水稻種子活力新機制：活性氧清除途徑改善種子活力

通過(guò)對不同活力的、經(jīng)人工老化處理的水稻種子進(jìn)行轉錄組和廣泛靶向代謝譜的比較分析，中科院植物所的研究人員發(fā)現，這種不同的種子活力可以歸因于差異的生物學(xué)途徑和代謝過(guò)程。通過(guò)差異基因的共表達調控網(wǎng)絡(luò )和水稻功能基因組學(xué)分析，他們鑒定出對種子活力有正向調控作用的轉錄因子基因bZIP23和bZIP42，以及過(guò)氧化物酶基因PER1A。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》。

“這項研究揭示了一個(gè)活性氧清除途徑改善水稻種子活力的新機制，為進(jìn)一步改良作物相關(guān)農藝性狀提供了有用的靶標。”2月27日，論文通訊作者、中科院植物所研究員宋獻軍告訴科技日報記者。

種子活力即種子的健壯度，是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長(cháng)的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和，是種子質(zhì)量的重要指標。種子在貯藏過(guò)程中會(huì )逐漸失去活力，即種子老化。“種子老化的速率主要取決于遺傳因素，以及種子發(fā)育與貯藏期間的環(huán)境條件。目前，人們對作物種子活力的調控機制和分子網(wǎng)絡(luò )知之甚少。”論文第一作者、中科院植物所副研究員王偉青指出。

中科院植物所宋獻軍研究組在前期工作中，篩選到兩個(gè)種子活力差異巨大的水稻品種：低活力的“吉粳88”和高活力的“Kasalath”。

研究人員利用高通量轉錄組學(xué)和廣靶代謝組學(xué)技術(shù)，分別分析并比較這些品種種子老化過(guò)程中的轉錄組和代謝組的改變，并通過(guò)構建共表達調控網(wǎng)絡(luò )，篩選到包括bZIP23和bZIP42在內的轉錄因子可能作為重要的調控節點(diǎn)。

轉基因水稻實(shí)驗數據顯示，bZIP23和bZIP42正向調控種子活力。“過(guò)表達轉錄因子bZIP23增強了種子的活力，而bZIP23的基因敲除則降低了種子的活力，說(shuō)明該基因編碼的蛋白是一個(gè)正調控因子。同樣地，bZIP42的基因敲除也降低了種子的活力。”宋獻軍解釋道。

與此同時(shí)，研究人員還鑒定到一個(gè)編碼過(guò)氧化物酶的遺傳因子PER1A，該因子編碼蛋白能夠通過(guò)清除種子內的活性氧正向調控種子活力。研究發(fā)現，bZIP23和bZIP42能夠直接結合到PER1A的啟動(dòng)子區，并激活其轉錄表達;遺傳學(xué)證據表明，PER1A很可能位于bZIP23的下游，在同一遺傳通路中發(fā)揮調控種子活力的生物學(xué)功能。此外，生理學(xué)數據表明，bZIP23和PER1A在清除體內的活性氧過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。

“這項研究發(fā)現了活性氧清除途徑中增強水稻種子活力的重要基因bZIP23、bZIP42和PER1A，提高了我們對種子活力分子調控機制的理解。”王偉青說(shuō)道。(科技日報記者 陸成寬)

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