棉花新型光敏不育系的育性特征及其花药蛋白质组学分析

发布时间：2017-10-25 18:22

  本文关键词：棉花新型光敏不育系的育性特征及其花药蛋白质组学分析

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【摘要】：棉花(Gossypium hirsutum L.)是世界上最重要的经济作物之一,培育高产、优质的棉花品种是每个育种家的目标,而利用棉花的杂种优势是实现这一目标的重要手段。棉花具有很强的杂种优势,杂交棉出苗快,现蕾、开花较早,抗性强,产量高,纤维品质好,因此,其种植面积也逐年增长,尤其是在长江流域棉区,杂交棉已成为主导品种。目前,我国杂交种的生产仍以人工去雄、授粉为主,需要投入大量的人力和物力资源,制种效率低、成本高,严重制约了杂交棉的推广和应用。因此,亟需探索一种新的杂交种生产体系。实践证明,以光温敏不育系等为母本,一系两用,是一种高效、简便的杂交种生产体系。光温敏不育系的育性主要由光照时间和温度调控,在不育的光温条件下,其用作母本,配制杂交种;在可育的光温条件下,自交繁殖不育系。这种制种体系已经很成熟,在水稻、油菜杂种优势的利用中广泛使用。陆地棉中9106,是本课题通过航天诱变育种技术而选育的新型棉花光敏不育系材料,在长日照(≥13.5 h)条件下为不育,短日照(13 h)条件下育性恢复。中9106的成功选育不仅为推进棉花杂种优势利用奠定了基础,对棉花光敏不育机理的研究也有重要意义。本研究主要对中9106杂种优势利用潜能及其败育机理进行了深入分析,通过本研究,获得以下结果:1.从2012-2014年,详细观察记录了中9106在长日照条件下(河南,安阳)和短日照条件下(海南,三亚)的育性特征。在长日照条件下,中9106在于7月15日左右开花,不育度极高且稳定,自交基本不能结铃,因此,利用中9106在安阳制种是可行的,风险比较小;在短日照条件下,中9106育性恢复,花粉可育率约为53%,每株平均能收到200多粒种子(每亩籽棉产量约为60 kg),具有较高的繁殖系数。这些结果表明,以中9106为核心材料,通过“两系法”利用棉花的杂种优势是可行的。2.以中9106为母本,在安阳配制了20个杂交组合,筛选到予13号和302355两个高产的优势组合,产量分别超对照品种(鲁28)达21%和14%;品质方面,中425、中69和日辉棉6号组合的上半部平均长度和断裂比强度均达到了30以上,品质较好。可见,中9106在棉花杂种优势的利用方面具有一定的潜力,通过广泛筛选,能够培育出强优势的杂交组合。3.为了解释中9106败育的生物学过程,我们通过石蜡切片详细观察了中9106花粉发育的各个阶段,并将其划分为三个主要时期:第一时期为减数分裂期,从花芽开始分化至四分体形成,花蕾长度≤5 mm,主要的生物学过程是小孢子母细胞经减数分裂形成四分体;第二时期为小孢子发育时期,从小孢子脱离四分体至小孢子成熟,5 mm≤花蕾长度≤10 mm,主要的生物学过程是绒毡层降解,小孢子发育成熟;第三时期为成熟花粉形成期,从花粉粒开始成熟至开花散粉,花蕾长度≥11 mm。石蜡切片结果表明:中9106花粉发育的过程中,第一时期是正常的,与野生型相同;败育起始于第二时期,花粉细胞质物质合成受阻;第三个时期,败育已经,形成畸形花粉粒。4.为了阐明中9106败育的分子机理,利用双向电泳和i TRAQ蛋白质组学技术分析鉴定了野生型中040029和中9106三个时期花药的差异表达蛋白。双向电泳技术鉴定到了56个差异蛋白,而利用i TRAQ技术共得到365个差异蛋白。根据差异蛋白的功能注释,其参与花粉形成和发育的各个方面,包括能量代谢、花粉外孢壁形成、蛋白降解、花粉萌发和花粉管伸长等等,说明中9106的败育是多种因素综合作用的结果,是一个复杂的调控网络。5.通过分析,我们初步总结了中9106败育的模型:在四分体时期之前,中9106的发育是正常的,小孢子母细胞正常分裂,形成完整的四分体结构;四分体时期,花药绒毡层降解异常,可能与Ca2+结合蛋白上调,导致花药Ca2+水平失衡有关;绒毡层异常降解的直接结果是孢粉素的合成受阻,花粉外壁不能正常形成;碳水化合物及能量代谢紊乱,能量供应不足,花粉不能积累足够的可溶性糖类等物质;同时,蛋白酶体被激活,花粉内重要的酶类等蛋白被降解,阻止了花粉的成熟过程;PME、PMEI等花粉萌发相关的蛋白也显著下调表达,形成的花粉没有活力,不具备萌发的能力,这些因素之间不是独立的关系,而是相互影响,共同作用,最后导致了雄性不育的发生。
【关键词】：棉花 杂种优势 光敏不育 蛋白质组 花粉壁
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S562
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 文献综述12-34
• 1.1 作物杂种优势研究简介12-16
• 1.1.1 概述12
• 1.1.2 杂种优势的理论基础12-14
• 1.1.3 杂种优势的应用14-16
• 1.1.3.1 杂种优势利用的条件14-15
• 1.1.3.2 杂交优势在棉花上的应用15-16
• 1.2 雄性不育研究进展16-28
• 1.2.1 雄性不育概述16
• 1.2.2 雄蕊的形成过程16-18
• 1.2.3 雄性不育与杂种优势18-19
• 1.2.4 胞质不育系研究进展19-25
• 1.2.4.1 胞质不育基因的克隆与分析19-20
• 1.2.4.2 胞质不育基因的序列特征20-22
• 1.2.4.3 恢复基因的序列特征22
• 1.2.4.4 胞质不育的模型22-25
• 1.2.5 环境敏感型不育系研究进展25-27
• 1.2.6 棉花雄性不育研究进展27-28
• 1.3 植物蛋白质组学研究进展28-33
• 1.3.1 蛋白质组学研究技术和方法28-30
• 1.3.2 蛋白质组学与雄性不育30-31
• 1.3.3 蛋白质组学在棉花中的应用31-33
• 1.4 本研究的目的和意义33-34
• 第二章 中9106育性特征及杂种优势分析34-41
• 2.1 材料与方法34-35
• 2.1.1 试验材料34
• 2.1.2 中9106育性调查34
• 2.1.3 花药及花粉形态观察34
• 2.1.4 杂种优势分析34-35
• 2.2 结果与分析35-39
• 2.2.1 中9106育性变化分析35-37
• 2.2.3 中9106败育观察37-38
• 2.2.4 中9106杂种优势分析38-39
• 2.3 讨论39-41
• 第三章 基于 2-DE的中9106花药蛋白质学分析41-57
• 3.1 材料和方法41-45
• 3.1.1 实验材料41
• 3.1.2 花药石蜡切片分析41-42
• 3.1.3 花药总蛋白的提取、纯化和定量42
• 3.1.4 等电聚焦电泳42
• 3.1.5 胶条平衡42
• 3.1.6 SDS-PAGE凝胶电泳42-43
• 3.1.7 硝酸银法胶体染色43
• 3.1.8 考马斯亮蓝胶体染色43
• 3.1.9 凝胶扫面和图像分析43
• 3.1.10 差异蛋白鉴定43-44
• 3.1.11 蛋白的功能分类44
• 3.1.12 实时定量PCR（Quantitative real-time PCR，，qRT-PCR）44-45
• 3.1.13 可溶性糖含量测定45
• 3.2 结果与分析45-54
• 3.2.1 不育性状表型观察45-46
• 3.2.2 花药发育过程观察46-47
• 3.2.3 蛋白质组学分析47-49
• 2.2.4 差异蛋白的鉴定和功能分类49
• 3.2.5 差异蛋白与拟南芥花粉蛋白比较49-53
• 3.2.6 蛋白表达量和转录水平比较分析53-54
• 3.2.7 可溶性糖含量变化54
• 3.3 讨论54-57
• 3.3.1 绒毡层延迟降解和雄性不育54-55
• 3.3.2 能量代谢缺陷与雄性不育55
• 3.3.3 花粉外壁发育缺陷与雄性不育55-56
• 3.3.4 蛋白代谢与雄性不育56
• 3.3.5 花粉萌发缺陷与雄性不育56
• 3.3.6 其它不育相关蛋白56-57
• 第四章 基于iTRAQ技术的中9106花药蛋白质学分析57-78
• 4.1 材料和方法57-61
• 4.1.1 实验材料57
• 4.1.2 石蜡切片57
• 4.1.3 扫描电镜57-58
• 4.1.4 透射电镜58
• 4.1.5 花药蛋白提取和定量58
• 4.1.6 iTRAQ标记58-59
• 4.1.7 液相串联质谱分析59
• 4.1.7.1 液相色谱分离59
• 4.1.7.2 质谱仪检测分析59
• 4.1.8 数据库的搜索与蛋白定量59-60
• 4.1.9 功能分类和聚类分析60
• 4.1.10 实时定量PCR60-61
• 4.2 结果与分析61-75
• 4.2.1 不育性状稳定性观察61-62
• 4.2.3 中9106败育时期确定62-63
• 4.2.4 iTRAQ蛋白质组学分析63-66
• 4.2.5 差异表达蛋白分析66-68
• 4.2.6 聚类和GO富集分析68-70
• 4.2.7 差异蛋白转录水平分析70-71
• 4.2.8 棉花花药不育相关基因的筛选71-73
• 4.2.9 突变体花粉壁的异常发育73-75
• 4.3 讨论75-78
• 4.3.1 花粉外壁的异常发育与雄性不育75-76
• 4.3.2 外壁形成相关的差异蛋白76-77
• 4.3.3 蛋白质降解类差异蛋白77
• 4.3.4 Ca~(2+)结合类差异蛋白77-78
• 第五章 全文结论78-80
• 第六章 研究展望80-81
• 参考文献81-93
• 附录93-96
• 缩略词96-97
• 致谢97-99
• 作者简介99

【参考文献】

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本文编号：1094938