内源水杨酸调控玉米种子低温萌发能力的作用机制研究

Chilling in early spring is the most severe environment stress factor that significantly affected maize (Zea mays L.) seed germination. Salicylic acid (SA) is proved to be effective in regulating plant chilling tolerance. However, few reports are available on relationship between endogenous SA and maize chilling tolerance. In order to investigate the relationship between endogenous SA and maize seeds germinating ability under chilling stress, two different chilling-tolerant inbred lines will be used in this project. The change of endogenous SA contents will be determined during seed germination phase under normal condition or chilling stress, and the biosynthetic pathways of SA will also be explored. In addition, SA or SA biosynthesis enzyme inhibitor will be exogenously applied to measure changes of endogenous SA contents in seed embryo, seed germination rate, physiological active components and cold-responsive genes expression. Besides, endogenous SA deficient or over-accumulated mutant seeds will be acquired by Agrobacterium mediated shoot apical meristem transformation or CRISPR/Cas9 method. Depending on all above studies, it may illuminate the exact regulatory mechanism of endogenous SA on maize seed germinating ability under chilling stress from the inhibitor and transgenosis perspective, respectively, which can also provide theoretical foundation for chilling-tolerant maize varieties breeding.

早春低温是影响玉米种子萌发的首要因素，而水杨酸（SA）能有效调控植物的耐寒性。但内源SA与玉米耐寒能力关系还鲜有报道。为研究内源SA与玉米种子低温萌发能力关系，本项目拟选用两个不同耐寒型玉米自交系为材料，通过研究种子常温和低温萌发过程中内源SA含量变化，探索低温胁迫下SA的生物合成途径；并通过外源施用SA及其合成酶抑制剂，测定低温萌发过程中种胚内源SA含量、种子萌发速率、种子生理活性物质以及冷害响应基因的表达情况。另外，采用农杆菌介导的玉米茎尖遗传转化法和CRISPR/Cas9技术获得内源SA含量缺失或超积累突变玉米种子，并测定这些种子的低温萌发能力。综合以上研究内容，分别从抑制剂和转基因角度阐明内源SA对玉米种子低温萌发能力的调控作用机制，以期为耐寒型玉米品种的选育提供理论依据。

低温冷害是我国玉米早春播种最常易遭受的自然灾害之一。低温冷害的主要表现为影响玉米种子萌发和出苗整齐度，降低出苗率，延误最适播种期，最终造成产量、品质下降。水杨酸（SA）是植物体内发现的一种能有效调控植物应对多种环境胁迫的激素。有关外源施用SA提高植物耐寒性的研究较多，但低温条件下种子萌发过程中内源SA的作用还鲜有研究。本项目通过研究玉米种子低温萌发过程中内源SA含量变化、种子萌发速率、种子生理活性物质变化、冷害应答基因表达情况等，分析内源SA与种子萌发能力的关系。在此基础上，结合SA合成酶抑制剂处理等验证内源SA对玉米种子低温萌发的影响。采用转基因技术获得SA含量缺失或超积累的玉米种子，测定这些种子的低温萌发能力，探讨内源SA参与调控玉米种子低温萌发能力的作用机制。主要结果如下：.1. 低温胁迫显著影响了玉米种子的萌发，减缓了玉米幼苗的生长。玉米种胚内脯氨酸和可溶性糖含量在低温胁迫下也显著增加，低温胁迫还促进了萌发后期种胚内α-淀粉酶的活性。抗氧化物系统中SOD、CAT的活性在低温下显著上升，但POD、APX的活性则显著下降。种胚内MDA的含量与常温条件无显著差异。.2. 低温胁迫短暂的促进了玉米种胚内源游离态SA的积累，却增加了萌发后期内源结合态和总的SA含量。相关性分析结果表明种子低温萌发过程当中脯氨酸含量与游离态水杨酸含量、结合态水杨酸含量、水杨酸总量呈极显著正相关，且上述指标均与发芽指标呈正相关关系。此外，低温胁迫显著地促进了与SA相关的冷害应答基因表达。以上结果说明低温胁迫下内源SA与种子萌发能力存在一定的关系。.3. 采用转基因技术构建了SA羟化酶基因（NahG）的过表达载体和玉米SIZ1基因编辑载体，已获得SA含量缺失或超积累的玉米愈伤组织。.综上，内源SA主要通过调控种子内的抗氧化系统、激活冷害应答基因的表达等增强玉米种子低温萌发能力。研究结果将有助于阐明SA调控玉米种子低温萌发的分子机理，并对耐寒型玉米新品种的选育提供重要的理论依据。