植物雄性不育

植物雄性不育讲授：张蜀宁一雄性不育在生物进化中的地位

1.雄性不育性的概念不育性(Sterility)：生物个体不能产生有功能的配子或不能产生在一定条件下能够存活的合子的现象。雄性不育性（Malesterility）:生物的不育性是由于不能产生正常的花药、花粉或雄配子时就称~~。狭义的MS：指两性花植物，雌蕊正常，雄蕊退化丧失功能现象

一雄性不育在生物进化中的地位

2.雄性不育的形式♀/♂异株植物群体中完全缺乏雄性个体或高度缺乏雄性个体。♀-♂同株植物雄性器官萎缩、畸形或消失。植物不能形成正常的小孢子发生组织。小孢子发生异常，形成不完善的、畸形、失活的或败育花粉。花粉不能成熟或无萌发能力。能形成有生活力的花粉，但花药不开裂，3.雄性不育性的分类非遗传性遗传性基因型表现型细胞核细胞质核质互作结构性小孢子发生性功能性产雌性化学诱导杀雄配子剂生理诱导温敏、光敏、酶平衡生态诱导气候、土壤、生物圈雄性不育的表型分类

雄性不育的表现型是建立在雄性不育表达的基础上的1.结构性雄性不育（Structuralmalesterility）（占25%）雄性器官结构显著异常，导致小孢子组织不能发育或小孢子异常花药缺失或畸形、退化，雄蕊群异常，丝状、瓣状、心皮化。2.小孢子发生性雄性不育（SporogeneousMS）(占65%)雄蕊发育正常，小孢子或雄配子发生异常，花粉不能产生或异常雄蕊外观正常，花粉异常、败育、无生活力。雄性不育的表型分类

雄性不育的表现型是建立在雄性不育表达的基础上的3.功能性雄性不育（FuctionalMS）(占7%)花粉正常，但花药不开裂阻碍散粉受粉，花药壁坚韧不开裂或迟开；花粉外壁发育不全，花粉管异常雄蕊异长，失去自花授粉能力，又称部位不育（PositionMS）4.产雌性（Gynecious）(占2%)雌雄同株或异株异花植物，如葫芦科只产生雌花，雄花分化少。雌性系、雌株系（菠菜）4.雄性不育性在进化中的地位

⑴雄性不育是生物界的普遍现象亦是高等植物普遍的生物学现象。据统计已涉及43个科，162个属，320个种都617个变种和种间杂种。雄性不育的自然突变率为千分之三，据报道，人类由各种原因引起的不育症高达约为10%。

4.雄性不育性在进化中的地位⑵雄性不育是自然选择淘汰的机制生物繁殖竞争，适者生存。在生物进化中，某物种的个体或家系不断积累有害变异，以致威胁整个种群的生存，自然选择下将阻止这些个体或家系繁殖后代，从而改变群体的基因频率和基因型频率，保证种群的竞争优势。雄性不育就是淘汰机制之一。雄性不育高于雌性不育是因为雄性器官及雄配子体比受保护的雌性器官及雌配子体更外露，对内外环境因子更敏感。并且雄配子数量大，易变异。4.雄性不育性在进化中的地位⑶雄性不育是自然选择挽救的机制雄性不育将阻止个体自交和或自花授粉，强制杂交，使基因重组，增加遗传多样性，挽救种族灭绝，促进生物进化，新物种产生。二雄性不育的遗传机制1.细胞核雄性不育性（Genicmalesterility）(216个种12个种间杂种主要是自发突变产生，多为1~2对核基因控制，一对隐性基因控制占64%；孟德尔遗传，无正反交效应；大多数雄性不育性彻底，常用不育株率表示；一般表现为雄性不育-保持“两用系”

Msmsⅹmsms50%Msms∶50%msmsmsms

ⅹMsms50%msms∶50%Msms显性不育隐性不育二雄性不育的遗传机制1.细胞核雄性不育性（Genicmalesterility）

⑴显性核不育甘蓝、白菜、马铃薯、小麦、水稻、棉花、甘-油菜、莴苣、胡麻等20个属22个种。多为“单显”占10%，多为“两用系”，不育株占45%略少。找不到完全恢复系甘蓝100%显性核不育遗传模式:微量花粉雄性不育株MsmsMsMsMsmsmsms组培MsMsMsmsⅹmsms

F1100%杂交种ⅹ父本系⑵隐性核不育占88%，多表现为“两用系”，找不到完全保持系如大白菜、白菜、萝卜、洋葱、番茄、辣椒及大田作物等两对非等位基因互作产生100%雄性不育，上位互作模型（李树林1985，张书芳1991）；抑制互作模型（魏堂、张蜀宁1992）3个复等位基因互作产生100%雄性不育，复等位基因模型（马尚耀1990，冯辉1995）⑶基因互作或复等位基因核不育显性雄性不育基因和抑制基因互作模型Ms→显性不育基因;I→显性抑制基因甲型两用系MsMsiiⅹMsMsIiMsMsIiMsMsii乙型两用系Msmsiiⅹmsmsiimsmsii

Msmsii100%

Msmsiiⅹ父本系杂交种

F1复等位雄性不育基因互作模型Ms→显性不育基因;M+→显性恢复基因;ms→隐性可育基因甲型两用系

MsMs

ⅹMsM+MsM+

MsMs

乙型两用系

Msmsi

ⅹmsmsmsms

Msms

100%

Msms

ⅹ父本系杂交种

F12.细胞质雄性不育性(Cytoplasmicmalesterility)由特定的雄性不育细胞质(S)基因(线立体、叶绿体等)控制,正常细胞质表示为(N)。常用CMS母性遗传：无论细胞核基因如何，具有(S)的都表现雄性不育。任何品种都为保持系，找不到恢复系，如Ogu.雄性不育。3.核质互作雄性不育性(Gen-cytoplasmicMS)Fr→恢复基因Fr→不育基因(S)→不育细胞质(N)→可育细胞质不育系frfr(S)ⅹfrfr(N)

保持系不育系Frfr(S)ⅹ

FrFr(N)

恢复系（父本系）F1[Frfr(S)]4.关于雄性不育性遗传学说三型说

(Sears40年代):GMS、CMS、G-CMS二型说（Edwandson1956）:GMS和CMS（G-CMS）人们用不同品种对原来划分为CMS的进行测交，发现了大量可育株或恢复系。说明，当Fr基因没有鉴定出来之前认为是CMS类型，随着Fr基因的鉴定和发现，这种不育性实际上是G-CMS型。目前人们普遍接受这一观点。文献中CMS特指G-CMS一型说：自然界中所有的雄性不育都是G-CMS，所谓CMS和GMS都是相对的。5.核不育与核质互作雄性不育比较①GMS：雄性不育性彻底，不易受环境影响。不育株率表示

G-CMS：～不育性不彻底，易受环境影响。不育株率和不育度

不育株率=雄性不育株数/总株数不育度=雄性不育花数量/单株或群体总花数量不育度=Σ数量ⅹ级别/总数ⅹ最高级别②GMS：选育容易，恢复谱广，但两用系应用麻烦。

G-CMS：三系配套选育困难（寻找恢复系），应用方便。③G-CMS是沿母性遗传,因此F1可能存在细胞质负效应。④如负效应反应在核基因表达上，往往使其育性恢复基因亲和力大大坚韧，有时甚至难以找到恢复系，其杂优无法利用。⑤GMS：具有遗传多样性

F1核基因重组、细胞质多样化。

G-CMS：F1细胞质单一化，潜在着毁灭性危机。培育源源不断的新品种要求有广泛的雄性不育细胞质来源，扩大不育细胞质的遗传基础是避免遗传脆弱性和专化性病源小种侵染的有效途径。只有拥有多样化的细胞质，才能为有效地解决不育性的稳定性问题及品种的区域化适应性问题。要从根本上解决病原菌专化性侵染问题，唯一有效的途径是利用核不育。例如：隐性核不育，任何正常自交系都是它的恢复系，故F1选配组合范围大，具遗传多样性。三雄性不育性的应用

1.杂种优势利用---F1代杂交种生产20世纪植物育种突出成就为首推杂种优势的利用，它已成为许多作物的育种方向。最优化的制种手段（途径）。特别对花期小，花数量多的作物。美国40年代玉米杂交种，我国50年代末从美国引入高粱“三系”。

2.轮回选择法的广泛应用轮回选择法是一种打破群体中不良基因连锁，把分散在不同个体或不同染色体上的优良基因集中，增加优良基因重组机会，丰富群体遗传变异的有效措施。一般主要用于异花授粉作物。MS特别是GMS（恢复谱广，易选择）为自花授粉作为的轮回选择和群体改良开辟了新途径。1964年Gilmore首先提出，随后在高粱、大豆、水稻、小麦、油菜等作物中证实。3.复合杂交---构建种质库由于F1保持高度的杂合性，在谷类和豆科植物中已经应用MS建立起复合杂交体系。如玉米、水稻、小麦、高粱、谷子、甜菜、棉花、向日葵等利用MS进行双亲→多亲复合杂交，产生许多商品种或品系。

实例：1959年美国从世界各地征集6200个春大麦品种，以各品种8～10种子混合体为一方。以4个品种为背景基因型的50个隐性MS材料混合体为另一方。双方间行种植，通过自然和人工辅助授粉杂交，经过10～15代随机自然交配育成具有很大潜在育种价值的大麦综合杂交群体.构成了大麦育种的种质库*隐性MS测交一代全可育→需自交→不育株再现→再自然杂交

显性MS当代出现不育株→每代选取不育株再自然杂交

4.配合力的测定当要测定优良自交系或品种的配合力时,可与一个MS(作测验种)杂交,对F1进行分析评价。当测交数量大时，这种方法特别有用常采用顶交法：筛选特殊配合力高的组合→配制F1杂种→生产MSⅹ自交系A→F1自交系B→F1

自交系C→F1

自交系D→F1自交系E→F1配合力测定→优良组合→F1

5.远缘杂交育种克服自交不亲和性方法之一，多做杂交（个体基因型差异）。利用MS可以减少人工去雄工作，避免假杂种。

6.基因工程转基因如利用花粉通道法向胚囊转目的基因。（可排除自身花粉的影响）；克隆、测序、定位雄性不育基因。

7.倍性育种利用2n配子途径获得多倍体。（可排除自身花粉的影响）4XCMSⅹ2X品种或自交系→4X+2X四工程雄性不育

就是以基因工程的手段创造植物雄性不育的途径

1.工程雄性不育的优越性已知两个自交系可配高优势杂交组合→将不育基因和恢复基因导入之，定向培育工程A系和C系。这是常规育种难以解决的。工程A系和C系是显性核不育系和显性恢复系，未转化A系的自交系为B保持系，（常规显性核不育很难找到恢复系），因此工程雄性不育系便于应用。四工程雄性不育就是以基因工程的手段创造植物雄性不育的途径

1.工程雄性不育的优越性工程雄性不育性稳定，雄性不育能力强，恢复源广泛，不受地区、气候、温光等外界环境的影响。目前已培育出烟草、玉米、油菜、芸薹、矮牵牛、棉花、花椰菜、莴苣、菊苣、番茄等工程雄性不育材料2.工程雄性不育的策略⑴利用花粉发育时期特异表达的一种细胞毒素（RNA酶），破坏绒毡层，使花粉发育受阻，导致花粉败育，产生雄性不育。⑵借助反义RNA策略，抑制花粉发育必需基因的表达，导致花粉败育，产生雄性不育。双链DNA+DNA→MRNA┈→Protein-DNA→反义MRNA互补结合，阻止翻译Pro.ⅹ2.工程雄性不育的策略⑶启动胼胝质酶，提前降解花粉发育所需的胼胝质壁，破坏花粉发育的正常状态，导致雄性不育。⑷在植物中表达一种激素，致使发育异常，造成MS。⑸利用核基因和细胞质基因的加工方式差异，如本来在细胞器中表达的基因改由核基因编码，并使其产物重新转入细胞器中，同样使植物产生MS.3.工程雄性不育基因的构建策略:很多植物的MS的突变与绒毡层缺陷有关,对花粉绒毡层选择性的破坏,可以导致雄性不育.雄性不育嵌合基因的构建启动子TA29：花药绒毡层特异时空启动子。从烟草中分离的，已经证实可在油菜、玉米、棉花、莴苣等中表达。（进化保守性）细胞毒素基因(BN基因)：高活力RNA酶分解RNA

从细菌中分离的，Barnase,Bar酶又称RN，在大肠杆菌及一些植物中表达，导致cell死亡。NOS终止子：大多数采用。TA29启动子NPTⅡ选择标记基因BN基因细胞毒素抗除草剂基因NOS终止子雄性不育嵌合基因的构建NPTⅡ选择标记基因：新霉素（或葡萄糖）磷酸转移酶基因，其表达会使转化细胞对氨基葡萄糖苷类抗生素（卡那霉素、新霉素、庆大霉素）产生抗性。抗除草剂基因：田间选择转化植物。TA29启动子NPTⅡ选择标记基因BN基因细胞毒素抗除草剂基因NOS终止子恢复嵌合基因的构建BS基因：Barstar(BS)是BN强抑制剂基因，从分离BN基因同样的细菌中分离而来，它的产物Barstar与BN形成共价化合物，失去RNA酶活性，从而使育性恢复。TA29启动子NPTⅡ选择标记基因BS基因细胞毒素抑制剂抗除草剂基因NOS终止子4、雄性不育基因的遗传转化常用农杆菌介导法农杆菌是一种革兰氏阴性土壤细菌,用于转化有发根农杆菌:Agrobacterium

rhizogenes

含Ri质粒,植物会长出无方向性毛状根,通过组培可直接从毛状根再生植株。该系统基础研究还不成熟。仅甘蓝、甘蓝型油菜、