《International Journal of Molecular Sciences》：An Overview of Seed Germination Mechanisms as a Target for Seed Priming
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摘要：作为植物发育的核心现象，种子萌发极易受到非生物胁迫的影响，进而强烈影响后续植物发育，并最终决定作物出苗与产量。对种子萌发机制的深入理解推动了多种作物改良策略的开发。其中，种子引发（seed priming）已成为可持续农业中的关键工具，被广泛用于增强植物
摘要：作为植物发育的核心现象，种子萌发极易受到非生物胁迫的影响，进而强烈影响后续植物发育，并最终决定作物出苗与产量。对种子萌发机制的深入理解推动了多种作物改良策略的开发。其中，种子引发（seed priming）已成为可持续农业中的关键工具，被广泛用于增强植物胁迫耐受性并提升整体生产力。在各种引发技术中，水引发（hydropriming）涉及对种子的受控水合处理，以启动萌发相关事件，随后通过干燥使代谢活动暂停。水引发的有效性取决于对萌发过程的精准调控，以激活胁迫相关生理响应。然而，对种子萌发背后分子动态的有限认知仍是开发下一代引发方法的主要瓶颈。本综述全面涵盖了高等植物中由水引发诱导的种子萌发的遗传学、表观遗传学及生化机制。
1. 引言
种子在暴露于适宜环境条件时启动萌发，这些条件具有物种特异性，包括适宜的水分、温度和光照水平。作为植物生命周期中关键而脆弱的阶段，种子萌发常受环境和生物胁迫干扰，导致出苗不整齐。对种子萌发调控机制认识的深入推动了旨在提升幼苗表现的“引发”（priming）技术的发展。引发的基本理念源于植物天然的胁迫适应策略，其中部分策略为组成型，另一些则仅在胁迫诱导下激活。种子引发的核心目标是增强种子萌发及幼苗对后续胁迫的抗性。目前已发展出多种引发技术，包括水引发、渗透引发、激素引发、盐引发、固体基质引发、营养引发、生物引发、纳米引发、磁引发、紫外线引发、γ射线引发、冷等离子体引发、电子引发及激光引发等。这些技术在增强作物对干旱、高温和盐胁迫耐受性方面效果显著。其中，水引发无需化学试剂，消除了土壤或作物污染风险。水引发通过控制种子吸水以激活代谢通路而不触发胚根突破，随后将种子回干至初始含水量。该过程模拟了种子在春季土壤干旱及随后复水过程中经历的自然干湿交替循环。因此，源自气候严酷地区的植物种子已进化出对土壤水分波动的固有耐受性。基于Scopus数据库的统计，种子引发研究在过去五年间发表约2000至2500篇论文，2025年发表论文超过600篇。然而，伴随发表量的增长，越来越多的证据表明引发效果显著依赖于基因型、胁迫强度甚至种子品质。尽管实际应用已有充分记录，引发效应在很大程度上仍属经验性。引发的分子动态，如DNA修复激活、抗氧化系统、贮藏物质动员及激素信号传导的时间序列，尚未被完整表征。尽管引发的跨代效应已被广泛研究，但诱导耐受性通过表观遗传机制在后续世代中持续存在的观点仍属工作假说。本综述综合了当前关于种子引发增强胁迫恢复力的知识，特别聚焦于水引发与萌发代谢。
2. 萌发种子中作为引发潜在靶标的代谢过程
种子萌发始于水分吸收，止于胚根突破种皮，通常分为三个阶段。阶段I（吸水）涉及由极负的基体势（约-150 MPa）驱动的水分吸收激活，导致大分子、膜及细胞器（包括线粒体）的水合、种皮软化和呼吸激活，同时启动大分子、膜及线粒体等细胞器的损伤修复。阶段II（停滞期）中，水势升至约-1.5 MPa，主要归因于渗透组分，吸水速率下降并趋于平台。该阶段激活萌发的主要代谢过程：贮藏物质动员、萌发特异性蛋白合成（以贮藏和新生mRNA为模板）及其翻译后修饰。呼吸代谢的激活导致活性氧（ROS）产生大幅上调，触发酶促及低分子量化合物等抗氧化剂的合成。阶段II的结束通常以胚根突破为标志。阶段III（萌发后）起始于胚根生长启动。种子到幼苗的转变是植物生命周期的关键节点。值得注意的是，正常性（orthodox）种子在萌发阶段I和II期间保持耐脱水性，此过程完全可逆。这一可逆区间被称为“耐脱水窗口”。阶段II向阶段III的转变是植物个体发育的关键时刻。
种子引发主要基于萌发种子的水合-脱水循环，涉及在水中（水引发）或渗透溶液（渗透引发）中的受控吸水，随后脱水。自然界中，经历交替脱水和复水循环的植物实质上经历着相同的自然引发过程。这种受控水合使种子推进萌发初期阶段，但有意在胚根出现前停止，确保种皮完整且过程可逆。水引发的核心目标是为胚提供萌发阶段I和II（严格意义上的萌发）所需水分，但不允许进入胚根出现后的阶段III。水引发包括三个连续阶段：第一阶段为水合，种子经历萌发阶段I（吸水）和阶段II（停滞期）；第二阶段为脱水，将种子干燥至原始含水量；第三阶段为复水，随后启动胚轴生长。尽管脱水过程中失去水分，引发种子不会恢复至处理前的代谢状态。干燥使萌发延迟但不损害活力，使种子处于静止但代谢推进的引发状态。关键在于，水合和脱水阶段可重复循环，但向第三阶段的转变不可逆。复水使种子快速完成代谢级联反应，这很可能由细胞重编程驱动。一系列高度协调的事件被触发，包括线粒体生物发生、呼吸激活、DNA和蛋白质修复、贮藏物质动员、新生大分子合成以及ROS-抗氧化剂动态平衡。
2.1. 膜恢复与线粒体生物发生
在干燥种子中，膜磷脂以凝胶相排列，呈多孔六方结构，导致膜完整性受损。吸水后，该构型转变为层状液晶双层，恢复功能性膜结构。这一转变伴随磷脂含量和不饱和度的同步增加，表明活跃的膜脂重塑正在进行。然而，活跃吸水可能损伤膜，导致细胞成分渗漏，包括无机离子（K?）、氨基酸、糖类、有机酸、酚类和蛋白质。引发可加速凝胶-液晶膜转变并促进脂质重塑，从而减少吸水渗漏并保存细胞成分。研究显示，水引发结合外源脯氨酸可缓解绿豆低温诱导的膜脂过氧化；水引发和NaCl引发可增加膜脂含量、磷脂酰胆碱/磷脂酰乙醇胺比值及不饱和度，从而改善流动性和减少盐胁迫损伤；水引发（30 °C下8小时）可改善膜完整性并减少后续冷胁迫下的溶质渗漏。在种子成熟后期，线粒体进入代谢停滞并进行结构修饰，但在吸水后迅速恢复功能。因此，吸水的最早事件之一是线粒体的逐步增殖和分化。该线粒体生物发生涉及干种子中结构简单、静止的前线粒体发育为含嵴的功能性线粒体。电子传递系统在吸水后立即激活。种子吸水后数分钟内即可检测到O?吸收和ATP积累，表明线粒体呼吸的快速激活。种子水合最初几分钟内，前线粒体逐渐获得典型形态、达到正常丰度并能够产生膜电位。萌发24小时（停滞期）时可见完全成熟的线粒体结构。这些结构发展伴随显著功能变化：线粒体蛋白输入增加、整体代谢活性增强及细胞呼吸速率快速上升。此期间参与能量和细胞结构的蛋白是成熟后期贮藏mRNA的早期翻译产物。线粒体动力学的重新激活受赤霉素（GAs）信号通路正调控，受脱落酸（ABA）、低温或多效唑处理负调控。种子内部O?交换的核心发现最近通过微传感器获得。种子吸水期间，内部O?含量降至缺氧水平，而呼吸速率持续增加。所有主要作物（包括谷类、豆类和油料种子）的种子中心通常达到最低O?水平。主要的O?汇为线粒体呼吸。这些线粒体事件是种子引发机制的核心。引发可推进线粒体生物发生和呼吸启动，使引发种子比未引发种子更快达到萌发所需的代谢和能量状态。从引发豌豆种子分离的线粒体在早期吸水期间表现出增强的氧化特性和呼吸控制，直接将引发与线粒体效率和ATP产生联系起来。种子引发显著增强水稻种子和幼苗在冷胁迫下的呼吸速率和ATP水平，作者将其归因于糖酵解代谢增强以及线粒体修复和生物发生。引发增强胁迫抗性的有效机制还可能涉及吸水初期细胞质中的生物分子凝聚体。生物分子凝聚体是无膜、类细胞器结构，通过液-液相分离浓缩分子。FLOE1蛋白使吸水种子通过形成细胞质生物分子凝聚体感知水分胁迫。作为一种在拟南芥发育胚和种子中丰富的固有无序、类朊病毒蛋白，FLOE1通过水势依赖的相分离作为可调环境传感器调控萌发。与水合条件下形成1-2 μm液滴样斑点不同，干燥时这些结构消散为广泛胞质分布。与FLOE1不同，核蛋白SAM8明确作为低水势或脱水传感器发挥作用。
2.2. 硫醇氧化还原系统激活
在种子萌发早期，蛋白质翻译后修饰被认为是关键调控机制。其中，以半胱氨酸（Cys）氧化/还原为核心的硫醇氧化还原状态调控，是种子萌发过程中高效能量利用的关键“主开关”。吸水后数分钟内，硫醇系统从氧化态（-S-S-）转变为还原态（-SH），导致线粒体三羧酸（TCA）循环和呼吸链激活。该硫醇氧化还原机制日益被认为是种子引发发挥效应的关键靶标。热蒸汽引发推进了种子代谢的启动，包括与萌发相关的氧化还原转变；引发加速了萌发和幼苗生长所需的氧化还原转变。硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）被明确列为参与植物引发的关键氧化还原调控蛋白。引发在调控细胞氧化还原稳态中发挥重要作用，硫氧还蛋白、谷胱甘肽、谷氧还蛋白和过氧化物氧还蛋白是介导胁迫条件下引发效应的核心参与者。引发改善种子萌发和盐耐受性，该效应与幼苗中编码硫氧还蛋白（TRX）的基因表达增加相关，引发种子增强的盐耐受性直接与TRX以及抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）和Na?/H?反向转运体SOS1的上调相关。TRX是一种小型普遍存在的蛋白，含有保守WCGPC活性位点基序内的氧化还原活性Cys对。通过该Cys对，TRX催化与靶酶的二硫醇-二硫键交换反应。驱动硫醇氧化还原变化的机制完全依赖NADPH。该辅因子通过谷胱甘肽还原酶为谷胱甘肽/谷氧还蛋白途径提供还原力，或通过NADPH依赖性硫氧还蛋白还原酶（NTR）为各种TRX提供还原力。多个物种的种子中观察到吸水响应中TRX依赖性主要贮藏蛋白的还原，该事件影响其溶解性和蛋白水解可及性。沙葱种子亚精胺引发增强了细胞呼吸速率并使NADPH/NADP?比值提高1.4倍，作者将其归因于两种主要机制：促进乙酰-CoA通量进入TCA循环，以及通过激活磷酸戊糖途径增强NADPH依赖性抗氧化能力。该升高的NADPH/NADP?比值为NADPH依赖性硫氧还蛋白还原酶还原氧化型TRX提供必需还原力，从而维持TCA循环酶和呼吸链组分处于活性还原态。利用完整种子的荧光蛋白生物传感技术，观察到吸水后数分钟内ATP快速积累和O?摄取，直接证明线粒体呼吸的快速激活。值得注意的是，该激活与线粒体基质内硫醇氧化还原状态从氧化态向还原态的显著急剧转变同时发生。基于定量碘代乙酰串联质量标签（iodoTMT）的硫醇氧化还原蛋白质组学方法发现412个半胱氨酸肽段发生氧化还原转换，这些肽段代表线粒体能量代谢的核心通路，包括呼吸链和TCA循环的每个酶促步骤。同时，涉及还原型谷胱甘肽、谷氧还蛋白和TRX的氧化还原反应与激素协调，以实现正常发育。
2.3. 核酸与蛋白质修复
为减轻成熟后期失水、贮藏期间以及最关键的是吸水期间所遭受的损伤，种子部署了一套协调的修复机制。该响应涵盖受损细胞膜的修复、蛋白质的重新折叠以及受损核酸的修复。当水合组织重新激活酶系统并提升线粒体能量产生时，修复被触发。为支持该过程，种子通过在成熟后期上调编码相关长寿命mRNA的基因来编程修复，确保吸水阶段所需酶的快速翻译，从而实现快速损伤修复。修复系统在种子引发中发挥核心作用。引发作为一种受控水合处理，使种子部分推进吸水过程后回干，为长寿命mRNA编码的修复酶的翻译和激活提供了关键窗口。因此，引发种子以部分“预运行”的修复机制进入后续吸水。多聚核糖体谱分析和核糖体新生链复合物测序（RNC-seq）显示，水引发种子比成熟干种子含有更多mRNA-核糖体复合物，证明萌发必需mRNA已与核糖体对接，以便再吸水时加速蛋白质合成。引发强烈激活染色体断裂的转录响应，通过拟南芥突变体证明DNA双链断裂修复是引发种子寿命的关键决定因素。DNA损伤必须在早期吸水期间、细胞周期启动（及后续细胞分裂）之前及时修复，以维持萌发潜力并最大程度减少后续幼苗发育中的生长抑制和突变。特别值得关注的是染色体断裂或DNA双链断裂，其具有高度细胞毒性，可导致染色体断裂、遗传信息丢失和细胞死亡。种子DNA修复采用通用真核机制：同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）修复双链断裂，核苷酸切除修复（NER）、碱基切除修复（BER）及未配对碱基校正。种子DNA的氧化损伤主要与ROS介导的修饰相关，包括鸟嘌呤氧化为8-氧代-2′-脱氧鸟苷、胸腺嘧啶氧化为胸腺嘧啶二醇，以及糖-磷酸主链的氧化切割导致链断裂。拟南芥中种子DNA的主要氧化修饰是鸟嘌呤羟基化，产生潜在致突变碱基7,8-二氢-8-氧代鸟嘌呤（8-oxoG）。该修饰碱基可与胞嘧啶和腺嘌呤形成互补配对，可能导致DNA复制错误。8-oxoG从DNA双螺旋的去除通常依赖BER系统。BER通路涵盖几个关键步骤：受损DNA碱基的切除、AP位点糖-磷酸主链的切割、所得DNA末端的清理、通过DNA合成的缺口填充以及最终DNA连接。除其他类型DNA损伤外，双链断裂需要专门的修复机制。负责修复碱基损伤的DNA糖基化酶包括关键酶OGG和甲酰胺嘧啶-DNA糖基化酶（FPG）。Kiran等人发现，用320 mM NaCl处理茄子种子通过重新激活DNA修复通路增强萌发，包括OGG1上调以及NHEJ和HR的激活。DNA修复中的另一个关键参与者，特别是与脱水相关损伤相关的，是聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）。PARP催化聚-ADP-核糖基化，该过程通过附着ADP-核糖单元链可逆修饰蛋白质。值得注意的是，PARP活性直接受DNA链断裂存在刺激，将其与DNA损伤检测和修复紧密联系。种子引发触发关键DNA修复机制的上调，包括BER、NHEJ和HR通路以及PARP活性升高，这些共同构成早期萌发期间保持基因组完整性的潜在分子机制。引发直接激活拟南芥种子中的DNA损伤响应，研究显示四个最具诱导性的DNA修复基因RAD51、XRI1、PARP2和BRCA1的表达显著升高。修复的靶标之一是贮藏信使RNA（mRNA），其极易受ROS氧化损伤。这些mRNA在种子成熟后期合成并在萌发时翻译，对启动幼苗生长至关重要。其成功翻译取决于保持长度以维持完整编码序列、用于核糖体相互作用的二级结构以及5′帽和poly-A尾等特定基序。其修复包括ATP依赖性RNA连接酶（重新连接断裂RNA链）、核苷酸转移酶以及磷酸酶和激酶等修饰酶（为连接准备RNA末端），以及甲基化酶（向RNA末端添加保护性甲基）。种子蛋白质保护的关键元素是二硫键（S-S）的可逆形成。蛋白质最初以还原性巯基（SH）形式合成，随后被氧化产生更稳定的二硫键构型。在干种子中，该结构变化使蛋白质更紧凑、不易降解并保护其免受蛋白酶攻击。萌发时，硫氧还蛋白恢复原始巯基形式，使蛋白质功能重新激活。干种子中蛋白质可积累各种自发的非酶促翻译后修饰，包括氧化、糖化和脂氧化事件。虽然大多数这些修饰不可逆，但特定氨基酸残基的某些氧化变化可通过酶促和非酶促机制逆转。一种此类修复机制涉及甲硫氨酸亚砜还原酶（MSR），其将甲硫氨酸亚砜还原回甲硫氨酸。蛋白质功能丧失也可能由天冬氨酸或天冬酰胺残基通过自发共价修饰转化为异常异天冬氨酸引起。该损伤在植物中由L-异天冬氨酰甲基转移酶（PIMT）修复，其通过侧链羧基甲基化受损的L-异天冬氨酰和D-天冬氨酰残基。PIMT还促进L-琥珀酰亚胺（非酶促重排过程中形成的中间体）的水解，恢复正常L-氨基酸残基。实验证据表明，拟南芥中PIMT1过表达增强种子寿命，而PIMT1表达降低导致种子活力丧失。尽管PIMT被ABA诱导已有充分记录，但其精确分子机制长期不明。脱落酸不敏感4（ABI4）直接结合PIMT1启动子调控其在拟南芥种子中的表达，AtABI4在调节AtPIMT1表达中发挥核心作用，从而赋予正常性种子活力和寿命。引发似乎支持RNA修复和贮藏mRNA保护，并有利于维持氧化还原调控的蛋白质保护机制，包括二硫键的可逆形成以及MSR和PIMT的活性。
3. 与种子引发相关的关键调控通路
3.1. 激素调控
使用各种植物激素作为引发剂已成为广泛接受的方法，尤其在增强植物胁迫抗性方面效果显著。目前，激素种子引发是改善逆境条件下种子萌发、幼苗生长和作物产量的常用技术。在激素种子引发中，种子在含植物激素的培养基中预浸泡。该处理通过改善养分吸收、刺激根系发育和提升整体生理活性来增强萌发、幼苗生长和作物产量。种子到幼苗的转变在遗传水平上受到严格调控，涉及ABA依赖性转录因子。其中，主调控因子包括LEAFY COTYLEDON 1（LEC1）、ABSCISIC ACID INSENSITIVE3（ABI3）、FUSCA3（FUS3）和LEC2（称为LAFL网络），以及DELAY OF GERMINATION 1（DOG1）、ABI4和ABI5。受升高的ABA水平激活，这些蛋白控制着调控种子成熟、休眠和萌发等关键种子特异性性状的基因表达。已知ABA促进休眠，而GAs诱导休眠解除和萌发。GAs的增加导致DELLA蛋白降解和ABA含量随后降低。值得注意的是，胁迫条件下吸水期间ABA水平可能升高。ABA由胚乳产生并释放，运输至胚，在不利条件下抑制胚根延伸和后续胚生长。该过程需要RGA-Like2（RGL2）表达，其是GAs信号的负调控因子。种子萌发的调控不仅限于ABA和GAs，还涉及与其他信号通路的复杂交叉对话。其他激素，如生长素、油菜素内酯（BRs）、乙烯、细胞分裂素和茉莉酸也参与该调控。生长素对种子萌发具有剂量依赖的双重效应。高生长素水平通过AUXIN RESPONSE FACTOR10（ARF10）和生长素信号抑制因子（IAA8）介导的通路激活ABI3促进种子休眠。低浓度下，生长素与GAs协同刺激胚细胞生长。BRs与GAs类似，促进种皮破裂以刺激拟南芥萌发。此外，萌发似乎不完全依赖GAs单独作用，而是GAs和BRs协同作用。乙烯是萌发的另一个促进因子。乙烯通过影响和与GAs生物合成相互作用刺激根形成、萌发和幼苗建成。另一方面，乙烯通过调控ABA代谢基因和信号通路抵消ABA效应。
3.2. ROS作为种子萌发的调控因子
ROS被认为是植物信号传导的关键元素，控制细胞生长、组织发育和对环境胁迫的响应。ROS的主要来源是线粒体和叶绿体中的电子传递链、质膜上的NADPH氧化酶（NOX，也称为RBOH，呼吸爆发氧化酶）、细胞壁过氧化物酶和氧化酶以及黄嘌呤氧化酶和葡萄糖氧化酶等其他系统。为调控和发育需求从头产生ROS的最重要酶是NOX。2007年，Oracz等人证明ROS触发蛋白质羰基化以解除休眠。此后，大量进一步证据表明ROS平衡对萌发至关重要。ROS水平的极端化可损害胚活力，因此萌发种子中的ROS需要严格控制。“氧化窗口”概念突出了ROS的双重作用，既可促进也可抑制种子萌发。毫无疑问，NOX和过氧化物酶也将在种子氧化还原调控响应中发挥重要作用。即使环境条件有利，种子中的ROS水平也维持在足以触发激素信号的水平。ROS氧化萌发负调控因子，导致GAs信号激活和ABA信号失活。具体而言，H?O?通过促进CYP707A2基因（参与ABA降解）表达和增加GA3ox1基因（参与GA生物合成）表达来改变ABA/GAs平衡。在大麦糊粉层细胞中，外源H?O?诱导H?O?产生，随后诱导α-淀粉酶。ROS对种皮和珠孔端胚乳细胞壁的弱化也至关重要，这使胚根能够突破。羟基自由基介导的细胞壁松弛在植物种子萌发和幼苗生长中的直接体内证据首先在独行菜种子中获得。该物种中ROS依赖性胚乳弱化先于胚根突破。该过程在机制上类似于细胞扩张生长期间发生的细胞壁软化。萌发豌豆种子胚根伸长区检测到显著ROS产生。伴随胚根伸长的氧化爆发的主要来源是NOX产生的O?•?。NOX与质外体含铜胺氧化酶和多胺氧化酶一起，被假设通过产生ROS在胚根细胞壁内发挥作用并促进种皮多糖切割。因此，H?O?等ROS已成为种子引发的常用工具。NO和ROS的增强积累对诱导萌发至关重要。除萌发外，ROS和NO也是种子引发的关键介体。通过比较水引发与渗透引发并检查其对种子劣变的后续影响，证明引发通过调控ROS积累、种子呼吸和淀粉降解来调节水稻种子的劣变速率。该研究提供直接证据表明水引发加速ROS产生，表明水引发诱导的ROS爆发是核心、可测量的生理事件。种子引发分子机制的全面分析聚焦于ROS的核心作用，详细阐述了早期种子萌发中ROS的“双重作用”——理解引发功效的基本概念。种子再水化期间产生的ROS虽可造成细胞损伤，但成功萌发依赖于ROS作为信号分子触发该过程的“氧化窗口”。ROS积累与种子抗氧化响应之间的平衡作为种子品质的关键指标，直接受引发技术调控。NO在引发诱导耐受性中发挥不可或缺的作用。NO是一种气态自由基，易于跨质膜扩散，使其成为理想的自分泌和旁分泌信号分子。NO敏感性是由含Heme-Nitric Oxide/Xygen（H-NOX）结合结构域的血红蛋白介导的古老性状。作为第二信使，NO在植物生长、发育以及对生物和非生物胁迫的适应中发挥关键作用。NO对调控种子休眠和萌发、初生根生长和不定根发育、花粉管生长、开花启动和叶片衰老、气孔运动以及对盐度、极端温度、强光和病原体攻击的响应至关重要。各种类型的种子引发，包括渗透、化学、物理、激素和氧化还原处理，均可提升内源NO水平，使其成为生长调控和防御响应的关键介体。同时，引发期间外源施用NO供体硝普钠可有效缓解盐度、寒冷、干旱和重金属毒性等非生物胁迫。
4. 胁迫记忆背景下的萌发表观遗传机制
为增强生存能力，植物进化出适应性机制，使其能够“记住”先前的胁迫暴露并在再次遭遇时启动更快、更强的响应——这一现象称为胁迫记忆。先前的胁迫可留下分子、代谢和生理印记，改变后续响应的幅度、速度和质量，从而实现对干旱、热或病原体攻击等挑战的适应性可塑性。这种记忆不是短暂的生理调整，而是与表观遗传调控相关的受调控、半稳定状态。与其他真核生物一样，植物拥有高度复杂的非编码和表观遗传机制来调控基因表达。种子萌发期间这些通路的关键组分包括DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰和染色质重塑，以及将沉默机制引导至特定基因组区域的非编码RNA。这些表观遗传修饰共同形成调控植物发育和环境适应的稳健、多因素基础。化学种子引发剂（水杨酸、锌、赤霉素和硝酸钾）的生理益处通过表观遗传通路跨代遗传，DNA甲基化和组蛋白修饰的显著改变证明了这一点。DNA甲基化是驱动种子引发效应的基础表观遗传机制，特别是在建立植物胁迫记忆、实现增强胁迫耐受性的跨代遗传以及调控持续超出初始处理的基因表达变化方面。种子发育和萌发均伴随DNA甲基化谱的动态重编程，由两种不同过程介导：维持性甲基化和从头甲基化。DNA甲基化、组蛋白修饰和核小体定位等更广泛的表观遗传机制是引发和胁迫记忆的核心分子驱动因素。种子引发可有效巩固和维持后续世代的胁迫耐受性。DNA甲基化在该跨代遗传中的精确作用及其在种子引发和硬化等农艺技术中的直接实际应用已被强调。一般而言，DNA甲基化涉及胞嘧啶残基的共价修饰。与大多数其他生物（其中该修饰几乎仅发生在胞嘧啶-鸟嘌呤（CG）二核苷酸背景下）不同，植物在CG、CHG和CHH序列中表现出DNA甲基化，其中H表示A、T或C。在编码序列内，甲基化主要发生在CG位点，而非CG甲基化频率低得多。事实上，CG甲基化占被子植物总胞嘧啶甲基化的50%以上。除这些背景特异性差异外，整体基因组甲基化谱在不同植物物种间差异很大，CHG和CHH背景显示出比CG位点显著更高的异质性。几种不同的DNA甲基转移酶介导三种序列背景下DNA甲基化的从头产生和后续维持。在拟南芥中，DNA METHYLTRANSFERASE1（MET1）是维持CG甲基化的主要酶。相比之下，CHH和CHG位点的甲基化通常依赖两个酶系统：CHROMOMETHYLASE2/3（CMT2/CMT3）和DRM2。DNA甲基化模式在发育过程中持续变化。CHH甲基化位点的占据率从种子发育早期到晚期显著增加，并在萌发后期逐渐减少。具体而言，RNA指导的DNA甲基化（RdDM）和CMT2均负责发育种子中的CHH甲基化，但在萌发时失去活性。与CHH位点不同，CG和CHG甲基化模式在种子发育整个期间在很大程度上保持不变。参与种子发育和萌发的多个基因位于称为DNA甲基化谷（DMV）的低甲基化基因组区域。这些区域的甲基化状态在种子发育全程（从受精到萌发）保持不变。例如，编码GA生物合成酶（如GmGA20Ox2、GmGA3Ox1、AtGA20Ox2和AtGA3Ox1）的基因以及各种转录调控因子在大豆和拟南芥中均位于这些低甲基化区域。植物DNA去甲基化通过被动或主动机制进行。当复制期间新合成的DNA链未经历甲基化时产生被动去甲基化，因此只有亲本链保持甲基化。组蛋白修饰在调控控制种子发育、休眠和响应环境信号向萌发转变的基因表达网络中发挥关键作用。迄今已在种子发育和萌发表观遗传调控背景下描述了不同类型的组蛋白PTM。因此，导致基因表达变化的染色质结构改变可至少部分由组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和SUMO化介导。这些修饰在控制种子成熟、休眠和萌发中发挥重要作用。组蛋白H3赖氨酸残基的乙酰化和甲基化直接影响相关基因的表达。组蛋白乙酰化和去乙酰化循环分别由组蛋白乙酰转移酶和去乙酰化酶催化，是基因组活性调控的关键元素。赖氨酸侧链的乙酰化中和组蛋白的整体正电荷并改变表面电荷分布，导致染色质去浓缩并与更高转录活性相关。相反，该松弛可通过组蛋白去乙酰化酶活性逆转，恢复紧凑染色质构象。赖氨酸（K）和精氨酸残基的组蛋白甲基化是调节蛋白质-蛋白质相互作用的通用调控机制。根据特定残基及其甲基化状态（单、双或三甲基化），该翻译后修饰可驱动转录激活或抑制。这些对立过程由Trithorax（TrxG）和Polycomb（PcG）复合物介导，分别激活和抑制基因转录。在拟南芥中，组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化（H3K4me3）作为活性转录的典型标志，对种子成熟的精确时间调控至关重要。该激活标志的沉积主要由拟南芥TrxG和TrxG相关蛋白催化，其作为专门的H3K4特异性甲基转移酶。相反，H3K4me3的去除由Jumonji C（JMJ）结构域去甲基化酶介导，确保该标志在种子发育过程中的动态平衡。除H3K4me3外，其他甲基化标志在这些过程中发挥关键作用。例如，与基因抑制相关并由Polycomb抑制复合物1和2（PRC1和PRC2）沉积的H3K27me3对维持休眠和抑制萌发促进基因也至关重要。Polycomb组蛋白形成介导转录沉默的染色质修饰复合物，实现基因的协调抑制。种子萌发期间，PRC1通过沉默成熟基因（包括LAFL网络和DOG1）作为关键表观遗传开关，实现向营养生长的转变。在生理水平上，该染色质抑制使维持种子休眠的ABA通路失活。因此，GAs生物合成和信号传导的抑制被解除，驱动细胞伸长和胚根突破等下游发育过程。近期发现表明H3K4me3通过在EED/FIE结合位点竞争直接拮抗PRC2，从而阻断H3K27me3扩散并强化活性转录边界。植物基因组不仅含有蛋白质编码基因，还含有多种非编码序列，包括调控性非编码RNA（ncRNA）。关键ncRNA类别，如microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）、小干扰RNA（siRNA）和环状RNA（circRNA）在基因调控中发挥关键作用。LncRNA通过与染色质和转录调控因子相互作用调节转录，而miRNA通过靶向mRNA切割和降解发挥转录后调控。sRNA在植物整个生命周期中基因表达调控中处于核心地位，从胚胎发生到营养同一性建立，协调靶基因表达以确保平滑发育阶段转变。在sRNA中，miRNA是20-24 nt ncRNA的主要类别，转录后调控mRNA切割、翻译抑制和DNA甲基化等关键过程。值得注意的是，miRNA在种子萌发等多个过程中发挥关键作用。种子萌发受miR159和miR160影响，其分别靶向myeloblastosis家族成员MYB33、MYB65和MYB101以及ARF10的转录本。这些miRNA丰度的改变或其靶转录本敏感性的变化可改变萌发种子对ABA生物合成抑制的响应。此外，还鉴定出五种其他miRNA（ath-miR8176、ath-miR851-5p、ath-miR861-3p、ath-miR158a-5p和ath-miR779.2）在萌发期间表现出峰值表达。其中，miR851被预测靶向五肽重复（PPR）基因家族，其转录本在该阶段也上调。最后，由于miR858a的几个预测靶标（MYB13、MYB65和MYB93）是已知的萌发调控因子，该miRNA也可能参与该过程。LncRNA是长度超过200个核苷酸、缺乏蛋白质编码潜力但在其他方面类似mRNA的转录本，具有5′帽、剪接内含子、多聚腺苷酸化尾并通过RNA聚合酶II转录。尽管拟南芥等真核基因组含有数千至数万个lncRNA，但只有少数已被实验表征为通过染色质和蛋白质相互作用调控植物发育和胁迫响应的关键调控因子。一个突出例子是DOG1的调控。DOG1 3′区域中的自主启动子驱动独特的反义非编码RNA（asDOG1）表达，其在种子成熟期间强烈抑制DOG1表达。染色质重塑是关键的ATP依赖性表观遗传机制，动态协调基因组可及性。它们不化学修饰DNA或组蛋白，而是物理重组核小体结构。通过移动、驱逐或重构核小体，该过程使转录因子和转录机器能够访问原本紧密包装的DNA，从而精确调控基因表达。染色质的物理重组主要由多亚基ATP依赖性重塑复合物执行，所有复合物均含有保守的SNF2型ATP酶亚基，其特征为DExx和HELICc解旋酶样结构域。基于其结构和机制，这些复合物分为主要家族：SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80，执行多种核小体任务，包括组蛋白滑动、驱逐、经典至变体组蛋白交换、核小体成熟和核小体间距调控。其中，SWI/SNF复合物表现出独特的功能双重性：既可沿DNA滑动组蛋白八聚体，也可完全驱逐它，深刻改变染色质状态。因此，SWI/SNF重塑因子对细胞命运重编程不可或缺，通常与先锋和非先锋转录因子协调作用以重塑调控景观。干燥拟南芥胚积累组蛋白变体H2B.8，其通过常染色质转座子和低表达基因处的空间簇和异型核小体组织高阶染色质。吸水期间，H2B.8调节其转录激活。后续水分吸收减少H2B.8转录本并独立于DNA复制但依赖于从头转录将蛋白从染色质驱逐。吸水还诱导H3.3周转，揭示对早期植物发育至关重要的复制非依赖性染色质重编程。关键的是，染色质重塑与DNA甲基化和组蛋白PTM等其他表观遗传层协同作用，并在植物激素信号传导和胁迫响应中发挥核心作用。总之，包括DNA甲基化、去甲基化、组蛋白翻译后修饰、非编码RNA相关和染色质重塑调控网络的动态变化在内的表观遗传信号，作为种子发育和种子到幼苗关键转变的主调控因子。虽然可逆DNA甲基化和组蛋白修饰在萌发期间的作用已充分确立，但许多特异性miRNA及其精确靶基因仍 largely 未表征。这些可逆修饰可作为各种种子引发技术的高效潜在靶标，允许精确操纵基因表达以增强萌发均匀性、幼苗活力和胁迫耐受性。然而，除其基本调控功能外，这些表观遗传修饰表现出固有可塑性和可逆性，使其成为各种种子“引发组学”技术异常有吸引力和有效的潜在靶标。越来越多的证据表明，各种引发方案对萌发均匀性、速度和胁迫恢复力的有益效应至少部分通过种子表观基因组的靶向重编程实现。该重编程涉及生长促进位点抑制性甲基化标志的擦除、组蛋白乙酰化状态的调节以建立转录许可的染色质结构以及小RNA群体的改变。这些发现表明表观遗传标志可在引发期间被靶向，为工程化气候适应性作物提供关键生物技术机遇。因此，种子胁迫记忆代表了对植物适应理解的范式转变。它揭示种子不是被动繁殖体，而是能够保留和利用先前环境胁迫分子特征的动态生物系统。引发作为诱导这种“引发”生理状态的实际手段，从而增强萌发、活力和胁迫耐受性。胁迫记忆和种子引发本质上是同一枚硬币的两面。通过利用这种记忆——无论是通过轻度初级胁迫还是生物和化学制剂——研究人员可以建立胁迫记忆并促进后期发育阶段更稳健的适应。该策略对开发气候适应性作物具有相当大的前景。引发诱导的胁迫记忆不依赖单一通路，而是源于高度复杂的信号网络。解析该网络将变革精准农业，为定制引发方案和增强作物在日益不可预测的气候条件下的恢复力提供框架。
5. 结论
种子萌发和早期幼苗建成是植物生命周期中的关键检查点，在此期间植物极易受到各种环境和生物胁迫的影响。在该个体发育阶段，幼苗缺乏完全发育的保护结构和系统防御，使其高度易受非生物限制的影响。该阶段建植失败可降低出苗均匀性、损害后续生长并限制作物生产力。为缓解这些挑战，种子引发已成为现代农业中高效的方法，利用与自然胁迫适应现象平行的机制。日益增长的科学文献强调种子引发是种子生物学、植物育种和生物技术基础与应用研究的基石。然而，种子引发的分子机制仍知之甚少。ROS、激素信号网络（ABA、GAs等）和氧化还原敏感调控蛋白之间复杂的相互作用如何协调休眠到萌发的转变并增强引发种子的胁迫耐受性仍不清楚。同样，萌发种子感知和响应水势波动的精确信号转导通路尚未明确阐明。鉴于在日益不可预测的气候条件下优化作物表现的需求，
