATP生成过程[15]。

7 展 望

种子萌发阶段的代谢变化，对于了解种子萌发物质代谢的动力学机制及其调控和协调机制具有重要意义。未来，将通过代谢调控网络和通量分析对种子萌发过程中起关键作用的组分如基因、通路和代谢物进行鉴定，并通过突变体、转基因研究和同位素分析等方法进行验证。这可为建立种子萌发和幼苗生长生物标志物和预测模型的构建奠定基础[16]。由于自然界不同植物的种子结构、生理和代谢存在差异性，还需要进行种子的物种特异性研究。这些研究对于明确种子进化、结构和萌发分子机制等生命系统组成的基本原则具有重要意义，同时可应用于种质的分子改良，并将种子作为转基因产物生产的优良平台。

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Metabolism and its Regulation Mechanism in Seed Germination

YANGHanlin,ZHOUFeng,HUAChun

2016-05-23

国家高技术研究发展863计划(编号：2012 AA 021701)；江苏省自然科学基金青年基金项目(编号：BK 2012073)；江苏省生态学重点学科建设项目(编号：2012)和南京晓庄学院农产品质量与安全重点实验室(2015)。

杨寒霖(1995—)，男，四川广元人；本科，主要从事植物生理生化研究。

周 峰(1978—)，男，山东淄博人；博士，副教授，主要从事植物生理生化研究；E-mail：zfibcas@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.09.054

Q 945.34

A

1001-4705(2016)09-0054-04