化学杂交剂——GENESIS诱导小麦雄性不育机理研究

【摘要】： 小麦是世界上种植面积最大和适应性最广泛的作物，是包括水稻、玉米和马铃薯在内人类消费量最大的粮食作物。我国是世界上小麦生产大国，在我国小麦是仅次于水稻的第二大粮食作物，小麦年播种面积2800万公顷，总产量1.20亿吨。在今后30-40年内，我国人口预计将达到16亿，粮食的需求量将增加两倍，小麦作为我国主要的粮食作物，其总产量则必须快速和持续地增长。小麦总产量的增加有两条途径：一是扩大小麦种植面积；二是提高小麦单产。扩大小麦种植面积的空间极小，因为我国的可耕地面积逐年减少，非农业用地面积连年增加，特别是自1998年开始，我国对农业生态系统做出一系列调整，如封山造林、退耕还林、以粮代赈等，导致小麦种植面积逐年缩减，所以只有提高小麦单产，才能有效地提高我国小麦总产量，以满足人们的消费需求。利用杂种优势大幅度提高农作物产量，已在许多作物，如玉米、水稻和油菜等获得了巨大的经济效益，取得了举世瞩目的成就。许多研究和生产实践表明，小麦也具有明显的杂种优势，深入研究与开发利用，并推向产业化是大幅度提高小麦产量的重要途径。小麦杂种优势研究利用的途径有三条，分别为：细胞核质互作雄性不育(Cytoplasm Male Sterility，缩写为CMS)；化学杂交剂诱导雄性不育(Chemical Hybridization Agents，缩写为CHA)；核雄性不育(Nucleus Male Sterility，缩写为NMS)(遗传型核不育和光温敏核不育)。比较上述三条途径，因CHA途径亲本选择自由，可以直接利用常规品种等优点，成为目前小麦杂种优势研究利用的主要途径。但CHA途径的关键是必须有一个优良的化学杂交剂。GENESIS是美国孟山都公司(Monsanto Company)研制的一种高效、低毒的新型化学杂交剂，刘宏伟等研究证明，GENESIS诱导小麦雄性不育彻底，对小麦雌蕊育性没有影响，且与不同基因型品种间无显著互作效应，被认为是目前应用于杂种小麦商业化研究中最优良的CHA。为了更好地开发利用GENESIS，探索化学杂交剂诱导诱导小麦雄性不育机理，亦为进一步合成筛选更优良的CHA提供理论依据。本研究对经GENESIS诱导后雄性不育花粉粒发育的超微结构的变化、幼穗和花药中乙烯含量变化、幼穗和花药中超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，缩写为SOD)、过氧化氢酶(Catalase，缩写为CAT)和过氧化物酶(Peroxide，缩写为POD)活性的变化、幼穗和花药中可溶性蛋白质含量的变化以及乙烯合成抑制剂对小麦CMS育性调控效应进行了研究。结果如下： 与可育花粉粒相比较，经GENESIS诱导后雄性不育花粉粒发育的超微结构发生了显著变化，雄性不育花粉粒的内壁结构没有形成。花粉粒内壁不仅承担着对花粉粒内外物质进行运输的功能，而且还具有合成花粉粒后期发育、萌发、管壁形成及伸长所需物质与蛋白质的功能。花粉粒内壁没有形成直接影响了花粉粒内外物质的 ——． 传输和花粉粒后期发育所需物质的合成，内壁结构没有形成从而导致花粉粒败育： 在败育花粉粒中还观察到，在花粉粒发育到“大液泡期”时，其液泡膜破裂，导致 膜系统破坏，使液泡中所含水解酶释放细胞质中，导致细胞解体，花粉粒败育。败 育花粉粒内无淀粉粒的积累，且线粒体的峭少又模糊不清，淀粉粒为细胞中的能量 物质，线粒体为细胞的能量工厂，两者均出现异常，使细胞中能量供应不足，引起 花粉粒败育。 在众多的调节植物生长发育的植物激素中，乙烯是结构最简单的一种，这个只有 两个碳原子的气体分子对植物的代谢调节可贯穿植物整个生活周期。乙烯可以调节 小泡子细胞内蛋白质、淀粉以及DNA和RNA的代谢与合成，从而导致小抱子细胞 的发育过程发生变化，引起花粉粒败育，乙烯作为一种CHA应用于诱导小麦雄性不 育。经GENESIS处理后，与可育幼穗和花药相比，不育小麦幼穗或花药中乙烯释放 量显著增加，乙烯释放量的增加，引起与乙烯相关的一系列生理生化的变化，从而导致 花粉粒发生败育。对幼穗和花药细胞内活性氧清除酶SOD、POD和CAI酶活性进 行了测定，发现经GEN’ESIS处理以后，SOD、POD和 CAT活性显著低于对照，且 三种酶活性降低速度剧烈，这样将导致细胞内活性氧积累，加剧膜脂过氧化，使花 粉在发育过程中膜及细胞器膜解体退化，使花粉败育。对幼穗和花药中可溶性蛋白 含量进行了测定，发现幼穗和花药中可溶性蛋白含量降低，影响了幼穗和花药中蛋 白质的正常代谢，使花粉败育。 乙烯在植物育性调控中具有极其重要的作用，无论在CMS不育或CHA诱导的 不育中，乙烯的释放量均发生了显著的变化。本研究利用乙烯合成抑制剂硫代酸银 （STS）和氨基乙氧基甘氨酸（AVG）对 CMS不育系中内源乙烯释放量进行抑制研 究，结果发现用乙烯合成抑制剂处理后，CMS不育系幼穗和花药中乙烯释放量降低， 不育系育性得到一定的恢复，自交结实率由原来0最高增加到7．3％。说明通过抑制 CMS不育系中乙烯释放量，可以使雄性不育恢复为雄性可育，使CMS不育系可通 过化学诱导进行自交结实繁殖。这扩大了小麦化学杂交剂的内涵，使小麦化学杂交 育种技术更加丰富多彩。

【关键词】：小麦 化学杂交剂 GENESIS 不育机理
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：S33
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