玉米种子萌发中胚根鞘伸长的生理和遗传机理

During maize seed germination, coleorhiza elongation growth plays an important role in overcoming the mechanical resistance of pericarp and testa and assisting radicle protrusion. The ability of coleorhiza elongation is closely related with seed vigor. Based on previous research, our research will focus on the main aspects as follows: 1) analyze the mechanical actions of coleorhiza elongation, and establish the evaluation index system of cell biomechanics of coleorhiza elongation, to provide the basis for the phenotype identification of the function of the target genes ZmARF3（GRMZM2G078274）; 2) analyze the function of gen ZmARF3 during coleorhiza elongation by overexpression and RNAi-mediated silencing; 3) narrow down genomic region of the major QTL qCL25-2-1 with ZmARF3 loci and construct near isogenic lines for the major QTL qCL25-2-1 by advanced backcross population BC5F2. Expected results can not only elucidate the physiological and genetic mechanisms of coleorhiza elongation in maize, but also provide a new way and theoretical basis for the molecular breeding of maize with high seed vigor.

玉米种子萌发时，胚根鞘伸长生长在克服果种皮机械性限制协助胚根伸出过程中发挥了重要作用，其伸长能力与种子活力密切相关。本研究在已有工作基础上，拟开展：1）胚根鞘伸长的细胞力学行为分析，建立胚根鞘细胞生物力学评价指标体系，为胚根鞘伸长基因ZmARF3（GRMZM2G078274）功能研究中表型的鉴定提供依据；2）采用过表达和RNAi沉默，研究ZmARF3在玉米种子萌发胚根鞘伸长中的功能；3）利用高世代回交分离群体BC5F2对包含ZmARF3位点的胚根鞘伸长主效QTL qCL25-2-1精细定位并构建近等基因系。预期成果将揭示玉米胚根鞘伸长的生理和遗传机理，同时为高活力玉米的分子育种提供新的途径和理论依据。

胚根鞘作为禾本科作物种子特有的重要器官。玉米种子萌发时，它通过伸长生长克服果种皮机械性限制等不利因素协助胚根快速伸出是决定玉米种子萌发速度或能否完成萌发的关键所在。因此，对玉米种子萌发中胚根鞘伸长的生理和遗传机理进行研究非常有意义。为揭示胚根鞘伸长机理，本项目从胚根鞘伸长的细胞生物力学行为分析、胚根鞘及胚根不同萌发时期转录组+代谢组分析、胚根鞘伸长主效QTL qCL25-2-1精细定位、候选基因功能分析等4个方面开展工作，已完成项目计划书中规定的各项研究内容，具体如下：（1）基于显微观测和胚根鞘微观组织生物力学研究，阐明了胚根鞘前后部特征细胞单体的受力变形和运动间的关系，建立了3种胚根鞘伸长弱化模型；（2）基于多组学分析获得大量与胚根鞘伸长相关基因及代谢物质，通过深入验证表明胚根鞘组织细胞内细胞核大小及细胞间传输的物质与细胞壁多糖（如：果糖）降解有关，这也是导致细胞弱化伸长或破裂的重要原因之一；（3）利用高世代回交分离群体BC5F2构建近等基因系，对qCL25-2-1进行精细定位，得到目标基因ZmARF3；（4）ZmARF3基因功能分析表明： ZmARF3基因与内源生长素合成密切相关；它定位在细胞核，可能作为核蛋白发挥作用；与野生型拟南芥为阴性对照，转ZmARF3基因能够促进拟南芥株系根系的伸长生长；转基因玉米株系胚根鞘长度与对照相比明显增加，调控路径有待完善；同时出现了新的科学问题，即ZmARF3及相关基因调控胚根与胚根鞘互作机理尚不清楚，望能得到下一个项目的资助继续深入探讨玉米种子萌发机理。在本项目的资助下，已发表论文10篇（其中SCI收录8篇，后续还将发表论文），申请国家发明专利4项，授权国家实用新型专利1项，国家软件著作登记3项，地方标准2个（草稿修订中），主编技术手册1部，晋升副高职称3人，培养研究生1名，参加国内相关学术会议5次。超额完成计划书规定的各项指标。