工業(yè)大麻雄性不育研究進(jìn)展

張效霏 張利國

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086）

1904年K.Koppehc確定了香薄荷屬雄性不育性狀的事實，揭開了在雄性不育方面開展深入研究的序幕。研究人員在多種植物上發(fā)現(xiàn)雄性不育現(xiàn)象，目前已在玉米、糖甜菜、高粱、番茄等農(nóng)作物上得到實際應(yīng)用[1]。大麻植株在生育期間會形成大量雄花，這些花在花序上出現(xiàn)時間相當(dāng)長。在大麻雜交育種中，若將雌雄異株大麻類型用作原始材料，開花前須拔除全部雄性植株，這項作業(yè)需要進(jìn)行多次，且要求特別精細(xì)[2]；若將雌雄同株大麻類型用作原始材料，則在整個開花期間須每天人工除掉雄花，這只能在數(shù)量有限的植株上行得通。由此可見，在進(jìn)行大麻雜交育種時，去除雄花或拔除雄株需要花費大量人工勞動。用乙烯利給雄花化學(xué)去雄技術(shù)已在大麻上得到應(yīng)用。但是，植株用乙烯利處理一段時間后，在幼芽上又會形成可育雄花，需要用乙烯利重復(fù)多次處理植株去雄。因此，研究大麻雄性不育性有重要意義。

1 大麻雄性不育性的表型性狀

大麻雄性不育性狀遺傳在1969年被首次報道，后來在大麻種群中發(fā)現(xiàn)了6個基因型的雄性不育源[3]，其雌花發(fā)育正常、可育。家系IOCO-3和T10-5植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在盛蕾期和始花期，家系IOCO-2和IOCO-21植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在盛花期，家系Oih5-4植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在可育個體雄花謝花期，IOCO-14-6植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在營養(yǎng)生長末期向生殖生長轉(zhuǎn)變的階段。不育植株少量雄花在濕冷天氣能稍開放或完全開放，開放花與可育植株不同的是花被片薄而蒼白，花藥空或半空、有皺褶、不散粉[4]。研究表明，大麻所有家系的雄性不育植株上雄花構(gòu)件的體積比可育植株小得多，最明顯的差異表現(xiàn)在家系T10-5上。雄性不育系IOCO-3的特征是植株低矮，植株上部特別是花序生長受抑制。其莖直徑與株高的比值略高，節(jié)間縮短，植株濃綠色，葉片較普通可育植株大。雄性不育系IOCO-14-6的表型性狀與其他雄性不育系有本質(zhì)區(qū)別。 IOCO-3、T10-5、IOCO-2、IOCO-21 和 Oih5-4 等雄性不育系的雄花發(fā)育未表現(xiàn)出與生殖器官性變異有關(guān)的任何異常，但雄性不育系IOCO-14-6表現(xiàn)出間性類型的雌雄同株大麻雄性不育性：雄花轉(zhuǎn)變成兩性花，在兩性花上生殖器官不育；而雌花則發(fā)育正常，能結(jié)出全價種子。

雄性不育系IOCO-14-6在植株現(xiàn)蕾期雄花花蕾生長緩慢，既小又表現(xiàn)大小一致，著綠色；然后雌蕊的柱頭從花蕾中伸出，雄花花被片加大，逐漸變?yōu)榛?、無序張開或脫落?；ㄐ蛏仙虚g性花的區(qū)域呈現(xiàn)畸形性狀，這種性狀到植株成熟時表現(xiàn)更明顯[5]。雄性不育系IOCO-14-6的花間性程度因天氣條件而變化。在高溫干旱年份，雌蕊發(fā)育較弱，柱頭不伸出花蕾，花能以花蕾形態(tài)脫落；相反，濕冷的天氣條件促進(jìn)雌蕊形成，雌蕊柱頭從花蕾向外伸出并明顯超過被片長度，然后逐漸干枯。在濕冷的天氣條件下，花會牢固地留在花序上直到植株成熟。所有6個雄性不育系植株的共同特征是生育期比可育個體略長。

2 大麻雄性不育性的細(xì)胞胚胎學(xué)特點

大麻可育植株的雄花一開始胚組織呈小突起狀，花原基周邊出現(xiàn)增生物，這些增生物后來發(fā)育成花被片；對著花被片在花原基的中心部也形成相似的增生物，這些增生物進(jìn)一步分化成花藥和花絲。在雄花發(fā)育初期，花被片和雄蕊平行發(fā)育。后來花被片超過雄蕊的發(fā)育速度，頂端合攏形成閉合的花蕾。雄蕊原基橫斷面上一開始呈半圓形，但其頂端很快變平坦而基部稍微加粗。接著幾乎同時形成4條花藥裂紋，把花藥分隔成4個花藥室，花藥縱斷面呈4裂輪廓，花藥形成后才發(fā)育花絲。大麻幼小花藥一開始由分生細(xì)胞構(gòu)成，被表皮覆蓋?；ㄋ幊跏挤只^程中在離表面不遠(yuǎn)的4個角分出4組細(xì)胞，由這些細(xì)胞形成花藥室的初生孢原組織。初生孢原組織通過分裂形成周壁層和次生孢原組織，細(xì)胞周壁層繼續(xù)分裂而形成2個新層：一個是貼向表皮、發(fā)育成藥室內(nèi)壁的外層，另一個是與孢原組織毗鄰的內(nèi)層。3層花藥階段持續(xù)時間不長，因為內(nèi)層很快分裂形成2個中間層和1個絨氈層。由此可見，大麻花藥壁完全形成后由5層構(gòu)成，即表皮、藥室內(nèi)壁、2個中間層和1個絨氈層。大麻不育植株的雄花與正常發(fā)育雄花的區(qū)別不僅在外表，還發(fā)生深刻的內(nèi)部改造，而且花藥的外形變異與雄蕊原基胚組織的內(nèi)部改造密不可分，這最終導(dǎo)致花粉不育甚至根本無花粉。

2.1 花藥壁層發(fā)育異常

小孢子研究顯示，不同大麻家系雄性不育植株與可育植株的區(qū)別在于花藥壁層形成的實質(zhì)性反常。大麻家系雄性不育的雄花上，表皮和藥室內(nèi)壁等的細(xì)胞退化過程比可育花更明顯[6]，細(xì)胞壁變薄，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核被破壞。不育花藥的藥室內(nèi)壁細(xì)胞的纖維化加厚表現(xiàn)較弱，阻礙了花藥裂縫的形成，影響花粉從花藥中逸出。與此同時，花藥的中間層不退化，與正常發(fā)育雄花一樣。不育花藥的內(nèi)中間層保持到花發(fā)育結(jié)束，內(nèi)中間層的細(xì)胞含流態(tài)細(xì)胞質(zhì)，核不清晰。外中間層細(xì)胞退化程度較低，只有一部分內(nèi)容物損失，細(xì)胞基本上保持原狀。

雄性不育植株花藥中間層退化過程的弱化原因是花藥壁的相鄰層（花藥內(nèi)壁和絨氈層）正常功能失調(diào)。如家系Fayxobcka不育花絨氈層細(xì)胞核分裂不活躍，使絨氈層組織的形成晚于可育花。另外，還發(fā)現(xiàn)其他類型的絨氈層異常：一是絨氈層細(xì)胞衰亡。絨氈層細(xì)胞異常開始于單核階段，具體表現(xiàn)是核體積縮小、顏色發(fā)暗。二是形成同質(zhì)型絨氈層。絨氈層細(xì)胞溶解，變成既無細(xì)胞又無核的松散暗色物質(zhì)，逐漸進(jìn)入花藥室腔，占據(jù)單核花粉粒之間的空間。

2.2 減數(shù)分裂發(fā)育異常

從大麻雄性不育植株上還發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂失調(diào)，這雖與可育個體情況相同，但前者比率明顯高。最常遇到的減數(shù)分裂失調(diào)包括中期和后期分裂中的染色體脫離、分裂后期出現(xiàn)染色體滯后、形成后期染色體橋和在末期形成染色體小核。前一種減數(shù)分裂反常性狀及表現(xiàn)程度，在不育植株的不同花上有所不同。在絨氈層組織衰亡情況下，減數(shù)分裂明顯反常，花藥變空。在絨氈層肥大（經(jīng)常發(fā)生）的情況下，小孢子發(fā)生實質(zhì)變化發(fā)生于單核花粉粒階段。與可育植株相比，雄性不育植株花藥內(nèi)減數(shù)分裂波的方向變化明顯?？捎愋蜏p數(shù)分裂開始于花藥中部，然后向2個對立端擴(kuò)展；而不育類型的減數(shù)分裂則開始于花藥基部，然后向頂端擴(kuò)展[7]。

由此可見，基因雄性不育大麻植株在減數(shù)分裂中存在實質(zhì)性異常，不育源之間存在某些特殊差異，并且花粉母細(xì)胞核分裂失調(diào)特性在許多方面取決于花藥壁絨氈層的發(fā)育狀態(tài)。絨氈層細(xì)胞失調(diào)越嚴(yán)重，減數(shù)分裂過程異常頻率越高。

2.3 花粉粒、雄花輸導(dǎo)系統(tǒng)等異常

花粉粒異常表現(xiàn)為被研究的大麻雄性不育源沒有花粉或者花粉粒完全無生活力，雄性不育源之間大麻花的花粉數(shù)量差別明顯。雄花不育過程涉及所有生殖器官成員，其中包括輸導(dǎo)系統(tǒng)。研究表明，大麻不育雄花花梗、花絲、花被片和藥隔的輸導(dǎo)束出現(xiàn)小面積斷裂，與可育花相比導(dǎo)管數(shù)量少、直徑小。雄性不育植株兩性花發(fā)育異常，出現(xiàn)畸形花被片，而重瓣花畸形花被片總是產(chǎn)生于里層（正常發(fā)育的花被片既產(chǎn)生于外層，也產(chǎn)生于里層）。

3 大麻基因雄性不育性的實際應(yīng)用

就大麻雄性不育性的實際應(yīng)用而言，研究雄性不育系的經(jīng)濟(jì)性狀具有重要意義。研究結(jié)果顯示，不同大麻雄性不育家系的生產(chǎn)率不同，取決于雄性不育性基因與決定生產(chǎn)率因素的遺傳因子之間的相互作用。雄花花蕾發(fā)育不良的家系Ohom-2I1、IOCO-1I3、Ohom-5表現(xiàn)為植株生長和發(fā)育退化。莖高度和直徑的降低會導(dǎo)致原莖和種子減產(chǎn)。雄性不育植株的莖中纖維含量略高，種子生產(chǎn)率的差異不顯著。雄性不育性的間性類型（家系IOCO-14），其基因ms對重要經(jīng)濟(jì)性狀的形成不起多效抑制作用，反而使其生產(chǎn)率超過原始品種。

雌雄同株大麻的基因雄性不育性可用于2個方向的育種：一是培育普通的可育品種，二是培育新的雄性不育系。2種情況下育種的首要環(huán)節(jié)是大麻雄性不育系與可育大麻原始類型的雜交。雄性不育系用于雜交主要采取以下方式：在1個隔離圃內(nèi)播種雄性不育系（母本）和可育類型（父本）的種子，父本選擇應(yīng)針對制定的育種目標(biāo)；用寬行法播種，行距50 cm，株距5～10 cm；小區(qū)交替布置，每小區(qū)5～10行，這樣能使父本類型兼顧到圃的兩面；開花前拔除母本中的可育植株，只留不育植株。

把雌雄同株大麻基因雄性不育植株用作雜交母本類型，與采用乙烯利給可育植株去雄的差別在于，雄性不育植株不產(chǎn)生正常發(fā)育的雄花[8]，而用乙烯利處理的植株過一定時間仍能長出正常發(fā)育的雄花而且強(qiáng)烈散粉。在稀植條件下大麻植株高大繁茂，分枝旺盛，恢復(fù)到可育花的可能性特別大。此種情況下，或者用乙烯利反復(fù)處理植株，導(dǎo)致植株畸形和明顯延長生育期；或者給雄花進(jìn)行人工補(bǔ)充去雄以及干脆拔除恢復(fù)可育花危險性大的部分植株。通常情況下，雌化雄麻屬于這類危險植株。

4 結(jié)語

在大麻基因雄性不育性研究方面，應(yīng)特別重視雄性不育性與植株其他性狀之間的相互聯(lián)系的研究。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2種大麻雄性不育性表現(xiàn)型：雄花花蕾在一定階段停止生長發(fā)育，逐漸枯萎和脫落；雄花花蕾上形成不育雌蕊取代花藥，即形成兩性（間性）花。由此可見，雄性不育性不同類型的出現(xiàn)提醒人們，在探索新雄性不育源時必須關(guān)注生殖器官發(fā)育中的異常，因為它們可能是遺傳性狀。

在雌雄同株大麻上，應(yīng)用基因雄性不育性的好處是顯而易見的，可減少用于排除母本植株上雄花的大量勞動，省工省力。與此同時，尋找細(xì)胞質(zhì)不育源也是十分必要的，它能解決雜種繁育的實際問題。