中国西南野生生物种质资源库在种子生物学研究上取得重要进展

    种子经过脱水进入休眠，植物以此性状躲避自然界中的不利环境，延续后代；人类利用此性状来长期保藏种子，延续农业生产。种子的脱水耐受性，即种子脱水后能否保持活力，具有重要的科学意义和社会应用价值；种子脱水耐受性的的成因和机理，一直是种子生物学研究的热点和难点问题。据估计7 - 25%的非热带植物所产生的种子不耐受脱水，而在热带植物中，该比例高达48%，这些植物大都是建群种或重要的经济植物，比如可可、咖啡、茶等，由此使得这些植物的种子保藏成为世界性难题。虽然在过去的40年里，有大量研究探讨了种子不耐脱水的生理及生化现象，但由于缺乏分子遗传学和亚细胞水平上的证据，加之种子脱水耐受性与植物系统发育相关性低，到目前种子脱水耐受性的分子机制还没未被揭示。 

　　近日，中国科学院昆明植物研究所陈虹颖博士等人在李唯奇研究员的指导下，选择了7个科的8个物种（涵盖了种子脱水耐受性的所有类型，代表了约20 %的植物种类）、对种子的胚和子叶分别进行脂类组学检测，发现在脱水诱导的磷脂酸（PA）的升高与种子的活力密切相关；半定量的模型揭示，细胞膜中PA含量超过6%将会导致萌发率低于50%。通过对模式植物拟南芥种子的“干-湿循环”处理来模拟脱水耐受性丧失的过程，发现PA的升高产生于磷脂酶Dα1水解膜脂的反应；分子遗传学方法抑制磷脂酶Dα1表达后，PA升高趋势受到抑制，种子耐受脱水的能力得到提高；利用磷脂酶Dα1特异的抑制剂处理后，改善了种子的脱水耐受性。这些证据说明了PA升高是种子丧失脱水耐受性的原因。深入研究还发现，脱水使得磷脂酶Dα1表达量升高、由胞质向细胞膜移动，抑制磷脂酶Dα1提高了细胞对脱水的耐受性，这些证据描述了PA升高导致种子丧失脱水耐受性的微观过程。该研究认为，脱水使得种子细胞中磷脂酶Dα1表达增加并有胞质向膜移动，催化水解膜脂产生PA，PA的高含量使得细胞膜形成胞质渗漏的“洞”，胞质的渗漏最终使种子失去活力。如果在脱水过程中胞质形成玻璃化的固态，则阻止了磷脂酶Dα1移动和PA的生成，维持了细胞膜的完整性，种子得以保持活力。该研究揭示了磷脂酶α1介导的磷脂酸升高，是脱水导致的种子活力丧失的决定性因素。　　    

　　上述研究成果以“PhospholipaseDα1-mediated phosphatidic acid change is a key determinant of desiccation-induced viability lossin seeds.”为题在线发表在植物学领域前5% 的杂志于Plant, Cell and Environment上。该项研究工作得到国家自然科学基金资助和中国西南野生生物种质资源库的支持。 

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图1. 决定种子形成不同储藏特性的分子机制