拟南芥种子贮藏蛋白质表达对改变重力响应的分子机理研究

地球上的生命都是在重力环境中长期进化而来，重力在植物生长发育过程中起着重要的调控作用。重力条件变化可导致植物生长发育、代谢与基因表达发生明显的改变。重力参与种子贮藏物质积累过程的调控也有报道，但其调控贮藏物质积累的分子机理尚不明确。本研究选择拟南芥种子中的主要贮藏蛋白12S球蛋白与2S白蛋白为研究对象，利用蛋白组学和转录组学方法系统地研究模拟失重条件下两种主要的贮藏蛋白基因与蛋白的表达变化与调控，并拟利用转基因技术重点研究12S球蛋白基因在种子不同发育阶段的表达情况及其对改变重力条件的响应，同时，研究贮藏蛋白转译后修饰的两个关键基因：与蛋白折叠有关的BiP基因和与二硫键形成有关的PDI基因对改变重力的响应，从贮藏蛋白质的转译与转译后修饰两个方面，了解并初步阐明重力在调控种子贮藏蛋白基因表达中的作用机理，为进一步揭示植物对重力响应的本质打下基础。

本项目系统地研究了拟南芥种子贮藏蛋白表达对改变重力响应的分子机理，首次利用转基因和组织化学等方法获得了模拟微重力和超重对种子贮藏蛋白形成影响数据，在五个方面取得了进展：（1）改变重力没有明显影响拟南芥胚胎发育过程，但影响胚胎形态和种子的重量；（2）模拟微重力抑制拟南芥种子贮藏蛋白的积累，导致种子贮藏蛋白总体含量降低；（3）模拟微重力可能直接参与调控12S贮藏蛋白基因的时空表达；（4）模拟微重力延迟种子发育过程中碳代谢向蛋白质贮藏物质积累阶段的转变；（5）改变重力影响调控贮藏蛋白质和蛋白体形成的关键蛋白的表达。本项目取得研究结果为解析重力在种子贮藏蛋白质形成中在作用机理提供了重要数据，也为我国即将建成的空间实验室和空间站中研究高等植物从种子到种子的实验设计和研究提供了重要参考。