玉米种子不同组织和亚细胞器老化响应的蛋白质组和翻译后修饰蛋白质组分析

Seed ageing is an unavoidable process during seed storage. Seed ageing will decrease germinability of seeds or result in failure of seedling establishment, which brings huge economic loss into agricultural production. In addition, seed ageing will cause loss of genetic diversity during conservation of plant germplasm resources. Although a large number of studies have investigated seed ageing, the causes of seed ageing are still unclear. We hypothesized that seed ageing will cause various types of protein posttranslational modification, which affect protein function and seed vigor. In addition, different organ or subcellular organelle may have different response to seed ageing. To validate our assumption, this project will use maize seeds as materials and combine cytological, physiological and proteomics techniques to investigate 1) the change of cellular and subcellular structure; 2) the temporal and spatial change of reactive oxygen species and lipid oxidation products and 3) the temporal and spatial change of total proteins and posttranslational modified proteins, including glycosylated, phosphorylated, carbonylated and S-nitrosylated proteins during seed ageing at the organ and subcellular levels. It aims to find the key organ or subcellular organelle in response to seed ageing and clarify its responsive mechanisms. The results will provide the theoretical references and technical supports for solving the problem of seed deterioration during storage.

种子老化是种子贮藏过程中不可避免的事件。种子老化导致萌发能力下降或者成苗的失败，给农业生产带来巨大的经济损失。在种质资源保存中，老化还会导致植物遗传多样性的丢失。尽管大量的研究探讨了种子的老化机制，关于种子老化的根本原因仍旧不清楚。我们推测种子老化可能引发多种蛋白修饰，致使蛋白功能丧失，进而导致种子活力降低；同时，种子不同组织部位或者亚细胞器对老化可能存在不同的响应。为验证上述设想，本项目以玉米种子为材料，集成细胞学，生理学和蛋白质组学相关技术，从组织和亚细胞两个水平，研究种子老化过程中，1) 细胞和亚细胞结构的变化; 2) 活性氧和脂质过氧化产物的时空变化特征以及3) 总蛋白和各种修饰蛋白，包括糖基化、磷酸化、羰基化和S-亚硝基化修饰蛋白的时空变化特征，旨在探明种子老化响应的最关键部位及其相关分子机制，为有针对性地解决贮藏过程中种子的老化问题提供重要的理论依据和技术支撑

种子老化导致种子萌发力下降和成苗失败，给农业生产带来巨大的经济损失。尽管大量的研究探讨了种子老化机制，其根本原因仍旧不清楚。本项目以玉米种子为材料，集成细胞学、生理学和蛋白质组学技术，从组织和亚细胞水平研究种子老化过程1) 种子活力以及细胞和亚细胞结构变化; 2) 活性氧和脂质过氧化产物的时空变化以及3) 总蛋白和翻译后修饰包括糖基化、磷酸化、羰基化和S-亚硝基化修饰蛋白的时空变化，旨在深入探明种子老化的分子机制。种子活力以及活性氧和脂质过氧化产物测定表明，种子老化损伤的主要组织部位为胚根和胚芽，主要细胞器为线粒体。种子老化过程中，胚根和胚芽中磷酸化、羰基化、S-亚硝基化和糖基化修饰蛋白含量高于其它组织；亚细胞器中，羰基化、S-亚硝基化和糖基化修饰蛋白含量以线粒体最高，而磷酸化修饰蛋白含量以细胞核最高。总蛋白组学分析表明，胚根和胚芽随老化丰度差异累积的蛋白数量最多。种子老化对线粒体电子传递链、TCA循环以及脱毒过程影响最大。翻译后修饰组学分析表明，组织水平丰度差异累积S-亚硝基化修饰蛋白富集于逆境响应、糖代谢、能量产生、蛋白合成和脱毒等生物学过程，而亚细胞器蛋白富集于逆境响应、细胞代谢、防御和脱毒、糖代谢和RNA运输等过程；组织水平丰度差异累积磷酸化修饰蛋白富集于蛋白合成、降解和修饰、糖代谢、转录、RNA转运和降解、MAKP和ABA信号等生物学过程，而亚细胞器蛋白富集于细胞定位和转运、糖代谢和RNA转运和降解等过程；组织水平丰度差异累积糖基化修饰蛋白富集于蛋白合成、糖代谢和脱毒等生物学过程，而亚细胞器蛋白富集于TCA循环、蛋白合成、转录以及逆境响应等过程。进一步地，研究鉴定到PP2C-SnRK2-bZIP模块蛋白以及活性氧清除酶PRX1A和PRX2E 可能与种子活力密切相关。该研究为更好地利用分子生物学手段，解决种子老化问题提供重要的理论依据和参考。