我国科学家破译控制水稻种子活力的“遗传密码”

科技日报记者陆成宽通过对不同活力的、经人工老化处理的水稻种子进行转录组和广泛靶向代谢谱的比较分析,中科院植物所的研究人员发现,这种不同的种子活力可以归因于差异的生物学途径和代谢过程。通过差异基因的共表达调控网络和水稻功能基因组学…

科技日报记者 陆成宽

通过对不同活力的、经人工老化处理的水稻种子进行转录组和广泛靶向代谢谱的比较分析,中科院植物所的研究人员发现,这种不同的种子活力可以归因于差异的生物学途径和代谢过程。通过差异基因的共表达调控网络和水稻功能基因组学分析,他们鉴定出对种子活力有正向调控作用的转录因子基因bZIP23和bZIP42,以及过氧化物酶基因PER1A。相关研究成果在线发表于国际知名学术期刊《美国科学院院刊》。

“这项研究揭示了一个活性氧清除途径改善水稻种子活力的新机制,为进一步改良作物相关农艺性状提供了有用的靶标。”2月27日,论文通讯作者、中科院植物所研究员宋献军告诉科技日报记者。

种子活力即种子的健壮度,是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势、植株抗逆能力和生产潜力的总和,是种子质量的重要指标。种子在贮藏过程中会逐渐失去活力,即种子老化。“种子老化的速率主要取决于遗传因素,以及种子发育与贮藏期间的环境条件。目前,人们对作物种子活力的调控机制和分子网络知之甚少。”论文第一作者、中科院植物所副研究员王伟青指出。

中科院植物所宋献军研究组在前期工作中,筛选到两个种子活力差异巨大的水稻品种:低活力的“吉粳88”和高活力的“Kasalath”。

研究人员利用高通量转录组学和广靶代谢组学技术,分别分析并比较这些品种种子老化过程中的转录组和代谢组的改变,并通过构建共表达调控网络,筛选到包括bZIP23和bZIP42在内的转录因子可能作为重要的调控节点。

转基因水稻实验数据显示,bZIP23和bZIP42正向调控种子活力。“过表达转录因子bZIP23增强了种子的活力,而bZIP23的基因敲除则降低了种子的活力,说明该基因编码的蛋白是一个正调控因子。同样地,bZIP42的基因敲除也降低了种子的活力。”宋献军解释道。

与此同时,研究人员还鉴定到一个编码过氧化物酶的遗传因子PER1A,该因子编码蛋白能够通过清除种子内的活性氧正向调控种子活力。研究发现,bZIP23和bZIP42能够直接结合到PER1A的启动子区,并激活其转录表达;遗传学证据表明,PER1A很可能位于bZIP23的下游,在同一遗传通路中发挥调控种子活力的生物学功能。此外,生理学数据表明,bZIP23和PER1A在清除体内的活性氧过程中发挥重要的作用。

“这项研究发现了活性氧清除途径中增强水稻种子活力的重要基因bZIP23、bZIP42和PER1A,提高了我们对种子活力分子调控机制的理解。”王伟青说道。

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