化学杀雄剂2号诱导水稻雄性不育花药的内源激素变化特性

张凯+乔新荣

摘要：通过测定花药不同发育时期的花蕾内源激素含量变化，以评价化学杀雄剂2号对水稻育性的影响。结果表明：经化学杀雄剂处理后，不同发育时期的花药IAA、GA3含量显著降低，而ABA含量则显著上升；随着花药的发育，处理组中的IAA、GA3含量整体上逐渐降低，而ABA含量在四分体时期最高，在单胞期又恢复到花粉母细胞时期的水平。综合分析表明，花药IAA和GA3含量的降低及ABA含量的上升是化学杀雄剂2号诱导水稻雄性不育的主要原因。研究结果可为揭示化学杀雄剂诱导植物雄性不育机理提供理论依据。

关键词：化学杀雄剂；水稻；雄性不育；内源激素；花药

中图分类号： S511.01文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0095-02

杂交水稻的培育和应用对我国水稻产量的提升作出了巨大的贡献，创造了享誉世界的神话。传统的三系法杂交育种程序繁琐、周期长、效率低下，而且成本较高。通过可育系与不育系杂交育种，以获得具有显著杂种优势的杂交新品种，可极大地缩短育种年限。杂种优势的利用，被认为是提升农作物产量和价值的重要技术[1-2]。而雄性不育系的获得是杂种优势利用的关键之一。因此，开发利用雄性不育亲本是确保母本异型杂交和大规模获得F1代杂交种子的重要途径。

研究发现，化学杀雄剂2号对水稻的杀雄效果较好，特别是在叶枕距7～12 cm时杀雄率最高，为杀雄最佳时期[3]。前人对化学杀雄剂诱导水稻雄性不育的细胞学和生理基础进行了广泛的研究[4-6]，但未见对水稻花蕾不同发育时期内源激素变化的系统报道。本研究通过测定杀雄剂2号处理后，水稻花药发育6个时期的IAA、GA、ABA含量，以进一步研究分析化学杀雄剂诱导水稻雄性不育的生理基础。

1材料与方法

1.1材料与试剂

材料为适合豫南地区种植的粳稻品种水晶3号。供试化学杀雄剂2号为中国科学院广州化学研究所提供，供试浓度为0.05%。

1.2处理方法

试验于2013年5—10月初在大田进行，株行距采用 0.1 m×0.5 m，每个处理种植4行，每行12株，各3次重复。在水稻叶枕距达到7～12 cm时，按最佳单株用药量为10～11 mL/株，采用小型手动喷雾器均匀喷施于水稻叶片表面，对照喷清水。分别收集造孢细胞增殖期（花粉母细胞期）、四分体时期（减数分裂期）、单胞期、2胞期、3胞期及成熟期的花药，保存于-80 ℃，备用。

[JP3]吲哚乙酸 （IAA）含量（FW）测定，参照文献[7]方法测定。

1.3赤霉素（GA3）含量（FW）测定

参照文献[7]的方法测定。

1.4脱落酸（ABA）提取与含量（FW）测定

ABA的提取参照Aharoni等的方法[8]，含量测定则按照ABA ELISA定量试剂盒 （Agrisera，Sweden）步骤进行。

2结果与分析

2.1IAA含量的动态变化

由表1可以看出，IAA含量在对照和处理组中、花药不同发育时期的变化趋势是一致的，均在四分体时期含量最高，然后下降，且对照组花药中的IAA含量在各时期均显著高于杀雄剂2号处理后的水稻花药。其中在四分体时期的IAA含量为16.58 ng/g，说明这个时期花药发育需要大量的IAA，因为它能促进花粉母细胞减数分裂期物质的代谢，以供应其所需的底物和能量。化学杀雄处理以后，IAA含量降到很低水平，只有7.87 ng/g，说明化学杀雄剂影响了水稻花药IAA的代谢合成。

据后不同小写字母表示α=0.05水平的差异显著性。下表同。[FK）]

2.2GA3含量在花药中的动态变化

化学杀雄剂2号是由中国科学院广州化学研究所研制的一种可高效诱导水稻雄性不育的化学杂交剂。在影响化学杀雄剂杀雄效果的因素中，处理浓度和喷药时期是2个最关键的因素。研究发现，化学杀雄剂2号的最佳处理浓度为 0.05%，最佳处理时期为叶枕距7～12 cm时[3，9]。本研究所采用的处理浓度和时期，均参考最佳处理浓度和时间。

植物的生长发育、物质能量代谢、抗逆境胁迫等均离不开内源激素的调控作用。大量研究表明，农作物 （如小麦、水稻、棉花等）雄性不育与其内源激素的失调紧密相关[10-12]。因此，研究化学杂交剂处理后不同发育时期的水稻花药内源激素的动态变化水平，对揭示化学杀雄剂诱导水稻雄性不育机理，具有十分重要的意义。

IAA是植物组织和器官的养分输入库，调节营养物质的分配[13]。本研究发现，对照花药中的IAA水平显著高于化学杀雄剂处理后的花药，在四分体时期IAA含量最高，与解海岩等关于雄性不育棉花花药的研究结果一致[12]。花粉母细胞物质代谢在这个时期最旺盛，需要足够的IAA才能满足物质代谢所需的底物和能量。但是，化学杀雄剂处理后，导致水稻花药IAA水平下降，维管束发育异常，水分和养分的正常分配遭破坏，引起花粉母细胞营养底物和能量供应的不足，最终导致花粉败育[14]。在研究化学杂交剂GENESIS诱导的小麦雄性不育过程中发现，可育系中的IAA含量在单核期、2核期和3核期均显著低于不育系，但随着药物处理剂量的增加而升高[15]。在茄子的功能性雄性不育研究中，也發现了不育系花药IAA含量高于可育系[16]。同时，Homer等研究表明，高水平的IAA累积表达可诱导乙烯的代谢产生，从而导致植物的雄性不育[17]。总而言之，花药IAA水平的失衡，是引起植物雄性不育的原因之一。

GA3可增强植物细胞壁的伸展性，对细胞的长度和体积具有促进作用，与花药正常发育和花粉成熟紧密相关[13]。在棉花不育系花药中，绒毡层细胞和花粉母细胞较可育系小很多，只有其30%～50%[18]；在油菜可育系品种中，也观察到了比不育系大的花器官[19]。本研究结果显示，处理组水稻花药GA3含量显著低于对照组，表明GA3含量的降低，可能是导致花粉败育的因子之一。

ABA是植物体内的一种生长抑制剂，可通过抑制细胞分裂和伸长而抑制细胞的生长，从而促进细胞的衰老[13]。大量研究表明，花药中ABA含量高低与花粉的育性具有重要相关性，且可育品种的ABA水平显著低于不育系[12，19-21]。本研究也發现，化学杀雄剂2号处理后的水稻花药ABA含量显著高于未处理的水稻花药。可以推测，化学杀雄剂2号处理水稻以后，ABA在花药中的累积，促进花粉母细胞的衰老和死亡，最终形成败育的花粉，导致雄性不育。

关于植物激素调控与雄性不育关系的研究报道已经比较多，但是具体的机制仍不是特别清晰。许多研究认为，激素可直接诱导植物雄性不育[14，16]。但是许多最新的研究发现，植物内源激素可作为信号分子，调控体内基因的表达[22-23]。因此，可能还存在基因内源激素调控育性基因表达的间接机制，但是需要进一步的深入研究。

可以认为，植物内源激素在正常发育条件下处于一个比较均衡的水平，化学杀雄剂2号处理水稻后，打破了水稻花药内源激素的平衡状态，引起IAA和GA3含量的降低，而ABA含量上升，最终导致水稻育性的改变。研究结果对水稻雄性不育机理的揭示具有重要意义。

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