植物雄性不育系的选育

植物雄性不育系的选育

植物无雄性意味着雄蕊不能产生具有正常功能的花粉，例如气虚无花粉、花粉分解、花药不破裂等。然而雌蕊发育正常,能够接受外来花粉而受精结实。据不完全统计,已经在多达43科、162属、320个种的617个亚种或种间杂种中发现了雄性不育现象。目前,在玉米、水稻、高粱等作物上,利用雄性不育生产杂交种已经得到了广泛的应用。近年来,探索雄性不育机理一直是一个非常活跃的研究领域,从形态学、组织细胞学、生理生化及分子生物学等方面对植物雄性不育做了大量研究工作,且取得了一些新成果。从内源激素、脂膜过氧化、物质代谢和能量代谢等方面综述了近年来有关植物雄性不育生理生化的研究成果。通过对前人研究成果进行总结,有助于深入研究植物雄性不育生理生化机制,更好地利用杂种优势,为我国乃至世界粮食生产带来巨大的经济效益与社会效益。1花粉走向败育的相关因素内源激素是植物细胞自身产生的,能调节植物生理生化反应的微量活性物质。在植物生长、发育、代谢及抗逆等过程中都受到一种或多种内源激素协同调控。目前,通过对小麦、水稻及棉花等雄性不育系的研究,表明雄性不育发生与内源激素失衡有着密切的关系。汤继华等进行了玉米温敏核雄性不育系琼6Qms及可育琼6中吲哚乙酸(IAA)含量的分析,表明在整个雄穗发育时期,不论是叶片还是花药,琼6QmsIAA含量都比琼6低,特别是在花药中差异达到显著水平。解海岩等对棉花细胞质雄性不育花药败育过程的研究发现,从造孢细胞增殖期到花粉成熟,IAA含量在3种可育材料(保持系、恢复系和杂种F1)花药中均呈先升后降的变化趋势,且都显著高于对应时期的不育花药,而在不育系花药中其含量维持在较低水平。同样,在其他雄性不育系研究中得到了类似的结果。从以上研究中不难发现,雄性不育花药败育过程中IAA含量都发生亏损,只是不同雄性不育材料发生败育的机理有所差异,可能最终导致IAA变化趋势不同。另外,不育花药中IAA亏损使得维管束发育异常,影响水和营养物质正常分配到花药而导致败育,这一点被许多从细胞组织水平探索雄性不育的研究所证实。然而,刘齐元等研究烟草花蕾内源激素与雄性不育的关系时却得到相反的结果,IAA含量在不育系中反而明显比保持系高,分别达到保持系的134.82%~281.63%,认为花蕾中IAA含量较高是无雄蕊型败育材料的一个共同现象。另外,水稻中也进行了相关研究。赤霉素(GAs)与植物花药发育和花粉成熟有着密切的关系,在幼穗中保持较高含量是花粉正常发育所必须的。解海岩等研究了棉花细胞质雄性不育花药败育过程,在3种可育材料(保持系、恢复系和杂种F1)花药中GAs含量都高于不育系,差异最大值出现在花粉母细胞减数分裂时期,此时仅为可育花药的27.5%~39.3%。关天霞等也在亚麻温敏雄性不育系花蕾发育过程中发现,不育花药和可育花药中GAs变化趋势均为先降后升,但可育系中明显高于不育系,尤其小孢子单核期和小孢子双核期。另外,烟草、玉米和水稻中也得到了类似结果。这些结果表明,在植物雄性不育花药中GAs含量严重亏损,这可能是导致雄性不育的一个原因。脱落酸(ABA)是一种抑制生长的植物激素,对细胞分裂和伸长有抑制作用。花药组织ABA含量与花粉育性有着重要相关性已被大量研究证实。棉花细胞质雄性不育中ABA含量在整个花药发育期间都高于可育的,这与其他激素相反;在造孢细胞增殖时期和花粉母细胞减数分裂时期,不育花药中ABA含量是可育花药的3~6倍,而在可育花药中缓慢上升,至花粉成熟期才达到最高值。因此,高ABA含量可能与花粉败育有着密切的关系。亚麻花蕾发育时期,ABA含量在不育系中始终呈上升趋势,而可育系中缓慢下降。同时,也有研究比较了不同烟草雄性不育材料,尽管在花蕾发育期间不同材料的变化趋势有所差别,但是总体上雄性不育系花蕾中ABA含量比保持系的高。另外,孟祥红等通过电镜定位到光敏细胞质不育小麦种在长日照条件下,ABA分布比短日照的高。在花粉走向败育的过程中,伴随着ABA含量的显著提高,这可能是由于ABA阻止赤霉素及细胞分裂素对植物细胞促进生长发挥作用的缘故。然而,不少研究中却得到相反的结果。赵玉锦等研究了光照条件对水稻光敏雄性不育系农垦58S花粉生理生化特性的影响。结果表明,在长日照不育条件下农垦58S繁殖器官中ABA含量低于农垦58,且只有短日照条件下农垦58S的33.5%。总之,研究结果的差异可能来自于材料的不同、取材时间的不同及测定方法不同。但是,它们的共同点都是ABA含量发生了变化,使得激素平衡被打破,最终可能导致雄性不育的发生。另外,解海岩等选用不同育性的棉花材料,在不同生育时期对花药ZR含量进行研究,发现不育花药ZR基本维持在低水平,且始终明显低于可育花药。通过比较发现在正常可育花粉中,IAA和GA3比ZR先达到最高值。在辣椒花蕾整个发育过程中,细胞质雄性不育系花蕾玉米素(ZRs)含量明显低于可育材料。相反,在亚麻和烟草中发现不育花药ZR含量高。因此,植物雄性不育的发生并不是仅仅取决于某种激素含量的变化,更重要的是各种激素间的平衡关系。近年来,在许多植物雄性不育材料中,对内源激素平衡关系进行了研究。结果显示,IAA/ZR、IAA/ABA、IAA/GA3及GA3/ABA比值等在不育与可育材料之间存在明显差异。激素作为一种微量强活性物质,正常情况下各种激素间维持平衡状态。一旦这种平衡状态被打破,最终可能导致育性改变。2活性氧的清除活性氧是植物体内正常代谢的产物,主要包括超氧物阴离子自由基、羟自由基和过氧化氢等。虽然它们在植物体内不断地产生,但是由于防御体系的存在,正常情况下保持其代谢平衡,使得植物机体能够正常生长。在特殊情况下如花粉发生败育,活性氧产生速率明显加快,这一点在许多研究中得到证实。蒋培东等研究表明,棉花细胞质雄性不育花药中,超氧物阴离子自由基和过氧化物从造孢细胞开始升高,至花粉母细胞减数分裂时期达到最高峰,整个时期都明显高于保持系和F1。同样在棉花胞质雄性不育系中,Jiang等发现在败育初始阶段,超氧物阴离子自由基和过氧化氢略高于保持系和F1,到了败育高峰期花粉母细胞时期不育系中剧烈上升。同时,在其他植物雄性不育系研究中也得到了类似的结果。活性氧能够引起脂类、蛋白质及DNA等生物大分子损伤,因此它在植物中的积累被认为是导致雄性不育的重要原因之一。近年来,人们对活性氧的清除研究做了大量工作。通过总结发现有两类物质参与了活性氧的清除:一类是酶保护系统,主要有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽还原酶(GR)等;另一类是抗氧化物质,主要有还原型谷胱甘肽、抗坏血酸、维生素E和类胡萝卜素等。在正常条件下,可以使植物体内活性氧的产生和清除处于一种平衡状态,且活性氧水平比较低,不会对细胞造成伤害。然而,通过大量研究发现,在雄性不育材料中这两类物质明显发生变化。在辣椒雄性不育系花蕾发育不同阶段,CAT活性在不育系中明显低于相应保持系,而POD活性显著高于或低于保持系。同时,从花药减数分裂前开始,不育系中SOD活性持续低于保持系和恢复系。在甜椒胞质雄性不育研究中,CAT活性同样低于保持系,而POD和SOD活性稍高于保持系。在其他作物雄性不育研究中,SOD和CAT活性普遍呈下降趋势,而POD活性则不尽相同。因此,CAT和SOD酶活性降低可能是导致败育的真正原因,POD活性的变化可能只是机体一种应激反应,具体机理有待于进一步研究。另外,不少人同时对同工酶酶谱进行了研究。戴亮芳等发现在幼叶和小花蕾时期,POD酶谱在不育系和保持系基本上没有差别,但是在大花蕾和特大花蕾时期,POD2C和POD4B只出现在不育系中;同时通过细胞学观察,发现中花蕾期不育系花粉发育正常,由此推断POD酶谱的变化早于细胞学变化。张子学等选用雄性不育的棉花为研究材料,其花药同工酶酶谱条带比可育的强而多,而子房则少而低。同时,在开花之前不育株和可育株花药中POD同工酶酶谱存在显著差异。另外,有人发现甜椒细胞质雄性不育系花蕾中抗坏血酸过氧氢酶(APX)显著高于保持系,然而抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量却明显较低。但在棉花败育高峰花粉母细胞时期,APX活性反而剧烈下降。到了后期上升,始终没有保持系和F1高。在植物细胞中对活性氧最为敏感的部位是细胞膜,它可以使细胞膜中不饱和脂肪酸发生过氧化或脱脂化,逐级降解为小分子物质MDA。而MDA作为交联剂,使膜蛋白、酶及DNA等大分子发生交联反应,最终导致代谢紊乱。一般认为MDA在植物体内积累是活性氧毒害的表现,它的含量是判断膜脂过氧化程度的一个重要指标。在雄性不育花药发生败育的过程中,MDA通常会发生剧烈的升高。蒋培东等在棉花细胞质雄性不育花药中,MDA从造孢细胞开始持续剧烈升高,且对花药的损伤更具持久性。宋喜悦等研究YS型小麦温敏不育系A3314育性转换时发现,叶片中MDA含量基本无差异,而不育系幼穗中的含量高于可育,且等到三核花粉时期二者差异达到最大值。在其他作物的大量研究中也得到了一样的结果。由此可知,在雄性不育发生过程中,必然产生大量的活性氧,导致MDA升高,这可能是败育的一个重要原因。3淀粉及脯氨酸等带氨基酸类物质小孢子发育过程中需要积累大量的营养物质,例如淀粉、氨基酸和蛋白质等。在植物雄性不育发生过程中,代谢发生紊乱必然导致许多物质的剧烈变化。宋喜悦等对YS型小麦温敏雄性不育系A3314育性转换研究中,不论是同型保持系TSP3314,还是不育系A3314幼穗,其内还原糖和可溶性糖的变化大体一致:在整个花粉育期,不育条件下的A3314中二者含量不仅低于可育条件下的A3314,更是显著低于保持系。李巍等测量了小麦温敏雄性不育系在育性敏感时期的生理生化指标,发现在整个幼穗发育时期,可育条件下幼穗可溶性糖比不育条件低35.91%~94.07%,其中三核期差异达到最大。由此可见,花药中糖类对小孢子的发育极为重要,含量的多少必然与花粉败育有着密切的关系。另外,在棉花核雄性不育系花药败育过程中,其内淀粉含量显著低于可育,同时结合细胞学分析,认为花粉败育可能是由于可溶性糖运输或淀粉合成受阻使得花药得不到充足的营养物质导致。但是,也有在辣椒和紫菜薹的研究中得到相反结果。不同不育材料雄性不育发生机理不同,可能最终导致所得结果不同。王学德等对棉花不育系中淀粉酶同工酶进行了分析,发现随着花粉发育,不育花药中缺少的酶带数增加。由此认为不育花药中淀粉酶的不完整性和低活性可能与不育花药缺乏受淀粉积累的诱导有关。曾维英等从蛋白质水平上分析大豆质核互作不育系,结果发现淀粉分支酶在不育系花药中不表达,由此推测淀粉合成受抑制导致花粉内缺少淀粉积累而败育。总之,碳水化合物含量及相关酶活性可能与雄性不育的发生有着密切的关系。游离氨基酸是植物花药内蛋白质的组成部分,它们含量的变化必然影响到新陈代谢。在植物花药中,脯氨酸可以与碳水化合物相互配合提供营养,促进花粉发育和伸长。由于脯氨酸在花药发育中的重要性,目前对不育系花药游离氨基酸的研究主要集中在脯氨酸上。在YS型小麦温敏雄性不育系A3314中,游离脯氨酸含量在不育条件下剧烈下降,而可育条件下呈上升趋势,且前者明显低于后者。另外,可育条件下的不育系稍低于恢复系,这可能是不育系没有完全恢复育性的缘故。同时,还发现总氨基酸也呈现与脯氨酸类似的变化趋势。在辣椒雄性不育花蕾发育过程中,游离脯氨酸含量表现出大体相似的趋势。他们认为,造成这种结果的原因可能是营养体向花药运输发生障碍或者花药中脯氨酸合成能力减弱。刘齐元等对烟草雄性不育系花蕾发育进行了研究,结果表明花药败育是其内脯氨酸合成能力减弱造成的。宋宪亮等利用生理生化指标和细胞学综合分析了棉花洞A型核雄性不育系花药败育过程,在不育花药中,天门冬氨酸含量升高发生在细胞学显示败育之前,而脯氨酸、精氨酸及苯丙氨酸的变化发生在此之后,因而他们认为天门冬氨酸含量偏高与败育有着某种关系。总而言之,花药败育过程中伴随着各种游离氨基酸含量的变化,然而,它们可能是败育的结果而不是原因。随着植物功能基因组的深入研究,作为基因功能体现者和执行者的蛋白质越来越受到重视。大量研究表明,雄性不育系叶片和花器官在发育阶段蛋白质含量明显低于相对应的可育材料。刘金兵等报道,不论在花芽分化期还是盛花期花蕾发育不同阶段,甜椒不育系叶片和花药中可溶性蛋白质都明显低于保持系,且都随着花蕾的生长发育呈下降趋势。同样,在辣椒和烟草雄性不育材料中也发现其蛋白质含量低于保持系。可溶性蛋白质包括各种酶原、酶分子和代谢调节物等,在小孢子和花药发育过程中具有决定意义,它们的改变必然使得代谢紊乱,导致败育。另外,曾维英等从蛋白质水平上分析了大豆质核互作不育,结果发现淀粉分支酶在不育系花药中不表达,据此推测淀粉合成受抑制导致花粉内缺少淀粉积累而败育。王世刚等采用双向凝胶电泳等分析了辣椒细胞质雄性不育系W9A和保持系W9B花期叶片蛋白质组,发现它们存在着蛋白质(多肽)差异,认为这可能与雄性不育的形成有关。这些不育系与保持系间差异表达的蛋白质信息,将有助于进一步认识植物雄性不育发生机理。核酸是植物体内细胞的重要组成成分,与新陈代谢密切相关,对细胞正常发育有重要影响。因而在研究植物雄性不育发生机理时,有研究就对核酸进行了探索。李巍等发现不育条件下的小麦温敏不育系幼穗RNA含量比可育条件下减少的快。在甘蓝型油菜雄性不育系花药败育过程中,RNA含量均极显著低于对应保持系;相反,核糖核酸酶活性和游离尿苷酸显著高于保持系。由此认为在雄性不育材料中核糖核酸酶活性的提高,引起了RNA含量的下降,影响了蛋白质的合成,使得代谢发生紊乱,最终导致了花药败育。4生理生化指标:cod和花粉败育呼吸速率既可以表示生物体内呼吸作用的强弱,又能宏观地反映生物体能量代谢的程度。大量研究表明,植物雄性不育系中呼吸速率要低于可育材料。邓明华等比较了辣椒核质互作雄性不育系与保持系间呼吸速率和抗氰呼吸。发现从小花蕾时期开始,不育系中总呼吸速率呈下降趋势,而保持系则相反,从中花蕾开始差异达显著水平。周凯等在对萝卜雄性不育系呼吸作用研究中,发现早期花蕾中呼吸强度与保持系基本相同,但是中后期明显低于保持系,而抗氰呼吸强度不论在叶片还是在花蕾中,不育系中的明显低于保持系。另外,水稻雄性不育研究中也得到了一致的结果。抗氰呼吸是指当植物体内存在与细胞色素氧化酶的铁结合的阴离子(如叠氮化物等)时,仍然可以继续呼吸。不育系抗氰呼吸速率减弱或者缺乏就有可能导致活性氧形成增多,从而影响小孢子的正常发育。从以上研究结果不难发现,花药败育过程中总呼吸速率都减弱,这必然导致供应小孢子发生和发育所需的能量不足,导致雄性不育。植物中存在着多种呼吸途径,主要包括糖酵解、糖酵解-三羧酸循环和磷酸戊糖途径。许多研究表明,雄性不育系花药中与这些途径相关的酶活性普遍降低。例如,黄晋玲等发现琥珀酸脱氢酶活性在棉花晋A细胞质雄性不育系花粉发育时期均低于保持系。细胞色素氧化酶(COD)是电子传递链的末端氧化酶,位于线粒体内,在控制电子传递中起着非常重要的作用。它是直接关系到能量代谢的一种重要的酶。在棉花、水稻及葱等不育系花药发育研究中,也发现花粉或花蕾COD的含量均低于可育的。它的活性下降使得花粉中能量供应不足,必然影响花粉的正常发育。傅军如等对萍乡显性核不育水稻不育株叶片COD同工酶酶谱进行了研究,发现基本与可育株相同;而在单核期和三核期花药中却少了两条COD同工酶带。这与王永军等在小麦雄性不育系及任雪松等在甘蓝胞质雄性不育系研究中所得结果相反,可能由于材料或雄性不育发生机理的不同所致。总之,雄性不育花药中COD同工酶酶谱的改变和花粉败育存在着某种密切的关系。另外,姚雅琴等通过细胞化学定位对小麦雄性不育系和保持系花药COD进行研究。在花药二核期前基本无差异,伴随着花粉发育成熟,保持系花粉中COD活性逐渐增强;到花粉成熟前夕其内线粒体含有丰富的COD,然而不育系花粉粒线粒体中的COD活性持续下降直至消失。因此,他们认为COD亏缺不仅导致呼吸受阻,不能为花粉发育提供充足能量,而且会增加活性氧含量,致使MDA积累引起膜结构和生理完整性的破坏。ATP酶广泛存在于植物体内,它可以催化ATP水解释放能量,供各种物质运输、信号传导及物质合成分解等代谢活动所需。能量缺乏可能是导致花药败育的一个原因。早在1990年,邓继新等在比较光敏核不育水稻不育花药和可育花药之间ATP含量差异,发现从花粉发育早期前者的就明显低于后者。Bergman等发现雄性不育花蕾中的ATP/ADP值明显低于可育植株。在研究油菜细胞质雄性不育突变体时,发现除绿叶之外,ATP在花分生组织、花蕾等中的含量都比常规可育油菜低。从以上研究可以发现,ATP含量普遍在雄性不育株中降低。苗锦山等以葱胞质雄性不育系为材料,结果表明整个花蕾发育时期ATPase活性都低于保持系,特别是中蕾期后