云南拟单性木兰两性花雄性不育的细胞学与分子机理研究

云南拟单性木兰（Parakmeria yunnanensis Hu）属于木兰科拟单性木兰属，我国特有，是木兰科中从两性花简化为雄花两性花异株的植物，其两性花的雄蕊花粉败育，实质为单性异株（雌雄异株），在木兰科植物系统发育、繁育系统演化和生殖生物学方面具有十分重要的研究价值。本项目以云南拟单性木兰作为研究对象，利用已调查清楚的野外居群和华南植物园已建立起迁地保护种群的有利条件，把两性花的不育雄蕊与雄花的可育雄蕊进行对照研究，运用开花生物学、形态解剖学、细胞生物学、细胞遗传学、分子生物学多种手段对两性花雄性不育的细胞学与分子机理进行深入研究，阐明其雄性不育过程的生殖表现特征及规律，揭示两性花花粉败育的细胞学与分子机理，为进一步研究云南拟单性木兰雄性不育基因及其表达、调控的分子机理奠定基础，并为研究本种的性别演化和整个木兰科植物的系统分类、性别演化及种系发生关系积累资料。

本项目对云南拟单性木兰进行了开花生物学、细胞生物学、细胞遗传学、分子生物学等多方面的研究。开花生物学研究表明，云南拟单性木兰的花芽从第一年春天开始分化，直到第二年春天开花，整个生长期长达1年。花被片数目不固定，极少数雄花中存在仅含1-4枚心皮的雌蕊群。形态解剖学研究表明新鲜雄花花粉数量多，花粉粒圆而饱满，体积大，萌发能力强，萌发率达81.26%，且花粉活力仅能维持两天；两性花花粉数量少，体积小，约为雌花花粉体积的1/3-1/2，而且所有花粉都皱缩变形，萌发率为0。细胞学研究表明，在雄花的小孢子母细胞进行减数分裂时，染色体行为正常，减数分裂为同时型，形成交叉型、对称型或“T” 型四分体，花粉粒发育正常，具有2核，部分营养细胞具有多核仁。两性花的小孢子母细胞在减数分裂之前异常肥大，形状不规则，此后染色体行为出现异常，最终进行异常分裂，产生的花粉内没有内含物，花粉壁发育不完全，没有柱状结构等，最后花粉完全败育，没有萌发能力。绒毡层细胞在小孢子母细胞减数分裂时开始细胞程序性死亡。细胞遗传学实验表明，云南拟单性木兰具有6n=114条染色体。在雄花中，小孢子母细胞进行减数分裂时染色体行为正常；在两性花中，小孢子母细胞进行减数分裂时染色体行为异常，形成多级纺锤体，导致出现单价体，染色体落后或染色体片段丢失等现象。利用cDNA-AFLP差异显示法对雄花雄蕊与两性花雄蕊进行对照分析表明，雄花和雌花的雄蕊存在较大差异，通过6对引物共获得20条差异基因片段。云南拟单性木兰两性花雄性不育主要是由特定基因控制染色体的异常行为导致。本项目已发表标注SCI论文2篇，接受标注SCI论文1篇。