水稻BGlu基因家族成员调控种子寿命的作用与分子机制

Seed longevity is an important trait from both ecological and agricultural perspectives. However, the mechanism underlying the trait is not clear. Our previous studies showed that after seed ageing treatment, the overlapped differentially expressed genes in the embyro of three tocochromanol deficiency transgenic rice plants were significantly enriched in seven gene ontology (GO) Terms such as GO: glycoside hydrolases including β-glucosidases and GO: response to abscisic acid stimulus. Since plant β-glucosidase is reported to be induced by biotic and abiotic stress, and hydrolyzes glucose-conjugated, biologically inactive abscisic acid (ABA-E) to active ABA, we propose that the stress response regulated by ABA is also functional in seed ageing process. Therefore, the current project will systemically analyze the expression pattern of all the members in the gene family and screen out 5-8 β-glucosidases that possibly related to seed longevity. Then generate loss of function mutants for each β-glucosidase and analyze the relationship of changes in seed longevity, ABA level in seed, accumulation of seed specific proteins and ROS metabolism, and also the subcellular localization of each β-glucosidase. This study will theoretically provide a basis for elucidating the function and molecular mechanism of β-glucosidase in regulating seed longevity of rice, and practically provide guidance to regulate the seed storage of crop.

种子寿命是生态学上和农业上具有双重意义的重要性状，但其调控的机制目前还很不清楚。我们前期研究发现，水稻生育酚、三烯生育酚的不同合成突变体种子老化处理后寿命降低的同时，其种胚共同表达的差异基因富集在包括β-葡萄糖苷酶(BGlu)基因家族在内的糖苷水解酶和对ABA刺激的反应等7个GO Term。由于植物BGlu受生物或非生物胁迫诱导，催化无活性ABA葡萄糖酯生成有活性ABA，因此推测种子老化过程同样存在着ABA调控的反应过程。为此，本项目在全面分析水稻BGlu基因家族表达模式的基础上，确定5~8个可能调控种子寿命的成员，通过构建其功能性缺失突变体，研究种子发育与贮藏过程中，种子寿命的变化与BGlu调控的ABA水平、种子内特定蛋白积累及ROS代谢之间的关系，确定其亚细胞定位，阐明其调控水稻种子寿命的功能与作用机制。本研究对于深入理解种子寿命的调控机理，调控作物种子的贮藏具有重要的理论和实践意义。

种子寿命是生态学上和农业上具有双重意义的重要性状。寻找并明确调控种子寿命的关键基因的作用与机制具有重要的意义。本项目首先根据BGlu家族成员基因的电子表达谱，结合Real-time PCR技术，研究了候选基因表达模式，在此基础上重点研究了BGlu14、BGlu25、BGlu6、BGlu10、β-1,3-葡聚糖苷酶At2g27500等在植物生长发育、种子寿命中的作用与机制。过表达BGlu14的植株茎秆和种皮木质素含量升高，表明BGlu14是一种单木质醇葡萄糖苷酶。种子老化前后种胚中ROS含量降低，但种子的寿命却显著降低，表明种子中木质素含量的升高在种子老化中没有作用。代谢组学研究发现，过表达BGlu14使得种子中尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)含量上升，引发体内细胞程序性死亡，是其负调控种子寿命的主要原因。分析了糖基水解酶β-1,3-葡聚糖苷酶At2g27500影响种子寿命的分子机制。构建了该基因启动子和GUS融合表达的转基因植株。组织染色显示，基因特异性地在种胚中表达。其蛋白定位于叶绿体。苯氨蓝染色显示，种子发育后期，突变体种子内胼胝质积累量明显比野生型高，进而影响到种子的休眠特性、种子的透性来正调控种子的寿命。研究了BGlu6影响植株生长、抗旱和光合作用的分子机制。定位于叶绿体的BGlu6是目前水稻中第一个发现的具有ABA-GE水解活性的β-葡萄糖苷酶，可通过影响植物体内ABA的含量进而影响植物的抗逆能力和光合作用。形态、生理和基因表达分析表明，BGlu10、BGlu24、BGlu33在种子萌发和根系生长中发挥不同的作用，与ABA、IAA信号通路具有不同的关系。这些研究结果，为进一步认识BGlu在植物体内的功能，阐明BGlu家族在植株生长发育、逆境适应性及种子寿命的生理与遗传机制奠定了重要的基础。项目执行过程中，课题组成员积极参加学术交流达26人次，培养硕士生5名、博士生3名。已发表论文7篇[其中核心期刊2篇，SCI期刊5篇，包括1篇生物学大类一区(New Phytologist)]，已投稿SCI期刊论文1篇。