水稻种子萌发过程中碳代谢动态演替的整合多组学分析

《BMC Genomics》：Multi-omics analysis of carbon metabolism dynamics and its molecular mechanisms during rice seed imbibition and germination

　　

摘要

种子萌发标志着植物生命周期中从休眠储备到活跃生长的转变。碳（C）代谢的高效动员和转化直接决定了萌发效率、幼苗建植活力以及后续作物生产力。本研究以沪旱香软61（HHXR61）种子为材料，采用靶向代谢组学、转录组学和酶活性测定等整合多组学技术，系统研究了水稻种子吸胀萌发过程中0小时（CK）、12小时（T1）、24小时（T2）和48小时（T3）四个时间点的碳代谢动态及分子调控机制。结果表明，在萌发早期（0–12小时），由β-淀粉酶（β-AL）介导的初始淀粉水解发生，从而为种子萌发提供主要的碳源。在中期（12–24小时），蔗糖代谢关键酶蔗糖合酶I（SS-I）和可溶性酸性转化酶（S-AI）活性交替升高，驱动蔗糖分解为葡萄糖和果糖，同时α-淀粉酶（α-AL）和淀粉脱支酶（DBE）活性也上升，进一步加速了淀粉水解。在后期（24–48小时），果糖激酶（FRK）、己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）活性同步升高，促进丙酮酸生成，并显著增强糖酵解/糖异生和三羧酸（TCA）循环的代谢通量。葡萄糖-6-磷酸酶（G6P）和海藻糖-6-磷酸合酶（TPS）通过调控代谢物流通维持了碳代谢稳态。KEGG代谢通路富集分析显示，淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生以及磷酸戊糖途径是萌发过程中富集程度最高的通路。与转录组数据整合分析揭示，编码上述酶的基因在各时间点表现出同步表达，形成了明确的“基因-酶-代谢物”调控网络。本研究阐明了水稻种子萌发过程中碳代谢途径的动态演替规律。