赵海燕-棉花细胞质雄性不育性的研究进展

基金项目：山西省科技攻关项目“运用分子标记辅助选择技术选育棉花新品种”（No.20080311001-1）。第一作者简介：赵海燕，女，在读硕士，研究方向：Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]。通讯作者：黄晋玲，女，教授，博士，硕士生导师，现在主要从事棉花遗传育种工作。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]。棉花细胞质雄性不育研究进展赵海燕，黄晋玲(山西农业大学农学院，山西太谷030801)摘要：棉花具有十分明显的杂种优势，棉花细胞质雄性不育在棉花杂种优势的利用上具有重要作用。利用棉花细胞质雄性不育和育性恢复系统突破传统人工去雄杂交育种的瓶颈，为棉花杂交种制种的商业化推广展现了光明的前景。本文综述了近年来棉花细胞质雄性不育在细胞学、生理生化、分子生物学和育性恢复四方面的研究进展。详细阐明了棉花细胞质雄性不育小孢子败育时期及细胞学形态、生理生化指标研究、胞内基因组和核内恢复基因的分子生物学研究和获得理想恢复系的方法。并提出了研究中存在的主要问题，展望了今后工作的研究方向。关键字：棉花；细胞质雄性不育；育性恢复中图分类号：S562.032文献标识码：AResearchProgressonCytoplasmicMaleSterilityinGossypiumhirsutumL.ZHAOHai-yan,HUANGJin-ling(DeptofAgron,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801)Abstract:Thereisfullyapparentheterosisincotton.CytoplasmicMaleSterility(CMS)hasplayedanimportantroleinheterosisusageincotton.CMSandutilizationoffertilityrestorersystemhavemadeabreakthroughinconqueringbreedingbottleneckbyartificialemasculationandunfoldedabrightoutlookforpromotingcommercialproductionofhybridseed.Firstly,researchprogressoffourfacialsofCytology,physiologicalandbiochemicalindexes,molecularbiologyandfertilityrestorationonCMSinGossypiumhirsutumL.duringtherecentyearswerereviewedmainlyinthispaper.Inthefourfacialswhichwerereviewedmainlyinthispaper,periodofmicrosporeabortionandcytologicalmorphology,physiologicalandbiochemicalindexesincludingcarbohydrate,aminoacid,enzymeandhormone,molecularbiologyofintracellulargenomeincludingchloroplastgenomeandmitochondrialgenomeandrestoringgeneinnucleusandmethodsofgettingidealandhighresiliencerestoreronCMSinGossypiumhirsutumL.duringtherecentyearsweredescribedbrieflyinthispaper.Theobjectsofintroducingallabovethesethingsindetailinthispaperwouldtellpeplecurrentresearchstatusofthemechanismofthefourfacialsofcytology,physiologicalandbiochemicalindexes,molecularbiologyandfertilityrestorationonCMSinGossypiumhirsutumL.andprovidesomehelpsorreferencesfortheirresearcheswhicharerelevantwithCMSinGossypiumhirsutumL.Secondly,theproblemswhichhavebeenexistedinthepresentstudyandtheprospecttothefutureworkonCMSinGossypiumhirsutumL.wereproposedandwhichwouldprovidereferencesforrelatedresearchers.Keywords:Cotton;cytoplasmicmalesterility;fertilityrestoration棉花是集优质纤维、食用油和蛋白于一身的重要的大田经济作物[1]。有报道称在第二次绿色革命中，棉花可能成为食物，这将使棉花这种作物变得更为重要。因此,如何提高棉花品种的产量、品质和抗逆性并使其广泛应用于生产是当前棉花育种急需解决的科学问题。杂种优势的利用则为这一问题的解决提供了新的思路并已在很多植物中得到了广泛的应用。杂种优势的应用则主要体现在杂交种子的生产上。同其它作物一样,棉花也具有十分明显的杂种优势,优良组合的杂种一代能比常规品种增产15%左右。但目前在棉花的实际制种上，棉花杂种优势的利用主要采用人工去雄授粉法和核不育系“一系两用”法生产杂种一代种子，方法繁琐且制种成本昂贵，难以大规模地推广应用。而水稻、高梁等作物大面积利用杂种优势，主要是采用细胞质雄性不育性(CytoplasmicMaleSterility，CMS)实现“三系”配套进行F1种子生产，操作简便且制种成本低廉。尽管棉花CMS已经实现“三系”配套，但由于其恢复源狭窄以及不育胞质对杂种一代皮棉产量所产生的负效应，“三系”杂种棉选育进展缓慢，目前我国通过审定的“三系”杂种棉品种仅有银棉2号和新彩棉9号。随着转谷胱甘肽S-转移酶基因(gst)强恢复系“浙大强恢”的育成以及海岛棉中育性增强基因的发现，利用“三系”配套进行棉花大面积的杂种优势利用成为可能[2]。本文通过从细胞学、生理生化、分子生物学和育性恢复四个方面综述棉花CMS的研究进展，并对目前状况进行了展望。1.棉花CMS的细胞学研究棉花雄性不育系小孢子的败育时期各异，从花粉母细胞(PollenMotherCells,PMCs)的形成到双核花粉粒各个时期都有雄性不育发生的可能,而且大部分不育小孢子败育的持续时间比较长,不限于某一特定的时间[3]。对于棉花CMS来说，小孢子败育时期的发生主要有3种情况：（1）主要集中发生于造孢细胞增殖时期。如Murthi等[4]对哈克尼西棉CMS进行细胞学研究的结果表明不育系的雄性败育大多数发生在造孢细胞增殖期,偶尔能形成PMCs,但在减数分裂的前期Ⅰ就退化，因此导致雄性不育。而Thomber等[5]在美洲棉CMS系、黄晋玲等[6]在晋A不育系、王学德等[7]在中棉所12A、NM21A和DES-HAMS227A等也发现同样的败育情况；（2）主要集中发生于减数分裂时期。如王学德等[7]发现104-7A、湘远4–A、NM-2A和NM-3A的小孢子母细胞在造孢细胞增殖时期较少异常，但在减数分裂时期特别是减数分裂第1次分裂时期（MeiosisI）却大量败育，从而在花药内见不到四分体的形成；（3）败育时期贯穿造孢细胞增殖至减数分裂时期。如童旭宏等[8]发现来源于陆地棉新型CMS的败育时期主要发生在造孢细胞增殖时期至小孢子母细胞减数分裂前的时期。目前国内外大多数学者认为棉花胞质不育系花药绒毡层的过早退化或推迟解体与与造孢细胞和PMCs的败育密切相关。通过细胞学观察，棉花胞质不育系小孢子败育过程中主要出现的细胞形态特征为：（1）造孢组织异常。如哈克尼西棉CMS系的造孢组织在发育成熟前就已解体[4]。（2）细胞质和线粒体异常。如晋A不育系的大量小孢子母细胞在造孢细胞增殖期,细胞质大量液泡化,留下网状残体；线粒体处于解体状态,线粒体膜和内部结构模糊,基质呈半透明甚至透明状态,内嵴紊乱[6]。（3）细胞核异常。如NM21A的小孢子母细胞在减数分裂期，核仁穿壁频繁,出现2-3个微核多核细胞[7]。（4）细胞形状异常。小孢子母细胞成半月形和网状形,且连成巨型团块[7]。（5）染色体异常。在中期I出现落后染色体单体，在后期I染色体不是集中于两极，而是凝结成若干个大小不一的团块散布于两极[7]。（6）绒毡层过早退化或推迟解体。如晋A不育系的绒毡层细胞在造孢细胞增殖期就过早退化[6]。2.棉花CMS的生理生化研究正常的生理生化代谢是植物生长发育所需能量的基础，而研究育性表达过程中的生理生化代谢就对雄性不育的生化机理探讨具有重要的意义。目前已有许多学者对棉花CMS的一些生理生化指标进行了大量的研究，取得了显著成果。在碳水化合物方面，王学德[9]通过对哈克尼西棉CMS中棉所12A及其保持系中棉所12B的花药进行研究发现，从造孢细胞增殖期开始，保持系可育花药随着发育可溶性糖含量逐渐下降,淀粉积累逐渐增多,特别在PMCs减数分裂后,小孢子发育至花粉成熟过程中有大量淀粉合成。相反,不育花药中的淀粉和可溶性糖含量,从造孢细胞增殖时期起一直处于原来水平几乎不变。可见，缺乏淀粉积累是引起花药不育的重要原因。在氨基酸方面，Servella等[10]首次报道了亚洲棉CMS花药中酸性氨基酸含量较低；在氨基酸组分中，不育系叶片中天门冬氨酸和精氨酸含量较高，而保持系叶片中含量很少或完全缺失。随后邱竟[11]、王学德[12]等也在棉花不同CMS研究中发现了同样的情况。这说明氨基酸含量异常导致蛋白质合成受阻，从而引起花药不育。在酶方面，黄晋玲等[13]研究发现晋A不育系及其保持系的过氧化物酶同工酶和细胞色素氧化酶同工酶存在明显的差异，这种差异产生的时期与其细胞形态学观察到的小孢子败育时期一致。这说明雄性不育基因调控了同工酶的形成与差异。在激素方面，解海岩等[14]通过用酶联免疫检测技术对哈克尼西棉胞质不育系、保持系、恢复系和杂种F1在花药发育的5个时期内源激素含量的动态变化进行研究，结果发现在保持系、恢复系和F1的可育花药之间内源激素差异不明显,但在可育花药与不育系的不育花药间差异显著。在吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)和玉米素核苷(ZR)含量上,不育花药低于可育花药;但在脱落酸(ABA)含量上,不育花药高于可育花药。据内源激素的功能推测,不育花药IAA含量过低使花药内淀粉的积累受阻,GA3含量不足影响PMC和绒毡层细胞的膨大,过低的ZR含量使PMC不能分裂形成四分体,过高的ABA含量促进PMCs退化和死亡。在活性氧代谢方面，Jiang等[15]人通过对哈克尼西棉胞质不育系、保持系和杂种F1不同发育时期的花药进行活性氧指标及其清除酶含量研究发现，在不育系败育初期的花药中，超氧阴离子（O2–·）、过氧化氢（H2O2）、丙二醛（MDA）3个对细胞有毒性的活性氧指标均高于保持系或杂种F1的花药，同时对活性氧具有清除作用的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）3个抗氧化酶活性也随着提高，表明败育初期花药的活性氧增加对抗氧化酶有诱导作用。但在败育盛期的不育花药中，一方面O2–·、H2O2和MDA含量极显著高，另一方面SOD、CAT、POD酶活性却极显著低，导致活性氧产生与清除失去平衡，这时花粉母细胞大量凋亡。在败育后的花药中，O2–·和H2O2含量与可育花药相近，但MDA含量仍持续提高，以及SOD、CAT、POD酶活性