赤皮青冈(Cyclobalnopsis gilva)属于壳斗科植物,原产于中国和日本等东南亚国家。赤皮青冈是一种优良的硬木树种,但是其种子发芽率低和萌发整齐度较差。应用RNA-seq、2-DE和Label-free等方法探讨在mRNA和蛋白水平上赤皮青冈种子萌发的分子生理机制。应用Illumina HiSeq 2500平台对赤皮青冈种子的转录组进行分析。通过匹配Nr、SwissProt、GO和KEEG等公共数据库上序列,结果显示54,130条unigene被注释。应用GO和KEGG pathway数据库分析这些unigene,结果发现许多unigene富集于淀粉和蔗糖代谢、糖酵解、植物激素信号转导、ABC转运子、碳水化合物代谢、翻译后修饰以及核糖体结构与生物合成等生物学过程。这些转录组数据表明许多种子萌发基因可以作为参考基因数据库用于分析赤皮青冈种子萌发过程基因的差异表达。萌发种子与未萌发种子间的差异基因的分析结果显示26,003条unigenes被鉴定出在两样本间表达差异达2倍以上,其中在萌发种子中有9683条unigenes上调表达,16,320条unigenes下调表达。未萌发种子与对照种子间的差异基因的分析结果显示23,685条unigenes被鉴定出在两样本间表达差异达2倍以上,其中在未萌发种子中有14,260条unigenes上调表达,9425条unigenes下调表达。对差异基因的功能和代谢途径进行了全面分析,结果发现上调表达的基因主要参与淀粉和蔗糖代谢以及糖酵解和TCA循环等,如PK、PGK和PFK等。同时,应用qRT-PCR检测了参与糖酵解和TCA循环的13个基因,其结果与转录组数据一致。这些发现表明未萌发的种子中由于呼吸效率的明显下降而不能为种子的萌发提供足够的能量和底物从而导致萌发失败。应用比较蛋白质组学的方法研究赤皮青冈种子未萌发和萌发特性。通过双向电泳(2-DE)技术,本研究共检测到700多个蛋白点,其中26个蛋白点在对照、未萌发和萌发种子间的丰度差异达2倍以上。应用MALDI-TOF/TOF-MS技术成功鉴定出24个差异蛋白。大部分差异蛋白质上调表达,且参与淀粉代谢。尤其是,在萌发的种子中p淀粉酶的蛋白丰度和mRNA表达水平都显著上调。酶活性的试验结果显示萌发种子中的p淀粉酶的活性明显高于对照和未萌发的种子。有趣的是,萌发种子与未萌发种子间的α淀粉酶的蛋白丰度和酶活性未发生显著变化。然而,对照和未萌发种子中的淀粉和蔗糖含量却高于萌发种子。这些发现将为赤皮青冈种子萌发率的问题提供新见解。应用比较蛋白质技术Label-free研究赤皮青冈种子萌发过程的蛋白质变化。结果显示,3078个蛋白被鉴定到,其中603个蛋白在对照、未萌发和萌发种子间的蛋白丰度差异达2.0倍以上和P<0.05。大部分差异蛋白在萌发种子均上调表达,而且这些蛋白主要参与能量代谢,这意味着较低的能量供应阻碍了赤皮青冈种子的萌发。检测参与能量代谢过程的蛋白(酶)的活性,这些蛋白在转录组和蛋白组数据中均有发现。结果发现,在萌发种子中的HK、PFK、PK、PGK、CS、IDH和MDH的活性显著提高。酶活性的结果与mRNA相对表达水平和Label-free的结果相一致,这进一步解释赤皮青冈种子萌发率低的原因。总之,转录组、蛋白组和生理水平的综合分析发现多个关于赤皮青冈种子萌发的特性。在mRNA、蛋白和生理代谢等三个水平上系统探索在赤皮青冈萌发种子和未萌发种子间的分子生理差异。本研究结果发现大部分参与能量代谢的关键蛋白或基因在萌发种子中都上调表达,但是在未萌发种子未见显著变化或下调表达。因此,本研究认为淀粉未能有效降解、糖酵解和TCA循环下降,能量和物质供应缺乏是赤皮青冈种子萌发率低的主要原因。这些结果将为在生产上解决赤皮青冈种子萌发率低的问题提供正确的思路,也为将来通过基因工程技术提高种子萌发率提供理论依据。