研究背景
水稻（Oryza sativa）是全球最重要的主食作物之一，種子活力對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和作物的生存能力至關(guān)重要。種子活力指種子在適宜條件下發(fā)芽和形成健康幼苗的能力?；騜ZIP23和PER1A在植物生長發(fā)育和應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力中起著重要的作用，但是它們?cè)谡{(diào)控水稻種子活力中的作用尚不清楚。
ROS是調(diào)節(jié)種子活力的關(guān)鍵因素，ROS的平衡受到各種生物和非生物脅迫因素的影響，植物已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的ROS解讀策略，PER1（氧化還原蛋白）是許多植物中的種子特異性抗氧化劑；植物激素ABA在調(diào)節(jié)種子成熟和活力中有重要的作用，abi3是ABA信號(hào)傳到的關(guān)鍵下游成分；結(jié)合其他研究可以初步了解種子活力的分子調(diào)控機(jī)制，然而ABA對(duì)種子活力的控制是否與抗氧化信號(hào)通路有關(guān)仍不清楚，本研究整合轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)，解析兩個(gè)具有不同活力的水稻品種的遺傳結(jié)構(gòu)，建立了ABA-bZIP23-PER1A的水稻種子活力調(diào)節(jié)路徑。
數(shù)據(jù)方法
1.mRNA-seq
2.代謝組
研究思路&研究設(shè)計(jì)
研究人員對(duì)具有不同種子活力的兩個(gè)亞種水稻品種進(jìn)行了加速老化處理，然后進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝譜分析，以揭示影響種子活力差異的關(guān)鍵生物途徑和代謝過程。
研究結(jié)果
1.不同種子活力的轉(zhuǎn)錄組圖譜和代謝組差異情況
種子老化實(shí)驗(yàn)，Jigeng88完全喪失萌發(fā)能力下Kasalath還有98.7%的萌發(fā)能力；我們比較了Kasalath和Jigeng88未老化種子之間的基因表達(dá)，并鑒定了7，674個(gè)DE轉(zhuǎn)錄本；對(duì)差異基因進(jìn)行聚類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)包括ABA，赤霉素（GA），應(yīng)激反應(yīng)和水通道蛋白（水轉(zhuǎn)運(yùn)）途徑，在C6簇（顯著差異簇）中顯著富集，據(jù)報(bào)導(dǎo)這幾個(gè)通路參與種子活力的調(diào)控。
在Kasalath和Jigeng119樣品中分別確定了51和88種代謝物為DA（差異積累代謝物），通路分析：嘌呤和GSH代謝途徑有顯著改變，這些途徑也與種子活力的功能調(diào)控有重要關(guān)聯(lián)。
2.bZIP23和bZIP42正向調(diào)控種子活力
使用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄因子鑒定（PlantRegMap），在Kasalath和Jigeng21種子中分別發(fā)現(xiàn)了16個(gè)和88個(gè)具有顯著高代表性靶標(biāo)的TF；構(gòu)建共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：幾個(gè)顯著上調(diào)并參與ABA信號(hào)傳導(dǎo)的候選TF，包括bZIP23和bZIP42，僅存在于Kasalath的基因網(wǎng)絡(luò)中。bZIP23/42基因已被表征為賦予ABA依賴性耐受非生物脅迫的重要遺傳因子。
研究了bZIP23的相對(duì)表達(dá)水平與10個(gè)粳稻和8個(gè)秈稻品種之間種子活力的相關(guān)性，觀察到bZIP23等位基因的表達(dá)在老化處理后上調(diào)，這些品種之間存在明顯差異
3.過氧化物還原蛋白PER1A是水稻種子活力的正調(diào)節(jié)因子
將轉(zhuǎn)錄與GSH生物合成代謝圖譜進(jìn)行通路整合，發(fā)現(xiàn)核心代謝物的含量降低，該途徑中的大多數(shù)基因下調(diào)；同時(shí)進(jìn)行H202檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)，Jigeng88比Kasalath積累了更多的H202，結(jié)合前人擬南芥的研究，篩選到了PRX家族，其中PER1A優(yōu)先在種子老化前期表達(dá)，且差異更大，過表達(dá)PER1A，過表達(dá)PER1A的水稻種子，其萌發(fā)率下降的速度比野生型慢。
4.PER1A由TF bZIP23 和bZIP42 直接調(diào)控
采用了酵母單雜交（Y1H）測(cè)定來測(cè)試這些TF是否可以與PER1A啟動(dòng)子結(jié)合，與蛋白bZIP4（GAD-bZIP42）或GAD-bZIP42融合的GAL23轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（GAD）激活了由PER1A啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的LacZ報(bào)告基因。
ChIP-qPCR表明bZIP23和bZIP42都可以與PER1A啟動(dòng)子結(jié)合；電泳遷移率轉(zhuǎn)移測(cè)定（EMSA）顯示，重組His-bZIP42或His-bZIP23融合蛋白，但不是His單獨(dú)，導(dǎo)致生物素標(biāo)記的WT PER1A探針的上移，而不是突變探針的上移。
雙熒光素酶報(bào)告基因（DLR）測(cè)定：表明bZIP42和bZIP23可以直接與啟動(dòng)子結(jié)合并顯著激活PER1A的表達(dá)。
qRT-PCR分析表明，與WT相比，PER1A表達(dá)在bzip23種子中下調(diào)，在bZIP23過表達(dá)種子中顯著上調(diào)，而在PER1A敲除系中，bZIP23表達(dá)沒有改變。
5.bZIP23-PER1A 調(diào)節(jié)模塊通過 ABA 信號(hào)通路調(diào)節(jié)種子活力
bZIP23基因產(chǎn)物介導(dǎo)了水稻對(duì)外源性ABA處理的敏感性，在用外源性ABA處理WT種子23小時(shí)后，觀察到bZIP23的瞬時(shí)上調(diào)表達(dá)；PER1A的表達(dá)模式與bZIP23的表達(dá)模式相似。支持ABA誘導(dǎo)的信號(hào)通路最有可能參與bZIP23-PER1A介導(dǎo)的種子活力調(diào)節(jié)的結(jié)論。兩個(gè)品種對(duì)ABA處理的敏感度不同：研究了bZIP23和PER1A在Kasalath吸收種子中的表達(dá)與用ABA梯度升高處理的Jigeng88的表達(dá)，并觀察到bZIP23在Kasalath中顯著上調(diào)，但在Jigeng88中沒有。觀察到Kasalath種子中ABA濃度增加對(duì)發(fā)芽的抑制作用比Jigene88嚴(yán)重得多；我們得出結(jié)論，為了響應(yīng)老化處理，Kasalath的種子具有ABA水平的突然激增，由于敏感性而激活了bZIP23-PER1A途徑，而Jigeng88的種子則沒有。
研究結(jié)果&結(jié)果討論
秈稻品種卡薩拉斯的種子活力優(yōu)于粳稻吉耿88，確定了PRX家族基因PER1A，其編碼參與ROS（解毒的蛋白質(zhì)24，37）作為水稻種子活力的正調(diào)節(jié)因子。研究揭示了AREB因子bZIP23在PER1A上游起作用，bZIP23-PER1A介導(dǎo)的種子活力調(diào)節(jié)可能通過ABA信號(hào)通路。Kasalath種子（更高的活力）中，內(nèi)源性ABA最初響應(yīng)加速衰老處理而增加，從而促進(jìn)AREB因子bZIP23的表達(dá)，該蛋白激活其下游PER1A靶基因的表達(dá)并增強(qiáng)種子活力。然而，在冀庚88種子（活力較低）中，內(nèi)源性ABA在加速衰老過程中沒有改變，bZIP23-PER1A介導(dǎo)的信號(hào)通路可能不能起作用。盡管如此，我們確定了bZIP23-PER1A介導(dǎo)的水稻種子活力調(diào)節(jié)解毒途徑，并為改善作物質(zhì)量提供了潛在的有用目標(biāo)。差異基因編碼參與細(xì)胞分裂素、茉莉酸和水楊酸代謝和信號(hào)通路的各種蛋白質(zhì)的大量轉(zhuǎn)錄本以及這些激素的含量在種子老化時(shí)發(fā)生了變化；油菜素類固醇（BR）信號(hào)通路中起作用的幾個(gè)基因，如BRI1，BAK1，GSK26和LIC顯著下調(diào)。
總的來說，我們揭示了種子活力變異的遺傳結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了bZIP23-PER1A介導(dǎo)的解毒途徑，該途徑增強(qiáng)了水稻種子的活力。這一發(fā)現(xiàn)可能為改良水稻種子活力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供新的思路。
參考文獻(xiàn)
Wang WQ, Xu DY, Sui YP, Ding XH, Song XJ. A multiomic study uncovers a bZIP23-PER1A-mediated detoxification pathway to enhance seed vigor in rice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Mar 1;119(9):e2026355119. doi:10.1073/pnas.2026355119. PMID: 35217598; PMCID: PMC8892333.
