玉米种子胚形态、生理动态变化及干燥耐性相关基因分析

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本论文以玉米自交系JNY6F和PH4CV生理成熟前后不同发育阶段的种子胚为研究对象,在分析种子和胚表型及干物质积累量和水分含量动态变化的同时,进一步测定了不同发育阶段的种子胚中生长素、赤霉素、脱落酸和细胞分裂素等4种激素及可溶性糖、抗氧化酶(SOD和POD)等化学组分的含量,同时分析了生理成熟开始至收获时(授粉后35天、40天和45天)种子胚中转录组表达谱的差异,为探讨玉米种子胚干燥耐性的分子机理提供了表型、生理及转录水平上的数据和资料。主要研究结果如下:1.对种子和胚表型分析发现,JNY6F的种子在授粉后35天(35 DAP)生理成熟,而PH4CV则在授粉后45天(45 DAP)生理成熟。对种子和胚的生物量和水分含量测定发现,JNY6F和PH4CV种子干重分别在45 DAP和55 DAP达最大值,其体内的绝对水分含量分别从20 DAP和35 DAP开始下降,而胚干重在45 DAP和55 DAP基本达到最大值,其体内的绝对水分含量分别从35 DAP和45 DAP开始下降。2.激素含量测定结果表明,两个自交系单胚中4种激素的含量前期均呈缓慢增长变化趋势,JYN6F在35 DAP有大幅增长,PH4CV中生长素的变化趋势与JNY6F一致,细胞分裂素、赤霉素和脱落酸在45 DAP后均有不同程度的降低。进一步分析发现,两自交系4种激素含量变化在单位干重种子胚中与单个胚并不一致。其中,JYN6F与PH4CV在前期基本均呈缓慢增长变化趋势,JNY6F在35 DAP时急剧降低,PH4CV除生长素的变化趋势与JNY6F保持一致外,细胞分裂素、赤霉素和脱落酸在45天后则均有不同程度的降低。3.抗氧化酶SOD和POD活性分析结果表明,POD酶活性的变化在自交系JNY6F中从14 DAP-45 DAP表现为前期降低,在35 DAP升高后又降低;而PH4CV的POD酶活性在14DAP-55 DAP变化总体呈降低趋势。SOD酶活性测定结果显示,在14 DAP-45 DAP,自交系JNY6F变化较为稳定,但在35 DAP时显著增高;PH4CV变化较为复杂且无明显规律。4.可溶性糖含量测定结果显示,在14 DAP-45 DAP,JNY6F单胚可溶性总糖的变化无明显规律,在45 DAP含量最高,在14 DAP是含量最低,在14 DAP-55 DAP,PH4CV单胚可溶性总糖整体上表现为先升高后降低的趋势,在35 DAP含量最高,在14DAP含量最低;还原糖含量测定结果显示,JNY6F和PH4CV单胚中还原糖含量呈缓慢增长的趋势。5.以玉米自交系JNY6F种子胚为材料,采用RNA-seq测序技术,建立了35 DAP、40DAP和45 DAP种子胚的转录组表达谱。在检测到的35184个基因中,有17142个基因在3个时期的种子胚中差异表达。其中,40 DAP与35 DAP相比,13793个基因差异表达,涉及1010个GO功能集和110个KEGG通路;45 DAP与35 DAP相比,8116个基因差异表达,涉及994个GO功能集和109个KEGG通路;而45 DAP与40 DAP相比,9684个基因差异表达,涉及975个GO功能集和110个KEGG通路。据此推测,具有蛋白质异二聚活性功能类别的基因,特别核糖体、基因复制、蛋白质加工3类功能的基因在玉米种子胚干燥耐性中发挥重要作用。6.进一步对差异表达基因分析发现,在35 DAP、40 DAP和45 DAP种子胚里,共检测72个HSP蛋白相关基因,39个与LEA蛋白相关的基因,57个与生长素相关的基因,26个与ABA相关的基因,25个与赤霉素相关的基因,12个与细胞分裂素相关的基因,48个抗氧化功能类别基因,68个糖代谢相关基因,49个与胚脱水相关的基因。本研究在35 DAP、40 DAP和45 DAP的种子胚中,分别检测到1135个转录因子基因、334个转录调控子基因和739个蛋白激酶基因差异表达。转录因子基因涉及67个家族,转录调控因子基因涉及23个家族,差异表达基因编码的蛋白激酶涉及19个家族。7.利用STRING蛋白互作数据库,对检测到的差异表达基因编码的蛋白进行了互作分析。结果表明,在40 DAP和45 DAP的种子胚中表达量相较于35 DAP均上调的差异表达基因中,有132个基因存在互作关系。其中,Zm00001d032587与63个基因存在互作关系;Zm00001d002190与63个基因存在互作关系;Zm00001d027706与66个基因存在互作关系;Zm00001d035578与63个基因存在互作关系。均下调的差异表达基因中,有131个基因存在互作关系。其中,Zm00001d049190与75个基因存在互作关系,Zm00001d052021与74个基因存在互作关系,Zm00001d030614与69个基因存在互作关系。
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