廖卓毅 周健 钱存梦 夏涛

摘要 作为一种生物活性分子，一氧化氮（Nitric oxide，NO）对植物许多生理过程都具有重要影响，包括对植物种子的休眠解除和萌发的促进作用。简要综述了NO及其相关化合物在种子休眠解除和萌发上的研究进展，对NO在种子休眠解除和萌发过程中与植物激素、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及光照等因子的互作加以讨论，以此阐述它们在休眠解除和萌发过程中的关系，同时讨论NO的生态学意义，并且展望未来种子休眠与萌发中NO的研究重点和方向。

关键词 一氧化氮;休眠;萌发;植物激素;活性氧;光照

中图分类号 S722.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2015）03-007-03

Research Advance of Regulation of Nitric Oxide in Seed Dormancy and Germination

LIAO Zhuoyi， ZHOU Jian， QIAN Cunmeng， XIA Tao*

（The Southern Modern Forestry Collaborative Innovation Center， Nangjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037）

Abstract As a bioactive molecule， nitric oxide （NO） plays an important role in many plant physiological processes， including seed dormancy release and germination. This paper gave a brief overview on the implication of NO and its relative compounds in the control of seed dormancy and germination， as well as clarified its crosstalk with phytohormone， reactive oxygen species （ROS） and light during seed dormancy release and germination. In addition， we also discussed the ecological significance of NO， and forecasted the direction and emphasis on future researches.

Key words Nitric oxide （NO）; Dormancy; Germination; Phytohormone; Reactive oxygen species （ROS）; Light

基金項目 国家自然基金项目（31270711）;江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）;江苏省研究生培养创新工程项目（KYLX0898）。

作者简介 廖卓毅（1989- ），男，广西来宾人，硕士研究生，研究方向：林木种苗生理。*通讯作者，讲师，博士，从事植物学方面的研究。

收稿日期 20141204

种子休眠与萌发是植物重要的生理事件，受光照、温度、水分、激素及遗传等诸多因素的影响，而一氧化氮（Nitric oxide，NO）是其中的影响因子之一。NO是一种在动植物多个生理活动中发挥重要作用的易扩散生物活性分子^[1-2]，在植物生长、发育过程中的各种功能在近十年来已被研究者逐渐发现。早期的报道指出，NO对防止植物免受病原体所引起的过敏反应中发挥重要的作用^[3]。随后的研究发现，NO还能够抑制植物的成熟和衰老，并且作为一种抗氧化剂，能延缓植物细胞程序性死亡（Programmed cell death，PCD）^[4]。此外，NO还可促进幼苗的发育^[5]，抑制植物花期^[6]，协同脱落酸（Abscisic acid，ABA）诱导叶片气孔关闭^[7]，甚至是植物根系适应低氧环境所必须的物质之一^[8]。NO参与植物种子休眠解除的报道^[9-12]也较多，但在解除种子休眠、提高种子萌发率的方法中，人们更多地将注意力放在层积、激素和酸蚀处理等措施上，却常常忽视NO能够有效解除种子休眠、促进萌发的事实。少数关于NO在种子休眠与萌发中作用的研究虽然证实了NO的这一功能，但仍未能够进一步全面阐述其作用机制。笔者简要介绍了NO在种子休眠解除、萌发方面的研究进展，并且试图阐述NO与植物激素、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及光敏色素在调控种子休眠与萌发过程中的互作关系，以期为深入了解NO在种子休眠解除及萌发过程中的作用机理提供一定的参考，同时为种子休眠与萌发研究提供一条新的思路。

1 NO及其相关物质在种子休眠与萌发中的作用

最近研究显示，含氮物质包括硝酸盐、亚硝酸盐及叠氮化合物等处理种子可打破休眠，可能是通过产生NO所致。对吸胀24 h的小麦和高粱种子施用硝酸盐处理，利用电子顺磁共振（Electron paramagnetic resonance，EPR）检测后发现其胚轴匀浆中NO含量随着处理时间的延长而增加^[13]。这一结果表明，在种子吸胀过程中外生性硝酸盐含量是决定NO释放的一个关键因子，而含氮物质打破种子休眠是通过NO来完成的。不同学者还相继开展外源性NO直接应用于泡桐（Paulownia tomentosa）^[14]、拟南芥（Arabidopsis thaliana）^[9-10]、苹果（Malus pumila Mill.）^[11-12]、柳枝稷（Panicum virgatum）^[15]及杜梨（Pyrus betulaefolia）^[16]等植物种子休眠解除的研究。一般认为，内源性NO主要在种子胚乳中产生，并且作用于该部位，使得胚乳进一步软化进而破裂，有利于胚的萌发^[17]。NO促进种子休眠解除和萌发往往伴随着与其他因子的相互作用，其中与植物激素、活性氧（ROS）和光敏色素间的互作已被发现，并从这一角度展开系列研究。目前，NO和植物激素及ROS间的相互作用已相对清晰。有研究表明，NO在某些情况下也可以加强光在种子萌发事件中的作用，提高大多数休眠及非休眠种子的萌发率，因此推测NO可能与光敏色素存在某种程度上的交联，只是相比于前面两者，人们对NO与光敏色素的这一交联机制仍知之甚少。

2 休眠解除与种子萌发过程中NO与其他因子的互作

2.1 NO和植物激素间的交联

在吸胀种子中，ABA合成抑制剂氟啶酮（Fluridone）或哒草伏（Norflurazon）的应用可以降低ABA的合成，并且因此促进种子的休眠解除和萌发。Piterkova等^[17]研究发现，NO清除剂cPTIO能明显抑制由氟啶酮刺激所致的番茄种子的萌发。相反，Bethke等^[18]表明，NO供体硝普钠（Sodium nitroprusside，SNP）能提高哒草伏在拟南芥休眠种子上的影响，同时降低种子对外源ABA的灵敏性。这些发现表明，在种子中NO可减少ABA的累积和灵敏性。药理试验证实，NO提高了拟南芥CYP707A2基因的表达，在种子吸水的初期NO的迅速累积（尤其是在胚乳层）被认为是内源ABA迅速分解和解除休眠所必须的^[10]。而Bethke等^[18]研究还发现，NO可通过诱导GA3ox1和GA3ox2基因的转录（编码合成GA的2个关键基因），上游调控GA的信号通路，导致糊粉细胞形成空泡，而这一过程恰恰是由ABA抑制着的。由于离体胚的生长并未受NO供体或清除剂的影响，胚乳被认为是NO在种子中合成并且作用的初始部位。

在十字花科中，乙烯可通过抑制ABA在种胚上的作用来刺激胚乳和种皮结构的弱化和破裂，从而正向调控种子的萌发^[19]。Gniazdowska等^[11]报道，NO打破苹果胚的休眠与引起胚中乙烯的增加有关。NO可以引发ROS的瞬态产生，而ROS的累积可以提高乙烯前体ACC的合成酶（ACC synthetase，ACS）和氧化酶（ACC oxidase，ACO）的活性，促进乙烯的累积。而ACC合成抑制剂氨基氧乙酸（Aminooxyacetic acid，AOA）完全阻止NO的作用，说明NO解除苹果胚休眠是通过乙烯依赖的途径，而乙烯合成的抑制阻碍着ABA、乙烯和NO三者在促进休眠释放和萌发过程中的相互作用。因此，在种子休眠释放和萌发过程中此三者似乎存在着不同水平上的交联^[12]。

除了影响激素的平衡，NO还可能通过增加NADPH的氧化直接加速磷酸戊糖途径（Pentose phosphate pathway，PPP）以解除种子的休眠^[20-21]。通过这种途径，葡萄糖分解代谢的增加也反过来维持和促进种子的休眠^[22]。

2.2 NO和ROS的互作

与NO一样，ROS在控制种子休眠释放和萌发中也发挥着重要的作用^[23-24]。在植物细胞中，ROS由特定的酶促反应产生，或是作为新陈代谢的副产物^[25-26]。根据含量的不同，ROS既可在包括促進休眠释放和萌发等植物生理事件中产生积极作用，又可对植物造成有害的后果。因此，有学者提出，在种子吸胀中所产生的ROS的含量应处在一个确定的“氧化窗”，以满足种子的萌发，而当低于这一“氧化窗”时，ROS发挥的功效则以氧化损害为主^[24]。

Gniazdowska等^[12]发现，NO促进休眠苹果种子的胚萌发，与萌发早期胚中ROS（H₂O₂和O-₂）浓度的快速增长有关，ROS的增加主要发生在胚根生出前期的胚轴中，因此认为外源ROS和NO通过引起种子中ROS的积累而打破种子休眠，且胚轴中ROS的增加可能就是种子萌发的开始。此外，NO和ROS也可通过与植物激素间的互作影响种子的休眠与萌发。Liu等^[25]提出，NO和ROS能共同解除由ABA所引起的休眠。NO和H₂O₂在种子内的迅速累积发生于ABA分解和GA合成前的吸胀阶段。在此过程中，H₂O₂能够增强ABA的分解代谢和GA的生物合成。H₂O₂介导CYP707A基因的表达。当H₂O₂受到抑制时，ABA代谢降低，但对于GA的合成不产生任何影响。由此推测，NO是作为H₂O₂的上游信号在加强ABA代谢中发挥作用的^[10]。结合上述NO与乙烯的关系，将NO、ROS及植物激素间互作的关系归纳为图1。

图1 NO、ROS及植物激素在休眠解除过程中的互作关系模型

2.3 NO与光敏色素的互作

光是植物生长和发育的一个非常重要的环境因子，对种子休眠和萌发同样意义重大。光照与含氮物质间的相互作用在之前的研究中已被发现。一般而言，含氮物质能够与光相互作用，进而促进种子的萌发。

光敏色素首次在莴苣（Lactuca sativa）种子中被发现。研究表明，红光能够促进种子萌发，而黑暗条件下吸胀种子不能萌发。Beligni等^[5]发现，对黑暗条件下吸胀的莴苣种子施加100 μmol/L SNP或SNAP，萌发率可高达95%以上，而在此基础上施用cPTIO时，萌发率则降低到5%以下。这表明NO涉及光促萌发的事件。在拟南芥中，红光脉冲和KCN共同作用所致的萌发率均高于上述两者的任何一个单独作用。而对于光照刺激萌发种子，KCN和SNP等NO供体的作用同样能提高发芽率，而且在含PhyA的拟南芥中，这一效果明显高于含PhyB的种子^[27]。泡桐种子的萌发要求持续的光照，但红光和含氮物质的处理可以有效地代替泡桐萌发的这一光照要求。Grubisic等^[14]研究表明，KCN₃、硝化甘油和亚硝酸盐均可提高由红光引起的泡桐种子萌发的比例。在随后的试验中，NO及其供体SNAP、SIN1被证实同样可以促进由红光刺激的种子萌发^[28]。这些均表明NO及含氮化合物与光敏色素之间存在着互作，进一步提高种子的萌发效率。

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