稀土铈调控蒙古韭老化种子细胞程序性死亡（PCD）的信号机制研究

Seed aging, a common phenomenon in nature, is also a serious problem in the preservation of Germplasm Resources. The programmed cell death in aging is one of the hot topics in plant genetics, physiology and Biochemistry. This project combines the specialty materials of Allium mongolicum Regel and specialty resources of rare earth, The PCD signal transduction of short-lived seed was used as the binding site, the Allium mongolicum Regel seed stored for 3 years, 5years and 7 years as CK, The Ca-CaM in PCD and Caspase-3 signal transduction of ROS and the expression of related genes of the seeds treated by Ce3+, aging and Ce3+ and aging were studied. At the same time, the relationship between the location of the Ce3+ in the aging seed cells and the PCD characteristics were analyzed. The results of the study will provide a basis for revealing the mechanism of Ce3+ in the process of aging seed PCD, and to lay the foundation for prolonging the longevity of seeds, improving the vitality, saving resources and the application of rare earth.

种子老化是自然界的普遍现象，也是种质资源保存中面临的一个严重问题，且老化中的细胞程序性死亡（PCD）研究是当前植物学和生理生化研究的热点问题之一。本项目融合了特色材料—蒙古韭和特色资源—稀土铈，以短命老化种子的PCD信号转导为结合点，以贮藏3年、5年和7年的未处理的蒙古韭（有活力CKⅠ、无活力CKⅡ）种子为对照，采用新的实验设备和方法（如电感耦合等离子体质谱法、激光共聚焦显微镜定位法和半定量PCR法）从细胞、亚细胞及分子水平将深入研究稀土铈、老化和稀土铈+老化处理后的种子细胞程序化死亡的Ca-CaM和ROS中的类Caspase-3信号转导及相关基因表达；同时将稀土铈在老化种子细胞中累积部位的超微定位表征结果与PCD特征进行关联分析，为揭示稀土铈在老化种子PCD过程中的信号机制提供依据，同时为延长种子寿命、提高活力、资源保存及稀土铈农用奠定基础。

本实验用贮藏3年、5年和7年的沙葱种子作为实验材料，用Ce3+ (CeCl3)，VC（活性氧抑制剂），caspase-3抑制剂（Ac-DEVD-CHO），VC+Ce3+ 和caspase-3抑制剂+Ce3+进行浸种处理，测定其萌发指标、离子含量、抗氧化酶系统、细胞色素c含量、Na、P、S、K离子和Ca2+水平与分布、CaM 含量、Ca2+在细胞内的转运和caspase-3酶活性，MAPK3酶，研究Ce3+对老化沙葱种子PCD的信号机制的影响。发现氯化铈对贮藏3至15年的种子提高种子活力、促进胚根的伸长、缓解电解质外渗，可调控活性氧的增加，减缓老化对细胞损伤，维持细胞功能稳定性，较全面地从细胞形态学、数量学、分子生物学和生理生化的角度确定了 Ce3+、老化及协同处理的种子 PCD 变化情况；VC+Ce3+和caspase-3抑制剂+Ce3+处理能够显著降低贮藏7年沙葱种子种皮，胚乳和胚轴的Ca2+相对含量，为确定 Ce3+调控沙葱老化种子 PCD 中的 Ca-CaM 信号转导途径提供依据；Ce3+、VC+Ce3+和caspase-3抑制剂+Ce3+处理均能提高caspase-3酶活性，细胞色素c含量，MAPK3酶活性，而VC和caspase-3抑制剂处理则会降低caspase-3酶活性，细胞色c含量，MAPK3酶活性，相关差异蛋白主要参与碳水化合物代谢、次级代谢（氨基酸代谢、碳代谢、次级代谢物合成）、翻译、信号转导、运输和分解代谢以及折叠、分类和降解相关通路，为掌握蒙古韭老化种子受Ce3+影响的信号转导及分子调控机制提供更多的重要信息。400mg/ml的氯化铈处理沙葱老化种子效果明显，可作为沙葱种子播种前处理，具有很高的应用价值。