低温调控‘凤丹’种子下胚轴萌发机理的研究

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中文摘要：牡丹是集药、赏、食同源的重要经济作物。油用及药用牡丹生产过程，多采用播种繁殖。种子在适期播种条件下，播种到发芽需要6个月以上（大田播种），如非适期播种（或低温贮存）种子萌发则需要1-2年的时间，这严重影响了牡丹育种及产业化进程。本研究以生产上广泛种植的‘凤丹’（Paeonia ostii）种子为实验材料，采用25 ℃和4 ℃处理，通过生理物质测定、淀粉粒观察、蛋白质组学和基因表达分析等手段，探讨低温调控‘凤丹’种子下胚轴萌发的机理。主要结论有： 1.25 ℃处理的‘凤丹’种子下胚轴能够正常萌发，4 ℃处理延缓了种子的萌发。25 ℃处理，种子含水量、纵径和鲜重升高，淀粉和可溶性糖含量降低，淀粉粒降解速度快，可溶性蛋白含量先降低后升高；ABA含量逐渐降低，而GA3含量则先升高后降低。4 ℃处理中，种子纵径、含水量和鲜重在种子吸胀后变化不明显，淀粉含量变化不大，淀粉粒降解速度慢；可溶性糖和蛋白及GA3变化趋势与25 ℃处理相似，但GA3在种子播种17 d的含量却显著低于25 ℃；ABA含量先降低后升高，在下胚轴萌发过程中其含量显著高于25 ℃。本研究认为：种子萌发过程中，淀粉快速分解，为萌发提供能量；较高含量的ABA抑制‘凤丹’种子下胚轴萌发；露白期较高含量的GA3可促进种子萌发。 2.选取两种温度处理8个不同时期的‘凤丹’种子提取总蛋白，经双向电泳，共筛选出100个差异蛋白点（2.5差异蛋白点35个，25 ℃特异的蛋白点39个，4 ℃特异的蛋白点27个）。MALDI-TOF/TOF MS共鉴定出97个蛋白点，这些蛋白点主要涉及糖代谢酶类、蛋白代谢酶类、脂肪代谢酶类、胁迫相关蛋白等9类。进一步分析发现，25 ℃处理，种子露白期出现大量蛋白，以糖代谢酶类为主，而4 ℃处理，胁迫蛋白含量高，糖、蛋白代谢酶类少。同时，在25 ℃和4 ℃处理中分别发现了1个GA合成相关蛋白和1个ABA诱导蛋白，推测‘凤丹’种子萌发可能受GA和ABA调控。根据鉴定的葡糖核糖醇脱氢酶和糖酵解酶含量变化趋势，推测‘凤丹’种子萌发存在耗氧模式并受氧化途径控制。 3.选择4个糖代谢酶类和2个激素相关的酶类进行转录水平表达分析。结果表明：两个温度处理种子中烯醇化酶基因以及GAPC的表达量呈现先升高后降低的趋势，且在种子萌发前期，25 ℃处理两个基因的表达量均显著高于4 ℃处理，推测高表达的两种酶可加速糖酵解代谢，为种子萌发提供能量。苹果酸酶基因和几丁质酶基因表达量在25 ℃和4 ℃处理中分别呈现降低、先降低后升高的趋势，但在种子生长后期25 ℃处理显著低于4 ℃处理。推测4 ℃低温延缓氧化途径进程，抑制种子萌发。25 ℃和4 ℃处理中生长素相关蛋白编码基因PCNT115的表达均呈先降低后升高的趋势；FPPS表达量在25 ℃生长初期比较低，17 d迅速增长（显著高于4 ℃），而4 ℃处理中FPPS表达呈先升高后降低的趋势，推测FPPS正调控GA，促进种子萌发。结合蛋白水平分析发现，GAPC编码基因的表达趋势与蛋白水平相似，生长素相关蛋白和几丁质酶编码基因的表达趋势与蛋白水平稍有不同。 4.选取4个ABA和GA信号转导途径的关键基因，探讨其在不同温度处理种子中的表达模式。结果表明：PobZIP表达趋势与ABA含量变化相似，4 ℃处理其表达量显著高于25 ℃；PoGID1a和PoGAI的整体表达模式与GA3变化趋势类似，均呈现先升高后降低的趋势，但25 ℃处理中， PoGID1a表达量在种子萌发的前期和中期显著高于4 ℃处理，而PoGAI表达量却显著低于4 ℃（21d除外）；PoGAMYB4表达量在25 ℃处理中呈升高的趋势，在4 ℃处理中先升高后降低，播种7 d后，25 ℃处理的PoGAMYB4表达量显著高于4 ℃。推测种子下胚轴萌发受ABA和GA调控，ABA可能通过调控PobZIP抑制种子萌发；GA通过调控信号转导基因PoGAMYB4、PoGID1a和PoGAI促进种子萌发。

作者：

任秀霞

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关键词：

蛋白质组学低温调控基因表达牡丹育种下胚轴萌发

授予学位：

硕士

学科专业：

园艺

导师：

张秀新

学位年度：

2016

学位授予单位：

中国农业科学院

语种：

中文

中图分类号：