线粒体和呼吸作用参与化学杂交剂SX-1杀雄的机理研究

SX-1 is a chemical hybridization agent invented by the co-operated reasearch unit of this project. Its acting substance is 2-[3-(4-methoxy-6-methyl-1,3,5-triazin-2-yl-3-methyl) ureidosulphonyl] methyl benzoate. SX-1 has been widely used in plant breeding practice. However, its male sterilizing mechanisms are still unknown, and should be urgently studied. In our preliminary experiments it was found that mitochondrion and respiration quite probably play roles in the male sterilizing action of this chemical hybridization agent. Therefore, this project is aimed to figure out the detailed roles of mitochondrion and respiration in the male sterilizing action of SX-1 with rapeseed as the experimental material, including its effects on mitochondrial number, mitochondrial structure, mitochondrial respiratory chains, oxidative phosphorylation activity, and its influence on mitochondrial proteome. Male sterility controlling proteins located in mitochondria and sensitive to SX-1 will be identified during the mitochondrial proteome analysis. Based on these proteins new potential male sterility controlling genes will be cloned and their functions will be identified by RNAi method. The research results will provide elucidation about the male sterilizing mechanisms of the chemical hybridization agent SX-1 and make more wide and scientific application possible in plant breeding practice for this chemical hybridization agent, and will help scientists develop more and better chemical hybridization agents. Furthermore, the new male sterility controlling genes can be used to obtain male sterilizing plants, which can be useful for plant breeding practice.

SX-1是本项目合作单位发明的一种化学杂交剂，有效成分为2-[3-(4-甲氧基-6-甲基-1,3,5-三嗪-2-基-3-甲基脲基磺酰基]苯甲酸甲酯。SX-1已在育种工作中广泛应用，但其作用机理目前仍不了解，迫切需要解决。我们的前期研究结果显示线粒体和呼吸作用很可能参与了SX-1的杀雄机理，因此本项目拟以油菜为研究材料，对线粒体和呼吸作用参与SX-1杀雄的作用机理进行深入研究，内容包括SX-1对线粒体数量的影响、对线粒体结构的影响、对呼吸链的影响、对线粒体氧化磷酸化的影响、对线粒体蛋白组的影响，以及受SX-1影响的、产物定位于线粒体的雄性不育控制基因的克隆,和运用RNAi方法对其功能进行鉴定等。研究结果有助于了解化学杂交剂SX-1的杀雄机理，可促进其在植物育种中得到更广泛、更科学的应用，并有助于研发更多、更优的化学杂交剂。筛选到的雄性不育控制基因有望用来培育雄性不育品种，服务于育种生产实践。

SX-1是一种已应用于农业生产实践的植物化学杂交剂，但目前对其诱导植物雄性不育的机理仍不清楚。本项目通过研究发现 SX-1处理可诱发油菜花蕾小孢子中的线粒体结构受损，而且这一损伤早于SX-1诱发的小孢子形态变化；发现 SX-1对油菜叶片等植物组织的总呼吸活性、细胞色素途径活性和交替途径活性都有显著抑制作用，对交替途径末端氧化酶交替氧化酶的基因表达有明显抑制作用，表明SX-1对植物的线粒体结构、呼吸活性和呼吸链组分的基因表达水平都有影响，从而对植物细胞内的能量供应产生显著抑制作用；通过油菜叶片和水稻叶片转录组分析发现植物线粒体呼吸链重要组分交替氧化酶被特异抑制剂水杨基氧肟酸抑制后植物众多基因的表达会发生改变，包括叶绿体组分和光合作用相关过程及功能、过氧化氢分解代谢过程、黄酮类生物合成途径等都会受到严重影响，因此SX-1抑制植物交替氧化酶的基因表达和抑制交替途径活性会引发众多的基因表达变化，影响众多的生理、代谢过程。此外，本项目通过研究还发现 SX-1处理可以显著降低雄蕊中绝大部分种类氨基酸的含量，而非特异地降低某种特定氨基酸的含量，这一影响可能起因于SX-1对雄蕊细胞内能量供应的抑制作用，这与前面所述SX-1影响植物线粒体结构和呼吸活性的结果相符；通过研究还证实SX-1中的组分氯吡脲可有效地降低另一组分苯磺隆的副作用，从而提高SX-1在油菜化学杂交育种中的应用价值；还改进了SX-1的潜在作用靶标之一乙酰乳酸合酶的活性测定方法，证实可以利用乙酰乳酸脱羧酶来检测油菜和水稻等多种生物材料中乙酰乳酸合酶的活性；还筛选了SX-1的潜在作用靶标之一乙酰乳酸合酶的其它抑制剂，对它们防治油菜菌核病的性能进行了测试，研究结果显示磺胺噻唑用作以乙酰乳酸合酶为靶标的油菜菌核病防治剂具有较大潜力。本项目的研究结果表明SX-1诱导植物雄性不育的机理与其对植物线粒体和呼吸作用的影响之间有重要关系。这些研究结果可增进对SX-1诱导植物雄性不育的机理的了解，有助于SX-1在生产实践中得到更科学的应用。