拟南芥胚胎分化过程中温度胁迫响应基因的鉴定和功能分析

The sexual reproduction in flowering plants is highly sensitive to temperature stresses,thus temperature is important for reproductive success. Embryogenesis and embryo development are crucial events during the life cycle of higher plants. There are very important significance of embryogenesis and embryo development to plant breeding and generation of the population. The temperature stress on plant embryo differentiation are studied in model plant Arabidopsis thaliana. Understanding how plants cope with stress during embryogenesis and embryo differentiation, specifically identified and functional analysis of differentially expressed genes subjected to temperature stress in the embryo, provides the opportunity to identify genetic traits that can improve temperature tolerance in crop breeding and agronomic plants by genetic engineering. The applicant engaged in basic research of plant sexual reproduction, that accumulated rich experience in the research of embryo development. In addition, the operation technique of the embryo and other conventional technology which the applicant have are required for the project applicant is required for the project embryo.These conditions ensure the successful completion of this project.

开花植物的有性生殖阶段对温度胁迫高度敏感，高温热害和低温冷害都会对这一过程造成严重影响，导致植物种质质量降低甚至败育。作为有性生殖过程中相当重要的环节- - 胚胎分化阶段，其顺利进行对保障植物繁殖，世代延续都具有非常重要的意义，然而目前尚缺乏胚胎分化阶段的温度胁迫响应机理研究。本项目拟以双子叶植物拟南芥为研究对象，在研究温度胁迫对其胚胎分化过程中形态结构影响的基础上，鉴定和分离拟南芥胚胎中响应温度胁迫的基因，并对其在胚胎分化阶段发挥的生物学功能进行研究，以期为深入理解植物在有性生殖阶段对温度胁迫的响应机制提供参考，进而为遗传育种实践中筛选对温度耐受的作物品种提供指导，也为基因工程选育温度耐受品种提供了可能。 申请人常年从事植物有性生殖的基础研究，对胚胎发育阶段的相关研究有丰富经验。此外，申请人具有项目所需的胚胎操作技术和其他常规技术，有足够的能力保证本项目的圆满完成。

作为有性生殖过程中相当重要的环节——胚胎分化阶段，其顺利进行对保障植物繁殖，世代延续都具有非常重要的意义，然而目前尚缺乏胚胎分化阶段的温度胁迫响应机理研究。本项目以双子叶植物拟南芥为研究对象，首先通过显微操作技术和胚珠透明观察技术研究了温度胁迫对胚胎分化进程的影响，发现高温会加快胚胎生长分化速度，但随着高温处理时间的延长，胚胎死亡率增加；低温会减缓胚胎生长分化速度，但是在同样的处理时间下，对胚胎分化过程的影响没有高温显著。随后，我们对40℃高温胁迫3h条件下拟南芥胚胎分化前后相应胚珠中的基因表达情况进行了转录本测序，通过对48Gb的转录组测序数据的多项生物信息学分析，发现大量基因在高温处理后表达量发生显著变化。高温处理组分化前胚珠与该时期对照相比有3509个基因上调，2984个基因下调；处理组分化后胚珠与该时期对照相比有1770个基因上调，1767个基因下调。聚类分析显示部分差异表达基因在处理组分化前后胚珠中的表达量变化趋势与对照完全相反，暗示高温胁迫对分化前后胚珠中部分基因的表达模式有着显著影响。差异基因功能分类的GO富集分析显示高温处理分化前胚珠与对照组相比差异基因显著富集于碳水化合物代谢过程；处理组分化后胚珠与对照组相比差异基因显著富集于碳水化合物代谢过程以及分子功能分类中的水解酶活性、焦磷酸酶活性、ATP酶活性、螺旋酶活性等具体过程。最后通过差异表达基因数据筛选、半定量PCR和实时定量PCR分析，得到了 11个在拟南芥球形胚和鱼雷形胚两个发育时期以及高温处理后的胚珠中表达量发生了较明显变化的基因，其中AT3G23990在高温处理的分化前后相对表达量变化最明显，分别提高8.6和9.6倍；AT2G36460和AT3G07770在正常胚胎分化过程中表达量呈下降趋势，而在高温处理的胚胎中表达量呈上升趋势；AT3G08690则与前面2个基因的变化趋势相反。以上研究结果补充和丰富了国内外这一研究领域的研究空白，并为揭示植物在有性生殖的胚胎分化阶段对温度胁迫的响应机制研究提供了依据。