植物的生長發(fā)育過程受到環(huán)境脅迫或自然災害的影響。小麥是重要的糧食作物之一,但是其在生長過程中常受到干旱、高鹽和洪澇等逆境的影響;其中,小麥種子的萌發(fā)易被各種脅迫延緩乃至打斷,進而影響幼苗生長和最終的產量及品質。對于小麥響應逆境脅迫的相關研究大多集中在幼苗和后期生長階段,對于小麥種子在萌發(fā)期應對逆境脅迫的響應機制卻鮮有報道。
中國科學院南京土壤研究所研究員蘭平課題組對萌發(fā)期的小麥種子采用PEG、NaCl和淹水處理,分別模擬干旱、鹽脅迫和洪澇災害。研究發(fā)現(xiàn),這些逆境均會對種子萌發(fā)造成負面影響,其中,淹水損害嚴重,會導致種子不能正常萌發(fā)。進一步對這些脅迫下小麥種子胚和胚乳分別進行蛋白組學分析發(fā)現(xiàn),種子的不同部位均能通過多種方式響應干旱、鹽和淹水脅迫。小麥種子胚中主要通過小分子物質代謝、苯丙烷類物質生物合成和脂肪酸降解等途徑以應對不同脅迫。此外,小麥種子胚還分別通過半胱氨酸、甲硫氨酸代謝及淀粉和蔗糖代謝以適應PEG、NaCl脅迫和淹水脅迫。
胚乳通常被認為主要為種子的萌發(fā)提供營養(yǎng)。該研究通過比較蛋白組學發(fā)現(xiàn),小麥種子胚乳中在干旱、鹽和淹水脅迫下氧化磷酸化和泛素介導的蛋白質水解過程等發(fā)生變化,進而調節(jié)能量和蛋白質代謝,這表明胚乳在應對不同的非生物逆境脅迫響應中發(fā)揮特定功能。結合生理生化分析發(fā)現(xiàn),與胚乳相比,胚對脅迫的響應更劇烈、速度快;淹水對種子萌發(fā)的影響嚴重,干旱和鹽較溫和。該研究發(fā)現(xiàn),小麥種子在萌發(fā)期應對不同脅迫下具有普適性的代謝通路,如苯丙烷類物質、脂肪酸合成和代謝過程等,這可為后續(xù)抗逆作物的選育提供指導。
近期,相關研究成果發(fā)表在Plant Molecular Biology和Journal of Proteomics上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)、旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室開放課題的支持。
小麥種子胚乳在萌發(fā)期響應干旱、鹽和淹水脅迫的差異表達蛋白的KEGG途徑富集分析