【摘 要】
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成熟时的莲胚脱去自身约90%的水分,并可长期保持细胞活力,是经科学测定寿命最长的生命形式。莲种胚的贮藏耐性与其成熟脱水过程中的抗逆保护能力密切相关,本研究通过形态学观测、生理指标测定以及蛋白质组学分析三个层面,研究莲种胚在成熟脱水过程中的细胞保护机制。通过对不同发育阶段莲种胚的形态学研究表明,莲种胚在授粉后第15天达到形态成熟;授粉后第21天种胚鲜重达最大值,其干重达到成熟种胚的73.3%,说明营
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成熟时的莲胚脱去自身约90%的水分,并可长期保持细胞活力,是经科学测定寿命最长的生命形式。莲种胚的贮藏耐性与其成熟脱水过程中的抗逆保护能力密切相关,本研究通过形态学观测、生理指标测定以及蛋白质组学分析三个层面,研究莲种胚在成熟脱水过程中的细胞保护机制。通过对不同发育阶段莲种胚的形态学研究表明,莲种胚在授粉后第15天达到形态成熟;授粉后第21天种胚鲜重达最大值,其干重达到成熟种胚的73.3%,说明营养物质在此期间积累旺盛,莲种胚逐渐进入成熟脱水阶段;在授粉后第21天到第40天内,莲种胚含水量由73.7%骤降至10.2%,期间伴随着可溶性糖、可溶性蛋白及渗透保护物质脯氨酸的持续积累,种胚达到完全成熟,进入生理休眠期。对细胞丙二醛含量、活性氧组分及抗氧化系统等生理学测定结果显示,莲种胚在持续脱水过程中所受的氧化胁迫伤害明显增加,在授粉后第27天最为严重,随后氧化胁迫程度有所下降;各抗性生理指标相关性分析结果表明,H2O2是莲种胚细胞中引起胁迫伤害的主要ROS组分,在脱水过程中持续积累的渗透保护物质脯氨酸以及GSH、VE等抗氧化剂对遭受胁迫伤害的细胞具有重要保护作用。选取莲种胚授粉后第21天、第27天和第40天三个阶段样本,通过串联质谱标签(Tandem mass tags,TMT)蛋白质组学分析共筛选到815个差异表达蛋白(Differentially expressed proteins,DEPs),与授粉后第21天相比,第27天和第40天各有756(上调198;下调558)和618(上调198;下调420)个DEPs。GO功能注释表明,脱水种胚中的上调表达蛋白主要参与对刺激胁迫的响应,下调表达蛋白主要参与细胞代谢与生物合成活动;KEGG富集通路结果表明,在莲种胚成熟脱水过程中糖代谢途径、蛋白质的加工合成以及谷胱甘肽代谢活动增强,细胞代谢、光合作用以及脂肪酸代谢合成途径显著降低;蛋白互作网络分析表明,莲种胚在成熟脱水过程中主要参与氧化还原、碳水化合物代谢、脂肪酸代谢及细胞壁形成等活动,代谢过程是种胚细胞快速脱水期的特异性生物过程,脱落酸信号响应、蛋白修饰加工等活动是种胚细胞脱水末期的特异性过程。根据生物信息学分析的结果共发现7类与莲种胚成熟脱水细胞抗逆保护密切相关的生物学过程,在此基础上进一步筛选得到145个关键功能蛋白,这些蛋白参与了碳水化合物代谢(36个),脂肪酸代谢(17个),氧化还原过程(15个),胁迫防御过程(35个),蛋白修饰与降解(13个),激素响应(7个)以及DNA和RNA修复(22个)等7个生物学过程过程。通过平行反应监测技术(Parallel reaction monitoring,PRM)验证的蛋白表达水平与TMT鉴定结果基本相符,表明TMT蛋白质组学鉴定结果对于DEPs的进一步分析是可信的。本研究证明,莲种胚细胞在成熟脱水过程中存在较为复杂的分子调控网络机制,细胞内主要通过糖酵解、戊糖磷酸途径以及与棉子糖系列寡糖合成相关的半乳糖代谢活动为各物质提供能量,提高了细胞在持续脱水过程中的抗逆能力;以硫氧还蛋白、GSH为代表的抗氧化系统,大量与蛋白修饰降解、细胞胁迫防御以及与DNA、RNA修复相关的差异表达蛋白对成熟脱水的莲种胚细胞起到重要的保护作用;除此之外,莲种胚细胞的成熟发育可能受到ABA信号通路的调控。细胞中各物质能量代谢和防御保护系统协同作用,共同提高了莲脱水种胚的细胞抗性和贮藏耐性。
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