栓皮栎种子脱水敏感性分析

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栓皮栎(Quercus variabilis)是一种分布广泛,并具有高生态和经济价值的落叶阔叶树种。其苗木繁殖主要依靠播种,种子质量决定了苗木的质量。然而,栓皮栎种子是典型的顽拗性种子。与正常性种子不同,干燥后在低温环境中贮藏的常规方法会使顽拗性种子迅速失去活力,进而死亡。顽拗性种子脱水敏感性是一种由多基因共同响应的功能特征,解析其调控机制,对种子贮藏和种质资源长期保存具有重要意义。本研究在对栓皮栎资源连续野外调查的基础上,以收集于同一栓皮栎优良单株的种子为试验材料,通过脱水和萌发试验,确定种子脱水敏感的关键时期,对脱水敏感关键时期种子进行生理相关指标测定、转录组测序和蛋白质组学的研究,结合生物信息学分析,解析种子脱水过程中基因和蛋白表达变化,筛选脱水敏感性相关的候选基因和蛋白。研究能为解析栓皮栎顽拗性种子脱水敏感性可能的分子调控机制提供理论依据,也能为栓皮栎苗木繁育、种子贮藏和种质资源的长期保存提供参考。主要研究结果如下:(1)栓皮栎种子含水量和萌发率都随着脱水时间的延长而不断下降,并且它们之间存在极显著的正相关;未脱水处理种子的萌发率及含水量分别为84.00%和34.27%;当种子含水量下降到28.20%(T2)时,近一半种子不能萌发;当种子含水量低于24.79%(T4)时,种子萌发率又一次迅速下降;当种子含水量低于17.79%(T11)时,几乎全部种子不能萌发。由此可见,栓皮栎种子对水分流失高度敏感,是典型的顽拗性种子,其可能的临界和致死含水量分别为28.20%和17.79%。基于脱水和发芽试验,确定3个栓皮栎种子脱水敏感的关键时期,用于后续的试验分析。(2)栓皮栎种子脱水过程中,可溶性糖含量一直上升,可溶性蛋白表现出上升-下降-上升的趋势;超氧阴离子呈现上升-下降-上升的趋势,丙二醛含量一直上升;超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性均表现出下降-上升-下降的趋势,抗坏血酸过氧化物酶活性一直下降,谷胱甘肽还原酶活性先下降后上升;种子中脱落酸含量先下降后上升;生长素含量一直上升;茉莉酸含量则表现出上升-下降-上升的趋势;水杨酸含量先下降后上升;细胞分裂素含量先下降后上升。(3)对未脱水(CK)、脱水2天(T2)、脱水4天(T4)和脱水11天(T11)的栓皮栎种子,进行转录组测序分析,共获得596,166,538条clean reads。通过差异表达分析,在比较组T2vs CK、T4 vs CK、T11 vs CK、T11 vs T4、T11 vs T2和T4 vs T2中分别获得了4405、4891、5907、1975、4066和898个差异表达基因;有2219个基因在T2 vs CK、T4 vs CK和T11vs CK比较组中均差异表达。进一步分析发现,许多与植物激素、胚胎发育后期丰富蛋白、热应激蛋白和甘油磷脂代谢等相关的基因在种子脱水过程中差异表达。此外,ABI5和ERF1B等多个转录因子可能在栓皮栎顽拗性种子脱水敏感性中发挥重要调控作用。(4)对未脱水(CK)、脱水2天(T2)、脱水4天(T4)和脱水11天(T11)的栓皮栎种子,进行蛋白质组学研究,共获得6386个蛋白质。通过差异表达分析,在比较组T2 vs CK、T4vs CK、T11 vs CK、T11 vs T4、T11 vs T2和T4 vs T2中分别鉴定了332、281、656、239、156和44个差异表达蛋白;有133个蛋白在T2 vs CK、T4 vs CK和T11 vs CK比较组中均差异表达。进一步分析发现,许多与蛋白合成、囊泡运输中SNARE相互作用、亚麻酸代谢和胚胎发育后期丰富蛋白等相关的蛋白质在种子脱水过程中差异表达。此外,本研究同样发现12个未知功能的差异表达蛋白,它们可能在栓皮栎顽拗性种子脱水敏感性的调控中发挥重要作用。(5)将获得的转录组和蛋白质组数据进行关联分析,在比较组T2 vs CK、T4 vs CK、T11 vs CK、T11 vs T4、T11 vs T2和T4 vs T2中分别获得了254、98、253、29、71和6个在转录和蛋白水平上均差异表达的基因。有9个均上调、11个均下调和8个在转录水平上下调,而在蛋白水平上表达上调的基因在3个比较组中都被发现。其中,编码甲酸脱氢酶、11 k Da胚胎发育后期丰富蛋白和含U-box结构域的蛋白7等的基因可能在栓皮栎顽拗性种子脱水敏感性的调控中发挥重要作用。
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