植物種子萌發的生物力學

周 峰，王海鷗，華 春，吳雨龍，汪振炯

(1.南京曉莊學院食品科學學院，江蘇 南京 211171;2.江蘇省高校特殊生物質廢棄物資源化利用重點建設實驗室，江蘇 南京 211171)

植物生物力學是一個多學科領域。植物細胞的機械特性主要是來自細胞壁、細胞、組織和器官的特性，而且很大程度上依賴水分含量。植物的生活史有幾個階段是基于生物力學，比如種子萌發、受精作用、花粉管形成等。種子萌發始于靜態的吸脹作用，然后種子胚軸伸長，最終被覆物破裂胚根出現完成種子萌發。從生物力學角度看，種子萌發的完成依賴于2個相反作用力的平衡，即胚軸(胚根-下胚軸生長區)的生長潛力，即胚生長產生由內向外“頂”的力；種子被覆物包括胚乳、種皮或果皮的阻力[1]。由于細胞壁組成和吸水能力不同，種子各組織的動力學特性也不一樣。種子萌發過程中胚細胞生長的動力學主要是種子吸收水分后，膨壓減小，細胞壁組織發生不可逆的松弛。這導致胚伸長和胚根形成。被子植物中，胚根出現前胚乳弱化(endosperm weakening)是一個普遍現象。生物化學和生物力學研究表明，胚乳弱化可減少珠孔的穿透阻力，這受環境和激素調控，包括一些組織特異性細胞壁重塑蛋白質的表達，如擴展蛋白、水解酶和直接作用的質外體活性氧(apoplastic reactive oxygen species, aROS)。胚乳弱化的生物力學及生物化學研究發現珠孔端胚乳(micropylar endosperm, ME)和合點端胚乳(chalazal endosperm, CE)區是不同的。在ME處，主要通過細胞壁松弛、細胞分離和細胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)使得ME局部組織抗性減弱、自溶，最終形成ME以利于胚根出現[1]。關于種子萌發的分子調控、代謝變化和激素信號互作已有報道[2]，本文將種子作為生物材料，通過生物力學從機械角度闡述種子萌發機制。

1 生物學材料特性

生物材料通常是復合材料，主要是由聚合物纖維嵌入到蛋白質基質中形成的。大多數生物材料展現出的機械特性遠超用合成材料加工的。植物細胞壁是由纖維素、半纖維素、果膠、木質素和蛋白質構成的。這種剛性結構和原生質體的滲透特性是細胞、組織和器官機械特性的基礎。生物材料的機械特性不僅由組成成分的材料性質決定，結構的特殊排列也會影響機械特性。比如很多生物材料由于纖維的數量、排列和取向不同其機械特性也不同。生物材料特殊的機械性能在于它們從分子到宏觀的不同水平和層次組織，所以與鋼材相比木材具有高性能的特殊強度。這種特殊性能至少由5種結構水平上的排列決定：積分(幾何生物軸)、超微結構(細胞壁結構)、微觀(細胞結構)、宏觀(組織結構)和生化組成(細胞壁組分)[3]。

材料對外載荷一般表現為3種類型：彈性行為(elastic behaviour)：可恢復變形；塑性行為(plastic behaviour)：不可恢復的變形；粘彈性行為(viscoelastic behaviour)：隨時間變化而變形。生物材料結構復雜，對外載荷的響應表現出更為復雜的力學行為。大多數生物材料一般都表現出粘彈性行為，因為它們確實有粘性成分，并且表現出隨時間變化的行為。粘彈性材料的另一個特征是蠕變(creep)。蠕變是當應力作用時間延長發生的緩慢塑性變形，但大多數生物材料都是在正常負載條件下彈性范圍內起作用。此外生物材料具有各向異性(anisotropic)，這意味著不同加載方向生物材料的機械性能會不同。結合生物學家和材料學家的觀點，結構和力學研究將為了解植物等生物材料提供新方法。已有報道把這種方法應用到了種子劣變機制研究[3]。

2 種子萌發的生物物理學

大多數被子植物的成熟種子二倍體胚被一層或多層種子被覆物包裹著。這些被覆物一般是由生活的三倍體胚乳和已經死亡的二倍體種子組成，它們對種子萌發具有重要調控作用。食品科學中主要研究種子的斷裂韌性、沖擊損傷、拉伸和壓縮，在豌豆、橄欖、核桃、向日葵、孜然和小麥的種子或果實已測得這些參數。這些研究結果確定了水分含量對機械性能的影響。總體趨勢是水分含量的增加降低了種子的斷裂韌性，而調控種子萌發的主要因素是種皮、胚乳弱化和胚生長潛力。番木瓜(Caricapapaya)種子的種皮開裂是其發芽過程中的第一個標志，然后就是胚乳破裂。去除種皮能打破種子休眠，而熱休克發芽刺激處理和脫落酸(abscisic acid, ABA)發芽抑制處理沒有改變種皮力學[4]。

種子的最外層被覆物大多數是由已經死亡的組織(種皮、果皮)構成，它們可與外界環境相互聯系，保護胚抵抗外界不利環境因素。它們的一個機械作用就是通過種皮限制休眠(coat-imposed seed dormancy)調控種子萌發時間。很多植物在死亡的組織(種皮、果皮)和胚之間有一層或多或少的生活胚乳組織。胚乳、種皮除了提供機械屏障外，它們還具有調控或抑制水分吸收，阻止胚生長的抑制劑(如ABA)的去除，阻止氣體交換以在胚內引起氧缺乏。例如家獨行菜(Lepidiumsativum)種子在種皮和胚乳破裂前，種皮和胚乳能阻止產生乙烯所需的氧氣吸收[5]。非休眠(nondormant,ND)種子和果實以及生理型(physiological,PD)、形態型(morphological,MD)、生理形態型休眠(morphophysiological,MPD)中，被覆物可調控吸脹吸水的速率和水分空間分布。只有在物理型休眠(physically dormant,PY)類型中，被覆物才能阻止吸脹作用，阻止水分吸收是PY型種子的標志。很多豆科植物種皮密不透水是由于它們的種皮有木質化的次生細胞壁形成的一層或多層柵欄組織。種子的柵欄組織內充滿了防水物質包括木質素、木栓質、醌類和酚類等[6]。

蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)種子的KNOX4(KNOTTED-like homeobox)基因和大豆種子的GmHs1-1基因編碼一種鈣調神經磷酸酶蛋白能夠調控種子不透水性、堅實程度和物理型休眠[7]。PY型種子如裂葉牽牛(Ipomoeahederaceae)和白星薯(Ipomoealacunosa)在珠孔等天然開口的區域能形成特殊的水孔器(water-gap)結構[6]，阻止水分進入。在適宜的環境條件下，水孔器打開，形成水通道讓水分進入，這時物理型休眠被解除，種子萌發[8]。裂葉牽牛在濕熱條件下萌發，而白星薯是在干熱條件下萌發，兩者種子通過種臍上端的裂隙吸收水蒸氣，種臍墊(hilar pad)能夠吸收水分并且在吸水后膨脹，使原有的種臍間隙閉合。而高溫情況下水蒸氣氣壓上升，最終使種皮開裂、休眠解除[6]。而在野老鸛草(Geraniumcarolinianum)種子中，受低溫影響會在柵欄層和亞柵欄層產生不同的機械拉力，其中比較弱的一部分柵欄層組織會產生強烈收縮形成微裂紋。水分通過這些微裂紋進入后，由于柵欄層膨脹和拉力作用會導致柵欄層分離。這反過來又會形成水皰(blister)激活珠孔周圍預先形成的閥瓣(hinged valve)，閥瓣的去除最終導致覆蓋在水孔器邊緣的柵欄層被撕裂[8]。

3 胚生長的生物力學

植物細胞有剛性的細胞壁，加上水分進入液泡形成的膨壓，給植物提供了穩定內環境。而植物生長需要按照一定的模式。植物的初生細胞壁基本上可以認為是一種非線性粘彈性材料，可塑性擴張。細胞不可逆增大是通過細胞壁膨壓釋放促進水分吸收完成的。當細胞壁松動時，細胞壁中的聚合物發生蠕變，水分進入液泡細胞膨脹生長。滲透吸水最終導致腫脹狀態，激活代謝，胚軸細胞擴大生長。這種生長與核內復制有關，在胚根出現之前胚的萌發只需要細胞生長而不需要細胞分裂。為了完成萌發，胚胎的生長潛力必須增加并超過阻礙。其機制是胚細胞壁的擴展性需增加塑性而不是彈性伸長，并同時減小被覆物的阻礙[9]。種子萌發過程中珠孔端胚乳細胞壁也會發生類似的生化變化，這說明胚乳弱化是種子萌發過程中胚乳破裂所必需的。此外細胞彼此分離和局部PCD也是細胞弱化的一些其它特征[10]。

4 胚乳弱化的生物力學

關于胚和胚乳的形態學結構和特征以及胚乳弱化已有很多報道。本文重點討論與種子萌發有關的生物力學，即通過穿透力分析證明的胚乳弱化作用。成熟種子有一個進化趨勢就是胚乳豐富度從高到低。小胚和豐富的生活胚乳組織是進化祖先類型，而且與MPD和MD類型有關。這種類型的種子在被子植物中含量最為豐富，但通過穿透力實驗研究，沒有直接證據表明胚乳弱化作用存在于MPD和MD類型中。PD 和ND類型可能起源于豐富胚乳的MPD和MD類型，穿透力實驗證明在PD 和ND類型中存在胚乳弱化作用[11]。

胚乳弱化的直接證據來自穿透力測定，是通過金屬探針直接測定珠孔端胚乳穿透力量。這種方法最早就是在真雙子葉植物群菊類(Asterid Clade)中應用的，如番茄(Solanumlycopersicum)、巴西狼果(Solanumlycocarpum)等[12]。這些物種的胚乳弱化分為2個階段，第1個階段不受ABA影響，第2個階段對ABA敏感。赤霉素(gibberellic acid,GA )則通過弱化珠孔端胚乳的機械障礙而促進萌發。為了了解番茄胚乳弱化的生物力學機制，對ME和CE進行了穿透力分析比較。研究發現成熟番茄種子的胚乳具有極性，ME和CE的功能不同。CE弱化不像ME那樣強烈，CE可作為胚的錨定位點支持胚朝珠孔端延伸。ME的弱化至少部分通過細胞壁的生化變化，吸收水分使之進入胚軸生長區的細胞。并使得胚根朝著弱化的ME區突出，所以ME弱化是調控番茄種子萌發的關鍵生物力學和生物化學調控步驟[13]。電鏡研究結果也證明，ME細胞貯藏物質的降解先于胚根突出。

目前通過對菊類各種胚乳進行穿透力分析研究發現，胚乳弱化導致ME區的抗性減弱，而胚乳弱化還受到細胞壁修飾水解酶、擴展蛋白、aROS的直接作用等因素，pH依賴的細胞壁過氧化物酶、草酸氧化酶和胺氧化酶可以在質外體中產生活性氧aROS。細胞壁修飾，特別是在胚乳細胞壁中觀察到的物理和微觀變化，在調控胚乳弱化中起重要作用。胚乳弱化與細胞壁水解有關，和胚乳弱化的有關細胞壁酶主要有纖維素酶、果膠甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶等。擴展蛋白是不具有水解等酶促活性，但可打斷纖維素和半纖維素之間的非共價鍵(如氫鍵)從而使細胞壁松弛的一類細胞壁蛋白[14]。aROS可攻擊細胞壁導致其松弛，因而可能與胚乳弱化也存在相關性[15]。

谷粒中高度分化的胚及其盾片直接鄰接富含淀粉的已死亡較大胚乳，而這層胚乳外面包被著生活胚乳組織糊粉層和已經死亡的麩皮層。谷粒吸脹過程的活體核磁共振成像研究表明，小麥吸水的早期階段其水分吸收有多條途徑包括珠孔開放、胚及其盾片和麩皮層都能快速吸水。谷粒的糊粉層是一層生活組織，但在種子萌發和幼苗出苗過程中會發生PCD。近期通過穿透力研究發現，對分離的糊粉層進行GA處理，能促進生活胚乳組織的弱化，但對中間層(外種皮和內果皮)不起作用[16]。

5 種子的機械傳感

植物生活史中感受機械力量信號是調控基因表達、組織生長和細胞命運的重要組成部分。研究表明在擬南芥種皮中有一層機械敏感層能夠感受來自胚和胚乳施加的機械力量。最近利用納米壓痕法(nano-indentation)測定擬南芥胚乳發育的硬度[4]。ZOU基因，它是一個由胚乳調節胚胎發育的基因，在胚胎發育至心形期時在胚乳中開始表達，通過特異表達可促進胚乳細胞凋亡而協調胚和胚乳發育的轉錄調控因子。與野生型相比，zou突變體有更堅實的胚乳組織，胚乳不降解。這層堅實的覆蓋物會阻礙胚擴張抑制其生長，其成熟胚胎比野生型明顯的小，最終產生小而皺縮的種子[17]。這些機械敏感組織與觸摸基因(touch gene)假說有關，假說認為胚根延伸的推動力誘導了ME基因表達，觸摸基因主要編碼細胞壁重塑蛋白如擴展蛋白。然而目前研究仍然缺乏觸摸基因誘導種子在機械感受和信號傳導方面的直接證據[18]。

總之，種子萌發的生物力學研究具有重要的理論和實踐意義，調控種子萌發的生物力學因素主要包括種皮、胚乳弱化和胚生長潛力等。這些因素決定了種子萌發的整齊度和速度，也是提高作物產量的關鍵，對于農業生產和種子產業的發展具有重要意義。未來將進一步揭示胚乳弱化的萌發調控分子機制、環境調控及不同細胞壁變化的生物力學進化方式，同時對天然種皮生物力學的研究也可延伸到人工種皮中及其材料的力學特性研究中[19]。