第六章种子的萌发.

第六章种子的萌发第一节种子萌发的过程及类型第二节种子萌发的生理生化及遗传基础第三节种子萌发的环境条件种子的萌发种子萌发是指具有生活力的种子通过休眠或解除休眠后，在适当的发芽条件下，形成具有正常根、茎、叶的幼苗的过程。从形态上讲，则指种胚开始生长，胚根和胚芽突破种皮向外伸长的现象。种子萌发实质是种胚从休眠状态恢复到活跃生长状态的生命活动历程。1.芒；2.外稃；3.外稃；4.护颖；5.小穗柄；6.稃毛；7.胚乳糊粉层；8.胚乳淀粉层；9.果皮;10.盾片；11.胚芽；12.胚根水稻成熟种子结构解剖第一节种子萌发的过程及类型萌发的过程的三（四）个阶段：吸胀：种子吸水膨胀软化。萌动：种胚细胞体积扩大伸展，胚根尖端突破种皮外伸。发芽：胚根、胚芽伸出种皮并发育到一定程度，形成完整的根、茎、叶结构，称为发芽。成苗阶段（幼苗的形态建成）：子叶出土型子叶留土型吸胀种子吸水膨胀软化。这时亲水胶体吸附水的结果，是纯物理过程，死种子也会发生吸胀作用。吸胀是种子萌发的必要条件。在种子萌发过程中，活种子水分吸收可分为三个阶段：开始阶段、滞缓阶段、重新大量吸水阶段（图６-1）。快速吸水阶段:含水量迅速上升；吸水停滞阶段:含水量维持不变，40-60%，代谢活动开始；再次迅速吸水阶段:含水量达70-90%，生理性吸水。影响种子吸胀能力强弱的主要因素是种子的化学成分和种皮结构。一般来说，高蛋白种子的吸胀能力远强于高淀粉种子。如豆类作物种子的吸水量大致接近或超过其本身的干重，而禾本科作物种子吸水一般约占其干重的１／２；油料作物种子的吸水量则主要取决于其含油量的多少，在其他化学成分相似时，油分越多，吸水力越弱。吸胀率：种子吸水达到一定量时，吸胀的体积与其干燥状态的体积比。蛋白质吸胀能力强，吸水量大，吸胀率高。淀粉种子130％－140％，豆类种子200％不同溶液中的吸胀（豌豆种子）豌豆种子吸胀过程吸胀后体积变大萌动：种胚细胞体积扩大伸展，胚根尖端突破种皮外伸。俗称“露白”“破口”。种子在最初吸胀基础上，吸水会停滞数小时或数天。在生物大分子、细胞器活化和修复基础上，种胚细胞恢复生长。萌动时首先突破种皮的部分是胚根。但在水分供应过多的时候，则先出芽。从吸胀到萌动，油菜与小麦适宜条件下只需1d，水稻与大豆需2d，玉米和西瓜种子则需3d左右。种子开始再度快速吸水。发芽：萌动后，种胚细胞生长加速，胚根、胚芽伸出种皮并发育到一定程度，形成完整的根、茎、叶结构，称为发芽。种子新陈代谢极为旺盛，呼吸强度大最高限度，对缺氧极为敏感。无氧呼吸会产生大量有害物质，使种胚中毒甚至死亡。种子萌发的三个阶段和生理转变过程示意图成苗阶段（幼苗的形态建成）：子叶出土型：大部分双子叶种子。子叶留土型：大部分单子叶种子。花生属于子叶半出土型，下胚轴伸长，但不充分。还记得吗？1、子叶出土型(epigealgerminator—下胚轴生长快，出土前呈拱形，顶出子叶。)1）90%左右的双子叶植物，苜蓿、三叶草、草木樨等（小粒多）2）少数单子叶植物：葱、蒜等。优势：Ⅰ.顶芽在子叶中间，保护；Ⅱ.子叶出土后，光合作用，继续为早期生长提供营养。不利：Ⅰ.低活力种子，播种时覆土浅些为好；Ⅱ.出土时子叶受损伤，还会影响后期开花结果。青刀豆，菜用刀豆，四季豆2、子叶留土型上胚轴生长快，将芽顶出土，子叶留土。（1）大多数单子叶植物属于子叶留土型，如水稻、老芒麦、冰草等。禾谷类植物（单子叶）种子幼苗出土的部分实际上是“子弹型”的胚芽鞘。（2）少数双子叶植物（子叶肥厚者），如毛苕子、春箭筈豌豆等。优点：穿土力较强，顶芽损伤，侧芽可继续生长，出土容易。缺点：顶芽易损，早期不能进行光合作用。3、中间型取决于播种深度及胚轴的粗细、长短,生长到一定时期，便不能生长，下胚轴粗短，具有限的生长能力，一般子叶刚露出，播深则留在土中，播浅则顶出土面，如红豆草。第二节种子萌发的生理生化及遗传基础在萌发过程中，种子内部发生一系列生理的和生物化学的变化。种子发芽的基本生理过程包括两个方面，一是呼吸作用，另一个是有机物质的转化。问题思考：试分析种子萌发过程中主要贮藏物质的转化途径和方式？一、种子细胞的活化修复与种胚生长1、细胞的活化与修复在种子萌发的最初阶段，细胞吸水后即开始修复和活化活动。活化和修复在吸水的第一、第二阶段进行。种子细胞中各种细胞器、酶、转运RNA、信使RNA等很容易吸水活化。种子内部细胞膜系统、DNA和RNA分子等可能会在干燥种子内部有些个别的损伤，但可由自身的遗传系统（如各种酶）来修复。2、种胚的生长与合成种子萌发最初的生长在种胚细胞内，主要表现在活化和修复系统基础上细胞器和内膜系统的合成增殖。而胚根细胞的伸长扩大，就可以直接导致种子萌发。二、呼吸作用与物质、能量的代谢1、呼吸类型改变①呼吸从无氧呼吸转变为有氧呼吸。在种子吸水的第二阶段，即吸水暂停阶段，种子呼吸产生CO2的大大超过O2的消耗；当胚根长出后，鲜重又增高时，O2的消耗就高于CO2的释放，这说明初期的呼吸主要是无氧呼吸，而随后是有氧呼吸。②呼吸途径以磷酸戊糖途径PPP为主，为生物合成提供原料。2、种子萌发时呼吸的四个阶段第一阶段：呼吸作用急剧上升，约10小时。第二阶段：呼吸滞缓期，约15小时。第三阶段：第二次呼吸高峰第四阶段：呼吸作用显著下降3、呼吸途径与呼吸基质呼吸途径：糖酵解(EMP),三羧酸循环(TCA),磷酸戊糖途径(PPP)呼吸基质：主要为蔗糖、棉籽糖和水苏糖glycolysis（糖酵解）这一名词来源于希腊语glykos的词根，是甜的意思。lysis是分解或解开的意思。糖酵解过程被认为是生物最古老、最原始获取能量的一种方式。在自然发展过程中出现的大多数较高等的生物，虽然进化为利用有氧条件进行生物氧化获取大量的自由能，但仍保留了这种最原始的方式GA3P:3-磷酸甘油醛Pyruvicacid:丙酮酸Citriccycle:柠檬酸即三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle)是需氧生物体内普遍存在的代谢途径在线粒体进行磷酸戊糖途径葡萄糖先生成强氧化性的5-磷酸核糖，后者经转换后可以参与糖酵解和核酸的生物合成。部分糖酵解和糖异生的酶会参与这一过程。种子萌发过程中的代谢途径活化顺序种子中的活化过程在吸水后很快进行，活化的顺序是氨基酸代谢、糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径。萌发初期，三羧酸循环的效率不高，能量供给主要靠糖酵解和磷酸戊糖途径。4、种子萌发期间的能量转变[ATP]+1/2[ADP]0.5种子休眠或老化能荷（EC）=——————————[ATP]+[ADP]+[AMP]0.5种子萌发0.7~0.9发芽良好幼苗干重物质效率（%）=——————————————×100发芽期间消耗的干物质重发芽期间消耗的干物质重＝种子干重－残留物干重种子活力高、发芽条件好——物质效率高三、酶变化（主要是水解酶）种子萌发过程中各种酶也从无→有。萌发种子酶的形成有两种来源：①已存在的束缚态酶释放或活化，如β-淀粉酶、磷酸化酶等；②通过核酸诱导下合成新的酶，如α-淀粉酶、异柠檬酸酶、蛋白酶、酯酶等。四、贮藏物质的转化利用种子萌发过程中有机物发生了明显的变化，主要经历了水解、转移、重组三步骤。贮藏在胚乳或子叶中的淀粉、脂肪、蛋白质等大分子物质必须先分解成简单的可溶性状态物质后，才转移到胚，合成胚的结构物质。此外，用于呼吸作用产生能量。首先动用可溶糖，氨基酸及少量储藏蛋白，主要储藏物质分解在萌动以后。1、淀粉的转化水解途径磷酸解途径磷酸解（淀粉磷酸化酶）：预存酶降解淀粉产生G-1-P。水解（淀粉水解酶）：α-淀粉酶:不耐酸，pH3.6以下钝化，较耐高温。淀粉内切酶:使淀粉黏度下降（液化酶）β-淀粉酶（预存酶）:不耐热，70℃15’被钝化。每次切下一分子麦芽糖（糖化酶）（大麦芽中较多！）糖化酶的底物专一性较低，它除了能从淀粉链的非还原性未端切开a-1.4键处，也能缓慢切开a-1.6。因此，它能很快的把直链淀粉从非还原性未端依次切下葡萄单位，在遇到1.6键分割，先将a-1.6键分割，再将a-1.4键分割，从而使支链淀粉水解成葡萄糖禾谷类种子中胚分泌GA对α-淀粉酶的诱导2、脂肪的转化脂肪的转化（脂肪体的解体）：甘油三酯（甘油+脂肪酸）糖种子中预存有一部分脂肪酶，当种子萌发时，脂肪酶活性明显上升。种子一般先利用淀粉和储藏蛋白，脂肪分解利用发生在子叶高度充水，根芽显著生长时。脂肪酶甘油在细胞质中发生磷酸化，进入线粒体，转化为磷酸丙糖，最后生成六碳糖供呼吸消耗。脂肪酸进行β氧化，生成乙酰CoA，进入乙醛酸循环，产生琥珀酸；琥珀酸在线粒体通过三羧酸循环形成草酰乙酸。最后在细胞质中转化为葡萄糖，以蔗糖形式运到生长部位。贮藏蛋白水解作用和氨基酸的释出，表明谷氨酰胺和天冬酰胺是主要运转形式3、蛋白质的转化第一步：储藏蛋白可溶化（非水溶性储藏蛋白难直接分解，首先部分水解成水溶性小分子量蛋白）第二步：可溶性蛋白完全水解成氨基酸（合成新蛋白质；转化，降解）禾谷类种子蛋白质的分解发生在三个部位（Bewley和Black，1994）(1)胚乳淀粉层：来自于糊粉层和淀粉层的蛋白水解酶，除水解储藏蛋白外，还水解酶原，如活化β-淀粉酶，水解糖蛋白，促进胚乳细胞壁溶化。(2)糊粉层：受GA诱导合成蛋白酶。其中部分蛋白酶就地水解蛋白质，分解产生的氨基酸用于合成α-淀粉酶。(3)胚中轴和盾片：盾片中有肽链水解酶，把从胚乳中吸收的水解产生的肽链分解成氨基酸；胚中轴也含有蛋白水解酶，能水解少量储藏蛋白。油料种子发芽时脂肪转变为蔗糖的过程种子贮藏物质分解、转化和利用方式示意图五、种子萌发的遗传基础种子萌发是由多基因控制的数量性状，随着分子标记技术及ＱＴＬ分析技术的快速发展，控制种子萌发的ＱＴＬ在染色体上的位置以及各位点对表型的相对贡献率都能被检测到。玉米种子顶土萌发基因定位（赵光武博士论文一部分）材料以耐深播玉米自交系3681-4为父本，不耐深播的常用玉米自交系178为母本，配置杂交组合，获得F2：3家系。表型鉴定20cm深播，25℃黑暗条件下萌发14d后统计出苗率并测定中胚轴长度。DNA提取和标记分析CTAB法提取亲本和F2叶片DNA，筛选SSR多态性引物，PAGE电泳后统计带型。遗传连锁图构建利用作图软件Mapmaker3.0构建F2群体的遗传连锁图(LOD3.0)。QTL分析利用复合区间作图法(MCIM)，采用基于混合线性模型的分析软件QTLMapper2.0进行基因/QTL定位。F2:3群体的构建亲本及不同世代种子播种40d幼苗长势表型鉴定标准的确定自交系出苗率（%）中胚轴长度（cm）17806.73681-483.319.420cm播深黑暗条件下萌发14d亲本178和3681-4出苗率和中胚轴长度1783681-420cm播深黑暗条件下萌发14d亲本3681-4和178的幼苗长势915312316051015202530350-2020-4040-6060-8080-100出苗率（%）群体个数20cm播深条件下14dF2:3群体的出苗率分布图182032231005101520253035≦10.010.0-12.012.0-14.014.0-16.016.0-18.0≧18.0中胚轴长度（cm）群体个数20cm播深条件下14dF2:3群体的中胚轴长度分布图SSR连锁图谱的建立从436对SSR引物中共筛选获得136对亲本差异引物，多态性比例为31.2%。从中挑选出95对扩增效果好、条带差异明显的引物，覆盖整个基因组，用于F2群体PCR和PAGE。引物筛选：DNA琼脂糖凝胶电泳图差异引物筛选的PAGE图F2群体SSR标记SSR引物umc1685F2群体PCR产物PAGE图SSR引物bnlg2042F2群体PCR产物PAGE图高活力耐深播玉米自交系3681-4与178F2群体的SSR分子标记遗传连锁图Chr1Chr5Chr6Chr8umc1685bnlg108332.0umc1253bnlg14335.7umc158725.6umc229726.5umc18158