楊樹種子迅速萌發(fā)的機理研究項目摘要

種子萌發(fā)是一個非常復(fù)雜的過程，到目前為止，種子萌發(fā)的關(guān)鍵事件仍然不清楚。楊樹種子在20 C下吸脹2 h的萌發(fā)率達21%，是研究木本植物種子萌發(fā)機制的理想模式材料。本項目以成熟的楊樹種子為材料，集成細胞學(xué)、生理學(xué)、分子生物學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)，研究與楊樹種子迅速萌發(fā)有關(guān)的 (1) 形態(tài)特征和細胞/亞細胞結(jié)構(gòu)；(2) 種子的萌發(fā)活性；(3) 種子萌發(fā)過程中ABA和GA的含量及其生物合成與降解關(guān)鍵基因的表達；(4) 干種子的蛋白質(zhì)組圖譜，種子萌發(fā)進程的差異蛋白質(zhì)組，轉(zhuǎn)錄抑制劑和蛋白合成抑制劑處理影響的蛋白質(zhì)組；以及 (5) 與種子迅速萌發(fā)相關(guān)的重要功能基因的表達。項目組在種子萌發(fā)、ABA和GA含量及其生物合成與降解關(guān)鍵基因的表達以及種子蛋白質(zhì)組等研究方面具有良好的前期工作基礎(chǔ)。本項目的研究將為解釋植物生物學(xué)和林學(xué)中的基本問題胚怎樣突破周圍結(jié)構(gòu)完成萌發(fā)提供新的知識與新技術(shù)。

種子活力是一個復(fù)雜的概念，決定了種子的快速統(tǒng)一的萌發(fā)和隨后的生長。然而，在種子活力變化的機制知之甚少。楊樹（Populus×canadensis Moench）種子是一種短命種子，存儲在30℃和75±5%相對濕度的條件下，不同時期（0–90天）獲得不同活力種子（從95%到發(fā)芽率0 %）。隨著種子活力降低，發(fā)芽種子的呼吸速率明顯下降，種子的相對電導(dǎo)率明顯增加，種子萌發(fā)溫度范圍變小。共發(fā)現(xiàn)81個蛋白點豐度顯著變化（≥1.5倍，P＜0.05）時，比較不同時間處理的蛋白質(zhì)組，所識別的65種蛋白質(zhì)，大部分屬于代謝組（23%），蛋白質(zhì)合成和降解（22%），能量（18%），細胞防御和救援（17%），和儲藏蛋白（5%）。這些蛋白質(zhì)占所有確定的蛋白質(zhì)的95%。在種子老化過程中，53個和6個確定的蛋白質(zhì)分別不斷增加和減少豐度，這些蛋白質(zhì)的功能是能量代謝、蛋白質(zhì)的合成和降解、細胞防御和救援、儲藏蛋白質(zhì)和細胞的生長和結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)表明，種子活力下降（老化）是一個能量依賴的過程，需要蛋白質(zhì)合成和降解以及細胞防御。種子萌發(fā)是受多種遺傳、內(nèi)在與外在環(huán)境因素影響的復(fù)雜性狀。種子萌發(fā)的分子機制尚不完全清楚。在10，15和20℃黑暗中，楊樹種子迅速發(fā)芽，種子達到50%的發(fā)芽率的時間是22、4.5和3.5 h。在本研究中，成熟的楊樹種子被用來作為一個模型，去研究用水、ABA和CHX處理種子的蛋白質(zhì)組差異。共有109個蛋白點發(fā)生了顯著的變化（≥1.5倍，P＜0.05）。大多數(shù)的蛋白質(zhì)功能是細胞防御和救援（21%），儲藏蛋白（20%），蛋白質(zhì)的合成和降解（18%），代謝（17%），能量（13%），以及轉(zhuǎn)錄和RNA代謝（6%）。種子的萌發(fā)與參與氨基酸和脂質(zhì)代謝、TCA循環(huán)和磷酸戊糖途徑、蛋白質(zhì)合成和降解、儲藏蛋白降解、細胞防御和救援的蛋白質(zhì)增加密切相關(guān)。ABA和CHX抑制楊樹種子萌發(fā)，通過降低相關(guān)蛋白質(zhì)豐度。楊樹種子發(fā)芽是一個能量依賴的主動過程，包括氨基酸的活化，蛋白合成、儲藏蛋白降解、蛋白折疊以及細胞防御和救援。

植物學(xué)家們一直沒有解決種子萌發(fā)的問題，直到英國皇家植物園的Carlos Magdalena在播下他最后的二十顆種子時才成功找到解決辦法。這種睡蓮與其他品種不同，一般的睡蓮是在深水中萌發(fā)，而侏儒盧旺達睡蓮萌發(fā)的時候需要二氧化碳來幫助萌發(fā)。而在此之間，在德國的植物園里的最后兩株盧旺達睡蓮被老鼠啃食。但幸運的是，Carlos Magdalena稱隨著萌發(fā)問題的解決，這種纖小的蓮花還是很好種植的，也許未來可以成為一種新的室內(nèi)植物。

鑒于防風(fēng)固沙楊樹林體系的風(fēng)振反應(yīng)的模糊性、隨機性，本研究項目首先利用模糊控制理論，通過對防風(fēng)固沙楊樹林體系在風(fēng)作用下的動力特性、耗能機理、固沙效應(yīng)、倒塌機理的研究，取得楊樹在風(fēng)作用下的恢復(fù)力特性曲線及固沙效應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并用以建立防風(fēng)固沙楊樹林體系在風(fēng)作用下的ANSYS隨機模型及倒塌模型；其次通過對楊樹、帶有減振器的楊樹、防風(fēng)固沙楊樹林體系、帶有減振器的防風(fēng)固沙楊樹林體系的風(fēng)洞對比試驗，并自行編制相應(yīng)的計算機程序進行仿真分析，獲得其減振效果，從而得出防風(fēng)固沙楊樹林體系的減振方法和措施，以實現(xiàn)對防風(fēng)固沙楊樹林體系的減振模糊控制，達到衰減風(fēng)振反應(yīng)，減少楊樹損壞或倒塌數(shù)量，有效節(jié)省工程防沙費用，保護防風(fēng)固沙楊樹林體系安全的目的。該項目的研制成功，將為后續(xù)防風(fēng)固沙楊樹林體系的大規(guī)模工程建設(shè)作好準(zhǔn)備，并為首都社會安定，經(jīng)濟繁榮提供更有力的保障，因而可取得顯著的科研意義、社會意義和極其廣闊的應(yīng)用前景。

保護組織：植物的種皮在種子發(fā)芽期間提供保護措施，更有利于種子的發(fā)育。

營養(yǎng)組織：種子萌發(fā)初期的營養(yǎng)全由種子自身提供，尤其是胚乳。

分生組織：萌發(fā)期間種子的胚則會進一步分裂分化，形成更多的細胞，從而成長。