交替氧化酶在水稻低温萌发过程中的功能研究

During germination process, low temperature treatment could decrease the speed and ratio, which might lead to serious yield loss. Various studies have demonstrated that the Alternative Oxidase (AOX) played important roles in plant stress response. However, there were few reports of the function of monocot AOXs, especially the function of AOXs at low temperature during germination. We found that the inhibition of rice AOX activity brought significant suppression of low temperature germination, which suggested the involvement of the cold response. In this project, we plant to overexpress, knock-out and complement all four rice AOX genes. Combining the expression pattern analyzes, we are going to determine the functional members. Moreover, the respiratory rate and capacity, heat production, ROS level and expression of antioxidant marker genes will be carefully examined to illustrate the underlying mechanism of AOXs. This study will help us to understand the low temperature response in rice seed germination. The results may be useful to design and generate new rice varieties with better tolerance to low temperature in germination process.

萌发期低温显著影响种子萌芽速度和萌发率，是作物减产的重要逆境因素。大量研究表明交替氧化酶（Alternative Oxidase, AOX）在胁迫响应中起关键作用。然而对单子叶植物AOX家族，特别是在萌发期低温胁迫响应中功能的报道非常有限。在前期研究中，项目组发现抑制水稻AOX活性，低温萌发能力显著降低。我们推测AOX对水稻萌发期低温胁迫响应起重要作用。本项目拟通过创制水稻4个AOX家族成员的超表达、敲除突变及回补材料，观察低温萌发表型，结合基因表达变化，鉴定在低温萌发中起主要作用的AOX成员。在此基础上，综合利用遗传学和生理生化分析手段，精确测定低温萌发过程中呼吸速率、释放热量、活性氧浓度和标志性抗氧化基因表达水平等关键指标的变化，阐明AOX在该过程中的生理机制。本研究将加深对萌发期低温胁迫响应机理的认识，为分子设计和培育低温萌发率高的水稻品种奠定基础。

萌发期低温显著影响种子萌芽速度和萌发率，是作物减产的重要逆境因素。大量研究表明交替氧化酶（Alternative Oxidase, AOX）在胁迫响应中起关键作用。然而对单子叶植物AOX家族，特别是在萌发期低温胁迫响应中功能的报道非常有限。在前期研究中，发现抑制水稻AOX活性，低温萌发能力显著降低。推测AOX对水稻萌发期低温胁迫响应起重要作用。本研究针对AOX1家族在低温萌发过程中的功能和生理机制展开研究。. 本研究利用CRISPR-Cas9技术，通过农杆菌介导转化水稻方法，创制水稻4个AOX家族成员的超表达、敲除突变及回补材料，观察低温萌发表型，结合基因表达变化，从而明确了AOX1a和AOX1b在水稻低温萌发的起主要作用。通过对AOX1基因超表达材料、敲除突变体及其回补材料的表型和分子鉴定，针对呼吸速率，种子萌发过程的温度，活性氧水平以及抗氧化关键基因的表达水平，进行了系统分析，初步明晰了AOX1基因通过加快呼吸速率，促进产热，并上调表达抗氧化关键基因，降低活性氧水平，从而促进低温萌发的机理。本研究成果可加深对萌发期低温胁迫响应机理的认识，为分子设计和培育低温萌发率高的水稻品种奠定基础。