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水稻是世界重要的粮食作物,为全世界半数的人口提供主粮。水稻也是典型的单子叶模式植物,具有较小的基因组并且已经被测序和注释完毕。在水稻基因组中被预测的基因有37000个左右。水稻种子不仅是人类重要的粮食来源,又是农业生产重要的生产资料。在粮食生产上,水稻种子的出芽率不齐以及高温多雨季节的穗发芽现象严重影响水稻的产量；而在农业育种上,籼粳杂交后代休眠性的改变也成为选育优良品种的障碍。因此,对水稻种子萌发的分子机制的研究有助于理解水稻种子如何控制休眠,如何顺利完成萌发以及如何保持种子活力。由于种子萌发过程涉及大量基因的表达调控,本研究应用植物蛋白质组技术,包括定量蛋白质组技术和修饰化蛋白质组技术,来研究水稻种子萌发过程中蛋白质表达差异和磷酸化修饰的动态变化模式。利用定量蛋白质组技术构建水稻种子萌发的代谢调控网络来理解萌发过程中能量动员和代谢激活机制,利用磷酸化蛋白质组学发掘触发萌发的关键信号因子,从而为诸多农业生产问题的解决提供理论指导和技术支持。本课题的主要研究结果如下：1.对水稻种子全蛋白质组的研究中总共鉴定到673个在水稻萌发种子中表达的蛋白,通过功能分类发现蛋白质翻译相关蛋白远多于转录相关蛋白,并利用转录抑制剂α-鹅膏蕈碱的处理证明转录对种子萌发非必须。通过比较水稻和大豆萌发种子蛋白质组的各个代谢通路中所鉴定到的蛋白质的差异表明种子中拥有的不同贮藏物质与萌发时蛋白质组的组成密切相关。2.水稻种子萌发过程中全种子比较蛋白质组发掘到39个差异表达蛋白。通过对这些蛋白编码基因的启动子序列分析发现,下调蛋白编码基因的启动子序列含有更多响应ABA的元件,而上调蛋白编码基因的启动子序列含有更多响应GA的元件。对水稻种子萌发过程中胚乳组织的蛋白质组动态分析表明,胚乳组织缺乏在萌发过程中对细胞结构和蛋白质翻译的响应蛋白,更多的为与淀粉代谢相关的差异表达蛋白。同时发现在胚乳中淀粉水解酶类和细胞生物入侵抗性构建的信号元件的表达模式是依赖于胚组织的。3.在胚组织蛋白质组动态变化研究中发现糖酵解和三羧酸循环代谢中相关蛋白的表达变化表明在萌发早期水稻种子以无氧呼吸为主,而在萌发后期转换成以三羧酸循环为主导的有氧呼吸。发现淀粉合成相关蛋白质在萌发早期的积累,同时利用显微观察和生化方法证明水稻种子在萌发过程中胚组织淀粉的积累,并证明这种积累依赖于胚乳的淀粉降解,并可能以蔗糖的形式从胚乳中运输而来提供前体物质。在胚组织萌发早期的Label-free定量蛋白质组动态研究中鉴定到852个水稻种子萌发胚中显著差异表达蛋白。利用这些蛋白丰度变动数据应用蛋白互作统计模型确定了蔗糖合成酶,a-淀粉酶,S-腺嘌呤蛋氨酸合成酶和YT521-B-like蛋白之间潜在的互作和高相关性表达模式。同时利用萌发早期差异变动蛋白构建了氨基酸代谢和活性氧清除的代谢调控图,并证明萌发早期有机酸向氨基酸方向的广泛合成以及抗坏血酸谷胱甘肽循环途径参与清除活性氧的机制。4.在水稻种子萌发过程中的磷酸化蛋白质组研究中利用磷酸化蛋白特异染料Pro-Q染色结合质谱鉴定的方法得到了193个磷酸化蛋白丰度显著变化的蛋白,其中代谢类蛋白为主,利用这些代谢蛋白构建了水稻种子萌发胚组织磷酸化调控网络,控制包括淀粉合成,细胞壁合成前体代谢,过氧化氢清除以及能量代谢过程。酶活鉴定也证明了磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶,GDP-D-甘露糖3’5,-差向异构酶,抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽-S-转移酶的磷酸化对其酶活有促进作用。磷酸化肽段富集结合Label-free蛋白定量技术的糯化蛋白质组研究发掘了更多的蛋白激酶和磷酸酶在萌发早期磷酸化蛋白丰度显著的变化,其中三个油菜素内酯信号通路元件在萌发开始后12小时内介导对油菜素内酯信号的激活,并利用外源施加的方法证明该激素信号促进水稻种子的萌发而非胚根和胚芽鞘的伸长。本研究通过蛋白质组学研究方法,利用蛋白质组学数据来解释水稻萌发过程中的诸多生物学事件,鉴定到执行水稻种子萌发各个生理过程的蛋白质,从而为诸多农业生产问题的解决提供理论指导。