荒漠植物白沙蒿种子延迟萌发策略中N-酰基乙醇胺的作用及其分子生态学机制

As an important survival strategy of plant in adaptation to changing external environments, seed delayed germination is one of the hot spots in the current ecological research. However, most research focused on the description of the apparent phenomenon and clarified the ecological significance, the metabolic regulation of seeds on delayed germination characteristics and the internal mechanism are still unknown. Trace lipid N-acylethanolamines (NAE) participate in a number of plant physiological processes, seed has the highest content of NAE, and shows a rapid NAE degradation in seed germination. Whether NAEs regulate seed germination? and the contributions of NAE metabolism on characteristics of seed delayed germination are unclear. Artemisia sphaerocephala seeds show three characteristics: delayed germination, rich in polyunsaturated fatty acids and especially rich NAE metabolism-related genes, which make the plant an ideal material for in-depth study of NAE metabolic regulatory in desert seeds delayed germination. In this study, using Artemisia sphaerocephala seeds as materials, three following aspects of study are going to be carried out, 1) Effect of aging on delayed germination characteristics, the relationship between NAE, plant hormone and delay germination; 2) Cloning, function determination and enzyme activity analysis of key genes in NAE and plant hormone metabolic pathways; 3) Molecular regulation of NAE metabolic pathways on seed delayed germination. Finally, the molecular ecological regulation mechanism of NAEs on Artemisia sphaerocephala seed delayed germination is revealed.

种子延迟萌发作为植物适应外界多变环境的重要生存策略，是当前生态学研究热点之一。但目前研究多侧重于表观现象的描述和过程的推断，重点明确了其生态学意义，而对于种子自身代谢对其延迟萌发特性的影响及其机制尚不明确。微量脂质N-酰基乙醇胺(NAE)参与众多生理过程，在种子中含量最高，随种子萌发而快速降解。但关于NAE是否调控种子萌发？以及其代谢对种子延迟萌发特性的贡献均不清楚。荒漠灌木白沙蒿种子具有延迟萌发、富含多不饱和脂肪酸和NAE代谢相关基因丰富三大特征，使其成为深入研究NAE代谢对荒漠种子延迟萌发调控过程的理想材料。本研究拟以白沙蒿种子为材料，开展以下研究:1)老化对其延迟萌发特性的影响，NAE、激素与延迟萌发的关系；2)NAE、激素代谢关键基因克隆、功能及酶活力分析；3)NAE代谢途径对种子延迟萌发的分子生物学调控过程。以期揭示NAE对白沙蒿种子延迟萌发策略影响的分子生态学调控机制。

种子延迟萌发作为植物适应外界多变环境的重要生存策略，是当前生态学研究热点之一。但目前研究多侧重于表观现象的描述和过程的推断，重点明确了其生态学意义，而对于种子自身代谢对其萌发特性的影响及其机制尚不明确。本研究中，荒漠灌木白沙蒿当年成熟种子具有明显延迟萌发效应，正常条件下其萌发持续106天，T50出现在第63天。4ºC储藏1-8年、45ºC、100%湿度人工老化24小时以及去粘液种子延迟萌发效应明显减弱，T50分别减少至23、21、8、16和20天。N-酰基乙醇胺(NAE)在当年成熟种子中含量最高，FAD2-1在种子的强烈表达导致NAE C18:2成为其主要组分。4ºC储藏1-8年、45ºC、100%湿度人工老化24小时种子NAE C18:2含量均呈下降趋势，分别为对照的61.5%、58.1%、41.4%、49.9%和83.1%，且与萌发指数和T50呈显著负相关，表明其可能为延迟萌发的重要影响因素之一。广靶代谢组分析表明储藏前6年仅氧化还原途径发生显著变化，黄酮醇与种子萌发指数和T50显著负相关；与此一致的是种子储藏和人工老化过程中H2O2出现明显积累，同时脂肪酸氧合酶与脂肪酸水解酶均随处理时间增加而活力上升，但前者变化早于后者，表明早期储藏和老化过程中脂类氧化占主导。吸涨过程中，去粘液比完整种子脂肪酸水解酶活力增高，脂肪酸氧合酶无显著差异，表明此时脂类水解作用占主导。内源GA3/ABA比值决定白沙蒿种子初始萌发时间，吸涨过程中GA3无显著变化，而ABA因分解作用加剧而快速下降，GA3/ABA比值升高导致其延迟萌发效应减弱。综上，亚油酸、黄酮和多糖等在白沙蒿种子的积累使NAE C18:2积累并保持稳定状态；早期储藏和人工老化过程中氧化途径是NAE减少的主要因素；吸涨萌发过程中水解作用占主导。当年成熟白沙蒿种子表现出明显延迟萌发效应，以保证物种的最大延续性；随贮藏年限增加白沙蒿种子个体生存机会减少，其萌发速率加快，以保证个体竞争力为主要萌发策略。本研究结果明确了白沙蒿种子的延迟萌发效应及其影响因素，加深了关于种子自身代谢对其延迟萌发特性的影响及其机制的认识。