我國科學(xué)家破譯控制水稻種子活力的“遺傳密碼”
◎本報記者 陸成寬
通過對不同活力的、經(jīng)人工老化處理的水稻種子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和廣泛靶向代謝譜的比較分析，中科院植物所的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種不同的種子活力可以歸因于差異的生物學(xué)途徑和代謝過程。通過差異基因的共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和水稻功能基因組學(xué)分析，他們鑒定出對種子活力有正向調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子基因bZIP23和bZIP42，以及過氧化物酶基因PER1A。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》。
“這項(xiàng)研究揭示了一個活性氧清除途徑改善水稻種子活力的新機(jī)制，為進(jìn)一步改良作物相關(guān)農(nóng)藝性狀提供了有用的靶標(biāo)?！?月27日，論文通訊作者、中科院植物所研究員宋獻(xiàn)軍告訴科技日報記者。
種子活力即種子的健壯度，是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和，是種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。種子在貯藏過程中會逐漸失去活力，即種子老化?！胺N子老化的速率主要取決于遺傳因素，以及種子發(fā)育與貯藏期間的環(huán)境條件。目前，人們對作物種子活力的調(diào)控機(jī)制和分子網(wǎng)絡(luò)知之甚少?！闭撐牡谝蛔髡?、中科院植物所副研究員王偉青指出。
中科院植物所宋獻(xiàn)軍研究組在前期工作中，篩選到兩個種子活力差異巨大的水稻品種：低活力的“吉粳88”和高活力的“Kasalath”。
研究人員利用高通量轉(zhuǎn)錄組學(xué)和廣靶代謝組學(xué)技術(shù)，分別分析并比較這些品種種子老化過程中的轉(zhuǎn)錄組和代謝組的改變，并通過構(gòu)建共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，篩選到包括bZIP23和bZIP42在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子可能作為重要的調(diào)控節(jié)點(diǎn)。
轉(zhuǎn)基因水稻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，bZIP23和bZIP42正向調(diào)控種子活力?！斑^表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子bZIP23增強(qiáng)了種子的活力，而bZIP23的基因敲除則降低了種子的活力，說明該基因編碼的蛋白是一個正調(diào)控因子。同樣地，bZIP42的基因敲除也降低了種子的活力?！彼潍I(xiàn)軍解釋道。
與此同時，研究人員還鑒定到一個編碼過氧化物酶的遺傳因子PER1A，該因子編碼蛋白能夠通過清除種子內(nèi)的活性氧正向調(diào)控種子活力。研究發(fā)現(xiàn)，bZIP23和bZIP42能夠直接結(jié)合到PER1A的啟動子區(qū)，并激活其轉(zhuǎn)錄表達(dá)；遺傳學(xué)證據(jù)表明，PER1A很可能位于bZIP23的下游，在同一遺傳通路中發(fā)揮調(diào)控種子活力的生物學(xué)功能。此外，生理學(xué)數(shù)據(jù)表明，bZIP23和PER1A在清除體內(nèi)的活性氧過程中發(fā)揮重要的作用。
“這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了活性氧清除途徑中增強(qiáng)水稻種子活力的重要基因bZIP23、bZIP42和PER1A，提高了我們對種子活力分子調(diào)控機(jī)制的理解。”王偉青說道。