细胞核雄性不育（GMS）因其所具有的生物学意义和在杂交种生产中的商业价值而被广泛研究。尽管已在玉米（Zea mays L.）中鉴定出了许多雄性不育突变体,但导致雄性不育突变的大多数基因仍属未知。本研究以玉米雄性不育突变体ms33为试验材料,通过图位克隆技术获得了 ZmMs33基因。该基因编码一个sn-2型的甘油-3-磷酸酰基转移酶（glycerol-3-phosphate acyltransferase,ZmGPAT6）,参与调控玉米雄性器官发育和雄花育性。GPAT是催化植物体内甘油脂质生物合成起始步骤的酶,对植物的生长发育至关重要。本研究综合运用细胞学、分子生物学、转录组学、代谢组学及生理生化分析等方法,对ZmMs33/ZmGPAT6基因在玉米花药发育中的功能机制进行了解析。并对部分ZmGPAT家族基因,通过时空表达分析和CRISPR/Cas9基因编辑技术进行了初步的功能解析,同时对ZmMs33基因在玉米分子育种中的应用进行了探讨。主要研究结果如下:1、基于图位克隆鉴定了玉米ms33不育突变体的育性控制基因GRMZM2G070304（ZmMs33）。ZmMs33编码一个玉米中新发现的sn-2型GPAT（ZmGPAT6）。功能互补实验结果表明,GRMZM2G070304基因可恢复ms33-6029突变体的不育表型。CRISPR/Cas9介导该基因的靶向敲除突变体,可重现ms33的雄性不育表型。进一步的等位性测试证明GRMZM2G070304基因确是ZmMs33基因。2、ZmMs33基因主要在玉米未成熟的花药及五叶期的根中表达。系统进化分析结果暗示ZmMs33和OsGPAT3在单子叶植物花药和花粉发育过程中具有进化保守性。ZmMs33基因座及其周围的基因组区域在禾本科植物的进化过程中发生了很大变化。3、系统的细胞学观察结果表明,ZmMs33基因的功能缺失导致花药角质层缺陷、花药壁细胞层退化受阻、乌氏体和花粉外壁形成异常,最终导致花粉完全不育。ZmMs33基因主要在花药发育早期的绒毡层中表达,但对花药发育后期的花药壁细胞增殖和伸长至关重要。绒毡层细胞中合成的脂类物质可确保内皮层细胞中叶绿体的结构和功能正常,这对玉米花药发育至关重要。4、野生型花药内皮层细胞中的叶绿体,在S10时期之前作为淀粉储存场所,但从S10时期开始作为光合器官,以确保花药中正常的淀粉代谢和碳水化合物供应。ZmMs33基因的功能缺失抑制了作为内皮层叶绿体膜主要成分的糖脂和磷脂的生物合成,引起内皮层叶绿体的发育和功能异常,最终导致内皮层细胞中出现充斥着大量淀粉颗粒的叶绿体。5、在ms33突变体花药中,白天的淀粉合成和夜间的淀粉降解受到极大抑制,导致花药处于“碳饥饿”和“低能量”状态。6-磷酸海藻糖含量的降低和ATP/AMP 比率的下降即是证据。作为能量感受器和自噬诱导因子的SnRK1在突变体花药中被激活,引发了绒毡层细胞过早和过度自噬、程序性细胞死亡（PCD）提前及代谢重排,最终导致突变体花药的伸长和发育受阻。6、玉米GPAT基因家族的全基因组分析鉴定到了 20个ZmGPAT基因（ZmGPAT1～20）,分属三个不同的进化分支,与拟南芥中的10个GPAT基因类似。利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术对14个ZmGPAT基因进行了基因敲除突变体创制,其中8个ZmGPAT基因（ZmGPA T2、3、4、8、10、12、13和15）已获得纯合突变株系。已获得的ZmGPAT基因突变体均未观察到明显的育性表型异常,暗示不同ZmGPAT基因间存在功能冗余或某些ZmGPAT基因的功能尚未被解析清楚。7、利用转基因技术与分子标记辅助选择相结合的策略,基于ZmMs33基因和ms33-6038突变体开发了一个新型多控不育（MCS）系统,可以创制不同遗传背景的雄性不育系,用于玉米杂交育种和制种。综上,本研究揭示了单子叶植物特有的ZmMs33/ZmGPAT6蛋白调控玉米雄性育性发育的分子机制。ZmMs33是确保花药内皮层叶绿体结构和功能所必需的基因,不同发育时期内皮层叶绿体的淀粉代谢和光合活性对花药正常发育至关重要。这些发现对理解花药绒毡层脂质生物合成、内皮层叶绿体的结构和功能及花药中能量和物质代谢如何协同调控玉米花药发育提供了新思路。玉米GPAT基因的全基因组分析为进一步研究ZmGPAT基因在玉米中的功能机理提供了有价值的线索,ZmGPAT基因突变体创制则为其功能解析提供了材料基础。ZmMs33基因及其雄性不育突变体在玉米雄性不育系选育及杂交种生产中具有重要潜在应用价值。