《Journal of Advanced Research》：Exogenous biostimulants: mechanisms and innovations for enhancing seed germination and resilience under abiotic stress
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这篇综述全面阐释了非生物胁迫（如干旱、盐分、温度胁迫）如何通过破坏活性氧（ROS）稳态、植物激素信号传导和能量代谢来抑制种子萌发，并系统评价了多种外源物质（纳米材料、植物激素、代谢物、氨基酸、信号分子）通过调节抗氧化防御、重新平衡激素（特别是GA/ABA）串扰、重编程能量代谢来缓解胁迫的潜力。文章在肯定其巨大前景的同时，也直面了从实验室走向田间应用在成本、环境安全性和作用时效等方面的挑战，并提出了一个融合合成生物学、生物安全/可降解纳米材料和刺激响应型纳米递送系统的未来路线图，旨在为开发智能、高效、可持续的种子技术提供综合性指引。
种子萌发是植物生命周期的基础，直接关系到作物建植和全球粮食安全。然而，气候变化加剧了干旱、盐渍化、极端温度等非生物胁迫，严重威胁着这一关键阶段。种子萌发本身是一个复杂的生理生化过程，可细分为吸胀、露白和萌发三个阶段，涉及植物激素水平的动态变化、作为信号分子的活性氧的受控积累、抗氧化系统的激活以及储存物质的动员。这些精细的协调过程在胁迫下极易被破坏。
非生物胁迫对种子萌发的影响
非生物胁迫对种子萌发的直接影响表现为萌发延迟、萌发率降低、幼苗活力下降以及根茎生物量减少，最终危及作物出苗。具体效应因胁迫类型而异。例如，干旱胁迫显著降低印度芥菜的萌发率、根长和鲜重；盐胁迫则带来离子毒性和渗透胁迫的双重威胁，过量钠离子破坏细胞渗透调节和膜稳定性，而氯离子积累干扰光合作用并诱导失绿；温度极端也极为关键，低温会显著抑制冷敏感玉米品种的萌发，而高温可诱导二次休眠甚至完全抑制萌发。
一个共同的后果是胁迫破坏了细胞氧化还原稳态，导致活性氧的过量产生。过量的活性氧会启动膜脂过氧化，其主要副产物丙二醛可损害膜结构完整性、增加通透性并导致代谢功能障碍。尽管植物会同时激活抗氧化酶系统来清除活性氧并恢复稳态，但在严重胁迫下，平衡常倾向于损伤一侧。这种氧化爆发在各种胁迫类型中均有充分记载。
此外，植物激素是种子萌发的核心调节因子，其中赤霉素和脱落酸之间的动态平衡尤为关键。赤霉素促进休眠解除和胚根突出，而脱落酸则维持休眠并抑制萌发。非生物胁迫深刻地扰乱了这种精细的激素串扰。例如，盐胁迫诱导脱落酸和茉莉酸积累，同时减少具有生物活性的赤霉素；在拟南芥中，氯化钠处理降低萌发率和乙烯含量，同时提升脱落酸水平，表明脱落酸在这些条件下介导萌发抑制的主要作用；低温则显著增加玉米种子中的脱落酸，同时导致赤霉素和玉米素核苷先升高后下降，表明这些激素的时间动态而不仅仅是静态水平调节着萌发过程。
外源物质缓解非生物胁迫诱导的种子萌发抑制
尽管植物拥有涉及酶活性、激素含量和基因表达改变的先天胁迫响应机制，但这些往往不足以防止重大损害和萌发失败。外源施用物质的策略已成为增强这些天然防御的有力且实用的方法。研究表明，某些外源物质——如纳米颗粒、植物激素、植物代谢物、氨基酸和信号分子——可以减轻非生物胁迫对种子萌发的不利影响，从而提高作物产量。
然而，其功效具有高度情境依赖性，受浓度依赖性、物种和基因型特异性、胁迫类型相互作用以及施用方法等因素的显著影响。在认识到这些关键注意事项的前提下，不同类别外源物质的实验证据得到了评估。
纳米材料：用于胁迫启动的精准工具
纳米材料作为生物刺激剂的功效源于其独特的理化性质。常见纳米颗粒根据化学组成可分为无机和有机两大类。当用作种子引发剂时，纳米材料可以增强对多种胁迫的耐受性，从而促进种子萌发和幼苗生长。
例如，在盐胁迫下，银纳米颗粒引发处理加速了水稻的萌发，并提高了幼苗生物量和根长；在低温胁迫下，特定浓度的金纳米颗粒提高了小麦的萌发率；氧化铁纳米颗粒在不同大小的颗粒下均能改善烟草种子的萌发和根长；而氧化铜纳米颗粒则表现出典型的毒物兴奋效应，低浓度促进水稻萌发，高浓度则抑制。值得注意的是，同一纳米颗粒在不同胁迫条件下可能发挥不同效果，这清楚地表明了胁迫特异性的优化需求。例如，在干旱胁迫下，较高浓度的镍铁氧体纳米颗粒能提高玉米种子萌发率，而在盐胁迫下，较低浓度则更有效。然而，金属纳米颗粒的种子处理可能导致金属离子释放到环境和土壤系统中，引发了实际田间应用的担忧。相比之下，碳基纳米材料通常表现出更高的生物相容性和更低的毒性。例如，氧化石墨烯减轻了镉胁迫下水稻种子萌发的抑制；而硅纳米颗粒在干旱胁迫下提高了万寿菊的萌发率，其效果优于相同剂量的硅酸盐。
植物激素：重新平衡内分泌信号
外源植物激素通过直接调节胁迫下的植物内分泌信号网络，作为有效的生物刺激剂发挥作用。例如，外源赤霉素显著提高了拟南芥在盐和热胁迫下的萌发率并增强了耐受性；在外源吲哚-3-乙酸应用后，棉花种子的萌发率在前两天分别提高了76.3%和29.6%；乙烯供体同样有效，在盐胁迫下，施用乙烯显著提高了棉花种子的萌发指数，并在盐碱胁迫下改善了花椒的萌发。看似矛盾的是，虽然脱落酸在正常情况下抑制萌发，但其外源应用可以增强胁迫耐受性。例如，外源脱落酸显著提高了紫花苜蓿在干旱胁迫下的耐旱性、萌发率和胚根长度，表明其在启动更稳健的胁迫适应状态中的作用。6-苄氨基嘌呤是一种第一代合成细胞分裂素，可通过刺激细胞分裂来诱导植物生长和发育反应，在干旱胁迫条件下，它已被证明可以提高不同大豆品种的种子萌发率。
植物代谢物：利用天然防御途径
除了经典的植物激素，植物还利用多种次生代谢物来减轻环境损害。其中，水杨酸和茉莉酸作为有效的生长调节剂和防御信号。例如，外源水杨酸通过介导离子稳态和增强抗氧化防御，显著促进了盐胁迫下羊草的萌发。同样，在盐胁迫条件下，用乙烯浸泡大麦种子可将最终萌发率提高到与非胁迫条件相当的水平。茉莉酸激活防御机制，其应用提高了小麦在干旱下的萌发率和指数。值得注意的是，茉莉酸和水杨酸的联合应用在某些胁迫情境下并未显示出协同缓解作用，揭示了它们的拮抗相互作用。其他关键代谢物包括油菜素内酯，如24-表油菜素内酯，它们对生长和胁迫抗性至关重要。预处理显著提高了印度芥菜在铅胁迫下的萌发率，缩短了平均萌发时间，并促进了胚根生长。同样，独脚金内酯是类胡萝卜素衍生的代谢物，影响下胚轴生长和非生物胁迫响应，其处理增强了碱胁迫下大豆的萌发率、胚根长度和鲜重。普遍存在的调节因子褪黑素通过增强抗氧化活性和渗透调节来缓解胁迫。在黄瓜中，用褪黑素进行种子预处理提高了萌发率，并刺激了干旱条件下的胚根和侧根发育，这种保护作用扩展到小麦、玉米和棉花在各种胁迫下。此外，多胺如亚精胺和精胺可增强胁迫恢复力；通过种子浸泡施用，缓解了小麦中干旱诱导的萌发抑制。甚至维生素，如维生素B2和维生素B12，也作为信号分子，通过改善萌发指数和调节酶活性来减轻玉米的低温损害。
外源氨基酸作为种子萌发期间非生物胁迫的有效缓解剂
外源氨基酸是种子萌发期间非生物胁迫的有效缓解剂，它们不仅作为蛋白质的基本构件，还作为必需生长途径的积极参与者。例如，甘氨酸、半胱氨酸、丝氨酸和蛋氨酸的应用已被证明能显著增强盐胁迫下野生型拟南芥的萌发。关键渗透保护剂甘氨酸甜菜碱在这一角色中非常有效。例如，在低温胁迫下，番茄种子用甘氨酸甜菜碱预处理显著提高了萌发率并促进了胚根伸长，在盐胁迫下在大豆中也观察到了类似的保护效果。脯氨酸是另一个关键的渗透调节剂，可缓解低温胁迫；外源应用提高了玉米的萌发势、活力指数和胚根长度。此外，非蛋白质氨基酸5-氨基乙酰丙酸在多种胁迫中显示出明显的剂量依赖性功效。值得注意的是，γ-氨基丁酸是胁迫反应中的关键信号分子，在盐胁迫下显著促进了多个棉花品种的萌发率和指数。
信号分子：启动防御反应
信号分子，包括钙离子、一氧化氮、过氧化氢和硫化氢，是植物信号转导中的关键介质，它们快速启动和终止细胞信号以调节基因表达和代谢过程。这些分子的战略性应用可以有效地启动种子抵御非生物胁迫。例如，氯化钙处理增强了超声波胁迫下大麻种子的萌发和苗长，而氯化钙引发通过激活糖代谢改善了盐条件下高粱的萌发。氮基信号显示出类似的功效；一氧化氮供体硝普钠显著减轻了镉诱导的水稻萌发抑制，提高了萌发率和活力指数，而硝酸盐缓解了拟南芥中的氯化钠和高葡萄糖胁迫。气态信号分子硫化氢，通过硫氢化钠递送，显著增强了高温胁迫下玉米的萌发。同样，过氧化氢应用改善了盐胁迫下苦荞麦的多个萌发参数。总之，这些发现强调了通过外源应用这些关键分子来利用植物信号网络，以增强关键萌发阶段的胁迫恢复力的潜力。
从以上内容可以得出结论，外源物质在缓解种子萌发期间的非生物胁迫方面可以发挥重要作用。然而，也有报告显示此类处理对萌发没有显著影响，在某些情况下甚至可能产生抑制作用。例如，外源吲哚-3-乙酸通过改变激素平衡——提高脱落酸水平同时降低赤霉素活性——从而延迟大豆种子萌发，抑制而非促进胚根突出。此外，在低温胁迫下，腐植酸和富里酸对大豆萌发仅产生轻微且不稳定的影响，表明其作用是情境特异性的，而非普遍刺激性的。值得注意的是，即使在非胁迫条件下，外源物质对种子萌发的影响也是浓度依赖性的，高浓度下常观察到抑制结果。这突显了物种特性、剂量水平和环境背景是最终萌发反应的关键决定因素。此外，我们期望在农业生产中应用外源物质。然而，在实际田间条件下，作物经常暴露于多种复杂且动态变化的因素，例如不同胁迫之间的相互作用、病虫害和杂草的发生、土壤理化特性以及土壤微生物的影响。这些因素与受控的室内条件有很大不同，可能会妨碍外源刺激剂实现实验室条件下观察到的理想效果。例如，在盐碱土壤上播种的高粱，外源脱落酸处理并未导致成熟时株高的显著差异，而仅鲜重和茎粗增加。在复合胁迫下，例如低温与盐胁迫相结合，银纳米颗粒引发的玉米种子在萌发速度或萌发百分比上没有显示出显著差异。因此，外源物质在田间生产中的实际应用仍面临一定挑战，需要更集成、智能和可持续的方法。
外源物质缓解非生物胁迫的机制
外源生物刺激剂促进胁迫下种子萌发的保护效应并非仅仅是现象学的，而是由种子生理学的复杂重构所支撑。通过调节关键且相互关联的过程，如活性氧稳态、激素信号传导和能量代谢，这些物质重新平衡种子内部环境，以利于胁迫下的萌发。
活性氧在种子萌发中表现出关键的双重功能：在中等水平下，它们通过氧化大分子以促进必需的代谢反应而作为信号分子，而在非生物胁迫下它们的过量积累则会引发氧化损伤和细胞死亡。在种子萌发期间，由细胞膜产生的吸水诱导的活性氧，在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的参与下，通过很大程度上非酶促机制促进种子萌发，导致胚根突出和胚乳弱化。外源处理也可以调节烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性。总体而言，低水平的活性氧，特别是过氧化氢，作为积极的信号分子，促进胁迫条件下的种子萌发。例如，在干旱、盐分或低温条件下，用银纳米颗粒和氧化铁纳米颗粒进行种子引发会刺激内部过氧化氢的产生，随后通过激活的防御反应提高玉米的萌发和活力。
然而，活性氧对种子萌发的促进作用具有强烈的剂量依赖性。当活性氧水平超过最佳阈值时，过量的活性氧会导致细胞膜的脂质过氧化、DNA损伤、mRNA氧化以及蛋白质氧化和羰基化，最终导致细胞死亡。非生物胁迫常伴随植物细胞中活性氧的过量积累。为了抵消这一点，植物进化出了酶促和非酶促抗氧化清除系统，以保护种子免受活性氧诱导的氧化损伤。因此，大多数外源处理通过增强种子的抗氧化能力来缓解胁迫诱导的种子萌发抑制。几种纳米颗粒，如四氧化三铁纳米颗粒和壳聚糖-硒纳米颗粒，已被证明可通过调节抗氧化酶相关基因的表达来改善不利条件下的种子萌发。
除了活性氧调节，外源物质深刻影响种子萌发的另一个核心方面是植物激素信号网络，特别是赤霉素和脱落酸之间的拮抗平衡。脱落酸生物合成和赤霉素生物合成及信号传导的关键基因受到动态调节。许多外源物质通过调节这些激素途径来发挥其保护作用。例如，水杨酸处理通过上调赤霉素生物合成基因和下调赤霉素失活基因的表达，促进低温胁迫下玉米种子的萌发。同样，独脚金内酯处理通过下调脱落酸生物合成和信号传导基因的表达，减轻碱胁迫对大豆萌发的抑制。褪黑素处理也被证明可以调节盐胁迫下棉花种子中的激素水平。这些发现表明，重新编程激素稳态是外源生物刺激剂缓解非生物胁迫和促进萌发的一个中心机制。
萌发是一个高能耗过程，依赖于储存储备物的有效动员和转化。胁迫通常通过抑制关键代谢酶和破坏能量生成途径来破坏能量代谢。外源物质可以通过增强淀粉分解、糖酵解、磷酸戊糖途径和三羧酸循环等关键代谢途径来帮助恢复能量稳态。例如，在盐胁迫下，用钙离子预处理高粱种子，可上调糖酵解、磷酸戊糖途径和三羧酸循环中酶相关基因的表达，从而促进萌发。同样，在低温胁迫下，用脯氨酸处理玉米种子，可通过增加磷酸果糖激酶活性和三磷酸腺苷含量来缓解糖酵解和三羧酸循环途径的限制。甘氨酸甜菜碱预处理通过上调淀粉分解和抗氧化酶基因，并调节赤霉素和脱落酸水平，促进低温胁迫下番茄种子的萌发。褪黑素处理通过增强抗氧化酶活性和增加谷胱甘肽和抗坏血酸含量，改善低温胁迫下垂穗披碱草种子的呼吸速率和三磷酸腺苷产生。这些例子表明，通过支持能量产生和利用，外源物质确保胚胎有足够的资源完成萌发，即使在胁迫条件下也是如此。
结论与未来展望
现有证据令人信服地表明，多种外源物质可以有效干预，以缓解种子萌发期间的非生物胁迫。随后的研究将更深入地探讨支撑这些保护效应的统一生理和分子机制，探索这些物质如何汇聚以调节活性氧、信号通路和能量代谢。
然而，将这些有前景的实验室发现转化为可靠、经济可行且环境可持续的田间实践，仍然是一个重大挑战。当前限制包括大多数生物刺激剂高昂的成本、对其环境归宿和长期生态影响的担忧、在复杂田间条件下相对于受控实验的不可预测的功效，以及许多处理提供的短暂保护窗口。
为了克服这些限制，该领域需要超越单一物质应用的范式转变，转向智能、集成的策略。一个有希望的未来方向是将生物可降解的纳米材料与植物衍生的小分子结合起来。这种方法可以利用纳米颗粒的靶向递送和受控释放能力，同时最大限度地减少纳米材料的潜在环境影响和小分子的使用量。另一个前沿是开发刺激响应型纳米递送系统，这些系统可以感知植物的胁迫状态并相应地释放其有效载荷，实现按需、精准的干预。此外，合成生物学为通过微生物细胞工厂可持续生产有价值的植物代谢物或设计新型生物刺激剂提供了巨大潜力。
通过融合材料科学、合成生物学、纳米技术和植物生理学的见解，下一代种子技术有望变得智能、高效和可持续。这种跨学科方法对于弥合实验室与田间的差距，开启绿色农业和稳健粮食系统支持的新时代至关重要。这篇综述旨在提供一个全面的路线图，指导这一变革之旅，最终增强作物恢复力并支持向可持续农业的过渡。
