谷物穗发芽（也称收获前发芽，Pre-harvest sprouting，PHS）是指穗上生理成熟的谷粒在收获前发芽的现象，在全球性范围内都普遍发生，严重影响谷物的产量和品质，给农业生产造成了重大的经济损失。东北地理所方军研究员团队前期研究全面解析了ABA合成和信号途径调控水稻穗发芽的分子机制，为改良水稻种子休眠和萌发的分子设计育种奠定了良好的基础，相关研究以第一或者通讯作者发表在Plant J（2008，2018）、New Phytol（2019）、J Agr Food Chem（2020）等国际主流杂志上。虽然培育抗穗发芽品种是行之有效的解决方法，但其耗时耗力；化学防治是见效最快的一种方式，此前虽有多种抑制 PHS 的化合物被发现，但它们在效果、成本和毒理学方面存在问题，且对其组合作用及机制的研究较少。
近日，东北地理所方军研究团队与东北农业大学等单位合作在《Plant Physiology and Biochemistry》发表了关于马来酰肼和香豆素复配抑制水稻种子萌发的研究成果，该研究为解决水稻穗发芽问题提供了一种便捷有效的化学防控方法。
研究团队通过连续和短期浸种实验，从马来酰肼（MH）、香豆素（COU）和丁香酚（EUG）三种穗发芽抑制剂中筛选出穗发芽抑制剂的最佳组合为MH 20 mg L-1 + COU 100 mg L-1，该组合可显著降低水稻种子发芽率。进一步研究表明，该组合处理显著降低了种子萌发过程中的α-淀粉酶活性，减少了可溶性糖和可溶性蛋白的含量，从而抑制了种子萌发所需的能量和物质供应。该组合还能调节抗氧化酶活性，抑制活性氧（ROS）的积累，减少MDA的产生；促进种子内ABA含量快速积累（图1）。基因表达分析表明，MH和COU组合通过调节OsNCED1/2/5和OsABA8ox1-3表达，精准调节水稻种子内ABA的含量。在不同萌发阶段，该组合对ROS产生基因OsRbohs表达的调节不同，还下调了α-淀粉酶基因（OsAmy1A和OsAmy3D）的表达。体外模拟萌发试验进一步证实该PHS抑制剂组合能够有效降低种子萌发（图2）。
该研究首次报道了MH和COU复配对水稻种子萌发的协同抑制作用，揭示了其抑制水稻种子萌发的机制，涉及ROS积累、ABA代谢和淀粉降解等多个生理过程，并绘制了相应的机制模型（图3），研究成果不仅加深了对PHS抑制剂调控种子萌发机制的理解，也为MH和COU在防止穗发芽的应用中提供了理论支持，有望在农业生产中得到广泛应用。
图1 马来酰肼与香豆素复配影响活性氧积累、丙二醛含量、抗氧化酶活性和ABA含量
图2马来酰肼与香豆素复配抑制水稻种子萌发的体外模拟试验
图3 马来酰肼与香豆素复配抑制水稻种子萌发的机制模型
东北地理所沙汉景助理研究员为论文第一作者，东北农业大学王敬国教授与东北地理所方军研究员为共同通讯作者。研究得到江西省重大科技研发专项项目（20232ACF01001）、国家自然科学基金（U22A20456）、黑龙江省自然科学基金（YQ2022C037）、黑龙江省省属科研院所科研业务费优青项目（CZKYF2022-1-C014）以及寒地粮食作物种质资源创新与生理生态教育部重点实验室开放基金（CXSTOP2021004）联合资助。
论文信息：
Hanjing Sha,Yue Yu,Yunfei Han,Jia Liu,Zhongmin Han,Yubing Zhao,Chunran Huo,Huilin Chang,Fantao Zhang,Jingguo Wang*,Jun Fang*. Combination of maleic hydrazide and coumarin inhibits rice seed germination involving reactive oxygen species accumulation,ABA metabolism and starch degradation. Plant Physiology and Biochemistry,2024,217:109202.
