种子老化的生理化与分子机理研究进展

植物种子的进化周峰【摘要】种子的出现，是植物发展和进化过程中的一个巨大飞跃。

它的进化演变是植物生活史明显改变的一个过程，对植物的繁衍和传播具有重要意义，能保证种子植物广泛分布和长期生存。

文章从种子植物、胚乳组织、种子休眠、种子结构和种子大小等方面概述了种子的进化和演变。

这对于明确种子进化、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，同时可应用于种子的分子改良，并将种子作为转基因产物生产的优良平台。

【期刊名称】种子【年(卷),期】2015(034)010【总页数】3【关键词】种子；胚乳；休眠；进化·综述·种子，是高等植物由胚珠发育而成的繁殖器官，一般包括胚、胚乳和种皮3部分。

种子的出现，是植物发展和进化过程中的一个巨大飞跃。

它的进化演变是植物生活史明显改变的一个过程，对植物的繁衍和传播具有重要意义，能保证种子植物广泛分布和长期生存。

史前人类就以采集种子为食，新石器农业革命之后，人类开始对植物进行驯化，驯化和选择的最终结果也影响到种子的进化[1]。

1 种子植物的进化种子是维管植物进行有性生殖最成功和最复杂的习性。

种子植物(Spermatophyta)分为两类，一类是裸子植物(Acrogymnospermae)，现存约800种；另一类是被子植物(Angiospermae)，现存约25万种。

现存的种子植物主要包括5个进化分支：被子植物和4个裸子植物进化分支，即针叶树(conifers)、苏铁植物(cycads)、银杏树(ginkgos)和买麻藤目植物(Gnetales)[2]。

经典的“有花植物假说”认为被子植物和买麻藤植物进化关系密切，共同形成一个进化支，但现在已被否定。

所有的分子生物学和形态学证据表明，被子植物是一个单独的进化分支。

通过分子系统发育学研究发现，现存的裸子植物类群是单系群，买麻藤目植物与针叶树进化相关，没有发现现存的裸子植物群与被子植物进化上直接相关。

对化石群的研究发现，“有花植物分支”包括已灭绝的裸子植物群如舌羊齿(glossopterids)、五柱木(Pentoxylon)、本内苏铁目(Bennettitales)和开通果属(Caytonia)，它们是被子植物进化关系上的姐妹。

植物衰老与寿命延长研究植物作为生物界中最长寿的有机体，其寿命的延长一直以来都是植物学研究的焦点之一。

随着人们对植物衰老机理的深入研究，越来越多的方法和技术被开发出来，旨在延长植物的寿命。

本文将围绕植物衰老的原因、植物寿命延长的方法和技术以及相关研究的成果进行探讨。

首先，植物衰老的主要原因可以归结为内源性和外源性两个方面。

内源性因素主要包括基因表达水平的变化、氧化应激、染色质重塑以及细胞功能退化等。

这些内源性因素导致植物细胞的老化和死亡，从而影响整个植物的生长和寿命。

外源性因素主要涉及环境中的逆境和胁迫，例如温度变化、光照不足、病原体感染等。

这些外源性因素会对植物的生理和生化过程产生负面影响，进而加速植物的衰老和寿命的缩短。

为了延长植物的寿命，研究人员们开展了许多研究工作，并取得了一些令人鼓舞的成果。

其中，植物基因工程是延长植物寿命的重要手段之一。

通过基因编辑技术，研究人员可以改造植物的基因，使其在面对逆境和胁迫时能够更好地应对，从而延长植物的寿命。

例如，一些研究表明，过表达抗氧化相关基因可以有效减缓植物细胞的老化速度，增强植物的抗逆性能力，延长植物的寿命。

此外，利用转录因子、激素信号途径和代谢调控等方法，也能够调控植物的生理和生化过程，从而实现寿命的延长。

除了基因工程，植物生理学和生物化学领域的研究也在探索延长植物寿命的方法。

通过研究植物生长和衰老的分子机制，研究人员可以找到调控植物寿命的关键蛋白和代谢产物，并通过调节这些分子来延长植物的寿命。

例如，一些研究表明，蛋白质降解和合成的平衡对植物衰老有重要影响，而调控蛋白质降解途径可以延缓植物的衰老速度。

此外，研究人员还发现一些与植物寿命延长相关的物质，例如多酚类物质、类黄酮和酶类物质等，这些物质可以有效减缓植物细胞的老化速度，从而延长整个植物的寿命。

除了以上方法和技术，植物的环境管理和栽培方式也对植物寿命的延长起到重要作用。

优质土壤的使用、适当的灌溉和肥料施用、合理的光照和温度控制等，都能够提供良好的生长环境，促进植物的生长和发育，延长植物的寿命。

本科生课程论文论文题目：逆境条件下植物生理与分子机制研究进展课程名称：植物生理学任课教师：龙云专业：生物科学（师范）班级：2010级5班学号：222010317011128姓名：陈建坤2012年6 月15日逆境条件下植物生理与分子机制研究进展摘要：逆境胁迫影响植物的生长发育，但植物不只是被动的接受干扰与胁迫，在极限生存范围内，植物能够对逆境胁迫产生适应性反应，作出生长发育进程和途径方面的调整。

本文着重阐述了植物对干旱、冷害、冻害、涝害、热害等不良环境因子的抵抗和适应的宏观生理表现以及微观的生理反应机制。

关键词：逆境生理生物胁迫非生物胁迫避逆性耐逆行Under The Stress Condition of Plant Physiology and Molecular Mechanism Research ProgressAbstract: Stress affects plant growth, but the plant is not just a passive interference and stress, in the ultimate survival range, plants are able to produce adaptive responses to stress, make the growth process and ways to adjust. This article emphatically elaborated the plants to drought, chilling, freezing, waterlogging, thermal damage and other adverse environmental factors on the resistance and adaptation of the macroscopic physiological performance and microscopic physiological response mechanism.Key words: stress physiology biotic stressabiotic stressstress avoidancestress tolerance植物体是一个开放的体系，同时它也是自然界的重要成分。

1.种子生物学：是研究植物种子的特征特性和生命活动规律及种子加工处理，贮藏的一门应用科学。

从狭义而言，种子生物学是从生物学角度阐明植物种子各种生理现象的变化及其环境条件的联系，从基础理论方面加深对种子的认识。

2.种脐：种子成熟后从种柄上脱落所留的疤痕，也叫脐。

3.淀粉糊化：若把淀粉的悬浊液加热到一定温度，淀粉粒就会突然膨胀，膨胀后的体积会达到数百倍于原有体积的大小，故悬浊液立即成为粘稠的胶体溶液，这一现象称为淀粉的糊化。

4.淀粉凝沉：淀粉的稀溶液糊在低温中静止相当时间后，会发生浑浊现象，溶液粘度降低，溶质沉淀，淀粉液浓度高时也可以沉淀成为硬块，沉淀物不能再溶解，也不容易为酶所分解，这种现象称为淀粉的凝沉，也叫淀粉的回生。

5.碘价：与100g脂肪相结合所需碘的克数称为碘价。

6.酸价：中和1g脂肪中全部的游离脂肪酸所必需的KOH的毫克数称为酸价。

7.酸败：脂肪在贮藏过程中产生醛，酮，酸等物质导致变质的过程8.种子休眠：具有生活力的种子在适宜的萌发条件下不能萌发的现象。

9.种子休眠期：指从种子收获到发芽率达到80%时所经历的时间。

10.硬实：在发芽条件适宜的情况下，由于种皮的不透水而不能吸胀发芽的种子。

11.种子萌发：指种胚（最幼嫩的植物原始体）从生命活动相对静止状态恢复到生理代谢旺盛的生长发育阶段。

12.种子发芽：种子萌动以后，种胚细胞开始或加速分裂和分化，生长速度显著加快，当胚根，胚芽伸出种皮并发育到一定程度（传统上把胚根与种子等长，胚芽达到种子长一半），就称为发芽。

13.吸胀损伤：如果种子吸胀速率快，细胞膜就无法修复而且出现更多的损伤，物质外渗加剧，种子发芽成苗能力下降。

这种类型的损伤称为吸胀损伤。

14.吸胀冷害：有些作物干燥种子短时间内在零度以下低温吸水，种胚就会受到伤害，再转移到正常条件下也无法正常发芽出苗，这种现象称为吸胀冷害。

15.种子活力：一批种子内部发芽及幼苗生长速率的个体差异。

16.种子老化：是指种子活力的自然衰退。

西北农业学报 2024,33(5):775-786A c t a A gr i c u l t u r a e B o r e a l i -o c c i d e n t a l i s S i n i c a d o i :10.7606/j.i s s n .1004-1389.2024.05.001h t t p s ://d o i .o r g /10.7606/j.i s s n .1004-1389.2024.05.001植物种子衰老机制研究进展收稿日期:2022-10-18 修回日期:2023-02-08基金项目:西北农林科技大学大学生创新创业项目(X 202210712418,X 202310712469)㊂第一作者:魏永胜,男,博士,研究方向为植物逆境与营养生理㊁生物模型㊂E -m a i l :w ys h 70@n w s u a f .e d u .c n 彭琪朗(并列第一作者),女,学士,研究方向为种子衰老㊁种子寿命预测模型㊂E -m a i l :p q l a n g@126.c o m 通信作者:魏永胜㊂魏永胜1,彭琪朗1,黄滢奥2,陈彦如3,赵程亚菲4,郗欣悦1(1.西北农林科技大学生命科学学院,陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学植物保护学院,陕西杨凌 712100;3.西南大学园艺园林学院,重庆 400715;4.西北农林科技大学风景园林学院,陕西杨凌 712100)摘 要 种子在贮藏过程中的衰老即可直接导致建苗迟缓,幼苗畸形,最终影响作物产量,也可以导致商业贮藏中粮食品质的下降,还会影响种质资源库的更新周期和自然环境野生植物的生存㊂因此,深入认识种子衰老的生物学过程,对于农业生产和种质资源安全保存具有重要意义㊂本文系统综述了植物种子衰老生物学特征,从基因到表型,分析造成种子衰老的内外因,包括种子衰老过程中解剖结构㊁亚细胞结构㊁生理生化和分子生物学原因,以及环境等外界诱导因素,构建出一个完整种子衰老网络图㊂以期为种子衰老机理㊁种子活力修复和种质资源保存等研究提供基础理论参考㊂关键词 植物种子;衰老;分子机制;寿命种子是人类的主要粮食,其寿命直接影响粮食品质㊁作物出苗质量㊁种质资源库的更新周期㊁种子商业贮藏以及自然环境野生植物的繁殖与生存,无论是在农业生产㊁生态建设还是生物多样性保护中都有重要意义,因此种子的衰老或寿命问题成为研究者和生产者共同关注的问题㊂种子离开母体后,随着时间的延长,其生存能力㊁活力和萌发力受到自身调控或外部环境影响而逐渐衰退,即为种子衰老[1]㊂贮藏在种质资源库中的种子萌发率每年也会平均下降1%,不到20a 即会从100%下降到85%[2]㊂生产中,多数作物种子为1~5a 左右,自然条件可达千年以上,如死海地区的椰枣种子休眠2000a 后依然可以萌发[3]㊂因此,了解种子衰老的机理,预测其寿命,是种质资源库管理及自然土壤种子库研究的核心问题㊂种子耐储藏的本质就是各种保护机制和所受损伤之间的博弈,当平衡被打破后种子无法维持内部分子有效结构与功能,种子衰老即开始㊂每一种引起种子衰老的因素既作为起因(c a u s e)加速劣变的进程,同时也是衰老的结果(e f f e c t o r)㊂在所有因素中,活性氧(r e a c t i v e o x y g e n s pe c i e s ,R O S)引起的氧化损伤被认为是引起种子衰老的主要原因[4]㊂遗传因素在种子抗衰老特性中起着关键性的作用,种子活力的相关性状具很高的遗传性,强活力的品种在杂交后代中表现突出,而且可以遗传㊂耐衰老品种将会产生一定分子量的特异蛋白质,这与上游的基因调控以及转录因子的调节有关[5]㊂本文对种子,主要是正常种子(o r t h o d o x s e e d s )的衰老表现及内在机制,如细胞结构变化,激素㊁活性氧㊁蛋白质等生物大分子变化以及基因调控等多个方面进行系统综述,此外还讨论了环境等外在因素对种子衰老的影响,并对本领域的研究进行展望,提出该领域研究的热点和尚未明确的问题㊂期望构建相对完整的种子衰老机制(图1),为种子衰老机理研究和种质保存提供一定的参考㊂1 种子衰老的主要生物学表现1.1 种子形态变化种子在健康状态下籽粒饱满,无机械损伤,种子自身粒质量㊁粒长㊁粒宽㊁体积㊁种皮颜色㊁投影面积等指标均呈稳定状态㊂种子衰老过程,颜色会发生变化,如水稻(O r yz a s a t i v a L .)种子的种皮经常出现红色病变或坏死[4]㊂正常种子的子叶发达,占种胚绝大部分,可为种子萌发提供大量营养物质,促进胚芽㊁胚轴和胚根的形成[6]㊂但种子进入老化时,胚的质量下降以及种皮的不透性也会增强㊂图1植物种子衰老网络图F i g.1N e t w o r k d i a g r a m o f p l a n t s e e d s e n e s c e n c e1.2衰老种子的活力与萌发率降低在种子衰老的过程中,种子活力下降导致种子发芽迟缓,使种子在萌发过程中对逆境条件的适应性减弱㊂萌发率随老化时间的变化趋势通常呈典型倒S形曲线[7],其中包括一个平台期(阶段Ⅰ),然后是一个快速下降阶段(阶段Ⅱ)和一个缓慢下降阶段(阶段Ⅲ)㊂榆树(U l m u s p u m-i l a L.)种子在37ħ和100%R H的老化条件下,第1天活力没有明显变化,第2天开始逐渐下降,至第3天下降到50%,5d后活力完全丧失[7]㊂也有些种子萌发率呈现 快-慢 之趋势,直到完全丧失活力,而无最后的缓慢下降阶段[8]㊂1.3幼苗畸形种子衰老后虽然能萌发,但苗弱且发育不良㊁抗逆性弱㊁产量低[8]㊂幼苗是植物生长的关键阶段,无论是对后期的生长发育还是繁殖发育都有极大的影响㊂生菜(L a c t u c a s a t i v a L.)种子贮藏4~5a与1~2a相比(温度:15~20ħ,相对湿度:30%~35%),不仅胚根和下胚轴短,而且子叶中脉褐变,严重的表现出根部未生长或仅有胚根突出但并未进行下一步生长的幼苗[9]㊂种子的出苗整齐度也会受到老化的影响㊂不同品种的玉米(Z e a m a y s L.)种子经老化处理后,株高整齐度降低66.9%,出苗指数也极显著降低[10]㊂2种子衰老的机制2.1种子贮藏物质消耗植物幼苗能够进行光合作用之前,其生长所需能量物质都是从富含蛋白质和糖类的子叶或胚乳中获得[6]㊂储存期间种子贮藏物质的损失最终会引起萌发率和出苗率减少㊁幼苗长度缩短和幼苗干质量降低[11]㊂种子中可溶性碳水化合物的含量通常会随着种子的衰老而下降㊂大豆(G l y-c i n e m a x L.)种子在贮藏初期可溶性糖㊁淀粉含量和脂质均降低,而游离脂肪酸的比例㊁甾醇和磷脂含量随着甘油三酯含量的相应降低而增加[12]㊂在贮藏后期,淀粉含量继续下降,但可溶性糖的含量表现出短期上升再下降的趋势㊂白花风铃木(T a b e b u i a r o s e o a l b a(R i d l.)S a n d w i t h)种子贮藏期间,种子干质量下降并不明显,但脂质和蛋白质含量持续下降,脂质含量在最初6个月由61%下降至52%,而随后的12个月则迅速下降到㊃677㊃西北农业学报33卷23%[13]㊂2.2结构损伤2.2.1膜损伤种子胚细胞的亚显微结构在储藏过程中也会不断发生劣变,首先受到伤害的是细胞膜㊂过氧化会改变磷脂结构,导致其头部基团变小㊁尾部变大,呈锥形,使得膜不能保持脂双层的均匀性,失去选择渗透性[5]㊂香椿(T o o n a s i n e n s i s(A.J u s s.)R o e m.)[14]㊁孜然芹(C u m i-n u m c y m i n u m L.)[15]㊁莲子(N e l u m b o n u c i f e r a G a e r t n.)[16]等种子在老化过程中,大量细胞内部电解物质外漏,种子浸出液相对电导率及可溶性糖含量相对增加,膜脂过氧化中间产物自由基和最终产物丙二醛(m a l o n d i a l d e h y d e,M D A)含量增加,都是细胞膜脂损伤的表现㊂磷脂酶D (p h o s p h o l i p a s e D,P L D)可裂解磷脂以产生磷脂酸,P L D及其产物P A与多种植物生长和发育过程有关,被认为是导致膜损伤的重要因素[17]㊂敲除或敲减拟南芥(A r a b i d o p s i s t h a l i a n a(L i n n.)H e y n h.)A t P L D a l基因,减少P L D的含量,可提高油稳定性㊁种子质量和种子寿命,但完全敲除该基因的拟南芥种子的各项生理活性反而不及仅将该基因减弱的种子[18]㊂2.2.2线粒体损伤胚细胞的线粒体在种子衰老过程中会明显肿胀,从变得杂乱无章到消失,最终导致线粒体数量减少㊂衰老早期,线粒体内膜和嵴变得模糊,部分出现空泡化,同时嵴的数量减少㊂衰老后期,线粒体D N A逐渐分散聚集到细胞膜处,并逐渐消失㊂已知的线粒体结构变化可分为4类:点状线粒体㊁蠕虫状线粒体㊁巨型线粒体和弥散线粒体㊂此外,线粒体衰老假说[19]认为自由基导致的线粒体损伤是种子衰老发生的重要原因㊂线粒体是A T P的主要来源,由于其超微结构的受损,细胞色素C氧化酶和苹果酸脱氢酶的活性显著降低,导致线粒体能量供应不足和R O S浓度激增,更加剧了线粒体的老化和损伤[5]㊂线粒体功能受损的主要表现为:呼吸速率的减弱㊁氧化磷酸化效率的降低㊁抗氧化系统的紊乱等等,最终引起细胞损伤㊂2.2.3核酸(D N A㊁R N A)损伤遗传完整性的丧失是种子老化的初始事件之一㊂种子老化与染色体畸变㊁端粒长度变化㊁D N A损伤㊁D N A甲基化和异常基因表达有关㊂D a n t a s等[20]通过彗星实验测量衰老水稻种子和菜豆(P h a s e o l u s v u l g a r i s L.)的D N A损伤情况,老化样品的彗星尾部强度表现出明显的上升趋势,其中菜豆品种 G F003 彗星尾部强度由19.7增加到37.7㊂此外,染色体突变也随种子老化而积累,吸水萌发时期的有丝分裂受到抑制㊂虽然轻微的遗传物质损伤不会导致种子活力丧失,但会影响发芽期间基因的表达㊂与D N A相比,R N A更容易被破坏,损伤的R N A可以作为靶向信号引起转录过程中m R N A 的降解以及形成7,8-二氢-8-氧代鸟嘌呤㊂m R-N A链的骨架很容易被截断,核苷碱基可以被修饰或转化为无碱基位点㊂如,2年龄和23年龄的大豆胚轴转录产物的比较结果表明,转录产物在老化早期即开始降解,并且随着存储时间而增加[21]㊂较短的转录本比较长的转录本更稳定,因此损伤主要来自较长R N A片段化㊂在常规水稻中和杂交水稻中分别鉴定出了174个和305个与长寿相关的m R N A,这些m R N A在长寿命品种中的降解速度更慢[22]㊂随着种子活力的下降r R N A完整性也会降低㊂在老化的大豆种子中,随着发芽能力的降低,核糖体亚基将R N A前体加工成18S和25S r R N A的过程可能会延迟,同时逐渐降解,形成23S和13S r R N A等分子量更小的R N A类型[21]㊂2.3种子衰老的生理机制2.3.1活性氧代谢失衡正常种子内活性氧的产生和清除处于一种动态平衡的状态[4]㊂在水合种子中,R O S产生的主要部位是线粒体㊁乙醛酸体和质膜N A D P H氧化酶㊂在干种子中,非酶促反应 阿尔多瑞-美拉德反应(A m a d o r i-M a i l l a r d r e a c t i o n s,A-M) 是R O S产生的主要原因[5]㊂R O S清除系统的主要酶包括超氧化物歧化酶(s u p e r o x i d e d i s m u t a s e,S O D)㊁过氧化氢酶(c a t a l a s e f r o m m i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c,C A T)㊁抗坏血酸过氧化物酶(a s e o r b a t e p e r o x i d a s e, A P X)㊁谷胱甘肽过氧化物酶(g l u t a t h i o n e p e r o x-i d a s e,G P X)㊁过氧化物酶(p e r o x i d a s e,P O D)等[23]㊂此外,非酶促型抗氧化系统抗坏血酸-谷胱甘肽循环也是植物体内清除R O S的重要途径之一[24]㊂但是当种子储藏环境温度㊁湿度过高,或其他不利条件引起种子衰老时,抗氧化系统无法阻止R O S的大量聚集[8,16],对细胞内的脂类物质进行氧化攻击,从而使质膜完整性受损,通透性增大,即 自由基老化学说 [25]㊂同时,脂质过氧化产生的自由基和M D A等物质会进一步对包㊃777㊃5期魏永胜等:植物种子衰老机制研究进展括脂质在内的其他生物大分子造成伤害[4]㊂过剩的R O S还会对遗传物质D N A和R N A造成损伤,导致蛋白质合成㊁降解受到抑制[5]㊂R O S本身也会损伤蛋白质结构,羰基化蛋白的产生就是由于R O S的大量产生攻击赖氨酸㊁脯氨酸和苏氨酸等残基或者直接作用于肽键[26]㊂抗氧化酶活性的降低也与R O S造成的氧化损伤密切相关[5]㊂种子衰老过程中,线粒体既是R O S产生的主要场所,也是R O S攻击的主要细胞器㊂氧化损伤的线粒体主要表现为内外膜结构不完整,细胞色素C 等内溶物的外渗诱发程序性死亡(p r o g r a mm e d c e l l d e a t h,P C D)[1]㊂对榆树种子衰老的研究表明,48种线粒体蛋白在衰老过程中发生了变化,这些蛋白多数与三羧酸循环和电子传递链相关[7]㊂上述R O S的多种伤害,最终引起种子老化,导致种子萌发率降低和活力丧失㊂脂质过氧化与脂氧合酶(l i p o x y g e n a s e,L O X s)有关, L O X s能催化不饱和脂肪酸与分子氧直接反应,生成过氧化脂肪酸并产生自由基,损伤质膜加速种子劣变[17]㊂研究者从洋葱种子中成功克隆到A c L O X1基因的全长[27],解析了A c L O X2的结构[28],初步证明了L O X基因与洋葱种子发育及老化相关联㊂2.3.2非酶促R O S淬灭剂非酶促R O S清除系统是防止种子细胞中大分子过氧化最重要的被动机制,包括种子储藏蛋白㊁H S P和一些小分子的抗氧化剂,例如维生素C㊁维生素E㊁谷胱甘肽等[29]㊂α-生育酚可以通过阻止氧气进入种子内部组织来降低种子呼吸代谢速率,从而延缓老化㊂萌发前,维生素E溶液浸泡种子有助于改善种子老化对活力产生的的负面影响[30]㊂S a t t l e r等[31]在拟南芥中发现了两个与维生素E基因合成的相关位点(V T E1和V T E2),任意一个位点突变都会导致种子的寿命显著降低㊂谷胱甘肽可以直接充当R O S淬灭分子,也可以充当电子供体,为参与R O S解毒的酶提供电子㊂谷胱甘肽还原酶可将氧化型谷胱甘肽还原为巯基形式,干燥的种子中存在的谷胱甘肽还原酶在水合作用时可被迅速激活[24]㊂辅酶Q10也是一种抗氧化化合物,可以通过解毒R O S来帮助维持细胞稳态,此外其还能影响线粒体电子传递链中相关酶的功能[5]㊂2.3.3蛋白质合成下降,小分子蛋白产生种子老化过程中涉及到蛋白质结构损伤㊁功能受损㊁合成受阻等多方面不利影响,从而导致多种代谢过程紊乱以及修复防御系统失效㊂牛油果(P e r s e a a m e r i c a n a M i l l.)种子的种皮和子叶组织在离体后5d总蛋白质浓度急剧下降,之后到保质期结束未再发生明显变化[32]㊂高活力种子胚在吸胀期间的蛋白合成速率均高于中㊁低活力种子㊂易衰老种子在人工老化过程中贮藏蛋白含量下降,而贮藏蛋白对R O S有高亲和力,能够消耗过量的R O S保护细胞免受氧化损伤㊂种子活力与萌发时贮藏蛋白的降解效率和新蛋白的合成速率一致[33]㊂在种子贮藏期间抗逆性蛋白的含量通常会增加,以提升种子的抗老化能力㊂胚胎发育晚期丰富蛋白(l a t e e m b r y o g e n e s i s a b u n d a n t p r o t e i n s, L E A)和热激蛋白(h e a t s h o c k p r o t e i n s,H S P)在种子脱水干燥期间都能对细胞起到保护作用㊂L E A蛋白通过形成氢键影响其他蛋白质和细胞膜的结构稳定性,提高变性蛋白质的稳定性并促进其重折叠,保护膜蛋白和酶免受高盐胁迫的有害影响[29]㊂R e n a r d等[34]通过全基因组关联分析筛选到了拟南芥调控L E A合成的基因S S L E A,该基因的T-D N A插入突变体在人工老化和自然老化情况下都明显表现出了萌发率下降㊂S h u 等[35]对高温高湿处理后的大豆种子进行R N A-S e q分析发现,热胁迫下种子多数H S P表达量增高,例如与种子抗老化能力相关的热激转录因子(h e a t s t r e s s t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s,H S F s)㊂种子特异性热激转录因子A9(H S F A9)的靶基因编码多种H S P,参与调节种子寿命[36]㊂2.3.4衰老过程中的激素变化脱落酸(A B A)可以激活L E A和s H S P等蛋白的合成,从而影响种子的耐旱性和对不利环境因素的耐受性,也可提高种子的耐储藏性㊂A B A-I N S E N S I T I V E3 (A B I3)和A B A-I N S E N S I T I V E5(A B I5)是A B A调控途径中的重要调控因子,参与调控种子成熟㊁棉子糖系列寡糖的代谢和L E A基因的表达[36]㊂热激转录因子H S F A9,作用于A B I3下游并控制s H S P的发育调控表达,是调控耐老化遗传机制中的重要部分㊂O s G H3-2通过调节A B A的积累水平从而抑制L E A的积累来影响种子的贮藏性,R N A i干扰系中A B A含量相较于野生型增加了1.5倍[37]㊂生长素(I A A)可以通过影响其下游蛋白进而对生长素响应因子(a u x i n r e s p o n s e f a c t o r, A R F)活性进行调控,并影响种子衰老过程㊂吲㊃877㊃西北农业学报33卷哚丙酮酸(i n d o l e p y r u v a t e p a t h w a y,I P A)途径是生长素生物合成的主要途径,I P A途径的突变体生长素水平略有降低却表现出了更强的生长素反应,同时寿命增加20%~30%,这可能是由于在成熟后期生长素在整个胚胎中的重新分布[38]㊂Y u a n等[37]研究证明,O s G H3-2可促进I A A与A s p结合,导致内源性I A A降解㊂玉米z m-d r e b2a基因突变体的基因G H3-2表达受到抑制,种胚中生长素含量较对照显著升高,种子发芽后胚根和胚芽伸长,但耐老化能力显著降低[39]㊂但是研究者认为,突变体种子耐老化能力降低是因为棉子糖合成相关基因受到影响,是否与I A A 含量变化相关还有待进一步研究㊂I A A通过刺激A B A信号传导在调节种子活力中发挥关键作用㊂低浓度I A A可抑制A B A生物合成并诱导发育种子中的A B A代谢,I A A还参与诱导A B I3及L E A蛋白靶标E M1的表达[37-38]㊂除了I A A与A B A外,种子储藏期间,茉莉酰异亮氨酸和水杨酸等其他激素含量也会发生变化[16]㊂这表明老化过程中的代谢调控不止单一激素作用,是多种激素平衡的结果,但目前关于激素平衡与种子衰老的关系鲜有报道㊂此外,关于种子老化和植物激素间的关系,目前的研究多数以激素变化为 因 ,活力变化为 果 ,直接通过人工方式增加或减少激素含量,而无法反映激素本身在老化过程中的变化㊂2.4种子衰老的遗传机制2.4.1与衰老相关的基因及其定位种子的耐老化特性通常为多基因控制的数量性状,近年来利用多种技术手段,国内外学者对种子衰老相关基因展开研究并取得一定成果㊂一些与种子耐老化相关的基因位点已被公布(h t t p s://w w w.n c-b i.n l m.n i h.g o v/)㊂不同品种在耐老化性能上会表现出差异性,在衰老相关数量性状基因座(q u a n t i t a t i v e t r a i t l o c u s,Q T L)定位的研究中,通常选用粳稻和籼稻这两个极端亚群的杂交系作为研究对象㊂水稻种子耐老化相关基因位点在12条染色体上均有分布,其中第9号染色体上分布最多[40]㊂Y u a n等[41]利用粳稻N i p p o n b a r e和籼稻9311的回交重组自交系构建高密度单核苷酸多态性遗传连锁图,鉴定了7个在自然老化条件下与老化相关的Q T L s,分布在1㊁2㊁3㊁8㊁9和11号染色体上,并将一个控制种子老化的主效Q T L(q G4S3.1)精细定位在第3号染色体的26.2k b区间㊂也有研究认为种子活力是由多个微效基因共同作用,并不存在主效基因㊂例如,姜旋等[42]的研究定位了7个控制水稻种子活力的Q T L s,分布在4条染色体上,单个Q T L对性状的贡献率在5%~16%㊂在其他物种方面,通过人工老化处理,W u等[43]在甜玉米中鉴定出18个Q T L s,同时筛选了4个与种子活力相关的候选基因㊂2.4.2 与衰老相关的转录因子转录因子(t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s,T F s)能与真核基因启动子结合,从而激活或抑制基因的转录,作为一种调节蛋白在多种生物途径中都起到重要作用㊂在刘文童等[44]筛选的种子活力候选基因中, G R M Z M2G164082属于WR K Y基因家族,与萌发率和发芽指数有关㊂在大麦中发现的H v E R K Y38对α-淀粉酶的表达起抑制作用,而H v E R K Y38的合成又受到激素调控,S A和A B A 都能激活H v E R K Y38表达,G A则起抑制作用[45]㊂转录因子D O F4.1是种子寿命的负调节因子,拟南芥D O F4-1功能缺失突变体种子在人工老化后表现出比野生型更高的活力[46]㊂H a n 等[39]关于D R E B转录因子家族的研究发现,Z m-D R E B2A与调控棉子糖合成酶基因Z m R A F S启动子的D R E基序结合上调其表达,可以直接调控种胚中棉子糖的积累水平从而影响了玉米种子的耐老化能力㊂而转录因子D E L A Y O F G E R M I-N A T I O N1-l i k e4(D O G L4)可触发约70个种子成熟特异性基因的表达,包括编码白蛋白㊁十字花科蛋白和油质蛋白等储存蛋白的基因,被认为是种子中贮藏物质积累的主要调节因子[47]㊂N A C 转录因子属于植物特异性T F家族,响应多种生物和非生物胁迫㊂在拟南芥中N A C转录因子J U B1过表达能够延长种子寿命[48]㊂热激转录因子能够提高H S P s的含量,增强种子在高温下的抗老化能力[49]㊂其他转录因子B h l h,MY B和C2H2家族等在种子经过高温老化处理后也会发生变化,许多都与种子老化相关[48]㊂2.4.3与衰老相关的表观遗传5-甲基胞嘧啶(m5C)是植物中一种保守的表观遗传标记,调节基因表达,对保持种子基因组完整性有重要作用㊂在顽拗型夏栎(Q u e r c u s r o b u r L i n n a e u s)种子中,萌发率的降低与m5C水平的下降高度相关(P< 0.001),m5C含量降低为初始含量的60%时是种子活力降低的关键时期㊂正常型西洋梨(P y r u s㊃977㊃5期魏永胜等:植物种子衰老机制研究进展c o mm u n i s L i n n.)种子储存1a后D N A甲基化水平反而显著增加[50]㊂相较而言,正常型种子遗传完整性更高,而顽拗型种子往往基因表达水平低,因此,维持高D N A甲基化水平的能力是正常型种子寿命长的原因之一㊂m5C水平和种子活力正相关的特性,使得其可作为一种反应种子活力的分子标记,M i c h a l a k等[51]还提出可以通过m5C水平预测种子的发芽能力㊂D N A低甲基化也可能解除染色质的紧密堆积并促进萌发相关基因的表达㊂D N A去甲基化基因R O S1缺失通过影响发芽相关基因表达而损害种子发芽[52]㊂2.5种子衰老损伤修复2.5.1蛋白质修复蛋白质主要依靠氧化还原机制免受脱水伤害㊂在种子成熟和脱水过程中,蛋白质的还原性巯基被氧化产生以二硫键连接的稳定二硫化物,使蛋白质结构更紧密,减弱脱水作用对其活性的抑制,并防止其被蛋白酶水解㊂萌发完成后,种子蛋白质形成的二硫化物又会在硫氧还原蛋白的作用下恢复巯基形式㊂此外,氧化胁迫会导致蛋白质侧链发生共价修饰,这些修饰大多是不可逆的,但某些氨基酸残基的氧化是可逆的㊂甲硫氨酸亚砜还原酶(m e t h i o n i n e s u l f o x-i d e r e d u c t a s e,M S R)可清除甲硫氨酸氧化形成的甲硫氨酸亚砜,可逆地修复氧化蛋白㊂苜蓿种子合成M S R的能力与其寿命之间存在正相关关系,M S R将甲硫氨酸亚砜还原为甲硫氨酸有助于维持模式豆科植物苜蓿种子的活力[53]㊂种子老化中羰基化产物的作用也是蛋白质损伤的主要原因之一,醛酮还原酶家族1(a l d o-k e t o r e d u c-t a s e1,A K R1)可以催化羰基化合物的转化㊂在烟草和水稻中的过表达A K R1可以降低羰基化合物含量,延长烟草和水稻的种子寿命[54]㊂前文中提到的H S P和L E A也可确保合成蛋白质的正确折叠㊁防止氧化损伤以及损伤后的重折叠,参与蛋白质损伤的修复㊂2.5.2 D N A修复老化造成的D N A损伤包括无碱基位点产生㊁碱基的共价修饰㊁单链D N A断裂和D N A双链断裂等[55],这些损伤主要由氧化胁迫引起,碱基的共价修饰也可能是美拉德反应的结果[5]㊂人工老化的豌豆种子中,D N A断裂随着种子老化而累积,导致老化种子中D N A复制开始之前的D N A修复合成时间延长,老化种子发芽所需的时间是未老化处理种子的两倍[56]㊂种子萌发阶段的吸胀时期是D N A修复的重要时期㊂D N A修复基因在拟南芥吸水3h后高度表达[57],水稻在吸胀后D N A小片段也明显减少[20]㊂种子中受损D N A的修复依赖于所有真核细胞的通用机制:非同源末端连接(n o n-h o-m o l o g o u s e n d j o i n i n g,N H E J)㊁同源重组(h o-m o l o g o u s r e c o m b i n a t i o n,H R)㊁核苷酸切除修复(n u c l e o t i d e e x c i s i o n r e p a i r,N E R)㊁碱基切除修复(b a s e-e x c i s i o n r e p a i r,B E R)和未配对D N A 碱基的校正㊂多种D N A连接酶(D N A L i g a s e, L I G)参与D N A损害的修复过程,影响种子的寿命长短[57]㊂2.5.3 R N A修复 R N A的亲水基团 -O H 使得其易水解,m R N A的单链结构比双链D N A 更不稳定,非常容易受到R O S的氧化损伤㊂m R-N A结构的改变可能导致翻译受阻,而翻译活性的丧失与种子萌发率的降低有关[5]㊂成熟干种子可以在转录抑制剂的存在下发芽,但是会被翻译抑制剂阻断,这说明萌发所需的蛋白质直接由成熟干种子中预先存在的m R N A模板翻译而来[58]㊂植物的R N A修复系统包括A T P依赖性R N A连接酶㊁核苷酸转移酶和修饰R N A末端以进行连接(磷酸酶和激酶)或保护(甲基化酶)的酶,但种子中的R N A修复机制还有待进一步阐明㊂3影响种子衰老的因素3.1种子质量对衰老的影响3.1.1糖类含量与组成许多干种子中都含有大量的寡糖㊂诱导表达棉子糖水解酶基因Z m A-G A1既可以提高种子棉子糖含量和耐储性,又可以提高种子萌发过程中棉子糖的水解能力和萌发速度[59]㊂C h r i s t i n a W a l t e r s研究的温度-水活性模型展现了种子中的水分状态,玻璃态模型则展现了水溶液的状态,两个模型都假定了状态的变化会影响种子内部发生的化学反应和物理反应[60]㊂种子的耐贮性与其细胞胞内的玻璃态转变温度(c l a s s-t o-l i q u i d t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e, T g)密切相关㊂棉子糖㊁水苏糖和毛蕊花糖等寡糖可以通过增加粘度和从玻璃态到液体态的T g 提高胞内玻璃态的稳定性㊂在巴西本土树种红藓(P a u b r a s i l i a e c h i n a t a)的种子含水量发生显著变化之前,蔗糖和R F O含量就会开始上升,在种子成熟后期从液泡储备重新分配到细胞质中,可能有助于将细胞玻璃态的维持,与种子干燥耐受㊃087㊃西北农业学报33卷。

种子引发过程中的生理生化变化研究概述常 瑶1 焦 乐2（1.长治市潞州区农业农村局，山西 长治 046000，2.长治市农业综合行政执法队，山西 长治 046000）［摘　要］　结合目前国内外已有的一些相关理论和研究成果，对种子引发过程中的生理生化变化进行概述，主要包括种子引发对膜修复能力的影响、对酶活性及代谢的影响、对核酸的影响等，并对种子引发技术的应用前景进行展望。

［关键词］　种子；引发；膜修复；酶活性；核酸［中图分类号］　S351.1 ［文献标志码］　A ［文章编号］　1674-7909（2022）04-39-30　引言种子引发是指在控制条件下使种子缓慢吸水，启动和完成萌发前重要代谢事件，包括一些与大分子修复有关的过程，但不足以让胚根突出的一种播前种子处理技术。

引发处理最显著的作用是提高种子萌发率及整齐度，降低种子在发芽过程中对不利环境的敏感性。

种子引发机理可概述为种子在其引发阶段完成了膜修复、DNA重新合成和酶活化等物质代谢和能量代谢过程，从而增强了种子的萌发力及抗逆境的能力。

种子引发过程中完成的一系列物质代谢是极其复杂的。

目前，关于种子引发机制的研究仍处于探索阶段。

结合国内外已有的一些相关理论和研究成果，笔者重点阐述种子引发过程中产生的一系列生理生化反应，并对种子引发技术的应用进行了展望。

1种子引发对膜修复能力的影响种子活力下降的一个主要原因是细胞膜系统遭到了损坏，从而导致物质外渗量增加。

在种子引发的过程中，种子可以缓慢吸水，从而诱导受损的细胞膜进行修复与重组，提高细胞膜的完整性，减少种子内有机物质的外渗量，进而提高种子的活力。

种子外渗液的电导率是衡量细胞膜透性变化的一个重要指标。

种子外渗液的电导率越低，说明种子的活力越高，也就表明种子细胞壁膜系统完整性较好，受损害程度相对较轻。

前人大量的研究表明，种子引发过程中可以使细胞膜有充分的时间进行自我修复。

例如，杨小环等［1］用聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）引发处理已经老化的甘蓝种子，与对照相比，经引发的老化甘蓝种子的外渗液电导率显著降低，外渗物显著减少，从而间接表明老化甘蓝种子的细胞膜得到很大程度的修复，完整性有所增强。

让种子老化的方法种子的老化是种子在一定的时间内经历了一系列的化学和生理变化，从而导致其萌发力和存活能力的下降。

种子老化是种子保存和利用中不可避免的过程，对于种子的种植、保存和研究都有着重要意义。

下面我将从种子老化的原因、影响因素以及延缓种子老化的方法等方面进行详细阐述。

首先，种子老化的原因有多方面，主要包括生理老化、环境老化和病理老化。

生理老化是种子在发育成熟过程中内在物质的代谢产物引起的老化现象；环境老化是指种子在存放或播种过程中受到光、温度、湿度等环境因素的影响导致老化；病理老化是由于种子在发育、干燥、病原体感染等环节中所受到的创伤和病理损伤引起的老化。

其次，种子老化的影响因素也很复杂，既包括内部因素也包括外部因素。

内部因素主要包括种子本身的性质、种子的品种和品质等；而外部因素则包括温度、湿度、光照、病原体感染、贮藏条件等。

这些因素相互作用，共同影响种子的老化速度和程度。

最后，延缓种子老化的方法多种多样，可以从种前处理、贮藏条件和抗老化剂等方面来进行控制。

种前处理是在种子培养过程中对种子进行处理，以增强其抵抗老化的能力。

常见的种前处理包括修剪、干燥、处理种壳以及灭菌等。

修剪可以去除不健康和不完整的种子，保障种子的健康生长；干燥可以将种子的含水量降低到适宜的水平，避免因过高的湿度导致种子的发霉和腐烂；处理种壳可以增加种子的通气性，促进种子的呼吸和代谢；灭菌则可以清除种子表面的病原体，减少种子感染病害的概率。

贮藏条件是种子在贮藏过程中所处的环境条件，对于种子的贮藏和保鲜具有重要影响。

温度、湿度和光照是种子贮藏条件中的重要参数，不同的种子对于这些条件的要求也不同。

一般来说，低温、低湿度和低光照的条件可以有效地延缓种子的老化。

此外，合适的贮存容器和包装材料也对种子的贮藏起到一定的保护作用，可以防止种子受到物理和化学刺激，降低种子的老化速度。

抗老化剂是一种可以延缓种子老化的化学物质，能够抑制种子老化过程中的氧化、酸化和生理代谢等反应。

线虫的发育和老化的生理和生化机制研究线虫是一种非常独特的生物模型，被广泛研究其发育和老化的生理和生化机制。

线虫的生命周长短，繁殖周期短，细胞数量少，基因组小，易于操作和维护。

这些特点使得线虫成为模拟生物学过程和疾病模型的理想生物。

本文将着重介绍线虫的发育和老化的生理和生化机制研究。

线虫的发育机制线虫的发育过程十分独特和有条不紊。

种子虫在卵巢中被发育成一细胞阶段，随后继续发育为四细胞和八细胞阶段，最后分化为多个不同类型的细胞。

线虫胚胎形态专一，发育过程中每个细胞的发育都是非常规律和确定的。

这种高度程序化的发育过程，使得研究者能够非常准确的研究不同类型细胞的发育规律和分子机制。

从分子层面上分析，线虫的发育过程和许多其他生物的发育过程有很多相似之处。

研究人员已经鉴定出许多参与线虫发育的基因和分子机制。

Wnt、Notch、双酚A类似物（DPAL）信号通路，以及小GTP酶例如RAS、RAP、RAC、CDC42等信号通路，都在线虫的发育过程中扮演着重要的角色。

线虫的老化机制线虫寿命短，便于进行老化研究。

老化是指生物体功能退化和协调能力降低的过程。

线虫模型可以帮助研究者深入了解老化的背后机理。

线虫的老化与许多因素有关，如环境、膳食、基因等。

线虫寿命的延长与食物限制等先前的条件有关。

线虫也可以通过避免暴露于氧气环境中，从而减少氧化应激的损伤。

除此之外，线虫的生殖功能与寿命也强相关。

一些基因的变异对线虫的寿命有着显著的影响。

例如 daf-2/daf-16基因对调节线虫寿命的调控具有决定性作用。

线虫的老化还与许多信号转导通路有关。

荷尔蒙、小G蛋白、FOXO、p53、AMPK信号等都涉及线虫老化的调节机制，因此研究者可以通过调节这些信号通路来延长线虫的寿命。

结论线虫模型非常适合研究复杂生物学问题。

线虫的发育和老化的生理和生化机制是许多研究者关注的重点。

在未来的研究中，如何针对线虫发育和老化的复杂生理和生化机制展开更为深入细致的研究，将在我们加深对生物世界之奥秘的认识方面起到重要的推进作用。

种子衰老机制研究摘要：种子衰老是一个复杂的量变到质变的生物学过程。

种子衰老与种子自身的活力水平、种子的含水量和储存温度、气体成分以及微生物状况有关。

在种子衰老过程中，细胞结构、呼吸作用和抗氧化系统都发生很大的变化。

培育遗传性活力高的种子、适当降低种子的水分和储藏温度、调节合理的储藏库气体比例等措施，都能够有效延缓种子衰老。

总结了近年来关于种子老化涉及的理化反应包括保护酶活性的改变、核酸以及蛋白质的分解、内源激素的消长、质膜完整性降低等相关研究，并从蛋白代谢、核酸代谢、种子含水量等多角度总结和阐述了与老化机理有关的最新研究观点，为种子老化、种子活力修复和种子寿命延长等机理研究提供基础理论参考。

关键词：种子衰老机制Abstract：Senescence is a complex biological process of quantitative change to qualitative change. Seed senescence is related to the seed's own energy level, seed's water content and storage temperature, gas composition, and microbial status. In the process of seed aging, cell structure, respiration and antioxidant systems have undergone great changes. Cultivating seeds with high genetic vigor, properly reducing the water and storage temperature of the seeds, and adjusting the proportion of the gas in the storeroom can effectively delay the seed senescence. The physical and chemical reactions involved in seed aging in recent years including the changes of protective enzyme activities, the decomposition of nucleic acids and proteins, the depletion of endogenous hormones and the reduction of plasma membrane integrity were summarized. From the aspects of protein metabolism, nucleic acid metabolism, seed water content As well as gene recombination and other aspects summarized and elaborated the latest research perspectives related to the aging mechanism and provided the basic theoretical reference for the mechanism of seed aging, seed vigor restoration and seed life extension.Key words: seed senescence mechanism种子作为植物最主要的繁殖材料和生产资料，其品质的优劣直接影响农作物、饲草、林木等的生产、经济与遗传资源有效利用、土壤种子库稳态维持、以及植被恢复与重建等生态价值的实现［1］。