芽黄标记棉花光敏雄性不育系的选育及花药发育机理研究

论文摘要

陆地棉（Gossypium hirsutum L.）是我国重要的经济作物和纺织原料，具有明显的杂种优势。目前，棉花杂交种的生产主要通过人工去雄、授粉和细胞核雄性不育的“一系两用”法这两种方法，然而这两种方法制种程序复杂，需要消耗大量的人力和物力资源，造成棉花杂交种的成本过高，限制了杂种棉的推广应用。因此，选育出一个适宜棉花杂交种生产的雄性不育系，成为棉花育种家的一个关键任务。本研究通过航天诱变选育出一个具有芽黄标记的棉花光敏雄性不育突变体，对其性状特性和败育机理进行了全面的分析，并构建了一个棉花花药全生育期的均一化全长cDNA文库，与数字化表达谱相结合第一次对棉花花药发育的分子机制进行了系统的分析，所得结果如下：1.本研究第一次通过航天诱变育种在中040029的诱变后代中得到了一株具有芽黄标记的棉花光敏雄性不育突变体，经过在河南安阳和海南三亚两地、四年的回交和嫁接选育，于2010年获得了能稳定遗传的突变体材料，并将其命名为中9106，中9106的发现与成功选育为棉花杂种优势的利用提供了一个良好的种质材料；2.中9106的子叶和真叶期的顶叶表现芽黄，通过形态学和叶绿素含量分析发现，随着植株生长其叶色逐渐转绿，发育至第五真叶时，其叶绿素含量和叶色均与野生型相近，所以通过一定的栽培措施，芽黄性状对材料长势的影响可以消除，能满足大田应用的要求；3.以中9106为母本，H559和中040029为父本，构建了两个分离群体，在安阳分别调查两个群体F1和F2代材料的性状，并进行统计分析，结果表明中9106的芽黄和不育性状受一对共同的隐性基因控制；4.分析中9106在安阳和三亚两地的育性变化和光温条件，并与人工气候室的处理结果相结合可得：中9106在光照周期为13至14.5小时的长日照条件下生长时表现不育，在光照周期为11至12.5小时，日平均温度大于等于21.5℃的短日照条件下生长时表现可育，能满足短日高温地区自交繁殖不育系，长日照地区进行杂交种生产的要求，从而能在棉花杂交种的生产过程中极大的减少制种程序、降低制种成本，加快棉花杂种优势的应用进程；5.本研究通过对中9106和中040029不同发育时期花药的细胞学观察发现，中9106的花粉在其发育的单核期开始发生败育，至成熟期花粉完全失活。进一步分析两个材料四分体时期和单核期花药的表达谱发现，长日照激活了中9106单核期花药的泛素蛋白酶水解途径，从而引起花粉粒细胞质物质的降解，使花粉粒失活，最终导致中9106在长日照条件下表达不育；6.本研究以中棉所36为材料，第一次构建了棉花花药减数分裂至成熟期的全生育期均一化全长cDNA文库，在3′进行测序得到9,896条高质量的EST，拼接得到6,643条unigene，并经过生物信息学和荧光定量分析，筛选得到了花粉壁合成相关基因和其它一些在棉花花药发育过程中起重要作用的生物学途径，为深入开展棉花花药的研究提供了大量的参考序列；7.本研究以中040029的四分体时期、单核期、双核期、成熟期花药，以及根、茎、叶、胚为材料，构建了8个数字化表达谱文库，并以cDNA文库中的花药相关基因作为参考序列，第一次对不同发育时期的棉花花药进行了表达谱分析，得到10,178个棉花花药表达基因，其中包括1,165个花药优势表达基因，并通过分析发现黄酮类化合物和维生素C-谷胱甘肽循环在棉花花药的发育过程中起重要作用，同时还发现了一些与有丝分裂和激素响应相关的基因，这些研究为进一步开展棉花花粉、花药发育的研究和败育机理的分析，提供了一个良好的平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 雄性不育系在棉花杂种优势中的应用
• 1.1.1 核质互作型雄性不育系
• 1.1.2 细胞核雄性不育系
• 1.1.3 光温敏雄性不育系
• 1.2 花药发育机制的研究
• 1.2.1 花药发育的形态学特征
• 1.2.2 花粉和花药发育的表达谱分析
• 1.3 雄性不育机理的研究
• 1.3.1 雄性不育性状的基因定位
• 1.3.2 蛋白质组学对雄性不育机理的分析
• 1.3.3 表达谱对雄性不育机理的分析
• 1.3.4 雄性不育的分子机理分析
• 1.4 研究的目的和意义
• 第二章 芽黄标记光敏不育系的选育与杂种优势分析
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 航天诱变处理
• 2.1.3 田间性状调查
• 2.1.4 芽黄标记光敏雄性不育材料的选育
• 2.1.5 芽黄标记光敏雄性不育系杂交优势的测定
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 芽黄标记光敏雄性不育系棉花的选育
• 2.2.2 芽黄标记光敏雄性不育系杂种优势分析
• 2.3 讨论
• 第三章 芽黄标记光敏不育系的特性分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 叶绿素含量的测定
• 3.1.3 育性的光温条件分析
• 3.1.4 芽黄和不育性状的遗传分析
• 3.1.5 三酸去花粉壁染色法
• 3.1.6 花粉粒活力测定
• 3.1.7 石蜡切片
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 中 9106 芽黄性状表现
• 3.2.2 影响中 9106 育性的光温条件分析
• 3.2.3 芽黄和不育性状的遗传分析
• 3.2.4 花药发育时期的确定
• 3.2.5 败育的细胞学观察
• 3.3 讨论
• 第四章 芽黄标记光敏不育系败育机理的数字化表达谱分析
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 总 RNA 提取
• 4.1.3 数字化表达谱的测序分析
• 4.1.4 cDNA 的合成
• 4.1.5 荧光定量 PCR 分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 RNA 的提取和检测
• 4.2.2 数字化表达谱的质量评估
• 4.2.3 数字化表达谱基因表达信息
• 4.2.4 荧光定量验证数字化表达谱结果
• 4.2.5 生物信息学分析揭示花药的败育机理
• 4.3 讨论与分析
• 第五章 棉花花药发育全生育期均一化全长 cDNA文库的构建和分析
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 花药总 RNA 的提取
• 5.1.3 石蜡切片
• 5.1.4 cDNA 文库的构建
• 5.1.5 生物信息学分析
• 5.1.6 荧光定量 PCR
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 花药取样及石蜡切片观察
• 5.2.2 中棉所 36 花药发育全生育期均一化 cDNA 文库的构建
• 5.2.3 cDNA 文库的测序
• 5.2.4 生物信息学分析
• 5.2.5 花粉壁合成相关基因的鉴定
• 5.2.6 EST-SSR 标记的开发和鉴定
• 5.3 讨论
• 第六章 棉花花药发育分子机理的分析
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 试验材料
• 6.1.2 总 RNA 提取
• 6.1.3 数字化表达谱的测序分析
• 6.1.4 cDNA 的合成
• 6.1.5 荧光定量 PCR 分析
• 6.1.6 抗坏血酸氧化酶（ascorbic acid oxidase, AAO）活性的测定
• 6.1.7 抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase， APX）活性测定
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 DGE 测序分析的样品准备
• 6.2.2 DGE 测序质量的评估
• 6.2.3 DGE 数据初步分析
• 6.2.4 优势表达基因的筛选和分析
• 6.2.5 荧光定量验证 DGE 数据
• 6.2.6 花药发育表达谱的 pathway 分析
• 6.3 讨论
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介