液泡膜水通道蛋白调控玉米种子活力的机理研究

High-vigor seeds have higher growth advantage and potential productivity, which is of great significance to agricultural production. Our previous studies with RNA-seq analysis suggested there are some tonoplast intrinsic proteins (TIPs) which are closely related to seed vigor. On this foundation, by the means of molecular biology techniques, we concentrate on the mechanism of maize seed vigor by tonoplast intrinsic proteins, and a series of research as the follows will be involved in this study. Firstly, according to differential expression analysis of the TIPs genes in maize seeds with diverse seed vigor, combined with the spatial expression profile in cells or tissues and the proteins activity of TIPs in vitro, we will identify some candidate TIPs genes which are specifically expressed in seeds, and also there is a positive correlation between the expression levels of candidate genes and seed vigor. Secondly, in order to validate the biological functions of TIPs and explore the possible regulatory pathway of seed vigor, we further analysis the seed vigor differences between the wild type, mutation seeds and overexpressed materials obtained by the means of genetically modified technology. Then, the study will be focused on the differences of downstream genes among WT, mutant and overexpressed seeds in transcriptome level during the process of seed germination. Finally, in order to further clarify the regulation mechanism of TIPs on seed vigor, we will use the yeast two-hybrid to screen for the TIPs interacting proteins on the base of cDNA library construction. This study discusses the scientific question of how TIPs regulate seed vigor in detail, which has important theoretical significance and potential application value for the production of high-vigor seeds.

高活力种子具有明显的生长优势和生产潜力，对农业生产意义重大。本项目以前期RNA-seq等研究发现的种子活力相关的液泡膜水通道蛋白(TIPs)为研究对象，深入探讨TIPs调控玉米种子活力的分子机理。首先，根据玉米TIPs在不同活力种子间的基因表达差异分析，并结合其组织表达模式和体外蛋白活性测定，筛选在种子中特异性表达并且与高活力种子密切相关的候选基因；其次，分析通过转基因手段获得的基因过表达材料、基因突变体材料和正常种子在种子活力方面的差异，验证TIPs的生物学功能，探索其影响种子活力的可能调控路径；再次，在全基因组转录水平上对野生型、突变体和过表达材料在种子萌发过程中的差异表达基因进行分析；最后，构建玉米cDNA文库，通过酵母双杂交等手段分析TIPs互作蛋白，进而阐明其调控机理。本研究深入解析TIPs如何调控种子活力这一科学问题，对高活力种子的生产具有重要的理论指导意义和潜在的应用价值。

种子活力是衡量种子质量的重要指标，高活力种子出苗快速整齐，是实现单粒播的基础，对农业生产意义重大。作物产量很大程度上得益于幼苗的田间表现，而种子萌发出苗速率、整齐性以及幼苗的强壮程度均取决于种子活力水平。结合当前玉米产业现状，国内玉米单产水平远低于美国，且玉米品种同质化严重，缺乏创新。因此，种子活力相关性状的种质资源评价、改良及其创新利用，是提高玉米产能、解决国内供需矛盾的关键技术问题，也为“打赢种业翻身仗”提供科技支撑。.玉米是重要的粮食作物，但关于其种子活力形成和萌发出苗的基础研究相对匮乏。种子萌发始于种子吸水，水通道蛋白 (Aquaporins, AQPs) 是水分运输的通道，其可能通过介导种子水分吸收从而促进种子萌发，但目前仍缺乏遗传证据。本项目围绕“玉米液泡膜水通道蛋白调控种子活力”这一科学问题展开，取得的主要研究结果如下。首先，基于最新版玉米基因组数据，本研究共鉴定出41个ZmAQPs。通过生物信息学的手段，分析了ZmAQPs的理化特性、系统发育关系和结构特征。随后对水通道蛋白基因家族成员在玉米种子萌发和出苗期间的组织表达模式进行分析，结果表明ZmAQPs在种子萌发和幼苗早期发育过程中具有明显的时空和组织表达特性。其中，玉米液泡膜水通道蛋白Tonoplast Intrinsic Protein 3 (ZmTIP3) 在种子萌发过程中特异性表达。我们利用玉米突变体材料做了进一步的研究。结果表明与野生型(W22)相比，突变体zmtip3-1茎和根的长度变短，幼苗干重降低。另外，ZmTIP3-1提高了种子蛋白质的绝对含量，促进了种子贮藏物质动员，说明ZmTIP3是种子活力的正调控因子。本研究进一步通过顺式作用元件分析、植物激素和逆境响应分析以及构建蛋白互作网络等，对水通道蛋白的时序性表达调控进行了深入探讨。本研究为了解ZmAQPs在种子萌发和幼苗生长中的作用及其可能的调控机制提供了有价值的线索，为高活力种子的种质改良和创新提供新的思路，对提高我国种业竞争力具有重要的现实意义。