棉花(Gossypium hirsutum L.)是世界上最重要的经济作物之一,培育高产、优质的棉花品种是每个育种家的目标,而利用棉花的杂种优势是实现这一目标的重要手段。棉花具有很强的杂种优势,杂交棉出苗快,现蕾、开花较早,抗性强,产量高,纤维品质好,因此,其种植面积也逐年增长,尤其是在长江流域棉区,杂交棉已成为主导品种。目前,我国杂交种的生产仍以人工去雄、授粉为主,需要投入大量的人力和物力资源,制种效率低、成本高,严重制约了杂交棉的推广和应用。因此,亟需探索一种新的杂交种生产体系。实践证明,以光温敏不育系等为母本,一系两用,是一种高效、简便的杂交种生产体系。光温敏不育系的育性主要由光照时间和温度调控,在不育的光温条件下,其用作母本,配制杂交种;在可育的光温条件下,自交繁殖不育系。这种制种体系已经很成熟,在水稻、油菜杂种优势的利用中广泛使用。陆地棉中9106,是本课题通过航天诱变育种技术而选育的新型棉花光敏不育系材料,在长日照(≥13.5 h)条件下为不育,短日照(<13 h)条件下育性恢复。中9106的成功选育不仅为推进棉花杂种优势利用奠定了基础,对棉花光敏不育机理的研究也有重要意义。本研究主要对中9106杂种优势利用潜能及其败育机理进行了深入分析,通过本研究,获得以下结果:1.从2012-2014年,详细观察记录了中9106在长日照条件下(河南,安阳)和短日照条件下(海南,三亚)的育性特征。在长日照条件下,中9106在于7月15日左右开花,不育度极高且稳定,自交基本不能结铃,因此,利用中9106在安阳制种是可行的,风险比较小;在短日照条件下,中9106育性恢复,花粉可育率约为53%,每株平均能收到200多粒种子(每亩籽棉产量约为60 kg),具有较高的繁殖系数。这些结果表明,以中9106为核心材料,通过“两系法”利用棉花的杂种优势是可行的。2.以中9106为母本,在安阳配制了20个杂交组合,筛选到予13号和302355两个高产的优势组合,产量分别超对照品种(鲁28)达21%和14%;品质方面,中425、中69和日辉棉6号组合的上半部平均长度和断裂比强度均达到了30以上,品质较好。可见,中9106在棉花杂种优势的利用方面具有一定的潜力,通过广泛筛选,能够培育出强优势的杂交组合。3.为了解释中9106败育的生物学过程,我们通过石蜡切片详细观察了中9106花粉发育的各个阶段,并将其划分为三个主要时期:第一时期为减数分裂期,从花芽开始分化至四分体形成,花蕾长度≤5 mm,主要的生物学过程是小孢子母细胞经减数分裂形成四分体;第二时期为小孢子发育时期,从小孢子脱离四分体至小孢子成熟,5 mm≤花蕾长度≤10 mm,主要的生物学过程是绒毡层降解,小孢子发育成熟;第三时期为成熟花粉形成期,从花粉粒开始成熟至开花散粉,花蕾长度≥11 mm。石蜡切片结果表明:中9106花粉发育的过程中,第一时期是正常的,与野生型相同;败育起始于第二时期,花粉细胞质物质合成受阻;第三个时期,败育已经,形成畸形花粉粒。4.为了阐明中9106败育的分子机理,利用双向电泳和i TRAQ蛋白质组学技术分析鉴定了野生型中040029和中9106三个时期花药的差异表达蛋白。双向电泳技术鉴定到了56个差异蛋白,而利用i TRAQ技术共得到365个差异蛋白。根据差异蛋白的功能注释,其参与花粉形成和发育的各个方面,包括能量代谢、花粉外孢壁形成、蛋白降解、花粉萌发和花粉管伸长等等,说明中9106的败育是多种因素综合作用的结果,是一个复杂的调控网络。5.通过分析,我们初步总结了中9106败育的模型:在四分体时期之前,中9106的发育是正常的,小孢子母细胞正常分裂,形成完整的四分体结构;四分体时期,花药绒毡层降解异常,可能与Ca2+结合蛋白上调,导致花药Ca2+水平失衡有关;绒毡层异常降解的直接结果是孢粉素的合成受阻,花粉外壁不能正常形成;碳水化合物及能量代谢紊乱,能量供应不足,花粉不能积累足够的可溶性糖类等物质;同时,蛋白酶体被激活,花粉内重要的酶类等蛋白被降解,阻止了花粉的成熟过程;PME、PMEI等花粉萌发相关的蛋白也显著下调表达,形成的花粉没有活力,不具备萌发的能力,这些因素之间不是独立的关系,而是相互影响,共同作用,最后导致了雄性不育的发生。