小麦是我国最重要的粮食作物之一,随着人口的增长,小麦的生产量和需求量之间的差距越来越大,因此,为了确保国家粮食安全,大幅度的提高小麦产量已刻不容缓。利用杂种优势可以显著的提高作物的产量和品质。目前,小麦杂种优势利用的主要途径:包括核遗传雄性不育(Genetic male sterility)、质遗传雄性不育(Cytoplasmic male sterility)、光温敏雄性不育(Photo-thermo-sensitive Male Sterility)和化学杂交剂(Chemical hybridizing agents)诱导的雄性不育。其中化学杂交剂诱导的雄性不育,育种过程简单、操作方便、亲本选配灵活,应用范围较广。同时化学杂交剂诱导的雄性不育可以规避基因型和环境因素对育性的波动,减小制种风险;特别是可免去其它不育途径不育系一定需要隔离繁殖的繁琐工序,可实现真正意义上的“两系”育种的方法来生产小麦杂交种。近年来,杀雄剂SQ-1的研制成功为小麦杂种优势利用提供了崭新途径。正常发育的小麦植株,在特定的生长时期喷施适宜剂量的杀雄剂SQ-1后,其不育率可达95%-100%,饱和授粉结实率可达85%以上。经多年的生产实践证明,杀雄剂SQ-1已成为稳定性很高的化学杂交剂,利用杀雄剂途径已经培育出一批超高产的杂交小麦,很有希望应用于大面积生产。然而,有关杀雄剂SQ-1诱导的小麦生理型雄性不育的败育机理目前仍不清楚。鉴于此,本文以杀雄剂诱导的小麦生理型雄性不育系西农1376与其正常可育系西农1376为供试材料,利用显微和亚显微技术分别对生理型不育系的旗叶、花药及小孢子的细胞形态学变化进行了观察分析,并通过活性氧含量和抗氧化物酶活性测定分析了细胞内氧化胁迫变化规律;通过双向电泳技术与质谱分析技术的结合,分别对旗叶膜蛋白质组学及线粒体蛋白质组学进行了深入系统的研究,并采用TUNEL和DAPI染色方法,比较分析了程序性细胞凋亡的变化规律,获得如下主要结果:1.本研究采用组织切片技术,DNA片段化检测的TUNEL原位杂交及DNA Ladder技术,并结合ROS代谢的动态变化,对不同处理时间段(2 h、4 h、6 h、10 h和24 h)小麦旗叶的应急反应体系进行了比较分析。杀雄剂SQ-1在喷施后2 h后被小麦旗叶迅速的吸收,作用6 h后得到了100%的不育率。在处理早期,旗叶活性氧的代谢平衡被破坏,使得叶片内大量细胞启动PCD过程而降解,细胞呈现畸形的发育状态。这些异常的变化造成了旗叶膜质过氧化及光合作用产物降低。但随着处理后时间的增加,杀雄剂SQ-1逐渐被转运,旗叶又逐渐的恢复正常。2.应用比较蛋白质组学的方法对对照及杀雄剂SQ-1处理的2 h和6 h的小麦旗叶膜系统蛋白质动力学变化进行分析,共检测到150个差异表达的膜蛋白质,质谱分析成功鉴定出了149个蛋白质;依据这些蛋白质的生物学功能和参与的生理反应,差异表达的膜蛋白质影响了光合作用,ATP合成和离子转运,蛋白质折叠和组装,蛋白质合成,细胞修复和防御,电子传递,糖代谢,蛋白质降解,信号传导,蛋白质转运,及叶绿素合成。生物信息学分析暗示杀雄剂SQ-1主要影响了旗叶的光合作用、ATP合成、胁迫应答和蛋白质合成四大生理过程。3.利用细胞形态学的研究方法,包括光学显微技术、电子显微技术和细胞凋亡检测技术。全面系统的展示了子房、绒毡层和小孢子发育的细胞学特征及育性差异(可育与不育)的变化特征。结果表明:在整个败育过程中,子房表现为正常发育,小孢子自单核后期开始发育紊乱,绒毡层提前一个发育时期完全降解;进一步采用TUNEL和DAPI检测发现绒毡层细胞和小孢子的PCD过程均起始于单核早期。且相应的细胞活力(FDA染色)也逐渐降低。基于这些研究结果,提出杀雄剂诱导SQ-1诱导的生理型不育系雄性败育起始于单核早期,且绒毡层细胞过早的PCD是导致花粉败育的主要原因。4.以小麦正常可育系及其遗传型雄性不育系作为对照,研究杀雄剂SQ-1诱导产生的小麦生理型不育系在不同发育时期小花线粒体蛋白质组的变化情况。两个发育时期共获得了71个线粒体差异表达蛋白质;其中,单核期,生理型雄性不育系存在35个差异表达蛋白质,遗传型雄性不育存在47个差异蛋白质;三核期,生理型雄性不育系存在66个差异表达蛋白质,而遗传型不育系存在60个差异表达蛋白质。MS/MS成功鉴定了71个差异表达蛋白质,结合小麦生殖发育的代谢及生理功能特点,涵盖了广泛有序的代谢途径和生理功能。这些蛋白质参与12个不同的细胞代谢过程,主要干扰了线粒体中电子传递链和蛋白质代谢过程。依据这些蛋白质的丰度变化,结合它们的生物学功能和参与的生理反应及在介导败育中的变化规律,首次构建了线粒体反向介导雄性不育的蛋白质网络模型。进一步通过生理指标测定和TUNEL检测对该模型进行了验证。这些结果反映了线粒体蛋白质的异常表达与不同败育类型的网络关系。