玉米种子老化的表观遗传机制研究

At present two major issues are associated with crop seeds in our country, one is seed overstocking for the agricultural production, the second is the long-term seed preservation of germplasm resources as genetic carriers. Delaying the seed aging and revealing the seed aging mechanism are the main ways to solve the problems. Several studies have shown that seed aging and deterioration produce chromosome aberrations and molecular genetic variations. On the other hand, numerous studies have established that epigenetic modifications in eukaryotes are prone to alterations under both intrinsic cellular stresss (such as accumulation of free-radicals) and external environmental stresses (such as various kinds of biological and abiotic stresses). Therefore, in theory, the process of seed aging and deterioration may have epigenetic consequences. In this project, maize hybrids and inbred lines will be used as materials to investigate possible changes in DNA methylation (a prominent epigenetic marker) associated with the process of seed aging and deterioration. A major goal of this project is to try to answer the question of whether epigeneitc instability underly seed aging and deterioration, and if so, contracting measures might be conceived to avoide this outcome.

目前在我国种子面临两个问题，一是农业生产的良种大量积压；二是农作种质资源以种子作为遗传载体的长期保存。延缓种子衰老、揭示种子老化机制是解决问题的主要途径。种子的衰老和劣变过程伴随着染色体畸变和分子水平的遗传变异。大量研究表明，真核生物的表观遗传修饰极易因细胞内在胁迫（如自由基累积）和外在环境（如各种生物和非生物胁迫）的变化而改变。因此，理论上种子的衰老和劣变过程可能有表观遗传机制的参与。本项目拟选用已筛选出的玉米杂交种及自交系为材料，对老化种子所发生的DNA 甲基化变异现象进行深入、系统的研究，探讨不同老化程度的种子之间、种子的不同解剖构造间、老化种子所萌发的幼苗间的DNA甲基化的遗传差异性，以期探究种子衰老与分子表观遗传机制的相关性。这对生产用种和种质资源的保存具有积极的意义，且对优良品种发挥其优势具有重要的作用。

【研究背景】生产实践已充分表明种子老化后会导致发芽率降低、幼苗长势差，最终影响作物产量。种质资源一旦老化，将带来遗传上的改变，最终导致基因丢失。理论上种子的衰老和劣变过程可能有表观遗传机制的参与，因此如能从表观遗传角度研究种子老化后的遗传与变异，也使研究种子老化的机制研究向前迈进和深入。.【主要研究内容】.1、不同人工老化条件下玉米种子活力及发芽力的变化研究.2、自然老化的玉米种子的籽粒盐溶蛋白的差异性研究.3、自然老化条件下的玉米种子的表观遗传变异研究.4、外源NO供体硝普钠作用下老化玉米种子在的萌发和活力指标的影响研究.【重要结果】.1、人工老化处理玉米种子的时间越长，种子发芽势、发芽率的降低趋势越明显萌发后的幼苗表现为苗高降低、根系越短，且对根系的影响更加显著；而玉米种子主要化学成分百分含量无显著性差异；.2、自然老化的玉米自交系材料同新收获的种子相比，DNA的甲基化水平发生改变，而且DNA的甲基化变异模式包括CG和CHG的超甲基化和去甲基化，变化较大的为CG的甲基化变异的模式为主。.3、人工老化的玉米种子在一定浓度外源NO供体硝普钠作用下发芽及活力特性显著提高，萌发后的幼苗等多种活性酶、游离脯氨酸和可溶性糖含量显著提高，而MDA含量没有显著变化。.4、对放置4年的自然老化的玉米种子同新收获的籽粒相比，除一个自交系外，其余自交系的盐溶蛋白图谱均未发生改变，这表明种子老化后不能引起籽粒中的贮藏蛋白发生分解和降解现象。.【关键数据】.1、通过高温(45±1)℃、高湿(95%相对湿度)老化处理的玉米种子活力从处理24h开始即下降。.2、自然老化的玉米种子萌发后的幼苗同新种子相比DNA的甲基化水平增加或减少。并且主要以CG超甲基化和去甲基化为主。.3、外源NO供体的SNP浓度为1.25 mmol•L-1时老化玉米种子的发芽及活力水平以及萌发后的幼苗的几种主要活性酶都显著最高，是最佳提高老化玉米种子的使用浓度（P＜0.05）。.【研究意义】.通过对人工老化和自然老化的玉米种子进行系统的研究，对于探索不同老化程度的种子之间及种子萌发后幼苗间DNA甲基化变异的差异性，对探究种子的衰老