大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育研究進(jìn)展

崔冰 石紹峻 李鑫 李洪雷 范海 王鳳德 高建偉

摘要：細(xì)胞質(zhì)雄性不育在大白菜雜種優(yōu)勢利用中具有非常重要的應(yīng)用價值。大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育主要分為大白菜波里馬細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Pol CMS）和蘿卜細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Ogu CMS）兩種類型。Pol CMS已在生產(chǎn)實踐中得到應(yīng)用，而Ogu CMS在生產(chǎn)應(yīng)用方面還存在一些問題，需要進(jìn)一步完善。對大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育形成機(jī)理的研究結(jié)果表明，細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的花藥組織在發(fā)育過程中脫落酸和細(xì)胞分裂素的含量均高于其相應(yīng)的保持系，而游離氨基酸（特別是脯氨酸的含量）、蛋白質(zhì)、可溶性糖等營養(yǎng)物質(zhì)均低于其保持系。大量的證據(jù)表明，線粒體基因組的重組或重排是造成細(xì)胞質(zhì)雄性不育的關(guān)鍵因素，但是目前尚無直接證據(jù)表明葉綠體與細(xì)胞質(zhì)雄性不育相關(guān)。本研究從以上幾個方面綜述了近年來大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育的研究進(jìn)展，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測與展望。

關(guān)鍵詞：大白菜；細(xì)胞質(zhì)雄性不育；雜種優(yōu)勢；研究進(jìn)展

中圖分類號：S634.103.6文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）03-0154-05

Abstract Cytoplasmic male sterility has a very important application value in the use of Chinese cabbage heterosis. The cytoplasmic male sterility is mainly divided into Polima cytoplasmic male sterility （Pol CMS） and Ogura cytoplasmic male sterility （Ogu CMS） in the Chinese cabbage，of which Pol CMS has been applied in the practice of production， while there are still some problems in the production and application of Ogu CMS， which needs to be further improved. The study on the mechanism of cytoplasmic male sterility in Chinese cabbage shows that the contents of abscisic acid and cytokinin are higher than those of its corresponding maintainer in the anther tissue of cytoplasmic male sterile line during the development process， while the contents of free amino acids （especially proline）， protein， soluble sugars and other nutrients are lower than its corresponding maintainer. A lot of evidences show the recombination or rearrangement of the mitochondrial genome is the key factor responsible for the cytoplasmic male sterility， but it is not clear if CMS is associated with chloroplast. In this paper， we reviewed the research progress on CMS in Chinese cabbage in these years， which would be useful for Chinese cabbage heterosis breeding in the future.

Keywords Chinese cabbage； Cytoplasmic male sterility （CMS）； Heterosis； Research progress

雄性不育（male sterility）是指植物在有性繁殖過程中雌性器官正常、雄性器官退化從而不能產(chǎn)生正常的花粉，導(dǎo)致花粉粒無法正常萌發(fā)，不能參與受精的現(xiàn)象。由于植物雄性不育類型繁多，遺傳關(guān)系復(fù)雜，人們提出了多種不同學(xué)說來解釋這種生命現(xiàn)象。Edwardson[1]的“二型假說”將雄性不育分為兩種類型：一是細(xì)胞核雄性不育（genic male sterility，GMS），由核基因控制并遵循孟德爾遺傳定律；二是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)互作的雄性不育，也稱細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS），由核不育基因和質(zhì)不育基因共同決定[2]。目前，人們在大白菜中發(fā)現(xiàn)和選育的多種雄性不育系[3-6]在育種中發(fā)揮了重要作用。同時，關(guān)于大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育的調(diào)控機(jī)制研究也取得了長足進(jìn)展。本研究將對上述研究進(jìn)行綜述，以期為下一步大白菜新品種的培育提供科學(xué)依據(jù)。

1 大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育的類型及應(yīng)用

大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育類型繁多。國內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣泛的是大白菜波里馬細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Pol CMS）和蘿卜細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Ogu CMS）。

1.1 Pol CMS

1972年，傅廷棟首次在油菜中發(fā)現(xiàn)Pol CMS，被認(rèn)為是當(dāng)今世界最有利用價值的細(xì)胞質(zhì)雄性不育系[7-9]。Pol CMS除了被用在油菜育種中外，還被廣泛用在蕓薹屬蔬菜的雄性不育系選育上。柯桂蘭等[10，11]用大白菜3411-7為父本，轉(zhuǎn)育Pol CMS，最終獲得了大白菜胞質(zhì)雄性不育系CMS3411-7。CMS3411-7的育性比蘿卜不育系更加穩(wěn)定，不會發(fā)生苗期黃化、蜜腺退化等現(xiàn)象。目前大白菜胞質(zhì)雄性不育系CMS3411-7包含兩個系列：Pol菜心不育系和Pol紅菜薹不育系。

Pol CMS有一個致命的缺點，偏低或偏高溫度下常產(chǎn)生少量花粉從而影響雜交種的純度。溫度敏感一直是Pol CMS難以徹底解決的重要問題。2006年，楊曉云等[12]對Pol CMS進(jìn)行了改良，以不結(jié)球白菜Pol CMS為不育源，用大白菜自交系作轉(zhuǎn)育父本，通過雜交、多代回交及不育性選擇，育成大白菜Pol CMS不育系A(chǔ)7。A7不育株率100%，不育度99%以上，具有不育性穩(wěn)定、對溫度敏感性極低、生長發(fā)育正常、農(nóng)藝性狀優(yōu)良、配合力高等特點，已用于一代雜種的配制。

1.2 Ogu CMS

1968年Ogura在蘿卜中發(fā)現(xiàn)雄性不育株，并培育成了雄性不育系，將其命名為Ogu CMS[13]。Ogu CMS由細(xì)胞核內(nèi)兩對隱性rf基因與胞質(zhì)基因共同決定其不育性，屬于核質(zhì)互作類型[14]。Ogu CMS作為一個理想的不育類型，被廣泛應(yīng)用于白菜、油菜、甘藍(lán)等十字花科作物的雄性不育研究領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代初，我國引進(jìn)美國的蘿卜Ogu細(xì)胞質(zhì)雄性不育源，并向大白菜轉(zhuǎn)育[15，16]，但該不育源存在葉片黃化、生長遲緩、蜜腺退化、配合力差等缺陷，未能在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。1992年，張德雙等[17]從美國引進(jìn)了經(jīng)過改良的蘿卜胞質(zhì)大白菜雄性不育系95A12、95A13，并向大白菜做了轉(zhuǎn)育。隨著種植轉(zhuǎn)育代數(shù)的增多，轉(zhuǎn)育材料出現(xiàn)一定的退化，幼苗發(fā)生畸形并且雜交組合優(yōu)勢不明顯，可用價值不高。目前，對蘿卜胞質(zhì)不育系的研究雖然取得了很大進(jìn)展，但還存在著一些問題亟需解決，因此該不育系未能真正用于生產(chǎn)之中。

2 大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育的生理研究

2.1 激素水平與細(xì)胞質(zhì)雄性不育

脫落酸（ABA）和細(xì)胞分裂素（CTK）的含量與植物的細(xì)胞質(zhì)雄性不育密切相關(guān)，二者在植物中的含量異常升高將會導(dǎo)致花粉育性降低甚至導(dǎo)致其敗育[18，19]。研究發(fā)現(xiàn)，在大白菜胞質(zhì)不育系花藥發(fā)育過程中，植物激素含量也發(fā)生異常變化[20，21]。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系中ABA的含量特別高，CTK的含量高于其相應(yīng)的對照，并且ABA與CTK之間含量的相對比例和植物的花蕊及花粉的生長具有一定關(guān)系[22，23]。所以，可以認(rèn)為大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育系中花藥組織激素的含量和小孢子敗育具有一定的關(guān)聯(lián)。

2.2 部分細(xì)胞代謝產(chǎn)物與細(xì)胞質(zhì)雄性不育

對小孢子而言，游離氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)在其發(fā)育過程中均需要大量積累，三者中的任何一種物質(zhì)缺乏都會導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)雄性不育的發(fā)生[24]。

在大白菜的整個花藥組織發(fā)育時期，胞質(zhì)雄性不育系花藥組織中的可溶性糖、游離氨基酸以及可溶性蛋白的含量相較于同時期的相應(yīng)保持系都低[25]。花藥組織中游離氨基酸的量，細(xì)胞質(zhì)雄性不育系也同樣低于其相應(yīng)的保持系，特別是脯氨酸在不育系中的含量明顯低于其相應(yīng)的保持系[26-29]。花藥組織中游離脯氨酸含量越低，植物的雄性不育發(fā)生率就越高，并有人將脯氨酸作為花粉組織中花粉育性的指標(biāo)[30]。

3 大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育的分子機(jī)理研究

葉綠體和線粒體是一種半自主細(xì)胞器，擁有自身的遺傳物質(zhì)和遺傳體系。植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育主要與葉綠體基因組和線粒體基因組的遺傳性相關(guān)[31]。植物葉綠體基因組較小、保守性較強(qiáng)，發(fā)生重組的可能性不大[32-34]。因此，對于植物葉綠體基因組和細(xì)胞質(zhì)雄性不育方面的報道比較少。而線粒體基因組具有多變性，人們認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)雄性不育的原因是其突變造成的，目前有大量的研究證實細(xì)胞質(zhì)雄性不育與線粒體基因組的某些改變具有一定的關(guān)聯(lián)[35-38]。

3.1 葉綠體基因組與細(xì)胞質(zhì)雄性不育

目前葉綠體基因組對植物雄性不育的影響方面并沒有太多相關(guān)研究與報道。He等[39]對細(xì)胞質(zhì)雄性不育系“珍汕97A”和保持系“珍汕97B”進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)：在不育系葉綠體trnL基因區(qū)域比保持系多6 bp的片段，并認(rèn)為該片段有可能是導(dǎo)致胞質(zhì)雄性不育的原因。至今為止，人們并沒有發(fā)現(xiàn)直接有力的證據(jù)證明植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育與葉綠體基因組有關(guān)。

3.2 線粒體基因組與細(xì)胞質(zhì)雄性不育

研究表明線粒體基因組（mtDNA）的重組或重排，應(yīng)該是導(dǎo)致大白菜雄性不育現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。基因組內(nèi)的多個正向和反向的重復(fù)序列，能夠引起mtDNA的重組和重排，進(jìn)而引起其結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生一些特異性位點導(dǎo)致大白菜胞質(zhì)雄性不育[40-43]。

大白菜雄性不育系的不育性可以被特定的核基因恢復(fù)，Pol CMS和Ogu CMS分別對應(yīng)的育性恢復(fù)基因為Rfp和Rfo[44-47]。大量研究證明育性恢復(fù)基因僅在花粉小孢子發(fā)育期間發(fā)揮作用，能使細(xì)胞質(zhì)的功能失調(diào)得到改善。即可以在轉(zhuǎn)錄后的蛋白質(zhì)水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使雄性不育系恢復(fù)育性，但不能直接作用于不育基因的轉(zhuǎn)錄水平[48-50]。

4 展望

目前，隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，人們從分子生物學(xué)、生理生化、細(xì)胞學(xué)等多個角度對大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育機(jī)理進(jìn)行不斷的探索，并取得長足進(jìn)展。但是細(xì)胞質(zhì)雄性不育具有極其復(fù)雜的遺傳機(jī)制，不育基因在一定時空上的表達(dá)，有時還會受到環(huán)境等外因的影響。有關(guān)大白菜細(xì)胞質(zhì)雄性不育機(jī)理及其應(yīng)用的研究仍面臨許多問題。只有解決這些問題，細(xì)胞質(zhì)雄性不育在育種上的優(yōu)勢才能發(fā)揮出來。相信隨著生命科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，人們一定會揭示細(xì)胞質(zhì)雄性不育遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)。

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