田间高温高湿胁迫降低南方春大豆发育种子活力的机制研究

The development seed of south China spring soybean is easily exposed to high temperature and humidity stress in field, which affects its vigor formation and causes its vigor reduction. This situation seriously obstructs the spring soybean production in this region. However, the mechanism on vigor reduction of developmental seeds of south China spring soybean by high temperature and humidity stress in field is still not understood. In this project, using soybean germplasm with differential vigor as experimental material, as well as by proteomics, metabolomics, biophysiological and biochemical analysis and microstructure observation, etc. we investigate (1) the effects of high temperature and humidity stress on microstructure, biophysiological and biochemical traits, metabolic pathways, and cell processes of the pod peel and developing seed cotyledon and embryo before physiological maturity, and between physiological maturity and maturity period; (2) the effects of high temperature and humidity stress on the material transportation among plant, pod peel and seed. Through these investigations, we hope to reveal the mechanism on vigor reduction of developmental seeds of south China spring soybean under high temperature and humidity stress. The results will not only lay theory foundation for breeding elite soybean cultivars with high seed vigor as well as enhancing breeding, but also supply practice guidance for the control of high vigor seed production as well as enhancing production.

我国南方春大豆种子发育期间易受高温高湿胁迫，一方面影响种子活力的形成，另一方面降低种子活力，导致种子活力整体下降，这严重妨碍了南方春大豆生产的发展。但目前针对田间高温高湿胁迫降低南方春大豆发育种子活力的机制缺乏研究。本项目以种子活力遗传性存在差异的春大豆种质为材料，运用蛋白质组学、代谢组学、生理生化、微观结构观察等技术，分别在种子生理成熟期前以及生理成熟期至成熟期间高温高湿胁迫，研究其：(1)对荚皮、子叶和胚的微观结构、生理生化、代谢途径和细胞过程等方面的影响；(2)对植株、荚皮和种子间物质转运状况等的影响，揭示高温高湿胁迫降低南方春大豆发育种子活力的机制。其结果一方面可为具高活力遗传特性春大豆品种的选育奠定理论基础，从而促进具高活力新品种的选育；另一方面可为高活力种子的生产和调控提供实践指导，从而实现高活力种子的优质生产；其三，还可为其他作物种子高活力基础的研究和良种生产提供借鉴和指导。

我国南方春大豆种子发育期间易受高温高湿胁迫，一方面影响种子活力的形成，另一方面降低种子活力，导致种子活力整体下降，这严重妨碍了南方春大豆生产的发展。但目前针对田间高温高湿胁迫降低南方春大豆发育种子活力的机制缺乏研究。本项目以种子活力遗传性存在差异的春大豆种质为材料，运用蛋白质组学、代谢组学、生理生化、微观结构观察等技术，分别在种子生理成熟期前以及生理成熟期至成熟期间高温高湿胁迫，研究其：(1)对叶片、荚、子叶和胚的微观结构、生理生化、代谢途径和细胞过程等方面的影响，研究关键蛋白（基因）的功能；(2)对植株、荚皮和种子间物质转运状况等的影响，揭示高温高湿胁迫降低南方春大豆发育种子活力的机制。初步明确了高温高湿胁迫下种子活力遗传性存在差异的春大豆种质叶片和发育种子(胚、子叶)中部分响应胁迫的关键蛋白(基因)的功能和调控网络。在高温高湿条件下，G蛋白、ABA介导的和钙依赖的，以及磷脂肌醇和MAPK信号途径参与胁迫的响应。为了增强种子活力，叶片、豆荚、子叶和种胚协同加强了细胞超微结构的稳定性、活性氧清除、蛋白质加工、折叠和组装及氨基酸的生物合成，并减少了光呼吸速率、脂肪酸的降解和能源的消耗，这些可能是湘豆三号具有相对较高种子活力的重要原因。大豆叶片、豆荚协同参与了种子活力的形成，因而在研究大豆种子活力形成时，不仅要考虑种胚和子叶，也需要考虑叶片和豆荚的影响。其结果一方面可为具高活力遗传特性春大豆品种的选育奠定理论基础，从而促进具高活力新品种的选育；另一方面可为高活力种子的生产和调控提供实践指导，从而实现高活力种子的优质生产；其三，还可为其他作物种子高活力基础的研究和良种生产提供借鉴和指导。