大白菜核基因雄性不育花药绒毡层异常细胞程序性死亡机制的研究

花药绒毡层细胞在特定时期发生细胞程序性死亡（programmed cell death,PCD）而降解，直接关系到花粉发育的成败。本项目以大白菜核不育复等位基因近等基因系为试材，采用超微形态学、组织化学及分子生物学的研究手段，对花药绒毡层正常、异常PCD的发生、发展因子进行比较分析，明确花药绒毡层PCD过程中细胞器形态结构、细胞色素C释放、信号钙积累、凋亡细胞的时空分布特点及动态变化规律，结合花药绒毡层PCD相关基因的表达规律，全面认识大白菜核不育花药绒毡层细胞异常PCD的机制。摸清大白菜核不育花药绒毡层细胞异常PCD的关键事件因子，建立绒毡层细胞PCD事件各因子之间及与小孢子发育之间的相互关系，探索出大白菜花药绒毡层细胞PCD的调控途径。研究结果将丰富植物PCD研究的理论，为解析该优良雄性不育材料小孢子败育机理提供新途径。

大白菜核基因雄性不育雄蕊退化彻底，遗传稳定，不受环境条件影响，也无不良性状伴生，是大白菜杂种优势利用中理想的雄性不育源。为解析该不育源的小孢子败育机制，揭示该优良雄性不育材料的雄蕊败育过程，本课题以大白菜核不育复等位基因近等基因系为试材，从花药绒毡层细胞程序性死亡入手，采用超微形态学、组织化学及分子生物学的研究手段，对雄性不育雄蕊败育过程中花药绒毡层细胞程序性死亡事件及其与小孢子发育的关系进行研究。研究获得如下结果：.1.大白菜核不育小孢子减数分裂正常，败育发生在四分体时期，但不育花药壁组织绒毡层异常出现在减数分裂期，表现为绒毡层细胞形状变形，空泡化，提前发生细胞程序性死亡。2.单核小孢子释放与胼胝质沉积有关。减数分裂后，包围四分小孢子的胼胝质会被绒毡层分泌的胼胝质酶降解而释放单核小孢子，但在不育花药中，胼胝质未能及时被降解，未能及时释放单核小孢子，小孢子相互粘连直至死亡。花药特异表达胼胝质酶基因A6表达与四分小孢子胼胝质降解和释放单核小孢子有关，该基因在可育株花药四分体时期表达量最高，单核期停止表达，但在不育株花药中表达量很低，但却持续表达，与绒毡层降解和小孢子败育过程相一致。3.绒毡层特异表达的细胞程序性死亡基因BAG、CYS表达无差异，但MYB转录因子、AMs、TDF1、DYT1等调控基因在可育株与不育株表现明显差异，且均发生在四分体时期和正常绒毡层降解启动之前，这与显微观察结果相吻合。花药发育细胞程序性死亡基因转录研究发现，差异表达的细胞程序性死亡基因57个，细胞成分降解相关基因1个，细胞凋亡过程14个，半胱氨酸肽切酶活性调控4个，凋亡信号途径调控4个，凋亡正调控10个、逆调控24个。4.钙分布异常发生在孢母细胞后期，绒毡层结构异常发生在减数分裂后期，小孢子败育则发生在四分体之后，说明胞内钙库的变化可能与激活程序性死亡有关。.结论：绒毡层细胞程序性死亡是一个包括多个环节精密调控的过程，在细胞凋亡过程中还有一些支路调控控制着细胞凋亡的进程，避免突发性整体死亡，使细胞程序性死亡得以有序进行，直到花粉成熟，绒毡层才全部彻底降解。绒毡层细胞程序性死亡调控基因异常表达，导致整个细胞凋亡过程失控，使绒毡层细胞不但提前发生凋亡，而且过程失控，绒毡层突发快速降解，胼胝质酶表达释放异常，造成四分小孢子胼胝质不能正常降解，小孢子进一步发育受阻，最终败育。