摘要
种子萌发是植物生长发育的开端，直接影响着植物的生存和繁衍。脱落酸对种子萌发具有抑制作用，且类胡萝卜素代谢过程是其主要的生物合成途径。因此，本研究以野生型水稻（WT）和金大米（GR）为试验材料，从种子萌发特征、植物内源激素含量变化、类胡萝卜素代谢以及转录组测序分析多层次探究了类胡萝卜素代谢影响水稻种子萌发的机制。为今后揭示类胡萝卜素代谢影响种子萌发机制的研究提供了一定的理论依据。主要研究结果如下： 1、WT和GR种子萌发试验发现，WT和GR在48h后出现萌动现象，而WT萌动和发芽的速度显著快于GR，且WT的发芽势以及萌发后的生长量（胚芽和胚根的长度、鲜重）也显著高于GR。对吸水率测定分析表明，GR和WT对水分的吸收在12h前都处于快速吸水阶段，12h-48h二者吸水较为缓慢；48h后WT吸水相对于GR比较快，这可能是由于WT胚根的较早伸出而引起。 2、通过对WT和GR种子中主要营养成分含量测定分析发现，与WT相比，GR种子中的水分、淀粉、直链淀粉及游离脂肪酸的含量显著较低，而脂肪和蛋白含量显著较高。其次，GR稻米的b*值和总类胡萝卜素含量均高于WT，且差异极显著，这可能会影响种子萌发过程中脱落酸的积累，进而抑制GR的种子萌发，导致GR萌发慢于WT。 3、利用高效液相色谱对二者种子萌发过程中三个时间点（12h、24h、48h）的内源激素脱落酸、赤霉素、生长素含量进行了的测定，结果表明：在种子萌发过程中，GR和WT的脱落酸含量总体上都呈现出先下降后上升的趋势，且GR中三个时间点的脱落酸含量都高于WT。GR中的赤霉素含量总体呈上升趋势，WT中的呈下降趋势；尤其是在萌发12h，GR中的赤霉素含量显著低于WT，并且赤霉素与脱落酸的比值也较低；赤霉素能够促进种子的萌发，当赤霉素与脱落酸比值较低时，可以延缓种子的萌发，因此推测这可能是影响GR萌发较慢的原因之一。生长素在GR中的含量总体上呈现上升趋势，而在WT中则呈现下降。这些也可能影响GR的萌发。 4、通过液相色谱串联质谱（LC-MC/MS）对二者种子萌发过程中三个时间点的类胡萝卜素组成及含量进行定性和定量分析，结果显示：在种子萌发过程中，GR中共检测出13种类胡萝卜素，主要成分有八氢番茄红素、叶黄素、玉米黄质、β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、α-隐黄质、β-隐黄质、花药黄质和新黄质。WT中共检测出8种类胡萝卜素，主要成分有八氢番茄红素、叶黄素、花药黄质、新黄质和紫黄质。值得关注的是，GR中八氢番茄红素、番茄红素、β-胡萝卜素、玉米黄质、花药黄质、紫黄质的含量显著高于WT中的，且均呈现先下降后上升的趋势，这与脱落酸的含量变化趋势相吻合。 5、通过对二者种子萌发过程三个时间点的转录组数据进行差异表达分析，初步筛选出28个候选基因。其中，6个与类胡萝卜素代谢相关的差异表达基因，5个与脱落酸相关的差异表达基因，8个生长素相关的差异表达基因，5个赤霉素相关的差异表达基因。 6、通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）对WT和GR种子萌发过程中8个关键候选基因的表达模式进行分析，发现它们的表达趋势与转录组中的结果一致，且转录组测序数据与荧光定量表达结果相关性较高。 综上所述，在水稻种子萌发过程中，富含类胡萝卜素的GR中脱落酸的含量高于WT，且GR中类胡萝卜素代谢相关组分含量变化与脱落酸的含量变化趋势相吻合。此外，在萌发48h时，GR种子中类胡萝卜素代谢相关组分含量均有所增加，其中紫黄质的增加更显著，且与WT相比，GR中与类胡萝卜素代谢相关的差异表达基因OsNCED5、OsNCED3和OsNCED4表达量均上调，导致脱落酸含量增加。因此推测GR可能通过类胡萝卜素代谢途径，使得脱落酸的积累增加，从而抑制了其种子萌发，进而导致了其萌发慢于WT。
NETL