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为解决水稻种子因衰老导致发芽率降低、活力受损的问题，研究人员开展了衰老水稻种子转录组和代谢组分析的研究。结果发现种子老化会使萌发潜力和幼苗发育下降，IAA 水平等是关键影响因素。该研究为优化种子储存和质量控制提供依据。
在农业生产的大舞台上，水稻作为全球半数以上人口的主粮，其产量和质量的重要性不言而喻。然而，一个棘手的问题却长期困扰着农业领域的研究者们 —— 水稻种子在储存过程中会逐渐衰老。这种衰老现象就像一场无声的 “瘟疫”，不仅会大幅降低种子的发芽率，让原本充满生机的种子变得 “懒洋洋”，难以破土而出，还会严重损害种子的活力，使得幼苗的生长发育受到阻碍，最终影响水稻的产量和品质。据统计，我国每年因水稻种子衰老导致的产量损失高达 15 亿千克，这是一个多么惊人的数字！面对如此严峻的挑战，探索水稻种子衰老的奥秘，寻找维持种子高发芽率和幼苗活力的方法，就成为了农业科研工作者们刻不容缓的任务。
广东海洋大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们以不同储存年份的恒丰 A 水稻种子为研究对象，运用转录组和代谢组技术，对衰老水稻种子的萌发活力和幼苗形态建成机制进行了深入探究。研究结果表明，随着种子储存时间的延长，其萌发潜力和幼苗发育能力显著下降。同时，研究还发现 IAA（吲哚 - 3 - 乙酸）水平、IAA/ABA（脱落酸）比值以及亚油酸代谢等是影响种子萌发和幼苗发育的关键因素。这一研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为水稻种子的储存和质量控制提供了重要的理论依据，有望为提高农业生产力开辟新的道路。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是转录组测序技术，通过提取种子样本的 RNA，反转录为 cDNA 并构建文库，在 Illumina 测序平台上进行测序，获取基因表达信息；其次是代谢组分析技术，采用 UPLC - ESI - MS/MS 系统对种子代谢物进行检测和分析；此外，还运用了多种生理指标测定技术，如测定种子的吸水速率、发芽率等指标，以及检测幼苗的光合参数、抗氧化酶活性等。研究中使用的种子样本来自 2014、2016、2017、2018 和 2021 年收获后储存的恒丰 A 水稻种子。
下面来详细看看研究结果：
- 衰老水稻种子的萌发能力：研究发现，不同年份的衰老种子在吸水和萌发方面均出现延迟现象。在吸水初期，2014 年的种子吸水速率最高，但随着时间推移，2021 年种子的吸水速率在 8 - 12 小时迅速增加。总体而言，长期储存的水稻种子发芽率显著降低，2014 年种子的发芽率比 2021 年低 25%。这表明种子衰老会严重影响其吸水和萌发过程。
- 衰老水稻种子的定性特征：与 2021 年的种子相比，2014 和 2016 年种子的百粒干重明显下降，水分含量在储存四年以上的种子中显著降低。同时，2014、2016 和 2017 年种子的蛋白质干基减少，而直链淀粉干基增加。这些变化可能会影响种子的营养成分和品质。
- 衰老水稻种子的萌发特征：种子的衰老和劣变对其萌发特征产生了明显影响。与 2021 年相比，2014、2016、2017 和 2018 年种子的发芽指数显著降低，平均发芽时间显著增加，发芽系数和发芽势也明显下降。这说明衰老种子的萌发能力和速度都大打折扣。
- 衰老水稻种子的氧化应激反应：在水稻种子的萌发过程中，活性氧（ROS）会引发氧化应激反应。研究发现，2014 年种子在播种后第三天，抗氧化酶 SOD（超氧化物歧化酶）、POD（过氧化物酶）、CAT（过氧化氢酶）和 APX（抗坏血酸过氧化物酶）的活性与 2021 年相比显著降低，且这种趋势在第五天依然存在。相反，脂质过氧化指标 MDA（丙二醛）含量在 2014 年种子中明显高于 2021 年。这表明衰老种子的抗氧化防御系统减弱，受到的氧化损伤更严重。
- 衰老水稻种子萌发过程中的淀粉酶活性：在水稻种子萌发过程中，总淀粉酶活性持续上升，主要是 α - 淀粉酶活性显著增加。2021 年种子在萌发后第 3、5、7 天的 α - 淀粉酶活性均显著高于 2014 年，这意味着较新的种子在萌发过程中能够更有效地分解淀粉，为幼苗生长提供能量。
- 衰老水稻种子萌发过程中的碳水化合物含量：在水稻种子萌发时，果糖、蔗糖和可溶性糖的水平显著增加，同时淀粉分解。2021 年种子在萌发后第 3、5、7 天的果糖和总糖含量均高于 2014 年，这与 α - 淀粉酶活性的差异相呼应，进一步证明了较新种子在能量供应方面的优势。
- 衰老水稻种子萌发过程中的激素水平：在种子萌发的第七天，研究人员对不同年份种子的内源激素水平进行了比较。结果发现，2021 年种子的 IAA 含量显著高于 2014 年，而 ABA 含量则显著低于 2014 年。此外，2021 年种子的 BL（油菜素内酯）、SA（水杨酸）、IPA（异戊烯基腺嘌呤）、ACC（1 - 氨基环丙烷 - 1 - 羧酸）和 tZ（反式玉米素）含量也与 2014 年存在显著差异。同时，2021 年种子的 IAA/ABA 和 cZR/ABA 比值明显高于 2014 年。这些激素水平的变化表明，不同储存年份种子的激素平衡存在差异，这对种子的萌发和生长有着重要影响。
- 衰老水稻种子的幼苗形态：研究人员计算了播种后第 10 天（V1 期）的幼苗成活率，发现 2018 和 2021 年种子的出苗率均超过 80%，显著高于其他组。在不同发育阶段（V2、V3、V4）对水稻幼苗形态进行观察发现，随着生长阶段的推进，幼苗的形态发育逐渐改善。不同年份的衰老水稻幼苗生长存在显著差异，2018 和 2021 年的幼苗在大多数形态指标上表现更优，这说明较新的种子更有利于幼苗的形态建成。
- 衰老水稻种子幼苗的光合能力：植物组织中光合色素的水平反映了其吸收和转化光能的能力。在 V3 和 V4 阶段，2014 年幼苗的叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均显著低于 2021 年。同时，2021 年幼苗的蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和气孔导度（Gs）显著高于 2014 年，而水分利用效率（WUE）在各组间相似。这表明衰老种子的幼苗光合能力较弱，不利于其生长发育。
- 转录组分析和差异表达基因（DEGs）分析：通过转录组测序，研究人员发现不同储存年份种子在萌发过程中的基因表达模式存在显著差异。在 2014 年（衰老）和 2021 年（对照）的比较中，共鉴定出 944 个差异表达基因，其中 285 个上调，659 个下调。这说明种子衰老会导致基因表达的显著变化。
- DEGs 的 KEGG 富集分析和 GO 富集分析：根据 GO 和 KEGG 数据库对差异表达基因进行功能注释和富集分析，结果显示这些基因显著富集在植物 - 病原体相互作用、二萜生物合成、MAPK 信号通路 - 植物、次生代谢产物生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、类黄酮生物合成和苯丙烷生物合成等代谢途径。这表明这些代谢途径在种子衰老过程中可能起着重要作用。
- 代谢组组成分析：基于 UPLC - MS/MS 检测平台和自建数据库，研究人员共鉴定出 2222 种代谢物，主要包括黄酮类、酚酸类、氨基酸及其衍生物等。在 2014 年和 2021 年的样本中检测到 104 个差异积累代谢物（DAMs），KEGG 富集分析表明亚油酸代谢、二萜生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及 α - 亚麻酸代谢等途径存在差异表达的代谢物，其中亚油酸代谢最为显著。这进一步揭示了种子衰老过程中的代谢变化。
- 代谢组和转录组的综合分析：通过对代谢组和转录组的综合分析，发现多个 KEGG 通路在差异表达基因和差异积累代谢物中共同富集，如亚油酸代谢、α - 亚麻酸代谢以及次生代谢产物生物合成等。这表明这些通路在衰老种子的萌发过程中起着至关重要的作用。
综合研究结论和讨论部分，该研究深入剖析了储存时间对水稻种子萌发和幼苗建成的影响。研究结果表明，种子衰老会导致萌发活力和幼苗形态建成能力显著下降，这与种子内部的生理生化变化密切相关，包括水分、蛋白质和直链淀粉含量的改变，抗氧化酶活性的降低以及激素平衡的失调等。转录组和代谢组分析揭示了与种子衰老相关的关键基因和代谢途径，为进一步理解种子衰老的分子机制提供了重要线索。这些研究成果对于优化水稻种子的储存条件、提高种子质量和幼苗成活率具有重要的指导意义，为农业生产中解决种子衰老问题提供了新的思路和理论依据，有望推动农业生产力的提升。
