華南植物園兜蘭種子木質素合成調控其萌發機制獲進展

　　兜蘭屬（Paphiopedilum）是蘭科植物最重要的屬之一，其唇瓣特化成兜狀或拖鞋狀，故又被稱為“拖鞋蘭”、“仙履蘭”等。兜蘭屬植物以其奇特的花形、豐富絢麗的花色和持久的花期，具有較高觀賞價值。盡管我國有豐富的兜蘭屬植物資源，但大部分種類由于在野生生長環境下繁殖困難，加之過度采挖和生長環境的破壞，已瀕臨滅絕。兜蘭種子細小，且胚發育不完全，無子葉和胚乳（圖1），在自然環境中需要與真菌共生才能部分萌發。人工無菌播種雖提供了必要的礦質元素和其他營養物質，大部分兜蘭的成熟種子也難以萌發。科研人員在不同胚齡種子的無菌播種實驗中發現，發育前期的種子萌發率雖然相對較高，但由于營養物質積累不充分，胚沖破種皮后，發育進程緩慢，成苗率低；成熟后的種子營養物質積累相對充分，能夠滿足種子萌發后初期的物質與能量需求，萌發后的成苗率較高，但種子萌發率較低。 

　　什么因子會影響不同成熟度兜蘭種子的萌發呢？針對該問題，中國科學院華南植物園農資中心副研究員房林和碩士生徐新等對包括脫落酸在內的幾種內源激素的功能進行了研究。結果顯示，外源脫落酸處理僅能夠抑制未成熟種子的萌發；脫落酸抑制劑處理可降低成熟種子內源脫落酸含量，但對萌發率無顯著影響。木質素的積累與兜蘭種子萌發率的下降密切相關。 

　　木質素是由芳香類化合物單體經過脫氫聚合反應形成的復雜網狀結構。從分子結構上看，木質素可以分為兩大類——甲基化木質素和非甲基化木質素。其中，甲基化木質素由愈創木基木質素（G型木質素）、紫丁香基木質素（S型木質素）和5-羥基愈創木基木質素（5H型木質素）組成；非甲基化由羥基苯基木質素（H型木質素）和咖啡基木質素（C型木質素）組成。甲基化的G型和S型木質素廣泛分布在植物根莖等木質化的組織中，非甲基化木質素僅分布在一些蘭科和仙人掌科植物的種子中。研究人員通過二維核磁、GC硫代酸解和紅外光譜技術，分析兜蘭種胚中木質素的單體結構，結果顯示，不同于莖干等組織，兜蘭種子中富含非甲基化木質素，而富含這種木質素的種皮具有強不透水性，阻止了水分及營養物質進入種子內部，從而阻止了種子萌發。 

　　為了進一步探索兜蘭種皮中非甲基化木質素的合成通路，研究人員對不同發育程度下杏黃兜蘭的種子進行了轉錄組分析。KEGG富集分析表明，種子成熟過程中，苯丙烷生物合成和苯丙氨酸代謝相關的大量基因被差異表達。PAL、4CL、HCT和CSE上調表達與C型和H型木質素積累有關，CCoAOMT、F5H和COMT的表達維持在低水平或下調以抑制G型和S型木質素的積累（圖2）。 

　　非甲基化木質素在兜蘭種子中積累的獨特生物學意義是什么呢？在野生狀態下，兜蘭種子需要與適宜的真菌共生才能萌發。非甲基化木質素本身的結構較穩定，在自然界中幾乎只能被真菌降解。由此推測，高度木質化的種皮是兜蘭在野外狀態下適應真菌共生的策略之一。 

　　相關研究成果發表在BMC genomics（《BMC基因組學》）上。 

　　論文鏈接 

圖1.兜蘭種胚發育與萌發

圖2.兜蘭種子木質素和莖葉木質素的合成途徑