论文部分内容阅读
毛叶山桐子(Idesia polycarpa Maxim.var.vestita Diels)是一种优良的木本油料植物,其果实、干果和种子含有大量的油,有“树上油库”之称。但其种子休眠问题导致的萌发困难制约了山桐子的产业化栽培与利用。休眠是一个复杂的性状,由遗传和环境因素决定,它是植物种子为抵抗不利条件而形成的一种生态适应,其形成的机制也因此而变得多样化。本研究旨在探究毛叶山桐子的休眠类型以及寻找最佳的破除休眠的方法,并结合转录组学以及毛叶山桐子种子在休眠解除过程中发生的一系列生理变化指标,初步探究种子在解除休眠过程中的调控机制。主要实验结果如下:(1)通过探究温度、光照对种子萌发的影响,发现毛叶山桐子种子是需光性种子,最佳萌发温度为25℃。对该种子进行吸水测定,发现,种子并不存在吸水障碍,意味着毛叶山桐子没有物理休眠。通过观察其解剖结构可知,毛叶山桐子种子具有完整的胚,代表其不存在形态休眠。1 m M赤霉素(GA3,Gibberellin)能够提高种子的萌发率,但其最高萌发率仅为60%;冷层积(4/10℃)30 d后种子萌发速率以及萌发率显著升高,萌发率高于90%。表明毛叶山桐子种子具有非深度生理休眠,且层积是打破种子休眠的最佳方法。生理指标测定结果表明:种子中的可溶性糖含量随着层积的进行而逐渐累积,种子内淀粉酶活性增强,淀粉以及蛋白这两类大分子贮藏物的含量在层积过程中不断减少,结合此前的实验结果脂肪的含量随着层积的进行也在不断减少。表明随着层积的进行种子内部的三类大分子贮藏物被分解为小分子,并参与体内的多种代谢循环,为种子休眠的解除供能,有利于解除种子休眠,也为后续的萌发提供充足能量。(2)取毛叶山桐子6个时期:干种子(WT)、层积30 d(KO)、层30 d后萌发早期(KI)、层积30 d后完全萌发(KU)、1 m M GA3处理萌发率达到40%时(OE)、空白对照萌发率达到15%时(OR)作为材料,进行转录组学分析。实验结果表明:在层积处理下种子休眠释放过程(WT、KO、KI、KU)中,KO阶段对脱落酸(ABA,Abscisic Acid)合成的抑制作用大,调控合成ABA的关键酶ZEP、NCED的表达量下调5倍,虽然编码分解ABA的关键酶CYP707A的基因下调了2倍,但是分解率低,其合成率更低,即随着层积处理的进行,种子内部ABA的含量会逐渐下降,种子萌发受到的抑制作用也在减弱,有利于打破种子休眠。进一步发现KO阶段对ABA合成的抑制作用是OE阶段的2倍左右,这有可能是导致层积处理优于外源激素处理的原因之一,与此前的生理实验结果一致,层积处理下种子的萌发率可达到90%左右,能够完全打破种子休眠,而外源激素处理能促进萌发,但萌发率低于60%,不能完全打破种子休眠。这两种处理下生长素(IAA,Indole-3-aceticacid)、茉莉酸(JA,Jasmonic acid)、油菜素内酯(BR,Brassinolide)、乙烯(ETH,Ethylene)等促进种子萌发的激素其合成关键酶的表达量在上调。实验发现淀粉、蛋白质这两种大分子贮藏物随着层积的进行,在不断减少,且可溶性糖含量增加以及淀粉酶活性增大,与转录组分析的数据一致。OE阶段调控分解这些大分子贮藏物质途径的关键酶的相关基因,其表达量是KO阶段的两倍,OE阶段分解的速率更快。而在调控磷酸戊糖途径(PPP,Pentose phosphate pathway)、糖酵解途径(EMP,Embden-Meyerhof-Parnas pathway)、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)等代谢途径的关键酶的相关基因在KO阶段的表达量是OE阶段的2倍多,KO阶段的供能更快更多,而种子发芽前即种子解除休眠过程对能量需求大,这也有可能是层积处理更佳的原因之一。综上毛叶山桐子种子具有非深度生理休眠,4/10℃层积是打破其休眠的最佳方法;在层积过程中,种子内部大分子贮藏物含量逐渐下降,糖含量上升且淀粉酶活性升高,以满足整个过程中的能量需求,并为后续萌发做准备,对解除种子休眠有很大的益处;外源激素可以在一定程度促进种子休眠但不能替代层积的作用;在层积过程中种子内调控合成ABA的基因表达量下调,GA以及其他促进激素IAA、JA等的关键调控基因表达量上调;层积处理对种子内ABA合成的抑制作用比外源激素处理强,各种代谢途径关键酶的表达量是外源激素处理的2倍多;表明4/10℃低温层积及各种激素的调控在毛叶山桐子种子的休眠释放以及萌发过程中起着重要作用。