棉花細胞質(zhì)雄性不育研究進展

1、棉花細胞質(zhì)雄性不育研究進展         10-12-26 11:31:00     作者：趙海燕 黃晉玲    編輯：studa20摘要棉花具有十分明顯的雜種優(yōu)勢,棉花細胞質(zhì)雄性不育在棉花雜種優(yōu)勢的利用上具有重要作用。利用棉花細胞質(zhì)雄性不育和育性恢復(fù)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)人工去雄雜交育種的瓶頸,為棉花雜交種制種的商業(yè)化推廣展現(xiàn)了光明的前景。綜述了近年來棉花細胞質(zhì)雄性不育在細胞學(xué)、生理生化、分子生物學(xué)和育性恢復(fù)4個方面的研究進展。詳細闡明了棉花

2、細胞質(zhì)雄性不育小孢子敗育時期及細胞學(xué)形態(tài)、生理生化指標研究、胞內(nèi)基因組和核內(nèi)恢復(fù)基因的分子生物學(xué)研究和獲得理想恢復(fù)系的方法,并提出了研究中存在的主要問題,展望了今后工作的研究方向。 關(guān)鍵詞棉花;細胞質(zhì)雄性不育;育性恢復(fù) AbstractThere is fully apparent heterosis in cotton. Cytoplasmic male sterility(CMS) has played an important role in heterosis usage in cotton.CMS and utilization of fertility restorer syste

3、m have made a breakthrough in conquering breeding bottleneck by artificial emasculation and unfolded a bright outlook for promoting commercial production of hybrid seed. Research progress of four facials of cytology,physiological and biochemical indexes,molecular biology and fertility restoration on

4、 CMS in Gossypium hirsutum L. during the recent years were reviewed mainly in this paper. In the four facials which were reviewed mainly in this paper,period of microspore abortion and cytological morphology,physiological and biochemical indexes including carbohydrate,amino acid,enzyme and hormone,m

5、olecular biology of intracellular genome including chloroplast genome and mitochondrial genome and restoring gene in nucleus and methods of getting ideal and high resilience restorer on CMS in Gossypium hirsutum L. The objects of introducing all above these things in detail would tell peple current

6、research status of the mechanism on CMS in Gossypium hirsutum L. and provide some helps for their relevant researches. The problems existing in the present study and the prospect to the future work on CMS in Gossypium hirsutum L. were proposed,which would provide references for related researchers.

7、Key wordscotton;cytoplasmic male sterility;fertility restoration 棉花是優(yōu)質(zhì)纖維、食用油和蛋白集一身的重要經(jīng)濟作物。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)是當前棉花育種亟需解決的問題。雜種優(yōu)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(yīng)用。棉花具有十分明顯的雜種優(yōu)勢,但目前棉花雜種優(yōu)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(guī)模推廣應(yīng)用。而水稻、高粱等作物則主要采用細胞質(zhì)雄性不育性(Cytoplasmic Male Sterility,CMS)

8、實現(xiàn)“三系”配套來大面積利用雜種優(yōu)勢的,操作簡便且制種成本低。盡管棉花CMS已實現(xiàn)“三系”配套,但由于其恢復(fù)源狹窄及不育胞質(zhì)對雜種1代皮棉產(chǎn)量所產(chǎn)生的負效應(yīng),“三系”雜種棉選育進展緩慢。隨著轉(zhuǎn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(gst)強恢復(fù)系“浙大強恢”的育成以及海島棉中育性增強基因的發(fā)現(xiàn),利用“三系”配套進行棉花大面積的雜種優(yōu)勢利用成為可能1。筆者從細胞學(xué)、生理生化、分子生物學(xué)和育性恢復(fù)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(xué)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

9、不育發(fā)生的可能,且持續(xù)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(fā)生主要有3種情況:主要集中發(fā)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(xué)研究的結(jié)果表明不育系的雄性敗育大多數(shù)發(fā)生在造孢細胞增殖期,偶爾能形成PMCs,但在減數(shù)分裂的前期就退化,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。主要集中發(fā)生于減數(shù)分裂時期。如王學(xué)德等5發(fā)現(xiàn)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(shù)分裂時期特別是減數(shù)分裂第1次分裂時期(Meiosis )卻大量敗育

10、,從而在花藥內(nèi)見不到四分體的形成。敗育時期貫穿造孢細胞增殖至減數(shù)分裂時期。童旭宏等6發(fā)現(xiàn)來源于陸地棉新型CMS的敗育時期主要發(fā)生在造孢細胞增殖時期至小孢子母細胞減數(shù)分裂前的時期。 目前國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者認為棉花胞質(zhì)不育系花藥絨氈層的過早退化或推遲解體與造孢細胞和PMCs的敗育密切相關(guān)。通過細胞學(xué)觀察,棉花CMS小孢子敗育過程中主要出現(xiàn)的細胞形態(tài)特征為: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。細胞質(zhì)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(zhì)大量液泡化,留下網(wǎng)狀殘體;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

11、。細胞核異常。如NM 21A的小孢子母細胞在減數(shù)分裂期,核仁穿壁頻繁,出現(xiàn)23個微核多核細胞5。細胞形狀異常。小孢子母細胞呈半月形和網(wǎng)狀形,且連成巨型團塊5。染色體異常。在中期出現(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)成若干個大小不一的團塊散布于兩極5。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。      10-12-26 11:31:00     作者：趙海燕 黃晉玲    編輯：studa202棉花CMS的生理生化研究

12、 正常的生理生化代謝是植物生長發(fā)育所需能量的基礎(chǔ),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(xué)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(xué)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(fā)現(xiàn),從造孢細胞增殖期開始,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

13、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(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)生的時期與其細胞形態(tài)學(xué)觀察到的小孢子敗育時期一致。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)免疫檢測技術(shù)對哈克尼西棉CMS、保持系、恢復(fù)系和雜種F1在花藥發(fā)育時期內(nèi)源激素含量的動態(tài)變化進行研究,發(fā)

14、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通過對哈克尼西棉CMS、保持系和雜種F1不同發(fā)育時期的花藥進行活性氧指標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(dǎo)作用。但在敗育盛期的不育花藥中,一方面O2-&#

15、183;、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(xù)提高,以及SOD、CAT、POD酶活性持續(xù)降低,表明雄性細胞凋亡后活性氧對花藥仍有不利影響?；ㄋ嶰2-、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(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

16、定的細胞質(zhì)基因和核內(nèi)不育基因共同控制,不育系的細胞質(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。Christine13認為目前至少有14個線粒體基因與細胞質(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、cox、cox和cob)對晉A胞質(zhì)不育系和保持系線粒體DNA(mtDNA)進行了限制性片段長

17、度多態(tài)性(restricted fragment length polymorphisms,RFLP)分析,發(fā)現(xiàn)atp6和cox基因在兩者中的雜交帶型不一致;與保持系相比,atp6和cox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(nèi)或分子間重排所致,cox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,獲得了晉A不育系和保持系的orfB、cox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、cox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

18、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研究認為,棉花CMS與葉綠體RubisCO大亞基的變異有關(guān)。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(nèi)基因方面,目前國內(nèi)外主要集中在與棉花育性恢復(fù)基因相連鎖分子標記開發(fā)及遺傳圖譜的精細定位、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展。Wang等18利用RAPD、AFLP、STS、CAPS和SSR標記技術(shù)分析了(D8×SG747)&#

19、215;SG747群體,發(fā)現(xiàn)了3個新的RAPD標記和1個SSR標記,利用PPR基序設(shè)計的保守引物與AFLP組合測試回交群體得到一個與恢復(fù)基因Rf2連鎖的PPR-AFLP標記,并結(jié)合9個與Rf2緊密連鎖的分子標記構(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Rf2和Rf1都定位與D亞染色體組的LGD08連鎖群上。Zhang等19通過差異展示技術(shù)鑒定分離了不攜帶恢復(fù)基因可育的保持系A(chǔ)RK8518(rf2rf2)和含有D8胞質(zhì)近等基因系雜合體恢復(fù)系A(chǔ)RK8518(rf2rf2)在花藥組織中的差異表達基因。并首次在棉花上闡釋了CMS和其恢復(fù)系的分子機制,特別是

20、淀粉合成酶和PAT基因可能與CMS-D8中的Rf2基因相關(guān)。 4棉花CMS的育性恢復(fù) 盡管棉花CMS已經(jīng)實現(xiàn)“三系”配套,但“三系”雜種棉選育進展緩慢?？梢?棉花CMS的育性恢復(fù)是實現(xiàn)棉花雜種優(yōu)勢利用的關(guān)鍵。目前獲得恢復(fù)系的方法主要有:通過遠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和育性增強基因E,育成帶有育性增強基因E的恢復(fù)系。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,育成一個對CMS具有強恢復(fù)

21、力的恢復(fù)系“浙大強恢”。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理及其克隆都還需進一步研究。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(guān)基因

22、,從而為棉花CMS的研究打開新的局面。      10-12-26 11:31:00     作者：趙海燕 黃晉玲    編輯：studa206參考文獻 1 肖松華,劉劍光,吳巧娟,等.棉花細胞質(zhì)雄性不育與育性恢復(fù)的研究與利用J.江西農(nóng)業(yè)學(xué)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

23、 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(fā)育的超微結(jié)構(gòu)研究J.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,28(2):129-143. 5 王學(xué)德,張?zhí)煺?潘家駒.細胞質(zhì)雄性不育棉花小孢子發(fā)生的細胞學(xué)觀察和線粒體DNA和RAPD 分析J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),1998,31(2):70-75. 6 童旭宏,秦

24、利,孔廣超,等.新型陸地棉細胞質(zhì)雄性不育系花器形態(tài)學(xué)和細胞學(xué)觀察J.棉花學(xué)報,2009,21(2):83-88,5. 7 王學(xué)德.棉花細胞質(zhì)雄性不育花藥的淀粉酶與碳水化合物J.棉花學(xué)報,1999,11(3):113-116. 8 SARVELLA P,STOJANOVIC B J.Amino acids p resent inmale sterility Cotton(Gossypium hirsutum ).Can J Genet Cytol,1968(10):369-373. 9 王學(xué)德.我國棉花細胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)性的遺傳基礎(chǔ)以及不育花藥的細胞形態(tài)學(xué)和生化代謝特征D.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),1

25、994. 10 黃晉玲,安澤偉,樊冬麗.棉花晉A細胞質(zhì)雄性不育系及其保持系的同工酶分析J.山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,29(3):29-32. 11 解海巖,蔣培東,王曉玲,等.棉花細胞質(zhì)雄性不育花藥敗育過程中內(nèi)源激素的變化J.作物學(xué)報,2006,32(7):1094-1096. 12 JIANGPEIDONG,ZHANG XIAOQUAN,ZHU YUN GUO,et al. Metabo-lism of reactive oxygen species in cotton cytoplasmic malesterility and its restorationJ. Plant Cell Rep

26、,2007(26):1627-1634. 13 CHRISTINE D C. Cytoplasimic male sterility:a window to the world of plant mitochondrial nuclear interactionsJ.Trends in Genetics,2007,23(2):81-90. 14 黃晉玲.棉花晉A細胞質(zhì)雄性不育系的遺傳研究D.太谷:山西農(nóng)業(yè)大學(xué),2003. 15 危文亮,王漢中,劉貴華.植物細胞質(zhì)雄性不育性與育性恢復(fù)的分子生物學(xué)研究進展J.遺傳,2005,27(4):651-658. 16 CHEN K,MEYERV G. Mu

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28、cies G. harknessiiJ.Theor Appl Genet,1989(78):23-30. 18 WANG F,STEWART J M,ZHANG J.Molecular markers linked to the Rf2 fertility restorer gene in cottonJ. Genome,2007,50(9):818-824. 19 ZHANG J F,TURLEY R B,STEWART J M.Comparative analysis of gene expression between CMS-D8 restored plants and normal

29、non-restoring fertile plants in cotton by differential displayJ.Plant Cell Rep,2008(27):553-561. 20 SHEETZ R H,WEAVER B J J R. Inheritance of a fertility enhancer factor from Pima cotton when transferred into up land cotton with Gossypium harknessii Barandegee cytoplasm J. Crop Sci,1980(20):272-275.

30、 21 王學(xué)德,李悅有.細胞質(zhì)雄性不育棉花的轉(zhuǎn)基因恢復(fù)系的選育J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(2):137-141. 22 范萬發(fā),賀昌太,左田夫.棉花胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系選育技術(shù)探索J.棉花學(xué)報,2008,20(4):315-317.      10-12-26 11:31:00     作者：趙海燕 黃晉玲    編輯：studa206參考文獻 1 肖松華,劉劍光,吳巧娟,等.棉花細胞質(zhì)雄性不育與育性恢復(fù)的研究與利用J.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2008,20(9):8-15. 2

31、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(fā)育的超微結(jié)構(gòu)研究J.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008

32、,28(2):129-143. 5 王學(xué)德,張?zhí)煺?潘家駒.細胞質(zhì)雄性不育棉花小孢子發(fā)生的細胞學(xué)觀察和線粒體DNA和RAPD 分析J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),1998,31(2):70-75. 6 童旭宏,秦利,孔廣超,等.新型陸地棉細胞質(zhì)雄性不育系花器形態(tài)學(xué)和細胞學(xué)觀察J.棉花學(xué)報,2009,21(2):83-88,5. 7 王學(xué)德.棉花細胞質(zhì)雄性不育花藥的淀粉酶與碳水化合物J.棉花學(xué)報,1999,11(3):113-116. 8 SARVELLA P,STOJANOVIC B J.Amino acids p resent inmale sterility Cotton(Gossypium hirsu

33、tum ).Can J Genet Cytol,1968(10):369-373. 9 王學(xué)德.我國棉花細胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)性的遺傳基礎(chǔ)以及不育花藥的細胞形態(tài)學(xué)和生化代謝特征D.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),1994. 10 黃晉玲,安澤偉,樊冬麗.棉花晉A細胞質(zhì)雄性不育系及其保持系的同工酶分析J.山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,29(3):29-32. 11 解海巖,蔣培東,王曉玲,等.棉花細胞質(zhì)雄性不育花藥敗育過程中內(nèi)源激素的變化J.作物學(xué)報,2006,32(7):1094-1096. 12 JIANGPEIDONG,ZHANG XIAOQUAN,ZHU YUN GUO,et al. Metabo-lism of reactive oxygen species in cotton cytoplasmic malesterility and its restorationJ. Plant Cell Rep,2007(26):1627-1634. 13 CHRISTINE D C. Cytoplasimic male sterility:a window to the world of plant mitochondrial nuclear interactionsJ.Trends in Genetics,2007,23(2):81-90. 14 黃晉玲.棉花晉A細胞質(zhì)雄性不