黃瓜種子采前發芽的研究進展

曹明明 管煒 王惠哲 鄧強 李淑菊 楊瑞環

摘 要：從黃瓜種子采前發芽現象的危害、性狀表現及其影響因素等方面，綜述了黃瓜種子采前發芽的研究進展，進而針對性地提出黃瓜采前發芽應該從遺傳、分子標記、基因克隆、生理生化等方面開展深入研究。提出黃瓜種子采前發芽會嚴重危害黃瓜種子產量和質量，該性狀由基因型決定并容易受到環境因素特別是溫度的影響；對于不易發生采前發芽的品種，即使環境適宜，種子也不會在瓜腔內發芽。

關鍵詞：黃瓜；種子休眠；采前發芽

中圖分類號：S642.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.02.029

Research Progress of Cucumber Seeds Pre-harvest Sprouting

CAO Mingming， GUAN Wei， WANG Huizhe， DENG Qiang， LI Shuju， YANG Ruihuan

（Tianjin Kernel Cucumber Institute， Tianjin 300192， China）

Abstract： The paper summarized the research progress of cucumber seeds pre-harvest sprouting， including phenomenon， character expression and its influencing factors. Proposed that cucumber seeds pre-harvest sprouting should be in-depth research from four aspects such as genetic， molecular marker， gene cloning， physiological and biochemical. The cucumber seeds pre-harvest sprouting would cause serious damage to cucumber seed production and quality， the character was dominated by the genotype and easily affected by environmental factors， especially temperature； for some not easy to sprout varieties， seeds would not sprout in the melon cavity even if the environment was appropriate.

Key words： cucumber； seed dormancy； pre-harvest sprouting

在適宜的環境條件下，具有生命活力的種子仍然不能萌動發芽的現象，稱為種子休眠。這是種子在自然環境中進化出的一種重要的適應性，它既有利于種子在發育過程中儲存更多的營養物質，又可以幫助植物度過不利于生長的環境條件。然而，如果植物種子在發育完成后，不經過或經過極為短暫的休眠期就在母體植株上萌動發芽，我們把這種現象稱為采前發芽（pre-harvest sprouting），簡稱PHS。許多植物都存在采前發芽的現象，小麥[1]、水稻[2]、玉米[3]、高粱[4]等大田作物的采前發芽一般被稱為穗發芽；蔬菜作物，如白菜[5]、蘿卜[6]、南瓜[7]、黃瓜[8]也存在這一現象。采前發芽會嚴重影響糧食作物的產量和品質，也會影響蔬菜種子的質量，給糧食生產和育種帶來極大的損失，國內外學者都迫切地尋找解決這一世界性難題的方法。因此，對植物采前發芽的研究已經成為該領域的熱點，特別是小麥、玉米、水稻等主要糧食作物采前發芽的廣泛深入研究已經達到了分子水平，并且開發出許多相關的分子標記[9-13]，克隆出多個基因并進行功能驗證[14-16]。但是針對黃瓜采前發芽的研究少見報道，本研究簡要介紹了黃瓜種子采前發芽的危害、性狀表現、影響因素及防治方法，并綜述其研究進展，為將來黃瓜種子采前發芽的深入研究提供參考。為方便閱讀，文中將穗發芽統稱為采前發芽。

1 黃瓜種子采前發芽的危害

在黃瓜育種過程中，常會遇到一些性狀表現非常優秀的種質資源，但同時這些育種資源存在種子采前發芽的問題。如果這些材料用于雜交組合的配制，會因為種子在瓜內發芽而收不到或只收到很少的種子，造成這些表現優秀的資源不能夠有效地利用，形成資源浪費。或者在黃瓜制種過程中，因為種子在瓜內發芽，采收到的種子會出現發芽率低、發芽不齊、幼苗畸形、根尖生長點壞死的問題，如果這些種子應用到生產中，會影響黃瓜的栽培，也會極大地限制黃瓜品種的推廣。

2 黃瓜種子采前發芽的性狀表現

黃瓜種子發育及采前發芽特性存在較大的品種差異，牛瑞溫[17]的研究發現，黃瓜在授粉后25 d左右，瓜內的種胚就已經發育完全，且種子成熟后具有一定的休眠期。龐金安等[18]研究品種S6在授粉后24 d種子就具備發芽能力，30 d種子發育成熟。對于采前易發芽的品種，正常成熟的果實，種子在授粉后34 d開始在果實內發芽，且隨著時間的延長，發芽率逐漸提高，到達45 d時，瓜內發芽率可能達到30%以上[8]。最近，筆者發現一份黃瓜新材料P1，于每年的5月初在塑料大棚中播種，授粉后45 d瓜內種子采前發芽率可以達到80%以上（表1）。

3 影響采前發芽的因素

黃瓜采前發芽是一個極為復雜的過程，影響采前發芽率的因素主要有內部因素和外界環境條件。但是采前發芽首先受基因型決定，對于采前不易發芽的黃瓜品種P2，即使在不同環境條件下，種子也不會在種瓜瓜腔內發芽（表1）。

3.1 內部因素

影響黃瓜種子采前發芽的內部因素主要包括種子成熟度、內源激素、α-淀粉酶、后熟處理等。

3.1.1 種子成熟度 黃瓜種子從授粉后24～25 d起，種子即具備發芽的能力，但是隨著時間的延長，種子成熟度越高，種子休眠越弱，越容易發芽。

3.1.2 植物內源激素 黃瓜上關于內源激素與采前發芽關系的研究還沒有報道，但小麥和水稻等作物的研究可以提供借鑒。植物內源激素脫落酸（ABA）和赤霉素（Gas）相互拮抗，共同作用，控制著種子的休眠和萌發[19-20]。高水平的ABA相對低水平的Gas時，種子會休眠；反之，種子會萌動發芽[14]。ABA在小麥種子的發育過程中控制著胚的發育，胚內的ABA含量與籽粒鮮重呈正相關，當籽粒鮮重達到最大時，ABA含量最高，隨后籽粒逐漸干燥，ABA含量劇烈下降；同時，小麥胚中的ABA含量在不同基因型材料間的差異并不突出。但是不同基因型材料的采前發芽與ABA的敏感性緊密聯系[21]，且胚對ABA的敏感性決定了種子采前發芽能力的差異，易于采前發芽的品種對ABA敏感性較低。但是新的研究發現，通過提高ABA的生物合成，可以達到抑制種子采前發芽的目的[22]。

3.1.3 α-淀粉酶 α-淀粉酶能夠催化淀粉水解成糖類，為種子的發芽提供能量。張蕙心等[23]的研究發現，α-淀粉酶活性在黃瓜種子開始萌發的初期開始升高，于種子萌發48 h時達到最大，當萌發的種子糖含量達到一定的濃度時，又會反饋抑制淀粉酶的活性。但是針對黃瓜采前發芽的種子α-淀粉酶活性的研究還沒見報道。小麥種子中α-淀粉酶活性與采前發芽表現出高度的一致性[24]，其活性的高低是造成采前發芽的主要原因[25]。目前，國內外已開展利用抑制α-淀粉酶活性的方法控制小麥種子采前發芽的研究，這也為抑制黃瓜采前發芽的研究提供借鑒和指導。

3.1.4 后熟處理 筆者在黃瓜育種工作中發現，提前采摘的種瓜與同期未采摘的種瓜相比，成熟種子采前發芽時間會明顯早于后者，采前發芽率也有所提高。龐金安等[18]的研究發現植株提前死亡的黃瓜種子采前發芽會提前，且種子發芽能力提高。筆者推測這是由于提前采摘或者植株死亡后種瓜內激素的種類或含量發生了變化，關于這個方面的探索，還有待進一步的研究。

3.2 外界環境條件

上文提到，黃瓜種子采前發芽首先受到基因型所控制，對于易發芽的品種在不同的外界環境條件下，種子采前發芽的時間和發芽率卻有著極大的差別。

3.2.1 溫度 筆者將授粉后34 d的種瓜采摘后放置于不同溫度的條件下，后熟至40 d采收，種子采前發芽率如表2所示。與田間對照相比，持續的相對高溫會促進種子瓜內發芽，但是40 ℃的高溫不利于種子的發芽。不易發芽品種P2在高溫條件下也不發生采前發芽。

3.2.2 光照 筆者在黃瓜育種過程中觀察到，在光照充足和連續陰雨的氣候條件下，前者發生黃瓜種子采前發芽的情況較為嚴重。但是光照好的同時，溫度也相應升高。因此針對光照條件對采前發芽的影響還有待進一步的研究。

3.2.3 濕度 黃瓜果實屬于瓠果，在肥厚多汁的果皮內黃瓜種子還被一層膠質黏膜所包裹，水分較多。與小麥、水稻等禾本科植物的穎果相比，黃瓜種子受到濕度的影響較小。當種瓜腐爛浸水時，瓜內種子就會出現發芽。

3.2.4 其他因素 除上述因素之外，還有土壤中水分含量、肥力、有害物質積累，空氣中有害氣體含量等，這些因素都可能對黃瓜種子采前發芽產生影響。

4 展 望

黃瓜是受人們喜愛的重要蔬菜作物，中國是世界上黃瓜栽培面積最大的國家，優質的黃瓜種子是我國黃瓜生產栽培的重要保證。黃瓜種子采前發芽會嚴重威脅黃瓜的種子生產，開展黃瓜種子采前發芽的研究，對黃瓜種質資源的有效利用及避免因采前發芽問題影響黃瓜種子的質量有著重要意義。目前關于黃瓜采前發芽的研究較少，但是小麥、玉米、水稻等大田作物的研究已經非常的深入和廣泛。這可以為黃瓜的研究提供很好的指導和借鑒。因此，可以從以下幾個方面展開研究：（1）開展黃瓜抗種子采前發芽的遺傳規律和分子標記研究，并在此基礎上進行抗性資源的篩選和品種選育研究；（2）利用分子標記及精細定位方法，圖位克隆黃瓜抗采前發芽基因及功能驗證，分析黃瓜采前發芽的分子遺傳機制；（3）開展黃瓜種子采前發芽的生理生化研究，特別是針對激素和α-淀粉酶活性的研究，生理學角度尋找抑制種子采前發芽方法；（4）開展對黃瓜采前發芽影響因素的研究，獲得通過外界條件的控制，抑制種子采前發芽的方法。

參考文獻：

[1] 巨偉，郭玉平，樊梅，等.小麥抗穗發芽研究進展[J].種子世界，2015（1）：22-24.

[2] 張靜，林澤川，曹立勇，等.水稻種子穗發芽與休眠性遺傳研究進展[J].核農學報，2013（8）：1136-1142.

[3] 余慶茹.利用基因芯片技術研究玉米穗發芽基因差異表達[D].雅安：四川農業大學，2010.

[4] Perez-Flores L，Carrari F R，Rodriguez M V，et al. Expression analysis of a GA 20-oxidase in embryos from two sorghum lines with contrasting dormancy： possible participation of this gene in the hormonal control of germination[J]. Journal of Experimental Botany，2003，54（390）：2071-2079.

[5] Ren C W，Bewley J D. Seed development test structure and precocious germination of Chinese cabbage （Brassica rapa ssp. pekinensis）[J]. Seed Science Research，1998，8（3）：385-397.

[6] 李曙軒.蔬菜栽培生理[M].上海：上海科學技術出版社，1979.

[7] 趙福寬，高遐虹，程繼鴻，等.中國南瓜基因型及種瓜成熟度與瓜內種子發芽的關系[J].北方園藝，2000（4）：13-14.

[8] 龐金安，李懷智，馬德華.蔬菜作物種子采前發芽研究進展[J].天津農業科學，2002，8（3）：43-46.

[9] OGBONNAYA F C，IMTIAZ M，YE G， et al. Genetic and QTL analyses of seed dormancy and preharvest sprouting resistance in the wheat germplasm CN10955[J].Theoretical and Applied Genetics，2008，116（7）：891-902.

[10] MARES D，MRVA K，CHEONG J，et al. A QTL located on chromosome 4A associated with dormancy in white- and red-grained wheats of diverseorigin[J]. Theor. Appl. Genet，2005，111：1357-1364.

[11] SINGH R，MATUS-CADIZ M，BAGA M， et al. Identification of genomic regions associated with seed dormancy in white-grained wheat [J]. Euphytica，2010，174：391-408.

[12] SINGH R，HUCL P，BAGA M，et al. Validation of molecular markers for pre-harvest sprouting resistance in bread wheat [J]. Cereal Res. Commun，2012，40：194-204.

[13] 趙斌，陳曉東，萬映秀.小麥發芽抗性的4個分子標記有效性檢驗[J].中國農學通報，2012，28（6）：115-120.

[14] 任江萍，王娜，王新國，等.轉反義trxs基因小麥籽粒中ABA和GAs含量與穗發芽的關系[J].中國農學通報，2010，26（14）：65-69.

[15] ASHIKAWA I，MORI M，NAKAMURA S，et al. A transgenic approach to controlling wheat seed dormancy level by using Triticeae DOG1-like genes[J]. Transgenic Research，2014，23（4）：621-629.

[16] FANG J，CHAI C，QIAN Q，et al. Mutations of genes in synthesis of the carotenoid precursors of ABA lead to pre-harvest sprouting and photo-oxidation in rice[J]. Plant Journal，2008，54（2）：177-189.

[17] 牛瑞溫.不同試劑浸種對黃瓜種子休眠的影響[J].種子科技，2007（2）：48-49.

[18] 龐金安，馬德華，霍振榮，等.成熟度和后熟對黃瓜種子發育及果實內發芽的影響[C]//中國園藝學會.中國園藝學會第四屆青年學術討論會論文集，2000.

[19] ZHANG Z L，OGAWA M，FLEET C M，et al. Scarecrow-like 3 promotes gibberellin signaling by antagonizing master growth repress or DELLA in Arabidopsis[J]. PNAS，2011，108：2160-2165.

[20] LIU S，SEHGAL S K， LI J， et al. Cloning and characterization of a critical regulator for pre-harvest sprouting in wheat [J]. Genetics，2013，195：263-273.

[21] 孫果忠，張秀英，肖世和.不同穗發芽抗性的小麥胚對ABA敏感性的蛋白質組份分析[J].中國農業科學，2005，9（9）：1739-1747.

[22] NONOGAKI M，SALL K，NAMBARA E， et al. Amplification of ABA biosynthesis and signaling through.a positive feedback mechanism in seeds[J]. Plant Journal，2014，78（3）：527-539.

[23] 張蕙心，司龍亭，唐慧珣.黃瓜種子萌發中淀粉酶、脂肪酶和過氧化物酶活性變化[J].沈陽農業大學學報，2014（1）：83-86.

[24] 張海峰，盧榮禾.小麥穗發芽抗性機理與遺傳研究[J].作物學報，1993，19（6）：523-530.

[25] 張新生，胡漢橋，楊德光，等.春小麥α-淀粉酶及抑制蛋白與穗發芽的關系[J].吉林農業大學學報，2003，25（2）：131-133.