中国科学家破译控制水稻种子活力的“遗传密码”

中国科学院植物研究所的研究人员通过对不同活力和人工老化处理的水稻种子的转录组和广泛靶向代谢谱的比较分析，发现种子活力的不同可归因于不同的生物途径和代谢过程。通过差异基因的共表达调控网络和水稻的功能基因组学分析，他们确定了转录因子基因bZIP23和bZIP42，以及过氧化物酶基因PER1A，它们对种子活力具有正调控作用。相关研究成果在线发表在国际知名学术期刊《美国科学院院刊》上。

“这项研究揭示了活性氧清除途径提高水稻种子活力的新机制，并为进一步改良作物相关农艺性状提供了有用的靶标。”2月27日，论文通讯作者、中科院植物所研究员宋先军告诉科技日报记者。

种子活力，即种子健壮度，是种子发芽出苗率、幼苗生长潜力、植物抗逆性和生产潜力的总和，是种子质量的重要指标。种子在储存过程中会逐渐失去活力，也就是种子会老化。“种子老化的速度主要取决于种子发育和储存过程中的遗传因素和环境条件。目前，人们对作物种子活力的调控机制和分子网络知之甚少。”论文第一作者、中科院植物所副研究员王维卿指出。

在前期工作中，中国科学院植物研究所宋先军研究组筛选出两个种子活力差异巨大的水稻品种：活力低的姬静88和活力高的Kasalath。

研究人员利用高通量转录组学和宽靶标代谢组学技术，分析比较这些品种在种子老化过程中转录组和代谢组学的变化，通过构建共表达调控网络，筛选出包括bZIP23和bZIP42在内的转录因子作为重要的调控节点。

转基因水稻实验数据表明，bZIP23和bZIP42正向调节种子活力。“转录因子bZIP23的过量表达增强了种子的活力，而bZIP23的基因敲除降低了种子的活力，说明该基因编码的蛋白质是一种正调控因子。同样，bZIP42的基因敲除也降低了种子的活力。”宋先军解释道。

同时，研究人员还确定了一个编码过氧化物酶的遗传因子PER1A，该基因编码一种可以通过清除种子中的活性氧来积极调节种子活力的蛋白质。发现bZIP23和bZIP42可以直接结合到PER1A的启动子区域并激活其转录表达。遗传证据表明，PER1A可能位于bZIP23的下游，并在同一遗传途径中发挥调节种子活力的生物学作用。此外，生理数据表明，bZIP23和PER1A在清除体内活性氧方面起着重要作用。

“这项研究发现了活性氧清除途径中增强水稻种子活力的重要基因bZIP23、bZIP42和PER1A，提高了我们对种子活力分子调控机制的认识。”王维卿说。