氨基酸trna合成酶(黄精种子休眠及休眠解除研究进展)

黄精种子休眠及休眠解除研究进展

种子休眠是指具有生活力的种子在适宜的萌发条件下不能萌发（发芽）的现象［吉山花瑶］。大多数植物种子或强或弱的具有休眠特性。休眠程度可反映出种子萌发所需的包括温度、水分、光照与氧等一系列的环境要求，亦可反映出种子休眠程度［７８］。许多药用植物种子具有休眠现象，在中药材的生产和研宄过程中，种子休眠这一特性成为药用植物快速、高效育苗的障碍，给中药材育种和栽培带来了很大影响，探索药用植物种子休眠机理，打破种子休眠是药用植物育苗的关键环节。休眠种子在萌发的过程中，一般除需要普通种子萌发的条件（如光照、水分、氧气等）外，还必须经过特殊处理。分析种子的休眠原因是打破种子休眠、促进种子萌发的前提条件［７９］。本章节对种子休眠的类型、休眠机理及打破药用植物种子休眠的常用方法进行综述。

１种子休眠的类型

合理的分类是正确认识事物和解决问题的前提和基础。在种子生物学研究中，人们通常将植物种子休眠归为两种休眠类型，第一类是由内在原因引起的，称胚休眠，主要是因为胚需后熟期［青钱柳］即胚发育尚未完成，生理上未成熟，或缺少必须的激素或存在抑制萌发的物质，使得胚的活力降低，胚部本身存在一些生理障碍，例如银杏、山楂、梨、苹果、小麦等种子。第二类是由外在原因引起的，称种壳休眠，即胚以外的种皮、果皮或胚乳等各种组织的限制，包括种壳的机械阻碍、不透水透气性以及种壳中存在萌发抑制物等［吉山花瑶］，例如椴树、苜蓿、三叶草种子。然而，实际上有些种子同时存在２种休眠类型，即现在许多科研工作者所提出的综合休眠型。

种子休眠的原因复杂多样，所以根据不同的分类标准，种子休眠也可以有多种不同的分类方式。Ｈａｉｐｅｒ［８３］将种子休眠划分为三大类型：固有休眠、强迫休眠／生态休眠和诱导休眠。Ｇｕｂｌｅｒ等［８４］将休眠分为初生休眠和次生休眠两大类，分别类似于Ｈａｒｐｅｒ所述的固有休眠和诱导休眠。著名种子休眠生理学家Ｂａｓｋｉｎ认为这些只是对不同休眠状态的描述，而不是合适的分类。Ｎｉｋｏｌａｅｖａ［８５］发现种子的形态学和生理学的性质决定休眠的类型，Ｂａｓｋｉｎ在其基础上提出一种较为完备的种子休眠分类体系［８６］：分为生理休眠、形态休目民、形态生理休眠、物理休眠和联合休眠五大类（植物种子休眠分类检索见表１－２）。可见，旧的分类法似己不合宜，一个广泛认同的种子休眠类型分类系统随着研宄者的研宄角度及深度一直有所变化和争议。同时，植物种子休眠是植物适应各种因素以保持其自身繁殖、发展而形成的一种生物特性，其多样性也是生物多样性的一个体现［８７］。

２种子休眠机理

学术界对种子休眠机理的理解主要有两个学派。古典学派认为休眠是由激素控制的，支持它的研宄结果有：（１）休眠的起始、控制和终止均明显受生长抑制剂和生长促进剂间的平衡调节；（２）休眠阶段改变（从休眠到活化状态，从活化状态到休眠）虽未完全研究清楚，但其很可能是由环境因素引起，这些环境因素通过植物激素如ＩＡＡ、ＧＡ、ＡＢＡ、乙烯等的传导而影响休眠阶段的改变。法国学派认为休眠是一个复杂的过程，在此过程中，激素只起表面的作用，认为种子的休眠是由许多外部和内部因素控制的一个非常复杂的过程，这些因素可自发地进行调节，从而创造了一个能否发芽的生理状态［Ｍ］。在长期研宄和实践的基础上，学者们提出了多种学说，如激素控制学说、代谢物调节学说、基因表达调节学说、呼吸系统改变学说、光敏色素系统控制学说、能量调节学说等，试图来说明种子的休眠机理。

２．１激素控制学说

１９７５年，美国学者Ｋｈａｎ提出植物激素“三因子”学说，即萌发促进物赤霉素（ＧＡ）、细胞分裂素（ＣＴＫ）和萌发抑制物脱落酸（ＡＢＡ）之间的相互作用决定种子的休眠与萌发，不同激素状况对应着不同的生理状态。ＡＢＡ的存在和ＧＡ3的缺乏，可以引起种子休眠，ＧＡ3是解除休眠促进发芽的主要因子，对于种子的萌发是必需的。ＧＡ被称之为动员和利用胚乳物质的激素，它能有效的促进大分子物质降解，诱导多种酶的释放，打破胚乳对胚根突破种皮的限制等，进而促进不休眠的种子萌发，打破休眠种子的休眠。这己在番茄、烟草和大麦等植物中得到了证实只有当ＡＢＡ存在时，ＣＴＫ的存在才是必需的。ＡＢＡ可诱导种子休眠，它对胚芽鞘的伸长，植物中糖的代谢速度和ａ－淀粉酶等酶的活性都有不同程度的抑制作用，影响核酸与有关蛋白质的合成，抑制萌发。ＣＴＫ可以减缓抑制剂ＡＢＡ对ＧＡ3的抑制作用，使ＧＡ３的作用得以实现，此３种激素相互作用，决定着种子的休眠与萌发。Ａｍｅｎ进一步发展了促抑物之间作用的观点，提出了种子休眠的激素控制模式，认为种子休眠状态决定于内源抑制物与促进物的平衡，当两者的平衡趋于抑制时发生休眠。休眠种子需要外界条件刺激促进内源激素活化，然后在活化的激素作用下使潜在的酶系活化，最后全部代谢活性恢复，导致种子萌发。

常见的激素除ＡＢＡ、ＧA3和ＣＴＫ外，还有ＩＡＡ（生长素）和ＥＴＨ（乙烯）。一般认为ＩＡＡ和种子休眠关系不大，而ＥＴＨ能促进多种种子萌发，并和其它激素共同作用调控种子的休眠与萌发，但是研究中使用的材料都是不需要低温处理的种子，对于需要低温处理打破休眠的种子，乙烯是不起作用的。也有研宄认为乙烯即使能促进某个物种非休眠的种子的萌发，但它不能完全破除休眠种子的休眠。

２．２代谢调节学说

１９７７年，Ｈａｎｄｒｉｃｋ等提出种子休眠的解除和呼吸途径有关。在解除休眠的发芽种子中，糖酵解（ＥＭＰ）途径和三羧酸循环（ＴＣＡ）途径是常规的呼吸代谢途径，还有磷酸戊糖途径（ＰＰＰ），而且它是生物利用能量的主要途径。磷酸戊糖途径可以产生ＤＮＡ、ＲＮＡ的前体物质，这些物质也是种子发芽所必须的。当种子呼吸途径转为ＰＰＰ时，意味着种子由休眠向萌发过程转变。这在休眠和不休眠燕麦品种种子和西洋参种子萌发研究中均得到了验证，即呼吸代谢途径由ＥＭＰ／ＴＣＡ转向ＰＰＰ。其中，磷酸己糖异构酶、６－磷酸葡萄糖脱氢酶和苹果酸脱氢酶分别是糖酵解（ＥＭＰ）途径、三羧酸循环（ＴＣＡ）途径和磷酸戊糖途径（ＰＰＰ）的关键性酶之一。所以，在休眠和发芽过程中，通过这些代谢酶的活性测定，可以进一步了解三种呼吸途径的状态，更有助于理解种子休眠的机理，从而寻找解除休眠的更好方法。蛋白质、淀粉、脂肪等主要贮藏物质是种子萌发生长的营养物质和幼苗早期生长的能量来源。当种子从休眠状态进入吸胀萌动阶段时，首先将胚部或胚轴中的可溶性糖、氨基酸以及少量的贮藏蛋白用于生长，而后在相关代谢酶的催化下将贮藏物质分解成可溶性的小分子物质并输送到胚的生长部位。如阿月浑种子萌发过程中种子的干重、粗脂肪及贮藏蛋白的含量在子叶中均下降，而在幼苗胚轴中则有所上升，可溶性糖的含量先下降后上升，说明贮藏物质变化总趋势是从子叶进入幼苗胚轴中。王家源等研宄显示，青钱柳种子层积过程中主要贮藏物质粗脂肪、淀粉、可溶性蛋白的含量均下降，可溶性糖的含量不断增加，而相应的脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶活性都有不同程度的增加。说明在层积过程中於藏物质不断地被相应的水解酶分解代谢，为萌发做物质动员。

２．３基因调控学说

有学者认为，休眠期间的植物器官进行着核酸代谢，并认为休眠是由于ＤＮＡ活性下降或受到抑制，或是由于蛋白质合成过程中ＲＮＡ活性下降或受到抑制，并且还推论器官休眠至少是缺乏某种ｍＲＮＡ。杨孝汉等［青钱柳］试验结果表明玉兰种子在休眠解除的初期，蛋白质的合成是由种子预存的ｍＲＮＡ翻译进行的，即种子休眠的解除在早期受到翻译水平的抑制，以后新ＲＮＡ合成产生，标志着转录水平开始参与休眠的调节。对休眠种子使用激动素或赤霉素，可提高合成酶的活性；联合使用这两种激素更能提高合成酶的活性．对经过处理的胚，若使用ＡＢＡ，则抑制这种活性。低温期间添加６－甲基嘌呤显著地抑制这种酶，说明在解除休眠期间氨基酸ｔＲＮＡ合成酶活性增加，可能是由于遗传材料的去阻遏引起ＲＮＡ转录增加，接着合成酶的转译増加［吉山花瑶］。这些结果很好地协调了在休眠解除调节作用中的转录和翻译过程。基因信号的传导对解除种子休眠也有很重要的影响。活性氧（ＲＯＳ）可作为“第二信使”以氧化信号传导在植物中引起作用，例如氢氰酸在刺激休眠的向日葵种胚萌发时，有多种关系着活性氧（ＲＯＳ）的产生和信号传导的基因表达，这一过程增加了过氧化氢和超氧化物阴离子对胚轴的影响，促进了种子萌发。迄今为止，基因调控学说在解释控制和解除种子休眠的机理方面己经取得显著的进展，但尚未能够普遍应用，仍需进一步研宄。

２．４次生代谢物抑制学说

研宄已证明许多植物的休眠是除激素以外的次生代谢物造成的，现已发现的此类植物发芽抑制物有香豆素，生物碱，有机酸，酚类，脱落酸，内酯，咖啡酸，茉莉酸及阿魏酸等。如甜菜、西洋参种子中含有多种有机酸、亚胺以及高浓度的离子。杨晓玲在对山楂种子的休眠研宄中认为酚类物质含量低，在利于种子萌发。所以次生代谢物也不完全都属于代谢抑制物质。

３药用植物种子休眠解除方法

ＰＤ、ＭＤ、ＭＰＤ、ＰＹ和ＰＹ＋ＰＤ五种休眠类型的种子，采取的休眠解除措施也各不相同。常用方法有：①物理方法，包括：机械处理、温度处理（高温、低温、变温）、干藏干热及射线、超声波、电场和磁场处理；②化学方法，包括：激素处理、无机化学试剂处理和有机化学药剂处理；③综合处理方法。ＭＤ型休眠种子较少，无需特殊处理，仅需要一段时间让胚生长至足够的体积种子便能萌发，在适宜条件下，刚采收的种子，其种胚在几天或１～２周后便开始生长，约３０ｄ内即可萌发。层积处理能有效促进种子胚结构发育完整，厉彦森等对明党参进行研宄发现，对明党参层积处理，初期处于球形胚阶段，一段时期后，多数种子的胚开始伸长，长出胚根，层积后期，出现２片子叶，并逐渐增大，胚乳逐渐缩小，到后期胚乳完全消失，种子萌发。在自然温度下，种子需要很长的时间来完成胚的形态后熟，因此，明党参种子休眠的主要原因是形态后熟。经过５°Ｃ层积４５ｄ后，明党参种子可发芽完全；而在１０～１５°Ｃ下种子则发芽更加迅速。其它ＰＤ、ＭＰＤ、ＰＹ和ＰＹ＋ＰＤ四种休眠类型的药用植物种子及其休眠解除处理方法，

４形态生理休眠（ＭＰＤ）

ＭＰＤ型休眠种子即生理形态休眠类型，植物种子既没有完整的胚结构又存在萌发抑制物，使得种子不能正常萌发，只有当胚生长到特定长度且生理休眠也被解除之后种子才可能萌发。此类型常存在于木兰科、毛茛科、罂粟科、马兜铃科、小檗科、冬青科、伞形科、五加科、百合科、天南星科等植物类群中，如重楼、刺五加、黄连等。打破此类种子休眠需除去种子内萌发抑制物，并通过适宜的条件使植物种子形成完整胚结构。解除该类休眠可能需要不同温度的层积处理（层积指将种子置于湿润的基质，常以沙作为基质）。层积分高温层积（温度范围１５～３５°Ｃ，其中２０～２５°Ｃ最常用）和低温（温度范围０～１０°Ｃ，其中５°Ｃ左右最常用）层积。Ｂａｓｋｉｎ基于植物生理生态学方法，即具有ＭＰＤ种子的植物生活型和该植物种子从成熟落地到萌发期间的环境温度变化，来解除休眠对种子进行分类。从植物生活型来说，在自然环境下，夏型一年生植物（生命周期在春夏秋之间，春天发芽夏秋开花结果）种子休眠的解除发生在冬天，一般需要低温层积来解除休眠，大多数多年生植物与夏型一年生植物一致；冬型一年生植物（生命周期在秋冬春之间，秋天发芽春天开花结果）种子若具休眠，其休眠的解除一般发生在夏天，常需高温层积来解除休眠，部分多年生植物的ＭＰＤ种子与冬型一年生植物一致。Ｂａｓｋｉｎ根据可以解除生理休眠和满足胚生长的条件，以及赤霉素ＧＡ3是否有助于休眠的解除，将形态生理休眠分为８个类型，