東北地理所在穗發(fā)芽抑制劑調(diào)控水稻種子萌發(fā)機(jī)制方面取得進(jìn)展
谷物穗發(fā)芽（也稱收獲前發(fā)芽，Pre-harvest sprouting，PHS）是指穗上生理成熟的谷粒在收獲前發(fā)芽的現(xiàn)象，在全球性范圍內(nèi)都普遍發(fā)生，嚴(yán)重影響谷物的產(chǎn)量和品質(zhì)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。東北地理所方軍研究員團(tuán)隊(duì)前期研究全面解析了ABA合成和信號(hào)途徑調(diào)控水稻穗發(fā)芽的分子機(jī)制，為改良水稻種子休眠和萌發(fā)的分子設(shè)計(jì)育種奠定了良好的基礎(chǔ)，相關(guān)研究以第一或者通訊作者發(fā)表在Plant J（2008，2018）、New Phytol（2019）、J Agr Food Chem（2020）等國(guó)際主流雜志上。雖然培育抗穗發(fā)芽品種是行之有效的解決方法，但其耗時(shí)耗力；化學(xué)防治是見(jiàn)效最快的一種方式，此前雖有多種抑制 PHS 的化合物被發(fā)現(xiàn)，但它們?cè)谛Ч⒊杀竞投纠韺W(xué)方面存在問(wèn)題，且對(duì)其組合作用及機(jī)制的研究較少。
近日，東北地理所方軍研究團(tuán)隊(duì)與東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作在《Plant Physiology and Biochemistry》發(fā)表了關(guān)于馬來(lái)酰肼和香豆素復(fù)配抑制水稻種子萌發(fā)的研究成果，該研究為解決水稻穗發(fā)芽問(wèn)題提供了一種便捷有效的化學(xué)防控方法。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)連續(xù)和短期浸種實(shí)驗(yàn)，從馬來(lái)酰肼（MH）、香豆素（COU）和丁香酚（EUG）三種穗發(fā)芽抑制劑中篩選出穗發(fā)芽抑制劑的最佳組合為MH 20 mg L-1 + COU 100 mg L-1，該組合可顯著降低水稻種子發(fā)芽率。進(jìn)一步研究表明，該組合處理顯著降低了種子萌發(fā)過(guò)程中的α-淀粉酶活性，減少了可溶性糖和可溶性蛋白的含量，從而抑制了種子萌發(fā)所需的能量和物質(zhì)供應(yīng)。該組合還能調(diào)節(jié)抗氧化酶活性，抑制活性氧（ROS）的積累，減少MDA的產(chǎn)生；促進(jìn)種子內(nèi)ABA含量快速積累（圖1）。基因表達(dá)分析表明，MH和COU組合通過(guò)調(diào)節(jié)OsNCED1/2/5和OsABA8ox1-3表達(dá)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水稻種子內(nèi)ABA的含量。在不同萌發(fā)階段，該組合對(duì)ROS產(chǎn)生基因OsRbohs表達(dá)的調(diào)節(jié)不同，還下調(diào)了α-淀粉酶基因（OsAmy1A和OsAmy3D）的表達(dá)。體外模擬萌發(fā)試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)該PHS抑制劑組合能夠有效降低種子萌發(fā)（圖2）。
該研究首次報(bào)道了MH和COU復(fù)配對(duì)水稻種子萌發(fā)的協(xié)同抑制作用，揭示了其抑制水稻種子萌發(fā)的機(jī)制，涉及ROS積累、ABA代謝和淀粉降解等多個(gè)生理過(guò)程，并繪制了相應(yīng)的機(jī)制模型（圖3），研究成果不僅加深了對(duì)PHS抑制劑調(diào)控種子萌發(fā)機(jī)制的理解，也為MH和COU在防止穗發(fā)芽的應(yīng)用中提供了理論支持，有望在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
圖1 馬來(lái)酰肼與香豆素復(fù)配影響活性氧積累、丙二醛含量、抗氧化酶活性和ABA含量
圖2馬來(lái)酰肼與香豆素復(fù)配抑制水稻種子萌發(fā)的體外模擬試驗(yàn)
圖3 馬來(lái)酰肼與香豆素復(fù)配抑制水稻種子萌發(fā)的機(jī)制模型
東北地理所沙漢景助理研究員為論文第一作者，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王敬國(guó)教授與東北地理所方軍研究員為共同通訊作者。研究得到江西省重大科技研發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目（20232ACF01001）、國(guó)家自然科學(xué)基金（U22A20456）、黑龍江省自然科學(xué)基金（YQ2022C037）、黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務(wù)費(fèi)優(yōu)青項(xiàng)目（CZKYF2022-1-C014）以及寒地糧食作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與生理生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（CXSTOP2021004）聯(lián)合資助。
論文信息：
Hanjing Sha,Yue Yu,Yunfei Han,Jia Liu,Zhongmin Han,Yubing Zhao,Chunran Huo,Huilin Chang,Fantao Zhang,Jingguo Wang*,Jun Fang*. Combination of maleic hydrazide and coumarin inhibits rice seed germination involving reactive oxygen species accumulation,ABA metabolism and starch degradation. Plant Physiology and Biochemistry,2024,217:109202.
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