影响大豆低植酸突变体籽粒活力的因素分析及其分子作用机制的研究

Phytic acid is an antinutritional factor in soybean seeds, lowering the content of phytate is very important to improve the nutritional quality of soybean seed. Otherwise phytic acid has crucial antioxidative function and regulates some decisive pathway as a singalling molecular on seed germination, dormancy,seedling growth and resistant stress. Evidence from a maize low phytic acid (lpa) mutant showed that phytic acid prevented oxidative stress in seeds; MIPS1 gene involved in pathway of phytic acid synthesis was also required for suppression of cell death; A defective of MRP family in bean and Arabidopsis lpa mutants altered ABA sensitivity. Researches above indicated that there could be a significant relationship between phytic aicd content and seed vigor. Although some lpa soybean mutants with lower seed germination and field emergence rates have been reported, the mechansim of lowering seed vigor in these mutants has not been studied. On previous research, we got some lpa mutants with different seed vigor and different mutation genes, and in this study, we use these different low phytic acid mutants to evaluate the main factors affecting lpa soybean seeds vigor, and study their RNA and protein expression patterns during seed developing and germination stages, clone some new genes which involved in the pathway of regulating seed vigor. The results will illuminate how to improve the seeds vigor of lpa soybean, and also inspire to resolve the same problems in seed quality improvement.

植酸是一种抗营养因子，降低大豆植酸含量是大豆品质改良的重要内容之一。然而植酸及其代谢途径中的肌醇又是重要的抗氧化因子和信号分子，在种子萌发、幼苗生长、籽粒休眠和抗逆性等方面具有重要的功用。可见，大豆籽粒活力与植酸密切相关。研究表明不同突变基因对籽粒活力影响不同，含有相同突变基因的低植酸突变体，籽粒活力也不完全一致。尽管在拟南芥、玉米等作物的研究中，明确了植酸在抗氧化和激素调节方面对籽粒活力产生影响，但缺乏分子水平上的深入探讨；低植酸突变基因对大豆籽粒活力影响机制的研究尚属空白。本研究应用自主创造的低植酸突变体，以组织形态学、代谢组学、转录组学和蛋白组学的研究方法，探讨低植酸大豆对籽粒活力的影响因素，研究不同突变基因对籽粒活力的作用模式，在RNA和蛋白表达水平上发掘提高低植酸大豆籽粒活力相关基因，研究基因互作模式，提出改良低植酸大豆籽粒活力的方法和途径，为低植酸作物籽粒活力改良奠定理论基础。

植酸是一种抗营养因子，降低大豆植酸含量是大豆品质改良的重要内容之一。然而植酸及其代谢途径中的肌醇又是重要的抗氧化因子和信号分子，在种子萌发、幼苗生长、籽粒休眠和抗逆性等方面具有重要的功用。可见，大豆籽粒活力与植酸密切相关。不同突变基因对籽粒活力影响不同，含有相同突变基因的低植酸突变体，籽粒活力也不完全一致。本项目研究表明：低植酸突变体籽粒发芽率受储存和成熟期环境条件的影响，尤其是突变体Gm-lpa-TW-1，在高温成熟条件下，籽粒组织出现坏死，发芽率受到严重影响；氧化损伤试验表明： Gm-lpa-TW-1在生长过程中受氧化因子的影响较大，而喷施肌醇磷酸盐对其生长有部分恢复作用；抗氧化因子成分分析表明：过氧化氢酶、总抗氧化能力和蛋白羰基的含量与低植酸突变体发芽率的高低具有明显的相关关系；高发芽率突变体Gm-lpa-TW-1-M在以上两个试验中均表现出优于Gm-lpa-TW-1和台湾75的抗损伤能力。籽粒代谢成分分析表明：大豆籽粒的代谢组分与籽粒的发芽率没有显著的相关关系。蛋白组学研究表明：在籽粒萌发的不同阶段，可鉴定到蛋白数分别为1694、1788和1803个，其中差异蛋白数为518个。转录组学研究表明：不同萌发阶段可检测到差异表达基因2457个；这些基因的功能主要富集在乙烯信号代谢途径、ABA信号代谢途径、植物激素反应系统、乙烯生物合成、乙烯代谢过程、植物激素调节水平、氧化还原过程黄酮生物合成调节和ABA信号调节系统，以上代谢过程与籽粒的萌发具有密切关系。在20个不同功能途径中发现了22个高度差异表达的基因，在36个功能途径中发现了57个表达丰度较高的基因，研究开发出与低植酸突变基因连锁的HRM分子标记，创制新的低植酸材料20余份。本研究在RNA和蛋白表达水平上发掘提高低植酸大豆籽粒活力相关基因；发现了造成低植酸大豆籽粒活力降低的原因；为低植酸作物籽粒活力改良奠定理论基础。