杨树种子迅速萌发的机理研究

Seed germination is a very complex process, the key events of seed germination, however, are now unclear. Germination percentage of aspen seeds reachs 21% at 2 h of imbibition at 20 C, which is a ideal model to investigate the mechanism of seed germination of wood plant. In the present project, using the maturation aspen seeds as a model, combining the techniques of cytology, physiology, molecular biology and proteomics, we investigate the events associated with rapid germination of aspen seeds, including (1) the morphological character and cellular/subcellular structure; (2) seed germination activity; (3) the content of abscisic acid (ABA) and gibberellin (GA) ant the key-gene expression associated with biosynthesis and catabolism of ABA and GA during seed germination; (4) the proteome profile in dry seeds, differential proteome during seed germination and the proteome regulated by transcription and protein synthesis inhibitor; and (5) the expression of important functional genes implicated in rapid seed germination. There is a fine prophase working basis in our group for the studies on seed germination, determination of ABA and GA contents, expression analysis of key-genes associated with biosynthesis and catabolism of ABA and GA, and seed proteome. This project will provide some new knowledge and techniques to explain the basic problem in plant biology and forestry, "how does the embryo emerge from its surrounding structures to complete germination".

种子萌发是一个非常复杂的过程，到目前为止，种子萌发的关键事件仍然不清楚。杨树种子在20 C下吸胀2 h的萌发率达21%，是研究木本植物种子萌发机制的理想模式材料。本项目以成熟的杨树种子为材料，集成细胞学、生理学、分子生物学和蛋白质组学的技术，研究与杨树种子迅速萌发有关的 (1) 形态特征和细胞/亚细胞结构；(2) 种子的萌发活性；(3) 种子萌发过程中ABA和GA的含量及其生物合成与降解关键基因的表达；(4) 干种子的蛋白质组图谱，种子萌发进程的差异蛋白质组，转录抑制剂和蛋白合成抑制剂处理影响的蛋白质组；以及 (5) 与种子迅速萌发相关的重要功能基因的表达。项目组在种子萌发、ABA和GA含量及其生物合成与降解关键基因的表达以及种子蛋白质组等研究方面具有良好的前期工作基础。本项目的研究将为解释植物生物学和林学中的基本问题"胚怎样突破周围结构完成萌发"提供新的知识与新技术。

种子活力是一个复杂的概念，决定了种子的快速统一的萌发和随后的生长。然而，在种子活力变化的机制知之甚少。杨树（Populus×canadensis Moench）种子是一种短命种子，存储在30℃和75±5%相对湿度的条件下，不同时期（0–90天）获得不同活力种子（从95%到发芽率0 %）。随着种子活力降低，发芽种子的呼吸速率明显下降，种子的相对电导率明显增加，种子萌发温度范围变小。共发现81个蛋白点丰度显著变化（≥1.5倍，P＜0.05）时，比较不同时间处理的蛋白质组，所识别的65种蛋白质，大部分属于代谢组（23%），蛋白质合成和降解（22%），能量（18%），细胞防御和救援（17%），和储藏蛋白（5%）。这些蛋白质占所有确定的蛋白质的95%。在种子老化过程中，53个和6个确定的蛋白质分别不断增加和减少丰度，这些蛋白质的功能是能量代谢、蛋白质的合成和降解、细胞防御和救援、储藏蛋白质和细胞的生长和结构。这些数据表明，种子活力下降（老化）是一个能量依赖的过程，需要蛋白质合成和降解以及细胞防御。种子萌发是受多种遗传、内在与外在环境因素影响的复杂性状。种子萌发的分子机制尚不完全清楚。在10，15和20℃黑暗中，杨树种子迅速发芽，种子达到50%的发芽率的时间是22、4.5和3.5 h。在本研究中，成熟的杨树种子被用来作为一个模型，去研究用水、ABA和CHX处理种子的蛋白质组差异。共有109个蛋白点发生了显著的变化（≥1.5倍，P＜0.05）。大多数的蛋白质功能是细胞防御和救援（21%），储藏蛋白（20%），蛋白质的合成和降解（18%），代谢（17%），能量（13%），以及转录和RNA代谢（6%）。种子的萌发与参与氨基酸和脂质代谢、TCA循环和磷酸戊糖途径、蛋白质合成和降解、储藏蛋白降解、细胞防御和救援的蛋白质增加密切相关。ABA和CHX抑制杨树种子萌发，通过降低相关蛋白质丰度。杨树种子发芽是一个能量依赖的主动过程，包括氨基酸的活化，蛋白合成、储藏蛋白降解、蛋白折叠以及细胞防御和救援。