激素对草本植物种子休眠_萌发的影响_于晓丹
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150-16001/2014
草 业 科 学
PRATACULTURAL SCIENCE
31卷01期
Vol.31,No.01
DOI:DOI:10.11829\j.issn.1001-0629.2013-0006
激素对草本植物种子休眠、萌发的影响
于晓丹,毛培胜
(中国农业大学草业科学系,北京100193)
摘要:随着我国草产业的快速发展和草种子需求量的不断增加,草种子的品质差和产量低已成为我国草业发展的
瓶颈。
研究植物种子休眠和萌发规律是提高种子品质和产量的前提之一,对于保障草种业的健康发展具有重要
意义。
植物激素是调节种子休眠、萌发的关键因子,其与种子休眠、萌发的关系一直是种子生理生化研究的热点。
本文旨在综合激素对草本植物种子休眠、萌发影响的研究结果,为进一步分析各种激素间相互作用的机理、揭示
植物种子休眠与萌发的生理机制奠定基础。
关键词:激素;赤霉素;生长素;脱落酸;萌发;休眠
中图分类号:Q945.3 文献标识码:A 文章编号:1001-0629(2014)01-0150-11*
Effects of Hormone on grass seeds’dormancy and germination
YU Xiao-dan,MAO Pei-sheng
(China Agricultural University,Department of Grassland Science,Beijing 100193,China)
Abstract:With the rapid development of the grassland industry in China and the increasing demands forgrass seeds,the improving of quality and yield of grass seeds have become bottleneck during grass industrydevelopment.It is much important to lucubrate the rules of the grass seeds’dormancy and germinationwhich is one of the premises for quality and yield of grass seed improvement and grassland industry devel-opment.Hormone is one of the key factor for regulating seeds’dormancy and germination which is alwaysa hot topic in seed physiology and biochemistry studies.This paper explore the hormone roles in grassseeds’dormancy and germination to further analysis the interaction and physiological mechanism of differ-ent hormones and grass seeds’dormancy and germination.
Key words:hormone;GA;IAA;ABA;germination;dormancy
Corresponding author:MAO Pei-sheng E-mail:maops@cau.edu.cn
近年来,随着人民生活水平的提高和我国畜牧业的迅速发展,截至2010年,栽培草地面积达1 181万hm2,改良种草855万hm2[1]。
计划在2015年,新增种草和改良草原面积达到2 000万hm2,使栽培草地面积占天然草地的10%[2]。
同时,我国草坪业发展迅速,草坪建植面积不断扩大,草坪草种子进口数量于2011年达到3.14万t,2012年1―10月进口种子达到3.18万t(根据海关统计)。
“十二五”期间,预计我国牧草和草坪草种子的需求量将进一步扩大,因此,掌握和了解种子的发育成熟规律,生产大量的优质草种子,不仅可保障我国草产业发展对于草种子供给的需求,而且可避免由于不合理的收获、贮藏加工导致种子品质下降以及不科学种植导致的建植失败,对于降低生产经济损失和草业健康发展具有重要意义。
植物激素是由植物自身代谢产生的一类有机
*收稿日期:2013-01-04 接受日期:2013-09-26
基金项目:国家“十二五”科技支撑计划课题(2011BAD17B01-02);现代牧草产业技术体系(CARS-35)
第一作者:于晓丹(1984-),女,河南郑州人,在读博士生,研究方向为牧草育种与良种繁育。
E-mail:414042892@163.com通信作者:毛培胜(1970-),男,内蒙古锡林郭勒人,教授,博士,研究方向为牧草育种与良种繁育。
E-mail:maops@cau.edu.cn
01/2014草 业 科 学(第31卷01期)
物质,自产生部位移动到作用部位,在极低浓度下就有明显生理效应的微量物质,也被称为植物天然激素或植物内源激素。
目前,公认的植物激素有六大类,即:生长素(Auxin,IAA)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(Abscisic Acid,ABA)、乙烯(Ethyne,ETH)和油菜素甾醇(Brassinos-teroid,BR)。
植物激素是调节种子休眠、萌发的关键因子,其与种子休眠、萌发的关系一直是种子生理生化研究的热点。
随着分子生物学的快速发展,植物激素分离与测定方法的完善以及大量突变体的发现,在种子休眠和萌发过程中,单个激素的调控作用及激素之间相互作用关系的机理也日益明确。
本文旨在综合激素对草本植物种子休眠、萌发影响的研究结果,为进一步分析各种激素间相互作用的机理、揭示植物种子休眠与萌发的生理机制奠定基础。
1 激素对草本植物种子休眠的影响
种子休眠是植物在长期系统发育过程中获得的一种抵抗不良环境的适应性,指的是具有活力的种子在适宜的萌发条件下仍不能发芽的现象。
种子休眠受种子内部植物激素的调控和外部环境因子的影响,是自然界较为普遍的一种生理现象,是一个十分复杂的生理过程。
Donohue等[3]发现,种子休眠水平低会导致种子提前萌发和种苗死亡。
同时Gubler等[4]研究发现种子休眠水平低可以触发谷物在收获前萌发,导致谷物产量降低,造成经济损失。
植物种子休眠性过强,会导致种子萌发推迟,减少生长季的长度。
例如:栽培草地出现出苗参差不齐、杂草难于防治、草产量降低等问题,严重影响栽培草地的经济价值。
因此,对种子休眠机理的研究不仅有理论上的意义,而且有重要的实用价值。
1.1 脱落酸对种子休眠的调控
目前,调控种子休眠的分子机制尚不完全清楚。
但是基于遗传学和生理学研究,初步认定植物激素ABA是诱导、维持种子休眠的必要因子。
例如:Hilhorst[5]、Kucera等[6]试验证明ABA在诱导种子休眠和维持吸胀种子休眠状态上有积极作用。
遗传学研究方面,成熟的拟南芥(Arabidopsisthaliana)种子中,对ABA不敏感的突变体abi1、abi2和abi3休眠性降低,ABA缺乏的突变体aba1、aba2和aao3无休眠性[7-12]。
ABA生物合成基因过量表达促进ABA积累和种子休眠,ABA缺乏,突变体种子休眠性降低[13-16]。
ABA降解基因CYP707A2在种子吸胀时的ABA分解代谢过程中有重要作用,这个酶缺乏的突变体展现了种子中ABA积累量增加则种子休眠性增强的现象[17-19]。
Debeaujon等[20-21]发现原花青素(Proanthocyani-din,PA)突变体休眠性降低,深入分析发现野生型和突变体不同的休眠性是与GA需求水平不同相互联系的。
Nakabayashi等[22]研究发现DOG1作为休眠的主要调控因子,影响ABA和GA激素水平及其代谢的基因转录水平。
GA生物合成的减少可能是由于DOG1非直接作用。
与之相似的是,吸胀过程中DOG1可能非直接地增强ABA的生物合成,通过原位杂交可以看到,种子成熟过程中ABA和DOG1主要分布在胚胎维管束中。
研究发现DOG1蛋白水平的提高与ABA水平的提高有联系,然而ABA缺失会导致DOG1水平的提高。
这意味着DOG1与ABA之间存在负反馈调节,这有可能对种子休眠水平的细调有作用。
总的来说,ABA和DOG1通过各自独立的途径调控休眠,但是它们可能有共同的下游目标。
Yano等[23]研究发现后熟过程中不仅ABA水平会受影响,GA、茉莉酸(Jasmonic Acid,JA)、水杨酸(Salicylic Acid,SA)、异五稀基腺嘌呤[N6-(Δ2-isopentenyl)Ade-nine,iP]都会受到影响;利用CYP707A2-1和GA1-3突变体进行遗传学深入分析表明,CHO1作用于ABA下游,抑制种子吸胀时GA的生物合成,进而影响种子休眠。
生理学研究方面,Finch-Savage和Leubner-Metzger[24]根据激素对种子休眠的影响,将生理学上的种子休眠分为胚胎休眠、种皮休眠和胚乳休眠,如ABA主要通过抑制胚根突出和胚乳断裂调控种子休眠[25-27]。
Lefebvre等[28]研究发现9-顺式环氧类胡萝B素双加氧酶(9-cis-epoxycarotenoid Dioxy-genase,NCEDs)中NCED6和NCED9是拟南芥种子休眠时ABA生物合成必须酶,拟南芥种子休眠时,清除ABA生物合成关键步骤过程中的9-顺式环氧类胡萝B素,使其变成NCEDs。
另外,Chi-wocha等[29]、Beaudoin等[30]、Ghassemiana等[31]、Linkies等[32]研究表明乙烯可以通过影响ABA水平和ABA信号来控制种子休眠。
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1.2 激素对种子休眠解除的影响
1.2.1 种子休眠解除过程中植物激素的变化 种子休眠的解除需要低温吸胀或者干燥储存。
因为干种子水分含量低,活跃的新陈代谢过程受到阻止,所以种子后熟过程中休眠的解除是一个有趣的过程。
已有研究发现种子休眠解除过程中ABA等激素含量及敏感性发生变化。
Ali-Rachedi等[33]、Yamau-chi等[34]研究表明低温吸胀涉及到ABA和GA含量与敏感性的改变,但是通过改变激素来解除种子休眠的精确机制尚不清楚。
Xu等[35]研究发现百合(Lilium rubellum)鳞茎储存过程中内源ABA水平的降低与休眠解除有关系。
浦心春等[36]研究采用间接酶联免疫吸附法测定结缕草(Zoysia japonica)休眠种子与打破休眠种子在发芽处理过程中ABA含量的变化。
在每克休眠种子中,颖苞和籽粒中的ABA含量分别为4.533和2.403μg,但以籽粒中ABA含量对休眠的诱导起主要作用;休眠的解除随ABA含量的下降而增强。
孙跃春等[37]通过气相色谱法测定了马蔺(Kalimeris indica)种子去除种皮前后和在预冷处理过程中的激素变化,发现种子去除种皮后ABA含量降低,在预冷处理过程中GA3和玉米素Z含量上升,结果表明激素的变化可能与种子休眠状态有关。
近几年,随着研究技术的发展,科学工作者深入研究控制ABA等激素分解代谢的相关基因,从分子角度探讨种子休眠解除的精确机制,已经取得一定成果。
徐文娟等[38]在研究低温层积法解除滇重楼(Paris polyphylla)种子休眠的过程中发现,ABA分解代谢关键基因CYP707A、催化有生物活性ABA合成的关键酶NCED、GA生物合成限速酶GA20ox2、GA20ox3和PP2C家族成员ABI2基因在胚和胚乳中表达有差异,CYP707A在低温层积后表达水平显著高于高温层积,尤其是在胚中,而NCED、GA20ox2、GA20ox3和ABI2在高温和低温层积后均有较高的表达水平,且在胚中的表达水平高于胚乳。
1.2.2 激素等对种子休眠解除的作用 外源添加GA、IAA、ETH、ZA等激素对种子休眠解除有重要作用。
李海峰等[39]在研究滇重楼种子休眠解除时发现,在无菌培养条件下,培养基中添加植物激素GA、玉米素核苷(ZR)、IAA对滇重楼种子休眠解除有重要作用。
Conversa等[40]研究了后熟、层积、
GA3处理对龙须菜(Asparagus acutifolius)种子休眠解除的影响,研究发现采用玻璃罐后熟处理种子萌发率为47.5%,比纸袋处理(12%)的效果好;28d层积处理没有效果,56d层积处理的种子具有最高、最快、最一致的发芽率;GA3处理提高种子发芽率的能力有限。
后熟、层积处理与激素处理实质相似,通过影响种子新陈代谢和生理变化来快速降低ABA含量和ABA敏感性,增加GA敏感性。
Scip-pa等[41]采用层积处理、冷冻处理、热激处理3种方法研究海苜蓿(Medicago marina)种子休眠时发现,处理种子ABA水平高于未处理的种子,海苜蓿可能具有一套特殊的ABA信号途径调控种子休眠。
Goggin等[42]研究发现ABA生物合成抑制剂氟啶酮对打破黑麦草(Lolium rigidum)种子休眠有效果。
CTK可以促进多种植物种子休眠的解除,杨荣超等[43]总结认为CTK对种子休眠的解除作用主要是通过提高ETH的生物合成来促进休眠的解除和随后的萌发。
Wood等[44]在研究紫锥花属(Echi-nacea)植物种子时发现层积处理与对照相比,种子中ETH含量无显著性差异,ETH不是种子休眠解除所必需的激素。
同时,Khan等[45]研究发现ETH对盐土植物种子休眠解除无显著作用。
然而,Siri-witayawan等[46]、Matilla和Matilla-Vázquez[47]研究ETH缺乏的突变体时发现这些种子与野生型种子相比具有更高的休眠性。
因此,可以继续深入探讨ETH在种子休眠解除中的精确作用机制。
2 激素对植物种子萌发的影响
种子萌发始于干种子吸水后,涉及到一系列重要的生物过程———DNA修复、转录、翻译[48]。
除水分外,适宜水平的光照、温度、氧气等环境因素有助于种子萌发。
另外,Bewley[49]、Zhou等[50]、Bethke等[51-52]研究表明种子萌发是一个复杂的过程,涉及到很多信号———ABA、GA、ETH、一氧化氮(NitricOxide,NO)、过氧化氢(Hydrogen Peroxide,H2O2)。
并且这几种激素之间通过不同的信号途径相互调节,共同完成种子萌发这一复杂的生理过程。
2.1 激素对种子萌发的调控
Yamaguchi[53]研究发现,双子叶植物中GA生物合成不足的突变体的种子萌发受损。
Nambara等[54]、Jacobsen和Olszewski[55]研究发现GA生物合成抑制剂多效唑和烯效唑对种子萌发有抑制作
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用。
1980年Koornneef和Vander Veen[56]发现拟南芥GA缺陷型突变体如ga1-3和ga1-2的有活力种子在适宜的发芽条件下不能萌发。
Ariizumi和Steber[57]在研究GA信号基因SLY1和RGL2在调控拟南芥种子萌发方面的作用时发现,GA是植物种子萌发必须的激素。
这些有力地说明了GA在促进种子萌发方面有重要作用;种子萌发时,GA生物合成基因上调[58],这表明种子吸胀后胚根突出种皮需要新的GA合成,GA含量的高低决定着种子能否萌发。
Ogawa等[59]为了研究GA是怎么刺激种子萌发的,利用气象色谱分析法、质谱分析法,基于DNA微阵列的寡核苷酸分析法完成了GA生物合成和反应的综合性分析;此外,通过原位杂交评价GA生物合成和反应的空间相关性,鉴定了一些转录子;GA调控基因的子集表达与内源性GA水平增加一致,这在胚根出现前发生;原位杂交分析表明GA应答基因的表达并不局限在预测GA生物合成的位点,意味着拟南芥种子萌发过程中GA或者GA信号在不同的细胞类型中传输。
GA生物合成突变体ga1-3中,RGL2mRNA水平在低温吸胀时增加,并且将种子转移到高温环境时其依然维持较高水平,当加入GA时,RGL2转录水平迅速下降,种子萌发能力提高[60],这些证据表明RGL2是DELLA蛋白家族的重要成员,是种子萌发的负调控因子,GA3可通过增强蛋白酶体介导的RGL2降解来促进种子的萌发。
野生种子萌发前RGL2蛋白消失,这与模型一致。
此模型是GA通过引起SCFsly1E3泛素连接酶复合物启动泛素化和RGL2破坏刺激萌发。
与ga1-3不同的是,GA3不敏感的sly1突变体表现出变异的种子休眠。
预计如果RGL2抑制种子萌发,发芽好的sly1突变体种子与不发芽的种子相比应该积累较低水平的RGL2。
令人惊讶的是,RGL2积累较高水平的甚至是后熟的sly1突变体种子有100%的发芽率,这意味着在sly1背景下,RGL2消失不是种子萌发的必要条件。
可能是因为sly1突变体种子后熟导致抑制种子萌发的RGL2因子失活,sly1与ga1-3相比,突变体种子中积累的GA诱导基因增加。
另外,Lee等[61]利用水杨酸缺失的种子sid2,通过调控拟南芥高盐条件下的抗氧化活性,研究水杨酸促进种子萌发的生理机制,发现在正常生长条
件下,水杨酸可对种子萌发不重要,但是在高盐条件下,水杨酸可减少氧化损伤,促进种子萌发。
Pen-field等[58]研究胚胎和胚乳ABA信号突变体时发现种子萌发中ABA活动的空间特异性,单细胞胚乳层在调控拟南芥种子萌发上有积极作用。
2.2 植物激素对草种子萌发的促进作用
近年来,植物激素在草种子萌发过程中的作用的研究取得了较大进展。
众多生理学研究表明低浓度的生长促进激素GA3、IAA、6-苄氨基腺嘌呤(6-BA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、萘乙酸(NAA)、吲哚丁酸(IBA)、ETH能够促进种子萌发。
马红媛等[62]研究表明100~300μg·g-1 GA3和IAA以及25μg·g-1 6-BA对羊草(Leymuschinensis)种子的萌发最终表现为促进作用,总体效果为GA3>IAA>6-BA。
刘建利[63]发现外源激素20μmol·L-1 6-BA、GA3、ETH和5μmol·L-1IAA、IBA促进蒺藜苜蓿(M.truncatula)种子发芽。
南桂仙等[64]研究发现6-BA+GA3组合比6-BA+NAA组合处理后月见草(Oenothera erythrosepa-la)种子发芽率和发芽势普遍都高,5 000mg·L-1GA3+(0、1、10、100、5 000mg·L-1)6-BA的组合种子发芽率和发芽势都明显高于对照。
5 000mg·L-1 GA3+10mg·L-16-BA、5 000mg·L-1GA3、5 000mg·L-1 GA3+100mg·L-1 6-BA、5 000mg·L-1 GA3+1mg·L-1 6-BA和5 000mg·L-1 GA3+5 000mg·L-16-BA的发芽率分别为88.00%、79.67%、79.00%、77.00%和59.00%,对照组的发芽率仅为16.67%,月见草种子发芽的最适激素浓度组合是5 000mg·L-1 GA3+10mg·L-16-BA。
刘开业等[65]发现GA3和2,4-D能够显著提高狗牙根(Cynodon dactylon)的发芽率和发芽势。
其中0.1、1mg·L-1 GA3和1mg·L-12,4-D处理对提高狗牙根发芽率和发芽势效果明显。
焦德志等[66]试验结果表明低浓度的植物激素GA3和6-BA促进羊草种子发芽。
魏卫东等[67]研究发现100mg·L-1 IAA对丸粒化披碱草(Ely-mus dahuricus)种子萌发表现为促进作用,并且GA3对披碱草种子发芽率的促进作用较IAA明显。
贺红早等[68]研究发现一定浓度的GA、NAA、IAA、2,4-D对半夏(Pinellia ternate)种子的发芽率具有一定的促进作用:当GA处理浓度为125mg·L-1时,发芽率83%,比对照组(67%)高16%;当NAA
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表1 外源激素对草种子萌发的促进作用比较
Table 1 Comparison of exogenous hormones positive impact on grass seed germination
物种名称Species
外源激素
Exogenous
hormoens
激素浓度
Hormone
concentration
发芽率
Germination/%
参考文献
Reference
羊草Leymuschinensis
GA 300μg·g-1
83.4%,比对照高18.8%。
83.4%,18.8%higher than the control.
[63]IAA 100~300μg·g-1
高于对照10%左右。
About 10%higher than the control.
[63]6-BA 25μg·g-1
58.0%,比对照高5.7%。
58.0%,5.7%higher than the control.
[63]GA3300μg·g-1
发芽率41.2%,比对照高9.7%。
The germination rate was 41.2%,9.7%
higher than the control.
[67]6-BA 25μg·g-1
发芽率32.0%,比对照高5.7%。
The germination rate was 32.0%,5.7%
higher than the control.
[67]
蒺藜状苜蓿Medicagotruncatula6-BA、GA3、
ETH、IBA
2.0μmol·L-1
40%~43%,比对照高。
40%~43%,higher than the control.
[64]IAA、IBA 5μmol·L-1
高于对照。
Higher than the control.
[64]
月见草
OenotheraerythrosepalaGA3+
6-BA
5 000mg·L-1
GA3+6-BA
(10、0、100、1、
5 000mg·L-1)
88.00%、79.67%、79.005、77.00%、59.00%,对照组
仅为16.67%。
88.00%,79.67%,79.00%,77.00%,59.00%,the
germination rate of the control was merely 16.67%.
[65]
狗牙根Cynodondactylon2,4-D 1、10mg·L-1
发芽率38%、28.3%,与对照组21%相比分别提高17%
和7.3%。
The germination rate were 38%and 28.3%,
increased by 17%and 7.3%respectively compared with
the control(21%).
[66]GA30.1、1mg·L-1
发芽率31.7%、35.7%,与对照组21%相比分别提高
10%和14.7%。
The germination rate were 31.7%and
35.7%,increased by 10%and 14.7%respectively com-
pared with the control(21%).
[66]6-BA 1mg·L-1
发芽率27%,对照组21%。
The germination rate was
27%,and the control was 21%.
[66]
披碱草Elymusdahuricus
GA 50mg·L-1
发芽率高于对照。
The germination rate is higher than the control.
[57]IAA 100mg·L-1
发芽率49.5%,较对照提高17.9%。
The germination rate was 49.5%,17.9%higher than
the control.
[57]
半夏Pinelliaternate
GA3125mg·L-1
发芽率83%,比对照组(67%)高16%。
The germination rate was 83%,16%higher than the
control(67%).
[68]NAA 50mg·L-1
发芽率87%,比对照组高20%。
The germination rate was 87%,20%higher than the
control.
[68]IAA 75mg·L-1
发芽率86%,比对照组高19%。
The germination rate was 86%,19%higher than the
control.
[68]2,4-D 75%
发芽率83%,比对照组高16%。
The germination rate was 83%,16%higher than the
control.
[68]
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处理浓度为50mg·L-1时,发芽率87%,比对照组高20%;当IAA处理浓度为75mg·L-1时,发芽率86%,比对照组高19%;当2,4-D处理浓度为75%时,发芽率83%,比对照组高16%。
2.3 植物激素对种子萌发的抑制作用
ABA、香豆素、儿茶酚、丹宁酸、酚类等都是种子萌发的抑制因子,其中ABA是种子萌发中被分离出来的最多的抑制因子。
尽管ABA降低与种子休眠解除的关系没有被完全研究清楚,但是众多学者仍然致力于ABA对种子萌发抑制的作用机制研究,并取得了一些成果。
例如:ga1-3突变体中,ABA是维持许多植物种子正常发育的必要因素,是保证发育过程中种子储藏蛋白质和脂类物质积累、促进种子干燥及休眠、抑制种子从胚胎到萌发生长转变的重要植物激素,在种子萌发阶段,ABA通过提高植物激素信号抑制胚轴生长,研究表明bZIP转录因子ABI5在ABA存在的条件下是胚胎萌发生长的重要调控因子,即:ABA是通过诱导ABI5的表达来抑制种子的萌发,ABI5具有亮氨酸拉链结构,是抑制种子萌发的重要转录因子[69];Han等[70]、Kitahata等[71]利用甲二氢愈创木酸(Nordi-hydroguaiaretic Acid,NDGA)和烯唑醇作为NECD和ABA羟化酶来调控ABA水平,进而促进或抑制种子萌发。
另外,GA3、IAA在植物种子萌发的过程中,能打破种子休眠,促进细胞分裂,活化生长调节基因,从而促进种子发芽。
但是,这些激素对草种子发芽率的影响均表现为低浓度促进、高浓度抑制的趋势。
焦德志等[66]研究发现当GA3浓度为600μg·g-1或6-BA浓度大于50μg·g-1时,羊草种子的发芽率均表现为不同程度的抑制。
任意浓度的NAA和2,4-D对羊草种子萌发抑制作用比较大。
刘建利等[72-73]用0.1、1.0、1.5、2.0、5、10、20和1 000μmol·L-1共8种浓度梯度的ABA、NAA、IAA浸湿滤纸发芽床,进行蒺藜苜蓿种子发芽试验,发现NAA和IAA在低浓度时可抑制蒺藜苜蓿种子发芽,但抑制作用随处理浓度的升高而解除,ABA抑制蒺藜苜蓿种子发芽,抑制能力为ABA>IAA>NAA。
而在用0.1、1.0、1.5和2.0μmol·L-14个浓度梯度的NAA、IAA和IBA对蒺藜苜蓿进行发芽试验时发现,NAA、IAA和IBA对蒺藜状苜蓿的种子萌发无促进作用,随着处理浓度的增大,3种激
素甚至均出现极显著抑制种子萌发的效应,抑制能力依次可能为IAA>NAA>IBA。
马红媛等[62]研究表明当GA3和IAA浓度大于400μg·g-1或6-BA浓度大于50μg·g-1时对羊草种子的最终发芽率均表现为不同程度的抑制。
陆玉建等[74]发现当ABA浓度为0.2μmol·L-1、GA3浓度为0.5μmol·L-1、PAC浓度为0.5μmol·L-1时,拟南芥种子萌发率与对照组基本相当;随着ABA和PAC浓度的升高,拟南芥种子萌发率不断降低。
招启柏等[75]发现10-4 mol·L-1以上浓度的茉莉酸甲酯(MeJA)抑制种子萌发。
魏卫东等[67]研究发现GA
3浓度大于50mg·L-1时,对丸粒化披碱草种子萌发表现出抑制作用。
刘开业等[65]发现当6-BA浓度为5、10mg·L-1,狗牙根发芽率仅为10.3%、0%,发芽率均显著低于对照组21%,具有明显的抑制作用,所以高浓度6-BA对狗牙根种子发芽率有抑制作用。
3 激素之间的相互作用在种子休眠和萌发过程中的调节作用
迄今为止,大量种子休眠和萌发的相关研究发现ABA和GA的平衡决定种子休眠和萌发[76]。
高水平ABA和低水平GA有利于种子的休眠;相反,低水平ABA和高水平GA则有利于种子的萌发。
Jia等[77]研究发现0.1%PA处理条件下,种子萌发时ABA含量在最初的3h内快速增加并维持在较高水平,这说明种子萌发时PA抑制作用由ABA信号路径调控;不同吸胀时间ABA积累量的测定数据表明,外源PA处理可能引起种子中ABA合成;利用ABA实时聚合酶链反应的基因表达分析,发现PA对种子萌发的抑制效应主要是由于促进ABA的生物合成,而不是它本身降解的抑制效应;药理学试验巩固了这个结论:ABA生物合成抑制剂NDGA消除PA对种子萌发的抑制作用,ABA分解抑制剂烯唑醇和PA联用,种子萌发的抑制作用更加明显;野生型种子中比PA缺乏的突变体tt1-6、tt2-5、tt8-4、tt8-5和tt18-3种子中积累了更多的ABA;因此,拟南芥种皮中PA的分布可以作为种子萌发中的门卫;ABA信号途径调节种子萌发过程中的PA。
Penfield和Hall[78]研究发现植物种子可以感知各种环境信号,集成信息来调控休眠和萌发。
他们指出生物钟基因LATE ELONGATED
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HYPOCOTYL,CIRCADIAN CLOCK ASSOCI-ATED1(CCA1)和GIGANTEA(GI)突变体,引起低温、变温及后熟时种子萌发率下降;种子中ABA和GA3相关基因表达的控制需要正常的生理节奏的功能;生物钟基因在植物整合环境信号控制休眠解除上有重要作用。
表2 外源激素对草种子萌发的抑制作用比较
Table 2 Comparison of exogenous hormones inhibiting effects on grass seed germination
物种名称Species
外源激素
Exogenous
hormone
激素浓度
Hormone
concentration
发芽率
Germination/%
参考文献
Reference
羊草
Leymus chinensis
GA>400μg·g-1
600μg·g-1时,20%。
When the concentration of GA was 600
μg·g-1,the germination rate was 20%.
[63]6-BA>50μg·g-1
低于对照,无显著差异。
Lower than the control,but there was
no significant difference.
[63]GA3600μg·g-1
受到抑制,发芽率10.3%。
The germination was restrained,and
the germination rate was 10.3%.
[67]6-BA>50μg·g-1
受到抑制,不显著。
The germination was restrained,but
there was no significant difference.
[67]NAA>300μg·g-1
600μg·g-1时仅5.2%,比对照降低30%。
When the concentration of NAA was 600
μg·g-1,the germination rate was merely
5.2%and 30%lower than the control.
[67]2,4-D>75μg·g-1
4.3%,显著抑制。
The germination rate was 4.3%,and
the difference was significant.
[67]
蒺藜状苜蓿
Medicago truncatulaIBA<1.5μmol·L-1
22.22%~23.22%,比对照低。
22.22%~23.22%,lower than the control.
[73-74]
IAA
ABA
0.5、1、1.5、2.0μmol·L-1
0.5、1、1.5、2.0μmol·L-1
25.56%、26.67%、27.78%、30.00%
14.45%~25.56%.
NAA 1 000μmol
显著抑制种子萌发。
Restrained the seed germination
significantly.
[73-74]
拟南芥
Arabidopsis thalianaABA 0.2、0.5、1.0、2.0μmol·L-1
抑制种子萌发。
Inhibited the seed germination.
[75]PAC 1.0~2.0μmol·L-1
显著抑制。
Obviously inhibited.
[75]
烟草
Nicotiana tabacumMeJA>10-4 mol·L-1
受到抑制。
The germination rate was restrained.
[76]
披碱草
Elymus dahuricusGA3>50mg·L-1
抑制种子萌发。
Inhibited the germination.
[57]
狗牙根
Cynodon dactylon6-BA 5、10mg·L-1
发芽率10.3%、0,显著抑制萌发。
The germination rate were 10.3%and
zero,so the 6-BA could significantly
restrained the germination rate.
[66]
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4 展望
众多学者针对草本植物种子休眠、萌发中激素的作用机制开展了大量的研究工作。
但是对各种激素间相互作用的机理了解非常有限,至今尚未揭示植物种子休眠与萌发的分子机制。
科技进步和研究手段的不断创新为进一步深入研究种子休眠和萌发激素调控机制提供了条件。
各种激素的信号转导途径及激素信号转导中新元件的鉴定、两种或多种激素共同调节的下游基因鉴定技术将有助于揭示不同激素相互作用对种子休眠、萌发的调控。
激素多重突变体的分子遗传学分析和激素与环境相互作用的分子机制研究也将为揭示不同激素在分子水平的作用机制提供可能。
除拟南芥、烟草(Nicotiana tabacum)等植物的种子外,大量草种子中激素作用的机理以及激素对环境应答的分子机理还需进一步研究。
研究阐明草本植物种子休眠、萌发中激素作用机制以及对环境应答的分子机理将有助于掌握草本植物种子的发育、休眠、萌发及幼苗生长的科学规律,从而为草品质的改善、产量的提高,草产业快速发展提供广阔的前景。
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