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揪出棉花“不孕不育”的元凶

2018-06-12 10:37 来源:科技日报 本报记者 刘志伟 通讯员 刘 涛

  科学家在研究高温导致雄性不育的机理、创制耐高温种质方面取得了新进展。近日,来自华中农业大学的棉花团队首次绘制了高温与常温下棉花花药中的DNA甲基化图谱,并首次发现高温胁迫下导致的花粉不育和花药壁不开裂表型受不同路径调控。

  “我们发现在高温胁迫下,雄蕊的花药里面出现了明显的DNA甲基化变化,但是我们对引起甲基化变化的原因,以及这种变化为什么会引起雄性不育依然没有深刻的了解。”6月11日,华中农业大学植物科学技术学院教授张献龙告诉科技日报记者,他们的研究为作物耐高温育种提供了新途径,有望在未来选育出耐高温种质。

  高温频现导致花粉雄性不育

  “全球变暖导致极端的高温天气频繁发生。”华中农业大学植物科学技术学院副教授闵玲告诉科技日报记者,夏季高温天气出现更加频繁,作物更容易遭受高温伤害,从而出现了雄性不育,通常表现为花朵里花药不能开裂释放出花粉,或者花朵不能产生有活力的花粉。

  “花药就是生产花粉的器官,它是花丝顶端膨大呈囊状的部分,是雄蕊的重要组成部分。”闵玲介绍说,如果没有花粉,或者花粉没有活力,作物就没有办法结实,这对农作物的产量造成了极其严重的影响。

  张献龙表示,在过去,由于片面追求产量,育成的种质资源往往抗逆性较差,在全球变暖的大背景下,产量大幅度降低。

  “如果目前的气候变化趋势持续下去,全球平均温度增加将使热浪增多,则水稻、玉米、棉花等主要农作物的产量将受到严重影响,损失将非常严重。”张献龙说,高温对处于花期的农作物影响最为显著,导致花粉不育的几率增加,从而大幅降低产量,其中棉花所受影响非常明显。

  “新疆是我国的主要棉产区,高温出现的年份与正常年份相比,有平均20%左右的减产,严重的地区,比如南疆,减产高达50%左右。而且高温还会影响棉花纤维品质,造成棉花等级整体下降,成交价格也会随之降低。”张献龙说。

  耐高温种质应对全球变暖

  为了揪出导致植物“不孕不育”的元凶,研究人员前期通过群体筛选,鉴定到耐高温和对高温敏感的材料各20份左右,其中一个是耐高温的“84021”,一个是不耐高温的“H05”,是华中农业大学棉花团队的两个应用较多的育种亲本。“通过鉴定发现,这两个棉花材料在高温下存在明显的育性差异。”闵玲告诉记者。

  他们通过转录组测序发现,不耐高温材料在高温下的差异表达基因数目远远超过耐高温材料,“我们当时猜想二者存在有差异的表观修饰”,闵玲说,液相色谱测定结果显示二者内源的DNA甲基化整体水平在高温条件下存在明显差异,“DNA甲基化整体水平的波动可能影响糖信号、活性氧和生长素之间的平衡,导致雄性不育”。

  他们进一步分析发现,高温使得不耐高温材料中I型酪蛋白激酶在花药绒毡层和小孢子中的表达增多,这直接影响了花药中糖与激素信号之间的平衡,导致不育。“不过DNA甲基化参与植物雄性生殖器官高温响应的机制仍不清楚。”闵玲说。

  为模拟高温条件下DNA甲基化变化与花药育性之间的关系,研究人员分别在常温和高温条件下,构建了四分体时期、绒毡层降解时期和花药开裂期三个重要花药发育时期的DNA甲基化差异图谱。

  “结果显示,在高温条件下,不耐高温材料呈现出相对较低的DNA甲基化水平,而耐高温材料则一直维持在较高的水平。”闵玲说,通过外施DNA甲基化抑制剂,不耐高温材料在常温下出现了类似高温条件下花粉不育的表型,但与此同时花药壁却正常开裂。

  “这是一个很有意思的现象。”张献龙说,他们通过研究发现,糖和活性氧代谢途径明显受到DNA甲基化的调控,而生长素路径在抑制剂的处理下却没有出现明显的变化,说明高温条件是通过影响生长素相关微RNA(micRNAs)的转录进而调控花药开裂。

  “弄清楚花药不开裂、花粉无活力的原因后,我们就可以通过杂交等手段来选育抗高温的作物品种。”张献龙告诉记者,这对于全球变暖大环境下的作物增产有着积极的意义。

(责任编辑:王蔚)

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