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專題4：種子休眠的賀爾蒙理論

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  1. 賀爾蒙

　

　

一個假說的演化

GA與種子發芽的關係：

外加GA可以促進許多休眠種子的發芽。

種子內含有GA。

GA促進種子參與發芽的酵素，如a-amyalse、protease、ribonuclease活性的增加。

解除休眠的處理會增加種子的GA含量。(Sinska et al., 1973蘋果種子層積35天後，GA增加10,000倍)

但

外加GA也常無效。賀爾蒙理論的解釋：所加的賀爾蒙種類不對，或種子無法吸收該賀爾蒙。

層積處理並無增加GA含量(Dennis et al., 1980)；蘋果種子層積12週後才能解除休眠。賀爾蒙理論的解釋：層積處理不一定提高GA含量但可以提高種子發芽時合成GA的能力(William et al., 1974；Simpson, 1965)。

Cytokinin與種子發芽的關係：

糖楓種子層積處理後可以增加cytokinin含量(Van Staden et al., 1972)。處理第20天含量上升，此時上無法發芽，處理50天可以發芽時，種子內的cytokinin含量卻已又下。

但層積處理不提高Acer plantanoides或A. pseudoplatanus種子內cytokinin的含量(Pinfield & Davis, 1978) 。

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ABA與種子休眠的關係：

種子含有許多抑制物質，如coumarin等，可能是導致種子休眠的原因。(Evenari, 1949 Bot. Rev., 15:153-194.)

ABA在1964年自植物體分離出來後，許多證據顯示此賀爾蒙為種子休眠的致因。

　

ABA與休眠有關的早期證據：

主要的證據：

(Addicott & Lyon, 1969 Ann. Rev. Plant Physiol., 20:139-164.)

1. 外加ABA可以抑制種子發芽，洗去ABA種子即可發芽；(Waering & Saunders, 1971 Ann. Rev. Plant Physiol., 22:261-288；Millborrow, 1974 Ann. Rev. Plant Physiol., 25:259-307)

2. 外加ABA可以抑制種子參與發芽的酵素，如a-amyalse、protease、ribonuclease活性的增加，並強力抑制GA的促進發芽作用；(Walton, 1977, in Khan ed., The Physiology and Biochemistry od Seed dormancy and Germination. p.145-156)

3. ABA存在許多休眠種子中，如溫帶果木的桃、胡桃、蘋果、槭、榛、白蠟樹等，而且這些種子經由低溫吸潤(冷層積)處理後，發芽率提高，同時ABA含量也下降。(Walton, 1977)

　

相反的數據(參考文獻見郭，1980 台大博士論文)：

1. ABA只能抑制某些種子的幼苗生長，但不會抑制種子的發芽(生理學的定義)。如藜(Chenopodium album)、洋商陸(Phytolacca americana)、稻、白芥菜等。

2. 前述的水解酶通常與發芽無關，只是與幼苗的生長有關。

3. 藜小麥黑小麥燕麥等成熟的種子，有休眠者，ABA的含量並不比無休眠者高。

4. 不少的數據顯示，促進發芽的處理，與ABA的含量無關：

層積處理

榛：種子不論經5℃層積(可發芽)或20℃層積(無解除休眠效果)，種子ABA含量皆下降。(Williams et al.,1973)℃℃

桃：經5℃層積，ABA下降75%；在20℃下層積，ABA下降卻達95%。℃℃

蘋果：在5℃或20℃處理之下，ABA的下降幅度相同。在27℃下，會誘導二次休眠，但是ABA的含量反而下降。

白蠟樹：在5℃或20℃處理之下，對ABA-C14的代謝能力相同。

其他

萵苣：在20℃之下可以發芽，在35℃之下呈現熱休眠；但是ABA的含量皆大幅下降。

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Promotor / inhibitor 的賀爾蒙平衡論

種子內兩者的相對強度決定休眠與否。(Amen,1968 Bot. Rev., 34:1-30.)

A.A. Khan的假說：(a perfect model? Khan, 1975 Bot Rev., 41:391-420.)

GA: primary    ABA: preventive     Cytokinin: permissive

GA    ＋ ＋ ＋ ＋ － － － －
ABA － － ＋ ＋ － － ＋ ＋
Cytokinin  ＋ － ＋ － ＋ － ＋ －
.

↓發芽

 ↓發芽 ↓發芽  ↓不發  ↓不發  ↓不發  ↓不發  ↓不發 

　

此假說可以解釋前述對於賀爾蒙理論的任何的反對證據:

GA無法促進發芽(因為種子含有ABA)
CK無法促進發芽(因為種子無GA)
ABA不能完全抑制發芽(因為種子含有CK)

但缺乏進一步的證據。

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ABA/GA的分工理論

突變體的篩選：

阿拉伯芥

有關GA的突變體：

gal-1及gal-2：缺乏GA合成能力的突變，這些突變體的種子若不外加GA則不能發芽。

gai：對GA的敏感度極為降低的突變，此突變體的種子長出簇生狀的植株。

有關ABA的突變體：

aba：缺ABA的突變體，種子不具休眠性。

abi：對ABA不敏感的突變體，雖然該種子發育過程中ABA的含量甚至於高過野生型(無突變)者，所產生的種子卻也不具休眠。

rdo1：發芽中期顯現休眠性(略較wild type低)，成熟時無休眠。種子成熟過程可以合成ABA，對ABA的敏感度略較wild type低，但相差不算大高。

rdo2：發芽中期後到成熟皆未顯現休眠(與wild 相較)，種子成熟過程可以合成ABA，對ABA的敏感度同rdo1。

番茄

gib -1：的缺GA突變體。

sit w：為缺ABA突變體，其植體內並非全無ABA，而是只有野生型含量的10-15%。

　

種子的休眠與種子能否合成ABA有關；

理由：

  1. 阿拉伯芥僅缺ABA(Gal-1 / Gal-1；aba / aba) 的突變體的種子在發育中期，即使不加GA，也可以在有光照的條件下發芽；發育後期，發芽率更高(Karssen et al., 1983)。

  2. 番茄能產生ABA的野生型(Sit / Sit) 成熟新鮮種子發芽率僅15%，不能產生ABA的sitw / sitw 種子發芽率高達97%，而略可合成ABA的Sit / sitw 種子發芽率居中，為57%(Karssen and Groot, 1987)。果實成熟數週後，sit 的種子在過熟的果實內會行母體發芽，野生型者不會(Groot and Karssen, 1992)。

  3. 玉米胚發育定期間須要ABA的出現來防止穗上發芽(Smith et al.,1986)。

  4. 向日葵種子發育過程中用ABA合成的抑制劑fluridon來處理，種子不會形成休眠性；若種子內的ABA已合成，則fluridon無效(Le Page-Degivry et al.,1990)。

種子有無休眠與GA的有無並無關係。(不支持賀爾蒙的平衡論，認為兩者作用的地方不同)

理由：

  1. 阿拉伯芥不會產生GA者(gal-1 / gal-1；Aba /Aba)的種子具休眠性，可是會產生GA者(Gal-1 / Gal-1；Aba / Aba)也同樣是休眠，因此GA並無法平反ABA的導致休眠(Karssen et al., 1983; Barendse et al., 1986)。

  2. 用GA合成抑制劑處理發育中的Pharbiti nil 種子，種子雖不產生GA，但發芽不受影響(Zeevaart1966)。

  3. 用CCC處理野燕麥植株，所得的種子無法測得GA，但是發芽能力仍相當高(Metzger, 1983)。

  4. 玉米與水稻矮性突變體所產生的種子中，雖然GA含量大減，但是種子的發芽能力也不受影響(Graebe and Ropers, 1978)。

  5. 土中種子進入二次休眠與種子對GA的敏感度沒有關係(Derkx et al., 1993)。

種子的發芽絕對需要GA(賀爾蒙的分工理論)

  1. 野生型阿拉伯芥種子在黑暗下不發芽，須要添加GA才能發芽，但是若加光照則不需GA；ga1 的種子光照下仍需要外加的GA才能發芽，光照只是使得GA濃度的需求下降(Karssen et al, 1989)。突變體照光亦不發芽，因為其種子沒有形成GA的能力，因此不能發芽，所以GA存在或其合成能力為發芽之所必需。

  2. 野生型種子施加GA合成抑制劑tetcyclacis後，該種子在光照下也需要外加GA才能發芽。

  3. 照光會增加需光性的Picea sitchensis 種子的內在GA含量(Taylor and Wareing, 1979)。許多種子需光才能發芽，而GA可以取代光照，因此推測光的作用在於促進GA的合成(Taylorson, 1982)。

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ABA不絕對會誘導種子休眠

種子對ABA較不敏感：

阿拉伯芥對ABA不敏感的突變體abi1 與abi3，所產生的種子休眠性也大幅度的降低(Koornneef et al., 1984)。具有雙突變的aba+ abi3-1 的果莢在成熟時由於尚為綠色具水份，因此沒能發展出休眠性的種子會在果莢內自行發芽(Karssen., 1995)。

小麥無休眠（不耐穗上發芽）品種Greer種子在發育過程中，胚部所曾產生的ABA含量與休眠（耐穗上發芽）品種Brevor者並無顯著差異。在相同的外加ABA下，前者的胚發芽的受抑制程度較輕，後者較大(Walker-Simmons, 1987)。

在高粱種子(Steinbach et al. 1997)，

  1. 休眠性低的品種Redland B2種子發育過程ABA的合成不比休眠性高者(IS 9530)低。數據顯示，Redland B2的胚對ABA的敏感度是較差。

  2. IS 9530種子發育過程，加ABA合成抑制劑，但種子休眠性的降低有限，這種子若發芽時加GA，則發芽率與Redland B2沒有任何處理者相當。作者認為這是因為IS 9530種子對於GA的敏感度不夠，或GA量少。

  3. Redland B2種子發育過程，加GA合成抑制劑，則種子發芽率與IS 9530沒有任何處理者相當。因此作者認為休眠的誘導與否取決於ABA與GA之間的         相互作用的結果(平衡)。

但：

  1. 作者採用的休眠程度是發芽指標，而非發芽率。可能造成處理結果的不同。

  2. 休眠的誘導與維持並無很好的分際。

  3. 缺乏IS 9530種子發育過程中GA合成較少的直接證據，間接證據也不足(fig 1C)。對GA敏感度不高(fig1D)的數據也可以解釋為休眠的解除與GA無關。

ABA誘導休眠具有時間性，在時間範圍外ABA無法誘導休眠：

向日葵種子發育過程14-22天內對ABA具感受性，以外時間則否(Le Page-Degivry and Garello, 1992)。在此段時間外，外加ABA不會誘導休眠，在此時間內可以，但此時即使不外加ABA，胚也會進入休眠(因內生ABA的出現)，所以，胚內ABA的合成本身才是誘導休眠的重要步驟。


ABA合成與休眠誘導之間的基因

阿拉伯芥的新突變體(休眠性降低)：rdo1、rdo2 (Leon-Kloosterziel et al., 19996)

  1. 此二突變體在發育過程有合成ABA，對ABA的敏感度也很高。但是種子幾無休眠的誘導(rdo2)，或者雖也有誘導出休眠，但休眠期極為短暫(rdo1)。

  2. rdo2 發芽時幾乎不需要GA的合成，rdo1 則對GA的需求與wild type相近。

作者的假設：阿拉伯芥胚部的休眠由兩個不同的機制來控制，（I）Aba、Abi、與Rdo2 所共同參與，此休眠性表現在發芽時的GA需求(由Rdo2 控制)。（II）由Rdo1 來調控，與ABA無關，此基因參與種子成熟的過程，導致休眠。

（I）：也就是說，野生型中Aba基因的表現形成ABA，此ABA的作用需要有一些有效的receptor來共同參與，這些receptor 的形成則是由Abi負責；ABA-receptor 形成後需要藉由Rdo2 的作用，誘導出胚對於GA的需求，才會形成休眠，因此，此三基因任何一個發生突變，即aba、abi 或 rdo2，皆會使得休眠性無法形成。

（II）：也就是說，休眠可能與ABA無關？不過這也可能是作者對於休眠與休眠維持在定義上沒有分清楚。實際上rdo1也曾誘導出休眠，只是維持的時間甚短，因此仍可以保留ABA誘導出休眠的理論，對於rdo1基因的功能，或可以解釋為維持休眠。

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休眠的維持與解除：

未有較明確的證據。

  1. Rdo1與休眠的維持有關？

  2. 向日葵胚休眠的維持似乎與ABA有關(fig 6, Le Page-Degivry and Garello, 1992)。

    這不能說明許多種子成熟後期，ABA含量下降，休眠性仍很強，或者，必須提出證據顯示此時種子無法合成GA的數據與說明。

  3. 　

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種子對賀爾蒙敏感度的分析

賀爾蒙處理種子，或種子自身合成了賀爾蒙，卻沒有預期的結果。

原因：1.該賀爾蒙並無參與作用。2.賀爾蒙只是參與該作用所需的步驟中的一步。3.另有一化合物需要與賀爾蒙結合者，而該化合物量不足或與該賀爾蒙親和度不夠，造成敏感度低。

與正常狀況A相較，B：receptor對賀爾蒙的親和性降低；C：反應的最高程度較低； D：內生已有若干賀爾蒙；E：receptor的數量減少 (Firn, 1986 Physiol. Plant., 67:267-272.)

作

用

程

度

 SENSITI.gif (5193 bytes) 
                賀爾蒙濃度
           低       →       高

　

　

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