化學(xué)殺雄劑2號誘導(dǎo)水稻雄性不育花藥的內(nèi)源激素變化特性

張凱+喬新榮

摘要：通過測定花藥不同發(fā)育時(shí)期的花蕾內(nèi)源激素含量變化，以評價(jià)化學(xué)殺雄劑2號對水稻育性的影響。結(jié)果表明：經(jīng)化學(xué)殺雄劑處理后，不同發(fā)育時(shí)期的花藥IAA、GA3含量顯著降低，而ABA含量則顯著上升；隨著花藥的發(fā)育，處理組中的IAA、GA3含量整體上逐漸降低，而ABA含量在四分體時(shí)期最高，在單胞期又恢復(fù)到花粉母細(xì)胞時(shí)期的水平。綜合分析表明，花藥IAA和GA3含量的降低及ABA含量的上升是化學(xué)殺雄劑2號誘導(dǎo)水稻雄性不育的主要原因。研究結(jié)果可為揭示化學(xué)殺雄劑誘導(dǎo)植物雄性不育機(jī)理提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)殺雄劑；水稻；雄性不育；內(nèi)源激素；花藥

中圖分類號： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0095-02

雜交水稻的培育和應(yīng)用對我國水稻產(chǎn)量的提升作出了巨大的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造了享譽(yù)世界的神話。傳統(tǒng)的三系法雜交育種程序繁瑣、周期長、效率低下，而且成本較高。通過可育系與不育系雜交育種，以獲得具有顯著雜種優(yōu)勢的雜交新品種，可極大地縮短育種年限。雜種優(yōu)勢的利用，被認(rèn)為是提升農(nóng)作物產(chǎn)量和價(jià)值的重要技術(shù)[1-2]。而雄性不育系的獲得是雜種優(yōu)勢利用的關(guān)鍵之一。因此，開發(fā)利用雄性不育親本是確保母本異型雜交和大規(guī)模獲得F1代雜交種子的重要途徑。

研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)殺雄劑2號對水稻的殺雄效果較好，特別是在葉枕距7～12 cm時(shí)殺雄率最高，為殺雄最佳時(shí)期[3]。前人對化學(xué)殺雄劑誘導(dǎo)水稻雄性不育的細(xì)胞學(xué)和生理基礎(chǔ)進(jìn)行了廣泛的研究[4-6]，但未見對水稻花蕾不同發(fā)育時(shí)期內(nèi)源激素變化的系統(tǒng)報(bào)道。本研究通過測定殺雄劑2號處理后，水稻花藥發(fā)育6個(gè)時(shí)期的IAA、GA、ABA含量，以進(jìn)一步研究分析化學(xué)殺雄劑誘導(dǎo)水稻雄性不育的生理基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料與試劑

材料為適合豫南地區(qū)種植的粳稻品種水晶3號。供試化學(xué)殺雄劑2號為中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所提供，供試濃度為0.05%。

1.2處理方法

試驗(yàn)于2013年5—10月初在大田進(jìn)行，株行距采用 0.1 m×0.5 m，每個(gè)處理種植4行，每行12株，各3次重復(fù)。在水稻葉枕距達(dá)到7～12 cm時(shí)，按最佳單株用藥量為10～11 mL/株，采用小型手動(dòng)噴霧器均勻噴施于水稻葉片表面，對照噴清水。分別收集造孢細(xì)胞增殖期（花粉母細(xì)胞期）、四分體時(shí)期（減數(shù)分裂期）、單胞期、2胞期、3胞期及成熟期的花藥，保存于-80 ℃，備用。

[JP3]吲哚乙酸 （IAA）含量（FW）測定，參照文獻(xiàn)[7]方法測定。

1.3赤霉素（GA3）含量（FW）測定

參照文獻(xiàn)[7]的方法測定。

1.4脫落酸（ABA）提取與含量（FW）測定

ABA的提取參照Aharoni等的方法[8]，含量測定則按照ABA ELISA定量試劑盒 （Agrisera，Sweden）步驟進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1IAA含量的動(dòng)態(tài)變化

由表1可以看出，IAA含量在對照和處理組中、花藥不同發(fā)育時(shí)期的變化趨勢是一致的，均在四分體時(shí)期含量最高，然后下降，且對照組花藥中的IAA含量在各時(shí)期均顯著高于殺雄劑2號處理后的水稻花藥。其中在四分體時(shí)期的IAA含量為16.58 ng/g，說明這個(gè)時(shí)期花藥發(fā)育需要大量的IAA，因?yàn)樗艽龠M(jìn)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期物質(zhì)的代謝，以供應(yīng)其所需的底物和能量?；瘜W(xué)殺雄處理以后，IAA含量降到很低水平，只有7.87 ng/g，說明化學(xué)殺雄劑影響了水稻花藥IAA的代謝合成。

據(jù)后不同小寫字母表示α=0.05水平的差異顯著性。下表同。[FK）]

2.2GA3含量在花藥中的動(dòng)態(tài)變化

化學(xué)殺雄劑2號是由中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所研制的一種可高效誘導(dǎo)水稻雄性不育的化學(xué)雜交劑。在影響化學(xué)殺雄劑殺雄效果的因素中，處理濃度和噴藥時(shí)期是2個(gè)最關(guān)鍵的因素。研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)殺雄劑2號的最佳處理濃度為 0.05%，最佳處理時(shí)期為葉枕距7～12 cm時(shí)[3，9]。本研究所采用的處理濃度和時(shí)期，均參考最佳處理濃度和時(shí)間。

植物的生長發(fā)育、物質(zhì)能量代謝、抗逆境脅迫等均離不開內(nèi)源激素的調(diào)控作用。大量研究表明，農(nóng)作物 （如小麥、水稻、棉花等）雄性不育與其內(nèi)源激素的失調(diào)緊密相關(guān)[10-12]。因此，研究化學(xué)雜交劑處理后不同發(fā)育時(shí)期的水稻花藥內(nèi)源激素的動(dòng)態(tài)變化水平，對揭示化學(xué)殺雄劑誘導(dǎo)水稻雄性不育機(jī)理，具有十分重要的意義。

IAA是植物組織和器官的養(yǎng)分輸入庫，調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)的分配[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，對照花藥中的IAA水平顯著高于化學(xué)殺雄劑處理后的花藥，在四分體時(shí)期IAA含量最高，與解海巖等關(guān)于雄性不育棉花花藥的研究結(jié)果一致[12]?；ǚ勰讣?xì)胞物質(zhì)代謝在這個(gè)時(shí)期最旺盛，需要足夠的IAA才能滿足物質(zhì)代謝所需的底物和能量。但是，化學(xué)殺雄劑處理后，導(dǎo)致水稻花藥IAA水平下降，維管束發(fā)育異常，水分和養(yǎng)分的正常分配遭破壞，引起花粉母細(xì)胞營養(yǎng)底物和能量供應(yīng)的不足，最終導(dǎo)致花粉敗育[14]。在研究化學(xué)雜交劑GENESIS誘導(dǎo)的小麥雄性不育過程中發(fā)現(xiàn)，可育系中的IAA含量在單核期、2核期和3核期均顯著低于不育系，但隨著藥物處理劑量的增加而升高[15]。在茄子的功能性雄性不育研究中，也發(fā)現(xiàn)了不育系花藥IAA含量高于可育系[16]。同時(shí)，Homer等研究表明，高水平的IAA累積表達(dá)可誘導(dǎo)乙烯的代謝產(chǎn)生，從而導(dǎo)致植物的雄性不育[17]。總而言之，花藥IAA水平的失衡，是引起植物雄性不育的原因之一。

GA3可增強(qiáng)植物細(xì)胞壁的伸展性，對細(xì)胞的長度和體積具有促進(jìn)作用，與花藥正常發(fā)育和花粉成熟緊密相關(guān)[13]。在棉花不育系花藥中，絨氈層細(xì)胞和花粉母細(xì)胞較可育系小很多，只有其30%～50%[18]；在油菜可育系品種中，也觀察到了比不育系大的花器官[19]。本研究結(jié)果顯示，處理組水稻花藥GA3含量顯著低于對照組，表明GA3含量的降低，可能是導(dǎo)致花粉敗育的因子之一。

ABA是植物體內(nèi)的一種生長抑制劑，可通過抑制細(xì)胞分裂和伸長而抑制細(xì)胞的生長，從而促進(jìn)細(xì)胞的衰老[13]。大量研究表明，花藥中ABA含量高低與花粉的育性具有重要相關(guān)性，且可育品種的ABA水平顯著低于不育系[12，19-21]。本研究也發(fā)現(xiàn)，化學(xué)殺雄劑2號處理后的水稻花藥ABA含量顯著高于未處理的水稻花藥。可以推測，化學(xué)殺雄劑2號處理水稻以后，ABA在花藥中的累積，促進(jìn)花粉母細(xì)胞的衰老和死亡，最終形成敗育的花粉，導(dǎo)致雄性不育。

關(guān)于植物激素調(diào)控與雄性不育關(guān)系的研究報(bào)道已經(jīng)比較多，但是具體的機(jī)制仍不是特別清晰。許多研究認(rèn)為，激素可直接誘導(dǎo)植物雄性不育[14，16]。但是許多最新的研究發(fā)現(xiàn)，植物內(nèi)源激素可作為信號分子，調(diào)控體內(nèi)基因的表達(dá)[22-23]。因此，可能還存在基因內(nèi)源激素調(diào)控育性基因表達(dá)的間接機(jī)制，但是需要進(jìn)一步的深入研究。

可以認(rèn)為，植物內(nèi)源激素在正常發(fā)育條件下處于一個(gè)比較均衡的水平，化學(xué)殺雄劑2號處理水稻后，打破了水稻花藥內(nèi)源激素的平衡狀態(tài)，引起IAA和GA3含量的降低，而ABA含量上升，最終導(dǎo)致水稻育性的改變。研究結(jié)果對水稻雄性不育機(jī)理的揭示具有重要意義。

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