植物雄性不育的機(jī)制及應(yīng)用研究進(jìn)展

王保明,陳永忠,李紅波,莫 華,黃露波

(1.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院，湖南 常德 415000; 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院/國(guó)家油茶工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

雄性不育(Male sterility)是植物界存在的普遍現(xiàn)象，是指在有性繁殖過(guò)程中雄蕊不能正常生長(zhǎng)和產(chǎn)生有效花粉，而雌蕊能正常發(fā)育和受精。在雜交育種中，以雄性不育系為材料控制授粉，可以獲得高產(chǎn)雜交品種[1-2]。迄今為止，育種工作者們已經(jīng)在玉米(Zeamays)、高粱(SorghumbicolorL.)[3]、水稻(OryzasativaL.)[4]、油菜(BrassicanapusL.)、黑麥(SecalecerealeL.)[5]、小麥(TriticumaestivumL.)、珍珠粟(PennisetumglaucumL.)等43科、162屬、320種的617個(gè)植物品種或種間雜種中發(fā)現(xiàn)雄性不育現(xiàn)象，并以此開(kāi)展雜交育種工作[6-7]。在小麥中，利用雄性不育RMs2雜交系培育了42個(gè)品種，栽培面積達(dá)1 230萬(wàn)hm2，增加小麥產(chǎn)量560萬(wàn)t[8]。在水稻中，野生敗育型胞質(zhì)雄性不育系在我國(guó)廣泛應(yīng)用并取得巨大成功，增產(chǎn)幅度達(dá)20%～30%[9]。因此，雄性不育已成為作物育種的主要方向和目標(biāo)，并在作物育種和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。分析了植物雄性不育分類學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、物質(zhì)能量代謝的特征，綜述了植物雄性不育的分子機(jī)制以及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)植物雄性不育的影響研究進(jìn)展，提出了植物雄性不育的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，旨在為植物雄性不育的研究和利用提供理論支持。

1 植物雄性不育的分類學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、物質(zhì)能量代謝特征

1.1 植物雄性不育的分類學(xué)特征

植物雄性不育的形成原因多種多樣，可以依據(jù)表型、遺傳、來(lái)源等對(duì)其進(jìn)行分類。在表型方面，依據(jù)花粉敗育的時(shí)期可分為無(wú)花粉、單核敗育、雙核敗育、三核敗育等類型；依據(jù)敗育花粉的形狀、大小和染色反應(yīng)可分為典敗、圓敗和染敗等。在遺傳方面，雄性不育可分為孢子體不育和配子體不育。依據(jù)育性表達(dá)能否發(fā)生顯著變化可分為普通型雄性不育和可轉(zhuǎn)換型雄性不育，其中，可轉(zhuǎn)換型雄性不育又分為光溫敏雄性不育和再生型雄性不育。根據(jù)不育基因、可育基因?qū)?yīng)的顯隱關(guān)系可分為隱性核不育和顯性核不育，多數(shù)核不育屬于隱性核不育，只有少數(shù)是顯性核不育，如太谷核不育小麥[10-11]。根據(jù)雄性不育材料的基因型、育性基因的位置、遺傳特征可分為細(xì)胞質(zhì)不育型、細(xì)胞核不育型(Genic male sterility,GMS)和質(zhì)核互作不育型,即“三型學(xué)說(shuō)”。有人認(rèn)為，細(xì)胞質(zhì)雄性不育實(shí)際上也是核質(zhì)互作引起的，只是目前尚未找到恢復(fù)系[12]，因此，將胞質(zhì)雄性不育和核質(zhì)基因互作產(chǎn)生的雄性不育統(tǒng)稱為細(xì)胞質(zhì)雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)，這就是所謂的“二型學(xué)說(shuō)”，即核不育型和核質(zhì)互作不育型[13]。GMS是雙授粉控制系，能阻止功能性花粉產(chǎn)生，不受細(xì)胞質(zhì)影響，沒(méi)有正反交遺傳效應(yīng)，能夠保持雌性育性，具有完全不育、恢復(fù)資源廣、高活力結(jié)合等優(yōu)勢(shì)[7,14]。GMS依據(jù)對(duì)光(溫)的反應(yīng)劃分為不同類型，如水稻GMS分為溫敏型、光敏型和溫光互作型，玉米GMS分為溫敏型和光敏型[13]。CMS呈母性遺傳，其不育核基因Ms與不育胞質(zhì)S互作產(chǎn)生不育,育性恢復(fù)基因Rf與S胞質(zhì)互作恢復(fù)育性，這種不育類型實(shí)際上是一種核質(zhì)互作現(xiàn)象[15]。CMS是普遍的三系育種系統(tǒng)，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[16-17]。根據(jù)育性恢復(fù)專效性原理可對(duì)CMS進(jìn)行分類。如玉米CMS分成T(Texas)、C(Charrua)、S(USDA)3種胞質(zhì)不育類型，其中S型為CMS中最大的類群[18]。普通小麥異源細(xì)胞質(zhì)互作形成小麥雄性不育主要包括T型、K型、V型、D型、A型、P型、85EA等[15]。在來(lái)源方面，按不育胞質(zhì)不同可分為種間置換、野生種與栽培種間的核置換以及種間不同進(jìn)化程度和地理上遠(yuǎn)距離的核置換。如水稻粳稻和秈稻亞種間的核置換及進(jìn)化程度不同或地理上遠(yuǎn)距離的秈秈間或粳粳間的核置換產(chǎn)生的野敗型、矮敗型、岡型、D型、印尼水田谷型、K型、BT、滇型、紅蓮型等不育型[10]。

1.2 植物雄性不育的細(xì)胞生物學(xué)特征

不同植物的GMS系花藥、花粉母細(xì)胞、絨氈層發(fā)育、花粉粒表現(xiàn)各異。如擬南芥溫敏雄性不育突變體atms1在低溫時(shí)與野生型無(wú)顯著差異，花粉完全可育，隨著溫度升高，其育性下降，花藥顯著分化，花粉母細(xì)胞胼胝體單薄，絨氈層發(fā)育滯后[19]。棉花Yu98-8A突變體在花粉母細(xì)胞形成時(shí)無(wú)明顯變化，在減數(shù)分裂期四分體萎縮，花粉壁上無(wú)刺狀突起，小孢子碎化，形成無(wú)花粉粒的花藥囊[11]。白菜GMS花絲短小，花藥小而干癟，顏色發(fā)白無(wú)粉，而雌蕊發(fā)育正常，有受精能力；而可育株花絲發(fā)育正常，花藥黃色且飽滿[20]。高粱雌性植株出現(xiàn)黃花藥，而其突變植株出現(xiàn)白毛柱頭、小白花藥，還出現(xiàn)花藥缺陷和無(wú)花粉粒等表型[21]。

CMS系雖具有類似于GMS系的特征，但也有自身的表型特征，具體如下：(1)花藥退化，花粉敗育。如向日葵、矮牽牛、玉米的花藥常常完全消失[7,22]；CMS甘藍(lán)型油菜多為無(wú)花粉囊型、單核花粉敗育型、花粉母細(xì)胞敗育型。在花粉敗育中，一是出現(xiàn)大量圓形敗育花粉或者淀粉積累，花粉干癟；二是出現(xiàn)大量不規(guī)則形花粉，無(wú)淀粉積累[23-24]?；ǚ蹟∮喟l(fā)生在二核、三核期，二胞花粉異常，大液泡不消失，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)不增加，細(xì)胞中無(wú)淀粉粒積累。二核期細(xì)胞核塌陷，染色質(zhì)分散，三核期核完全消失[25]。一些CMS突變體花粉沒(méi)有完全發(fā)育或完全發(fā)育但無(wú)正常功能[7,25-28]。如水稻的突變體OsDMS-1能正常開(kāi)花，但花藥狹窄蒼白，不能釋放花粉，絨氈層降解，無(wú)淀粉積累[29]。(2)雄性器官轉(zhuǎn)化為花瓣或雌性器官。如Sp-cytoplasm胡蘿卜、煙草、甘藍(lán)、車前草的花藥轉(zhuǎn)化為類花瓣器官；CMS油菜的四強(qiáng)雄蕊轉(zhuǎn)化為類柱頭的心皮結(jié)構(gòu)和類胚珠[26]。

1.3 植物雄性不育的物質(zhì)能量代謝特征

當(dāng)植物發(fā)生雄性不育時(shí)，線粒體不能滿足能量需求。CMS三核花粉小孢子中的線粒體數(shù)量少且體積小，基質(zhì)稠密，膜通透性增加，膜電位下降，ATPase的數(shù)量和活性降低[30-32]?；ㄋ幹蠥TPase減少會(huì)導(dǎo)致ATP催化和水解效率降低，尤其是ATP水解導(dǎo)致小孢子無(wú)ATPase活性[33]；ATP減少還會(huì)導(dǎo)致絨氈層中未成熟細(xì)胞程序化死亡(PCD)，淀粉粒、脂類積累終止，多糖、蛋白質(zhì)、脂類含量降低[34]。蛋白質(zhì)對(duì)支撐花粉結(jié)構(gòu)、酶類分泌有主要作用，對(duì)花粉發(fā)育起著重要作用。不育系中的游離組蛋白含量低于保持系，氨基酸含量低于保持系和恢復(fù)系。脯氨酸含量是花粉是否可育的標(biāo)志，其降低可引起糖代謝受阻、其他氨基酸含量降低,進(jìn)而導(dǎo)致雄性不育[35]。如玉米CMS花藥的脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、淀粉酶活性顯著降低[36]。另外，在一些植物(如桔梗)中，活性氧(Reactive oxygen species,ROS)代謝紊亂、丙二醛積累也會(huì)造成雄性不育[37]。絨氈層能為小孢子和花粉粒發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)，花藥中絨氈層未成熟細(xì)胞PCD會(huì)導(dǎo)致小孢子死亡。絨氈層分泌酶用于減數(shù)分裂四分體的胼質(zhì)體壁釋放小孢子，并提供花粉外壁合成的前體。絨氈層中PCD能誘導(dǎo)H2O2或線粒體釋放細(xì)胞色素c，PCD激活后，由半胱氨酸蛋白酶介導(dǎo)的蛋白質(zhì)級(jí)聯(lián)水解導(dǎo)致核DNA降解[7]。

2 植物雄性不育的分子機(jī)制研究

2.1 植物雄性不育的遺傳學(xué)特征、分子標(biāo)記與基因型的鑒定與應(yīng)用

CMS是由線粒體基因組序列變化引起，這些變化包括單核苷酸多態(tài)性(SNP)、插入/缺失突變(InDels)、DNA重組等[7]。CMS與DNA甲基化關(guān)系密切，不育胞質(zhì)的差異會(huì)影響DNA甲基化程度和遺傳關(guān)系。如小麥K型不育胞質(zhì)對(duì)DNA甲基化位點(diǎn)比率、完全甲基化位點(diǎn)、多態(tài)性、遺傳距離的影響大于T型、S型[17]。DNA甲基化能改變基因表達(dá)并影響細(xì)胞功能，多發(fā)生于CpG二核苷酸，廣泛存在于植物基因組。利用甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性(MSAP)可以估計(jì)DNA的甲基化程度，揭示植物的遺傳多樣性、發(fā)育、分化、生物與非生物脅迫、外源基因組的影響、異源多倍體的形成等機(jī)制[17]。目前，MSAP已在擬南芥[38]、辣椒(CapsicumannuumL.)[39]、甘藍(lán)(Brassicaoleracea)[40]、大花蕙蘭(Cymbidiumhybridium)[41]、人參(Eleuterococcussenticosus)[42]、香蕉(Musaacuminata)[43]、大麥(Hordeumbrevisubulatum)[44]、小麥、棉花(GossypiumhirsutumL.)[45]、水稻[46]中廣泛應(yīng)用并取得了顯著效果。

通過(guò)基因型變異能夠選擇穩(wěn)定的雜交后代，但環(huán)境效應(yīng)引起的育性恢復(fù)表型難以鑒別[38,47]。通過(guò)隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性(RAPD)、DNA特定序列擴(kuò)增 (SCAR)、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(AFLP)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列(SSR)、InDel等標(biāo)記能夠鑒定植株的多態(tài)性，篩選出GMS基因的連鎖標(biāo)記[26,48]。如在水稻光溫敏GMS系中，利用SSR、InDel分子標(biāo)記結(jié)合分離群體分組分析(BSA)，定位了不育基因PTGMS2-1，并獲得它的InDel連鎖標(biāo)記，在水稻全生育期內(nèi)，利用PTGMS2-1連鎖標(biāo)記對(duì)子代進(jìn)行正向選擇，選育出了品質(zhì)優(yōu)、配合力好、綜合抗性強(qiáng)的光溫敏核不育系[48]。油菜熱敏顯性GMS系BntsMs突變受單個(gè)顯性基因控制，從該系中篩選出AFLP、內(nèi)含子多態(tài)性(IP)標(biāo)記、BntsMs連鎖，并發(fā)現(xiàn)了新的雄性不育基因[26]。因此，分子標(biāo)記在不育基因的選擇與定位、跟蹤鑒定新不育基因以及不育株的早期篩選、提高恢復(fù)基因選擇效率和雜種純度鑒定等方面發(fā)揮著重要作用。

基因分型是鑒定雄性不育的重要方法。在黑麥中應(yīng)用DNA差異芯片顯示技術(shù)(Diversity Arrays Technology,DArT)獲得了高密度黑小麥圖譜。在此基礎(chǔ)上，誘導(dǎo)C型細(xì)胞質(zhì)不育，定位Rfc1，恢復(fù)育性[49]。利用SNP矩陣可以鑒定無(wú)頭中國(guó)白菜WS24-3中的SNP位點(diǎn)，根據(jù)SNP、AS-PCR、SSR確定不育基因，獲得共分離標(biāo)記，以利于圖位克隆基因[50]。TANG等[9]在水稻中利用CMS-WA(Wild Abortive type of CMS)系、恢復(fù)系、雄性不育個(gè)體、子代群體繪制含有rf3、rf4的基因圖譜，其中，rf4編碼蛋白質(zhì)含有線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)肽PPR9-782、PPR9-409模塊，它所在染色體區(qū)域內(nèi)還編碼有Rf1a (PPR3)、Rf1b (PPR2)、PPR7、PPR9、PPR10蛋白質(zhì)模塊。上述所有蛋白質(zhì)模塊與Rf1a所編碼蛋白PPR3-791-M高度相似[9]。

2.2 植物雄性不育的形成機(jī)制

造孢細(xì)胞分化、小孢子發(fā)育及減數(shù)分裂、花粉或花藥分化異常會(huì)導(dǎo)致雄性不育[37,51]?；ㄋ幖?xì)胞分化過(guò)程紊亂會(huì)引起花粉敗育而導(dǎo)致雄性不育[37,52]。在CMS中，種內(nèi)或?qū)賰?nèi)雜交的異源胞質(zhì)調(diào)控核基因的衰退信號(hào)，這種衰退信號(hào)影響著花粉的育性。當(dāng)不育胞質(zhì)與育性胞質(zhì)雜交時(shí)產(chǎn)生雄性不育后代，可以通過(guò)反復(fù)回交選擇雄性不育表型[7]。不育胞質(zhì)與隱性核基因rf互作導(dǎo)致雄性不育，保持系和恢復(fù)系的基因型是Rf，核Rf基因通過(guò)mRNA剪切/降解、轉(zhuǎn)錄后抑制CMS的基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄后修飾等恢復(fù)育性[53]。在CMS三系水稻雜交系中恢復(fù)系基因型Rf1能夠恢復(fù)BT-型[Chinsurah Boro Ⅱ(BT)-type]CMS的育性[54]。光溫敏GMS基因是兩系不育系的核心，目前已發(fā)現(xiàn)的水稻光溫敏GMS基因有pms1、pms、pms3、tms1、tms2、tms3、tms4、tms5、tms6、rtms、Ms-h。其中，水稻pms1精細(xì)定位于第7染色體上的85 kb區(qū)間內(nèi)，pms3精細(xì)定位于第12 條染色體上的28.4 kb區(qū)間內(nèi)，tms5定位在細(xì)菌人工染色體(Bacterial artifical chromosome,BAC) 克隆AP004039上的19 kb區(qū)間內(nèi)[48]。

一個(gè)植物細(xì)胞含有約200個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體含有1個(gè)或多個(gè)拷貝線粒體基因組[7]。不同于動(dòng)物線粒體基因組小而且基因密集，植物線粒體基因組一般較大，含有細(xì)胞核、質(zhì)體、外源DNA等，它們頻繁重組后產(chǎn)生重組基因組。在自然條件下，野生雜交、體細(xì)胞融合會(huì)產(chǎn)生線粒體基因組或?qū)е戮€粒體基因型的變化進(jìn)而導(dǎo)致CMS。目前,已經(jīng)從這些變化的基因組或基因型中分離出ATPase、細(xì)胞色素c氧化酶、核糖體蛋白等基因，如由線粒體基因WA352c產(chǎn)生的水稻CMS廣泛應(yīng)用于雜交水稻育種[55]。外源DNA表達(dá)也會(huì)導(dǎo)致水稻雄性不育，其過(guò)量表達(dá)會(huì)打破細(xì)胞內(nèi)酶平衡而影響小孢子發(fā)育[55]。RNA編輯(胞苷-尿苷的mRNA編輯)可改變轉(zhuǎn)錄后修飾過(guò)程，導(dǎo)致氨基酸編碼信息的修飾或產(chǎn)生新的起始密碼子和(或)終止密碼子，從而獲得新的基因表型。有時(shí)還可以通過(guò)未編輯線粒體基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)獲得雄性不育植株[7]。此外，發(fā)生雄性不育通常是缺少參與花粉形成的蛋白質(zhì)或酶。如在玉米雄性不育突變體gaMS-2中，減少Zea m 1表達(dá)與不育性相關(guān)聯(lián)[56]；擬南芥雄性不育突變體與FLP1蛋白相關(guān)聯(lián)[51,57]。核糖核酸酶與雄性不育關(guān)系密切。從減數(shù)分裂期到單核初期，不育株花藥中該酶的活性高于可育株，其活性與RNA、可溶性蛋白質(zhì)含量成反比[58]。如核酸內(nèi)切酶Ems26+能夠在水稻、高粱Ms26基因中產(chǎn)生定位突變，使突變體呈現(xiàn)出隱性雄性不育的表型[59]。

2.3 轉(zhuǎn)錄因子參與植物雄性不育花粉絨氈層的降解

在大麥中，同源結(jié)構(gòu)域(PHD)轉(zhuǎn)錄因子MS1在花藥絨氈層中的四分體后期和小孢子釋放期表達(dá)，其沉默和過(guò)量表達(dá)均會(huì)導(dǎo)致雄性不育[2]。在擬南芥中，DYT1[60-61]、AMS1[62-63]、MS[64]、DYT1[65]影響孢子的減數(shù)分裂、絨氈層降解、花粉形成，是發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。其中，dyt1突變體在花藥減數(shù)分裂第4階段開(kāi)始出現(xiàn)花藥形態(tài)異常，絨氈層細(xì)胞過(guò)剩，空泡增大，缺乏致密的細(xì)胞質(zhì)。突變體母細(xì)胞能夠完成減數(shù)分裂Ⅰ，但無(wú)厚的胼質(zhì)細(xì)胞壁，不能完成胞質(zhì)分裂，最終塌陷[60-61]。水稻絨氈層、花粉的形成與擬南芥相似。水稻OsUTD1基因編碼的堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白bHLH (Basic helix-loop-helix protein)在絨氈層中扮演類似于轉(zhuǎn)錄因子AtDYT1的角色[65]；OsTDR轉(zhuǎn)錄因子在絨氈層發(fā)育、油脂轉(zhuǎn)運(yùn)、花粉壁形成中發(fā)揮著重要作用[2,66-67]。AMS、MS功能失常后的表型特征相似，均表現(xiàn)為絨氈層細(xì)胞提前或延遲降解使花粉形成受阻而敗育[68]。其中，AMS能夠調(diào)控絨氈層分泌和形成花粉壁物質(zhì)，在小孢子和未成熟花粉粒中影響絨氈層到心室的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，在絨氈層、花粉有絲分裂Ⅰ、二胞花粉中大量表達(dá)，其缺失會(huì)導(dǎo)致絨氈層細(xì)胞空泡化，小孢子降解[62,69]。如在擬南芥ams突變體中，未成熟花粉細(xì)胞壁的小孢子細(xì)胞質(zhì)減少、小孢子降解；成熟花藥中缺少花粉，花絲減少，絨氈層異常變大或空泡[62]。而MS位于絨氈層細(xì)胞核，參與花粉外壁形成和絨氈層發(fā)育，是控制孢子體發(fā)育的關(guān)鍵因子，在絨氈層分化、花粉壁與小孢子形成、孢粉素生物合成中發(fā)揮重要作用[64,70]。擬南芥中MS1和MS2基因表達(dá)出現(xiàn)類似ams的表型特征[62]。MS1多在花粉形成與發(fā)育早期表達(dá)，在絨氈層的小孢子釋放期表達(dá)，MS1缺失會(huì)導(dǎo)致絨氈層分泌和花粉外壁發(fā)生變化[64,70-72]。擬南芥ms1突變體單核和二核花粉的外壁發(fā)育失常，絨氈層沒(méi)有發(fā)生未成熟細(xì)胞PCD[70]，其純合子突變體花粉表型正常，但缺乏活力，降解后絨氈層出現(xiàn)空泡[64]。而MS2基因在小孢子中特異表達(dá)，并參與花粉壁和孢粉素的合成[71,73-74]；小孢子外壁中的MS2蛋白大量積累時(shí)，導(dǎo)致花粉外壁發(fā)育失常[75-76]。

2.4 基因表達(dá)調(diào)控對(duì)植物雄性不育的影響

目前，在三系雜交水稻中，利用CMS-WA/Rf恢復(fù)系統(tǒng)已經(jīng)鑒定了Rf1a、Rf1b、Rf3、Rf4、WA352等基因。其中，Rf1a、Rf1b基因編碼RNA結(jié)合蛋白PPR，該蛋白質(zhì)沒(méi)有內(nèi)切酶活性，能夠形成功能性復(fù)合體，在細(xì)胞器的mRNA轉(zhuǎn)錄后的編輯、剪切、降解、翻譯等過(guò)程中發(fā)揮作用[9]。Rf3、Rf4分別位于第1、10條染色體上，控制著CMS-WA的育性恢復(fù)[9]。WA352優(yōu)先在花藥絨氈層中表達(dá)，并與核基因編碼的線粒體蛋白互作，引起絨氈層未成熟細(xì)胞PCD，最終導(dǎo)致雄性不育。

目前，已經(jīng)從擬南芥、番茄、枸杞、菜心、陸地棉等植物中鑒定出許多與花粉發(fā)育、絨氈層降解、細(xì)胞PCD、胼胝質(zhì)水解蛋白、抗脅迫蛋白、轉(zhuǎn)錄和翻譯因子相關(guān)的基因[52]。在擬南芥中，過(guò)量表達(dá)的天冬氨酸蛋白酶在未成熟細(xì)胞PCD中扮演抗死亡因子的角色而導(dǎo)致雄性不育[77]。而胼胝質(zhì)合成酶突變會(huì)導(dǎo)致棉花小孢子降解和雄性不育[52]。在ams突變體中，1-型LTP(Lipid transfer protein，Locus tag:At3g51590)、2-型LTP(Lipid transfer protein type 2，Locus tag:At1g66850)油脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白顯著減少[70]。在番茄雄性不育系中，半胱氨酸蛋白酶抑制劑基因表達(dá)量增加影響了細(xì)胞PCD蛋白水解而造成不育[78]。番茄7B-1雄性不育突變體花藥的絨氈層降解，蛋白酶體和5B蛋白含量降低。枸杞Y(jié)X-1雄性不育突變體花藥中的抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷氨酰胺合成酶(GS)、ATP合成酶亞基、查爾酮合酶、類查爾酮合酶、胼胝體合成酶催化亞基、半胱氨酸蛋白酶、5B蛋白、烯?；?ACP還原酶、14-3-3蛋白、通用轉(zhuǎn)錄因子BTF3基因的表達(dá)量下降[79]。在菜心雄性不育系中，脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)合膜蛋白基因LTP12、油脂結(jié)合蛋白基因GRP14表達(dá)受到抑制，而葉綠素基因PSBA、ELIP1表達(dá)量增加，最終導(dǎo)致有機(jī)物合成受到抑制，含量下降[37,69]。陸地棉不育花藥中的胞漿APX1、谷氨酰胺tRNA合成酶、光合作用酶等含量降低，而依賴ATP的RNA解旋酶eif4a-13、NADH脫氫酶亞基1、烯醇酶、赤霉素-20氧化酶、赤霉素3-羥化酶1、乙醇脫氫酶、3-酮脂酰-CoA合成酶、海藻糖-6-磷酸合酶等含量大量增加[52]。雄性花藥中的GS能夠減少谷氨酰胺含量而導(dǎo)致雄性不育，其2個(gè)異構(gòu)體GS1、GS2催化谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸而導(dǎo)致小孢子不能發(fā)育成為具有正常功能的花粉粒[52]。

在CMS植物中線粒體基因Atp6、Atp8、Atp9等能夠誘導(dǎo)雄性不育[80]。Atp6是參與能量供應(yīng)的重要線粒體功能基因，它與編碼細(xì)胞毒性蛋白Orf507相互作用引起Atp轉(zhuǎn)錄大幅下降，導(dǎo)致ATP合成酶的活性和含量降低而影響花粉發(fā)育[80]。雄性不育胡蘿卜中的線粒體Atp9過(guò)量表達(dá)。在小麥/黑小麥、大豆、向日葵中，線粒體Atp1與Atp9共轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致ATP合成酶活性受損，使ATP減少而阻礙花粉正常發(fā)育,出現(xiàn)絨氈層過(guò)度生長(zhǎng)、高度液泡化、提早或延遲解體,最終導(dǎo)致CMS[23,31,81]。在辣椒中，伴隨花粉敗育，Ψatp6-2基因增強(qiáng)ATP水解活性而導(dǎo)致CMS，而沉默該基因會(huì)抑制ATP水解而恢復(fù)育性[33]。

3 生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)植物雄性不育的影響

內(nèi)源生長(zhǎng)素(IAA)虧損、脫落酸(ABA)增加、赤霉素(GA)含量下降、乙烯過(guò)度產(chǎn)生等均可能導(dǎo)致雄性不育。在花粉發(fā)育期，特別是從孢子細(xì)胞形成到減數(shù)分裂期，IAA保持較低水平，編碼IAA水解酶ILR1前體的基因表達(dá)量顯著下降[11]。ABA通過(guò)抑制IAA合成來(lái)調(diào)控IAA，降低IAA含量而導(dǎo)致雄性不育。在花粉母細(xì)胞形成期，較高的ABA含量對(duì)花粉母細(xì)胞形成有利；但在減數(shù)分裂期，ABA含量過(guò)高會(huì)影響四分體形成而引起花粉敗育。GA能夠促進(jìn)花發(fā)育，其含量降低會(huì)引起花粉異常發(fā)育而導(dǎo)致雄性不育。如GMS突變體花芽中的GA含量較野生型低[82]。乙烯不僅能夠阻礙IAA的合成和運(yùn)輸，還可提高吲哚乙酸氧化酶活性，降低IAA含量，間接影響雄性敗育[83]。此外，外施IAA和ABA可抑制一些植物的雄性表達(dá)而誘導(dǎo)不育，如菠菜、玉米、番茄等利用外施IAA可得到雄性不育株[35]。

4 植物雄性不育的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 植物雄性不育材料獲取方法的選擇與評(píng)估

雄性不育材料的獲取方法有多種。一是從自然界基因突變資源中尋找雄性不育突變植株，如太谷核小麥?zhǔn)翘烊煌蛔兊男坌圆挥←?，以其作為育種材料已廣泛應(yīng)用于小麥育種實(shí)踐。但該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效率低下。二是利用種間或種內(nèi)雜交、多代回交獲得雄性不育材料，雜交育種方法包括化學(xué)雜交試劑法(CHA)、CMS、GMS、遺傳修飾GMS等[84]。其中，CHA相對(duì)容易，不需要CMS系、正常胞質(zhì)保持系、Rf基因保持系，但可能出現(xiàn)毒性問(wèn)題。目前，幾乎所有歐洲雜交小麥育種均采用CHA，但該方法會(huì)增加成本并導(dǎo)致種子發(fā)芽不良、幼苗活力低下。CMS法成本較高且麻煩，且會(huì)縮小遺傳基礎(chǔ)、增大遺傳脆弱性，產(chǎn)生有害胞質(zhì)。光合敏感的GMS品種僅限于育性恢復(fù)系，遺傳修飾GMS還未在實(shí)踐中應(yīng)用[83]。光溫敏GMS是兩系不育系的核心。將環(huán)境敏感型GMS引入兩系雜交水稻，其產(chǎn)量較三系雜交水稻顯著增加[8]。光周期敏感型PGMS系和熱敏型TGMS系在長(zhǎng)日照和(或)高溫下表現(xiàn)為雄性不育，而在短日照和(或)低溫下雄性表現(xiàn)為可育，消除了CMS系的一些限制。可以利用分子標(biāo)記輔助選擇，集中表達(dá)光溫敏不育基因，以獲得重組光敏不育系或光溫敏不育系，從而提高短日照高溫條件下的產(chǎn)量。因此，光溫敏GMS將會(huì)成為CMS系最有前途的替代品而被廣泛應(yīng)用到育種工作中。

隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，插入突變、外源基因?qū)搿NA干擾、病毒誘導(dǎo)基因沉默(VIGS)等廣泛應(yīng)用于雄性不育育種工作中,如構(gòu)建啟動(dòng)子與核糖核酸酶的表達(dá)體，利用內(nèi)切酶產(chǎn)生雄性不育基因突變體，將煙草和水稻花藥絨氈層和花粉中的特異啟動(dòng)子與核糖核酸酶基因構(gòu)成嵌合基因，轉(zhuǎn)基因到正常油菜、煙草、番茄、小麥、水稻中可以產(chǎn)生雄性不育系[84]；利用T-DNA插入獲得了水稻雌雄雙不育突變體Osfmds、多雄不育突變體Osmlp。將E.coli的argE基因融合到水稻花粉過(guò)敏原(OSIPA)的啟動(dòng)子中獲得含有argE的轉(zhuǎn)基因植物，在這些植物中使用N-乙?；?草丁膦后，由于argE表達(dá)而造成完全不育；當(dāng)不使用N-乙酰基-草丁膦時(shí)，含有argE的轉(zhuǎn)基因植株自花可育，這種不育系不需特異的恢復(fù)系[85]。因此，基因工程將是實(shí)現(xiàn)雄性不育的有效途徑，但能否為消費(fèi)者接受仍然未知，其推廣應(yīng)用取決于安全、規(guī)范以及公眾的接受程度。

4.2 選擇適當(dāng)時(shí)期、方法、合適的試驗(yàn)材料

研究植物雄性不育的機(jī)制首先要確定雄性不育發(fā)生的時(shí)期。棉花野生型與GMS突變體Yu98-8A的孢子母細(xì)胞無(wú)明顯差別，但在減數(shù)分裂期突變體絨氈層皺縮，有刺狀突起，小孢子碎化，出現(xiàn)無(wú)花粉粒的花藥囊[11,86]。其次是選擇合適的方法。采取化學(xué)試劑、紫外線照射可以直接誘導(dǎo)雄性不育突變體，如在小麥中通過(guò)殺雄劑SQ-1、化學(xué)殺雄劑Ⅲ號(hào)(吡喃酮類衍生物)處理獲得雄性不育材料或者篩選雜交后代，發(fā)現(xiàn)新的雄性不育突變體[86]。再次，選擇合適的試驗(yàn)材料。選擇遺傳背景相同的材料有利于揭示雄性不育的發(fā)生機(jī)制，如棉花雄性不育突變體Yu98-8A由1對(duì)隱性基因控制，由于遺傳背景相同，可用作理想的遺傳材料來(lái)研究雄性不育的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和潛在的花粉敗育機(jī)制，通過(guò)定向育種獲得具有雜交優(yōu)勢(shì)的新品種。

4.3 篩選出穩(wěn)定優(yōu)良的植物雄性不育雜交系和授粉系，實(shí)現(xiàn)雄性不育與可育的轉(zhuǎn)化

光敏胞質(zhì)雄性不育(PCMS) 小麥在長(zhǎng)日照條件下產(chǎn)生核質(zhì)雜種，并出現(xiàn)高度雄性不育；而在短日照下則高度可育，可篩選出穩(wěn)定的授粉系[87]。在高粱GMS中，利用甲磺酸乙酯(EMS)誘變核基因可獲得新的突變體。該突變體在大田、溫室等不同環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，是理想的雄性不育突變體。由此可見(jiàn)，不育與可育的轉(zhuǎn)化是獲得雄性不育系較為可行的方法。

4.4 基于分子技術(shù)的多學(xué)科融合，深化植物雄性不育機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)，提高選擇效率，獲得高產(chǎn)不育系

表觀遺傳調(diào)控(DNA甲基化、RNA編輯等)是揭示高等植物CMS機(jī)制和作用模式的關(guān)鍵，如不育水稻的超甲基化能夠抑制油菜素內(nèi)酯下游基因的表達(dá)而影響雄性不育，因此，表觀遺傳調(diào)控將是今后研究的方向。今后還應(yīng)著重研究核質(zhì)變化對(duì)雄性不育遺傳的影響，全面深化對(duì)植物雄性不育機(jī)制的認(rèn)識(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)制探索和實(shí)踐應(yīng)用的有機(jī)融合[86]；利用表型鑒定、線粒體活性分析及線粒體膜電位MMP分析、蛋白質(zhì)電泳分離、蛋白質(zhì)表達(dá)譜鑒定、蛋白質(zhì)差異表達(dá)測(cè)定、差異雜交基因鑒定等揭示雄性不育的機(jī)制；利用BSA與高通量RNA-seq測(cè)序相結(jié)合構(gòu)建高密度連鎖圖譜、鑒定育性恢復(fù)基因，獲得新的分子輔助育種標(biāo)記。比較分析正常發(fā)育與雄性不育線粒體，鑒定與CMS表型相連鎖的細(xì)胞型，結(jié)合新一代轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、蛋白質(zhì)組學(xué)分析為雄性不育提供新的證據(jù)。

在細(xì)胞形態(tài)學(xué)和表觀遺傳鑒定的基礎(chǔ)上，利用RAPD、SCAR、AFLP、SSR、InDel等分子標(biāo)記篩選遺傳群體，選擇、定位、發(fā)現(xiàn)新的不育基因，以提高選擇效率、縮短育種年限，選育出品質(zhì)優(yōu)、配合力好、抗性強(qiáng)的高產(chǎn)不育系。在生產(chǎn)中應(yīng)充分利用雄性不育系的增產(chǎn)潛力，減少自花授粉引起的品種退化，以種內(nèi)或?qū)賰?nèi)雜交的異源CMS母本連續(xù)回交獲得遺傳穩(wěn)定的高產(chǎn)后代。品種疊加效應(yīng)為作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供了巨大可能，因此，著力抓好授粉植株的選擇、數(shù)量、合理配置與分布，充分發(fā)揮品種疊加效應(yīng)，進(jìn)一步提高植物雄性不育的利用效率，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，是今后研究和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。