陆地棉隐性核不育系花器发育的形态解剖特征及生理生化特性研究

论文摘要

杂种优势是植物界普遍存在的一种现象,植物雄性不育系在农作物杂交育种上有着广泛的应用前景,是杂交育种最重要的方法之一。实践证明棉花具有明显的杂种优势。由于棉花上还没有理想的雄性不育三系,隐性核不育系是目前应用于棉花杂种优势最重要的途径之一,为了揭示棉花细胞核雄性不育的细胞分子学机制,为棉花雄性不育系的选育提供理论依据,本研究采用石蜡切片技术和一系列生化方法,从形态学,细胞学和生理生化水平,对三个棉花隐性核雄性不育系（抗A3、阆A和1355A）花粉败育机理进行了较系统的研究。研究结果如下:1.三个不育系中不育株的花器均略小于可育株,不育株雄蕊的花丝极短,花药小而干瘪且紧缩在花柱下部。3个不育系的不育株和可育株相比,花器官在花瓣大小、花丝长度和柱头超出花药长度的差异极显著;花药个数和不育株中花粉数量差异分别为,1355A极显著,抗A3显著,阆A不显著;子房大小的差异分别为,抗A3显著,阆A不显著,1355A不显著;胚珠个数和大小的差异分别为,抗A3不显著,阆A显著,1355A显著。三个不育系中不育株的花器官形态比较发现,抗A3退化较好且制种产量潜力大,阆A退化不够好但具早熟性,1355A退化很好又具形态抗虫性但配合力较低。我们应根据这三个不育系各自的特点,有针对性地对其加以选育,使其在生产上发挥自身优势,以获得最佳利用效果。2.对三个不育系的不育株和可育株小孢子发生的细胞学观察结果表明,抗A3不育株小孢子发生败育的时期主要是减数分裂Ⅰ时期;造孢细胞和PMC退化导致雄性不育的主要细胞形态学特征是:PMC在形成过程中相互粘连,减数分裂时染色体不配对、PMC出现出芽式增殖、绒毡层细胞过早退化或膨大畸形、胼胝质沉积、出现细胞质穿壁现象,单核期细胞质解体出现高度液泡化。阆A不育株小孢子发生败育的时期主要是单核靠边期;造孢细胞和PMC退化导致雄性不育的主要细胞形态学特征是:初生造孢细胞解体不能形成正常的PMC,减数分裂时期染色体分离杂乱、细胞质分裂异常,单核期细胞核和细胞质解体、外壁不能正常发育长出刺,在双核期营养细胞和生殖细胞先后解体。1355A不育株小孢子发生败育的时期主要是单核期;造孢细胞和PMC退化导致雄性不育的主要细胞形态学特征是:在单核期细胞核和细胞质解体、外壁发育异常不能长出刺且外壁增厚明显,双核期营养细胞和生殖细胞先后解体。3.对三个不育系的不育株和可育株的生理生化变化研究发现:三类不育株花药中可溶性糖含量偏高,缺乏淀粉积累,表明可溶性糖的运转或淀粉的合成受阻,细胞处于饥饿状态而导致退化解体;不育株的可溶性蛋白质含量远低于可育株,表明其蛋白质合成受阻,致使细胞原生质体组成异常,不能进行正常的生命代谢,最终导致细胞退化解体;不育株的POD同工酶在花药发育过程中酶带条数少于可育株,且POD活性明显偏高,这表明了不育株与可育株之间体内代谢强度的差异,也说明酶的变化与雄性不育现象有着直接的关系。三类不育株花药的MDA含量和电导率变化从PMC减数分裂时期到成熟花粉时期都呈上升趋势,且上升趋势相同,MDA含量和花药提取液的电导率从PMC减数分裂期到双核期变化较快,以后趋于平缓,由此可以推断三类不育株花粉败育的关键时期可能均为PMC减数分裂时期到双核期。对三类不育株这一系列生理生化变化的比较发现,各不育株的不育基因控制其体内的生理生化变化从而导致败育的侧重点不同,ms14基因对抑制细胞内可溶性糖的运转或淀粉的合成,POD同工酶的合成及其活性,MDA的合成均有明显的作用,ms2基因对抑制细胞内可溶性蛋白质的合成有明显的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 棉花概述
• 1.2 棉花雄性不育的类型
• 1.2.1 细胞核雄性不育（GMS）
• 1.2.2 细胞质雄性不育（CMS）
• 1.2.3 生态敏感型雄性不育
• 1.2.3.1 温敏雄性不育
• 1.2.3.2 光敏雄性不育
• 1.2.3.3 光温互作型雄性不育
• 1.3 棉花雄性不育机理的研究进展
• 1.3.1 细胞学研究
• 1.3.2 生理生化研究
• 1.3.2.1 碳水化合物代谢
• 1.3.2.2 蛋白质合成和游离氨基酸组成
• 1.3.2.3 酶和激素变化
• 1.3.3 分子生物学研究
• 1.3.3.1 GMS的分子机制研究
• 1.3.3.2 CMS的分子机制研究
• 1.4 棉花雄性不育系的应用
• 1.5 棉花雄性不育研究的发展方向
• 1.5.1 加强杂种优势形成机理的研究
• 1.5.2 加强细胞学、生理生化和分子生物学基础的研究
• 1.5.3 选配强优势组合
• 1.5.4 培育新的雄性不育系
• 1.5.5 改进制种方法
• 2 试验目的与意义
• 3 试验材料与方法
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 试验材料来源
• 3.1.2 试验材料种植
• 3.1.3 取样及观察时期的确定
• 3.2 测定项目及试验方法
• 3.2.1 花器官形态观察
• 3.2.2 花药细胞学观察
• 3.2.3 花药的生理生化分析
• 3.2.3.1 可溶性碳水化合物总量测定
• 3.2.3.2 可溶性蛋白质含量测定
• 3.2.3.3 POD同工酶分析
• 3.2.3.4 MDA（malondialdehyde,丙二醛）含量测定
• 3.2.3.5 膜透性测定
• 3.2.3.6 POD活性测定
• 4 结果与分析
• 4.1 三个核雄性不育系的花器官形态特征
• 4.1.1 花器官形态
• 4.1.2 花器官性状比较
• 4.1.3 三类不育株花器官性状的比较
• 4.2 三个核雄性不育系PMC的显微结构特征
• 3花药败育过程中的异常现象'>4.2.1 抗A₃花药败育过程中的异常现象
• 4.2.1.1 PMC形成过程中的异常表现
• 4.2.1.2 减数分裂过程中的异常表现
• 4.2.1.3 单核期败育
• 4.2.2 阆A花粉败育过程中的异常表现
• 4.2.2.1 PMC形成过程中的异常表现
• 4.2.2.2 减数分裂过程中的异常表现
• 4.2.2.3 单核期败育
• 4.2.2.4 双核期败育
• 4.2.3 1355A花粉败育过程中的异常表现
• 4.2.3.1 单核期败育
• 4.2.3.2 双核期败育
• 4.3 三个核雄性不育系的生理生化分析
• 4.3.1 可溶性碳水化合物总量
• 4.3.2 可溶性蛋白质含量
• 4.3.3 POD同工酶分析与POD活性变化
• 4.3.3.1 POD同工酶PAGE分析
• 4.3.3.2 POD活性的变化
• 4.3.4 丙二醛含量与电导率变化
• 4.3.4.1 MDA含量
• 4.3.4.2 电导率的变化
• 5 结论与讨论
• 5.1 结论
• 5.1.1 三个核不育系的形态特征
• 5.1.2 三个核不育系花药的细胞学观察结果
• 3不育系'>5.1.2.1 抗A₃不育系
• 5.1.2.2 阆A不育系
• 5.1.2.3 1355A不育系
• 5.1.3 三个核不育系的生理生化变化分析结果
• 5.1.3.1 可溶性碳水化合物含量的变化
• 5.1.3.2 可溶性蛋白质含量的变化
• 5.1.3.3 POD同工酶和POD活性的变化
• 5.1.3.4 MDA含量和电导率变化的比较
• 5.2 讨论
• 5.2.1 三个核不育系的形态特征与其应用的关系
• 5.2.2 导致三个核不育系花药败育的细胞学解释
• 5.2.2.1 绒毡层异常与花粉败育的关系
• 5.2.2.2 胼胝质壁沉积与花粉败育的关系
• 5.2.2.3 细胞质穿壁与花粉败育的关系
• 5.2.2.4 细胞质解体与花粉败育的关系
• 5.2.2.5 细胞质异常分裂与花粉败育的关系
• 5.2.2.6 各不育系败育发生的主要时期
• 5.2.3 导致三个核不育系花药败育的生理生化解释
• 5.2.3.1 不育株缺乏淀粉积累与花粉败育的关系
• 5.2.3.2 不育株缺乏可溶性蛋白质与花粉败育的关系
• 5.2.3.3 不育株POD同工酶减少和POD活性增大与花粉败育的关系
• 5.2.3.4 MDA积累和电导率增加与花粉败育的关系
• 参考文献
• 图版
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文情况