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

　　關鍵詞：棉花,細胞質雄性不育,育性恢復

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

　　棉花是優質纖維、食用油和蛋白集一身的重要經濟作物。如何提高棉花品種的產量、品質和抗逆性并使其廣泛應用于生產是當前棉花育種亟需解決的問題。雜種優勢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用。棉花具有十分明顯的雜種優勢,但目前棉花雜種優勢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,難以大規模推廣應用。

　　而水稻、高粱等作物則主要采用細胞質雄性不育性(Cytoplasmic Male Sterility,CMS)實現“三系”配套來大面積利用雜種優勢的,操作簡便且制種成本低。盡管棉花CMS已實現“三系”配套,但由于其恢復源狹窄及不育胞質對雜種1代皮棉產量所產生的負效應,“三系”雜種棉選育進展緩慢。

　　隨著轉谷胱甘肽S-轉移酶基因(gst)強恢復系“浙大強恢”的育成以及海島棉中育性增強基因的發現,利用“三系”配套進行棉花大面積的雜種優勢利用成為可能[1]。筆者從細胞學、生理生化、分子生物學和育性恢復4個方面綜述棉花CMS的研究進展,并對目前狀況進行了展望。

　　1棉花CMS的細胞學研究

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

　　Murthi等[2]對哈克尼西棉CMS進行細胞學研究的結果表明不育系的雄性敗育大多數發生在造孢細胞增殖期,偶爾能形成PMCs,但在減數分裂的前期Ⅰ就退化,因此導致雄性不育。而Thomber等[3]在美洲棉CMS系、黃晉玲等[4]在晉A不育系也發現同樣的敗育情況。②主要集中發生于減數分裂時期。

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

　　目前國內外大多數學者認為棉花胞質不育系花藥絨氈層的過早退化或推遲解體與造孢細胞和PMCs的敗育密切相關。通過細胞學觀察,棉花CMS小孢子敗育過程中主要出現的細胞形態特征為:①造孢組織異常。如哈克尼西棉CMS系的造孢組織在發育成熟前就已解體[2]。

　　②細胞質和線粒體異常。如晉A不育系的大量小孢子母細胞在造孢細胞增殖期,細胞質大量液泡化,留下網狀殘體;線粒體處于解體狀態,線粒體膜和內部結構模糊,基質呈半透明甚至透明狀態,內嵴紊亂[4]。③細胞核異常。如NM 21A的小孢子母細胞在減數分裂期,核仁穿壁頻繁,出現2~3個微核多核細胞[5]。④細胞形狀異常。

　　小孢子母細胞呈半月形和網狀形,且連成巨型團塊[5]。⑤染色體異常。在中期Ⅰ出現落后染色體單體,在后期I染色體不是集中于兩極,而是凝結成若干個大小不一的團塊散布于兩極[5]。⑥絨氈層過早退化或推遲解體。如晉A不育系的絨氈層細胞在造孢細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發育所需能量的基礎,而研究育性表達過程中的生理生化代謝對雄性不育的生化機理探討具有重要的意義。目前已有許多學者對棉花CMS的一些生理生化指標進行了大量的研究,取得了顯著成果。在碳水化合物方面,王學德[7]通過對中棉所12A及其保持系中棉所12B的花藥進行研究發現,從造孢細胞增殖期開始,保持系可育花藥隨著發育可溶性糖含量逐漸下降,淀粉積累逐漸增多,特別在PMCs減數分裂后,小孢子發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,從造孢細胞增殖時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。隨后王學德等[9]也在棉花不同CMS研究中發現了同樣的情況。這說明氨基酸含量異常導致蛋白質合成受阻,從而引起花藥不育。在酶方面,黃晉玲等[10]研究發現晉A不育系及其保持系的過氧化物酶同工酶和細胞色素氧化酶同工酶存在明顯的差異,這種差異產生的時期與其細胞形態學觀察到的小孢子敗育時期一致。

　　這說明雄性不育基因調控了同工酶的形成與差異。在激素方面,解海巖等[11]用酶聯免疫檢測技術對哈克尼西棉CMS、保持系、恢復系和雜種F1在花藥發育時期內源激素含量的動態變化進行研究,發現在保持系、恢復系和F1的可育花藥之間內源激素差異不明顯,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]通過對哈克尼西棉CMS、保持系和雜種F1不同發育時期的花藥進行活性氧指標及其清除酶含量研究發現,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個對細胞有毒性的活性氧指標均高于保持系或雜種F1的花藥,同時對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抗氧化酶有誘導作用。

　　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,導致活性氧產生與清除失去平衡,這時花粉母細胞大量凋亡。在敗育后的花藥中,O2-和H2O2含量與可育花藥相近,但MDA含量仍持續提高,以及SOD、CAT、POD酶活性持續降低,表明雄性細胞凋亡后活性氧對花藥仍有不利影響。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胞凋亡同步發生的,但在恢復基因引入后的雜種F1花藥中,過量產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。

　　3棉花CMS的分子生物學研究

　　棉花CMS是一種母性遺傳性狀,受特定的細胞質基因和核內不育基因共同控制,不育系的細胞質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[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]認為目前至少有14個線粒體基因與細胞質不育有關,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、基因的側翼序列和未知區域的序列共同組成。線粒體基因組的重排、突變及線粒體基因的剪切、編輯都可能引起細胞質雄性不育。

　　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)對晉A胞質不育系和保持系線粒體DNA(mtDNA)進行了限制性片段長度多態性(restricted fragment length polymorphisms,RFLP)分析,發現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的強雜交帶,并推測條帶的缺失可能是mtDNA分子內或分子間重排所致,coxⅡ基因的變異導致了線粒體功能的失調和雄性不育。隨后她構建了棉花晉A不育系和保持系的線粒體文庫,獲得了晉A不育系和保持系的orfB、coxⅠ和nad4L等3個基因的全序列,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,該蛋白質干擾保守基因的生物活性或者干擾花藥發育的生理生化過程,從而中斷花粉發育[15]。在葉綠體基因組方面,葉綠體基因的變異與棉花胞質不育有關。Chen等[16]研究認為,棉花CMS與葉綠體RubisCO大亞基的變異有關。

　　Galau等[17]證實,不育系與保持系之間在葉綠體DNA的限制性酶切片段長度上存在明顯差異。在核內基因方面,目前國內外主要集中在與棉花育性恢復基因相連鎖分子標記開發及遺傳圖譜的精細定位、育性恢復相關基因的分離克隆等方面并已取得明顯進展。Wang等[18]利用RAPD、AFLP、STS、CAPS和SSR標記技術分析了(D8×SG747)×SG747群體,發現了3個新的RAPD標記和1個SSR標記,利用PPR基序設計的保守引物與AFLP組合測試回交群體得到一個與恢復基因Rf2連鎖的PPR-AFLP標記,并結合9個與Rf2緊密連鎖的分子標記構建了與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

　　盡管棉花CMS已經實現“三系”配套,但“三系”雜種棉選育進展緩慢。可見,棉花CMS的育性恢復是實現棉花雜種優勢利用的關鍵。目前獲得恢復系的方法主要有:

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

　　②利用轉基因等生物工程技術來獲得好的恢復系。如王學德等[21]采用農桿菌介導法,將谷胱甘肽S-轉移酶基因(gst)導入恢復系DES-HAF277中,育成一個對CMS具有強恢復力的恢復系“浙大強恢”。

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

　　5 結語

　　綜上所述,棉花CMS在細胞學、生理生化、分子生物學和育性恢復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基因如何影響花粉的發育,恢復基因與不育基因的作用機理及其克隆都還需進一步研究。隨著分子生物學理論和技術的發展,特別是棉花基因組全測序計劃的啟動,在不久的將來必將會克隆出許多與棉花CMS相關基因,從而為棉花CMS的研究打開新的局面。

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　　6參考文獻

　　[1] 肖松華,劉劍光,吳巧娟,等.棉花細胞質雄性不育與育性恢復的研究與利用[J].江西農業學報,2008,20(9):8-15.

　　[2] MURTHI A N,WEAVER J B J r. Histological studies in five male sterile lines of up land cotton [J].Crop Sci,1974(14):658-663.

　　[3] THOMBERM V,MEHETRE S S.Cytoplasmic genic male sterility in American cotton(Gossypium hirsutum L.)[J].Cur Sci India,1979(48):172.

　　[4] 黃晉玲,楊鵬.棉花晉A不育系小孢子發育的超微結構研究[J].山西農業大學學報:自然科學版,2008,28(2):129-143.