外源激素ABA影響新疆荒漠鹽生植物異子蓬異型種子萌發機制

曹 婧, 李曉榮, 王 翠, 王 璐, 蘭欣欣, 蘭海燕

新疆大學生命科學與技術學院,新疆生物資源基因工程重點實驗室, 烏魯木齊 830046

外源激素ABA影響新疆荒漠鹽生植物異子蓬異型種子萌發機制

曹 婧, 李曉榮, 王 翠, 王 璐, 蘭欣欣, 蘭海燕*

新疆大學生命科學與技術學院,新疆生物資源基因工程重點實驗室, 烏魯木齊 830046

以新疆荒漠鹽生植物異子蓬(Suaedaaralocaspica)異型種子為材料，通過外源ABA直播(長時間)與浸種(短時間)處理分別研究不同濃度(0、0.5、1.0、5.0、10.0 μmol/L)ABA對異型種子萌發、幼苗生長的影響，并通過定量PCR技術分析與萌發相關的ABC轉運蛋白基因、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因和DNA修復和轉錄因子基因在5.0 μmol/L ABA處理下的表達規律，探討外源ABA影響異子蓬異型種子萌發差異的機制。結果顯示：(1)外源ABA直播處理下，褐色種子萌發及幼苗生長均受到明顯抑制，黑色種子的萌發和幼苗生長在低濃度被促進，較高濃度被顯著抑制；短時間浸種處理，能夠同時促進異型種子的萌發及幼苗生長，且隨ABA濃度增加促進效應增強。(2)直播萌發后，褐色種子中3個基因的表達量與對照相比均不變或降低表達(除了DNA修復和轉錄因子基因在8 h顯著升高)，黑色種子與對照相比均上調表達(除了ABC轉運蛋白基因在8h顯著下調)；短時間浸種萌發后，褐色種子中3個基因的表達量均比對照顯著升高，黑色種子中升高不明顯。基因表達規律與種子萌發結果趨勢一致，暗示ABA浸種可能觸發了異子蓬種子萌發內在機制并對隨后的萌發過程產生促進作用。而黑色種子對ABA處理表現出較好的萌發響應，可能是其幼苗能抵御荒漠地區逆境環境的重要原因。

ABA; 異子蓬; 異型種子; 種子萌發; 定量PCR; 分子機制

種子休眠和萌發是高等植物個體發育中的重要事件，直接關系到種群的生存、分布和繁衍，具有重要的生態意義[1]。種子萌發是極其復雜的生理過程，受到環境因素、內部因素及萌發相關基因的調控。迄今對大量影響種子休眠和萌發突變體的研究發現，在種子休眠的獲得或解除過程中起關鍵作用的內源信號分子是脫落酸(Abscisic acid, ABA)和赤霉素(Gibberellin 3, GA3)[2]，其中，脫落酸對植物生長發育的許多重要過程都起調節作用，包括種子貯藏蛋白和脂質的合成、種子的耐脫水性和休眠、胚胎生長向萌發生長轉變的抑制和營養生長到生殖生長轉變的抑制等[3-4]，特別是對保持種子休眠和抑制種子萌發和萌發后幼苗生長等具有重要作用[5-6]。研究表明，ABA的營養缺陷型能夠增強種子萌發能力，甚至有時會產生胎萌[7]，而大量積累ABA的轉基因株系增強了休眠，且ABA能抑制這些轉基因株系后代種子的早熟發芽，誘導種子的初級休眠[8-9]。深入研究顯示，ABA主要通過抑制細胞壁降解酶的合成使種子的胚乳不能軟化，導致胚根尖無法突破種皮而抑制萌發[10]。多項研究表明，添加外源ABA能夠抑制多種植物種子的萌發[11-15]，但也有報道顯示低濃度的外源ABA能夠促進某些植物如黃連種子的萌發[16]，也可促進植物根或胚軸的生長等[17-18]。但有關外源ABA 促進植物種子特別是荒漠鹽生植物種子萌發的相關機制鮮見報道。

異子蓬(Suaedaaralocaspica)是藜科異子蓬屬具典型種子異型性的一年生草本鹽生植物，在我國僅分布于準噶爾盆地南緣，生長于重度鹽堿化荒漠戈壁和丘間低地，其生長、發育、繁殖等各個階段都受到逆境的脅迫，具有很強的耐干旱、鹽堿和貧瘠能力[19-20]。種子異型性在鹽生植物中較常見，是鹽生植物應對脅迫生境的重要策略之一[21]。異子蓬異型種子的種皮結構存在顯著差異，褐色種子只有一層薄膜狀種皮，而黑色種子有內外兩層種皮結構且外種皮細胞排列致密，質地堅硬[22]。黑色種子的外種皮限制了胚胎吸水速度，對胚根伸長產生一定的機械阻力，從而導致與褐色種子之間具有不同的萌發與休眠特性，對環境刺激也產生不同的響應[23]。在本研究小組前期對異子蓬種子萌發的脅迫實驗中發現，低濃度ABA處理能夠明顯促進異子蓬異型種子的萌發，且有時間效應(數據未顯示)。同時利用cDNA-AFLP技術研究了異子蓬異型種子萌發過程中基因表達的差異，從中篩選到一些在種子萌發過程顯著上調的基因，如ABC轉運蛋白基因、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因和DNA修復和轉錄因子基因等，并在此基礎上選擇了以上基因對ABA影響異子蓬異型種子萌發的深層機制進行分析。目前，對異子蓬的研究主要集中于葉片解剖結構[23-25]、光合類型[26]及異型種子萌發特性[27]等方面，對脅迫(包括ABA處理)下異型種子萌發差異的深層機制的探索研究鮮見報道。基于前期的初步實驗，為進一步了解ABA促進異子蓬異型種子萌發的分子機制，本研究以ABA直播(長時間)和浸種(短時間)處理方式和不同濃度對異型種子的萌發過程和特性、幼苗生長以及萌發相關基因的表達等方面進行了分析，期望從分子水平對ABA促進異子蓬種子萌發的機制有深入理解，并探索ABA在鹽生植物異型種子休眠與萌發中的調控方式，為今后利用干旱區植物資源修復并改良鹽堿地生態環境提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

2011年10月于新疆五家渠103團治沙站北沙窩(44°29′N, 87°31′E)重度鹽堿地上自然成熟的異子蓬植株上采集兩種類型種子。此生境屬于中溫帶荒漠區，春季有融雪、較濕潤；全年降雨稀少(僅310 mm)，蒸發量大(約1300 mm)，大氣濕度和土壤含水量均很低。種子采集后，置通風避光處晾干，篩選干凈，室溫保存備用。

1.2 方法

1.2.1 種子萌發實驗

萌發實驗均按4重復、每重復30粒種子設置。① 直播處理：將完整飽滿大小一致的異子蓬異型種子，隨機播在鋪有二層濾紙的培養皿(直徑為9 cm)中，分別添加5 mL不同濃度(0.5、1.0、5.0、10.0 μmol/L)ABA溶液和蒸餾水，于25 ℃、16 h光 /8 h 暗的培養箱中萌發，期間不斷補充水分及對應濃度的ABA溶液。② 浸種處理：分別用上述濃度ABA溶液浸泡種子3 h，以蒸餾水洗凈種子后，接入用蒸餾水浸潤飽和的濾紙上進行萌發實驗。種子萌發以胚根露出為準，每24 h記錄一次，直到發芽率恒定后統計終萌發率，同時選擇30株幼苗分別測量子葉、下胚軸及胚根長度。

1.2.2 萌發相關基因的表達分析

(1) 直播處理 挑選40粒完整飽滿的異子蓬異型種子置于鋪有兩層濾紙的培養皿中，分別加5 mL 5.0 μmol/L ABA(預實驗中促進萌發的濃度)和滅菌蒸餾水于25 ℃恒溫光照培養箱中培養。萌發8 h和3 d時分別選擇狀態一致的種子(幼苗)提取總RNA(參照Bioteke RNAprep Pure Plant Kit試劑盒說明書)。

(2) 浸種處理 分別添加5.0 μmol/L ABA和滅菌蒸餾水浸泡異子蓬異型種子3 h后，用蒸餾水洗凈種皮表面殘留溶液后于水中萌發，選擇萌發8 h和萌發3 d時狀態一致的種子(幼苗)提取總RNA。

利用GeneAmp 7500實時PCR系統及SYBR Green (Invitrogen)進行定量PCR分析。反應條件:95℃ 2 min；95 ℃ 30 s，62 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，40個循環。相關引物見表1。以異子蓬β-actin基因為內參，分析ABC轉運蛋白基因(ABC transporter family protein，簡稱SaABC)、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因(Mitogen-activated protein kinase kinase，簡稱SaMAPKK)以及DNA修復和轉錄因子基因(DNA repair and transcription factor，簡稱SaDRTF)在上述不同脅迫處理及不同萌發時間的表達變化，具體操作步驟參照Invitrogen公司熒光定量試劑盒說明書。

表1 定量PCR引物

1.3 統計分析方法

種子萌發率和萌發速率數據經反正弦轉換，以保證方差齊性。本研究中萌發數據采用4次重復，熒光定量數據采用3次生物學重復和兩次技術重復(共6個重復)計算平均值，所有圖表中的誤差線代表平均數的標準誤差。數據分析和圖的繪制均用GraphPad Prism 4軟件。利用One-way ANOVA和Two-way ANOVA對種子萌發率、幼苗生長指標及基因表達規律等進行差異顯著性檢驗。用Tukey多重比較法確定各樣本間的差異顯著水平。

2 結果與分析

2.1 外源激素ABA對異子蓬異型種子萌發及幼苗生長的影響

異子蓬褐色與黑色種子在ABA不同處理下的萌發進程存在較大差異，日累計萌發率及終萌發率結果(圖1,圖2)。隨ABA濃度的增加，直播的褐色種子萌發率逐漸降低且均低于對照，而所有浸種處理的褐色種子萌發率均高于對照；黑色種子萌發則在ABA較低濃度(0.5、1.0 μmol/L)的直播及較高濃度的浸種(1.0、5.0、10.0 μmol/L)均受到促進。

雙因素方差分析結果顯示(表2)，ABA直播與浸種兩種處理下，種子類型、ABA濃度以及二者間的交互作用均對異子蓬種子萌發具有顯著影響。

圖1 不同脫落酸(ABA)濃度對異子蓬異型種子萌發進程的影響Fig.1 Effect of various concentration of abscisic acid on germination process of S. aralocaspica heteromorphic seed

圖2 不同ABA濃度對異子蓬異型種子終萌發率的影響Fig.2 Effect of various concentration of ABA on final germination percentage of S. aralocaspica heteromorphic seed

表2 不同濃度脫落酸(ABA)和種子類型對異子蓬種子萌發影響的雙因素方差分析

不同濃度ABA處理的異子蓬異型種子幼苗生長情況存在較大差異(圖3,兩周幼苗)，從幼苗長勢觀察，隨ABA濃度升高，直播的褐色和黑色種子幼苗生長受到較明顯抑制，且程度依次加劇；而浸種處理對幼苗無明顯抑制現象，且低濃度(0.5μmol/L與1.0μmol/L)ABA對幼苗生長產生一定促進作用。

圖3 不同ABA濃度對異子蓬異型種子幼苗生長的影響Fig.3 Effect of various concentration of ABA on seedling growth of S. aralocaspica heteromorphic seed

對幼苗子葉、下胚軸和胚根長度的測量結果顯示：直播處理下(表3)，褐色種子幼苗的子葉、下胚軸及胚根生長均受ABA的不顯著抑制，10.0 μmol/L則顯著影響其下胚軸和胚根的伸長(P<0.0001)；低濃度ABA(0.5—1.0 μmol/L)不顯著地促進黑色種子幼苗子葉和下胚軸生長，但所有處理濃度均抑制其胚根伸長，特別是高濃度下抑制作用更明顯。浸種處理對兩種幼苗的子葉和下胚軸生長均表現促進作用(表4)，但對胚根伸長產生抑制效應。整體趨勢顯示，ABA浸種處理的幼苗子葉和下胚軸長勢優于直播處理。

ABA與種子類型對異子蓬幼苗生長影響的雙因素方差分析結果顯示，直播處理下(表5)，不同ABA濃度對異子蓬幼苗子葉、下胚軸、胚根的伸長均有顯著影響，種子類型僅對幼苗下胚軸伸長有顯著影響，二者之間的交互作用對幼苗各項指標的影響均不顯著；浸種處理下(表6)，不同ABA濃度對異子蓬幼苗子葉、胚根伸長具有顯著影響，種子類型僅對幼苗子葉伸長有顯著影響，而二者交互作用對子葉、胚根伸長具有顯著影響。

2.2 外源激素ABA處理下異子蓬種子萌發相關基因的表達分析

為進一步了解添加外源ABA促進異子蓬異型種子萌發和幼苗生長的內在機制，基于前期對異子蓬異型種子萌發過程中mRNA (cDNA)的差異表達分析結果(數據未顯示)，選擇了其中可能與種子萌發相關的3個基因，包括:ABC轉運蛋白基因(SaABC)、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因(SaMAPKK)、DNA修復和轉錄因子基因(SaDRTF)，對5.0 μmol/L ABA直播或浸種后萌發0 h(對照)、8 h(萌發期)和3 d(幼苗早期)的表達情況進行了定量PCR分析。

2.2.1 ABC轉運蛋白基因(SaABC)

如圖4所示，在5.0 μmol/L ABA直播處理下異子蓬異型種子萌發過程中ABC轉運蛋白基因的表達與對照相比顯著降低(褐色種子在處理3 d時，黑色種子在處理8 h時)。浸種處理時褐色和黑色種子中該基因在8 h和3 d時均比水中萌發的表達升高，褐色種子中表現為極顯著上調(P<0.001)。

圖4 定量PCR檢測ABA處理下ABC轉運蛋白基因(SaABC)的表達規律Fig.4 Quantitative PCR analysis of the expression pattern of SaABC gene in S. aralocaspica under H2O and ABA treatment

2.2.2 絲裂原活化蛋白激酶激酶基因(SaMAPKK)

異子蓬褐色種子在水中萌發時絲裂原活化蛋白激酶激酶基因的表達呈現8 h顯著升高(P<0.05)，3 d下降趨勢(圖5)。5.0 μmol/L ABA直播或浸種處理后褐色種子中該基因的表達變化趨勢與對照一致，但浸種處理該基因在8 h和3 d時相對于水中的萌發表達極顯著上升(P<0.001)。黑色種子中，該基因在水中不同時間點的表達變化不顯著，而ABA直播或浸種兩種處理下該基因的表達隨時間有增高趨勢，但無顯著差異。

圖5 定量PCR檢測ABA處理下絲裂原活化蛋白激酶激酶基因(SaMAPKK)的表達規律Fig.5 Quantitative PCR analysis of the expression pattern of SaMAPKK gene in S. aralocaspica under H2O and ABA treatment

2.2.3 DNA修復和轉錄因子基因(SaDRTF)

5.0 μmol/L ABA直播或浸種處理褐色和黑色種子萌發過程中DNA修復和轉錄因子基因在8 h時的表達均比水中顯著升高(圖6)，3 d時直播黑色種子和浸種褐色種子該基因的表達比水中顯著上升，直播褐色種子和浸種黑色種子表達與對照無顯著差異。

圖6 定量PCR檢測ABA處理下DNA修復和轉錄因子基因(SaDRTF)的表達規律Fig.6 Quantitative PCR analysis of the expression pattern of SaDRTF gene in S. aralocaspica under H2O and ABA treatment

3 討論

ABA 是20世紀60年代發現的一種倍半萜類化合物，作為最重要的激素之一參與調控植物的生長發育(如胚胎發育、種子休眠與萌發、幼苗生長、根系發育、果實成熟和衰老等)，并對干旱、高鹽、低溫、病菌等脅迫產生應答[3-4, 28-30]。通常認為ABA是促進種子成熟、誘導和維持種子休眠并抑制種子萌發的植物激素[31-35]。但對某些植物而言，低劑量的ABA卻能促進種子萌發和幼苗生長[16,36-41]。然而目前對ABA促進種子萌發的深層機制鮮見報道。本研究通過ABA對異子蓬異型種子萌發過程的影響及相關基因的表達分析，初步探討了ABA促進種子萌發的機制。對異子蓬褐、黑種子進行ABA直播和短時間浸種萌發實驗發現，低濃度ABA可能通過引發(或觸發)萌發過程相關生理機制及分子事件從而促進種子萌發和幼苗生長。

研究表明，外源ABA能促進黃連種子萌發[16]；低濃度(≤1 μmol/L) ABA可以刺激擬南芥、豌豆(Pisumsativum)及黃豆幼苗根部的生長[17, 36]；此外，ABA還能促進擬南芥根毛的發生[37]；Xing等發現 0.5 μmol/L ABA能刺激擬南芥幼苗根伸長，但高濃度(5—50 μmol/L) ABA處理后，根長及生物量積累均受到抑制[38]，由此說明ABA對幼苗生長的影響存在劑量效應。ABA浸種能顯著促進幼苗生長，如ABA浸種處理水稻后的秧苗素質、壯苗指標及產量均明顯優于對照組[39-40]；經過較高濃度ABA浸種的甜瓜種子能夠明顯促進幼苗后期生長[41]。本研究通過對新疆荒漠鹽生植物異子蓬異型種子在低濃度ABA直播或浸種處理下的萌發過程觀察發現，褐色與黑色種子在ABA不同處理下的萌發進程存在明顯差異。不同濃度外源ABA直播處理下異子蓬褐色種子萌發及幼苗生長均受到明顯抑制，并呈劑量效應；直播黑色種子的萌發和幼苗生長在低濃度(0.5—1.0 μmol/L)ABA被促進，較高濃度則被顯著抑制；而ABA短時間浸種處理能夠同時促進褐色和黑色種子的萌發及幼苗的生長，且隨ABA的濃度增加促進效應增強。產生這種現象的可能原因是異型種子種皮結構的差異以及低濃度ABA短時間處理起到的刺激信號作用。通常成熟種子的種皮主要用以保護胚胎免受外界環境不利條件的影響[42]。而異子蓬褐色種子只有一層薄膜狀種皮[22]，透水性強，無休眠現象，胚根極易突破種皮，遇水就能萌發(直播0—8 h內萌發率接近60%)。當種子長時間在ABA溶液中直接萌發時，由于胚幾乎沒有任何保護層，即使ABA濃度很低，仍然對種子萌發產生了抑制作用；而黑色種子具有一層致密且堅硬的外種皮[22]，透水性差、阻礙外界空氣進入及內外物質交換[43]，處于非深度休眠狀態，雖然直播處理后種皮軟化，吸水增強，但黑色種子致密的外種皮仍能對長時間的ABA直接處理產生一定隔離保護作用，使較高濃度ABA對黑色種子萌發沒有影響(盡管幼苗生長受到抑制)，而此時低濃度ABA作為長時間的刺激(或適當脅迫)因素，在一定程度上激活了種子內在的生理活性，緩解了黑色種子的休眠狀態，從而提高種子的萌發率。在短時間浸種(用ABA浸泡種子3 h后于水中萌發)處理下，較高濃度的ABA在一定程度上得以稀釋從而產生了低劑量效應，更重要的是，前期較高濃度ABA的短時間浸種對褐色及黑色種子的萌發起到了一定的引發刺激作用，并能緩解黑色種子的休眠，這種脈沖刺激和低劑量效應同時作用，顯著地促進了兩種種子的萌發及隨后的幼苗生長。這也同時能夠說明ABA低濃度直播而高濃度浸種促進黑色種子萌發的現象。研究顯示，異子蓬黑色種子萌發需經過極端逆境的引發效應，從而打破休眠[44]。本研究采用了不同濃度ABA直播和浸種兩種方式，分別代表著不同劑量長時間和短時間的處理，結果顯示，ABA對異子蓬種子特別是黑色種子萌發及幼苗生長的促進作用不僅有劑量效應(低濃度和高濃度)，還有時間依賴效應(長時間直播和短時間浸種)。ABA對異子蓬種子的這種短時間促進而長時間抑制的作用方式暗示，外源ABA短暫處理可能對種子萌發起到了“引發”(或“觸發”)的作用，類似于引發劑在種子萌發中的促進作用[45-46]；ABA亦或作為一種脅迫因素促進了種子萌發過程中防御系統的啟動，從而使與萌發相關的生理過程和分子事件變得活躍。ABA促進種子休眠以及抑制種子萌發的機制已眾所周知[5-6]，但在一定條件下，當ABA做為第二信使起作用時[47]，它能夠通過刺激相應信號系統，激發相關基因的表達及適應機制的啟動來調節植物的適應反應[48-49]。如Xiong等從水稻中分離得OsMAPK5基因，可被外源ABA激活，正調控與干旱、高鹽和低溫響應相關基因的表達[50]；添加外源ABA能使高粱中甜菜堿醛脫氫酶BADH的表達水平上升，添加ABA合成抑制劑則會使該基因下調表達，ABA通過促進BADH和甜菜堿的合成來調節水分和離子平衡，從而增加耐鹽性[51]；外源ABA能使抗寒基因cor基因家族(cor78、cor47、cor15a、cor66等)上調表達，參與調控擬南芥冷誘導基因cor15和rd19a的啟動等，最終提高植物耐寒性[52]。浸種處理可以提前完成種子萌發過程的代謝活動，提高種子的萌發率，促進極端環境下幼苗的最初生長并提高植物抗逆性[53]。研究表明，ABA處理可顯著提高澇漬條件下水稻種子的出苗率、種子相對活力指數[54]；ABA預浸種能緩解鹽脅迫對向日葵種子的傷害[55]；低濃度ABA處理能緩解鎘對種子萌發的毒害作用等[56]。

ABA對異子蓬種子萌發引發作用的推測與對萌發相關基因表達的分析結果相吻合。為了探索ABA對異子蓬種子萌發和幼苗生長促進作用的內在機制，利用前期在異子蓬異型種子萌發過程中獲得的mRNA(cDNA-AFLP)差異條帶，從中選取了ABC轉運蛋白基因(SaABC)、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因(SaMAPKK)、DNA修復和轉錄因子基因(SaDRTF)等在異型種子中顯著上調表達的基因開展研究。我們在實驗中發現，較高濃度ABA長時間處理黑色種子時，盡管沒有影響其萌發率(還有少許升高)，但其幼苗生長受到了顯著影響，這似乎暗示較高濃度ABA長時間處理對幼苗的生長影響更嚴重，為了區分萌發期和幼苗期對ABA響應可能存在的內部差異，選擇了萌發8 h代表萌發期(前期研究確定此時間點足以看出異型種子相關基因上調表達趨勢)，3 d代表幼苗期對相關基因的表達進行了分析。結果顯示，這3個基因在5.0 μmol/L ABA短時間浸種的異子蓬萌發種子及幼苗中的表達呈上升趨勢(褐色種子達顯著水平)，而在直播處理中則較大程度上表現不變或降低表達。以上趨勢初步顯示，在短暫浸種處理時，ABA可能作為信號分子激發相關基因的表達從而促進萌發過程[47-49]。經ABA直播3 d的褐色種子幼苗中各基因的表達比對照降低或不變，而黑色種子幼苗中有兩個基因的表達與對照無差異。這與萌發實驗中的觀察結果基本一致，即一定濃度ABA長期處理對異子蓬幼苗生長的影響比萌發更強烈。研究表明，擬南芥中AtPMP2蛋白屬于ABC轉運蛋白家族的ABCD亞族，其功能是運載長鏈脂肪酸到過氧化物酶體，是脂肪酸β氧化所必需的蛋白，種子中該基因的突變將導致萌發缺陷[57]。Footitt等在擬南芥中也發現一個ABC轉運蛋白可以控制擬南芥的種子萌發和休眠，并且轉運脂肪酸乙酰輔酶A進入過氧化物酶體[58]。在此之前Russell等也曾報道ABC轉運蛋白基因可以顯著促進種子萌發，該基因的突變體表現為深度休眠[59]。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑是細胞內一個極其復雜的信號網絡通路，植物遭受低溫、干旱、機械損傷、植物激素、活性氧物質及病原體侵染等脅迫時會激活MAPK，它是植物生長發育和應對逆境的重要組分[60-62]。絲裂原活化蛋白激酶激酶基因作為MAPK信號通路中第2個關鍵蛋白，受多種信號分子的調控，許多實驗證實MAPK級聯途徑參與調控ABA信號轉導過程[63]。在非生物脅迫下植物細胞DNA 可能受到嚴重損傷，并由此對植物產生毒性[64]。為此，DNA修復相關因子在其中起到重要作用。有報道顯示，擬南芥種子在吸脹過程中 DNA 連接酶迅速表達，且在沒有 DNA 復制和細胞分裂的情況下，有大量新DNA的合成，說明是對損傷的 DNA進行修復[65]。本研究中外源ABA浸種處理下異子蓬異型種子萌發過程中ABC轉運蛋白基因、絲裂原活化蛋白激酶激酶基因和DNA修復和轉錄因子基因盡管在8 h和3 d時的表達量比對照的萌發均顯著上升，但3個基因的總體表達趨勢是下降的(圖4，圖5，圖6)，這可能由于前3h種子完全浸沒在水中，從而對相關基因的表達產生了影響，因為褐色種子用蒸餾水浸種處理的萌發率比直播的明顯降低(圖1，圖2)。

生存于鹽堿地中的植物通常都面臨一系列的逆境脅迫，而鹽生植物種子應對逆境脅迫主要有兩種策略：一是直接在高鹽、干旱等條件下順利萌發；其次在逆境中不萌發但保持生活力，待環境條件適合時迅速萌發[66]。而異子蓬作為典型的荒漠鹽生植物，同時具有這兩種特性，即褐色種子種皮薄萌發快、耐受逆境能力較強，黑色種子種皮厚且硬、能抵御外界不良因素刺激、可在逆境中保持休眠推遲萌發[22, 67]。ABA是種子成熟過程中積累的主要激素，也可以作為一種脅迫刺激信號，對異子蓬異型種子產生不同的影響從而表現萌發的差異，這不僅拓寬了種子的萌發時間，還分散了單次萌發的風險，提高了幼苗的存活率，有效地保證了種群的成功建立和順利繁殖[66]，由此對鹽生植物異子蓬在種子階段主動適應逆境具有重要的生態學意義。ABA對植物生長發育的調控是一個十分重要且復雜的過程，它與多個調控途徑存在互作關系，全面深入理解 ABA在植物中的生理功能，將為植物生長的精細調控提供重要的理論基礎。而了解其在植物體內的作用方式并應用于培育抗逆作物，將為現代農業生產提供有價值的理論借鑒。

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Effects of exogenous abscisic acid on heteromorphic seed germination ofSuaedaaralocaspica, a typical halophyte of Xinjiang desert region

CAO Jing, LI Xiaorong, WANG Cui, WANG Lu, LAN Xinxin, LAN Haiyan*

XinjiangKeyLaboratoryofBiologicalResourcesandGeneticEngineering,CollegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

In order to examine the effects of exogenous abscisic acid (ABA) on germination and seedling growth of heteromorphicSuaedaaralocaspicaseeds, we either directly sowed (long-term treatment) or presoaked (short-term treatment) the two seed morphs under different concentrations (0, 0.5, 1.0, 5.0, 10.0 μmol/L) of ABA. To further understand the molecular mechanism of exogenous ABA effects on different germination characteristics of heteromorphic seeds ofS.aralocaspica, we examined the expression of three genes with known functions in seed germination:ABC transporter family protein, mitogen-activated protein kinase kinase, and DNA repair and transcription factor. Gene expression was analyzed using quantitative PCR on directly sown and presoaked seeds treated with 5.0 μmol/L ABA. The results revealed two findings:(1) For directly sown seeds, different concentrations of exogenous ABA inhibited germination and seedling growth of brown seeds significantly, while these processes in black seeds were accelerated by lower concentrations of ABA, rather than by higher concentrations. In contrast, pre-soaking promoted germination and seedling growth of both types of seed, and this effect increased at higher concentrations of ABA. (2) Quantitative PCR revealed that, for directly sown brown seeds, only the expression level of the gene for DNA repair and transcription factor increased significantly at 8 h compared to that of control seeds. In black seeds, the genes for DNA repair and transcription factor and for mitogen-activated protein kinase kinase were significantly up regulated compared to those in the control. For pre-soaked seeds, treatment with ABA markedly increased the expression levels of all three genes in brown seeds rather than in black seeds. Expression patterns of the three genes were consistent with the results of seed germination. These results suggest that presoaking with ABA may trigger the internal germination mechanism ofS.aralocaspicaseeds and accelerate the subsequent germination process. The stronger response of black seeds to ABA treatment may be an important adaptation to the harsh and unpredictable environment of Xinjiang desert region.

ABA;Suaedaaralocaspica; heteromorphic seeds; seed germination; quantitative PCR; molecular mechanism

國家自然科學基金(31260037, 31060027); 新疆自治區優秀青年科技人才培養項目(2013721013); 新疆生物資源基因工程重點實驗室開放基金(XJDX0201-2011-03)

2014-05-13; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201405130978

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lanhaiyan@xju.edu.cn

曹婧, 李曉榮, 王翠, 王璐, 蘭欣欣, 蘭海燕.外源激素ABA影響新疆荒漠鹽生植物異子蓬異型種子萌發機制.生態學報,2015,35(20):6666-6677.

Cao J, Li X R, Wang C, Wang L, Lan X X, Lan H Y.Effects of exogenous abscisic acid on heteromorphic seed germination ofSuaedaaralocaspica, a typical halophyte of Xinjiang desert region.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6666-6677.