分子標記在植物雄性不育研究中的應用進展

摘 要： 雄性不育在開花植物中廣泛存在。闡述了植物雄性不育的類型、分子機理以及幾種主要 DNA遺傳標記技術在植物雄性不育研究中的應用進展與前景。

關鍵詞：雄性不育；核質互作不育；核不育；分子標記

中圖分類號：Q943.2 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.005

雄性不育在植物界廣泛存在，尤其是開花植物中。它是一種有性繁殖過程中不能產生正常的花藥、花粉或雄配子的遺傳現象[1]。利用雄性不育培育不育系進行雜交制種，不僅能夠降低制種成本，而且可以提高雜交種的純度，但是一些雄性不育系通常帶有不良性狀。隨著分子生物學技術的發展，以不育系和相應的保持系為材料進行分子標記分析，可以獲得優良父本所具有的特異分子標記，從而在苗期實現父本篩選，減少田間的勞動量，降低生產成本。

1 雄性不育類型

目前根據基因型的差異，雄性不育材料可分為兩類，核質互作不育型（CMS）和核不育型（GMS）。核質互作不育型是由細胞核不育基因和細胞質不育基因相互作用而產生的，是一種母性遺傳現象，其遺傳方式不符合孟德爾遺傳規律，容易找到保持系，能夠大面積推廣利用[2]。核不育型是由細胞核不育基因決定的，遺傳簡單、較穩定、容易轉育，但是難以找到保持系而使實際利用有一定難度[3]。

2 分子標記在雄性不育研究中的應用進展

分子標記（molecular marker） 是以生物大分子，尤其是生物體的遺傳物質—核酸為基礎的遺傳標記。它是DNA 在分子水平上遺傳變異的直接反映，與其他遺傳標記相比，它們遺傳性穩定、數量豐富、信息量大、不受發育階段、環境因素及基因表達與否的影響，而且檢測迅速、操作簡便，因此成為理想的遺傳標記之一[4]。目前，利用RAPD、AFLP、SSR、SCAR等各種分子標記已經在許多植物中開發出了與不育性狀連鎖的分子標記，在雄性不育研究中分子標記主要應用于以下幾方面。

2.1 雄性不育基因定位與分離

目前利用不同的分子標記分離雄性不育相關基因并且在基因組上定位已經在許多植物中取得了成功。Ye等[5]利用DD-PCR差異技術得到了一個與白菜核雄性不育育性相關的編碼細胞色素P450基因CYP86MF，該基因在白菜花蕾中特異表達。張智等[6]以胡蘿卜細胞質雄性不育系170A及其相應保持系170B為材料，分離并克隆了細胞質雄性不育相關的線粒體基因atp9片段，并利用定量PCR技術研究了該基因的表達情況。趙銀河等[7]運用混合品集分析法（BLA），利用SSR分子標記技術研究滇-型雜交水稻的保持系和恢復系，證明了RM228、PMRF 和OSR-33 這3 對SSR 分子標記與滇-型雜交水稻雄性不育育性恢復基因相連鎖，并將1個基因初步定位于第10染色體長臂的中部。曹雙河等[8]以小麥光溫敏核雄性不育系農大3338為材料，采用選擇基因型法，運用SSR和ISSR兩種分子標記對其雄性不育基因進行了定位，檢測到了兩個光溫敏核雄性不育基因座位而且定位在不同的連鎖群上，分別命名為ptms1和ptms2。劉玉梅等[9]采用集群分離分析法（BSA）進行了甘藍顯性雄性不育基因連鎖的分子標記研究，首次獲得了一個與甘藍顯性雄性不育基因連鎖的RFLP 標記pBN11，并將雄性不育基因定位在第一和第八條染色體上。KATO等[10]通過RFLP和SSR確定了大豆雄性不育相關基因st8的基因圖譜位置，并將其定位于RFLP標記（E107）和SSR標記（Satt132）之間，與兩個標記的距離分別是7.8 cM和3.4 cM。在甘藍型油菜中，Lei等[11]將雙隱性基因（BnMs1和BnMs2）控制的雄性不育系的不育基因定位在了N7和N16連鎖群上。Huang等[12]將另外一對雙隱性基因（BnMs3和BnMs4）控制的雄性不育系的BnMs3不育基因定位在了N19連鎖群上。

2.2 雄性不育基因指紋圖譜繪制和基因型鑒定

分子標記也可以用于雄性不育基因的指紋圖譜繪制和基因型鑒定。汪志純等[13]對玉米多胞質雄性不育系和它們的保持系以及新選育的未知不育類型的糯玉米不育系及其保持系等6 個品系的mtDNA進行了系統RAPD分析，制作了6個品系的樹式遺傳關系圖和RAPD指紋，確定了未知類型糯玉米不育系Tai - A是一種新的胞質雄性不育類型。朱云國等[14]利用AFLP 分子標記方法成功獲得了棉花細胞質雄性不育三系及其雜種F1的DNA 指紋圖譜，為棉花細胞質雄性不育三系及其雜交棉種子產業化中的種子純度鑒定提供了依據。

2.3 構建雄性不育基因的遺傳連鎖圖譜

通過分子標記還可以構建雄性不育基因的遺傳連鎖圖譜。柯麗萍[15]以甘藍型油菜隱性上位互作核不育兩型系9012AB為材料，運用集群分離分析法，采用AFLP轉SCAR標記技術尋找到了與可育基因緊密連鎖的分子標記，并且構建了目標基因區域的精細遺傳圖譜，為這些基因的圖位克隆奠定了基礎。張寶璽等[16]以穩定的辣椒胞質雄性不育系77013A與保持系Yolo wonder、恢復系Perennial及其F1構建的DH群體分別測交獲得的后代群體為材料，用AFLP分子標記技術構建了包括43個標記8個連鎖群的分子遺傳圖譜。Yoshinari等[17]運用基于表達序列標簽的SNP標記方法構建了柳杉的遺傳連鎖圖譜，獲得一個與雄性不育基因ms1緊密連鎖的SNP標記snp970-sf，連鎖距離為0.5 cM，并將其定位于第九連鎖群。Livinus等[18]運用基于表達序列標簽的SSR標記方法構建了位于大麥6H染色體上的雄性不育基因msg6的遺傳連鎖圖譜，并獲得了與該基因緊密連鎖的SSR分子標記GBM1267。

2.4 利用雄性不育基因輔助選擇育種

分子標記除了用于在分子水平上研究雄性不育的機理，還可以在實際生產中用于輔助選擇育種。Staniaszek等[19]利用一對特異引物分別擴增出長度為1 230 bp和780 bp的特異性片段，找到了與番茄雄性不育ps基因緊密連鎖的RAPD標記，并利用這些標記進行輔助選育及雜種純度鑒定。朱莎等[20]獲得了與ps-2 基因緊密連鎖的SSR標記（SSR450）和CAPS標記（TG123），可直接用于標記輔助育種和雜種純度鑒定，加速番茄雄性不育的轉育與利用。

3 小 結

綜上所述，分子標記在植物雄性不育研究中的應用非常廣泛，并發揮重要的作用。通過從分子水平研究雄性不育的分子機理，可以加速利用與雄性不育相關的基因定向育種，從而加快育種進程，但是這些研究目前還遠不能滿足現代育種的要求，因此，雄性不育相關基因的機理還有待于進一步的研究。隨著現代分子生物學的發展，各種新技術、新方法的不斷研制成功，分子標記技術也將日臻完善，將為植物雄性不育研究提供更加先進的手段，為充分利用雄性不育來提高作物產量、優化品質輔助選育等方面展現更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 李澤福，夏加發，唐光勇.植物雄性不育類型及遺傳機制的研究進展[J].安徽農業科學，2000，28（6） ：742 - 746.

[2] Wise R P， Pring D R. Nuclear mediated mitochondrial gene regulation and male fertility in higher plants： Light at the end of the tunnel[J]. Proc Natl Acad Sci， 2002，99（16）：10240-10242.

[3] 唐曉敏，李保國，齊國輝，等.分子標記在植物雄性不育研究中的應用[J].河北林果研究，2005，20（4）：338-342.

[4] 方宣鈞，吳為人，唐紀良.作物DNA標記輔助育種[M].北京：科學出版社，2001：1-20.

[5] Ye W Z， Cao J S， Xian G X， et al. Molecular cloning and characterization of the genic male sterility related gene CYP86MF in Chinese cabbage （Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee） [J].Journal of Horticultural Science Bioteclmology， 2003，78： 319-323.

[6] 張智，梁毅，丁海鳳，等.胡蘿卜atp9基因的克隆表達及細胞質雄性不育的相關性研究[J].北方園藝，2012（24）：140-144.

[7] 趙銀河，張雪梅，譚亞林，等.滇 - 型雜交水稻質核雄性不育恢復基因的SSR分子標記[J].種子，2004，23（3）：11-16.

[8] 曹雙河，郭小麗，劉冬成，等.小麥光溫敏核雄性不育基因的初步定位[J].遺傳學報，2004，31（3）：293-298.

[9] 劉玉梅，方智遠，張揚勇，等.一個與甘藍顯性雄性不育基因連鎖的RFLP標記[J].園藝學報，2003，30（5）：549-553.

[10] Kato K K， Palmer R G.Molecular mapping of the male-sterile，female-sterile mutant gene（st8） in soybean[J]. Journal of Heredity，2003，94（5），425-428.

[11] Lei S L，Yao X Q，Yi B， et al. Towards map-based cloning：Fine mapping of a recessive genic male sterile gene（BnMs2）in Brassica napus L.and syntenic region identification based on the Arabidopsis thaliana genome sequences[J].Theor Appl Genet，2007，115：643-651.

[12] Huang Z，Chen Y F，Yi B， et al. Fine mapping of the recessive genic male sterility gene（Bnms3）in Brassica napus L.[J].Theor Appl Genet，2007，115：113-118.

[13] 汪志純，王京兆，曾孟潛，等.玉米多胞質雄性不育系 mtDNA 的RAPD分析[J].中國農業科學，1997，30（4） ：45-49.

[14] 朱云國，王學德，李悅有.用AFLP技術構建棉花雄性不育三系及其雜種F1的DNA指紋圖譜[J].棉花學報，2001，13（3）：158-160.

[15] 柯麗萍.甘藍型油菜隱性細胞核雄性不育的基因定位[D].武漢：華中農業大學，2005.

[16] 張寶璽，王立浩，黃三文，等.辣椒分子遺傳圖譜的構建和胞質雄性不育恢復性的QTL分析[J].中國農業科學，2003，36（7）：818-82.

[17] Yoshinari M ，Tokuko U I ，Kentaro U， et al.The construction of a high-density linkage map for identifying SNP markers that are tightly linked to a nuclear-recessive major gene for male sterility in Cryptomeria japonica D.Don [J].BMC Genomics，2012， 13：95.

[18] Llvnus C E.An EST-SSR marker tightly linked to the barley male sterility gene（msg6） located on chromosome 6H[J].Journal of Heredity，2010：101（6）：769-774.

[19] Staniaszek M，Marczewski W，Habdas H， et al. Identification of RAPD markers linked to the ps gene and their usefulness for purity determination of breeding lines and F1 tomato hybrids[J]. Biotechnology and Physiology，2000，22：303-305.

[20] 朱莎，宋燕，劉磊.番茄ps-2基因的SSR及CAPS標記開發[J].園藝學報，2010，37（2）：235-240.