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柱头外露作为可提高作物异交结实率的重要性状,被广泛应用于杂种优势利用育种中来提高杂交制种产量。课题组在田间发现了一个烟草柱头外露不育系突变体,经典遗传分析发现,柱头外露性状呈细胞质遗传,通过连续回交获得了柱头外露不育系MSK326SE、柱头正常发育不育系MSK326和K326三个同核异质烟草材料。本试验拟通过对三个烟草品种(系)花蕾的形态发育特征、花蕾发育过程中的生理指标变化、花蕾花柱定长时的细胞学特征及花蕾发育过程中的相关基因表达量变化研究,探明烟草细胞质遗传柱头外露的遗传发育机理。主要研究结果如下:(1)对三个烟草品种(系)花蕾发育过程中的形态学特征测量发现:MSK326SE的花柱快速发育时期早于花蕾快速发育时期。MSK326SE的柱头在时期3(花蕾长度8.58±0.38mm)开始外露。MSK326SE的花蕾长度极显著小于K326、MSK326,花柱长度极显著大于K326、MSK326。为方便研究烟草柱头外露,我们根据三个烟草品种(系)花蕾的形态学发育特征研究结果,以K326花蕾发育的主要长度特征为参照,将三个材料的花蕾按长度特征分成5个发育阶段。(2)对三个烟草品种(系)花蕾5个发育阶段的激素含量、抗氧化酶等生理指标测定发现:MSK326SE的CTK含量、IAA含量、抗氧化酶活性以及可溶性蛋白含量在柱头发育早期均极显著高于K326、MSK326。MSK326SE的CTK含量、IAA含量在柱头发育早期发育的含量最高,说明柱头外露可能与细胞数目增多有关。MSK326SE的抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量说明在柱头发育早期的含量最高,说明柱头外露材料的生理活动代谢旺盛,可溶性蛋白积累较多。(3)对花蕾花柱定长时的细胞学特征的比较观察观察分析发现:MSK326SE的花柱细胞长度、花柱细胞面积均显著小于K326、MSK326。MSK326SE的花柱细胞总数极显著高于K326、MSK326,这说明柱头外露性状可能与花柱细胞数目增多有关。(4)通过对三个烟草品种(系)花蕾5个发育阶段的细胞分裂相关基因、激素相关基因、活性氧代谢基因、应激蛋白基因以及聚胺合成基因表达量的测定分析发现:MSK326SE花蕾中与细胞分裂相关基因(Nt CYCD3;1、Nt CDKB1-1、Nt ANTL)的表达量在柱头发育早期均极显著高于K326、MSK326。MSK326SE花蕾中与激素相关基因(Nt PR2、Nt CHN50、Nt EFE26、Nt NCED1)、应激蛋白基因(Nt ERD10C、Nt ERD10D)的表达量柱头发育早期均极显著高于K326、MSK326。MSK326SE花蕾中的活性氧代谢基因(Nt GST1、Nt CAT1、Nt APX、Nt SOD)的表达量在柱头发育早期均极显著高于K326、MSK326。MSK326SE花蕾中与多胺合成相关基因(Nt SAMDC、Nt ADC1)的表达量在柱头发育早期均极显著高于K326、MSK326。细胞分裂相关基因(Nt CYCD3;1、Nt CDKB1-1、Nt ANTL)能促进细胞周期的进行,激素相关基因(Nt PR2、Nt CHN50、Nt EFE26、Nt NCED1)分别是水杨酸响应基因、乙烯生物合成基因、脱落酸合成基因,水杨酸、乙烯、脱落酸在植物体内可以参与信号转导,抑制细胞伸长。MSK326SE花蕾中与细胞分裂相关基因(Nt CYCD3;1、Nt CDKB1-1、Nt ANTL)、激素相关基因激素相关基因(Nt PR2、Nt CHN50、Nt EFE26、Nt NCED1)在柱头发育早期的高表达说明,柱头外露材料的细胞伸长受到抑制、细胞分裂活动旺盛。多胺在植物体内参与调控衰老进程、花芽分化进程等,MSK326SE花蕾中与多胺合成相关基因(Nt SAMDC、Nt ADC1)在柱头发育早期的高表达说明,多胺可能参与柱头外露的调控。MSK326SE花蕾中的应激蛋白基因(Nt ERD10C、Nt ERD10D)、活性氧代谢基因(Nt GST1、Nt CAT1、Nt APX、Nt SOD)在柱头发育早期的高表达说明,柱头外露材料的生理代谢活动旺盛。细胞质遗传烟草柱头外露材料MSK326SE的柱头外露发生在时期3。柱头外露的主要原因与MSK326SE花蕾的生理代谢旺盛、细胞分裂活动旺盛有关。