豌豆种子脱水耐性的PEG重建及其相关蛋白质组学研究

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成熟脱水是正常性种子发育的末端事件,种子的脱水耐性直接影响种子的质量、储藏和植物种质资源的长期保存,但种子脱水耐性的确切机理尚不清楚。本文以成熟豌豆(Pisum sativum)种子为材料,借助形态学、生理学和蛋白质组学(包括双向电泳和iTRAQ技术)手段研究了(1)种子萌发过程中脱水耐性的变化;(2)胚轴不同部位的脱水耐性差异;(3)PEG预处理对萌发种子脱水耐性的影响;(4)萌发种子胚轴不同部位的蛋白质组差异;以及(5)PEG对脱水耐性重建的蛋白质组变化。旨在从蛋白质组水平阐明种子脱水耐性的相关机制,为改善种子的脱水耐性和植物种质资源的长期保存提供新的知识与技术。  研究结果表明,随着萌发的进行,豌豆种子的脱水耐性逐渐下降,胚轴不同部位对脱水的响应存在显著的差异;其中胚芽脱水耐性较高,胚根的脱水耐性较低。PEG处理萌发的种子能显著地提高豌豆种子、尤其是胚根的脱水耐性,其最佳处理条件为1MPa PEG,10℃处理48h。  借助2-DE技术,比较豌豆种子胚轴不同组织部位蛋白质组表明,125个蛋白点存在2倍的显著差异(P<0.05),其中113个蛋白点被成功鉴定;比较PEG处理前后蛋白质组差异筛选到75个显著性差异蛋白,其中68个蛋白点被成功鉴定。  基于iTRAQ方法的研究表明,有711个蛋白在胚轴不同部位存在显著性差异。K-means聚类分析表明,类群1,即丰度在胚根中最低,在胚芽中最高的一类蛋白数量最多,且与胚轴不同部位的脱水耐性变化一致。这类蛋白包括LEA蛋白、热休克蛋白、ABA响应蛋白、抗氧化和抗病原菌的相关蛋白以及一些贮藏蛋白,它们可能与种子的脱水耐性相关。PEG处理导致547个蛋白的丰度在胚轴不同部位发生了差异变化,其中以胚根蛋白数量居多,共有351个。在胚根中,分别有218和133个蛋白的丰度在PEG处理后发生提高和降低。一些丰度增加的蛋白表现为类群1表达特征,它们可能与种子脱水耐性密切相关。这些蛋白包括11个与防御-脱毒-胁迫、4个与蛋白命运、1个与细胞结构、1个与转运相关的蛋白以及1个贮藏蛋白。形态学和生理学研究表明,胚根和下胚轴下部是种子脱水响应的最敏感部位。PEG处理后,15个蛋白的丰度在这两个部位同时发生增加,因而,它们可能对萌发种子脱水耐性的重建起到至关重要的作用。这些蛋白包括6个与防御-解毒-抗逆、5个与代谢、1个与细胞生长/分化、1个与细胞结构、1个与蛋白命运和1个与转录相关的蛋白。研究结果为进一步理解种子脱水耐性的机制提供了新的认识。
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