植物种子发育调控机制研究进展

鞠斯羽 李颖 魏健

(长春师范大学，吉林 长春 130051)

种子是陆生植物在进化和多样化过程中适应环境演变的重要技术手段，而植物的种子发育是一个由复杂的网络控制的复杂过程。种子的发育发生在合子胚胎产生以后。而单子叶和双子叶植物的种子发育均起始于双受精阶段，受精后的卵细胞(合子)形成胚(二倍体)，与此同时，受精后的中央细胞(central cell)形成胚乳(三倍体)[1]。胚珠一般是在双受精以前就产生的，胚珠的数量和播种的数量密切关联，也直接影响着粮食作物的生产。双受精以后，胚珠发育成种子，珠被发育成种皮。植物种子一般有3种分化成分：胚、胚乳和种皮[2]。种子的发育过程可分成2个阶段。胚胎的发生，包括胚胎、胚乳和外种皮发育[3]；种子成熟，包括胚根生长和种子填充。在种子成熟过程结束时，种子干燥，RNA和蛋白质的合成停止，胚胎进入休眠状态。种子成熟通常伴随着叶绿素降解[4]。许多研究在寻找影响植物种子发育过程的因素。

虽然环境因素对种子发育有一定影响，但种子中基因表达的变化是这一过程的主要决定因素。在这一阶段中，不但大量基因直接参与胚胎和胚乳生长的调节，还有大量调节因素组成精细复杂的系统以实现种子生长的调节。本文着重综述了近年来中国研究人员在IKU3-MINI3-SHB1通路、泛素途径、激素相关通路等领域的研究进展情况，并充分介绍和剖析了利用不同途径通过控制胚胎、胚乳和种皮发育而控制种子生长的分子机理。

1 IKU-MINI3-SHB1调控机制

胚乳发育也是限制植物种子生长的主要原因，HAIKU(IKU)影响了植株播种胚乳的早期发育。IIKU-MINI3-SHB1调控产物为HAIKU1(IKU1)、富含亮氨酸的复制激酶HAIKU2(IKU2)、WRKY转录因子MINISEED3(MINI3)和上游的调控因子SHORT HYPOCOTYL UNDER BIUE1(SHB1)[5]。MINI3和IKU2在功能丧失突变体IKU1中的表达均降低。MINI3编码一个WRKY家族的转录因子，在胚乳和胚胎中均有表达。IKU2编码一种富亮氨酸重复序列(LRR)受体激酶，在胚乳中表达，但在胚胎或植物的其他地方不表达。在MINI3背景中，IKU2表达明显降低，但在IKU2突变体中，MINI3表达不变。MINI3∶GUS是一种启动子GUS融合，在MINI3-1突变体中上调，表明MINI3具有自身抑制性。这些数据表明，IKU1、IKU2和MINI3在种子发育的相同途径中起作用。而IKU、MINI3、SHB1这3个基因的下调导致胚乳细胞早熟，进而在成熟时种子大小减少。Zhou等[6]已证明SHB1基因正向调控拟南芥子叶的生长，即SHB1在拟南芥内作为MINI3和IKU2的启动子,结合在种子生长的早期阶段促进了胚乳的增长，同时SHB1也调节了MINI3和IKU2的表达，而SHB1则在种子生长的第2阶段控制了胚胎细胞的增殖和伸长。MINI3和IKU2的正确表达都需要SHB1。双突变体分析表明，SHB1突变体对种子发育的影响在很大程度上依赖于MINI3和IKU2的功能。MINI3和IKU2启动子的特定转录因子的蛋白相互作用，并在种子发育的初始阶段实现其对MINI3和IKU2基因转录的调控。综上所述,IKU途径是植物种子胚乳早期发育阶段的主要调节路径，主要调节种子质量、子叶品质、胚乳生长发育和胚胎的生长发育。

2 泛素-蛋白酶体途径

泛素途径在植物种子生长发育的路径中发挥着主要功能，是引起植物蛋白质分解的重要途径。而泛素化路径则一般需要3种泛素化酶的协同参加：E1泛素活性酶、E2泛素链接酶和E3泛素链接酶。蛋白质在泛素分子物质的引导下，经泛素激发酶E1、泛素融合酶E2和泛素连接酶E3特殊作用后，经第26S蛋白酶体作用后，可裂解出多肽。除以上所说的工具蛋白质以外，还有泛素受体、泛素特异蛋白酶、植物特殊APC/C调控因子和泛素化途径互作基因等在调控植物种子生长方面都发挥了重要作用。

泛素受体DA1编码一种包含2个泛素相互作用基序UIM和一段LIM结构域的蛋白质，具备泛素综合酶活力，与多泛素蛋白质结合后，通过26S蛋白酶体调节将其降解。DA1-1突变体随着胚珠母体珠被的改变而引起籽粒重量变化和尺寸增大[7]。环蛋白E3泛素连接酶，是真双子叶植物和单子叶植物对种子质量的重要调控因素，其通过调控植物细胞分化与扩展影响种子生长发育。编码E3泛素连接酶BIGBROTHER的增强子ofda1-1(EOD1)突变可协同增强DA1-1的种子尺寸表型，这就意味着通过DA1和EOD1/BB协同作用来调整种子尺寸。在拟南芥中经过表达BB/EOD1、DA2，子叶变小。但在水稻中经过表达DA2同源基因GRAIN WIDTH AND WEIGHT2，种子数量也显著减少。DA1抑制剂(SOD2)是DA1的一种抑制剂，编码泛素特异性蛋白15(ubp15)。Ubp15作用于DA1下游，是对种子和器官发育的积极控制因子[8]。在水稻中，一个编码E3泛素连接酶的粒宽和重量2(GW2)数量性状位点通过限制细胞分裂来调节粒径，该位点编码一个Really Interesting New Gene(RING)型E3泛素连接酶，在拟南芥中过量表达GW2产生小籽粒和器官。GW5也是水稻的另一种主要数量与性状位点，在酵母双杂交试验中，GW5与多聚泛素产生物理影响，表从而证明GW5也参加了泛素-蛋白酶体途径。其还可以和GW2作用，参与水稻种子在生长发育过程中的泛素化，并调控细胞分化，从而影响种子生长发育。

26S蛋白酶体(26SP)是一种多亚单位、多催化、2.4-MD蛋白酶，负责降解各种生物过程中涉及的蛋白质。除了在识别和降解多泛素ted蛋白方面的中心功能外，26SP还可以降解未经多泛素化修饰的蛋白质[9]。亚基调节粒子AAA ATP酶(RPT2a)功能的丧失导致26S蛋白酶体活性的微弱缺陷，并导致种子变大。后期促进复合体/环小体(APC/C)是一个很重要的多蛋白E3泛素连接酶，参与关键细胞周期调节蛋白的泛素依赖性蛋白水解。是植物的一种APC/C特异性负调节因子,在拟南芥中，SAMBA在胚胎发生和植物早期发育过程中表达，并在器官大小的控制中起着关键作用。该基因突变后的A2型细胞周期蛋白cyca2；稳定性增强，从细胞生长和细胞核的繁殖开始，种子变大[10]。

3 植物激素途径

3.1 细胞分裂素

细胞分裂素是一种主要的植株活性激素，在控制花卉植株成长的多种过程中具有重要影响，包括植物细胞的裂开和分化、茎和根的长成与发育、顶端优势维持、细胞衰老、结果和种子发育。在小麦和水稻等谷类作物的种子中，细胞分裂素在发育的胚乳中比较丰富，能提高胚胎的蛋白质分化。植物的核心细胞代谢和信号转导事件也是由细胞分裂素介导的。细胞分裂素可以以多种形式存在，在其结构、生化特性、生物活性和在植物器官间的可转运性方面存在差异。细胞分裂素在整个生命周期的植物生长和适应中发挥着重要的作用，包括在生殖-繁殖、种子形成和发育的最初阶段。Nguyen等[11]用HPLC-MS/MS法测定5个早春小麦品种种子在发育阶段中细胞分裂素代谢所产生的变化,并发现前2个阶段(从灌浆期到乳熟早中期)的细胞分裂素总量是后3个阶段的3～5倍。细胞分裂素水平受生物合成[异戊烯基转移酶(IPT)]、[Lonely Guy(LOG)]、失活(O-糖基转移酶)、再激活(β-葡萄糖苷酶)和降解[细胞分裂素氧化酶/脱氢酶(CKX)]之间的平衡控制。在衰老过程中，活性细胞分裂素的能力减弱，随着过早衰老导致产量的下降。在果实和种子发育的早期阶段，细胞分裂素的数量短暂增加,并与核分裂和细胞分裂过程相一致,其也是最终影响种子质量的重要决定因子。外源应用细胞分裂素、IPT异位表达IPT或下调CKX，有时可以引起种子质量的上升，提示了细胞分裂素也可以影响生产。胚乳中的细胞分裂素稳态受IKU通路控制，作用于IKU通路的下游，以控制种子的大小。CKX2与WRKY10同为IKU途径的重要转录因子，CKX2也是WRKY10的直接靶位，WRKY10与CKX2直接结合后，激活了胚乳的繁殖，从而控制了种子生长。

3.2 生长素

植株生长素是一种主要的植物激素，作用于植株的根尖、茎尖等发育旺盛的部位，并通过极性转运的形式运送到植物体的各个方面，调节着植株的生长发育。生长素被发现在整个生长层次中控制并改变不同的化学反应，如向化、顶端优势和根起始，以及在分子层次上的化学反应，如细胞生长、分裂和分化。植物激素生长素通过调控转写因子和受控制基因的生长素反应元件(AuxREs)的相互作用而调控的过程生理。与植物生长素的表达有关的3组关键蛋白包括Aux/IAAs、ARF和SCF复合体(SKP1-CUL1-F-box)。Lau等[12]指出，ARF是植物生长素信号转导中的重要因子，与AUX/IAA阻遏因子的结合中发挥重要作用，而这些阻遏因子也与植物生长素调节和ARF激活因子的二聚化相关[13]。

植物生长素对果实在生长发育中的不同时期都起着很重要的调节功能。拟南芥ATARF2可以控制豆角的繁殖与生长发育，因为纯种的arf2T-DNA有突变性的种子比野生种类大得多。因此AtARF8应用于果实的生长发育。Li H F等[14]研究表明，桃PpARF1～6、PpARF9调节了果实发育；史梦雅等[15]发现，桃PpARF1在硬核果实中起了很大的调节作用。

3.3 油菜素内酯

油菜素内酯(brassinosteroids,BRs)是一种类固醇激素,研究表明，油菜素内酯(BR)在决定拟南芥(拟南芥)种子的大小、质量和形状方面起着至关重要的作用。缺陷突变体去胚化2(det2)的种子比野生型植物更小、更不长，原因是种子腔减少、胚乳体积和被皮细胞长度减少。det2突变体也表现出胚胎发育迟缓，胚胎细胞的大小和数量均减少。BR激活BLUE1、MINISEED3和HAIKU2下短下胚轴的表达，这是已知的种子大小的正调控因子。BRs被富含亮氨酸的受体激酶BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1(BRI1)识别后把信号转导给转录因子BRASSINAZOLE-RESISTANT 1(BZR1)和BZR2，进而调控下游的BR响应基因。BR生物合成基因的突变引起了拟南芥明显的生长缺陷，BR缺陷种中de-etiolated2(det2)的不敏感型突变种，bri1-5的种子变小。Det2突变体的种胚缩小，珠被细胞也变小；det2上施用源区BR则可以恢复部分的种子表型，但在野生类上施用源区BR则可以提高物种重量。这些结果都表明，BR调节种子的大小。BZR1既可以直接与SHB1、IKU1和IKU2的诱导物结合,也可能直接与AP2、ARF2和KLU的诱导物结合,表明BR可以利用不同的遗传方式进行胚胎、胚乳和珠被的形成。GW5是一个新的BR信号的正调控因子,在水稻中水稻SEED WIDTH ON CHROMOSOME 5(qSW5/GW5)基因的钙调基因上的蛋白。GW5还可以与GSK2物理上相互作用,以拮抗其对OsBZR1和DLT的激酶活力，造成大量未磷酸化的OsBZR1和DLT蛋白质在线粒体细胞中堆积，并最终影响BR响应基因的正常表达、粒度大小和重量。

4 展望

植物种子是裸子植物和被子植物独特的生殖器官，可用于食用、药用和工业用途。种子中富含丰富的营养物质，是人类赖以生存的物质来源。全球人口继续增加，导致可用作物产量和粮食需求上升之间的差距日益加大。这个问题正在变得更加严重，因为全球气候继续不可预测地发生变化，对农业和粮食安全的可持续性造成了更多的威胁。因而研究植物种子对应对危机具有重要意义，同时，研究种子发育的调控机制对研究植物生长发育、作物育种、提高产量等方面也具有重要意义。

种子生长的过程是相当复杂的，除胚胎、胚乳和珠被三者的协调发育以外，还包括泛素受体蛋白质、激素受体、G蛋白质和许多蛋白质的产生。而其中精细的调控机制还并不能确定。在以后的科学研究中，还需要在调节基因间的互作、各种调节途径间的交互作用，以及相关基因的发掘中加以探讨与深入研究。