科學(xué)家在研究高溫導(dǎo)致雄性不育的機(jī)理、創(chuàng)制耐高溫種質(zhì)方面取得了新進(jìn)展。近日，來(lái)自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的棉花團(tuán)隊(duì)首次繪制了高溫與常溫下棉花花藥中的DNA甲基化圖譜，并首次發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下導(dǎo)致的花粉不育和花藥壁不開(kāi)裂表型受不同路徑調(diào)控。

“我們發(fā)現(xiàn)在高溫脅迫下，雄蕊的花藥里面出現(xiàn)了明顯的DNA甲基化變化，但是我們對(duì)引起甲基化變化的原因，以及這種變化為什么會(huì)引起雄性不育依然沒(méi)有深刻的了解。”6月11日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授張獻(xiàn)龍告訴科技日?qǐng)?bào)記者，他們的研究為作物耐高溫育種提供了新途徑，有望在未來(lái)選育出耐高溫種質(zhì)。

高溫頻現(xiàn)導(dǎo)致花粉雄性不育

“全球變暖導(dǎo)致極端的高溫天氣頻繁發(fā)生。”華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授閔玲告訴科技日?qǐng)?bào)記者，夏季高溫天氣出現(xiàn)更加頻繁，作物更容易遭受高溫傷害，從而出現(xiàn)了雄性不育，通常表現(xiàn)為花朵里花藥不能開(kāi)裂釋放出花粉，或者花朵不能產(chǎn)生有活力的花粉。

“花藥就是生產(chǎn)花粉的器官，它是花絲頂端膨大呈囊狀的部分，是雄蕊的重要組成部分。”閔玲介紹說(shuō)，如果沒(méi)有花粉，或者花粉沒(méi)有活力，作物就沒(méi)有辦法結(jié)實(shí)，這對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量造成了極其嚴(yán)重的影響。

張獻(xiàn)龍表示，在過(guò)去，由于片面追求產(chǎn)量，育成的種質(zhì)資源往往抗逆性較差，在全球變暖的大背景下，產(chǎn)量大幅度降低。

“如果目前的氣候變化趨勢(shì)持續(xù)下去，全球平均溫度增加將使熱浪增多，則水稻、玉米、棉花等主要農(nóng)作物的產(chǎn)量將受到嚴(yán)重影響，損失將非常嚴(yán)重。”張獻(xiàn)龍說(shuō)，高溫對(duì)處于花期的農(nóng)作物影響最為顯著，導(dǎo)致花粉不育的幾率增加，從而大幅降低產(chǎn)量，其中棉花所受影響非常明顯。

“新疆是我國(guó)的主要棉產(chǎn)區(qū)，高溫出現(xiàn)的年份與正常年份相比，有平均20%左右的減產(chǎn)，嚴(yán)重的地區(qū)，比如南疆，減產(chǎn)高達(dá)50%左右。而且高溫還會(huì)影響棉花纖維品質(zhì)，造成棉花等級(jí)整體下降，成交價(jià)格也會(huì)隨之降低。”張獻(xiàn)龍說(shuō)。

耐高溫種質(zhì)應(yīng)對(duì)全球變暖

為了揪出導(dǎo)致植物“不孕不育”的元兇，研究人員前期通過(guò)群體篩選，鑒定到耐高溫和對(duì)高溫敏感的材料各20份左右，其中一個(gè)是耐高溫的“84021”，一個(gè)是不耐高溫的“H05”，是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花團(tuán)隊(duì)的兩個(gè)應(yīng)用較多的育種親本。“通過(guò)鑒定發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)棉花材料在高溫下存在明顯的育性差異。”閔玲告訴記者。

他們通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，不耐高溫材料在高溫下的差異表達(dá)基因數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)耐高溫材料，“我們當(dāng)時(shí)猜想二者存在有差異的表觀修飾”，閔玲說(shuō)，液相色譜測(cè)定結(jié)果顯示二者內(nèi)源的DNA甲基化整體水平在高溫條件下存在明顯差異，“DNA甲基化整體水平的波動(dòng)可能影響糖信號(hào)、活性氧和生長(zhǎng)素之間的平衡，導(dǎo)致雄性不育”。

他們進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高溫使得不耐高溫材料中I型酪蛋白激酶在花藥絨氈層和小孢子中的表達(dá)增多，這直接影響了花藥中糖與激素信號(hào)之間的平衡，導(dǎo)致不育。“不過(guò)DNA甲基化參與植物雄性生殖器官高溫響應(yīng)的機(jī)制仍不清楚。”閔玲說(shuō)。

為模擬高溫條件下DNA甲基化變化與花藥育性之間的關(guān)系，研究人員分別在常溫和高溫條件下，構(gòu)建了四分體時(shí)期、絨氈層降解時(shí)期和花藥開(kāi)裂期三個(gè)重要花藥發(fā)育時(shí)期的DNA甲基化差異圖譜。

“結(jié)果顯示，在高溫條件下，不耐高溫材料呈現(xiàn)出相對(duì)較低的DNA甲基化水平，而耐高溫材料則一直維持在較高的水平。”閔玲說(shuō)，通過(guò)外施DNA甲基化抑制劑，不耐高溫材料在常溫下出現(xiàn)了類似高溫條件下花粉不育的表型，但與此同時(shí)花藥壁卻正常開(kāi)裂。

“這是一個(gè)很有意思的現(xiàn)象。”張獻(xiàn)龍說(shuō)，他們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，糖和活性氧代謝途徑明顯受到DNA甲基化的調(diào)控，而生長(zhǎng)素路徑在抑制劑的處理下卻沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，說(shuō)明高溫條件是通過(guò)影響生長(zhǎng)素相關(guān)微RNA(micRNAs)的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而調(diào)控花藥開(kāi)裂。

“弄清楚花藥不開(kāi)裂、花粉無(wú)活力的原因后，我們就可以通過(guò)雜交等手段來(lái)選育抗高溫的作物品種。”張獻(xiàn)龍告訴記者，這對(duì)于全球變暖大環(huán)境下的作物增產(chǎn)有著積極的意義。

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