化學殺雄劑2號誘導水稻雄性不育花藥的內源激素變化特性

張凱+喬新榮

摘要：通過測定花藥不同發(fā)育時期的花蕾內源激素含量變化，以評價化學殺雄劑2號對水稻育性的影響。結果表明：經化學殺雄劑處理后，不同發(fā)育時期的花藥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含量在四分體時期最高，在單胞期又恢復到花粉母細胞時期的水平。綜合分析表明，花藥IAA和GA3含量的降低及ABA含量的上升是化學殺雄劑2號誘導水稻雄性不育的主要原因。研究結果可為揭示化學殺雄劑誘導植物雄性不育機理提供理論依據。

關鍵詞：化學殺雄劑；水稻；雄性不育；內源激素；花藥

中圖分類號： S511.01文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0095-02

雜交水稻的培育和應用對我國水稻產量的提升作出了巨大的貢獻，創(chuàng)造了享譽世界的神話。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，被認為是提升農作物產量和價值的重要技術[1-2]。而雄性不育系的獲得是雜種優(yōu)勢利用的關鍵之一。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，化學殺雄劑2號對水稻的殺雄效果較好，特別是在葉枕距7～12 cm時殺雄率最高，為殺雄最佳時期[3]。前人對化學殺雄劑誘導水稻雄性不育的細胞學和生理基礎進行了廣泛的研究[4-6]，但未見對水稻花蕾不同發(fā)育時期內源激素變化的系統(tǒng)報道。本研究通過測定殺雄劑2號處理后，水稻花藥發(fā)育6個時期的IAA、GA、ABA含量，以進一步研究分析化學殺雄劑誘導水稻雄性不育的生理基礎。

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。供試化學殺雄劑2號為中國科學院廣州化學研究所提供，供試濃度為0.05%。

1.2處理方法

試驗于2013年5—10月初在大田進行，株行距采用 0.1 m×0.5 m，每個處理種植4行，每行12株，各3次重復。在水稻葉枕距達到7～12 cm時，按最佳單株用藥量為10～11 mL/株，采用小型手動噴霧器均勻噴施于水稻葉片表面，對照噴清水。分別收集造孢細胞增殖期（花粉母細胞期）、四分體時期（減數分裂期）、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[7]方法測定。

1.3赤霉素（GA3）含量（FW）測定

參照文獻[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）步驟進行。

2結果與分析

2.1IAA含量的動態(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)育時期的變化趨勢是一致的，均在四分體時期含量最高，然后下降，且對照組花藥中的IAA含量在各時期均顯著高于殺雄劑2號處理后的水稻花藥。其中在四分體時期的IAA含量為16.58 ng/g，說明這個時期花藥發(fā)育需要大量的IAA，因為它能促進花粉母細胞減數分裂期物質的代謝，以供應其所需的底物和能量。化學殺雄處理以后，IAA含量降到很低水平，只有7.87 ng/g，說明化學殺雄劑影響了水稻花藥IAA的代謝合成。

據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含量在花藥中的動態(tài)變化

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

植物的生長發(fā)育、物質能量代謝、抗逆境脅迫等均離不開內源激素的調控作用。大量研究表明，農作物 （如小麥、水稻、棉花等）雄性不育與其內源激素的失調緊密相關[10-12]。因此，研究化學雜交劑處理后不同發(fā)育時期的水稻花藥內源激素的動態(tài)變化水平，對揭示化學殺雄劑誘導水稻雄性不育機理，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，調節(jié)營養(yǎng)物質的分配[13]。本研究發(fā)現，對照花藥中的IAA水平顯著高于化學殺雄劑處理后的花藥，在四分體時期IAA含量最高，與解海巖等關于雄性不育棉花花藥的研究結果一致[12]。花粉母細胞物質代謝在這個時期最旺盛，需要足夠的IAA才能滿足物質代謝所需的底物和能量。但是，化學殺雄劑處理后，導致水稻花藥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，引起花粉母細胞營養(yǎng)底物和能量供應的不足，最終導致花粉敗育[14]。在研究化學雜交劑GENESIS誘導的小麥雄性不育過程中發(fā)現，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)現了不育系花藥IAA含量高于可育系[16]。同時，Homer等研究表明，高水平的IAA累積表達可誘導乙烯的代謝產生，從而導致植物的雄性不育[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可增強植物細胞壁的伸展性，對細胞的長度和體積具有促進作用，與花藥正常發(fā)育和花粉成熟緊密相關[13]。在棉花不育系花藥中，絨氈層細胞和花粉母細胞較可育系小很多，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，可能是導致花粉敗育的因子之一。

ABA是植物體內的一種生長抑制劑，可通過抑制細胞分裂和伸長而抑制細胞的生長，從而促進細胞的衰老[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，化學殺雄劑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?？梢酝茰y，化學殺雄劑2號處理水稻以后，ABA在花藥中的累積，促進花粉母細胞的衰老和死亡，最終形成敗育的花粉，導致雄性不育。

關于植物激素調控與雄性不育關系的研究報道已經比較多，但是具體的機制仍不是特別清晰。許多研究認為，激素可直接誘導植物雄性不育[14，16]。但是許多最新的研究發(fā)現，植物內源激素可作為信號分子，調控體內基因的表達[22-23]。因此，可能還存在基因內源激素調控育性基因表達的間接機制，但是需要進一步的深入研究。

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

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