黄檗种子休眠解除的生理与蛋白质组响应

Phellodendron amurense is important associated tree species of broad-leaved Korean pine forests in Northeast China, and one of the second-class nationally protected plant species in China, it combines medical, wood and ornamental value in itself, P. amurense has the high protection and development and application prospect. But deep dormancy characteristic restricted its reproduction, germination mechanism is not clear, that lead to cultivation difficulty of P. amurense resource. This project system to study seed dormancy relationship to the dormancy characteristics, endogenous inhibitory substance, content change of endogenous phytohormone and nutrient substance, ultrastructure and key enzyme activity, the critical point of seed dormancy and germination is determined according to above results of the study, analyze dormancy mechanism of P. amurense seed. Seed dormancy-breaking method was studied through the different treatment and detected by flow cytometry instrument. Application proteomics strategies and bioinformatics methods, Screening and identification of few key control genes of important stage the involved in dormancy and germination of P. amurense seed, biological function in vivo verification of candidate genes was carried in model plant arabidopsis thaliana. The results provide support for artificial high efficient cultivation of P. amurense, and theoretical basis to break the seed dormancy and promote germination of woody plants control technology research.

黄檗是我国东北阔叶红松林的重要伴生树种，国家Ⅱ级保护植物，集药用、材用和观赏价值于一身，具有较高的保护与开发应用前景。但黄檗种子具有深休眠特性而萌发率低，萌芽机理不明确，导致资源培育困难。本项目通过系统地研究其休眠特性、内源抑制物质、内源植物激素和内含物质含量变化、超微结构以及关键酶的活性等方面与黄檗种子休眠的关系，确定种子休眠与萌发的临界点，解析黄檗种子的休眠机制。通过不同的处理研究快速解除黄檗种子休眠的方法并利用流式细胞仪检测；以蛋白质组学为研究手段，通过生物信息学方法分析与比较筛选出几个在黄檗种子休眠与萌发的重要阶段起关键调控作用的基因，以模式植物拟南芥为材料对候选基因的生物功能进行验证，从而探索黄檗种子的萌发机理，研究结果为人工高效培育黄檗资源提供科技支撑，并为打破木本植物种子休眠和促进萌发调控技术研究提供理论依据。

种子休眠是植物本身适应环境和延续生存的一种特性，是种子植物进化的一种稳定对策，对处于恶劣环境中的植株保持其自身的繁衍发展具有重要的生态学意义。但对于以种子为繁殖材料的植物来说，种子休眠现象不可避免地给农林业生产带来许多困难和不便成为造林、引种、繁殖和育种的重要障碍。黄檗是芸香科的落叶、阔叶乔木，系第三纪古热带植物区系孑遗物种，是东北阔叶红松林的重要伴生树种，也是我国药典（2010版）中关黄柏的唯一源植物，我国传统的大宗药材，是东北重要道地中药材之一。目前黄檗野生资源匮乏，较少人工培育。而黄檗的人工种植及自我更新均以种子为繁殖材料，其种子具有深休眠特性成为限制繁育黄檗苗木的一个关键瓶颈技术。本项研究以植物生理学为基础，从沙藏层积入手，对黄檗种子的休眠特性、种子生理生化特征、内源植物激素的含量动态变化、破眠过程中主要次生代谢产物的变化和种子微观结构变化。通过外源植物激素结合定温、变温层积处理，建立了快速打破黄檗种子休眠体系。研究结果初步表明，黄檗种子休眠类型为生理休眠，在休眠解除过程中无形态上的变化。低温层积处理可显著提高种子的发芽率，当种子具备一定发芽能力后，继续低温层积会导致发芽率降低。并且4℃层积优于10℃层积。变温层积处理可显著提高种子发芽率并且4℃-10℃变温层积处理的效果优于10℃-4℃变温层积处理；激素浸种结合低温层积处理可快速打破种子休眠并且以500mg/L的GA溶液效果最好，种子萌发率接近90%。同时利用流式细胞术建立了黄檗种子休眠打破检测方法。在对内（种皮、胚乳）外（叶）源抑制物质对黄檗种子休眠打破的影响研究发现，水浸提液和甲醇浸提液对白菜种子的萌发都有抑制作用，而抑制作用大小与浸提液浓度之间呈正相关，且抑制作用强度为叶片>胚乳>种皮。以双向电泳和MALDI-TOF-MS/MS鉴定技术为基础，建立了黄檗种子休眠与萌发的差异蛋白质组学体系，为黄檗种子休眠到萌发的解释提供了重要信息。