東北地理所在穗發芽抑制劑調控水稻種子萌發機制方面取得進展
谷物穗發芽（也稱收獲前發芽，Pre-harvest sprouting，PHS）是指穗上生理成熟的谷粒在收獲前發芽的現象，在全球性范圍內都普遍發生，嚴重影響谷物的產量和品質，給農業生產造成了重大的經濟損失。東北地理所方軍研究員團隊前期研究全面解析了ABA合成和信號途徑調控水稻穗發芽的分子機制，為改良水稻種子休眠和萌發的分子設計育種奠定了良好的基礎，相關研究以第一或者通訊作者發表在Plant J（2008，2018）、New Phytol（2019）、J Agr Food Chem（2020）等國際主流雜志上。雖然培育抗穗發芽品種是行之有效的解決方法，但其耗時耗力；化學防治是見效最快的一種方式，此前雖有多種抑制 PHS 的化合物被發現，但它們在效果、成本和毒理學方面存在問題，且對其組合作用及機制的研究較少。
近日，東北地理所方軍研究團隊與東北農業大學等單位合作在《Plant Physiology and Biochemistry》發表了關于馬來酰肼和香豆素復配抑制水稻種子萌發的研究成果，該研究為解決水稻穗發芽問題提供了一種便捷有效的化學防控方法。
研究團隊通過連續和短期浸種實驗，從馬來酰肼（MH）、香豆素（COU）和丁香酚（EUG）三種穗發芽抑制劑中篩選出穗發芽抑制劑的最佳組合為MH 20 mg L-1 + COU 100 mg L-1，該組合可顯著降低水稻種子發芽率。進一步研究表明，該組合處理顯著降低了種子萌發過程中的α-淀粉酶活性，減少了可溶性糖和可溶性蛋白的含量，從而抑制了種子萌發所需的能量和物質供應。該組合還能調節抗氧化酶活性，抑制活性氧（ROS）的積累，減少MDA的產生；促進種子內ABA含量快速積累（圖1）。基因表達分析表明，MH和COU組合通過調節OsNCED1/2/5和OsABA8ox1-3表達，精準調節水稻種子內ABA的含量。在不同萌發階段，該組合對ROS產生基因OsRbohs表達的調節不同，還下調了α-淀粉酶基因（OsAmy1A和OsAmy3D）的表達。體外模擬萌發試驗進一步證實該PHS抑制劑組合能夠有效降低種子萌發（圖2）。
該研究首次報道了MH和COU復配對水稻種子萌發的協同抑制作用，揭示了其抑制水稻種子萌發的機制，涉及ROS積累、ABA代謝和淀粉降解等多個生理過程，并繪制了相應的機制模型（圖3），研究成果不僅加深了對PHS抑制劑調控種子萌發機制的理解，也為MH和COU在防止穗發芽的應用中提供了理論支持，有望在農業生產中得到廣泛應用。
圖1 馬來酰肼與香豆素復配影響活性氧積累、丙二醛含量、抗氧化酶活性和ABA含量
圖2馬來酰肼與香豆素復配抑制水稻種子萌發的體外模擬試驗
圖3 馬來酰肼與香豆素復配抑制水稻種子萌發的機制模型
東北地理所沙漢景助理研究員為論文第一作者，東北農業大學王敬國教授與東北地理所方軍研究員為共同通訊作者。研究得到江西省重大科技研發專項項目（20232ACF01001）、國家自然科學基金（U22A20456）、黑龍江省自然科學基金（YQ2022C037）、黑龍江省省屬科研院所科研業務費優青項目（CZKYF2022-1-C014）以及寒地糧食作物種質資源創新與生理生態教育部重點實驗室開放基金（CXSTOP2021004）聯合資助。
論文信息：
Hanjing Sha,Yue Yu,Yunfei Han,Jia Liu,Zhongmin Han,Yubing Zhao,Chunran Huo,Huilin Chang,Fantao Zhang,Jingguo Wang*,Jun Fang*. Combination of maleic hydrazide and coumarin inhibits rice seed germination involving reactive oxygen species accumulation,ABA metabolism and starch degradation. Plant Physiology and Biochemistry,2024,217:109202.
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