野生及多年生苦荞种子休眠解除与萌发的分子机理研究

Tartary buckwheat contains high amounts of flavonoids compounds, especially rutin, which provides many health benefits to humans such as the improvement of plasma cholesterol, hypertension and diabetes. As an important functional food material, the low productivity, combined with increasing cost of planting, hinders the development of tartary buckwheat industry. Our research team engaged in the perennial tartary buckwheat germplasm identification and high-yield hybrid breeding for years. We have obtained a number of new high-yield perennial tartary buckwheat materials with steady genetic characteristic. However, some perennial tartary buckwheat materials have dormant characteristics. This study takes wild and perennial tartary buckwheat seeds as material to study the dormancy types of them, the relationship between plant hormones (ABA/GA) and dormancy, the related genes of seed dormancy release and germination. Then reveal the mechanism of seed dormancy release and germination of wild and perennial tartary buckwheat. The proposed work in this project will provide the basis for the research of hybrid breeding, cultivation, promotion, which is further to promote the industry development of tartary buckwheat.

苦荞富含黄酮类化合物，特别是芦丁，具有降血糖、降血脂和降血压等保健功能，是一种重要的功能食品材料。但是苦荞的产量水平较低，且现在种植成本越来越高，限制了苦荞产业的发展。本研究团队长期从事多年生苦荞的杂交育种工作，现在已获得一批遗传稳定且具有高产潜力的多年生苦荞材料，然而多年生苦荞种子却存在休眠的问题。本项目拟对野生及多年生苦荞的休眠类型、植物激素GA、ABA与种子休眠的关系、休眠解除与萌发的相关基因进行研究，探讨野生与多年生苦荞种子休眠解除与萌发的机理，为推动多年生苦荞高产优质杂交育种、栽培、推广与产业发展奠定基础。

苦荞富含黄酮类化合物，是一种重要的功能食品材料。但是苦荞的产量较低，且现在种植成本越来越高，限制了苦荞产业的发展。本研究团队长期从事苦荞的杂交育种工作，现在已获得一批遗传稳定且具有高产潜力的苦荞材料，然而部分苦荞种子却存在穗萌发的问题，而野生苦荞抗逆性强且存在短期休眠。因此，解析苦荞种子休眠与萌发的机理，为推动苦荞高产优质杂交育种、栽培、推广与产业发展奠定基础。本研究发现野生苦荞种子属于生理性休眠，由于种子生长过程易落粒，因此外观成熟的种子还需经历30天以上的贮藏，方能达到较高的萌发率，高温也可有效打破其休眠状态。基于刚成熟休眠与非休眠苦荞种子的转录组数据，采用加权基因共表达网络（WGCNA）的方法，寻找到与休眠紧密相关的30个核心基因，为进一步研究提供了支持。基于对苦荞种子休眠解除过程蛋白质组学的分析，发现16个蛋白质在休眠种子与刚打破休眠的种子间表达量差异显著，从GO注释结果看，差异蛋白主要集中在生物进程类；从亚细胞定位结果看，差异蛋白主要分布在细胞质和细胞核。对差异蛋白进行功能富集分析，鉴定到的差异蛋白主要富集在苯丙素类生物合成和生物合成物质的负调这两个生物进程；从分子功能看，差异蛋白均集中在氧化还原酶；从细胞组分看，差异蛋白主要富集到核质和细胞质。基于对种子休眠解除过程泛素化蛋白质组学的分析，发现休眠解除过程有28个修饰位点表达量存在显著差异；利用GO注释对差异泛素化蛋白进行功能分类，从分子功能看，差异蛋白均集中在催化还原反应、锚定方面；KOG功能分类发现5个差异蛋白与细胞内运输、分泌和囊泡运输蛋白同源，7个蛋白与新陈代谢蛋白同源，2个蛋白与信息存储与处理蛋白同源；差异蛋白功能富集分析发现，差异蛋白主要集中在磷酸烯醇丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇丙酮酸羧基酶、羧基裂解酶、碳裂合酶、裂合酶等酶活性方面。项目还利用大量的荞麦材料建立了17个可快速测定荞麦营养成分的近红外模型，可用于荞麦的遗传育种工作。