活性氧物质（ROS）调控滇重楼种子萌发成苗的分子机制研究

Paris polyphylla Smith var. yunnanensis (Franch.) Hand.-Mazz. is an important source of Chonglou (PARIDIS RHIZOMA), which is a valuable traditional Chinese medicine, and it is a wild and endangered species under the state's protection. Chonglou relies mainly on artificial cultivation. However, the long seed dormancy period and seedling stage have severely limited the artificial cultivation of Paris polyphylla Smith var. yunnanensis (Franch.) Hand.-Mazz.. Therefore, elucidating the molecular mechanism of seed germination and seedling formation is of great significance to breaking dormancy and promoting rapid seedling establishment of Paris polyphylla Smith var. yunnanensis (Franch.) Hand.-Mazz.. The best seed treatment method would be selected based on the previous studies. The genes involved in the production and elimination of reactive oxygen species (ROS) would be identified by comparing the transcriptome among germinating and non-germinating, seedling and non-seedling seedlings. At different stages of germination, ROS-related physiological, biochemical and gene expression were dynamically analyzed to determine ROS-regulated key genes. Combined with the transcriptome data, the ROS regulatory network was analyzed to validate the key genes. At the same time, the interaction between ROS and hormones was explored, and the molecular differences of seed morphological and physiological dormancy were analyzed. The molecular mechanism of ROS regulating seed germination and seedling formation provides the theoretical basis for the future cultivation and resource conservation of Paris polyphylla Smith var. yunnanensis (Franch.) Hand.-Mazz..

滇重楼（Paris polyphylla Smith var. yunnanensis (Franch.) Hand.-Mazz.）是传统名贵中药材重楼的重要来源，是国家重点保护野生濒危物种。中药材重楼原料主要依赖人工栽培，但是滇重楼种子休眠期、成苗期长，严重限制滇重楼人工栽培。因此，阐明滇重楼种子萌发成苗的分子机制，对破除休眠、促进快速成苗具有重要意义。本项目拟在前期研究基础上，选择最佳滇重楼种子处理方法，比较萌发与未萌发、成苗与未成苗种子中转录组变化，鉴定调控活性氧物质（ROS）产生与清除的相关基因；在不同萌发阶段动态分析ROS相关生理生化、基因表达变化，确定ROS调控关键基因；结合转录组数据，分析ROS调控网络，关键基因功能验证；同时探讨ROS与激素的互作关系，初步阐明滇重楼种子形态和生理休眠的分子差异，解析ROS调控滇重楼种子萌发成苗的分子机制，为滇重楼栽培与资源保护提供理论依据。

本研究采用多块信息集成技术(MIR和NIR)结合模式识别方法(PLS-DA和SVM)对云南省6个地理位置的423份滇重楼种子样品进行产地溯源，建立了基于LVs降维策略的PLS-DA模型和基于VIP降维策略的SVM模型，能够成功的区分云南重楼种质资源的地理信息，为滇重楼种质资源的筛选提供了一种新的、快速的方法。.通过对新鲜收获的滇重楼种子（休眠）、层积处理的种子（无休眠）进行RNA-seq测序，对差异表达基因进行GO和KEGG分析，发现绝大多数差异表达基因参与信号转导、碳水化合物代谢过程。其中，与信号转导相关的差异表达基因，主要是激素、活性氧物质（ROS）和转录因子（TF）等相关基因。在信号转导相关的差异表达基因中，最多的是生长素应答基因（SAUR、AUX/IAA和ARF）、AP2类乙烯应答转录因子（ERF/AP2）。此外，至少有29个碳水化合物代谢相关的差异表达基因，如α-淀粉酶（AMY）、β-葡萄糖苷酶（Bglb/Bglu/Bglx）和内切葡聚糖酶（Glu）等参与滇重楼种子休眠释放调控。同时，通过整合多组学数据分析发现，滇重楼选择性合成具有较强生物活性的GA4参与打破种子休眠。.为发掘滇重楼种子萌发关键基因的及其调控分析，将未发芽的种子（第1阶段）、胚根长度为0.5 cm的发芽种子（第2阶段），以及根长度为2.0 cm的萌发种子（第3阶段），进行RNA-seq测序，通过差异表达基因GO和KEGG分析发现，差异表达基因显著富集于碳水化合物代谢、脂质代谢、信号转导和翻译等生物过程。其中，多个参与滇重楼种子萌发的潜在调控基因，如编码谷氨酸脱羧酶、谷氨酰胺合成酶和α-半乳糖苷酶基因，生长素响应基因IAA30、脱落酸反应元件结合因子、丝裂原活化蛋白激酶9/18，以及大小亚单位核糖体蛋白等被成功鉴定。初步阐明种子萌发与成苗的分子机制。.项目获云南省科技进步二等奖1项。