植物十六种元素高温可以燃烧吗（火能促进植物物理休眠时种皮中脂肪酸的形成吗）

文丨异文录

编辑丨异文录

摘要

种子休眠是调节种子萌发的关键驱动力，因此物理休眠是幼苗补充生活史阶段和种群持续的基础。然而，尽管物理休眠(PY)很重要，但种皮内打破休眠的机制我们仍然不清楚。我们认为种皮化学在控制植物物理休眠中可能起重要作用。特别是种皮脂肪酸(FA)是疏水性的，并且具有在种子休眠打破温度范围内的熔点。此外，饱和脂肪酸的熔点随着碳链长度的增加而增加。我们研究了火是否能影响种皮脂肪酸，并讨论了它们对休眠机制的潜在影响。

通过气象色谱-质谱分析，我们鉴定并量化了豆科中25个物种的种皮脂肪酸，这些物种来自易火和无火生态系统。接下来我们将对脂肪酸谱在物种栖息地和种间变异的背景下进行解释。

来自易着火和无火生境的物种之间的脂肪酸组成是不同的。与不着火的物种相比，易着火的物种倾向于具有较长的饱和脂肪酸链。

易着火树种种皮中特定的脂肪酸组成表明了脂肪酸在休眠机制中的潜在作用。总的来说，易着火物种和不着火物种之间不同的种皮脂肪酸组成表明，在易着火生态系统中，种皮的化学性质可能因受到压力而改变。

介绍

数百万年来，火推动了世界各地生态系统中的植物进化和种群动态，对于维持健康的易着火生态系统至关重要。然而，随着全球气温上升，预计会发生更频繁、更剧烈的森林火灾，对自然栖息地及其组成物种造成严重破坏。这不仅影响了易发生火灾地区的植物物种的持续存在，也影响了未来可能变得更易发生火灾的无火生态系统。因此，理解植物生理驱动因素是必要的。

种子休眠是种子萌发调节的关键驱动力，因此是幼苗补充生活必须物质和使种群持续的基础。许多物种产生具有物理休眠的种子，已知这发生在被子植物的15个科中。具有物理休眠的种子通过种皮或种皮中的疏水层保持种皮不透水，并且有证据表明物理休眠的进化可以追溯到4300万年前。

休眠解除的物理过程是不可逆的，因此打破休眠的时机对确保幼苗在火灾后能有最大的存活机会是至关重要的。对于易着火环境中的物理休眠种子，在火通过期间产生的热冲击的反应下发生萌发。这些种子有不同的温度阈值来克服休眠，范围从40℃到120 ℃。

考虑到在火灾易发地区休眠对发芽调节的重要生态作用，大量的研究确定了控制物理休眠的一些物理过程，其背后的化学成分仍然令人惊讶地不清楚。

有人认为种皮脂质组成的变化影响休眠的维持，还有曾以及其他人指出，关键脂肪酸的熔点在22°C到85°C之间，在这个范围内，来自易着火系统的物理休眠会克服物种的休眠。饱和脂肪酸的熔点随着碳链长度的增加而增加。脂肪酸以三酰甘油(TAG)的形式，构成了种子中所有脂质的大约90%和种皮疏水脂质被认为是悬浮或整合在纤维素网络。

此外，已知种子中的脂质含量和休眠阈值都随着种子老化而降低。因此，种皮中的标签可能有不同的用途，例如影响和调节休眠机制。虽然标签的熔点可以根据种皮脂肪酸的组成而变化，它们的熔点通常与组成它们的种皮脂肪酸的平均熔点相似。在这里，我们关注种皮脂肪酸和它们的属性，当提到种皮脂肪酸时，我们直接引用在标签中找到的种皮脂肪酸。

大多数分析种子种皮脂肪酸含量的研究集中于非休眠或生理休眠的农业物种，而不是野生物理休眠种子。对于那些研究野生物理休眠物种的研究，重点是整个种子，而不是种皮。因此，从以前的研究中很难清楚地了解种皮中可能的脂质组成。

鉴于易着火物种种子中种皮脂肪酸数据的有限可用性，我们开始识别和计算豆科25种物理休眠物种种皮中种皮脂肪酸的相对程度，并比较澳大利亚易着火和无火环境中物种的种皮脂肪酸种皮特征。豆科植物常见于温带易着火的生态系统和种子通常具有受热破裂的物理休眠能力。然而，据报道它们在热冲击耐受性和种皮厚度之间没有关系。这表明种子生物化学可能是影响豆科植物休眠的关键因素。

我们的目的是研究火是否在决定种皮脂质分布中起作用，并讨论它们对休眠机制的潜在影响。我们对以下三个问题进行研究：

1.在易火和无火生态系统物种的物理休眠种皮中，种皮脂肪酸的同一性和多样性是什么；

2.来自易受火灾和不受火灾影响的生态系统的物种，其物理休眠种皮中的种皮脂肪酸成分是否有所不同；

3.来自易火和无火生态系统的物种的种皮脂肪酸谱，是否表明火驱动物理休眠种子中，有种皮脂肪酸？

材料和方法

种皮中的脂肪酸通过其甲酯的气相色谱-质谱(GC-MS)进行鉴定和定量，并在无火和易火生境的背景下进行解释。

我们分析了25种豆科植物的种子，它们都属于豆科植物亚科。我们对来自火灾多发地区和很少经历火灾地区的物种进行了研究。这为物理休眠种子的生境类型提供了广泛的比较，一度程度上说明物理休眠种子具有高温阈值的火适应机制。

1.种皮制备和样品大小

我们仅选择具有高比例休眠种子的物种，以确保对休眠种皮进行种皮分析。为了确保只包括完整的休眠种子，使我们用漂浮试验，将种子放入盛有水的烧杯中8小时，丢弃漂浮的种子。然后在解剖显微镜下用解剖刀除去所有休眠种子的种皮，尽可能小心以确保没有胚乳、胚或反油酸体附着在样品上。这是因为在一些豆科植物中，种子的脂质组成与其种皮不同。

此次分析需要大约50毫克样品种皮。从最少10个个体植物中收集每个物种的种子，物种之间的种子质量在460 mg至0.86毫克。因此，产生足够样品量所需的种子总数是不同的。为了确保结果准确，我们考虑了样本质量内的种子间差异，我们每个物种使用了最少15-20个种子，一般是30个或更多的种子。然后从较大批次的每个物种的切下的种皮中二次取样50毫克样品种皮块。唯一的例外是由于种子可获得性的有限性，有一部分种子种皮只能从少于10个的个体样本中收集。

a：基于豆科植物系统发育工作组；b：切去种皮的种子数量 用于分析的质量从混合的种皮中二次取样

2.脂类提取

我们将3ml己烷添加到每个粉碎的50mg种皮样品中，并搅拌1小时。将0.25m甲醇钠(溶于0.15ml甲醇中)转化成脂肪酸甲酯，使其挥发性更强，因此更容易通过GC–MS进行分析。将整个混合物剧烈摇动5秒，然后搅拌10分钟。取出顶部的透明有机层，过滤，并转移1 ml到GC–MS自动进样瓶中。所用的方法是根据克里斯托弗森和格拉斯文献中提供的。游离的种皮脂肪酸不使用这种方法转换；然而，超过90%的普通植物种子油以标签的形式存在，所以这并不令人担心，因为游离脂肪酸并不是脂肪酸的主要来源。

结果

各物种中最长饱和脂肪酸的链长因生长环境而异，其中喜火和不喜火物种的平均链长分别为18.44±0.20和17.43±0.37。

棕榈酸存在于每一物种中，硬脂酸、油酸和亚油酸是两种生境中最常见的酸。亚麻酸在无火和易火物理休眠种皮中都存在，但在易火品种中占优势。花生四烯酸只存在于易着火的物种中，而肉豆蔻酸只存在于一种不着火的物种中。

饱和脂肪酸在易着火和不着火物种中的分布显示出明显的趋势，其中易着火物种的脂肪酸链较长，而不着火物种的脂肪酸链较短。

易着火和不着火物种中饱和脂肪酸的出现百分比(χ2= 2.783，df = 1，P = 0.095)

易着火物种的FA略高于不着火物种。然而，栖息地之间的差异会影响结果，它主要发生在无火环境中，但破坏了易着火的生态系统。繁穗苋和四倍体野生棉种毛棉的长度在它们各自的栖息地中是离群值。

PY种子的无火和易火种皮中物种间脂肪酸的相对总量

无火种子的饱和脂肪酸比例高于不饱和脂肪酸比例，而易火物种的不饱和脂肪酸比例高于饱和脂肪酸比例。易着火物种的饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的平均比值为0.31±0.03，而不着火物种为0.55±0.12。易着火的物种在它们的比率上也显示出较小的变化。

PY种种皮中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例

讨论

通过将分析化学应用于生态环境，我们能够确定物理休眠种子中存在种皮脂肪酸，其在数量和质量上都与物种生境相关。来自易着火和无火生境的物种之间的FA组成差异很大，这表明在易着火生态系统中，与火相关的高温可能是种皮脂肪酸组成的驱动因素，因此也是功能性的驱动因素。

饱和脂肪酸和打破休眠的阈值温度

在研究物种的种皮中发现的主要种皮脂肪酸对应于植物组织中常见的种皮脂肪酸，亚油酸通常是易着火和无火种子中最主要的种皮脂肪酸。然而，重要的是，碳链长度为20的高熔点饱和脂肪酸仅存在于易着火物种的种皮中，而不着火物种的种皮中饱和脂肪酸的最高链长度仅达到18的碳链长度。脂肪酸的组成是由链长特异性酶决定的。因此，碳链长度只有20的火倾向种子可能表明需要在种皮中合成非常长的种皮脂肪酸，而这在无火种子中是不需要的。

此外，易着火物种和不着火物种之间平均饱和链长的大约一个碳的差异具有生物学意义，因为链长中的一个碳的差异可相当于高达10℃的熔点差异。值得注意的是，这些很长的种皮脂肪酸只出现在18种易着火物种中的4种。

这些物种来自新南威尔士和西澳大利亚，种子质量范围为0.86至35.89mg。一个可以解释为什么花生四烯酸只在这些物种中发现的共同因素是，它们来自高度易着火的环境。众所周知，在这些环境中共生的物种对热的适应力和需求各不相同，而种皮脂肪酸可能在这种变异中发挥了作用。

高熔点脂肪酸在易着火物种中的作用尚不清楚。一个未经验证的假设是，种皮脂质成分可能在控制打破休眠的阈值温度中起作用。这表明长链脂肪酸可能具有火灾易发生态系统特有的功能——例如调节打破休眠的阈值温度。

支持种皮脂肪酸有助于休眠温度控制的假说的另一个因素是，长链种皮脂肪酸可以出现在来自无火生境的物种的胚胎中，但不总是出现在种皮中。然而，无火物理休眠种皮的脂肪酸组成似乎并不比胚中的脂肪酸组成长。关于种子脂肪酸组成的文献是有限的，因此，上述例子也包括对游离脂肪酸和标签的研究。

在对整个种子脂肪酸组成的研究中发现，与种皮相比，无火物种的种子在胚中具有更长的饱和脂肪酸。饱和脂肪酸大于18碳一直存在于同一属的其他无火物种的整个种子中；然而，在目前的研究中，我们没有在任何无火物种的种子中发现饱和脂肪酸大于18碳。

在易着火物种的种皮和胚中存在较长链的种皮脂肪酸，无火物种则相反，在无火物种中，易着火物种的种皮具有比胚乳和胚中更长的种皮脂肪酸，它进一步证明种皮脂肪酸在种皮中的温度相关机制中发挥作用。更具体地说，这可能表明高熔点种皮脂肪酸是决定打破休眠的阈值。

不饱和脂肪酸与种皮不透性的维持

不饱和脂肪酸存在于大多数研究的物种中；然而，与无火物种相比，易火物种具有更高的不饱和脂肪酸相对比例。无火物种的饱和脂肪酸多于不饱和脂肪酸，饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的平均比值为0.55±0.12，而易火物种的饱和脂肪酸较低，比值为0.31±0.03，表明存在更多的不饱和脂肪酸。

不饱和脂肪酸在寒冷地区的种子中维持膜的选择性渗透性，因为它们具有低熔点(< 0℃)，因此没有形成细胞间冰的风险。鉴于不饱和脂肪酸是疏水性的，一些脂肪酸的气体转变温度高达360 ℃，在易着火的种子中大量不饱和脂肪酸的存在可能表明类似的机制，由此，不饱和脂肪酸有助于维持不可渗透的种皮。种子中不饱和脂肪酸的含量和种皮不渗透性两者都随时间降低，因此不饱和种皮脂肪酸可能有助于物理休眠种子的种皮不透水性，从而延长寿命。

笔者认为：火是种皮脂肪酸构成和功能的驱动力。与来自无火生境的种子相比，易火物理休眠种子具有更高的种皮脂肪酸含量，这进一步加强了种皮脂肪酸在易火生态系统中帮助种子持久性的功能。

无火和易火易火物理种皮之间的种皮脂肪酸曲线的对比，可能表明火影响种皮脂质组成。因此，这些发现开辟了一个新的研究领域，特别是种子脂质组成和生态机制，以及适应火的性状的进化研究。鉴于种皮脂肪酸组成和多样性的差异，进一步的研究应进一步评估种皮中种皮脂肪酸组成和功能的种内变异，特别是它们可能如何促成休眠机制。这对研究在火灾易发区促使植物种群动态的过程是必要的。

参考文献：

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