水稻種子萌發出苗研究及直播生產上相關難題

鄭廣杰 陶怡 沈興連 葉昌 徐亞楠 褚光 徐春梅 王丹英

（1 中國水稻研究所/水稻生物育種全國重點實驗室，杭州 311400；2 杭州余杭益民農業生產服務專業合作社，杭州 311107；第一作者：981958946@qq.com；*通信作者：wangdanying@caas.cn）

長期以來，具有控制雜草、高產穩產等優點的水稻移栽方式在我國水稻生產中占主導地位，育種工作也以移栽稻為主要目標，以此來保證水稻穩定生產和糧食安全的目標。然而，隨著人口轉移和生產土地集中化，勞動力的減少和務農人口的逐漸老齡化，水稻生產迫切需要一種兼具省時、省力、低成本、高效益的生產方式，因此以直播稻為主的水稻輕簡化栽培方式逐漸被重視，推廣面積逐年增加[1-4]。在直播稻生產上，種子萌發出苗這一階段最為關鍵，種子在稻田的萌發率和出苗率關系到其最終產量。因此，研究種子的萌發出苗是直播稻生產至關重要的一環。

1 種子萌發和出苗

種子為適應環境而進入休眠狀態以保持自身繁殖能力，萌發則是種子打破休眠期進入連續生長狀態，并開始進行新的遺傳表達、物質同化和能量代謝過程[5]。萌發的種子是植物整個生活周期中最脆弱的階段，容易受到生物和環境逆境的影響。生理學上的種子萌發起始于水分吸收（吸脹），結束于胚軸伸出；而出苗是指種子發芽后成長的幼苗露出地表面的過程。水稻種子的萌發出苗過程可分為吸脹、萌動、發芽以及幼苗的形態建成[6]。

1.1 吸脹

此階段種子快速吸水，種子內原生質膠體吸水膨脹。種子吸脹是一物理過程，活種子和死種子都可以吸脹。種子吸脹能力的強弱可用吸脹率（吸脹的體積與干種子的體積比）表示，稻谷等淀粉類種子的吸脹率是130%~140%。吸脹階段進行種子細胞的活化修復，種子內部凝膠狀的細胞膜、細胞質變為溶膠狀態，種胚活細胞內部的蛋白質、酶等大分子和細胞器發生水合活化；原干種子中結構被破壞的細胞膜、線粒體和DNA得到伸展與修復[7-8]。種子細胞活化和修復能力受環境的影響，并與種子活力密切相關[9]。

1.2 萌動

此階段吸水停滯，但種子內部的代謝活動加強，種胚細胞在活化和修復基礎上出現細胞器和膜系統合成增殖，有新線粒體、內質網和高爾基體形成。內質網產生小液泡，小液泡的吸水脹大以及液泡間的融合，使胚根細胞體積增大，當其擴大伸展到一定程度，胚根尖端突破種皮，農業生產上俗稱“露白”[6,9]。在適宜條件下，水稻種子從吸脹到萌動所需的時間約為2 d。

1.3 發芽

此階段種子再次迅速吸水，此時的吸水為生理性吸水，胚細胞在分裂的同時也開始分化，進而逐漸建成胚根、胚芽等器官。胚的生長與水分供應有關，水分較少時胚根先出，水分多時則胚芽先出，傳統上習慣把胚根與種子等長，胚芽達種子長的一半作為發芽的標準[6-7,9]。

1.4 幼苗的形態建成

種子發芽后根據其子葉出土狀況，可分為子葉出土型和子葉留土型。大部分單子葉植物種子屬于子葉留土型，其種子發芽時，穿土力較強。水稻種子出土的部分實際上是“子彈型”的胚芽鞘，胚芽鞘出土后在光照下開裂，內部的真葉才逐漸伸出，進行光合作用以及形態建成。

2 水稻種子萌發過程中貯藏物質的分解與代謝

2.1 貯藏物質的分解

在發芽過程中，水稻種子內部豐富的營養物質被逐步分解和利用，一部分作為能量，另一部分代謝轉化成為新細胞的組成成分。貯藏在胚部的可溶性糖、氨基酸以及少量的蛋白，在種子吸脹萌動階段首先被利用；貯藏在胚乳中的淀粉、脂肪、蛋白質等大分子物質在種子萌動之后，先被水解酶水解成可溶性的小分子物質，然后才被輸送到胚的生長部位被進一步分解和利用。

萌發種子的水解酶有兩種來源：一是已存在于種子中的束縛態酶的活化，如β-淀粉酶、磷酸化酶等；二是通過誘導合成新的酶，如α-淀粉酶、異檸檬酸酶、蛋白酶和酯酶等[9]。在水稻種子萌發過程中，受種胚產生的赤霉素調節，胚乳外圍的糊粉層細胞會合成核酸酶、蛋白酶和淀粉酶等水解酶，糊粉層細胞死亡后，水解酶被釋放到胚乳中，將胚乳中的貯藏物質降解成小分子物質[10]。

2.2 貯藏物質的代謝

水稻種子貯藏物質以碳水化合物和蛋白質為主，碳水化合物（包括淀粉、纖維素、半纖維素和可溶性糖等）約占稻谷的65%左右，其中最多的是淀粉；稻谷的蛋白質含量一般為8%~10%；水稻種子脂肪含量很低，僅約為2%[9]。

種子萌發過程中，在各種水解酶的作用下，淀粉轉變為各種糖類。參與淀粉分解的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶、極限糊精酶和麥芽糖酶等[11]，其中β-淀粉酶是種子自帶的，位于谷物糊粉層細胞中，其活性在種子吸水過程中逐漸升高，與種子萌發顯著相關[12]；而α-淀粉酶主要是在種子萌發后期，即在形態建成階段，由于赤霉素的誘導而大量合成[13]。淀粉在α-淀粉酶和β-淀粉酶的作用下生成葡萄糖、麥芽糖和極限糊精，而后兩者又在酶的作用下生成葡萄糖，葡萄糖再經過糖代謝過程中的中間產物與其他生物合成和代謝產生聯系。

水稻種子萌發過程中，非水溶性的貯藏蛋白首先被部分水解為分子量較小的可溶性蛋白質，然后被肽鏈水解酶（包括肽鏈內切酶、羧肽酶、氨肽酶）水解成氨基酸，成為合成新氨基酸和蛋白質的原料[14]。禾谷類種子蛋白質的分解主要發生在胚乳淀粉層、糊粉層、胚中軸和盾片。

2.3 呼吸作用和能量代謝

種子萌發需要足夠的能量供給。種子吸脹過程中ATP（腺苷三磷酸）含量迅速增加，萌動階段ATP 含量進一步上升，種子的萌發速度在ATP 含量達到最大值后加快[15]。種子萌發的能量刺激假說認為，ATP 含量的增加在種子萌發中起到原初作用[16]。

活種子吸脹后最明顯的生理特征是呼吸增強，主要的呼吸途徑包括糖酵解、三羧酸循環和磷酸戊糖途徑[8]。種子的呼吸底物在萌發初期以干種子預存的可溶性蔗糖、低聚糖為主，種子萌動后則以貯藏物質的水解產物為主。萌發初期，種子會經歷短暫的無氧呼吸，此時糖酵解（EMP）和發酵途徑占據主導地位；當細胞中線粒體修復完全后，無氧呼吸轉變為有氧呼吸，此時經糖酵解產生的丙酮酸經丙酮酸激酶復合體催化形成乙酰輔酶A 進入三羧酸循環（TCA）進行氧化分解并釋放能量[8,14]，而當種子的呼吸方式由EMP-TCA 途徑轉變為磷酸戊糖途徑并活躍時，休眠的種子才會萌發[17-18]。糖酵解途徑中的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶是催化不可逆反應的3 種酶，其中磷酸果糖激酶I 催化效率極低，是整個途徑的限速酶；而磷酸戊糖途徑的6-磷酸葡萄糖脫氫酶是該途徑的限速酶[8,14]。

種子萌發過程能量代謝受到本身活力、化學成分以及環境條件適宜程度等因素的影響。種子萌發過程中能量的利用可以用物質效率衡量[19]。物質效率（%）=（黑暗條件下長成幼苗的干物質量/種子發芽所消耗的干物質量）×100%，同一作物高活力種子、適宜條件下發芽種子，其物質效率較高。

3 影響種子萌發出苗的因素

3.1 環境因素

影響水稻種子萌發的主要環境因素有水分、溫度、氧氣和光照。

水稻種子發芽所需的最低吸水量，秈稻一般為其種子質量的15%，粳稻為18%，即約相當于種子飽和吸水量的60%，當種子吸水達到飽和程度，即約相當種子質量的25%（秈）和30%（粳）發芽較快且整齊。水稻種子達到飽和含水量所需浸種的時間因水溫而異，水溫30 ℃時約需35 h，水溫20 ℃時約需60 h 以上，水溫10 ℃時則需80 h 以上。

水稻種子發芽的最低溫度一般在10 ℃~12 ℃，在此范圍內秈稻發芽要求的溫度偏高，粳稻偏低。稻種發芽的最適溫度為28 ℃~32 ℃，最高溫度為40 ℃左右。發芽期間的溫度不僅影響發芽的快慢，對發芽的整齊度也有很大影響。不同水稻品種對種子發芽的溫度要求不盡相同。

氧氣是種子發芽不可缺少的條件，一般作物種子在氧濃度10%以上才能正常萌發[20]。種子發芽的需氧量存在作物間、品種間差異，通常水稻種子發芽的需氧量要少于旱地作物如小麥等。水稻種子萌發對氧氣的需求可以分為兩個階段：（1）從種子吸脹到破胸，以無氧呼吸（發酵作用）為主，此階段需能較少，無氧呼吸即可維持；（2）種子胚根突破種皮（破胸）后，以有氧呼吸為主，需要產生較多的能量和中間代謝產物以滿足種子根、芽的生長需要。在缺氧條件下，由于無氧呼吸產生的中間物和能量少，加上無氧呼吸產生的乙醇和乳酸的毒害作用，種子形態建成受抑，出現芽鞘伸長，而胚根和胚芽無法正常生長的現象。

水稻育秧時種子上覆土，種子在黑暗且水溫合適環境下胚芽鞘迅速伸長突破土表成苗，但在近年的水稻直播生產中，特別是利用行走式直播機和無人機進行水稻直播作業時，種子是撒播于土表的。研究發現，光照條件下茉莉素（JA）會在水稻的中胚軸組織中積累，導致下胚軸伸長停滯[21]，JA 的合成與中胚軸的伸長生長負相關[22]。因此，光照可能也是影響直播稻出苗的一個環境因素。

除此之外，土壤、水質和生物因素（如病、蟲、草等）對水稻種子的萌發也有一定影響。

3.2 內部因素

水稻種子內部的源—庫關系、激素、活性氧（ROS）等對種子的萌發和出苗有較大影響。

水稻種子萌發時，胚組織不能進行自養，其所需的物質幾乎完全由胚乳組織提供，此時，胚組織可視為“庫”、胚乳組織可視為“源”，因此水稻胚乳貯藏物質的含量和分解速率，以及向胚細胞供給物質的能力都能夠影響胚根、胚芽等“庫”器官的生長，而營養物質由胚乳組織向胚組織轉移的這一過程又受胚組織內的激素種類和含量影響。

大量研究表明，種子萌發主要受赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）這兩種激素調控，GA/ABA 比值升高，種子萌發，反之則休眠。生長素（IAA）、油菜素內酯（BRs）、茉莉素（JAs）等植物激素也可通過與GA、ABA 的協同或拮抗作用來影響種子萌發[23-26]，種子萌發時，與激素信號轉導相關的基因在萌發前期大量表達[27]。在萌發前期，IAA 和ABA 信號傳導途徑中的負調控基因大量表達[28]，萌發后期，胚中GA 大量合成，糊粉層細胞接受GA 的信號，合成α-淀粉酶并釋放進入胚乳組織，使淀粉水解成麥芽糖和葡萄糖，促進種子的萌發和胚的生長[10,29]，但與此同時，若胚不能及時利用麥芽糖或葡萄糖等而造成其含量的積累，會抑制脫落酸（ABA）的降解[30]，在降低淀粉分解速度的同時，也會抑制α-淀粉酶在糊粉層中的合成。

活性氧（Reactive oxygen species ，ROS）是活性細胞產生的含氧（O）高化學反應活性物質，有超氧陰離子自由基（O2·－）、過氧化氫（H2O2）、單線態氧（1O2）、羥基自由基（·OH）等[31]，其中H2O2因其穩定性好、半衰期長，在細胞內存在時間較長，因而被視為能夠作為信號分子的物質[32]。最初的觀點認為，ROS 是對植物有害的物質，然而隨著研究的深入，發現低濃度的ROS 是種子萌發所必需的[33-34]。種子萌發過程中，ROS 主要來自線粒體和細胞質中的NADPH 氧化酶[35-36]，其通過激活種子中的α-淀粉酶以及其他水解酶的合成來促進種子萌發[37]，在一定范圍的ROS 濃度內，種子的發芽率與水稻種子胚中的ROS 濃度呈顯著正相關[38]。然而，當信號傳導過程完成后，ROS 的清除則需依賴于由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等組成的酶促抗氧化系統和由谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）及谷胱甘肽還原酶（GR）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等組成GSH-AsA 循環的非酶促抗氧化系統[20]。若累積的大量ROS 不能被及時清除，也會對細胞內的生物大分子造成損傷，不利于種子的萌發[34]。

生產上，為衡量種子質量，反映在廣泛環境條件下種子出苗和長成正常幼苗的潛在能力，提出了種子活力的概念。種子活力是一綜合概念，涵蓋種子的發芽和幼苗的生長潛勢、種子在不利環境下的出苗能力和種子貯藏后能保持發芽力的性能等。種子的活力同時受內因和外因影響。內因包括種子的遺傳背景和生理生化活性[39-41]，通過激素和ROS 等來調控種子的活力[42-44]，外因則是種子生產、儲藏時的生態條件[45-47]，一般高活力的種子田間發芽成苗率高，但在生產實踐上，室內發芽率與田間出苗率之間往往存在很大差距。

4 水稻生產中萌發出苗相關難題

水稻直播即將水稻種子直接播于大田上進行生產的一種方式，根據播種時大田水分含量狀態可將直播分為旱直播、濕潤直播和水直播。旱直播一般應用于水分較少地區，水直播則因為淹水逆境影響種子的發芽特性使得應用較少，因此直播稻生產上大都采用濕潤直播的方式。不同于移栽育秧有良好的水、溫、土環境，直播稻萌發出苗過程中的田間環境復雜，導致直播出苗率不穩定[48-51]，無法保證出苗成苗率，其中發芽出苗期兩種最主要的逆境是芽苗期淹水和低溫。

4.1 水稻芽苗期耐淹水

水稻對淹水脅迫的適應性表現出兩種相反的策略，一種是生長緩慢甚至停止，減少碳水化合物、能量的消耗，以此來抵御淹水逆境；另一種則是迅速生長突破水面，以此獲取氧氣[52-53]。第1 種策略只適合短期淹水且退水快的逆境，而在田間生產上要求直播稻出苗快且齊，催芽后播種的種子更適合第2 種耐淹策略。

研究發現，具有耐淹性的種子在淹水逆境中萌發表現為胚芽鞘的迅速伸長[54]，當胚芽鞘突破水面后，第1 片葉、根系開始生長，同時胚芽鞘基部也會出現一些不定根[55-56]。對耐淹品種芽期的激素分析發現，淹水降低植株組織間氧氣濃度，誘導乙烯合成前體1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）的大量合成，ACC 氧化酶（ACO）基因表達增強，將ACC 氧化成乙烯，植物組織中乙烯含量不斷積累，而高濃度的乙烯又能夠介導調控組織對GA 信號的響應，同時也能降低ABA 的含量，以此共同來調控胚芽鞘組織的伸長生長[57-58]。

當激素信號傳遞完成之后，細胞內開始一系列的生物合成代謝過程。研究表明，α-淀粉酶的活性與胚芽鞘的伸長之間存在正相關性[55]，α-淀粉酶促進淀粉降解生成葡萄糖等碳水化合物，此過程受到糖濃度的調控[59]；葡萄糖通過糖酵解產生ATP 和丙酮酸，磷酸果糖激酶（PKI）是此過程的限速酶，胚芽鞘生長速度也受其活性的影響。實驗發現，6-磷酸果糖是水稻種子響應低氧條件胚芽鞘生長的重要代謝物，耐低氧的水稻品種具有更高的糖酵解速率[60]，在低氧條件下其含量明顯上調。淹水的低氧環境中，因糖酵解產生的丙酮酸無法進入三羧酸循環繼續氧化分解，耐淹品種表現出較高的丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶活性[55,61]，不僅能夠將丙酮酸轉化成乙醛，并消耗NADH 完成NAD+的再生，促進糖酵解進行來不斷提供能量；還能再將乙醛轉化成乙醇，減少乙醛對細胞的毒害，同時，淹水脅迫也會誘導細胞線粒體上的乙醛脫氫酶基因表達[62]，將乙醛氧化成乙酸，因此，水稻種子淹水初期會散發酒味和酸味，其程度因品種而異。然而，乙酸也能作為水稻細胞代謝的碳源[63]，耐淹品種代謝產生的乙酸能在乙酰輔酶A 合成酶（ACS）催化下生成乙酰CoA 進入乙醛酸循環，在異檸檬酸裂解酶（ICL）、蘋果酸合酶（MS）等一系列酶作用下，最終轉變成草酰乙酸[14]，為生物合成提供碳骨架。碳源的高利用效率或許是耐淹品種的種子異味較輕，且胚芽鞘能夠快速伸長的原因。

細胞的生長不僅需要碳源，還需要氮源。水稻種子中的氮素來源于貯藏蛋白降解成的可溶性蛋白以及游離氨基酸，氨基酸與糖代謝的中間產物丙酮酸、草酰乙酸等有機酸發生生物合成反應。目前氮代謝與水稻芽苗期的耐逆研究報道很少，其具體機理仍不明確。

除此之外，淹水逆境會導致細胞產生大量ROS，當ROS 含量超過細胞對ROS 的清除能力之后，過量的ROS 便會與膜脂產生過氧化作用，對細胞膜造成損傷，進而生成丙二醛（MDA）對生物大分子造成損傷[64]。研究發現，淹水環境中，水稻芽期組織中的MDA 含量顯著增加，但耐淹品種的MDA 增加幅度要低于不耐淹品種，而SOD、POD 活性則顯著高于不耐淹品種[65]。因此，萌發種子的抗氧化能力也是胚芽鞘在淹水脅迫中存活并生長的重要指標。

4.2 水稻芽苗期耐低溫

直播水稻播種時要求日平均氣溫穩定在12 ℃以上，長江流域的播種時間一般為4 月上中旬，但由于早春的氣溫波動較大，早稻直播時經常會遇到低溫的影響。

低溫脅迫影響細胞膜系統的完整性和穩定性，導致胞內溶質外滲[20]。研究發現，細胞膜系統的膜脂不飽和脂肪酸含量與水稻的耐冷性有正相關關系，不飽和脂肪酸影響膜脂的相變溫度，進而影響其流動性，膜系統的流動性越高，低溫對水稻造成的傷害就越低[66]。同時，低溫影響SOD、POD、CAT 等抗氧化酶的活性和非酶促抗氧化系統，使得細胞內ROS 的代謝失衡[67]，產生大量的MDA，影響膜系統的完整性和穩定性。研究發現，耐冷品種水稻幼苗的抗氧化酶活性、抗氧化物質AsA、GSH 含量變化明顯小于不耐冷水稻品種[66]。細胞內的滲透調節物質如可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等也會參與細胞的低溫應答來抵御逆境，其含量的增加可以提高細胞液的滲透勢、降低細胞液冰點，從而增強細胞的保水能力[20]。

低溫也影響糖代謝相關酶的活性。低溫脅迫下，參與淀粉水解的α-淀粉酶、參與糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性以及可溶性糖含量都顯著降低，其中，α-淀粉酶的活性對溫度非常敏感，低溫下其活性僅為最適溫度下酶活的1/5[68]。呼吸速率的降低導致細胞內ATP 的供應量不足，然而，也有研究認為，水稻對低溫的耐受性差異并不是ATP 供給的不足，而是ATP 利用能力差異導致，一些耐冷性水稻品種雖然細胞內ATP 含量較低，但ATP 酶活性較高，而一些冷敏感品種細胞內雖然ATP 含量較高，但ATP 酶活性卻很低[69]。

長期以來，ABA 被視為是一種重要的逆境激素，能夠增強植物的抗逆性。研究發現，在低溫脅迫下，耐冷性強的水稻品種中ABA 含量顯著高于不耐冷的水稻品種[70]，但研究還發現，水稻種子參與低溫應答的信號途徑不僅有依賴ABA 的信號轉導途徑，還有不依賴ABA 的信號轉導途徑[71]，ABA 是否是水稻種子耐低溫成苗的必要因素仍需進一步研究。

4.3 直播稻生產難題解決措施

直播稻生產上農戶往往加大播種量以確保足夠的基本苗，但若遇良好的條件時成苗率提高，又會導致水稻群體太大，給中后期管理帶來困難[72]。目前，在播種量確定的前提下，提高水稻直播的出苗成苗率主要措施有：1）好氧耕整地，提高耕整地質量。生產實踐表明，旱耕水整可以有效提高耕層含氧量，緩解秸稈大量還田導致的還原性增加對種子成苗的不利影響；利用耕整配套裝備如激光平地機等提高水田平整度，消除漬水低洼，可有效提高田塊的出苗均勻性。2）篩選和培育適合直播的水稻品種，提高水稻種子的抗逆性。目前出現了一些耐淹、耐低溫的水稻品種，如雜交稻耘兩優玖48，其發芽的種子在淹水條件下的成苗率可以達到80%以上。然而，生產上的環境條件并不是一成不變的，一個品種很難保證能夠同時應對多種逆境，再加上種子內部的生理、分子機制網絡十分復雜，選育優良直播水稻品種的工作還有很長的路要走。3）通過種子預處理或外源物質提高種子活力，增加芽苗期的耐漬性、耐寒性，促進早生快發。研究表明，破胸露白播種要比干種子出苗率高[73]；引發種子可有效加強其內部生理代謝，提高發芽率、發芽速度和芽苗整齊度[74]；用特殊材料包衣的種子可增強其出苗階段的抗逆性，例如，抗寒種衣劑能夠提高秧苗的抗寒性，促進幼苗的存活[75]；過氧化鈣包衣種子可以促進種子在淹水逆境下的出苗[76]，且種子的發芽率隨過氧化鈣含量的增加而增加[77]。

5 展望

水稻直播具有諸多優點，特別是目前，無人機直播發展勢頭驚人，深入研究水稻種子發芽出苗特性，解決水稻直播面臨的出苗成苗齊苗難題，對于推動直播稻發展意義重大。