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棉花转GST基因恢复系恢复力提高机理的研究

朱云国

  棉花具有十分明显的杂种优势,种植杂交棉是提高棉花产量和品质的有效途径之一。目前棉花杂种种子主要是通过“人工去雄授粉法”获得,制种成本高,效率低,有碍棉花杂种优势的利用。棉花细胞质雄性不育(Cytoplasmic Male Sterility,CMS)植株自身不能产生有生活力的花粉,而雌蕊正常可育。利用棉花细胞质雄性不育的“三系”和蜜蜂传粉的制种法,可省去人工“去雄”和“授粉”,从而大大降低棉花杂种种子的生产成本,在棉花杂种优势利用中具有重要价值。早在二十世纪70年代,美国的Meyer(1973)已育成具有哈克尼西棉(G.harknessii Brandegee)细胞质的雄性不育系,并实现了“三系”配套,但因其恢复系“DES-HAF277”的恢复力不够强,故在生产上一直未被利用。王学德用转基因技术将谷胱甘肽S转移酶(Glutathione S-Transferase,GST)基因parB(GeneBank序列号D10524)导入到恢复系中,培育出了一个强恢复系——“浙大强恢”。与受体恢复系“DES-HAF277”相比,“浙大强恢”对不育系的恢复力提高了25.8%,解决了棉花细胞质雄性不育“三系”中恢复系对不育系育性恢复力不够强的问题,从而使通过“三系法”制种大面积利用棉花杂种优势成为可能,故在生产上有广阔的应用前景。但棉花转GST基因恢复系恢复力提高的具体机理并不清楚。为此,本文以哈克尼西棉细胞质不育系和保持系为对照,以转基因恢复系“浙大强恢”所配F_1和受体恢复系“DES-HAF277”所配F_1为材料,通过田间考察和比较试验,研究外源GST基因parB对杂种F_1花药、胚珠、产量和品质性状的效应;通过石蜡切片光学显微镜观察和超薄切片电子显微镜观察,研究外源GST基因parB对杂种F_1花药显微和超微结构的影响;通过生化分析,研究外源GST基因parB对杂种F_1花药及其线粒体呼吸和活性氧代谢的影响;采用实时荧光相对定量PCR的方法,研究外源GST基因parB在杂种F_1的转录情况及其与GST酶活性的关系。研究主要结果如下:哈克尼西棉细胞质雄性不育系花药及其线粒体O_2~-的产生速率明显高于正常,远远超出活性氧清除体系的清除能力,从而引起大量的活性氧积累,造成氧应激,使雄性细胞及其线粒体发生严重的膜脂过氧化,进而造成雄性细胞的退化。反映在细胞形态学上,造孢细胞增殖期,不育系雄性细胞线粒体最先出现异常,表现为部分线粒体出现肿胀、内嵴开始模糊、基质变淡;接着,它们的细胞质开始收缩,细胞膜局部与细胞壁分离,细胞质内核糖体密度下降;随着肿胀线粒体数目的增加和线粒体肿胀程度的加深,雄性细胞的液泡膜出现破裂,液泡对细胞质及其中的细胞器进行自吞噬,染色质发生凝缩,内质网膨大;然后,雄性细胞整个结构被破坏,细胞质和细胞核逐渐解体、消失。这些败育的超微结构,同文献报道的活性氧诱导的植物细胞程序性死亡的超微结构十分相似。所以认为,哈克尼西棉细胞质雄性不育系雄性细胞的败育是一个由过量活性氧诱导的细胞程序性死亡的过程。……   
[关键词]:棉花;杂种优势;细胞质雄性不育;转基因恢复系;线粒体;活性氧;谷胱甘肽S转移酶
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2005年
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