综合转录组学和生理生化分析揭示了影响中华羊茅（Leymus chinensis）种子萌发的关键基因

《Frontiers in Plant Science》：Integrated transcriptomics and physio-biochemical analysis revealed key genes affecting the seed germination of Leymus chinensis

种子休眠破除与发芽率提升机制研究：以碱茅为例 通过RNA测序和加权共表达网络分析，发现种子外壳通过调控植物激素信号传导（如GA/ABA平衡）、淀粉代谢（α/β-淀粉酶活性）及MAPK信号通路抑制发芽。差异表达基因包括WRKY、AP2/ERF、bZIP和NAC转录因子，以及(xylo)-amylase（XYL1）、β-葡萄糖苷酶（BGLU10/45）等酶编码基因。研究揭示了外壳通过物理屏障和代谢调控双重抑制发芽的分子机制。

　　### 种子萌发的生态与经济价值

*Leymus chinensis*，也被称为碱茅，是一种多年生的根茎类禾本科植物，具有显著的生态和经济价值。它广泛分布于草原和半荒漠地带，因其较强的抗逆性，如耐寒、耐旱、耐盐碱等特性，在这些环境中具有良好的适应性。同时，作为一种具有清热解毒、消肿止痛等药用价值的植物，*L. chinensis*在畜牧业和药用领域都有广泛的应用。然而，尽管其在自然环境中可以通过无性繁殖迅速扩展种群，但其种子的萌发率却普遍较低，这在一定程度上限制了其在农业上的应用和种质资源的利用。

种子萌发是植物生命周期中的一个关键过程，不仅关系到个体的生长发育，也直接影响到种群的繁衍与生态系统的稳定性。对于许多植物而言，种子萌发受到多种因素的调控，包括种子外层结构（即种皮）、内源性植物激素、环境信号等。其中，种皮作为物理和生化屏障，在调控种子萌发过程中发挥着重要作用。它不仅能够保护胚免受机械损伤、病原体侵害和极端环境的影响，还能控制水分、气体和溶质的交换，从而影响种子的萌发条件。然而，种皮的这种调控作用有时会延缓种子萌发，直到环境条件变得适宜。因此，研究种皮如何影响种子萌发的分子机制，对于提高种子质量、提升萌发率以及优化植物在自然和农业环境中的生长具有重要意义。

### 种皮对种子萌发的调控机制

在* L. chinensis*种子的萌发过程中，种皮的调控作用尤为突出。研究表明，种皮能够影响内源性植物激素的水平，如赤霉素（GA）和脱落酸（ABA），从而抑制种子萌发。ABA作为一种重要的植物激素，在不利环境条件下对种子萌发具有抑制作用，其作用机制包括通过与特定受体结合，触发一系列信号传导过程，从而激活与种子休眠相关的基因和蛋白表达。其中，ABI5（ABA-Insensitive 5）是一种关键的转录因子，能够调控种子休眠相关基因的表达。而GA则在与ABA相互作用的过程中，起到拮抗作用，能够缓解种子休眠并促进萌发。

GA的调控作用主要体现在其对细胞内氧化应激反应的调节上。通过改变抗氧化相关酶的活性，GA能够影响H?O?（过氧化氢）的含量，从而影响种子的萌发过程。此外，GA还能通过诱导α-和β-淀粉酶的活性，打破种子休眠，促进萌发。这一过程在许多植物中都有体现，如马铃薯块茎的休眠解除过程。因此，研究GA在* L. chinensis*种子萌发中的作用，不仅有助于理解其生理机制，也为改善种子萌发率提供了新的思路。

### 种皮对种子萌发的影响

为了进一步探讨种皮对* L. chinensis*种子萌发的影响，本研究对种皮去除和保留的种子进行了萌发实验。实验结果显示，去除种皮的种子萌发率显著高于保留种皮的种子（约44%，*p* = 0.0011），萌发潜力也表现出类似趋势（约35%，*p* = 0.0003）。此外，去除种皮的种子萌发指数（GI）显著高于保留种皮的种子（约3.36倍，*p* = 0.0003），表明去除种皮能够显著提高种子萌发的均匀性和效率。

这一现象表明，种皮在种子萌发过程中起到了抑制作用。它可能通过多种机制影响种子的萌发，如限制水分吸收、抑制酶活性、调控激素水平等。例如，在萌发过程中，去除种皮的种子表现出更高的α-和β-淀粉酶活性，而保留种皮的种子则显示出较低的活性。这说明种皮可能通过抑制相关酶的表达或活性，从而延缓种子萌发。此外，去除种皮的种子在萌发过程中表现出更高的IAA（生长素）和GA含量，而ABA含量则相对较低，进一步支持了种皮在调控激素平衡中的作用。

### 转录组分析揭示种皮调控种子萌发的分子机制

为了深入探讨种皮如何调控* L. chinensis*种子萌发，本研究采用了RNA测序（RNA-seq）技术，对不同发育阶段的种子进行转录组分析。研究共筛选出21,564、21,010和31,795个差异表达基因（DEGs），分别来自“H_CK_0 vs DH_CK_0”、“H_CK_2 vs DH_CK_2”和“H_CK_7 vs DH_CK_7”三个比较组。这些DEGs的显著富集主要集中在植物激素信号传导、淀粉和蔗糖代谢以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路等关键生物学过程中。

植物激素信号传导是种子萌发调控的核心机制之一。通过富集分析发现，DEGs在多个与植物激素相关的通路中显著富集，包括ABA生物合成、赤霉素信号传导、细胞分裂素响应等。这表明，种皮可能通过调控这些激素信号通路的表达，进而影响种子的萌发能力。例如，ABA的生物合成相关基因在保留种皮的种子中表现出更高的表达水平，而GA相关基因则在去除种皮的种子中被显著上调，这与种子萌发率的差异相吻合。

淀粉和蔗糖代谢也是种子萌发过程中重要的能量供应机制。在去除种皮的种子中，多个与淀粉分解相关的基因，如α-淀粉酶（AMY1）、β-淀粉酶（BAM1）、β-葡萄糖苷酶（BGLU10/45）和α-木糖苷酶（XYL1）均被显著上调。这些基因的表达变化有助于将淀粉和蔗糖分解为可溶性糖，从而为种子萌发提供必要的能量支持。此外，去除种皮的种子在萌发过程中表现出更高的酶活性，这进一步说明种皮对这些代谢过程的抑制作用。

### MAPK信号通路的调控作用

除了植物激素和淀粉代谢，MAPK信号通路也被发现是种皮调控种子萌发的重要机制之一。MAPK信号通路能够将外部刺激转化为细胞内的生理反应，从而影响种子的萌发过程。例如，研究表明，MKK3（MAPK激酶3）的激活能够促进种子萌发，通过抑制ABA生物合成酶基因的表达并诱导GA生物合成酶基因的表达。在本研究中，多个与MAPK信号通路相关的基因在种皮去除和保留的种子中表现出显著差异，其中一些基因的表达水平在去除种皮的种子中被显著上调，而在保留种皮的种子中则被显著下调。这表明，种皮可能通过调控MAPK信号通路的活性，从而影响种子萌发的进程。

### 转录因子的调控作用

在本研究中，多个转录因子（TFs）也被发现与种皮调控种子萌发密切相关。其中包括WRKY、AP2/ERF、bZIP、NAC等类型。这些TFs在种子萌发过程中发挥着重要的调控作用，能够影响相关基因的表达，从而改变种子的生理状态。例如，WRKY家族的某些成员在去除种皮的种子中表现出显著的上调趋势，可能通过调控与激素响应和代谢相关的基因表达，促进种子萌发。而bZIP和NAC家族的某些成员则在保留种皮的种子中表现出下调，这可能与其抑制种子萌发的作用有关。

此外，研究还发现，NAC家族中的某些成员，如*NAC019*，在去除种皮的种子中表现出较高的表达水平，并且与多个淀粉分解相关基因（如AMY）具有共表达关系。这表明，NAC可能通过调控淀粉代谢相关基因的表达，从而促进种子萌发。这种调控机制可能为未来的种子改良和分子育种提供了新的思路。

### 未来研究方向与应用前景

本研究的结果不仅揭示了种皮如何通过调控植物激素、代谢途径和转录因子来影响* L. chinensis*种子的萌发，还为提高种子萌发率提供了潜在的分子靶点。通过进一步研究这些关键基因的功能及其调控机制，可以为* L. chinensis*的种子改良和分子育种提供理论依据和实践指导。例如，通过基因编辑技术，可以靶向调控某些关键基因的表达，从而打破种子休眠，提高萌发率。

此外，本研究还为理解其他植物种子萌发的调控机制提供了参考。许多植物的种子萌发过程受到种皮的调控，而不同植物种皮的调控机制可能存在差异。因此，研究* L. chinensis*种子萌发的分子机制，有助于揭示其他植物种皮调控种子萌发的共性与差异，为跨物种的种子调控研究提供支持。

总的来说，本研究通过多组学分析，揭示了种皮在* L. chinensis*种子萌发中的关键作用，并发现了多个可能的调控基因和通路。这些结果不仅为种子萌发的分子机制提供了新的视角，也为提高种子萌发率、优化植物生长和种质资源利用提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索这些基因的功能，以及它们在不同环境条件下的表达变化，从而为种子育种和生态修复提供更全面的支持。