1、种子发育和萌发生理(The development and germingation of seed)1 植物体从发生到死亡所经历的过程称为生命周期(life cycle)。种子植物的生命周期，要经过胚胎形成、种子萌发、幼苗生长、营养体形成、生殖体形成、开花结实、衰老和死亡等阶段。在生命周期中，伴随形态建成，植物体发生着生长(growth)、分化(differentiation)和发育(development)等变化。23高等植物发育特点高等植物发育特点 植物与动物在长期的进化过程中走了两植物与动物在长期的进化过程中走了两条不同的道路，因而植物的发育与动物条不同的道路，因而植物的发育与动物的发
2、育相比，自有其特殊性。的发育相比，自有其特殊性。B.Goldberg认为，高等植物与动物相比，认为，高等植物与动物相比，有有6个独特的发育过程及个特点。个独特的发育过程及个特点。4高等植物发育的独特过程高等植物发育的独特过程 1.单个细胞再生植株单个细胞再生植株 2.生殖方式生殖方式 3.种子发育种子发育 4.无限生长的方式无限生长的方式 5.形态发生过程中无细胞移动形态发生过程中无细胞移动 6.环境诱导特殊的发育状态环境诱导特殊的发育状态5植物发育的特点植物发育的特点 1.植物是形态相对简单的有机体植物是形态相对简单的有机体 2.植物细胞具有全能性植物细胞具有全能性 3.植物生殖既可通过孢子
3、也可通过配子进行植物生殖既可通过孢子也可通过配子进行 4.高等植物具有双受精高等植物具有双受精 5.植物胚胎发生终止于休眠种子的形成植物胚胎发生终止于休眠种子的形成 6.高等植物的胚形成两个发育命运不同的器官系统高等植物的胚形成两个发育命运不同的器官系统 7.植物具有无限的发育程序植物具有无限的发育程序 8.植物形态发生不伴随细胞移动植物形态发生不伴随细胞移动 9.植物发育中环境因子扮演重要角色植物发育中环境因子扮演重要角色 6 植物在营养器官生长的基础上，在适宜植物在营养器官生长的基础上，在适宜的外界条件下，就会分化出生殖器官的外界条件下，就会分化出生殖器官（花），最后结出果实和种子，即由营
4、（花），最后结出果实和种子，即由营养生长向生殖发育转化。养生长向生殖发育转化。7 种子是植物发育中的一个阶段，从它的形成、休眠到萌发，是一个奇异的、独特的过程。从受精卵分裂便开始种子的形成历程。随着细胞的生长，有大量糖分子及其他物质进入，并在种子中构成各种聚合物积累起来，经过一段旺盛的生长后，则宣告暂停。此时种子大量脱水，呼吸下降，胚的外围细胞大量死亡，而胚也处于静止状态，生活历程进入隐蔽阶段。8种子的发育 9 种子的含义通常包括两个方面，即植物学上的概念和农业生产上的概念。植物学上所谓的种子，是从植物胚胎学的角度出发，指的是种子植物由胚珠发育而成的繁殖器官。这种繁殖器官可以认为是植物界在长期
5、发展过程中达到高级阶段的产物，其形态构造和生理机能对植物种族的绵延和传播具有特殊的优越性。从农业生产的角度来看，种子的涵义比较广泛。概括地说，凡在农业生产上可利用为播种材料的任何器官或其营养体的一部分，不论它从什么部分发育而来，也不论它在形态结构上简单或复杂，只要能作为繁殖后代用的，都统称为种子。10生产上播种材料归为三类 第一类为真正的种子，整个籽粒由胚珠发育而来，这一类就是植物学上所称为种子，在作物中常见的主要有豆类、油菜、芝麻、棉花、黄麻、亚麻、蓖麻、烟草、番茄、苋菜、辣椒等。第二类为类似种子的果实，其内部含有一颗或几颗种子，而外部则由子房壁或花蕾的其它部分发育而来，在植物学上称为果实，
6、在农业生产上通常直接作为播种材料，其中又分为颖果（如稻、麦、玉米等）、瘦果（如荞麦、大麻、向日葵、苎麻等）、其它（如黄花苜蓿的荚果、甜茶的小坚果、胡萝卜的离果等）。第三类为营养器官，主要包括根茎类作物的无性繁殖器官，如甘薯和山药（薯蓣）的块根、马铃薯和菊芋的块茎、蒜的鳞茎、芋和慈姑的球茎、甘蔗的地上茎以及苎麻的地下茎等。11 种子是个体发育中的一个阶段，从它的形成、休眠到萌发，是一个奇异的，独特的过程。从受精卵分裂便开始种子的形成历程。随着细胞的生长，有大量糖分子及其他物质进入，并在种子中构成各种聚合物积累起来，经过一段旺盛的生长后，则宣告暂停。此时种子大量脱水，呼吸下降，胚的外围细胞大量死亡
7、，而胚也处于静止状态，生活历程进入隐蔽阶段。种子从母体及产生的环境中脱离出来，通过短暂的传播，在适宜的环境中萌发，生长，形成新植株。种子的隐蔽阶段存在多样性，是从种子形成到萌发中间的一段奇特的插曲。1213种子的发育进程 14种子的发育时期 15胚胎发生期 从受精(合子)开始到胚(embryo)形态初步建成为胚胎发生(embryogenesis)期，此期以细胞分裂为主，同时进行胚、胚乳(endosperm）或子叶的分化。这期间胚不具有发芽能力，离体种子不具活力。性细胞融合后经过一个短时期静止(少数植物没有静止期)，以细胞快速分裂和DNA复制为特征；然后分化胚器官原基，细胞快速分裂和生长，以DN
8、A加速复制为特征，此时期胚干重及鲜重增长较快，淀粉、蛋白质和RNA合成迅速；这个时期种子的含水量可达到80%左右。16种子形成期 此期细胞分裂停止，以细胞扩大生长为主，淀粉、蛋白质和脂肪等贮藏物质在胚、胚乳或子叶细胞中大量积累，引起胚、胚乳或子叶的迅速生长。此期间有些植物种子的胚已具备发芽能力，在适宜的条件下能萌发，即所谓的早熟发芽(precocious germination)或胚胎发芽(viviparous germination)，简称胎萌(vivipary)。这种现象在红树科和禾本科植物中最为常见，发生在禾本科植物上则称为穗发芽或穗萌(preharvest sprouting)。17
9、种子胎萌可能与胚缺乏ABA有关。处于形成期的种子一般不耐脱水，若脱水，种子易丧失活力。在豆科植物中胚子叶细胞内DNA继续复制，形成多线体或多倍体，淀粉和贮藏蛋白合成迅速，累积量最大；此时期植物绿色部分制造的物质加速运向种子，种子干重增长可达三倍以上，含水量可下降至50%左右。18成熟休止期 此期间贮藏物质的积累逐渐停止，种子脱水显著，含水量降低，多聚核糖体解聚或消失，原生质由溶胶状态转变为凝胶状态，呼吸速率逐渐降低到最低水平，胚进入休眠期。完熟状态的种子耐脱水，耐贮藏，并具有最强的潜在生活力。经过休眠期的完熟种子，在条件适宜时就能吸水萌发。种子含水量降至10%20%。19 完熟种子之所以能耐脱
10、水，这与LEA基因的表达有关。LEA基因在种子发育晚期表达，其产物被称为胚胎发育晚期丰富蛋白(late embryogenesis abundant protein，LEA)。LEA的特点是具有很高的亲水性和热稳定性，并可被ABA和水分胁迫等因子诱导合成。一般认为，LEA在种子成熟脱水过程中起到保护细胞免受伤害的作用。20 成熟休止期的长短差异很大，受气候等条件影响明显。而前两个时期比较稳定，例如小麦约为27天左右，燕麦约为14天，高粱与向日葵约为35天，大豆38天左右，棉花可达65天，水稻为25天左右。21胚胎发生 种子的发育是从受精开始的。精细胞与卵细胞通过受精作用结合为合子(zygote
11、)。合子表现出明显的极性。例如荠菜的合子在珠孔端为液泡所充满，而在合点端则是细胞质和核。合子经过短期的休眠后进行不均等分裂，产生一个较大的基细胞(basal cell)和一个较小的顶端细胞(apical cell)。22 基细胞在珠孔端，由它分裂形成胚柄(suspensor)，顶端细胞在合点端，由它分裂、分化后发育成胚。胚柄仅由几个细胞组成，起机械功能，将发育中的原胚推到胚囊的中央，以致胚在足够多的空间中吸取营养物质和生长。顶端细胞经若干次分裂后形成原胚，再依次经过球形期、梨形期(原胚期)、心形期、鱼雷形期(分化期)、手杖形期、倒U形期(或子叶期)和成熟期最终成为成熟胚 23 球形胚期形成的原
12、皮层将来会成为成熟胚的表皮组织。从球形胚到心形胚期间，靠近胚柄一侧形成胚根原基，而远离胚柄的一侧则形成子叶原基。胚在鱼雷形期建立胚胎自主性，这时胚柄开始退化，胚的表皮细胞特化，形成具有吸收功能的组织。成熟期，胚中大量合成RNA和蛋白质。合成的mRNA中部分用于当时的蛋白质合成，部分要贮存到种子萌发时才翻译成蛋白质，即所谓的贮备mRNA。在胚成熟后期，RNA和蛋白质合成结束，种子失水，胚进入休眠。24荠菜(Capsella bursa-purston)胚 它的合子约长30毫米，球形期原胚(胚体)约长80微米，心形期约长81-250微米，中间期胚长约251-400微米，鱼雷期为401-700微米，
13、手杖形期约为701-1，000微米，倒u形期胚长1001-1700微米，成熟期胚长可超过1.7毫米。胚的相对生长速度最快的时期是在心形期至鱼雷形期间。至于离体培养时，通常在u形时亦即子叶原基已经分化，胚长约1.6毫米时才较容易成苗。25荠菜胚的形成 A-B.受精卵的第一次不均等分裂；C-H.胚与胚柄的形成；I.球状胚；J-K.由于球状胚近胚柄处的胚细胞垂周分裂，形成心形胚，出现叶和根的分化，近胚柄侧形成胚根；L.鱼雷形胚；M.成熟胚，具有子叶、胚根、胚芽，胚内有维管束 26棉花胚的发育 棉花在授精后24小时左右，合子分裂成4-16个细胞的原胚，胚细胞数的变化在初、中期呈双S曲线；受精后三倍体胚
14、乳核是在授粉后24-28小时内开始分裂，在胚合子分裂前已形成8-20个游离核，至授粉后7-8天已有2，000个以上游离核。胚乳细胞的壁是在授粉后10天左右在珠孔端形成，之后8天才完全细胞化。这些胚乳细胞最后极大部分被发育中的胚所消耗，在成熟的棉花种子中仅存极少几层胚乳细胞。27大豆胚的发育进程 阶段：球形期；阶段：心形期；阶段：鱼雷形期；阶段：成熟中期；阶段：休眠期。最上面一行表示胚和种子在一定发育时期的外形，但大小不按比例，否则胚胎发生的早期阶段将看不清 28拟南芥胚的发育过程29 以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为模式植物，应用突变体分析和基因克隆技术，已鉴定和分离了一
15、些影响胚胎形成的基因，例如:LEC2(leafy cotyledon 2)、GNOM、MONOPTERO和 FACKE等。LEC2编码一个含B3区域（植物特有的一种DNA结合基序）的转录调控因子，它控制胚发育的正确启动，在胚发育早期和后期均大量表达。GNOM基因编码鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)，它作用于ADP核糖基化因子(ARF)-G型蛋白，影响合子第一次分裂。与正常合子第一次不对称分裂相反，GNOM基因突变体的受精卵第一次分离是对称的,表现出顶-基极性(apical-basal polarity)缺陷型，没有根和下胚轴。30 MONOPTEROS(MP)基因编码一种含DNA结合域的蛋白质，
16、它影响胚中维管组织和胚体模式的建立。FACKEL基因的产物是参与脂类生物合成的一种固醇还原酶（sterol C-14 reductase），它影响发育中胚细胞的分裂、扩展和有序排列。FACKEL基因突变特异地减少了下胚轴形成，使得胚根几乎贴到子叶上。31单子叶植物的种胚发育 合子发育成胚，形态上虽然亦经过球形及梨形期，但以后仅有一个子叶分化发育，而且胚芽与胚根原基常呈不同程度的弯曲。胚生长最快时期通常亦在胚分化期间。稻胚分化期间的胚长度呈明显的S形曲线，在胚分化期(开花后5-13天)胚生长极为迅速，细胞数、胚干重、鲜重、体积的指数增长趋势极为明显。小麦的胚发育过程亦有同样情况。32 水稻胚在开
17、花后第11-13天，胚的四个叶原基及胚根原基均已分化完全；如果用开花后6天的幼胚，经过离体培养就能成苗。稻胚细胞数的增加与胚长度的变化有类似的趋势，合子在开花后4天起细胞分裂速度才加快，在开花后1天原胚细胞数为2-12个，以后细胞分裂迅速，细胞数的指数增长趋势明显，至开花后11-13天胚细胞停止增加时，胚细胞总数达到15万(籼稻)或20万(粳稻)左右。33 稻胚成熟时胚干重约为0.45毫克(籼稻)或0.55毫克(粳稻)，胚体积约为0.6-0.7立方毫米，整个籽粒的体积约为19-20毫米。水稻胚乳受精核在开花后3-3.5小时就开始进行第一次分裂，至24小时左右胚乳核已有50-80个，它们散布在胚
18、囊周围，至第4天时胚囊已被胚乳细胞充满，第10天分裂基本停止，胚乳细胞总数约为18万左右，稻胚乳中为复合淀粉粒，它们都是分别从一个造粉体形成的，在开花后10-18天期间淀粉粒的大小增长最快，因此在开花后的18天期间内，良好的栽培条件对创造优质种胚和饱满籽粒都是特别重要的。34 小麦胚的生长模式与水稻类似，但麦胚的重量、体积及细胞数均较稻胚为大，成熟小麦胚的细胞总数约为40万，干重约为0.7-0.8毫克，体积为1-0.8立方毫米。35 根据形态与生理生长变化，一般可将被子植物受精卵(合子)至种胚形成过程分成四个发育进期。原胚期，性细胞融合后经过一个短时期静止(少数植物没有静止期)，以细胞快速分裂
19、和DNA复制为特征；胚分化期，以分化胚器官原基，细胞快速分裂和生长，以及DNA加速复制为特征，此时期胚干重及鲜重增长较快，淀粉、蛋白质和RNA合成迅速；这两个时期种子的含水量可达到80%左右；36 贮藏物质积累期，此时期细胞分裂停止，但淀粉、RNA及蛋白质继续合成积累，在豆科植物中胚子叶细胞内DNA继续复制，形成多线体或多倍体，淀粉和贮藏蛋白合成迅速，累积量最大；此时期植物绿色部分制造的物质加速运向种子，种子干重增长可达三倍以上，含水量可下降至50%左右；脱水成熟胚休止或休眠期，此时期种子脱水显著，聚核糖体解聚或消失，种子含水量降至10-20%，这个时期的长短差异很大，受气候等条件影响明显。3
20、7 裸子植物的松柏类中大多数是多胚性的胚胎发育过程，所以在分化期前后尚有胚胎选择期，最后一般仅有一个胚成熟。38胚乳的发育 被子植物种子的胚乳有四种情况，即有内胚乳；有外胚乳；兼有内、外胚乳；无胚乳（在种子发育过程中，胚乳被胚所吸收）。禾谷类作物小麦、水稻等的种子具有内胚乳。内胚乳是受精极核发育而成，染色体数为3n，是三倍体。在胚发育期间胚乳也发育并逐渐膨大；豆类种子，在胚发育时胚乳组织被吸收，因此，胚成熟时无胚乳，营养物质贮藏在子叶中。39无融合生殖 无融合生殖(apomixis)是相对两性融合生殖而言的，它是指由未经过受精卵或胚珠中的某些细胞直接发育成胚，乃至种子的一种生殖方式。40无融合
21、生殖的类型 减数胚囊中的无融合生殖 减数分裂后形成的胚囊中的单倍体细胞，不经受精直接发育为胚。由此发育成的植株几乎是完全不育的，因此没有后代，又称为不可重复的无融合生殖。它包括单倍体孤雌生殖(haploid parthenogenesis)、单倍体孤雄生殖(haploid androgenesis)、单倍体无配子生殖(haploid apogamr)三种形式。41 未减数胚囊中的无融合生殖 在这类无融合生殖中，胚囊都是未经过减数分裂而产生的，即不经过大孢子发生阶段，因此也称为无孢子生殖(apospory)。由于其产生的后代属于二倍体，有正常的生殖能力，因此又称为可重复的无融合生殖。它包括二倍体
22、孢子生殖(diplospory)或生殖细胞无孢子生殖(generatine apospory)和体细胞无孢子生殖(somatic apospory)二种形式。42 半融合 未减数胚囊中雄配子核进入卵细胞，但并不与卵融合而独自分裂的一种特殊的无融合生殖。形成的胚分别来自雌核与精核，为二倍体、单倍体嵌合体，胚乳为五倍体。43 不定胚现象 不是由配子体的成分而是由珠心或珠被的体细胞长入胚囊中而转变成胚的现象。这种不定胚能产生多个，可分为两种，一种是自由的或独立的，它不需要经过授粉和受精而自发产生。另一种情况是，不定胚的产生需要授粉或受精刺激的。44无融合生殖的意义 第一，减数胚囊中的无融合生殖产生的
23、后代都是单倍体的，经染色体加倍后这些单倍体的后代就可以成为纯合的二倍体。第二，未减数胚囊中的无融合生殖可以用来固定杂种优势。由于不经过两性细胞的结合而进行受精，所以这种无融合生殖产生的后代不会发生分离。如果把具有杂种优势的杂种转变为这种可重复的无融合生殖，则杂种的显性纯合或杂合性就稳定下来了。杂种的珠心组织或珠被进入胚囊产生的不定胚也可起同样的作用。45 第三，各种影响受精的不良条件不会影响无融合生殖的进行。在雌雄异株植物中，即使没有雄株，通过无融合生殖也能很好地繁殖后代。第四，不定胚能延续母体的遗传性。不定胚由于是母体体细胞产生的，在容易发生自然杂交的植物中，可以保持品种遗传的稳定性。46
24、无融合生殖后代是母本的复制品，不含来自父本的遗传物质，遗传有母体的全部特征。已获得3个FIS 突变基因，每个FIS 基因的突变都能导致胚乳在不受精的情况下增殖和发育。自发的胚乳发育是一些植物无融合生殖的特征之一。然而，即使在受精的情况下，FIS基因突变的胚也不发育，一直到成熟，种子还是卷缩状，并且体积极小，几乎看不见。这暗示着无融合生殖中胚和胚乳的发育可能受不同基因控制。47 无融合生殖可能是几个紧密连锁基因共同作用的产物。山柳菊(Hieracium)无融合生殖的3个基本组成成分，即无孢子生殖、自发性胚的发育和胚乳的发育作为一个主效孟德尔因子一起遗传。从有性生殖和无性生殖的蒲公英（Taraxa
25、cum）的杂交和后代分析中得知，无融合生殖的两个因素即二倍性孢子形成和孤雌生殖是可以相互分离的。与之相似的是，飞蓬（Erigeron annuus）控制二倍性孢子形成和孤雌生殖的因子是不连锁的，相互独立遗传 对飞蓬无融合生殖的进一步研究认为，孤雌生殖基因有可能是配子体隐性致死基因，控制二倍性孢子形成的染色体区域似乎是在一个单价染色体上遗传的。48 正常种子发育要求包围在胚珠周围的子房组织协同生长。分离到一个增强子插入的拟南芥突变基因，它对细胞色素P450基因CYP78A9超敏感，在没有受精的情况下，可产生较大的无子果实。另一个是拟南芥长角果组织发育所必须的基因FWF(fruit without
26、 fertilition)。这个基因的突变型，在没有受精的情况下，可导致细胞分裂增强、中果皮层扩增和侧维管束发育的加速。49种子发育的代谢变化50胚胎发育过程中生物大分子及一些生理变化规律 胚胎的分化发育过程是植物遗传信息在内、外条件影响下，有规律地调控基因顺序的时、空表达的过程，发育的模式是受基因的表达所控制，而发育的顺序性也与代谢反应的顺序性有关。对胚胎分化发育过程的生化变化，尤其是核酸、蛋白质等生物大分子的动态引起了重视，这些研究结果为探索植物种胚分化发育的分子基础及其调控提供了重要基础。51(1)蛋白质含量及其合成活力的变化 胚胎分化发育过程中，在胚细胞大量增加时期，胚内总蛋白质含量迅
27、速增加，它的增长趋势与干重及RNA的增加呈平行关系。这种情况在双子叶植物及单子叶植物中均类似。水稻中每胚蛋白质含量的增加与RNA的变化曲线相似。至胚器官原基分化完全后(13天左右)尚继续增加，但增长速度减缓，粳稻(双丰一号)成熟胚的蛋白质含量可达125g/胚，为籼稻(铁骨矮一号)胚45g的两倍左右。成熟稻胚所含蛋白质中约75%-80%是在发育中期(开花后15天)前积累的。52 粳稻胚分化期的蛋白质增长较快，成熟期的积累量也较籼稻多。这与粳稻重量较大和蛋白质含量较高的特点有关系。而且也说明胚器官原基分化时期，胚的发育势能对最终胚内蛋白质含量和胚的大小与干重有决定性作用。稻胚所含蛋白质与RNA的比
28、值(蛋白质/RNA)在胚分化过程中(6-15天)增长一倍之多，以后比较稳定保持在12.5左右(粳稻)，籼稻的这个比值在整个胚分化发育过程中稳定在5-6之间，后期亦只有6.5左右，籼粳稻在翻译能力上相差显著。53 如以单位胚干重计算，蛋白质含量在胚器官原基分化期间逐渐下降，直至胚器官原基分化完全(开花后11-13天)，此时细胞分裂基本停止，为胚发育中的重要转折时期，从胚分化器官原基的分化期转入以贮存贮藏物质为中心的物质积累成熟期，此转折期后蛋白相对含量又稳步增加。这个现象启示我们，胚器官原基分化完全，细胞分裂基本停止的时候，也许是有可能人为地影响胚发育和贮藏蛋白合成的控制点。54 在豆科植物中，
29、成熟期子叶的贮藏功能要突出得多，在胚细胞分裂基本停止后，贮藏蛋白含量急激增加。贮藏蛋白中不少是在胚分化发育过程专一合成的，而且主要是在胚细胞中，这种胚发育专一性的蛋白质还包括植物凝植素类物质。55 应用同位素标记技术，观察3H-亮氨酸对开花后7-30天水稻胚发育时期蛋白质的渗入动态，说明蛋白质合成活力增加最迅速的时期是胚分化期(开花后7-11天)，在胚器官原基分化完全时有一短暂的下降时期，但在胚进入物质积累成熟中期时，蛋白质合成活力又有些增加，达到整个发育期中的最高水平，至物质积累后期则迅速减弱。56(2)呼吸强度与细胞色素氧化酶活力变化 呼吸强度标志着种胚的总的生理活性状态，而细胞色素氧化酶
30、是呼吸链中末端氧化的一个重要酶，它直接关系到高能ATP的形成。在较幼嫩的水稻籽粒中糖的末端氧化主要是通过金属末端氧化酶类，乳熟后磷酸戊糖支路(HMP)及非金属氧化酶类逐渐加强。稻胚在分化期间，每胚的呼吸强度随细胞分化发育的进程而呈直线增加，到幼胚各器官原基分化完全时(开花后13-15天)，胚的呼吸强度达到高峰，耗氧量为4.247 O2l/时胚。这与棉花胚发育前期呼吸强度的变化相似。57 胚分化前期呼吸强度较高，器官原基分化完成后渐降，说明胚细胞在发育初期，组织幼嫩时呼吸代谢活性较高，至细胞成熟则逐渐下降。此外稻胚在物质积累时期，细胞数已基本停止增加后(开花后13-15天)，含水量开始明显下降，
31、干物质积累尚在继续进行时，呼吸强度仍保持相当高的水平，说明在干物质积累成熟时期仍需要较高的能量供应，直到种胚成熟脱水进入休止期，呼吸才明显下降。如果以每毫克干重为基础，则胚分化前期的呼吸强度高，随着胚的分化发育而逐渐降低，至胚分化完成以后的物质积累成熟期，呼吸强度变化不大，基本趋于稳定。这也说明幼嫩胚组织的生理活性较高于成年的胚组织，而成年的胚组织仍保持在一定的生理活性水平上。58稻胚中的细胞色素氧化酶活力在分化期(开花后6-9天)增加迅速，到种胚分化完成(开花后15天左右)后达到高峰，以后略有下降，直到开花后21天左右，在成熟后期仍稳定在一个较高的水平，这说明细胞色素氧化酶活力的变化在籽粒的
32、发育中有一定的作用。在以每毫克蛋白基础上计算时，酶比活在胚分化期表现很强，随着胚的发育进展而降低，在开花后21天胚进入成熟休止期趋于稳定。以每毫克胚干重计算或以单位胚体积计算，均可看到酶活力在胚分化期较强，在胚器官原基分化完全开始下降并渐趋稳定。这些表现说明含金属末端氧化酶中，细胞色素氧化酶在稻胚发育初期细胞幼嫩时，糖的末端氧化起着明显作用。59(3)过氧化物酶活性及其同工酶谱的变化 过氧化物酶系统在木质素与乙烯的生物合成，以及在过氧化氢的形成、类黄酮代谢、生长素的氧化降解，和对微生物及其有毒物质的抵抗等方面均有重要作用。过氧化物酶活力和同工酶的变化还与高等植物的发育变化关系密切。稻胚在分化各
33、器官原基过程中(开花后6-13天)，过氧化物酶活力的增加非常显著，至分化完成后进入贮藏物质积累的成熟期(开花后13-21天)增加亦尚明显，直到稻胚含水量明显下降进入休止时期(开花后30天)，酶活性的增加才逐渐停止。60水稻胚发育过程中过氧化物酶活性变化胚发育期(开花后日数)6 7 9 11 13 15 18 21 25 30过氧化物酶总活力 4.2 6.9 18.2 27.6 65.0 60.0 132.0 133.0 150.0 145.0总可溶性蛋白(g/胚)-1.03 2.52 6.90 11.38 13.10 24.00 22.60 26.00 26.80酶比活 -6.69 5.37
34、3.48 5.45 4.09 5.23 6.18 5.61 4.40 过氧化物酶总活力=A(460nm)/60秒(愈创木酚)1000(胚)酶比活=A(460nm)/60秒(愈创木酚)毫克蛋白61 在稻胚分化发育过程中，主要由于胚细胞重量、体积的增加，蛋白质等贮藏物质与结构物质的累积，造成过氧化物酶总活力增加，酶活力的增加与胚细胞生长分化与物质积累有关。62 过氧化物酶同工酶是较好的遗传信息表达标志之一，它的合成受一系列基因所调控。稻胚在不同分化发育时期有明显不同的过氧化物酶同工酶电泳图谱，胚原基分化期间(开花后6-11天)，分子量较小的阳极端的酸性同工酶谱带占优势，而进入成熟期(开花后21-3
35、0天)后则分子量较大的阴极端谱带较为明显，顺序变化的规律极为显著。这说明稻胚在分化发育中存在着遗传信息的选择性转录或顺序表达的过程。63 这些遗传信息的表达是与内、外环境条件的变化有关。如果将不同发育程度的幼胚，离体后立即放在无菌条件下进行强制萌发，则这些萌芽幼胚的同工酶谱与未经萌发的发育中的幼胚有明显不同，尤其近成熟期的萌芽胚中接近阴极的硷性过氧化物酶同工酶显著增加，而近阳极的酸性过氧化物酶同工酶则完全相同。这些现象也说明：胚分化期间细胞成长过程是与胞壁木质化有关的酸性过氧化物酶同工酶活跃有关；而胚萌发过程中胚芽胚根的早期萌发是与具有相当于IAA氧化酶功能的硷性过氧化物酶同工酶活跃有关；因此
36、这两种同工酶具有不同的生理功能。64 种胚在发育过程中，为什么能够在胚乳中顺利发育而不发生胎萌现象?植物种胚在母体中发育的较后期，主要是由于胚珠中有脱落酸(ABA)产生，并且为胚所吸收，从而抑制它过早萌发(胎萌)，并促使它能顺序地进入成熟和休眠或休止等发育时期。ABA是一种能抑制体内成熟胚发芽的激素，而且ABA可能是种子发育的内部环境中，使贮藏蛋白合成顺利进行的必需的因子之一。65(4)核酸含量及其合成活力的变化 种胚在分化发育时期，细胞数、重量和体积增加显著，胚内总核酸含量增加迅速。稻胚在胚器官原基分化期间(开花后6-13天)总核酸含量急剧增加，至分化完全后增加缓慢，进入成熟期时(开花后20
37、-25天)，总核酸含量每胚至8-10微克左右，粳稻含量较籼稻高些。稻胚内DNA含量在胚器官原基分化期间(开花后6-13天)迅速增加，分化完全之后，粳稻(双丰一号)每胚DNA含量稳定在0.8g左右，籼稻(铁骨矮)则稳定在1.1g左右。66 此种动态与细胞数的变化几乎完全一致，因而在稻胚发育过程中平均每个胚细胞的DNA含量，除发育初期略高外，其它时期一直稳定，粳稻约为4pg，籼稻约为5-8pg。象豆科植物中种胚在细胞分裂基本停止后，子叶细胞的核内DNA继续复制，并有明显的多倍性形成等情况，在禾谷类植物的种胚中没有发现。但从它们与稻胚发育比较，可见这些DNA的多倍增加，确为豆科植物种胚子叶中大量合成
38、贮藏蛋白的必要基因剂量。稻胚中RNA含量的变化具有和总核酸相同的两次增长过程。67 在胚分化期间增加迅速，至器官原基分化完全后有一短暂的停滞期，在贮藏物质积累成熟时期再次增加，并保持至休止时期。粳稻胚中的RNA含量在胚分化期间是从2g增至8g，经短暂的停滞期后，进入成熟时期增至10g，以后一直稳定保持在这个水平；籼稻胚中RNA含量的变化趋势与粳稻相同，只是 两次增长的量比较小，最后含量为7g左右，比粳稻为低。如以平均每个胚细胞计算，则RNA含量的两次增长过程亦都是明显的。68 由于总RNA中的80%都是rRNA，因之除供给种胚分化发育期间合成蛋白质的需要外，后期增长的RNA主要是装配萌发早期所
39、需的核糖体。在稻胚分化发育过程，胚中所含RNA与DNA的比值变化，在一定程度上反映了核酸的转录水平 籼稻胚这个比值为4.5-6.5，后期略高，但在胚器官原基分化完全后，基本上稳定在6左右，而在粳稻发育过程中，胚中RNA/DNA值在分化期间增加很快，直至胚分化完全后就保持12.5左右，这个数值比籼稻高一倍；这可能也是籼、粳稻胚分化发育过程中在转录水平上差异的表现。69 造成这种差异的原因可能是它们的rRNA基因数目不同。高等植物中总RNA内80%-90%为rRNA，12%为tRNA，而mNRA约为3%，通常成熟种子比未成熟种子萌发较快，幼苗成活率较高；而且种子在冷藏老化过程中由于rRNA降解而导
40、致种胚萌发力丧失。不同发育程度的水稻种胚在贮藏过程中，只是18SrRNA表现了有规律性的降解，25S rRNA则不明显。其降解产物主要为16S rRNA，这个分子量的rRNA恰与原核生物的核糖体小亚基rRNA相同，愈是成熟的稻胚在贮藏过程中所含16S rRNA的量愈少，18S rRNA含量愈高。因此可以认为稻胚发育过程中的这种变化，可能反映了它的系统发育过程，同时胚中rRNA的完整度可作为鉴定种子活力指标之一。70 mRNA也是胚胎发育过程中所必需，长命mRNA已在豌豆、大豆、绿豆、花生、棉花、蓖麻、萝卜、油菜、黑麦、玉米、小麦及水稻种子或种胚中发现。稻胚中转译过氧化物酶的mRNA就是在稻胚发
41、育初期形成的，而它是以贮藏形式保留直到萌发时才表达。种胚形成过程中较后期增加的RNA和蛋白质中一部分是用来装配萌发期所需要核糖体及全套蛋白质合成的酶系。71 应用-鹅膏蕈碱(1.0g/ml)对mRNA合成的专一抑制试验证明：稻胚在胚分化初期及贮藏物质积累期间mRNA的合成活力比较高，而在胚原基分化完全时和进入休止期时，则合成活力较小或几乎没有。因为用低浓度-鹅膏蕈碱处理不同发育时期的稻胚后，使3H-尿苷对RNA的掺入受到明显抑制，在胚原基分化完全期及开始进入休止期进行不同程度的mRNA及rRNA(和tRNA)合成，反映了基因表达的顺序性发育调控。72(5)淀粉等碳水化物的含量变化 稻胚内淀粉含
42、量在胚分化期间增长迅速，从分化初期至胚器官原基分化完全时，每胚淀粉含量可从3.1(籼稻)或3.5g(粳稻)至46g左右，增长12-13倍之多；这种增长除了胚细胞数增加所造成的原因之外，每个胚细胞内贮积量的增加亦是明显的。稻胚进入成熟期间，胚内淀粉含量增长缓慢，至成熟后期逐渐下降，说明后期消耗大于积累。淀粉的相对含量在胚器官原基分化完全、细胞数基本停止增加以后，有一短暂的下降，至成熟期间又略有增加，在成熟后期降低的趋势籼稻更为显著。淀粉的这种消长规律，说明它不仅是贮藏物质，而且也积极参与了稻胚发育的代谢过程。73 稻胚发育过程中的胚内总糖与还原糖含量变化的情况与淀粉的消长相似，只是它们在后期降低
43、的情况不及淀粉明显，在进入胚成熟期后，糖类的相对含量比较稳定。这种表现与胚乳中糖类在胚乳发育前期含量很高，但随着淀粉含量增加而急剧下降有所不同。所以如果以整个籽粒为单位，则上述胚中的表现就不能看到，这是由于胚乳中这些碳水化物的含量远较胚中为高。74 稻胚发育过程中淀粉的降解与淀分水解酶活力的变动有关。稻胚发育过程中，淀粉水解酶活力的变化很明显，其中-淀粉酶活力低且变动亦小，而-淀粉酶活力则较-淀粉酶高10倍以上，变动亦大；以胚为单位或以每个胚细胞为单位计算，均表现在胚分化期间-淀粉酶活力的明显增高，几乎与淀粉含量的急剧增加相吻合，胚原基分化完成后，淀粉含量下降时，酶活力亦相应地下降，到成熟休止
44、前，稻胚内已几乎测不到-淀粉酶活力，不管是以每胚或每个胚细胞计算均如此。75 因此-淀粉酶与-淀粉酶相对比时，与胚分化发育的关系更为密切。而且胚分化完全后，胚内淀粉含量的下降，也可能主要是由于-淀粉酶作用的结果。在胚分化发育过程中，淀粉通过-淀粉酶的作用，为发育中的细胞提供能量，为合成蛋白质及纤维素等贮存物和结构物质提供碳架等 它表明淀粉在稻胚细胞内亦是一种临时贮藏物质，并可能在胚胎分化发育过程中起着物质和能量转化的桥梁作用。76 在胚乳发育过程中，-淀粉酶活力亦比-淀粉酶活力高得多，且在胚原基分化完全后同样明显降低；而-淀粉酶活力低得多，变动幅变亦很小。因此胚乳中的-淀粉酶在胚乳发育前期可能
45、亦有类似在胚内的作用。77 综合以上情况，说明种胚是整株植物的雏形个体，种胚的分化发育是遗传基因在内、外条件影响和复杂而微细的调控之下顺序表达的结果。胚胎分化发育过程的进程与代谢变化特性的局部差异密切相关。了解种子发育的生理生化基础，也有利于良种繁育及种子贮藏等工作的顺利进展。78胚胎发育晚期丰富蛋白(late embryogenesis abundant protein，LEA)完熟种子之所以能耐脱水，这与LEA基因的表达有关。LEA基因在种子发育晚期表达，其产物被称为胚胎发育晚期丰富蛋白。LEA的特点是具有很高的亲水性和热稳定性，并可被ABA和水分胁迫等因子诱导合成。一般认为，LEA在种子
46、成熟脱水过程中起到保护细胞免受伤害的作用。79已鉴定出的Lea蛋白基因 小麦Em基因玉米Em基因 水稻RAB基因大麦Dehydrin基因 胡萝卜Dc3和Dc8基因大麦的PHVal基因玉米的MLG3基因80Lea蛋白的生理意义 保护细胞的结构和代谢，使种子在后期保护细胞的结构和代谢，使种子在后期脱水时不致受到破坏脱水时不致受到破坏 作为渗调物质的调节蛋白作为渗调物质的调节蛋白 某些某些Lea蛋白带有正电荷的保守区域可以蛋白带有正电荷的保守区域可以和核酸结合，调节基因表达和核酸结合，调节基因表达81种子发育过程中的基因的表达 从合子不均等分裂开始的植物胚胎发育过程是一个有序的、有选择性的基因表达过
47、程。通过转录生成特异的mRNA，再合成特异的蛋白质或酶，最终导致种胚、胚乳或子叶发育成熟。在种子发育的任何一个阶段，大约有20000个不同基因在mRNA水平上被表达，同时，胚轴、子叶以及非胚性化的胚乳组织中有相似数量的基因表达。82长命mRNA 有人以大豆后期发育阶段的合子胚做材料，发现处于中熟阶段胚内存在的15000种mRNA中，90%以上也在子叶胚和成熟胚中存在，并且贮存在成熟种子中和出现在幼苗、长成叶中，只有少量的基因仅在胚中表达。在小麦、水稻、大豆等作物种胚中均有上述“长命”mRNA的存在，它们对种子萌发早期水解酶的形成以及胚根的发端起着重要作用。83种子的种类与构造84种子的种类与构
48、造85种子的种类与构造86种子发育的代谢变化 种子中的贮藏物质主要有淀粉、蛋白质和脂类，它们分别贮藏在不同组织的细胞器中。禾本科植物的胚乳主要贮藏淀粉与蛋白质，胚中盾片主要贮藏脂类与蛋白质。子叶的贮藏物质因植物而不同，如大豆、花生的子叶以贮藏蛋白质和脂肪为主，而豌豆、蚕豆的子叶则以贮藏淀粉为主。87淀粉的代谢 淀粉的合成途径有多条，不同作物间主要合成途径各有所不同。玉米籽粒中以利用腺苷二磷酸葡萄糖(adenosine diphosphate glucose，ADPG)合成淀粉的途径为主，水稻则以利用尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose，UDPG）合成淀粉的途
49、径为主 玉米籽粒发育的早期阶段（授粉后12天），蔗糖酶活性首先达到高峰，蔗糖含量也同时达到极值，为淀粉的合成提供了大量底物。88 在籽粒发育过程中，与淀粉合成密切相关的UDPG焦磷酸化酶活性的变化与淀粉的积累趋势一致。此外，淀粉磷酸化酶、结合态及可溶性ADPG淀粉合成酶活性也有类似变化。禾谷类作物籽粒中，淀粉的积累乃至干物质的积累强度之所以呈现单峰曲线式变化，可以说在一定程度上同主要贮藏物质合成酶活性的变化特点有关。89 分支酶（branching enzyme）又叫Q-酶（Q-enzyme），可催化-1，6-葡萄糖甘键的合成，在直链上产生分支而形成支链淀粉。直链和支链两种类型淀粉的含量与比例
50、同籽粒品质有关。水稻籽粒发育早期，淀粉的合成以支链为主，以后则以直链淀粉的合成为主。在水稻籽粒发育初期，分支酶活性较高的品种可合成较多的支链淀粉，分支酶活性较低的品种，直链淀粉含量要相对高些。90 在淀粉合成的同时，具有降解淀粉作用的-淀粉酶（-amylase）、-淀粉酶（-amylase）及去分支酶（脱支酶）（debranching enzyme）即R-酶（R-enzyme）也表现出一定的活性。水稻胚旺盛发育时期，淀粉酶活性也达到高峰。淀粉的这种降解过程为胚的发育提供大量的物质基础和能量来源。在这种合成降解的动态过程中，正是由于合成作用远远大于降解作用，才使得贮藏器官中淀粉含量不断增加。91
