基于多组学揭示桃儿七种子萌发机制研究

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桃儿七(Sinopodophyllum hexandrum Royle)为小檗科桃儿七属多年生草本植物,根茎富含抗病毒、抗癌和抗辐射等的化学成分鬼臼毒素(podophyllotoxin,PPT),独特的药理学活性促使其市场需求量剧增,使得自然资源枯竭,已面临濒危。目前,桃儿七主要依赖种子繁殖,然而种子萌发不稳定(7%~45%)限制了其大面积种植栽培。前人研究表明,桃儿七种子萌发受到种胚休眠、胚乳和种皮的限制。为了揭示桃儿七种子萌发的机制,本研究利用组织切片、HPLC、RNA-seq和qRT-PCR等技术和方法,分别对种子萌发过程中7 d(S1)、14 d(S2)、21 d(S3)、28 d(S4)和35 d(S5)组织形态、代谢物含量和基因表达水平的变化进行观察、测定与分析,结果表明:1.通过对种子组织形态和解剖结构进行观察发现,致密种皮和厚壁胚乳是限制其萌发的主要因素。2.通过对种子萌发过程中生理生化进行测定与分析,结果发现:(1)种子呈快速-缓慢-快速“三阶段”吸水模式。(2)淀粉、可溶性糖、蛋白质、氨基酸和脂肪酸含量随种子萌发进程显著变化。其中,淀粉含量显著降低;可溶性糖、蛋白质和脂肪酸含量在萌发初期显著增加,而后期显著降低;游离氨基酸含量显著增加。(3)GA3和IAA含量随萌发进程显著升高,而ABA含量则显著下降。3.通过对不同萌发期(S1~S5)种子进行RNA-seq与分析,结果发现:S2/S1、S3/S2、S4/S3和S5/S4分别有2 774、9 120、11 913和9 617个基因显著差异表达,1 025个基因至少在四个时期共表达,其中,67个基因直接或间接参与种子萌发5个途径:(1)细胞壁疏松和胚乳弱化(XTHs、GLCs、MANs、EXPAs、AGALs、PECSs和PGs);(2)初级代谢和能量(AMY1.1、BAM3、SUS6、FBA1、GLB1、At2g28490、LEGB、SEI2、OBAP1A、ADS1、ADS3、ATPC、HXK2、ACO3、AAE3和RBOHB);(3)激素生物合成和生物信号转导(At5g51310、CLS、NCED3、XERICO、NHL6、YUC2、YUC10、WAT1、LOG1、GASA9、GASA14、MFT、ABI5、SAUR64和SAUR72);(4)胚根生长和幼苗早期发育(ACT7、CYCD1-1、CYCD6-1、CYCT1-1和AGP30);(5)转录因子(ABR1、At1g16060、TCP4、TCP9、TCP14和BZIP44)。4.通过对参与种子萌发的43个关键基因表达水平进行qRT-PCR验证,发现其表达水平与RPKM值基本一致。另外,根据筛选的67个基因的生物学功能,推测了其参与桃儿七种子萌发的代谢调控网络。该研究结果将为桃儿七种子萌发及大面积种植栽培提供技术指导和理论依据,对于关键基因的生物学功能仍需进一步验证。
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