棉花是世界上最重要的纤维作物,也是重要的产油作物之一。但近年来,我国种植棉花的比较效益不断下降,棉花产业大幅萎缩。杂种优势利用是提高植棉效益的有效途径,创制细胞质雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility,CMS）系是利用杂种优势的基础。但目前棉花杂种优势的利用以哈克尼西棉细胞质来源的CMS系为主,细胞质来源单一,且因其细胞质供体为二倍体种,而细胞核供体为四倍体种,质核互作严重不协调,负效应显著。只有选育质核源于同一品种的质核同源CMS系才能最大程度降低质核互作负效应。但前人尚未创制出质核同源CMS种质,更不明确其发生机理。本研究利用本课题组前期创制的3个质核同源CMS系及其组配的2个质核异源CMS系,比较研究了二者的花器官形态、败育过程、活性氧（ROS）相关指标代谢、线粒体DNA（mt DNA）序列以及转录组与甲基化组差异,得出以下主要结果:形态观察表明,质核同源与质核异源CMS系的植株和叶片形态无明显差异,但是质核异源CMS系花柱相对突出,花丝更加短小且花药也较干瘪。败育过程的细胞学观察结果显示,二者的败育类型均为无花粉型,其败育发生于花粉母细胞减数分裂期至单核早期,且在整个花药发育过程中绒毡层细胞均不发生降解,但质核异源CMS系的败育相对较早,且未发现四分体结构。ROS代谢相关生理指标表现为,质核异源CMS系的POD、CAT的酶活性在四分体至成熟花粉粒时期均低于质核同源CMS系,而代谢产物MDA含量与酶活性表现相反;因保持系中的MDA含量低于不育系,且质核异源CMS系的MDA在四分体阶段至成熟花粉粒阶段含量高于质核同源CMS系,推测由于质核的异质性导致ROS的大量发生。mtDNA重测序结果表明,虽然每个棉花材料都预测到36个编码蛋白基因,但r RNA和t RNA个数存在差异,且保持系中t RNA个数均多于不育系。在同质异核系统中,质核异源CMS系单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism,SNP）个数均大于质核同源CMS系,而在同核异质系统中,质核异源CMS系总SNP个数却小于质核同源CMS系,说明在CMS质核互作系统中,细胞核基因组对总SNP的贡献大于细胞质。以保持系线粒体基因组为参考,比较5个CMS系线粒体基因组结构性变异（Structural variation,SV）发现,质核异源CMS系较质核同源CMS更为复杂,说明质核异源互作更易导致mt DNA结构变异。比较8个供试材料线粒体基因组的共线性发现,质核同源CMS系与保持系共线性程度较高,且有4个ORFs（orf115b、orf341a、orf591a和orf609a）因具备CMS相关基因的特点而被确定为与CMS相关的关键候选基因,因为质核同源CMS最大程度避免了不育以外的遗传累赘。全基因甲基化组和转录组联合分析发现,在质核同源CMS系07-113A及其保持系07-113B之间共鉴定了847个差异甲基化区域差异表达基因（DMEGs）,且07-113A比07-113B具有更高的甲基化程度。在DMEGs中,高甲基化基因在“淀粉和蔗糖代谢”途径中明显富集。推测转录抑制与07-113A的高甲基化有关,由此导致基因表达下调;淀粉及其生物合成中的糖通量的减少,也很可能导致基因表达的改变,最终导致花粉不育。据此确定了5个可能与棉花CMS有关的关键基因,其主要参与碳水化合物和能量代谢、雄配子体发育和细胞程序性死亡等过程。综合以上分析结果,本研究表明,质核同源系统受核质互作效应影响较小,是研究雄性不育的最佳组合。并且确定了几个可能与棉花CMS有关的关键基因。该研究为棉花不育分子机制假说提供了一些证据,同时将为创制质核互作优化的CMS系提供理论依据,并为分析质核同源与质核异源CMS机理奠定基础。