摘要：雄性不育系，雌雄同株植物中，雄蕊發(fā)育不正常，不能產(chǎn)生有功能的花粉，但它的雌蕊發(fā)育正常，能接受正常花粉而受精結(jié)實(shí)，并能將雄性不育性遺傳給后代的植物品系。文章發(fā)表在《計(jì)算機(jī)安全》上，是電子工程師論文發(fā)表范文，供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：棉花,細(xì)胞質(zhì)雄性不育,育性恢復(fù)

　　一般由1對(duì)隱性基因控制，但也有由2～3 對(duì)隱性基因互作而產(chǎn)生的雄性不育性(如萵苣)。假如控制花粉正常育性是一對(duì)顯性基因RfRf，則由于隱性突變,雜合體Rfrf自交后將會(huì)分離出純合基因型rfrf,表現(xiàn)為雄性不育。

　　棉花是優(yōu)質(zhì)纖維、食用油和蛋白集一身的重要經(jīng)濟(jì)作物。如何提高棉花品種的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性并使其廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)是當(dāng)前棉花育種亟需解決的問題。雜種優(yōu)勢(shì)的利用則為這一問題的解決提供了新的思路,并已在很多植物中得到了廣泛的應(yīng)用。棉花具有十分明顯的雜種優(yōu)勢(shì),但目前棉花雜種優(yōu)勢(shì)的利用則主要采用人工去雄授粉法和核不育系“一系兩用”法,方法繁瑣且制種成本高,難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

　　而水稻、高粱等作物則主要采用細(xì)胞質(zhì)雄性不育性(Cytoplasmic Male Sterility,CMS)實(shí)現(xiàn)“三系”配套來大面積利用雜種優(yōu)勢(shì)的,操作簡(jiǎn)便且制種成本低。盡管棉花CMS已實(shí)現(xiàn)“三系”配套,但由于其恢復(fù)源狹窄及不育胞質(zhì)對(duì)雜種1代皮棉產(chǎn)量所產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng),“三系”雜種棉選育進(jìn)展緩慢。

　　隨著轉(zhuǎn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(gst)強(qiáng)恢復(fù)系“浙大強(qiáng)恢”的育成以及海島棉中育性增強(qiáng)基因的發(fā)現(xiàn),利用“三系”配套進(jìn)行棉花大面積的雜種優(yōu)勢(shì)利用成為可能[1]。筆者從細(xì)胞學(xué)、生理生化、分子生物學(xué)和育性恢復(fù)4個(gè)方面綜述棉花CMS的研究進(jìn)展,并對(duì)目前狀況進(jìn)行了展望。

　　1棉花CMS的細(xì)胞學(xué)研究

　　植物雄性不育小孢子的敗育時(shí)期各異,從花粉母細(xì)胞(Pollen Mother Cells,PMCs)的形成到雙核花粉粒各個(gè)時(shí)期都有雄性不育發(fā)生的可能,且持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng),不限于某一特定的時(shí)間。對(duì)于棉花CMS來說,小孢子敗育時(shí)期的發(fā)生主要有3種情況:①主要集中發(fā)生于造孢細(xì)胞增殖時(shí)期。

　　Murthi等[2]對(duì)哈克尼西棉CMS進(jìn)行細(xì)胞學(xué)研究的結(jié)果表明不育系的雄性敗育大多數(shù)發(fā)生在造孢細(xì)胞增殖期,偶爾能形成PMCs,但在減數(shù)分裂的前期Ⅰ就退化,因此導(dǎo)致雄性不育。而Thomber等[3]在美洲棉CMS系、黃晉玲等[4]在晉A不育系也發(fā)現(xiàn)同樣的敗育情況。②主要集中發(fā)生于減數(shù)分裂時(shí)期。

　　如王學(xué)德等[5]發(fā)現(xiàn)104-7A、湘遠(yuǎn)4-A、NM-2A和NM-3A的小孢子母細(xì)胞在造孢細(xì)胞增殖時(shí)期較少異常,但在減數(shù)分裂時(shí)期特別是減數(shù)分裂第1次分裂時(shí)期(Meiosis Ⅰ)卻大量敗育,從而在花藥內(nèi)見不到四分體的形成。③敗育時(shí)期貫穿造孢細(xì)胞增殖至減數(shù)分裂時(shí)期。童旭宏等[6]發(fā)現(xiàn)來源于陸地棉新型CMS的敗育時(shí)期主要發(fā)生在造孢細(xì)胞增殖時(shí)期至小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂前的時(shí)期。

　　目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為棉花胞質(zhì)不育系花藥絨氈層的過早退化或推遲解體與造孢細(xì)胞和PMCs的敗育密切相關(guān)。通過細(xì)胞學(xué)觀察,棉花CMS小孢子敗育過程中主要出現(xiàn)的細(xì)胞形態(tài)特征為:①造孢組織異常。如哈克尼西棉CMS系的造孢組織在發(fā)育成熟前就已解體[2]。

　　②細(xì)胞質(zhì)和線粒體異常。如晉A不育系的大量小孢子母細(xì)胞在造孢細(xì)胞增殖期,細(xì)胞質(zhì)大量液泡化,留下網(wǎng)狀殘?bào)w;線粒體處于解體狀態(tài),線粒體膜和內(nèi)部結(jié)構(gòu)模糊,基質(zhì)呈半透明甚至透明狀態(tài),內(nèi)嵴紊亂[4]。③細(xì)胞核異常。如NM 21A的小孢子母細(xì)胞在減數(shù)分裂期,核仁穿壁頻繁,出現(xiàn)2~3個(gè)微核多核細(xì)胞[5]。④細(xì)胞形狀異常。

　　小孢子母細(xì)胞呈半月形和網(wǎng)狀形,且連成巨型團(tuán)塊[5]。⑤染色體異常。在中期Ⅰ出現(xiàn)落后染色體單體,在后期I染色體不是集中于兩極,而是凝結(jié)成若干個(gè)大小不一的團(tuán)塊散布于兩極[5]。⑥絨氈層過早退化或推遲解體。如晉A不育系的絨氈層細(xì)胞在造孢細(xì)胞增殖期就過早退化[6]。

　　2棉花CMS的生理生化研究

　　正常的生理生化代謝是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需能量的基礎(chǔ),而研究育性表達(dá)過程中的生理生化代謝對(duì)雄性不育的生化機(jī)理探討具有重要的意義。目前已有許多學(xué)者對(duì)棉花CMS的一些生理生化指標(biāo)進(jìn)行了大量的研究,取得了顯著成果。在碳水化合物方面,王學(xué)德[7]通過對(duì)中棉所12A及其保持系中棉所12B的花藥進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),從造孢細(xì)胞增殖期開始,保持系可育花藥隨著發(fā)育可溶性糖含量逐漸下降,淀粉積累逐漸增多,特別在PMCs減數(shù)分裂后,小孢子發(fā)育至花粉成熟過程中有大量淀粉合成;相反,不育花藥中的淀粉和可溶性糖含量,從造孢細(xì)胞增殖時(shí)期起一直處于原來水平幾乎不變。

　　可見,缺乏淀粉積累是引起花藥不育的重要原因。在氨基酸方面,Servella等[8]首次報(bào)道了亞洲棉CMS花藥中酸性氨基酸含量較低;在氨基酸組分中,不育系葉片中天門冬氨酸和精氨酸含量較高,而保持系葉片中含量很少或完全缺失。隨后王學(xué)德等[9]也在棉花不同CMS研究中發(fā)現(xiàn)了同樣的情況。這說明氨基酸含量異常導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受阻,從而引起花藥不育。在酶方面,黃晉玲等[10]研究發(fā)現(xiàn)晉A不育系及其保持系的過氧化物酶同工酶和細(xì)胞色素氧化酶同工酶存在明顯的差異,這種差異產(chǎn)生的時(shí)期與其細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察到的小孢子敗育時(shí)期一致。

　　這說明雄性不育基因調(diào)控了同工酶的形成與差異。在激素方面,解海巖等[11]用酶聯(lián)免疫檢測(cè)技術(shù)對(duì)哈克尼西棉CMS、保持系、恢復(fù)系和雜種F1在花藥發(fā)育時(shí)期內(nèi)源激素含量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在保持系、恢復(fù)系和F1的可育花藥之間內(nèi)源激素差異不明顯,但在可育花藥與不育系的不育花藥間差異顯著。在活性氧代謝方面,Jiang等[12]通過對(duì)哈克尼西棉CMS、保持系和雜種F1不同發(fā)育時(shí)期的花藥進(jìn)行活性氧指標(biāo)及其清除酶含量研究發(fā)現(xiàn),在不育系敗育初期的花藥中,超氧陰離子(O2-·)、過氧化氫(H2O2)、丙二醛(MDA)3個(gè)對(duì)細(xì)胞有毒性的活性氧指標(biāo)均高于保持系或雜種F1的花藥,同時(shí)對(duì)活性氧具有清除作用的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)3個(gè)抗氧化酶活性也隨著提高,表明敗育初期花藥的活性氧增加對(duì)抗氧化酶有誘導(dǎo)作用。

　　但在敗育盛期的不育花藥中,一方面O2-·、H2O2和MDA含量極顯著高,另一方面SOD、CAT、POD 酶活性卻極顯著低,導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生與清除失去平衡,這時(shí)花粉母細(xì)胞大量凋亡。在敗育后的花藥中,O2-和H2O2含量與可育花藥相近,但MDA含量仍持續(xù)提高,以及SOD、CAT、POD酶活性持續(xù)降低,表明雄性細(xì)胞凋亡后活性氧對(duì)花藥仍有不利影響。花藥O2-、H2O2和MDA的過量積累,及其清除酶活性的顯著降低,這一過程在棉花不育花藥中是與雄性細(xì)胞凋亡同步發(fā)生的,但在恢復(fù)基因引入后的雜種F1花藥中,過量產(chǎn)生的活性氧可被清除。這表明棉花CMS與花藥活性氧代謝異常密切相關(guān)。

　　3棉花CMS的分子生物學(xué)研究

　　棉花CMS是一種母性遺傳性狀,受特定的細(xì)胞質(zhì)基因和核內(nèi)不育基因共同控制,不育系的細(xì)胞質(zhì)基因組如線粒體基因組、葉綠體基因組與不育花粉的形成密切相關(guān)[1]。在線粒體基因組方面,線粒體功能的行使是由核基因組和線粒體基因組共同作用的。Christine[13]認(rèn)為目前至少有14個(gè)線粒體基因與細(xì)胞質(zhì)不育有關(guān),且共有特征是基因的開放閱讀框由來源于線粒體基因的編碼序列、基因的側(cè)翼序列和未知區(qū)域的序列共同組成。線粒體基因組的重排、突變及線粒體基因的剪切、編輯都可能引起細(xì)胞質(zhì)雄性不育。

　　2003年,黃晉玲[14]用合成的線粒體基因組探針(atpA、atp6、atp9、coxⅠ、coxⅡ和cob)對(duì)晉A胞質(zhì)不育系和保持系線粒體DNA(mtDNA)進(jìn)行了限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restricted fragment length polymorphisms,RFLP)分析,發(fā)現(xiàn)atp6和coxⅡ基因在兩者中的雜交帶型不一致;與保持系相比,atp6和coxⅡ基因在晉A不育系中分別缺少5.7 kb和4.2 kb的強(qiáng)雜交帶,并推測(cè)條帶的缺失可能是mtDNA分子內(nèi)或分子間重排所致,coxⅡ基因的變異導(dǎo)致了線粒體功能的失調(diào)和雄性不育。隨后她構(gòu)建了棉花晉A不育系和保持系的線粒體文庫(kù),獲得了晉A不育系和保持系的orfB、coxⅠ和nad4L等3個(gè)基因的全序列,通過比較,證明晉A不育系和保持系在orfB、coxⅠ和nad4L基因全序列上無差異。

　　此外,也有人認(rèn)為棉花CMS可能是由線粒體基因組中新的嵌合閱讀框編碼一種毒蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)干擾保守基因的生物活性或者干擾花藥發(fā)育的生理生化過程,從而中斷花粉發(fā)育[15]。在葉綠體基因組方面,葉綠體基因的變異與棉花胞質(zhì)不育有關(guān)。Chen等[16]研究認(rèn)為,棉花CMS與葉綠體RubisCO大亞基的變異有關(guān)。

　　Galau等[17]證實(shí),不育系與保持系之間在葉綠體DNA的限制性酶切片段長(zhǎng)度上存在明顯差異。在核內(nèi)基因方面,目前國(guó)內(nèi)外主要集中在與棉花育性恢復(fù)基因相連鎖分子標(biāo)記開發(fā)及遺傳圖譜的精細(xì)定位、育性恢復(fù)相關(guān)基因的分離克隆等方面并已取得明顯進(jìn)展。Wang等[18]利用RAPD、AFLP、STS、CAPS和SSR標(biāo)記技術(shù)分析了(D8×SG747)×SG747群體,發(fā)現(xiàn)了3個(gè)新的RAPD標(biāo)記和1個(gè)SSR標(biāo)記,利用PPR基序設(shè)計(jì)的保守引物與AFLP組合測(cè)試回交群體得到一個(gè)與恢復(fù)基因Rf2連鎖的PPR-AFLP標(biāo)記,并結(jié)合9個(gè)與Rf2緊密連鎖的分子標(biāo)記構(gòu)建了與Rf2緊密連鎖的遺傳圖譜,由于CIR179250與Rf2和Rf1都緊密連鎖,推測(cè)Rf2和Rf1都定位與D亞染色體組的LGD08連鎖群上。

　　4棉花CMS的育性恢復(fù)

　　盡管棉花CMS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“三系”配套,但“三系”雜種棉選育進(jìn)展緩慢。可見,棉花CMS的育性恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)棉花雜種優(yōu)勢(shì)利用的關(guān)鍵。目前獲得恢復(fù)系的方法主要有:

　　①通過遠(yuǎn)緣雜交及回交等手段來獲得好的恢復(fù)系。如Sheetz等[20]以恢復(fù)系DES-HAF277為母本,與海島棉品種PimaS-4雜交,聚合恢復(fù)基因Rf和育性增強(qiáng)基因E,育成帶有育性增強(qiáng)基因E的恢復(fù)系。

　　②利用轉(zhuǎn)基因等生物工程技術(shù)來獲得好的恢復(fù)系。如王學(xué)德等[21]采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法,將谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(gst)導(dǎo)入恢復(fù)系DES-HAF277中,育成一個(gè)對(duì)CMS具有強(qiáng)恢復(fù)力的恢復(fù)系“浙大強(qiáng)恢”。

　　③以與胞質(zhì)雄性不育系具相同遺傳背景的可育種質(zhì)為原始材料,利用遺傳過濾技術(shù)培育出胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系。這個(gè)方法是范萬發(fā)等[22]在成功培育出理想的、使Wnafstu胞質(zhì)不育系和其的F1代完全恢復(fù)育性的胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系的過程中積累資料的基礎(chǔ)上提出來的。

　　5 結(jié)語

　　綜上所述,棉花CMS在細(xì)胞學(xué)、生理生化、分子生物學(xué)和育性恢復(fù)方面取得了一定的成果,但仍存在著一些問題。如線粒體、葉綠體基因組和核內(nèi)基因如何影響花粉的發(fā)育,恢復(fù)基因與不育基因的作用機(jī)理及其克隆都還需進(jìn)一步研究。隨著分子生物學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展,特別是棉花基因組全測(cè)序計(jì)劃的啟動(dòng),在不久的將來必將會(huì)克隆出許多與棉花CMS相關(guān)基因,從而為棉花CMS的研究打開新的局面。

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