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题名: 脂类组学解析低温和水分胁迫对种子萌发及储藏影响的机制
作者: 禹晓梅
学位类别: 博士
答辩日期: 2012-12
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 李唯奇
关键词: 种子,脂类组学,磷脂酸,吸胀冷害,脱水敏感
学位专业: 植物学
中文摘要: 种子脱水和萌发过程中的吸胀是种子最重要的两个生理过程。在这两个过程中,种子细胞膜脂分子组成对温度和水分的响应具有重要的作用。论文分为两部分对此进行了研究。第一部分,脂类组学解析低温对种子萌发影响的机制:种子萌发是植物生长和发育的第一步。在种子萌发期间,干种子中静止的胚细胞转变成有活性状态的细胞,这时发生了一系列的生理生化反应,其中细胞的膜结构和功能的恢复是非常重要的一种变化。许多种子在低温下快速吸水时会发生吸胀冷害,其种子活力和成苗生长能力显著下降,造成严重的经济损失。对这些种子进行聚乙二醇(PEG)处理后(渗透引发,osmopriming),能够显著地减轻吸胀冷害。种子中的膜脂在吸胀过程中起到重要的作用,但是膜脂分子在此过程中变化规律和功能并不清楚。论文拟利用脂类组学,详尽地解析种子在吸胀、吸胀冷害及其PEG处理克服吸胀冷害的过程中,膜脂分子的变化规律。论文从9个大豆品种中筛选出吸胀冷害耐受型种子LX和敏感型种子R5,以LX和R5为代表,通过基于电喷射离子化串联质谱(ESI-MS/MS)为基础的脂类组学方法,检测了LX和R5在吸胀、吸胀冷害过程中以及 R5在PEG 引发处理下的11类、140种脂类分子的变化规律,获得了海量的脂类分子数据,通过生物信息学的数据分析,揭示了大豆种子在上述过程中膜脂变化的规律及其在吸胀冷害中的作用机制和渗透引发的调控机制。主要结果如下:(1)在种子原初含水量一致的情况下,改变吸水速度和吸水温度,发现吸胀冷害是由于低温下快速吸水共同作用产生的。(2)敏感型R5与耐受型LX相比,在吸胀冷害过程中吸水速度更快,电导率和MDA更高,说明冷害使其膜透性增大,膜脂过氧化加重,导致膜受损伤。对于相当干燥的种子来说,如果在低温下突然大量吸水,低温对膜结构的修补过程造成障碍,膜脂分子若处于凝胶状态,难以迅速完成膜的修复,细胞内的溶质就有可能在膜脂双层结构尚未完全恢复之前,通过“六角形结构”的亲水孔洞渗漏出来,引起电导率升高,在常温下由于脂类具有较好的流动性,膜结构转变可在短时间内完成,这就是低温下吸胀伤害加重的原因。(3)R5经PEG渗透调控处理后,种子活力水平明显提高,在冷害过程中吸水速度更慢,电导率和MDA也更低。因此,降低吸水速度可以提高敏感型品种的抗性,这也是其抗吸胀冷害能力增强的原因。(4)首次系统的表征种子在吸胀和萌发进程中脂类的变化,解析了在吸胀过程中膜的修复和变化以及叶绿体发育的进程,填补了种子萌发进程中脂类变化的空白,具有重要的意义。通过主成分分析,发现8种脂类分为3类变化趋势:Class 1: MGDG、DGDG、PG、PS合成在吸胀3小时内即 PhaseI开始启动,在PhaseIII萌发阶段大量进行; Class 2:PC、PE、PI在PhaseI和PhaseII合成,但是PhaseIII阶段下降,下降可能被Class 1合成利用了; Class 3:PA在PhaseI下降,在PhaseII中间有个上升,之后在PhaseIII降低到非常低的安全水平; (5)通过比较发现,敏感型种子R5在低温吸胀过程中质体膜脂MGDG、DGDG、PG和磷脂PA的变化趋势与常温吸胀和耐受型种子不同; (6)质体膜脂的合成对维持叶绿体膜的结构和功能非常重要,发现质体膜脂的合成与叶绿素荧光的Fv/Fm同步。敏感型R5中质体膜脂MGDG、DGDG、PG在PhaseIII合成停滞,叶绿体发育受阻,影响了光合作用,但是MGDG、DGDG和PG合成受到抑制,不能进行光合作用是吸胀冷害产生的伤害结果,而不是引起吸胀冷害的原因; (7)敏感型R5吸胀冷害过程中PhaseII阶段PA升高,而且在PhaseIII保持很高的含量,通过药理实验,外源施加NAE和正丁醇这两种PA抑制剂,可以减轻吸胀冷害,说明PA的升高确实是引起吸胀冷害的原因,并且只有在吸胀冷害一开始就抑制PA,才能减轻吸胀冷害。因此,我们找到了吸胀冷害产生的原因和吸胀冷害产生的时间,为预防和减轻吸胀冷害研究提供一定的理论依据。 (8)敏感型R5在PEG渗透调控处理过程中进行了膜修复,使其在吸胀冷害过程中与耐受型LX膜脂变化相同,膜的修复和重建正常进行,形成完整的膜双层结构,叶绿体发育正常,能够进行光合作用为种子萌发提供营养。 第二部分,脂类组学解析种子脱水耐性的机制。 种子的长期保藏在种质资源保护和农业生产上具有重要意义。干燥和低温是长期保存种子的常规手段。根据贮藏行为(脱水耐性)的不同,种子分为正常型(耐受脱水)、顽拗型(脱水敏感)和中间型,因此顽拗型种子不能利用常规的种子保存方法储藏。一般来说,细胞脱水导致膜伤害并诱导膜脂组成变化,本研究组前期对包括了三种贮藏行为不同的7 个种的种子的脱水研究发现,膜伤害标志物磷脂酸(PA)在顽拗型种子中持续升高、在正常型种子中升高后下降。PA主要来源于磷脂酶D(PLD)水解磷脂,已经证明磷脂酶D基因家族中的主要成员PLDα1 介导的PA 在植物响应缺水胁迫中起重要作用。因此,PLDα1介导的PA 差异可能是造成种子不同储藏行为的原因。本论文利用拟南芥种子进行“吸水-干燥”循环模拟顽拗型种子的脱水过程,对比研究野生型和抑制了磷脂酶家族主要成员PLDα1(PLDα1-AS)和PLD δ(PLD δ-KO)的突变体,验证上述假说并探索其机理,主要结果如下: (1)顽拗型种子脱落时含水量高,代谢旺盛,因此用拟南芥种子进行“吸水-干燥”模型模拟顽拗型种子脱水过程,发现抑制PLDα1基因提高了种子脱水耐受性,但是敲除PLD δ基因不会改变种子脱水耐受性; (2)利用脂类组学的方法ESI-MS/MS,在Col、PLDα1-AS、WS和PLDδ-KO种子吸水-干燥过程中,表征了11类140多种膜脂分子(Molecular species)变化,发现PLDα1-AS突变体比野生型耐受脱水是因为抑制了PLDα1来源的PA产生,因此,PLDα1介导的PA升高是种子脱水敏感的原因。PLDα1在干燥过程中主要水解PC、PE、PI产生PA的。 (3)利用western blotting检测在拟南芥吸胀-干燥过程中,可溶态和结合态的PLDα1和PLDδ蛋白的变化。在正常情况下,PLDα1主要分布在细胞质中,干燥处理后PLDα1总量增加了,而且PLDα1在细胞内的分布发生了改变,从细胞质中转移动到细胞膜上,这样更有利于PLDα1蛋白结合膜上底物水解磷脂产生PA。PLDδ的表达量在吸水和干燥过程中都保持不变。 (4)DAG是合成磷脂的前体,同时也是合成三酰甘油的前体,在种子脂类代谢中起着重要的作用,我们运用脂类组学的方法系统的研究了DAG在种子生理过程中的动态变化情况,发现在吸水-干燥处理过程中,极性甘油脂类和DAG总量保持不变,两者只是互相转换,在干燥的时候极性甘油脂类减少,水解产物DAG增加,当吸水的时候,DAG含量减少,DAG用于合成磷脂,促进细胞膜的修复,因此DAG在种子生理过程以及脂类代谢过程中起了重要的作用。 论文运用脂类组学方法解析了吸胀冷害发生的机制,以及PEG是如何通过渗透调控改变膜脂组成提高吸胀冷害抗性的,同时证明了PLDα1介导的PA升高是种子脱水敏感的原因。此研究将为农业生产中预防和减轻吸胀冷害提供理论依据,也为将来发展顽拗型种子保藏技术提供理论基础。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/18742
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禹晓梅.脂类组学解析低温和水分胁迫对种子萌发及储藏影响的机制 .[博士学位论文].中国科学院研究生院.2012
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