中國科學家破譯控制水稻種子活力的「遺傳密碼」

  通過對不同活力的、經人工老化處理的水稻種子進行轉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現，這種不同的種子活力可以歸因於差異的生物學途徑和代謝過程。通過差異基因的共表達調控網路和水稻功能基因組學分析，他們鑑定出對種子活力有正向調控作用的轉錄因子基因bZIP23和bZIP42，以及過氧化物酶基因PER1A。相關研究成果線上發表於國際知名學術期刊《美國科學院院刊》。
 「這項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制，為進一步改良作物相關農藝性狀提供了有用的靶標。」2月27日，論文通訊作者、中科院植物所研究員宋獻軍告訴科技日報記者。
 種子活力即種子的健壯度，是種子發芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產潛力的總和，是種子質量的重要指標。種子在貯藏過程中會逐漸失去活力，即種子老化。「種子老化的速率主要取決於遺傳因素，以及種子發育與貯藏期間的環境條件。目前，人們對作物種子活力的調控機制和分子網路知之甚少。」論文第一作者、中科院植物所副研究員王偉青指出。
 中科院植物所宋獻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錄組學和廣靶代謝組學技術，分別分析並比較這些品種種子老化過程中的轉錄組和代謝組的改變，並通過構建共表達調控網路，篩選到包括bZIP23和bZIP42在內的轉錄因子可能作為重要的調控節點。
 轉基因水稻實驗數據顯示，bZIP23和bZIP42正向調控種子活力。「過表達轉錄因子bZIP23增強了種子的活力，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控因子。同樣地，bZIP42的基因敲除也降低了種子的活力。」宋獻軍解釋道。
 與此同時，研究人員還鑑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的活性氧正向調控種子活力。研究發現，bZIP23和bZIP42能夠直接結合到PER1A的啟動子區，並激活其轉錄表達；遺傳學證據表明，PER1A很可能位於bZIP23的下游，在同一遺傳通路中發揮調控種子活力的生物學功能。此外，生理學數據表明，bZIP23和PER1A在清除體內的活性氧過程中發揮重要的作用。
 「這項研究發現了活性氧清除途徑中增強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控機制的理解。」王偉青說道。