正在发芽的绿豆种子。
植物的种子虽然看起来平淡无奇，却拥有不可思议的超能力：在干燥的状态下，它们可以储存能量数年，当环境条件适宜时，会突然释放能量以供发芽。最著名的例子发生在美国死亡谷国家公园，那些在干旱炎热的沙漠中保存了几十年的种子，会在降雨后突然发芽，数月后开出艳丽的花朵。
种子保存了一个完全成形的胚胎，这个胚胎只有在适宜的条件下才能继续生长。种子的萌发受到多种植物激素的控制，虽然对这些激素的研究一直是热点，但研究人员对其发挥作用的过程却知之甚少。种子中的能量是如何被利用的？怎样才能尽早有效地进行能量代谢？
近日，德国明斯特大学领导的国际研究小组对种子萌发过程中的能量代谢问题进行了研究。他们利用一种新型的荧光生物传感器，在活的种子细胞中观察了能量代谢和依赖于硫的氧化还原代谢。结果发现，在种子接触水的几分钟之后，能量代谢就能建立起来了。植物细胞中的线粒体激活了种子的呼吸作用，而硫醇氧化还原开关在能量的有效释放中起着核心作用。相关论文发表在《美国国家科学院院刊》中。
项目负责人，明斯特大学的Markus Schwarzlander教授说：“通过观察种子发芽控制的早期过程，我们可以更好地理解驱动种子发芽的机制。未来，我们可以考虑如何在作物生物技术中使用这样的开关。这些发现对农业发展有积极的影响——一方面可以帮助种子在尽可能长时间里保持发芽活力，另一方面也可以帮助种子同步发芽。”
荧光显微镜下观察到的发芽中的种子。
为了观察能量代谢中发生的活动，研究人员在显微镜下观察了细胞中能量的通用货币——ATP和线粒体中的电子能量——NADPH ，并比较了干燥和“吸水”的苔菜种子。
为了确定氧化还原开关对启动种子发芽的重要性，研究人员使用遗传学方法使特定的蛋白质失活，然后比较改良前后种子的反应。通过让种子在实验室里人工老化，他们发现，如果种子缺乏相关的蛋白质，发芽活性就会大大降低。
随后，研究人员进行了氧化还原蛋白质组的分析，为此，他们分离出了激活的线粒体并快速冷冻，以便直接研究这一过程发生的状态。然后，研究人员使用质谱法鉴定出了几种对能量代谢的资源效率非常重要的半胱氨酸肽。
“这个过程可以比作大城市中的交通控制系统。在交通高峰期（即发芽期）开始之前，硫醇氧化还原开关可以打开红绿灯和行车路线系统。”这篇论文的主要作者Thomas Nietzel解释道。
编译：花花 审稿：阿淼 责编：雷鑫宇
期刊来源： 《美国国家科学院院刊》
期刊编号： 0027-8424
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