光温敏核不育水稻是两系法杂交水稻发展的基础,其雄性育性的光温调控机理一直是两系法杂交水稻基础研究的热点。本研究组先前的研究发现,脂类物质参与光敏雄性不育水稻D52S和农垦58S(NK58S)的育性的调控。本研究以光温敏核不育水稻培矮64S(PA64S)为材料,通过不同温度处理获得不同育性的水稻材料,并通过育性表型、细胞学、代谢水平、转录水平、蛋白水平等多个层面探索脂质及其衍生物质在PA64S育性调控中的调节作用及其调控机理。获得的主要研究结果如下:1.在14.0h光照下,将幼穗发育到雌雄蕊形成初期(IV期初)至花粉母细胞减数分裂期末(VI期末)阶段的育性转换温度敏感期的PA64S分别进行21℃和28℃温度处理,并统计处理后植株的花粉可染率和自交结实率。2017年至2019年三年的研究结果显示21℃处理后PA64S的花粉可染率平均为37.27%,结实率平均可达33.42%,而28℃处理后的PA64S花粉败育,可染率仅为0.22%,结实率仅为0.28%。这些结果表明,PA64S在长光照下的育性还同时受到温度的调控,具有明显的温度敏感性。2.通过透射电镜分别对21℃和28℃处理的PA64S的不同发育时期的花药进行细胞学观察,发现PA64S在不育的条件下,花药发育至11期的花药壁仍是典型的四层结构,绒毡层细胞内存在完整的细胞核和细胞器,绒毡层和中间层均未见浓缩降解,而在同时期可育条件下的花药绒毡层细胞则具有典型的PCD特征。在花药发育的第12期,不育的PA64S的花药壁仍是四层结构,绒毡层降解不明显,花粉外壁孢粉素出现明显的不规则堆积现象且此时的花粉粒已经严重萎缩败育;而同时期的可育条件下的绒毡层几乎完全降解,花药室内含有充满淀粉粒的成熟花粉粒,且花粉外壁的三层结构较为清晰。3.进一步通过扫描电镜观察成熟时期的两个处理材料的花药角质层和花粉外壁的发育情况,发现可育条件下的PA64S的花药表面角质层与不育条件下的相比更规则,花粉外壁孢粉素堆积也更致密。这些结果表明21℃和28℃处理下的不同育性的PA64S的花药角质层和花粉壁堆积模式不同,即参与角质层和孢粉素的脂类物质积累与分布在不同育性条件下存在着明显差异。4.通过LC-MS对不同育性的PA64S的颖花进行脂质组分析,结果发现甾醇(包括Ac Hex Cm E、Ac Hex Si E和Ac Hex Zy E)在可育条件下PA64S中均上调表达,其中Ac Hex Zy E的含量是不育条件下的2.1倍。可育的PA64S中的OAHFA和PEt含量也显著高于不育的PA64S。两种磷脂,PE和PG,也表现出相同的表达模式。推测可育的PA64S和不育的PA64S中脂质组分含量的差异影响花药和花粉壁的组成模式。5.对21℃和28℃处理下的不同育性的PA64S颖花进行转录组测序,以padj<0.05结合|差异倍数|>1作为筛选条件筛选不育与可育PA64S中显著表达的差异基因(DEGs)。结果发现,在四分体时期共筛选出1789个DEGs,而在接下来的小孢子释放时期共筛选出5084个DEGs。进一步对小孢子释放时期的DEGs进行GO富集分析,发现DEGs主要富集在参与细胞壁组织形成或生物发生,激素响应,脂质响应等代谢过程。这表明随着时期的推进有更多的基因参与育性的调控,且脂质代谢和激素响应等途径也参与PA64S的育性转换过程。6.对参与花药角质层和孢粉素合成、转运以及PCD的相关基因进行q PCR定量分析。结果发现,脂质合成转运的相关基因均在可育材料中上调表达,且随着花药的发育而表达量增加。这表明,不育的PA64S中参与脂质合成、脂质转运和花药壁PCD过程的基因的异常表达会导致花药角质层和花粉壁所需脂质合成和运输异常,进而影响花药和花粉的发育。7.蛋白印记杂交实验发现,在光敏不育水稻D52S中发现的参与育性调控的蛋白-ACOS12和PKS2也在PA64S的颖花中表达。ACOS12和PKS2是脂质合成途径中的关键酶,这表明脂代谢相关蛋白同样参与PA64S的育性调控,且ACOS12蛋白的表达随着时期的推进而递增,在不育的PA64S颖花中的含量明显高于可育的颖花中。8.对花药中脂质代谢和PCD相关基因的启动子进行分析,结果发现赤霉素核心响应元件GARE基序存在于参与花药脂类合成的CYP704B2和PKS1启动子以及参与绒毡层降解的EAT1启动子中。ABCG26脂质转运蛋白的启动子中也存在赤霉素响应元件。同时对赤霉素的含量和水稻中赤霉素正调控因子GAMYB的含量进行测定,结果发现GAMYB基因的表达量与脂质代谢相关基因一致,均在可育材料中上调。以上结果表明赤霉素参与PA64S脂质代谢基因的表达调控本研究从多个层面比较分析了不同育性的PA64S的生殖发育过程差异,初步阐明了花药中脂质的合成和运输影响PA64S花粉外壁和花药角质层的脂质积累,进一步影响花粉外壁和花药角质层的成熟度,从而最终影响花粉粒的育性。PA64S颖花中不同脂质的含量也可能是花粉育性的影响因素之一。此外,赤霉素可能参与PA64S的花药发育过程,进而影响花粉育性。这些研究结果为深入探索水稻光温敏雄性不育的育性调控机理提供了基础信息。