MAPK调控水稻种子萌发的生物学机理研究

Seed germination is an important biological process in plant development. It has been known that seed germination is regulated by interactions among plant hormones but much less is known about the details of such interactions. Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) play key roles in many processes, including the signaling processes of hormones. Our earlier works have shown the activity of a 42KD MAPK decreased during seed germination, which is similar with ABA catabolism in seed imbibition. Thus, in this study we will identify the germination-related MAPKs in rice by using reverse genetic and biochemistry technologies. The biological functions and their interaction with phytohormones will be further studied by using mRNA-seq and yeast two-hybrid technologies. The outcome of this research shall reveal some regulation mechanisms in seed germination with the focus on rice as the important food crop.

种子萌发是植物生长发育过程中一个重要的生理过程，加强对其研究不但在农业生产上有着十分重要的实践意义，在理论基础研究上也具有巨大的科学意义。研究表明种子萌发过程主要受植物激素之间的互作调控，但这些激素之间的互作机理仍不甚清楚。分裂原激活蛋白激酶（MAPK）作为一个极为重要的信号分子，在许多生物过程中都起着重要作用，其与植物激素之间的互作也是研究热点之一。本项目在前期的研究基础上，以MAPK激酶作为突破口，利用反向遗传学及生理生化技术分离鉴定出与种子萌发相关的MAPK，并以新一代测序技术（转录组测序）和酵母双杂交技术深入探讨该MAPK与植物激素之间的互作及其生物学功能。力求解答种子萌发过程中的一些难题，为农业生产提供理论依据和重要保障。

种子萌发是一个非常复杂的过程，萌发的成功与否受到内在的遗传因素和外在的环境因素共同影响。蛋白激酶参与了植物生长发育以及抵抗逆境等许多方面的生物过程，然而MAPK在种子萌发过程中的生物学功能却至今未见报道。本研究构建了水稻MAPK基因家族大部分基因的突变体，结合MAPK胶内酶活测定技术我们鉴定到MAPK1和MAPK5同时参与到种子萌发过程中来。对萌发中的突变体种子进行各种逆境处理后发现MAPK1和MAPK5对不同的逆境反应有所不同，表明这两个基因可能通过不同的途径参与到种子萌发的调控中来，为了进一步研究MAPK在种子萌发中的作用机理，我们构建了这两个基因的过表达植株，后续将利用这些不同表达量遗传材料结合转录组及酵母双杂系统深入研究MAPK在种子萌发调控中的功能。. 尽管铜离子对植物来说是一个必须的微量元素，土壤中铜含量稍微过量即可对植物造成严重的伤害。种子萌发作为一种非常重要的生理过程，其对铜胁迫是非常敏感的。但是，我们对铜是如何抑制种子萌发过程的分子机制所知甚少。在本文的研究中，我们分析了铜胁迫和种子萌发的主要控制因子脱落酸之间在种子萌发过程中的关系。发现30μM以上的铜离子即可有效的抑制OsABA8ox2基因的表达从而抑制脱落酸的降解并最终导致水稻种子萌发失败。此外，MDA和H2O2的含量也受到铜胁迫处理的诱导而上升。进一步研究发现铜通过降低种子萌发时OsCATa基因的表达量导致过氧化氢酶活性下降。这些结果证明了铜胁迫抑制了脱落酸的代谢以及过氧化氢酶的活性从而抑制了种子萌发。. 淹水胁迫在全世界许多地方时有发生，对植物来说是一个复杂的逆境。本研究挑选两种对淹水胁迫耐受性差别比较大的品种Up221和Low88作为研究对象，进一步研究水稻种子萌发过程中对淹水胁迫处理的耐受机理。淹水胁迫处理下的萌发实验表明low88不管是胚芽鞘生长速率还是淹水处理5天后的种子存活率都要明显高于up221，进一步检测胚芽鞘中钙离子流的变化发现钙离子参与了淹水下种子萌发的负调控。利用药理学实验以及半定量PCR技术我们鉴定到一个钙依赖磷酸酶CBL10可能在调控淹水胁迫耐受上起着重要作用。将CBL10进行过表达后发现该过表达种子对淹水胁迫变得敏感，对淹水胁迫的耐受性降低了。我们的结果表明CBL10在调控不同生态型水稻的淹水耐受性上起着重要的作用。