玉米C型胞质不育系S37-2败育的生物学与生理生化机制分析

郑 冉，吕 丹，武清贵，邸晓红，朱通通，邱冠杰，罗红兵，2，*

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；

2.湖南省玉米工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

不育化制种是当前玉米制种的一种重要方式[1]。细胞质雄性不育(CMS)是由细胞核和细胞质基因共同控制的雄性不育，可实现不育系、保持系和恢复系的三系配套。玉米CMS分为T型、C型和S型3类，其中C型不育系败育较彻底，育性表现稳定，在玉米不育化制种中具有巨大的潜力[2]。

玉米CMS的发生过程存在异常的生理代谢，对其生理生化特性进行研究可将玉米遗传特性与个体表型联系起来，可为揭示玉米雄性不育的发生机理提供参考[3]。营养物质的亏缺被认为是CMS产生的一个重要原因[4]。研究发现，玉米雄性不育材料中的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等物质的含量少、代谢水平低[5-8]。株系的正常发育都会伴随着营养物质的积累与合成，因此，不育材料中营养物质含量的降低，必然会造成代谢紊乱，从而导致不育。活性氧(ROS)的积累也被认为是CMS产生的原因之一，当ROS过多时，会促使丙二醛(MDA)积累，从而引起相关组织的生理生化紊乱[9-11]。段俊等[12]研究表明，玉米不育系叶片和雄穗中的ROS含量高于保持系；
邓杰[5]对玉米细胞质雄性不育系的研究发现，不育系对OH·的清除速率和MDA含量高于保持系；
张勤[7]试验发现，玉米不育系叶片中MDA、H2O2和O2-含量均高于同期的可育系。过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)是活性氧清除系统和抗氧化系统中重要的酶。研究结果显示，不育材料中SOD和CAT的活性低于可育材料[13-16]，而POD活性高于或低于可育材料，差异较大[17]。由以上研究可以推论，CMS与植物体内较高的活性氧水平，以及由此产生的较高程度的膜脂过氧化有密切关系。本研究以玉米雄性不育系S37-2为研究材料，通过对其表型性状、理化指标的分析，初步探究其雄性不育的生理生化机理，以期为该不育系的实践应用奠定基础。

1.1 试验材料

供试品种为C型胞质雄性不育系S37-2及其保持系B37-2，由湖南农业大学农学院罗红兵教授提供。

1.2 试验设计

试验材料分别于2021年3月和8月种植于湖南农业大学耘园试验基地。试验土壤为红色土，肥力水平中等。试验采用小区种植，不育系S37-2与保持系B37-2均设置3次重复，每个试验小区种植2行，行长3 m，每行10穴，穴距30 cm，行距50 cm。

玉米追肥于第7叶完全展开时进行，施用尿素300 kg·hm-2。分别在苗期(一叶一心期，幼苗)、拔节期(由上至下第5片叶)、抽雄期(雄穗尖端露出顶叶3～5 cm时，最上部展开叶)、散粉期(最上部展开叶)、成熟期(最上部展开叶)取相应部位的叶片。将叶片冷冻于液氮中带回，保存于-80 ℃冰箱。

1.3 指标测定

1.3.1 主要农艺性状调查

于成熟期，每小区随机选取10株植株定株，调查其株高、穗位高、茎粗、茎节数、叶片数、穗位叶叶长、穗位叶叶宽、雄穗分枝数、雄穗长等性状。

1.3.2 花器官形态特征调查

于散粉期，对各个材料花粉的育性进行调查。随机剥取散粉的雄穗中部花药，选取测量10个花药的长度和横截面直径，对比S37-2和B37-2的区别。

1.3.3 不同发育期叶片生理指标测定

分别选取不同发育时期的叶片，测定其可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、可溶性淀粉、丙二醛含量，以及CAT、SOD、POD活性。具体地，采用硫酸蒽酮法测定可溶性糖含量[18]，采用考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量[19]，采用茚三酮比色法测定游离脯氨酸含量[20]，采用碘显色法测定可溶性淀粉含量[21]，采用紫外吸收法测定CAT活性[13]，采用NBT光还原法测定SOD活性[22]，采用愈创木酚法测定POD活性[23]，采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定MDA含量[24]。每个样品重复测定3次。

1.4 数据分析

采用Excel 2020软件整理数据，采用SAS 9.4软件进行方差分析，对有显著(P<0.05)差异的，采用Duncan法进行多重比较。

2.1 主要农艺性状比较

对比不育系S37-2与保持系B37-2的主要农艺性状差异(表1)。方差分析结果表明，S37-2的穗位叶叶长、叶宽均显著高于B37-2，除此以外的其他性状差异均不显著。

表1 S37-2与B37-2的农艺性状比较

2.2 花药表型特征比较

对比S37-2与B37-2的花药发现，S37-2的花药干瘪皱缩，B37-2的花药形状饱满(图1)。对花药表型性状进行方差分析，结果表明，B37-2花药的长度和横截面直径均显著高于S37-2(表2)，S37-2花药的长度仅为B37-2的68.52%，横截面直径仅为B37-2的40.00%。

图1 不育系S37-2(左)与保持系B37-2(右)的花药形态Fig.1 Anthers morphology of sterile line S37-2 (left) and maintainer line B37-2 (right)

表2 B37-2与S37-2的花药性状比较

2.3 不同发育期叶片营养物质含量比较

随着玉米植株的发育，可溶性蛋白含量在S37-2和B37-2叶片中均呈先降后升再降的趋势(图2)。S37-2的可溶性蛋白含量在散粉期达到最大值，B37-2的可溶性蛋白含量在出苗期达到最大值，两者的可溶性蛋白含量均在成熟期最低。S37-2叶片中的可溶性蛋白含量在出苗期和拔节期显著低于B37-2，在抽雄期和散粉期显著高于B37-2，成熟期两者差异不显著。

同一时期柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters at the same growth stage indicate significant difference at P<0.05. The same as below.图2 S37-2和B37-2叶片中的营养物质含量比较Fig.2 Comparison of nutrients content in leaves of S37-2 and B37-2

从出苗期到成熟期，S37-2和B37-2叶片的游离脯氨酸含量变化趋势基本一致，但S37-2在散粉期达到最大值，为158.57 μg·g-1。除拔节期和成熟期外，其他发育时期S37-2叶片中的游离脯氨酸含量均显著高于B37-2，分别是B37-2的1.24、1.13和1.57倍。

从出苗期到成熟期，S37-2和B37-2的叶片可溶性糖含量变化趋势一致，变化幅度较小，均随植株发育先降后升再降，均在散粉期达到最大值，分别为3.56%、3.15%。拔节期—成熟期，S37-2的可溶性糖含量均显著高于B37-2，分别为B37-2的1.13、1.03、1.17和1.05倍。

S37-2的叶片可溶性淀粉含量在各发育期变化幅度较小。B37-2的叶片可溶性淀粉含量随植株发育呈先升后降的变化趋势，在散粉期达最大值，并于成熟期下降。从出苗期到成熟期，S37-2的叶片可溶性淀粉含量均显著低于同时期的B37-2，分别是B37-2的63.84%、48.88%、46.12%、48.80%和52.16%。

2.4 不同发育期叶片酶活性比较

随着玉米植株的发育，S37-2与B37-2叶片的CAT活性均呈先降后升再降的趋势(图3)。S37-2叶片的CAT活性在散粉期最高，在拔节期最低；
B37-2叶片的CAT活性也在散粉期最高，但在抽雄期最低。S37-2叶片的CAT活性在各时期均显著低于B37-2，分别是B37-2的80.72%、80.47%、92.28%、81.55%和87.56%。

CAT、SOD、POD活性均以鲜重计。Activities of CAT， SOD and POD were measured based on fresh weight.图3 S37-2和B37-2叶片中酶活性与丙二醛(MDA)含量的比较Fig.3 Comparison of enzymes activities and malondialdehyde (MDA) content in leaves of S37-2 and B37-2

从出苗期到成熟期，B37-2叶片的SOD活性均呈上升的趋势，与B37-2相比，S37-2叶片的SOD活性在各时期都显著更低。

在玉米叶片的发育过程中，S37-2和B37-2叶片中的POD活性总体呈先升后降的趋势，最高值均出现在散粉期，分别为553.65、497.82 U·g-1(以鲜重计)，最低值均出现在出苗期。S37-2叶片中的POD活性在各个时期均显著高于B37-2。

S37-2和B37-2叶片的MDA含量随玉米发育均呈现先降后升的趋势，在成熟期达到最大值。整个发育过程中，S37-2叶片的MDA含量与同时期的B37-2均无显著差异。

通过对S37-2和B37-2农艺性状的比较可知，S37-2的穗位叶叶长、叶宽显著大于B37-2，这可能是由于S37-2的生殖生长受阻，更多的营养物质用于叶片生长。S37-2的花药形状瘦小萎缩，饱满度差，花药的长度、横截面直径均显著低于B37-2，这与赵宇等[13]的研究结果一致。

植物在发育过程中需要大量的蛋白、淀粉、糖与氨基酸，当这些物质的合成和运输路径受阻时，植物雄穗花药的生长发育将会受到影响，甚至产生不育的现象[25]。营养物质的缺失会导致小麦[26]、大豆[27]等作物的小孢子败育。李玉青等[28]的研究表明，不育系中的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量较低。本研究发现，在S37-2与B37-2之间，其叶片的营养物质含量差异变化并没有特别明显的规律性，与其他雄性不育材料整个发育期营养物质均明显缺乏的现象不一致。推测这可能与该类型材料雄性不育的发生时期相关，也可能与试验材料的取样部位、试验环境等有关。S37-2叶片中的可溶性蛋白、游离脯氨酸和可溶性糖含量均在抽雄期与散粉期显著高于B37-2。据此推测，S37-2叶片中这3种物质的运输路径受阻，无法向雄穗提供足够的营养物质，从而影响小孢子的发育和育性表现，导致败育。这也进一步说明，玉米的雄性不育会受到物质代谢的影响。

玉米正常的生长发育需要植物抗氧化酶系统的调节，防止膜脂过氧化，维持动态平衡。前人研究发现，CMS花药败育过程中，CAT、SOD、POD等酶的活性存在不同程度的波动。柴伟国等[29]发现，辣椒不育系的花药POD活性明显高于保持系；
蒋会兵等[30]发现，厚轴茶不育株花蕾中的CAT、SOD活性显著低于可育株，POD活性高于可育株；
邓杰[5]、邹佳等[14]研究玉米雄性不育系发现，不育系中CAT、SOD活性低。本试验结果表明，在生长发育的各个时期，S37-2叶片中的CAT和SOD活性均显著低于保持系(B37-2)，这与其他学者在小麦和水稻等雄性不育系上的研究[31-32]相似。同时，本研究发现S37-2的POD活性显著高于B37-2。这可能是不育株的自我保护反应，但也可能会造成花粉内营养物质的匮乏，最终导致雄性不育的发生[33-34]。

综上推测，S37-2叶片中的可溶性蛋白、游离脯氨酸和可溶性糖的运输路径受阻，以及CAT和SOD活性降低，可能是导致其雄性不育的重要原因。上述结果仅反映了玉米雄性不育系S37-2叶片发育过程中的生理生化变化趋势，其他方面还需进一步深入研究。