低温分层作用改变了碳水化合物的代谢方式，从而降低了中国栓皮栎（Quercus variabilis）胚轴休眠解除所需的热量

《Plant Physiology and Biochemistry》：Cold stratification remodels carbohydrate metabolism to lower heat requirements for epicotyl dormancy release in Chinese cork oak ( Quercus variabilis)

epicotyl休眠是中国栓皮栎种子萌发延迟的生理机制，本研究首次提出其破除与出苗的热需求模型，并通过冷处理时长和温度对热需求的影响分析，发现冷处理显著降低出苗热需求，伴随淀粉分解和可溶性糖积累，转录组与蛋白质组数据揭示代谢途径改变是分子机制，为优化种子出苗提供理论依据。

　　

刘普元|陈一欣|马格鲁|周哲哲|杨秦松|李国雷

北京林业大学林业学院橡树研究中心，北京市海淀区，100083，中国

摘要

上胚轴休眠是温带树种中一种独特的种子休眠形式。这种生理机制使芽的生长相对于根的生长延迟，直到种子满足其特定的热量需求。虽然以往的研究主要集中在种子萌发上，但幼苗的出土在森林生态系统中起着更为关键的作用，因为它直接影响种群的建立。已知冷层积处理可以促进某些物种的上胚轴休眠解除，但其对幼苗出土所需热量的影响仍不甚明了。在这项研究中，我们首次提出了上胚轴休眠解除和出土所需的热量需求，并探讨了冷层积处理对中国栓皮栎上胚轴休眠解除和幼苗出土热量需求的影响。通过使用热时间模型，我们首次证明了冷层积处理可以降低幼苗出土所需的热量。生理分析显示，经过冷层积处理后，种子中的淀粉含量减少而可溶性糖含量增加。转录组和蛋白质组数据进一步表明，与次生代谢物生物合成和碳水化合物代谢相关的基因显著富集，这表明发生了代谢变化，从而降低了热量需求。我们的发现为计算中国栓皮栎幼苗出土所需的热量提供了一个新的模型，并为冷层积处理在优化幼苗建立中的作用提供了新的见解。这项研究加深了我们对上胚轴休眠解除的生理和分子机制的理解，强调了冷层积处理的重要性。

引言

种子休眠是指在适宜条件下活种子无法萌发的现象，这是一种适应多变环境的机制（Bewley, 1997; Finch-Savage and Leubner-Metzger, 2006）。这种机制确保了在最佳条件下发生萌发，从而提高了幼苗的建立成功率（Bewley and Black, 1994; Bentsink and Koornneef, 2008）。根据种子中休眠的位置，休眠可以分为两种类型：胚根休眠（常规休眠）和上胚轴休眠。尽管大多数研究都集中在胚根休眠上（Holloway et al., 2021; Wang et al., 2022），但上胚轴休眠虽然生态上普遍存在，却研究较少。上胚轴休眠是一种生理休眠形式，它使芽的生长相对于根的生长延迟，持续时间可达数周或数月（Baskin and Baskin, 2004）。

冷层积处理通过改变激素平衡（Chen et al., 2024）和代谢活动（Chien et al., 2011）来广泛用于打破生理休眠。例如，在水稻中，冷层积处理可以调节赤霉素/脱落酸（GA/ABA）的比例（Yang et al., 2019）。在无患子科种子中，它可以增加可溶性糖含量和萌发率（Chen et al., 2015）。同样，Glehnia littoralis种子的冷层积处理可以提高过氧化氢水平、过氧化氢酶活性和可溶性糖含量（Shao et al., 2021）。这些发现表明，冷层积处理通过诱导生理变化来影响休眠。然而，尽管已知冷层积处理能够提高萌发率和均匀性（Chen et al., 2024），但其具体机制仍不清楚。

除了冷层积处理外，温度本身也是调节休眠解除的关键环境因素（Ellis et al., 1987; Gilbertson et al., 2014）。许多研究表明种子萌发率与温度之间存在线性关系（Murdoch et al., 1989; Hardegree et al., 1999）。为此，人们开发了热时间模型，通过基本温度和热量单位来量化温度对萌发的影响（Alvarado and Bradford, 2002; Derakhshan et al., 2018）。该模型被广泛用于预测萌发；然而，幼苗出土所需的热量及其与休眠解除之间的关系仍不甚明了（McCartan et al., 2015）。

中国栓皮栎（Quercus variabilis）是一种生态上重要的壳斗科物种，分布于温带-亚热带地区，其种子具有地下萌发特性和较浅的上胚轴休眠（Chen et al., 2024）。其种子含有异常高的淀粉含量（Yang et al., 2023），并在秋季成熟。虽然胚根在散布后很快就会伸长，但幼苗的出土要延迟到春季，发育过程中存在4-5个月的滞后。尽管已知热时间是影响幼苗出土的关键因素（Donohue et al., 2010），但其在中国栓皮栎中的具体作用尚不清楚。我们之前的研究表明，冷层积处理对于解除上胚轴休眠并非必需，但可以显著提前出土时间（Chen et al., 2024）。然而，其对幼苗出土所需热量的影响仍不清楚。在这项研究中，我们系统地研究了冷层积处理如何影响幼苗出土所需的热量。种子经历了不同时间的冷层积处理（0–60天），然后在六种温度条件下进行培养（12–30°C）。通过热时间建模，我们量化了不同层积时间下幼苗出土所需的热量。生理分析揭示了碳水化合物代谢的相关变化。此外，还进行了转录组和蛋白质组分析，以探讨潜在的基因调控机制。

实验部分

种子采集和实验条件

2023年9月3日，在中国北京平谷区卢瓦森林公园（116°58′46.0″E, 40°16′51.7″N）的种子散布高峰期采集了中国栓皮栎的成熟种子。收获后，将种子浸泡在温水中（50–60°C）以去除空种子或皱缩的种子，确保实验使用的是存活的种子。仅使用中等至大尺寸的种子，且这些种子在出土表型上没有显著差异。

冷层积处理和层积后温度对种子萌发的影响

为了评估种子的整体质量和萌发潜力，使用统计模型分析了胚根的萌发动态。最终萌发率在12°C、15°C、18°C、21°C、27°C和30°C下的最高值为85.42%，大约在6天时达到50%的萌发率（图S1）。

为了进一步研究冷层积处理和层积后温度的影响，种子在4°C下进行了不同时间的层积处理（0、20、40和60天）。

幼苗出土所需的热量

冷层积处理以其打破种子休眠的能力而闻名（Ciacka et al., 2022; Ma et al., 2023），其对休眠解除的影响与种子热时间的减少有关（Steadman and Pritchard, 2004）。在本研究中，我们的结果表明中国栓皮栎的幼苗出土高度依赖于温度，适中温度可以促进更快的幼苗出土。这些发现与其他温带树种的研究结果一致。

作者贡献声明

李国雷：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。杨秦松：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思

未引用参考文献

Bewley, 2013; Ding et al., 2009; Kendall et al., 2011; Lee et al., 2015; Li et al., 2021; Liu et al., 2025; Liu et al., 2018; Née et al., 2017; Nishimura et al., 2018; Penfield et al., 2005; Walck, 2005; Wang et al., 2022; Xin et al., 2024; Xu et al., 2016.

利益冲突声明

所有作者声明他们与本研究没有利益冲突。

数据可用性

RNA-Seq原始数据已存入中国国家基因组数据库（CNGB）的CNGB Sequence Archive（CNGBdb，https://db.cngb.org/），访问编号为：CNP0007722。其他数据将在合理请求下提供。

资助

本研究得到了中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（YESS20220129）和中国国家自然科学基金（32201544）的资助。

利益冲突声明

? 所有作者声明他们与本文报告的工作没有已知的利益冲突或个人关系。