杨树种子迅速萌发的机理研究项目摘要

种子萌发是一个非常复杂的过程，到目前为止，种子萌发的关键事件仍然不清楚。杨树种子在20 C下吸胀2 h的萌发率达21%，是研究木本植物种子萌发机制的理想模式材料。本项目以成熟的杨树种子为材料，集成细胞学、生理学、分子生物学和蛋白质组学的技术，研究与杨树种子迅速萌发有关的 (1) 形态特征和细胞/亚细胞结构；(2) 种子的萌发活性；(3) 种子萌发过程中ABA和GA的含量及其生物合成与降解关键基因的表达；(4) 干种子的蛋白质组图谱，种子萌发进程的差异蛋白质组，转录抑制剂和蛋白合成抑制剂处理影响的蛋白质组；以及 (5) 与种子迅速萌发相关的重要功能基因的表达。项目组在种子萌发、ABA和GA含量及其生物合成与降解关键基因的表达以及种子蛋白质组等研究方面具有良好的前期工作基础。本项目的研究将为解释植物生物学和林学中的基本问题胚怎样突破周围结构完成萌发提供新的知识与新技术。

种子活力是一个复杂的概念，决定了种子的快速统一的萌发和随后的生长。然而，在种子活力变化的机制知之甚少。杨树（Populus×canadensis Moench）种子是一种短命种子，存储在30℃和75±5%相对湿度的条件下，不同时期（0–90天）获得不同活力种子（从95%到发芽率0 %）。随着种子活力降低，发芽种子的呼吸速率明显下降，种子的相对电导率明显增加，种子萌发温度范围变小。共发现81个蛋白点丰度显著变化（≥1.5倍，P＜0.05）时，比较不同时间处理的蛋白质组，所识别的65种蛋白质，大部分属于代谢组（23%），蛋白质合成和降解（22%），能量（18%），细胞防御和救援（17%），和储藏蛋白（5%）。这些蛋白质占所有确定的蛋白质的95%。在种子老化过程中，53个和6个确定的蛋白质分别不断增加和减少丰度，这些蛋白质的功能是能量代谢、蛋白质的合成和降解、细胞防御和救援、储藏蛋白质和细胞的生长和结构。这些数据表明，种子活力下降（老化）是一个能量依赖的过程，需要蛋白质合成和降解以及细胞防御。种子萌发是受多种遗传、内在与外在环境因素影响的复杂性状。种子萌发的分子机制尚不完全清楚。在10，15和20℃黑暗中，杨树种子迅速发芽，种子达到50%的发芽率的时间是22、4.5和3.5 h。在本研究中，成熟的杨树种子被用来作为一个模型，去研究用水、ABA和CHX处理种子的蛋白质组差异。共有109个蛋白点发生了显著的变化（≥1.5倍，P＜0.05）。大多数的蛋白质功能是细胞防御和救援（21%），储藏蛋白（20%），蛋白质的合成和降解（18%），代谢（17%），能量（13%），以及转录和RNA代谢（6%）。种子的萌发与参与氨基酸和脂质代谢、TCA循环和磷酸戊糖途径、蛋白质合成和降解、储藏蛋白降解、细胞防御和救援的蛋白质增加密切相关。ABA和CHX抑制杨树种子萌发，通过降低相关蛋白质丰度。杨树种子发芽是一个能量依赖的主动过程，包括氨基酸的活化，蛋白合成、储藏蛋白降解、蛋白折叠以及细胞防御和救援。

植物学家们一直没有解决种子萌发的问题，直到英国皇家植物园的Carlos Magdalena在播下他最后的二十颗种子时才成功找到解决办法。这种睡莲与其他品种不同，一般的睡莲是在深水中萌发，而侏儒卢旺达睡莲萌发的时候需要二氧化碳来帮助萌发。而在此之间，在德国的植物园里的最后两株卢旺达睡莲被老鼠啃食。但幸运的是，Carlos Magdalena称随着萌发问题的解决，这种纤小的莲花还是很好种植的，也许未来可以成为一种新的室内植物。

鉴于防风固沙杨树林体系的风振反应的模糊性、随机性，本研究项目首先利用模糊控制理论，通过对防风固沙杨树林体系在风作用下的动力特性、耗能机理、固沙效应、倒塌机理的研究，取得杨树在风作用下的恢复力特性曲线及固沙效应的基础数据，并用以建立防风固沙杨树林体系在风作用下的ANSYS随机模型及倒塌模型；其次通过对杨树、带有减振器的杨树、防风固沙杨树林体系、带有减振器的防风固沙杨树林体系的风洞对比试验，并自行编制相应的计算机程序进行仿真分析，获得其减振效果，从而得出防风固沙杨树林体系的减振方法和措施，以实现对防风固沙杨树林体系的减振模糊控制，达到衰减风振反应，减少杨树损坏或倒塌数量，有效节省工程防沙费用，保护防风固沙杨树林体系安全的目的。该项目的研制成功，将为后续防风固沙杨树林体系的大规模工程建设作好准备，并为首都社会安定，经济繁荣提供更有力的保障，因而可取得显著的科研意义、社会意义和极其广阔的应用前景。

保护组织：植物的种皮在种子发芽期间提供保护措施，更有利于种子的发育。

营养组织：种子萌发初期的营养全由种子自身提供，尤其是胚乳。

分生组织：萌发期间种子的胚则会进一步分裂分化，形成更多的细胞，从而成长。