种子休眠是指有生命力的种子,在适宜的环境条件下仍不能萌发的现象。休眠程度被破坏的品种,容易出现穗发芽现象,严重影响农作物产量,导致严重的经济损失。种子休眠程度深,则会导致种子发芽不整齐。因此种子休眠具有重要的生物学意义和农业应用价值。近年来,大量关于种子休眠的研究被报道,特别在双子叶模式植物拟南芥中,关于水稻休眠的研究也有被报道,然而关于巨胚水稻休眠的研究还未见报道。本研究使用的实验材料“上师大5号”巨胚水稻是由“超2-10”水稻成熟胚在组织培养环节巨胚基因Os07g0603700发生点突变而获得的一种新型水稻,其胚体积为“超2-10”水稻胚体积的2-3倍。巨胚水稻因富含γ-氨基丁酸(GABA)、维生素E及不饱和脂肪酸等营养物质和生物活性成分而受到消费者喜爱。然而在农业生产中发现巨胚水稻易出现穗发芽现象,严重降低了其产量和品质。种子穗发芽和休眠有关,因此对巨胚水稻休眠特性及形成机制研究具有重要意义。本实验室在长期的育种工作中发现,在水稻成熟季节,出现高温多雨条件下。相比于“超2-10”水稻,“上师大5号”水稻更容易在田间出现穗发芽现象。为探究“上师大5号”水稻易出现穗发芽的原因,本课题展开相关研究并取得了如下研究结果。“上师大5号”穗发芽原因的初步探索:本研究首先通过外源ABA处理两种水稻,结果发现“上师大5号”对ABA敏感性降低,由于种子休眠程度与ABA敏感性呈正相关,这表明“上师大5号”穗发芽是由休眠浅导致的。同时含水量分析和α-淀粉酶活性分析显示“上师大5号”水稻种子自身含水量和α-淀粉酶活性都显著高于“超2-10”。前人报道认为,种子自身含水量、α-淀粉酶活性越高休眠程度越浅,“上师大5号”α-淀粉酶活性、含水量高很可能是“上师大5号”休眠浅形成的原因。休眠与萌发相关基因转录水平分析发现,Os VP1、Os Sdr4、Os TRAB1在不同浸水时期的“上师大5号”中基因表达量都低于“超2-10”,这些休眠基因的表达降低可能促进了巨胚水稻休眠浅的直接原因。“上师大5号”巨胚水稻和“超2-10”正常胚水稻发芽后代谢物差异分析:本研究首次采用代谢组学的方法探究巨胚水稻浅休眠的形成原因,通过对萌发不同阶段整粒种子、胚乳和胚中代谢物的分析,结果发现,萌发过程中促进萌发的含硫化合物如甲硫氨酸在巨胚水稻中含量升高,抑制萌发的黄酮类物质在巨胚水稻中的含量降低,这些物质含量的改变可能与“上师大5号”浅休眠的形成有关。另外,聚类分析结果表明,氨基酸和碳水化合物较早地在“上师大5号”胚乳中积累,这与“上师大5号”较早的萌发且萌发速度快相一致。萌发过程是一个大分子物质转化为糖类和氨基酸这些小分子物质的生理活跃过程,“上师大5号”比“超2-10”更早地完成这一生理活跃过程,这间接证明了“上师大5号”种子属于休眠浅,易萌发的特性。本研究首次对巨胚水稻种子易穗发芽原因进行了探索;同时第一次通过代谢组学的方法分析巨胚水稻萌发过程中胚、胚乳及整粒种子代谢物差异,通过代谢物差异也表明“上师大5号”巨胚水稻休眠浅、易萌发的特性。开展本研究为今后进一步探索巨胚水稻的浅休眠机制奠定基础,并有望为改良巨胚水稻易穗发芽现象提供新的思路。