拟南芥种子特异表达的氧化还原蛋白AtPER1调控种子休眠和萌发的分子机理研究

Seed is vital to the conservation of germplasm and plant biodiversity. And crop seeds are the basis of people's livelihood. However, seeds gradually lost viability during the storage stage. Seed dormancy is an adaptive trait in numerous seed-plant species, enabling wild plants to survive under stressful conditions and it is terminated by ambient environment including light, temperature, water content and nutrient availability. In mature seed, the initiation of vegetative development is determined by a period of quiescence which is known as seed dormancy, i.e. dormant seeds do not have the capacity even under the favorable environmental. Seed dormancy can be classified as primary and secondary seed dormancy. In the previous study, we find AtPER1 is important to seed primary dormancy. Mutant atper1 lost primary dormancy even under ABA treatment. Furthermore, the content of ABA is obviously decreased, while the content of GA is higher in atper1 seeds compared with Col seeds. This suggested AtPER1 may regulate the primary dormancy through regulating the content of ABA and GA in the seeds. This project will reveal the molecular mechanism underline the regulating of ABA and GA by AtPER1, and further the regulating of seed primary dormancy by AtPER1. The results may uncover new theory on the improving of seed storage.

种子作为植物生长发育过程中的一个重要阶段，是植物遗传信息的主要载体，在植物繁殖的过程中具有不可替代的作用。农作物种子是人们赖以生存的粮食基础。然而，收获的种子在贮藏过程中自然发生劣变，导致生存能力逐渐下降，最终可能导致种子无法正常萌发，从而造成直接或间接的经济损失。种子休眠特性是影响种子贮藏时间的一个重要因素，对于种子的储存，种子的萌发活力和时机至关重要。本项目前期研究发现，拟南芥中种子特异表达的蛋白AtPER1参与调控种子初级休眠。atper1突变体种子表现出种子初级休眠缺失，对ABA不敏感的表型。经过进一步的研究发现，atper1突变体种子中的ABA和GA的含量均发生了明显变化。通过本项目的研究，可望阐明AtPER1调控种子中ABA和GA含量的作用机制，进一步深入理解AtPER1调控种子休眠和萌发的分子机理。研究结果将为改善种子的贮藏时间和贮藏品质提供新的线索和思路，具有重要的应用前景

种子是植物繁殖的载体，对植物的分布和物种多样性具有不可或缺的作用。农作物种子也是人们赖以生存的粮食基础。种子休眠特性对于种子在贮藏过程中的活力保持，种子的萌发活力和时机至关重要。拟南芥种子中的活性氧（reactive oxygen species，ROS）能够促进脱落酸（abscisic acid，ABA）代谢基因和赤霉素（gibberellin，GA）合成基因的表达，而低浓度的过氧化氢（H2O2）能够促进种子萌发。本项目研究发现，拟南芥中的氧化还原蛋白AtPER1只在种子中表达。AtPER1蛋白从种子发育的中期开始出现，并随着种子发育逐渐增加，直至种子完全成熟达到最高。在种子萌发过程中AtPER1蛋白含量急剧降低，在第4天的幼苗中完全消失。AtPER1功能缺失的突变体（atper1-1和atper1-2）种子中的ROS和H2O2含量均高于野生型种子。在MS培养基上atper1-1和atper1-2种子比野生型种子更快萌发，说明atper1突变体种子有种子初级休眠缺失的表型。在逆境条件下（ABA，NaCl和甘露醇）atper1突变体种子的萌发率显著高于野生型种子，说明atper1突变体种子在种子萌发过程中对于逆境不敏感。分析发现atper1-1和atper1-2种子中的ABA含量显著低于野生型种子，而其GA含量则高于野生型种子。定量PCR表明ABA代谢基因CYP707A1、CYP707A2、CYP707A3和GA合成基因KAO1、GA20ox1、GA20ox3在atper1-1种子中的表达量显著高于同时期的野生型种子。这些结果说明AtPER1可能通调节ABA的代谢和GA合成来影响种子中的ABA和GA含量。为了证明该假说，构建了AtPER1 和 ABA 以及 GA 相关基因的多基因突变体材料。种子萌发实验表明，GA合成关键酶GA1功能缺失以及三个ABA代谢基因（CYP707A1、CYP707A2和CYP707A3）中的任意两个基因功能缺失均能够抑制atper1突变体种子初级休眠缺失的表型。综上所述，本项目的所有研究结果表明在种子发育过程中，AtPER1主要通过清除种子中的ROS来抑制ABA代谢基因和GA合成基因的表达，从而抑制种子中的ABA降解和GA的合成，最终促进种子休眠、抑制种子萌发。研究结果为改善种子贮藏时间和贮藏品质提供新的线索和思路，具有重要的应用前景。