种子的形成使植物能够暂停发育过程，并在不利环境中长时间存活。在理想的环境条件下，种子发芽并恢复发育。因此，种子的形成是植物的重要生存策略。植物种子具有在长时间储存后发芽和继续发育的能力。为了确保种子活力，种子细胞在储存期间遭受氧化损伤的情况下必须不断维持细胞内稳态。然而，关于在储存期间维持种子活力的机制尚不清楚。

近日，明治大学农业学院生命科学系Daiki在PNAS上发表了一篇题为“Autophagy maintains endosperm quality during seed storage to preserve germination ability in Arabidopsis”的研究论文。这项研究中，作者揭示了自噬作为一种细胞内自我降解途径，在干燥种子中发生并起到减轻损伤的作用，尤其是在种子的最外层活细胞组织胚乳中。自噬通过松弛胚乳细胞壁，抑制胚乳的氧化损伤和细胞死亡，使得在长时间储存后仍能实现最佳发芽。这项发现可能有助于建立延长种子寿命的技术。

在种子储藏过程中，蛋白质会被氧化损坏并影响其功能。蛋白质的羰基化是氧化损伤的指标，在自然老化和人为老化的种子中均有明显增加。我们从66和30个月存储的野生型（WT）、atg2-1和atg5-1干燥种子中提取蛋白质，并通过蛋白质印迹用抗 2,4-二硝基苯酚 （DNP） 抗体检测羰基化蛋白质。在存储了66个月的种子中，与WT种子相比，atg2-1和atg5-1的羰基化蛋白质积累较高（分别增加了1.67倍和2.00倍）。在存储了30个月的种子中，atg突变体中的羰基化蛋白质含量略高于WT，但与存储了66个月的种子相比，差异较小。在atg突变体中，老化种子的氧化蛋白质积累明显高于新种子。这些数据表明，储藏过程中干燥种子的氧化损伤在atg突变体中比在野生型中更为严重，并且蛋白质的氧化水平与发芽能力相关。

在储藏了78个月的种子中，测量胚乳和种皮的氧消耗活性显示atg5-1中的活性显著低于野生型种子，而在储藏了4个月的种子中，野生型和atg5-1之间的活性没有差异。这些数据进一步通过四唑盐染色实验得到了验证，即在老化的atg2-1和atg5-1种子中，胚乳的染色水平低于野生型，但在新种子中没有差异。抗DNP抗体蛋白质印迹结果显示，在老种子中，WT和atg5-1胚胎中氧化蛋白的积累没有差异，而在胚乳中，atg5-1的氧化蛋白水平高于WT种子（高1.66倍）。这些数据表明，老化的atg突变体种子的胚乳细胞受到了损伤。

内切β-甘露聚糖酶（MAN）催化甘露聚糖的裂解，发芽过程中，MAN基因表达被诱导，催化活性上调。在胚乳中，MAN7的表达水平被高度上调，并且MAN7的基因敲除突变体显示比野生型（WT）种子更低的发芽能力。这些数据表明，MAN7介导的细胞壁降解对发芽至关重要。因此，我们在储存了80个月和6个月的WT和atg5-1种子中，测量了播种后15小时的MAN7 mRNA表达水平。在储存了80个月的种子中，atg5-1的MAN7表达显著低于WT种子，仅相当于WT的8.15%表达水平，而在储存了6个月的种子中，WT和atg5-1种子之间的表达水平没有差异。

在拟南芥中，EXP2参与发芽过程，EXP2在种子浸润后的表达被高度诱导。EXP2的敲除突变体显示萌发能力降低，而 EXP2 过表达可提高萌发能力。EXP2的表达模式与在浸润过程中胚乳细胞体积增加的区域一致。在存储了80个月的atg5-1种子中未检测到EXP2 mRNA的表达，而在野生型种子中，EXP2的表达量在存储80个月和6个月的种子中相近。综上所述，这些结果表明在老化的atg突变体种子的发芽过程中，胚乳降解因子的表达被抑制。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321612121

文章来源：植物生物技术Pbj