、黄晋玲等[4]在晋a不育系也发现同样的败育情况。②主要集中发生于减数分裂时期。如王学德等[5]发现104-7a、湘远4-a、nm-2a和nm-3a的小孢子母细胞在造孢细胞增殖时期较少异常,但在减数分裂时期特别是减数分裂第1次分裂时期(meiosis ⅰ)却大量败育,从而在花药内见不到四分体的形成。③败育时期贯穿造孢细胞增殖至减数分裂时期。童旭宏等[6]发现来源于陆地棉新型cms的败育时期主要发生在造孢细胞增殖时期至小孢子母细胞减数分裂前的时期。
目前国内外大多数学者认为棉花胞质不育系花药绒毡层的过早退化或推迟解体与造孢细胞和pmcs的败育密切相关。通过细胞学观察,棉花cms小孢子败育过程中主要出现的细胞形态特征为:①造孢组织异常。如哈克尼西棉cms系的造孢组织在发育成熟前就已解体[2]。②细胞质和线粒体异常。如晋a不育系的大量小孢子母细胞在造孢细胞增殖期,细胞质大量液泡化,留下网状残体;线粒体处于解体状态,线粒体膜和内部结构模糊,基质呈半透明甚至透明状态,内嵴紊乱[4]。③细胞核异常。如nm 21a的小孢子母细胞在减数分裂期,核仁穿壁频繁,出现2~3个微核多核细胞[5]。④细胞形状异常。小孢子母细胞呈半月形和网状形,且连成巨型团块[5]。⑤染色体异常。在中期ⅰ出现落后染色体单体,在后期i染色体不是集中于两极,而是凝结成若干个大小不一的团块散布于两极[5]。⑥绒毡层过早退化或推迟解体。如晋a不育系的绒毡层细胞在造孢细胞增殖期就过早退化[6]。

2棉花cms的生理生化研究

正常的生理生化代谢是植物生长发育所需能量的基础,而研究育性表达过程中的生理生化代谢对雄性不育的生化机理探讨具有重要的意义。目前已有许多学者对棉花cms的一些生理生化指标进行了大量的研究,取得了显著成果。在碳水化合物方面,王学德[7]通过对中棉所12a及其保持系中棉所12b的花药进行研究发现,从造孢细胞增殖期开始,保持系可育花药随着发育可溶性糖含量逐渐下降,淀粉积累逐渐增多,特别在pmcs减数分裂后,小孢子发育至花粉成熟过程中有大量淀粉合成;相反,不育花药中的淀粉和可溶性糖含量,从造孢细胞增殖时期起一直处于原来水平几乎不变。可见,缺乏淀粉积累是引起花药不育的重要原因。在氨基酸方面,servella等[8]首次报道了亚洲棉cms花药中酸性氨基酸含量较低;在氨基酸组分中,不育系叶片中天门冬氨酸和精氨酸含量较高,而保持系叶片中含量很少或完全缺失。随后王学德等[9]也在棉花不同cms研究中发现了同样的情况。这说明氨基酸含量异常导致蛋白质合成受阻,从而引起花药不育。在酶方面,黄晋玲等[10]研究发现晋a不育系及其保持系的过氧化物酶同工酶和细胞色素氧化酶同工酶存在明显的差异,这种差异产生的时期与其细胞形态学观察到的小孢子败育时期一致。这说明雄性不育基因调控了同工酶的形成与差异。在激素方面,解海岩等[11]用酶联免疫检测技术对哈克尼西棉cms、保持系、恢复系和杂种f1在花药发育时期内源激素含量的动态变化进行研究,发现在保持系、恢复系和f1的可育花药之间内源激素差异不明显,但在可育花药与不育系的不育花药间差异显著。在活性氧代谢方面,jiang等[12]通过对哈克尼西棉cms、保持系和杂种f1不同发育时期的花药进行活性氧指标及其清除酶含量研究发现,在不育系败育初期的花药中,超氧阴离子(o2-·)、过氧化氢(h2o2)、丙二醛(mda)3个对细胞有毒性的活性氧指标均高于保持系或杂种f1的花药,同时对活性氧具有清除作用的超氧化物歧化酶(sod)、过氧化氢酶(cat)和过氧化物酶(pod)3个抗氧化酶活性也随着提高,表明败育初期花药的活性氧增加对抗氧化酶有诱导作用。但在败育盛期的不育花药中,一方面o2-·、h2o2和mda含量极显著高,另一方面sod、cat、pod 酶活性却极显著低,导致活性氧产生与清除失去平衡,这时花粉母细胞大量凋亡。在败育后的花药中,o2-和h2o2含量与可育花药相近,但mda含量仍持续提高,以及sod、cat、pod酶活性持续降低,表明雄性细胞凋亡后活性氧对花药仍有不利影响。花药o2-、h2o2和mda的过量积累,及其清除酶活性的显著降低,这一过程在棉花不育花药中是与雄性细胞凋亡同步发生的,但在恢复基因引入后的杂种f1花药中,过量产生的活性氧可被清除。这表明棉花cms与花药活性氧代谢异常密切相关。

3棉花cms的分子生物学研究

棉花cms是一种母性遗传性状,受特定的细胞质基因和核内不育基因共同控制,不育系的细胞质基因组如线粒体基因组、叶绿体基因组与不育花粉的形成密切相关[1]。在线粒体基因组方面,线粒体功能的行使是由核基因组和线粒体基因组共同作用的。christine[13]认为目前至少有14个线粒体基因与细胞质不育有关,且共有特征是基因的开放阅读框由来源于线粒体基因的编码序列、基因的侧翼序列和未知区域的序列共同组成。线粒体基因组的重排、突变及线粒体基因的剪切、编辑都可能引起细胞质雄性不育。2003年,黄晋玲[14]用合成的线粒体基因组探针(atpa、atp6、atp9、coxⅰ、coxⅱ和cob)对晋a胞质不育系和保持系线粒体dna(mtdna)进行了限制性片段长度多态性(restricted fragment length polymorphisms,rflp)分析,发现atp6和coxⅱ基因在两者中的杂交带型不一致;与保持系相比,atp6和coxⅱ基因在晋a不育系中分别缺少5.7 kb和4.2 kb的强杂交带,并推测条带的缺失可能是mtdna分子内或分子间重排所致,coxⅱ基因的变异导致了线粒体功能的失调和雄性不育。随后她构建了棉花晋a不育系和保持系的线粒体文库,获得了晋a不育系和保持系的orfb、coxⅰ和nad4l等3个基因的全序列,通过比较,证明晋a不育系和保持系在orfb、coxⅰ和nad4l基因全序列上无差异。

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