基于蛋白质复合体组学及质谱原位成像技术研究濒危孑遗植物南方红豆杉种子休眠与萌发机制

Taxus chinensis var. mairei is a relict plant (living fossil plant) in our country. The mechanism of seed dormancy and germination is still unknown, and the breeding process of Taxus chinensis var. mairei is usually hindered by long dormancy of seed and low germination rate. The methods of protein complexomics and mass spectrometry imaging (MSI) are used in this study to combine both advantages of integrity analysis and in situ characterization in mechanism analysis for seed dormancy and germination of Taxus chinensis var. mairei. Based on protein complexomics and MSI, the development of a synthetic method for overall, dynamic and in situ MS analysis about comprehensive objects (protein complexes, interacting proteins, protein post-translational modifications, and endogenous metabolites) from Taxus chinensis var. mairei seeds with different physiological status between dormancy and germination will be carried out. The results integration and thorough analysis are useful for comprehensively and accurately revealing the mechanism of Taxus chinensis var. mairei seed dormancy and germination. The breeding process and storage of high quality germplasm resources of Taxus chinensis var. mairei are also benefited from this project. The establishment of this comprehensive characterization method will be also significant in mechanism analysis for other rare plants' seed dormancy and germination, providing a new research strategy for agroforestry.

南方红豆杉是我国特有的濒危药用孑遗植物，其种子休眠与萌发机制尚不明确，且休眠期长，萌发率低，严重阻碍了该珍稀物种的育种进程。本项目拟采用蛋白质复合体组学方法及质谱成像技术，通过结合二者整体性和原位分析的优势特点，基于南方红豆杉休眠与萌发种子不同生理状态，针对种子内部蛋白质复合体、相互作用蛋白质、蛋白质翻译后修饰及内源性代谢小分子开展整体、动态、原位分析；通过结果整合、综合分析以期在蛋白质互作及代谢层面上全面、精确揭示南方红豆杉种子休眠与萌发机制，指导育种进程、推动优质种质资源的长期保存。本研究建立的分析方法及研究思路亦可应用于其它植物种子休眠萌发机制研究，为农林育种提供新的研究策略与分析手段。

南方红豆杉是我国特有的濒危药用孑遗植物，其种子休眠期长，自然萌发率低，休眠与萌发机制尚不明确，严重阻碍了该珍稀物种的育种进程。本项目从蛋白质复合体及相互作用蛋白质角度出发，构建了一种新型适用于植物内源性蛋白质（特别是复合体和互作蛋白质）非变性温和提取方法--Tris-SSAD、搭建了植物适用性新型BS4-DE电泳分离体系、开发了系列新型MSI技术方法，并将这些技术方法成功应用于南方红豆杉种子休眠萌发机制研究。基于Tris-SSAD方法及新型BS4-DE电泳分离体系成功发现了87种与南方红豆杉种子休眠与萌发相关的蛋白质复合体及相互作用蛋白质；利用传统蛋白质互作研究技术结合HR-LC-MS方法进一步确证了其中16种与南方红豆杉种子休眠萌发状态转化相关性极其显著的差异蛋白质复合体及相互作用蛋白质，一共参与涉及5种信号通路（包括植物激素代谢通路、萜类代谢通路、氨基酸代谢通路、三羧酸能量代谢通路、脂质代谢通路）；利用新构建的系列新型MSI技术完成了南方红豆杉种子休眠萌发相关关键内源性分子（包括：上述16关键蛋白质复合体/相互作用蛋白质、脂质分子、氨基酸分子、核苷类分子、代谢小分子）MSI原位表征研究，结合原位萃取HR-LC-MS完成了代谢组学分析；整合分析蛋白质复合体组学与质谱分子成像、代谢组学方法所获得的分析结果，系统性评估了关键蛋白质复合体及相互作用蛋白质在南方红豆杉种子休眠萌发不同生理阶段的组织学异质性原位分布特征，最终完成了关键成分分布模式综合性分析，推动了南方红豆杉种子休眠与萌发机制的精准揭示。研究表明：南方红豆杉种子在休眠萌发过程中蛋白质复合体、互作蛋白质及相关代谢分子存在明显差异；植物激素脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）的拮抗表达与南方红豆杉种子休眠萌发密切相关；南方红豆杉萌发种子胚乳中蛋白酶体的高表达促进了贮藏蛋白的降解，为种子萌发过程中各种蛋白质的合成提供了重要的氨基酸来源；蛋白质复合体/相互作用蛋白质磷酸化翻译后修饰对于南方红豆杉种子休眠与萌发状态的转化至关重要。本项目研究建立的分析方法及研究思路亦可应用于其它植物种子休眠萌发机制研究。