揪出棉花“不孕不育”的元兇

　　科學家在研究高溫導致雄性不育的機理、創制耐高溫種質方面取得了新進展。近日，來自華中農業大學的棉花團隊首次繪制了高溫與常溫下棉花花藥中的DNA甲基化圖譜，并首次發現高溫脅迫下導致的花粉不育和花藥壁不開裂表型受不同路徑調控。

圖片來源于網絡

　　 “我們發現在高溫脅迫下，雄蕊的花藥里面出現了明顯的DNA甲基化變化，但是我們對引起甲基化變化的原因，以及這種變化為什么會引起雄性不育依然沒有深刻的了解。”6月11日，華中農業大學植物科學技術學院教授張獻龍告訴記者，他們的研究為作物耐高溫育種提供了新途徑，有望在未來選育出耐高溫種質。

　　 高溫頻現導致花粉雄性不育

　　 “全球變暖導致極端的高溫天氣頻繁發生。”華中農業大學植物科學技術學院副教授閔玲告訴科記者，夏季高溫天氣出現更加頻繁，作物更容易遭受高溫傷害，從而出現了雄性不育，通常表現為花朵里花藥不能開裂釋放出花粉，或者花朵不能產生有活力的花粉。

　　 “花藥就是生產花粉的器官，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，如果沒有花粉，或者花粉沒有活力，作物就沒有辦法結實，這對農作物的產量造成了極其嚴重的影響。

　　 張獻龍表示，在過去，由于片面追求產量，育成的種質資源往往抗逆性較差，在全球變暖的大背景下，產量大幅度降低。

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

　　 “新疆是我國的主要棉產區，高溫出現的年份與正常年份相比，有平均20%左右的減產，嚴重的地區，比如南疆，減產高達50%左右。而且高溫還會影響棉花纖維品質，造成棉花等級整體下降，成交價格也會隨之降低。”張獻龍說。

　　 耐高溫種質應對全球變暖

　　 為了揪出導致植物“不孕不育”的元兇，研究人員前期通過群體篩選，鑒定到耐高溫和對高溫敏感的材料各20份左右，其中一個是耐高溫的“84021”，一個是不耐高溫的“H05”，是華中農業大學棉花團隊的兩個應用較多的育種親本。“通過鑒定發現，這兩個棉花材料在高溫下存在明顯的育性差異。”閔玲告訴記者。

　　 他們通過轉錄組測序發現，不耐高溫材料在高溫下的差異表達基因數目遠遠超過耐高溫材料，“我們當時猜想二者存在有差異的表觀修飾”，閔玲說，液相色譜測定結果顯示二者內源的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可能影響糖信號、活性氧和生長素之間的平衡，導致雄性不育”。

　　 他們進一步分析發現，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增多，這直接影響了花藥中糖與激素信號之間的平衡，導致不育。“不過DNA甲基化參與植物雄性生殖器官高溫響應的機制仍不清楚。”閔玲說。

　　 為模擬高溫條件下DNA甲基化變化與花藥育性之間的關系，研究人員分別在常溫和高溫條件下，構建了四分體時期、絨氈層降解時期和花藥開裂期三個重要花藥發育時期的DNA甲基化差異圖譜。

　　 “結果顯示，在高溫條件下，不耐高溫材料呈現出相對較低的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，通過外施DNA甲基化抑制劑，不耐高溫材料在常溫下出現了類似高溫條件下花粉不育的表型，但與此同時花藥壁卻正常開裂。

　　 “這是一個很有意思的現象。”張獻龍說，他們通過研究發現，糖和活性氧代謝途徑明顯受到DNA甲基化的調控，而生長素路徑在抑制劑的處理下卻沒有出現明顯的變化，說明高溫條件是通過影響生長素相關微RNA（micRNAs）的轉錄進而調控花藥開裂。

　　 “弄清楚花藥不開裂、花粉無活力的原因后，我們就可以通過雜交等手段來選育抗高溫的作物品種。”張獻龍告訴記者，這對于全球變暖大環境下的作物增產有著積極的意義。