植物生理学：种子生理后熟的内源激素变化指标

三、植物生理

植物生理学是农林业生产的一门基础学科。因此它有很大的应用性，从种子、育苗、树木的生长发育到内在生理的碳氮代谢，矿质营养、光合、呼吸、蒸腾、抗性及其开花结实与内源激素等方面都有所及。美国Kramer的《木本植物生理学》（1979）是目前唯一的一本以树木为对象的生理学专著。以下仅略述国内外有关的几点工作。

1.树木种子生理

种子是林木的有性繁殖器官，也是种子生理研究的好材料，其中“种子贮藏与活力”和“树木种子休眠与萌发”两类课题具有很强理论性和实践性。种子贮藏生理在20世纪中期通过温度和湿度双因子调节得到很好的开展，并确认大多正常型种子在干燥安全含水量和低温下贮藏可以延长寿命，但开始降低活力。

所以种子贮藏与活力概念也就提出。种子活力（seed vigour）不同于发芽力而包含有发芽势和幼苗健壮度，它在生理上表现出有高的脱氢酶活力。一种简易有效的TTC法检测种子活力被国际种子检验协会（TSTA）采用。它是根据TTC（三苯氧化四唑）无色溶液（0.5％）被种子胚还原成红色，作定性或定量鉴定。在70～80年代，我国对林木种子贮藏与活力开展了广泛研究。

1973年，Roberts根据种子贮藏中发芽变化特点，将它分为两类：一种是正常型种子（orthodox），另一种是顽抗型种子（recalcitrant），即所谓非正常型种子，它们是大粒、高含水量、不耐贮藏种子，生命力保存不符合正常的温湿度双因子规律。这些概念的运用使我们对树木种子贮存与活力及处理方法可以更好地建立在科学之上。

树木种子的休眠性是普遍存在的。种子休眠类型多样，有胚未发育完全、胚生理后熟、内源抑制物质和外在的种皮阻碍等原因，例如，红松种子的休眠性是与胚体和种皮含高量的ABA有关。但是种子在层积过程中，伴随着ABA下降而GA、CK增加，因此内源激素的变化是种子生理后熟的一个重要指标。

作者管康林在20世纪80年代研究了天目山许多珍稀濒危树木种子休眠与萌发存在的复杂问题，对不同类型种子以不同方法处理。例如山茱萸种子的复合休眠机制，通过高低温交替层积破除休眠，而呼吸代谢的PPP（磷酸戊糖途径）在解除休眠中的作用已被观察。

树木种子的感光萌发也是普遍存在的。1972年Smith用分光光度计示差光谱法测定了许多种子光敏素（phytochrome）的Pr和Pfr存在状态，影响其萌发。光敏素的光化学反应：，Pr被视为稳定的，却缺乏生理活性，Pfr被认为不稳定，具有生理性，会引起生物效应，包括种子萌发和植物光形态建成的调节作用。作者也用红光和远红光处理暗吸胀的木麻黄和泡桐种子的可逆反应，其萌发决定于最后一次光照。需光种子有一次性的、光周期性的和光促进萌发三类。种子的需光萌发有其特定的生态学意义，以保证种子在缺光林下或土壤中不会萌发。

2.树木生长发育

树木是多年生高大植物，国内对于它的生长方式与次生形成层活动、物质代谢、内源激素以及枝叶光合、蒸腾作用关系都有过一定研究。造林树种的速生丰产通常测定若干丰产生理指标给予说明，大多缺乏深度。“七五”国家科技攻关专题“杨树人工林集约栽培”技术中的“杨树丰产栽培生理基础研究”，由中国林科院林业研究所和北京林业大学的王世绩和王沙生负责承担，是一项获奖的科研成果。试验在优良无性系品种、立地条件和室内盆栽模拟试验及其建立在先进测试技术基础上，从叶片光合、蒸腾作用和根系营养相关性入手，深入内部碳氮代谢与酶系活动来简述杨树的丰产生理基础。这是传统植物生理学理论技术较好地在树林生产上的应用。

果木开花生理和种子园开花结实控制的研究是近20年来一直在活跃开展的一项工作。例如，枣树、板栗花芽分化，杨梅、银杏性别分化的调节因子以及性器官基因表达的研究都有开展。竹子衰老开花死亡原因有周期性学说和营养学说两类，但实际并非完全如此。现在有人开始建立竹子不同类型开花衰老的调控实验，在分子水平上探讨有关衰老蛋白质的基因表达，进行cDNA克隆。

在良种选育的种子园里，例如，王沙生等人（1992）试验发现GA₃能促进7年生油松雄球花分化而GA4/7混用促进雌球花芽发生，外加ABA则更有效。管康林等人（1994）开展了“杉木种子园的发育生理研究”，揭示了杉木花芽分化和球果发育的物质基础：在冬季雄球花发生时，脱氢酶活性、核酸和脯氨酸含量都比叶芽高；而内源激素GA₃、ABA、1AA、ZT出现某些起伏，前期雄性球花GA₃含量高，雌球花ABA含量高，而后期都有下降。球果发育过程中鸟氨酸循环和蔗糖代谢池水平一直较高；不同无性系和不同环境条件下的球果经济性状差异，为可育种鳞数、饱粒率和出籽率的遗传性状和管理提供了增产途径。我们在1995年横板杉木种子园试验中获得了平均亩产种子16.2kg，出籽率6.2％，创全国最高纪录。(www.xing528.com)

3.生物固氮树种

豆科根瘤菌固氮和非豆科树种放线菌属的弗兰克氏菌共生结瘤菌固氮是木本植物的一大特色，是陆地生态系统中的一种重要的固氮资源。非豆科木本植物固氮的背景材料是1967年由Bond所奠定。我国这项工作始于60年代，发展于80年代，主要在非豆科树种的固氮资源调查，内生菌分离培养、回接与固氮活性测定上做了不少工作。近20年来，国际上对树木固氮研究已引起重视，1981年在美国夏威夷成立了国际性的固氮树种协会，1983年出版了《固氮树种研究报告年刊》。

我国固氮树种资源丰富，但至今被研究与开发的仅是少数，大多数树种的结瘤固氮状况还有待调查。在林业上，我们更要重视固氮树种的利用，黄维南（1993）对此有过总结。其中，固氮树种作为绿化造林先锋树种的开发是令人可喜的，如北方半干旱地区的非豆科树种沙棘；南方海滨耐盐性强的木麻黄；红壤与黄壤地区耐酸性强的豆科树种大叶相思、黑荆和台湾相思树以及非豆科的杨梅；广布我国东北和西南各地的耐水性强的赤杨属树种等。

关于固氮微生物共生固氮体系的生理生化机制，如感染识别、氧防护、CO₂与光呼吸、氢代谢及固氮产物的转移、根瘤细胞结构与固氮功能的关系还有待深入研究。再者，人们看重固氮Frankia菌的遗传特征及其因克隆系统的建立，应用基因工程进行遗传改良扩大固氮生物群体是当今研究的前沿课题。

4.抗性生理

抗性生理是植物生理学关注的重要问题，它包括植物的抗旱、抗盐、抗寒以及抗病虫等方面，其中抗旱性研究最具代表性，前三者的作用机理有其相似之处，而抗病虫害则属另一类，此处不涉及。

近半个世纪以来，植物抗性研究从器官形态结构与功能的比较观察受到干旱水分或盐分胁迫时引起叶片原生质黏度与束缚水含量增加，而水势下降，气孔关闭，光合作用强度和蛋白质合成功能减弱，以及ABA根源逆境信号出现，这就是渗透调节引起的一系列生理变化，以此来避免植物受更大的伤害。

关于干旱对植物的危害有一种蛋白质凝聚假说，因为细胞生理活动主要在胞膜上进行的，细胞膜是由脂蛋白组成。当细胞严重失水时，蛋白质的硫氢基（—SH）就会形成二硫键，导致蛋白质凝聚，细胞膜变性直至细胞死亡。植物盐害和冻害对细胞膜的危害其作用机理是相同的。这种论点是正确的，现已证明抗性植物具有抗逆境的细胞结构，还与抗旱性、抗热性、抗盐性和抗寒性的蛋白质存在有关。抗性蛋白质的发现，可以深入研究抗性蛋白基因的分离与克隆，但它不能简化抗性生理复杂过程的各个环节与整体性。

近10年来，我国林木抗性生理主要在抗旱性和抗盐性方面做了大量工作。但是，科学工作者的研究思路与途径是多方面的，例如，干旱胁迫电信号与化学物质出现、化学信号的感知与传递；干旱胁迫下的气孔运动机制；盐胁迫下液泡膜功能与稳定性及其调控；树木抗寒性与脂膜成分结构关系；树木根细胞离子通道及其调控在抗盐性形成中的作用等方面都有各自的研究。其中，“胡杨的抗盐性生理基础研究”更值得一提。的确，胡杨（Populuseuphratica）在我国面北干旱盐碱的荒漠和戈壁地带是唯一能够形成森林的高大乔木树种，有极大的绿化造林价值。

陈少良（2003）对胡杨的抗盐性生理研究有过专门的报道。研究首先表明新疆胡杨、杂交胡、毛白杨及其克隆苗之间的抗盐性是有很大差异的，通过培育锻炼可以得到加强，由此揭示了杨树离子吸收、运输与分配的特点与其抗盐性的关系。例如胡杨根存在吸收累积Na^＋、Cl^-离子含量在后期表现出推进能力，保持正常的营养允许的吸收与运输，而其他类杨树则不能排泄会出现盐害症状。

胡杨盐胁迫传递信号也表现在ABA含量的上升，这在各类杨树茎木质部的汁液都得到检测，但是胡杨的ABA含量高过了3.26mmol/m³，而杂交杨开始上升而后下降，ABA的含量仅为0.33mmol/m³。胡杨受到盐胁迫，内在的甜菜碱在根、叶部大量合成而其他杨树则含量不高。现已证明甜菜碱作为一种非毒性渗透调节剂，在植物抗逆境生理中起到很大作用，有利于在低水势下保持叶绿体的光合作用。

通过细胞悬浮液的培养观察表明胡杨细胞在排盐性、离子的区隔化、营养元素吸收、渗透调节等方面所表现出来的抗盐性机制与整体植株的盐适应机制相同，还包括叶肉细胞质中的甜菜碱水平的提高。从细胞抗盐性培养到愈伤组织抗盐性增强，如果培养出试管苗来，或许能作为一种培育抗盐性个体的新途径。