种子如何有感而“发”

文/周 炜

2019年1月,一粒棉花种子在月球背面萌发。种子是如何感知环境然后发芽的?浙江大学的科学家在棉花中找到一个分子“开关”,它能直接感知环境温度并调控种子的萌发。

“抢跑”的种子
棉花种子是种子中最有耐力的选手之一。作为起源于非洲和中美洲的植物,经过数千年的演化,棉花的足迹已经遍布亚洲、南美洲、北美洲等地。浙江大学农学院张天真教授课题组试图寻找与棉花耐力相关的基因,以用于作物精准育种。
在实验中,博士生马卫惊奇地发现,一批棉花种子明显“抢跑”了:正常情况下,棉花种子吸足水分后24小时开始萌发,但是其中一组12小时就陆续萌发了。另一位研究生重新做了一组实验,结果“抢跑”现象依然显著。是什么导致种子“抢跑”?课题组决定重新设计实验,寻找控制种子萌发的“发令枪”。

“扳道工”
众所周知,温度、光照、水分是决定种子萌发的重要外因,但是,这些外因如何被植物感知,并启动一系列体内反应,相关的分子机制依然模糊。这激发了许多科学家的好奇心。
通过一系列实验,课题组发现“抢跑”的种子确实不一样。它们体内一个小分子——热激蛋白HSP24.7的含量特别高。抑制这种蛋白的表达,即使温度适宜,种子也萌发缓慢,仿佛一直处于低温环境;如果这种蛋白表达活跃,种子即使在低温环境中也会迅速萌发。
进一步研究发现,HSP24.7是通过调控线粒体的活性完成温度响应的。HSP24.7含量升高,能让线粒体产生更多活性氧,加速种子萌发。但是,活性氧过量可能会损害植物健康。那么,HSP24.7含量升高会导致活性氧过量吗?
实验显示,HSP24.7是一个聪明的“扳道工”。在种子萌发3小时之后,HSP24.7会诱导另一条途径让活性氧迅速衰减,同时保证线粒体高效持续地提供能源。也就是说,活性氧只在关键的时候大量出现,完成使命后就迅速消失了。

冲破“暗门”
种子萌发有一个“破壳而出”的过程:种皮破裂,胚芽萌出。马卫解剖了处于不同萌发时期的棉花种子,试图用“分镜头”解析种子萌发的全过程。他发现了一道“暗门”——胚乳膜。
胚乳膜位于种皮的内层,包裹在胚芽之外,是胚乳的营养被吸收后留下的残余。它很不起眼,最厚的地方有10层细胞,最薄的地方只有2层细胞。马卫发现,胚乳膜其实是种子萌发的关键的机械束缚。课题组用一根针去探测不同萌发时期的胚乳膜的强度,数据显示,萌发之后的胚乳膜强度明显下降了。
至此,植物感受温度并控制种子萌发速度的机制终于清晰了:HSP24.7感受到适宜的温度时大量表达,调控线粒体活性;线粒体适度释放活性氧,导致胚乳膜内关键组分降解;胚乳膜强度减小;种子顺利萌发。课题组还用拟南芥和番茄的种子做了相关实验,发现这一机制在双子叶植物中是普遍适用的。

赢在“起跑线”
种子萌发是植物生命周期开始的第一步。棉花是对人类最重要的农作物之一,人们希望田里的棉花能“统一步调”,而不是各有节奏。这样才能高效地实现同步采收,这也是农作物精准育种的目标之一。“知道了植物感知温度的分子机制,就能更好地进行棉花育种。”张天真说。
我国是棉花种植大国,种子温度响应的机制的发现,将进一步指导人们在低温、干旱环境或盐碱地种出更好的棉花。

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

 
《科学画报》2019© 版权所有 沪ICP备05024827号