小麦种子萌发期蛋白表达及呼吸代谢对低温的响应

摘要

随着全球气候变化加剧，黄淮海麦区特别是一年两播的北区，玉米品种改良趋势向延长生育期和晚收的方向发展，小麦晚播比例逐年增加。晚播小麦在萌发过程中易遭遇低温。本研究利用生理生化及高通量蛋白质组学技术，研究适温和低温条件下小麦种子萌发过程中蛋白质组差异，对阐明温度对小麦种子萌发的影响及其作用机理具有重要的理论和实际意义。
　　以小麦(Triticum aestivum L.)品种济麦22为材料，研究了不同温度处理条件下小麦种子萌发不同阶段（干种子、快速吸水期、缓慢吸水期、生长吸水期4个萌发重要时期）的呼吸速率、淀粉与可溶性糖含量，利用双向电泳技术获得差异表达蛋白质点，采用蛋白质组串联质谱分析仪鉴定，数据库搜索并鉴定差异表达蛋白质涉及的生物学功能。主要研究结果如下:
　　1.低温条件下吸水比适温下慢导致低温延迟了小麦种子的萌发进程。相同萌发阶段不同萌发温度相比，适温条件下小麦种子的呼吸速率及升幅显著高于低温条件;可溶性糖含量均呈先降低后升高的趋势，均于缓慢吸水阶段达到最低，相同萌发阶段不同温度间相比，种子内可溶性糖含量在适温条件下的变化显著快于低温;总淀粉含量适温下低于低温且降幅显著高于低温。
　　2.两种不同温度条件下小麦种子萌发过程中差异表达蛋白数量为56个，与数据库匹配的蛋白点为46个，其中上调蛋白22个(U1-U22)，下调蛋白18个(D1-D18)，及复杂变化蛋白6个(C1-C6)。对成功鉴定的46个差异表达蛋白质进行了统计分析，所鉴定蛋白主要参与能量代谢、糖类代谢、蛋白代谢、贮藏蛋白、抑制蛋白、转运及转录等。其中上调蛋白主要为能量代谢（9个）、糖类代谢（15个）和蛋白代谢相关酶类（2个）等，下调蛋白主要为贮藏蛋白（8个）、抑制蛋白（7个）等。
　　3.β-淀粉酶在种子萌发过程中表达量上调，同时，α-淀粉酶-B同工酶于缓慢吸水阶段出现且在之后的萌发过程中表达量与β-淀粉酶呈同步快速升高趋势，相同萌发阶段低温下淀粉酶表达量低于适温。能量代谢相关蛋白主要包括糖酵解、三羧酸循环以及ATP合成等相关酶蛋白，这些酶类在萌发过程中表达量的上调，适温下的表达量高于低温。淀粉合成相关酶类在萌发过程中大量分解，说明萌发过程中多糖的合成停止或保持在较低水平。贮藏蛋白在萌发过程中主要表现为表达量下调，低温下该类蛋白表达量降幅显著低于适温。抑制蛋白在种子萌发过程中表达量下调，且低温下的表达量高于适温。
　　4.综合分析，与适温萌发条件相比，低温限制了小麦种子α-淀粉酶和β-淀粉酶的表达量从而抑制淀粉降解;降低糖酵解过程中磷酸甘油酸变位酶、三羧酸循环的柠檬酸合酶和苹果酸脱氢酶、线粒体二氢硫辛酸脱氢酶以及线粒体ATP合酶等表达量以抑制呼吸，导致低温下种子萌发期呼吸速率显著低于适温;并通过抑制贮藏蛋白和α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制子、丝氨酸蛋白酶抑制剂及木聚糖酶抑制蛋白等抑制蛋白的降解以阻碍其他代谢途径的进行。

目录

声明

符号说明

摘要

1 前言

1．1 种子萌发过程中的重要生理变化

1．1．1 吸胀作用

1．1．2 淀粉代谢与可溶性糖代谢

1．1．3 呼吸作用与能量产生

1．2 种子蛋白质组学

1．2．1 蛋白质组学研究技术

1．2．2 种子中的蛋白质

1．2．3 种子萌发过程中的蛋白质组分析

1．3 种子萌发对低温的响应

1．4 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 材料及处理

2．2 试验方法

2．2．1 呼吸速率的测定

2．2．2 可溶性糖含量的测定

2．2．3 淀粉含量的测定

2．3 蛋白质组学分析

2．3．1 总蛋白提取

2．3．2 蛋白质浓度测定

2．3．3 双向电泳(2-DE)

2．3．4 考马斯亮蓝染色

2．3．5 蛋白凝胶成像与分析

2．3．6 质谱分析差异蛋白点与数据库检索

2．4 试剂与仪器

2．5 主要试剂配制

3 结果与分析

3．1 适温和低温下小麦种子萌发过程中吸水量的变化

3．2 适温和低温下小麦种子萌发过程中呼吸速率的变化

3．3 适温和低温下呼吸底物含量的变化

3．3．1 可溶性糖含量的变化

3．3．2 淀粉含量的变化

3．4 双向电泳及2-DE图谱分析

3．5 差异表达蛋白质点的质谱鉴定及功能分类

4 讨论

4．1 不同萌发温度条件对小麦种子萌发时间的影响

4．2 不同萌发温度条件下小麦种子淀粉酶表达差异对淀粉降解的影响

4．3 不同萌发温度条件下小麦种子呼吸关键酶表达差异对呼吸速率和可溶性糖含量的影响

4．4 不同萌发温度条件下小麦种子贮藏蛋白降解的差异

4．5 不同萌发温度条件下小麦种子萌发抑制蛋白的表达差异

5 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况