植物激素对南方红豆杉种子休眠的分子调控途径

Seed dormancy is a complex trait that are determined by genetic facotrs and environmental conditions. Taxus chinensis var. mairei is a national-protected wild plant, and the deep seed dormancy imposes difficulties in plant population regeneration. So far the seed dormancy mechanism of this species remains unclear. It is therefore of great importance to study seed dormancy for the protection of this endangered plant. The main objective of the project is to identify the seed dormancy status and to reveal the molecular mechansims of phytohormones on seed dormancy. During the process of overcoming seed dormancy, we will conduct four studies: (1) the effective method for overcoming dormancy will be identified by determining seed germination percentage and cell structure; (2) the relationship between phytohormones and seed dormancy will be assessed by investigating the contents of phytohormones; (3) the relationship between phytohormones and decomposition of storage substances will be identified by determining the changes of metabolites; (4) the relationship between expression of phytohormone regulated genes and seed dormancy will be assessed by investigating changes in gene expression using transcriptomic methods. These studies will identify molecular regulatory pathway of phytohormones on seed dormancy and provide technological measures for overcoming dormancy in the cultivation and utilization of T. chinensis var. mairei.

种子休眠是一种复杂的性状，由种子本身的遗传因素和外界环境共同决定。南方红豆杉为国家一级保护野生植物，种子具有深休眠是南方红豆杉自然更新困难的主要原因。但是，目前对南方红豆杉种子休眠的认识仍不清楚。因此，研究种子休眠对南方红豆杉这一珍稀植物的保护具有十分重要的意义。本项目以阐明植物激素对南方红豆杉种子休眠的分子调控机制为目标，在层积处理解除休眠过程中，主要开展以下4个方面的研究：（1）研究种子萌发率和细胞形态变化，确定解除种子休眠的有效方法；（2）研究植物激素含量的变化，阐明激素与种子休眠的关系；（3）研究代谢物质含量的变化，阐明激素变化与贮藏物质转化的关系；（4）运用转录组学的方法研究基因表达的变化，确定激素相关基因的表达与种子休眠解除的关系。通过这4个方面的探究，揭示南方红豆杉种子休眠原因和休眠解除过程中的激素分子调控机制，同时为南方红豆杉资源保育和开发利用提供有效的休眠解除方法。

以南方红豆杉种子为试验材料，在不同季节的变温：春季（22.1℃/12.7℃）、夏季（32.4℃/23.5℃)、秋季（23.9℃/14.3℃）、冬季（11℃/2.8℃），以及户外条件下层积12个月，研究不同温度层积处理对种子形态及生理的影响；为了解南方红豆杉种子萌发过程基因表达情况，以南方红豆杉种胚为材料，研究不同萌发阶段种胚基因表达差异及激素相关基因的表达，主要研究结果如下：.（1）南方红豆杉种皮具透水性，种子休眠不是由种皮特征引起，种子成熟时胚尚小，还未完全发育，种子经一段时间的户外层积后萌发，种子休眠类型为简单形态生理休眠。.（2）南方红豆杉种子经不同温度层积处理（冬季温度除外）12个月后，种胚胚长、E:S（胚长：胚乳长）和裂口率等指标均随层积时间延长不断增加，经过9个月户外自然层积种子胚长、胚率、裂口率达到最大。.（3）经不同温度层积处理12个月后，种子ABA含量总体呈下降趋势，但GA和IAA含量无明显变化。GA/ABA和IAA/ABA比值在层积过程中增大，户外层积的种子经9个月处理之后GA/ABA及IAA/ABA比值达到最大。.（4）在不同层积处理下南方红豆杉种子内含贮藏物质含量变化较大，可溶性蛋白含量在层积中增加；可溶性糖含量变化呈“W”型变化，先减少后增加；淀粉与脂肪含量减少。.（5）分析讨论南方红豆杉种胚解除休眠和萌发过程中基因表达差异，通过测序，共得到78154个Unigenes，种胚萌发不同阶段基因表达存在明显差异，在南方红豆杉种胚萌发过程中，ABA的上游合成基因表达并不活跃，但ABA下游代谢基因表达比较活跃，GA的合成基因表达活跃，说明南方红豆杉种胚萌发与ABA降解、GA的合成相关。