天山郁金香种子休眠的分子机制分析

关键字：天山郁金香；种子休眠；ABA ／GA 信号途径；DOG1 基因

引言：

种子休眠是高等植物适应环境波动而产生的一种确保群种延续的生理策略，尤其是在环境条件较为恶劣（高寒、干旱等）的地区，种子休眠现象尤为明显，天山郁金香种子属于中亚高寒地区特有的需长时间在冷层积的休眠种子，在种子休眠的作用机理中，ABA 和 GA 等被认为是参与休眠调控的关键激素，除此之外，DOG1 基因也是参与休眠调控的关键基因，并且该基因其表观遗传调控机制在休眠的调控中发挥重要作用。目前对于天山郁金香种子休眠的分子水平作用机制研究较少，冷层积与激素作用的关系不明确，本文从理论机制出发，从整合激素、基因、转录调控三个方面初步探讨其休眠作用机制，为其进一步功能研究提参考。

一、种子休眠分子调控机制的研究进展

种子休眠是被子植物对环境的一种适应性策略，其分子基础呈现出高度保守而又物种特异性的特点。目前研究认为，激素信号通路、特异表达的调控基因、表观遗传机制以及外界环境信号都影响着种子休眠和解除。其中最主要的调控机制是激素的拮抗调控，在休眠期，ABA 通过激活 SnRK2s 激酶、调动转录因子ABI3/ABI5，抑制萌发基因的表达及胚胎对脱水胁迫的耐受性。当解除休眠期时，GA 通过信号受体 GID1 结合 DELLA 蛋白并促其降解从而解除萌发基因的抑制[1]。同时，ABA、GA 在转录水平上具有负反馈调控机制从而形成稳定调节网络。

另一个重要的共同因子是 DOG1（Delay of Germination 1），该基因已被鉴定是控制休眠强度和时间的关键基因，DOG1 虽然不参与同 ABA 的生物合成，但可能与 ABA 信号模块交叉调节。DOG1 蛋白通过完成 PP2C 家族蛋白和 RNA 剪接因子的调控，可能在表观遗传层面遗调节休眠持续时间。其他特异转录因子，诸如 LEC1、FUS3、HSFA9 等，也参与到种子休眠和胚胎成熟作用当中 [2]。这些发现表明，种子休眠是激素控制与遗传程序协调的结果，而不是单一作用的产物。

二、天山郁金香种子休眠的初步分子机制分析

（一）种子生理特征与激素变化趋势

天山郁金香 (Tulipa Dariusensis) 作为典型的寒地植物种子，具有比较明显的休眠特性，其调控机制可能与激素、温度和进化等多个因素有关。高海拔地区春秋气候具有不稳定的特征，植物种子需要选取较适宜的时机来发芽，以免受到气候条件的影响。

从其理论原理上看，冷层积通常以调节激素通量来打破休眠状态，低温通过降低 ABA 合成酶的 NCED(9-cis-epoxycaratenoydiolase) 表达水平，但提升了 GA 合成相关酶 GA20ox、GA3ox 的转录活性，从而使 ABA/GA 下降，这是打破种子休眠的重要信号。与此同时，GA 通过解除 DELLA 蛋白对萌发基因的抑制，促进细胞伸长和胚根突破种皮。同样，天山郁金香种子中也存在高度“ABA 敏感型”的的信号响应机制，也就是低温不能直接诱导萌发，而是需要首先解除ABA 基因转录抑制。此外，在萌发过程伴随着活性氧（ROS）的上升，ROS 在理论模型中已不再是简单的细胞毒素，而是作为信号分子有助于解除休眠的。ROS促进萌发相关种皮软化酶（β-1,3-glucanase、cutinase）的产生以帮助胚根突破外部障碍，这一过程通常伴随着GA 信号的增强。

（二）差异表达基因及信号通路初探

虽然目前关于天山郁金香种子分子机制并未完全建立，但可以参照植物的分子框架来推断基因表达特征。在种子休眠与解除的过程中，转录组变化被认为是关键调控层级之一。在冷层积或GA 处理之后，与ABA 生物合成、信号转导、转录因子调节相关的基因表达会显著下调，而 GA 通路中的正调控因子则明显上调。

理论上而言，DOG1 表达水平越高，休眠水平则越高，DOG1 基因通过阻截ABA 降解来维持种子对 ABA 的高敏感性，并且，DOG1 基因受温度历史调控，其转录调控受 HSFA9、bZIP67 等温度敏感因子的控制，成为冷层积解除休眠的一个分子开关。在信号转导方面，ABA 信号通路主要转录因子有 ABI3、ABI5 以及下游目标基因Em1，Em6，其在休眠状态下维持高表达水平并形成“休眠表达谱”。冷层积后 SnRK2s 活性下降，ABA 转录活性下降，打破了休眠表达谱，GA 通路中的 GIDl-DELLA 模块逐渐解除对萌发所需因子的束缚，如 EXPANSINs、XTHs等细胞壁重构基因的激活是种子突破物理障碍的关键步骤。

种子休眠调控从信号网络角度来看，更像是一个层级传递的决策型模型，外界环境首先调节 ABA/GA 的激素水平和敏感性，随后通过 DOG1 与 ABI 类转录因子控制核心转录程序，最终调动胚根膨大与细胞扩展的相关基因。在此过程中，转录调节途径与表观遗传机制密不可分。因此，从理论上讲，天山郁金香种子休眠的调控机制，更可能是 ABA/DOG1 信号主导，转录调节途径参与和表观遗传调节途径辅助的复合型调控系统，差异基因的表达分布可为构建郁金香属种子休眠调控模型奠定基础。

三、结语

天山郁金香种子休眠的形成和解除受到多途径信号网络调控，分子机制初步推断受到激素平衡控制、转录调控信号网络形成和环境信号调控的分子应答三个途径共同作用。冷层积过程中 ABA 的含量下降、GA 被激活，DOG1 类基因表达下调，都是种子破除休眠的关键。转录组数据也显示多个与激素应答、种皮软化、胚胎发育相关的差异表达基因。本文从理论层面上对天山郁金香种子可能的休眠分子机制进行了初步探索，为该物种的繁殖生物学研究与人工繁育技术开发奠定了基础。

参考文献

[1] 庞奕雯 . 代谢组与转录组联合解析植物激素在天山郁金香种子休眠解除中的作用 [D]. 沈阳农业大学 ,2024.

[2] 孙征光 . 天山郁金香种子萌发抑制物及植物激素相关 WRKYs 基因功能研究 [D]. 沈阳农业大学 ,2024.

作者简介：孙忠戈（1990-10-17），男，硕士，讲师，研究方向花卉种质资源收集与植物营养。

课题来源：辽宁省教育厅 2022 年度高校基本科研项目 天山郁金香种子休眠的分子机制 (LJKQZ20222407）