棉花细胞质雄性不育（cytoplasmic male sterility,CMS）是一种不能产生有活力花粉的母性遗传现象，对棉花杂种优势利用具有重要意义，但其形成机制尚未明了。线粒体呼吸链异常，会造成氧应激；氧应激会导致细胞程序性死亡（programmed cell death,PCD）。我们研究发现棉花CMS系花药在败育时存在氧应激，但其氧应激在雄性败育中的作用及产生机制并不清楚。本项目以棉花CMS系、保持系和杂种F1不同发育时期的花药为材料，通过TUNEL分析、活性氧积累的细胞学观察、线粒体内膜跨膜电位 (ΔΨm) 检测和细胞色素c的免疫细胞学观察来揭示棉花CMS系花药氧应激在雄性败育中的作用；通过对线粒体呼吸链主要成分功能和活性氧清除能力分析来探明棉花CMS系花药氧应激的产生机制；进而阐明棉花CMS的形成机制，为棉花杂种优势利用及植物CMS形成机制研究提供新思路。

本项目通过TUNEL分析、活性氧积累的细胞学观察、线粒体内膜跨膜电位 (ΔΨm) 检测、细胞色素c的免疫细胞学观察、活性氧清除能力分析、线粒体呼吸链主要基因序列和表达分析等，对棉花CMS系花药氧应激在雄性败育中的作用及产生机制进行了研究。结果发现：（1）棉花CMS系雄性败育是因为其花粉母细胞发生了PCD；（2）棉花CMS系败育时雄性细胞的线粒体最先出现H2O2积累并向细胞质扩散，揭示线粒体是CMS系花药氧应激的源头；（3）棉花CMS系的coxⅢ 基因发生了突变，导致花药线粒体细胞色素氧化酶活性降低和呼吸链出现缺陷，是线粒体活性氧大量产生的根本原因；（4）棉花CMS系花药及其线粒体中的活性氧清除能力低下，进一步加剧了活性氧产生与清除的失衡，最终导致花药活性氧大量积累，并形成严重的氧应激；（5）棉花CMS系花药雄性细胞及其线粒体中的氧应激会导致线粒体内膜跨膜电位(ΔΨm)的丧失和细胞色素c的释放，从而介导PCD的发生。上述结果证实了我们提出的"棉花CMS系花药氧应激介导PCD导致雄性败育"的假说，首次阐明了棉花CMS的形成机制，对植物雄性不育机理研究和杂种优势利用具有重要的理论和实践意义。