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油菜素内酯与赤霉素协同调控水稻种子萌发的分子机制研究

熊敏  
【摘要】:种子萌发是植物新生命周期的开始,对植物生长和作物生产至关重要。水稻是我国最重要的粮食作物之一,提高水稻整体出苗率和幼苗存活率是确保水稻高产的重要前提,而其关键在于良好的种子萌发及萌发后的快速生长。种子萌发过程涉及众多复杂的生理生化反应,包括胚乳中贮藏物质动员和胚中养分的运输和再利用。油菜素内酯(Brassinosteroid,BR)被誉为第六大植物激素,参与调控植物生长发育的一系列过程。重要的是,BR可调节作物株高、叶夹角、粒形、萌发等多个重要农艺性状,具有巨大的农业应用潜力。然而,BR调控水稻种子萌发的分子机制目前尚不清楚。因此,本研究首先围绕BR在水稻种子萌发过程中的效应及其调控机制开展分析,明确BR通过核心转录因子BZR1为中心的转录调控模块调节种子萌发及萌发后生长。赤霉素(Gibberellin,GA)是最重要的种子萌发促进类激素。已知GA和BR在多种植物的不同生长发育事件中均存在互作,但对于它们是否协同调控水稻种子萌发仍不清楚。基于此,本研究进一步聚焦BR与GA共同调控水稻种子萌发的效应和分子机制开展分析,明确了萌发期间BR和GA既独立又互作的关系,探明了 BR和GA通过动员贮藏淀粉和谷蛋白来调节种子萌发的机制,并发掘了信号通路下游多个影响萌发的重要基因,成功构建了由BR自身及BR与GA协同调控种子萌发的分子网络。本研究不但促进了对水稻种子萌发和休眠调控机制的理解,还可为生产中培育具良好萌发特性的水稻新品种提供了重要的理论依据、基因资源和遗传种质。主要研究结果如下:1.阻断BR合成或信号转导,包括BRZ处理、下调DWARF11基因表达、BRI1受体缺陷和过表达GSK2激酶,均会延迟水稻种子萌发并抑制萌发后胚生长。此外,证据表明BZR1是介导BR对种子萌发调控的关键转录因子,主要通过直接结合RAmy3D启动子来调节α-淀粉酶的表达和活性,进而影响胚乳中淀粉的降解和可溶性糖含量。2.本研究揭示的BZR1-RAmy3D转录调控模块在胚乳贮藏淀粉降解过程中发挥重要作用,其独立于GA途径中已建立的GAMYB-RAmy1A模块,且该转录调控模块在种子胚中还可调节瞬时淀粉代谢。RNA-seq分析鉴定了众多潜在的BZR1应答基因。以上结果不但明确了 BZR1是介导BR信号调控水稻种子萌发的核心元件,还进一步鉴定了受BZR1调控的下游靶基因,成功建立了以BZR1转录因子为中心的水稻种子萌发转录调控模块。本研究有利于分离出更多响应BR信号且特异性调控种子萌发的新基因。3.敲除OsBZR1会导致水稻株高略微降低、株型紧凑,该表型符合现代水稻育种对优良株型的要求。尽管bzr1-i1和bzr1-d4突变体的千粒重较对照略有降低,但在适当密植条件下,bzr1突变体具备良好的增产潜力。更重要的是,bzr1突变体抗穗发芽能力显著优于野生型对照,可更好的保证在密植、高温高湿条件下水稻的稳产性,减少穗发芽引起的水稻产量和品质的巨大损失。4.对种子萌发早期的胚进行蛋白组学研究,结果显示多个淀粉合成酶的蛋白丰度变化显著,其中Wx蛋白变化幅度最高。已知Wx蛋白是控制水稻直链淀粉合成的关键酶,是稻米蒸煮食味品质最重要的调控因子之一。表达分析显示BR和GA可促进胚中的Wx蛋白积累。在Wx相关的水稻近等基因系和转基因系中,Wxa型种子的萌发快于wx型。其原因是Wxa型种子淀粉更易降解,且其α-淀粉酶表达和活性更高,可更高效的将淀粉转化为可溶性糖,为种子萌发和萌发后生长提供更多的能源和物质。此外,自然种质中Wxa型水稻种子萌发总体快于wx型,说明淀粉的组成和结构可影响种子萌发。本研究为培育高产优质且具有良好萌发特性的优良水稻新品种提供了新靶点和新思路。5.蛋白组学和qRT-PCR分析结果均表明BR和GA可以诱导水稻胚中多种谷蛋白编码基因的表达。进一步分析显示胚中谷蛋白积累增加很可能是由于胚乳中的半胱氨酸蛋白酶(REP-1)表达增强,从而加速了胚乳中贮藏谷蛋白的降解。胚乳中谷蛋白降解速率与胚芽长度呈严格正相关。GluA2基因突变导致谷蛋白降解速率降低及萌发变慢,且在glua2突变体中,GA对种子萌发的促进作用减弱。水稻胚离体培养试验证明,谷蛋白动员在GA和BR途径下游发挥促进胚芽伸长的作用。因此,BR和GA通过协同调节胚乳中谷蛋白动员来促进水稻种子的萌发和胚生长。6.外源GA处理能够恢复BR缺乏或不敏感引起的水稻萌发缺陷。利用蛋白组学方法共鉴定出42个可靠的响应GA的差异表达蛋白,且大多数在不同的GA处理组中表达变化趋势一致。进一步利用生物信息学方法构建了差异表达蛋白的蛋白-蛋白互作网络。有趣的是,LEA(Late Embryogenesis Abundant)家族5个成员在转录水平和蛋白质水平均受到GA的显著抑制。这些LEA基因在水稻种子中特异表达,在种子发育后期达到表达峰值。最后,利用基因编辑技术创建了其中一个代表性成员LEA33的突变体,结果显示LEA33突变影响了水稻籽粒大小和种子萌发,可能是通过减少BR积累而促进GA生物合成来实现的。上述研究结果丰富了我们对BR和GA协同调控种子萌发机制的理解。


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