大豆种子低温吸胀相关基因的分离与蛋白变化的研究

大豆 (Glycine max (L.) Meer.)是人们日常生活中不可缺少的食品，也是一种非常重要的油质、蛋白资源。目前根据大豆种子吸胀阶段对低温敏感性的不同，可将其划分成3种生态型：低温非敏感型、低温敏感型及中间型。对于低温非敏感型的种子来讲，4℃下吸胀24小时对其发芽率影响很小，而敏感型种子萌发率不超过5%。我国属于温带大陆性气候，大豆播种后由于温度波动而造成一部分种子不能萌发，最终导致减产甚至绝产的现象普遍存在。高产是育种工作的主要目标，提高逆境胁迫的适应能力是高产的前提和基础，所以从分子角度研究种子吸胀非常必要，一方面能够挖掘新的基因资源，另一方面为今后育种工作提供必要的理论依据。 本试验以此为立足点，低温吸胀非敏感型大豆品种 (Z22)为材料，利用cDNA-AFLP方法及蛋白质技术分离与低温吸胀相关的基因及蛋白，得到结果如下： 第一，本试验成功的分离出4个受低温诱导的基因，半定量RT-PCR方法进一步验证了这4个基因在种子吸胀24小时内受低温诱导。 第二，利用RACE方法成功的得到2个完整的全长基因，在NCBI数据库中查找后发现其中1个基因为新基因，命名为SCHI基因 (SCHI：Soybean chilling-induced gene)。SCHI全长为390bp，编码分子量大约为14.2KD的蛋白；另外一个基因是已知基因，其同源序列已经在其他的物种中得到分离。由于此基因与核糖体蛋白L34高度同源，所以把把这个基因命名为SOL34 (Soybean L34)。 第三，利用半定量RT-PCR方法对基因表达模型进行分析，结果表明：SCHI在种子低温吸胀18～24小时期间诱导表达量最高，而当种子低温吸胀24小时后转入常温下，其表达量在常温下18小时左右迅速下降；ABA (100μM)、PEG (30%，10000)及NaCl (250mM)能够诱导SCHI的表达，在诱导表达量上，ABA和PEG诱导效果最明显，而NaCl能够微弱的诱导此基因表达；对不同生态型的大豆品种而言，低温吸胀过程中，SCHI在非敏感型种子中的表达量高于敏感型种子，但非敏感型和中间型之间没有差别；另外，SCHI在大豆胚轴中是诱导型表达，在叶片和根尖中则是组成型表达。SOL34的表达在萌发前24小时内被低温诱导，但在不同生态型之间没有差别。SOL34在胚轴和根尖中受低温诱导，在叶片中是组成型表达。 第四，SCHI能够在原核生物中表达出相应蛋白，诱导表达蛋白的分子量在26-29KD，大约为理论值的2倍，说明在大肠杆菌中被表达的蛋白以2聚体形式存在。另外低温试验结果表明SCHI能够提高菌落忍耐短时间-20℃低温的能力。 第五，利用双元表达载体把SCHI转入拟南芥植株，经过低温、干旱和盐胁迫后，转基因植株的成活率均高于野生型植株。超表达SOL34的拟南芥植株降低了对低温的耐性；而抑制拟南芥中L34的表达反而提高了植株对低温的抗性。 第六，本试验利用蛋白质等有关试验检测了大豆种子低温吸胀时蛋白质发生的变化。从吸胀 (4℃和22℃下24h)后的大豆胚轴中成功鉴定出上调蛋白点25个，下调蛋白点15个。其中有参与能量代谢反应 (占10%，例如柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等)、细胞生长与分裂相关反应 (20%，例如LEA蛋白和种子成熟蛋白PM26)、胁迫反应 (10%，如乙醇脱氢酶)、种子宿命和贮藏蛋白 (20%，大豆球蛋白)等蛋白在此过程中发生了变化，暗示种子萌发前期低温吸胀过程中多种代谢发生变化。细胞生长变缓、能量代谢增强、胁迫代谢蛋白的高表达以及贮藏蛋白降解速度减慢等变化都有利于种子在吸胀过程中度过低温环境，为以后的生长作好准备。

低温吸胀对大豆种子呼吸代谢影响的研究

大豆是重要的油料和蛋白植物。在生产实践中，在播种后达到早苗和齐苗是大豆丰收的前提。种子的吸胀冷害是农业生产的严重问题。吸胀冷害发生在种子开始吸水萌动的萌发初始阶段。吸胀冷害不仅发生在高寒地带和低温冷湿地区，尤其在我国东北地区，造成我国乃至全球大豆不同程度的减产。吸胀冷害的原初作用位点在生物膜上，本实验从呼吸代谢的角度研究吸胀冷害对种子活力的影响，探讨吸胀冷害的机制。 本实验选用由黑龙江省黑河农业科学院提供的对低温中度敏感的黑河13 号大豆种子为材料，分别经22°C、10°C 和4°C 恒温培养箱24 h 后，测定其生理指标，通过透射电镜观察细胞超微结构，利用蛋白质组技术研究低温吸胀与种子呼吸代谢的关系，得到的结果如下： 低温吸胀阻碍胚轴膜系统的修复。通过电解质渗漏率测定发现，4°C 到22°C 温度范围内，提高吸胀温度有助于保持细胞膜的完整性，显著降低吸胀后胚轴电解质渗漏。在低温下吸胀，胚轴活性氧清除酶的活性受到抑制，活性氧含量增加，增强了膜脂过氧化作用，进而导致种子活力下降。 通过透射电子显微镜观察，大豆种子在22°C 吸胀24 h 后，胚轴细胞液泡明显变大，在细胞中所占比例很高，并且细胞内膜系统比较发达，能清晰观察到细胞核，线粒体，质膜，内质网整齐有序的形状。胚轴的细胞含有其它结构正常的细胞器，包括细胞壁，胞间连丝，淀粉粒和油体等。线粒体的外膜、内膜、嵴发育较完善。10°C 和4°C 的吸胀严重损伤了胚轴中细胞器的修复，细胞膜不规则，没有发现内质网和胞间连丝，线粒体的体积较小以及膜系统不发达，尤其是4°C 吸胀的胚轴中细胞器的损伤更加严重，细胞膜系统紊乱。 低温吸胀抑制了线粒体从轻线粒体向重线粒体的修复，以及线粒体的耗氧能力。22°C 吸胀的线粒体的总体耗氧能力较高，电子传递主要是利用复合体I 的电子传递途径。10°C 吸胀的线粒体总体耗氧呼吸较低，且其线粒体的电子传递主要以复合体II 的途径。4°C 吸胀的线粒体的耗氧能力则更低。 将分离得到的线粒体进行的蛋白质组分析，共分离400 多个蛋白点，其中有20 个点有表达差异。经ESI-Q-TOF-MS/MS 鉴定，六个下调的蛋白质分别为ATP 合成酶的亚基 (线粒体的氧化磷酸化)，线粒体延长因子Tu（线粒体基因组转录）， 苹果酸脱氢酶（三羧酸循环），精氨酸酶（尿素循环）和2 个线粒体chaperonin-60 （热稳定蛋白）。这些蛋白在低温吸胀时下调表达，影响了线粒体的正常生理代谢，说明它们在维持线粒体正常代谢中起到了重要的作用。 综上所述，低温吸胀影响了线粒体的结构和生理功能的修复，减少了能量和中间物质供应给种子萌发，造成了种子活力的下降。