雄性不育細(xì)胞學(xué)觀察綜述

1、農(nóng)學(xué)院 本 科 課 程 論 文題 目：玉米雄性不育的細(xì)胞學(xué)機(jī)理 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 農(nóng)學(xué)1002班 學(xué) 號(hào)： 2010014010220 學(xué)生姓名： 倪志玲 指導(dǎo)教師： 祝麗英 職 稱(chēng)： 副教授 二O一三 年 十 月 二十 日8玉米雄性不育的細(xì)胞學(xué)機(jī)理摘要：隨著生產(chǎn)和科研的需求，玉米雄性不育的細(xì)胞學(xué)機(jī)理及其利用已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文從玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的分類(lèi)、敗育的細(xì)胞學(xué)特征、敗育機(jī)理等方面對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于玉米雄性不育細(xì)胞學(xué)機(jī)制研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并探討了今后該領(lǐng)域的研究前景。關(guān)鍵詞：玉米；雄性不育；敗育；小孢子Cytological Mechanism of Male Ster

2、ility in MaizeAbstracts: With the need of production and research, the study of cytological mechanism of male sterility and its use has become a hot at home and abroad. This article summarized the latest progress on the cellular mechanisms of male sterility in maize from the classification of maize

3、cytoplasmic male sterility, abortion cytologic features, mechanism and other aspects of abortion at home and abroad in recent years. It also recapitulated the development foreground of this research fields.Key words: Maize; male sterility; abortion; small spores1.前言雄性不育是指植物本身不能產(chǎn)生正?？捎ǚ鄣囊环N生物學(xué)現(xiàn)象。雄性不育系

4、是保證雜交種純度、降低種子生產(chǎn)成本的最佳材料。雄性不育生產(chǎn)雜交種是作物育種中利用雜種優(yōu)勢(shì)的重要途徑。利用雄性不育系生產(chǎn)雜交種不僅節(jié)省了人工去雄環(huán)節(jié)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度, 降低了種子生產(chǎn)成本；同時(shí), 由于雄性不育使玉米生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)省了大量的養(yǎng)分消耗，雌穗發(fā)育得到充足的養(yǎng)分， 從而大幅度地提高玉米制種的產(chǎn)量1。玉米是最早應(yīng)用雄性不育性的作物之一，但大部分玉米不育系并不是全部不育，因此生產(chǎn)的雜交種中會(huì)混有大量自交系種子，嚴(yán)重影響種子質(zhì)量。隨著生產(chǎn)和科研的需求，尋找和創(chuàng)造育性穩(wěn)定、敗育徹底的新材料仍是育種專(zhuān)家們亟待解決的問(wèn)題之一。2.雄性不育的分類(lèi)雄性不育可由環(huán)境因素誘導(dǎo)形成，如高溫、干旱、鹽堿害、低溫凍害

5、等，但是這些不育不能遺傳給后代?？蛇z傳的雄性不育按照遺傳特點(diǎn)的不同，分為細(xì)胞核雄性不育（genome male sterility,GMS）和胞質(zhì)雄性不育（cytopiastic male sterility,CMS）。細(xì)胞核雄性不育的育性由核基因決定且其不育特征僅由核基因控制，不受胞質(zhì)影響，不具有正、 反交遺傳效應(yīng)。根據(jù)基因的作用方式又分為顯性基因不育和隱性基因不育兩種類(lèi)型。將核雄性不育納入到制種程序中是玉米核雄性不育材料利用的最終目的。細(xì)胞質(zhì)雄性不育是由胞質(zhì)基因組中控制雄花育性的有關(guān)基因發(fā)生突變，使雄配子體發(fā)育過(guò)程中的某一階段受阻，不能形成有功能的花粉粒所致。CMS的不育性狀主要由線(xiàn)粒體基

6、因控制，可以通過(guò)母體遺傳給后代。但 CMS 的遺傳機(jī)理并不只限于線(xiàn)粒體基因組2。CMS材料具有遺傳多樣性。3.玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的發(fā)現(xiàn)及類(lèi)型玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytopiastic male sterility,CMS），最早發(fā)現(xiàn)于1930年3。玉米 CMS 材料中的不育胞質(zhì)與對(duì)應(yīng)的核育性基因有嚴(yán)格的互作關(guān)系, 這即是育性恢復(fù)專(zhuān)效性4。依據(jù)育性恢復(fù)專(zhuān)效性原理，即特定胞質(zhì)不育基因與其相對(duì)應(yīng)的核恢復(fù)基因之間發(fā)生嚴(yán)格的一一向?qū)Φ年P(guān)系，將玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育分為三種類(lèi)型：T型、C型、S型5。其分類(lèi)依據(jù)：利用一組帶不同恢復(fù)基因的自交系為父本，與待測(cè)不育系雜交，根據(jù)后代的育性表現(xiàn)來(lái)判斷其所屬類(lèi)群。表1 玉

7、米CMS材料的分類(lèi)組群 CMS材料T型 S(USDA),B,CA,D,E,EK,F,G,H,I,J,K,L,M,ME,ML,PS,R,S,SD,TA,TC,VG,W,唐徐雙，徐遠(yuǎn)小黃，大黃，二咸C型 C(Charrua),Bb,E,Es,PR,PBS型 T(Texas),HA,P,Q,RS,SC,IA,7A,17A1932年蘇聯(lián)在黃硬粒地方品種中發(fā)現(xiàn)了C型CMS材料；1937年發(fā)現(xiàn)了S型USDA材料，同時(shí)中國(guó)也發(fā)現(xiàn)了唐徐、雙等CMS材料；1944年在美國(guó)發(fā)現(xiàn)并定名了T型CMS。玉米雄性不育最早用于生產(chǎn)的是T型不育系，且最早應(yīng)用于美國(guó)。目前，已發(fā)現(xiàn)了100種玉米CMS材料，部分材料所屬類(lèi)別如表1

8、所示。4.各不育類(lèi)型的主要不育特征不同胞質(zhì)類(lèi)型的雄花育性分別由特定的基因支配,小孢子敗育的特征和的細(xì)胞學(xué)機(jī)理也不盡相同。4.1 T型該型雄性不育系的不育性極其穩(wěn)定，花藥完全干癟不外露，花粉敗育較徹底，敗育花粉形狀多種，以菱形、三角狀為多，并呈透明控胞，比正?；ǚ哿Ｐ　型不育系屬孢子體型雄性不育。其育性的反應(yīng)取決于孢子體（母體）的基因型，而與配子體（花粉）的基因型無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)不育系與恢復(fù)系雜交后，F(xiàn)2代出現(xiàn)一定比例的不育株。其不育性的恢復(fù)受兩對(duì)基因Rf1和Rf2控制。Rf1基因位于第3染色體的短臂上，Rf2基因位于第9染色體上。Rf1與Rf2表現(xiàn)為顯性互補(bǔ)效應(yīng)，不育性的恢復(fù)需要同時(shí)具有Rf1

9、和Rf2這兩個(gè)顯性基因，但這兩個(gè)基因可以是純合的，也可以是雜合的。T型不育系最顯著的表型特征是對(duì)玉米小斑病菌T小種高度專(zhuān)化感染，因此生產(chǎn)上難以應(yīng)用，僅在高緯度的冷涼地區(qū)有少量使用。T型不育系最顯著的表型特征是對(duì)玉米小斑病菌T小種高度專(zhuān)化感染，因此生產(chǎn)上難以應(yīng)用，僅在高緯度的冷涼地區(qū)有少量使用。4.2 C型該型雄性不育系雄穗生長(zhǎng)正常，但花藥不開(kāi)裂，也不外露，花藥干癟，花粉敗育，呈透明三角形，屬穩(wěn)定的不育群，對(duì)玉米小斑病菌T小種具有較強(qiáng)的抗性。C型不育系也是孢子體型雄性不育。其不育性的恢復(fù)，由兩個(gè)恢復(fù)基因Rf4、Rf5控制，且Rf4與Rf5表現(xiàn)為基因的重疊作用，其中Rf4基因位于第8染色體的長(zhǎng)臂上

10、。C型不育系的不育性穩(wěn)定，且抗小斑病。因此，C型是目前玉米育種與生產(chǎn)上應(yīng)用的主要類(lèi)群。4.3 S型這種類(lèi)型的不育系最早來(lái)源于美國(guó)，又稱(chēng)USDA型。該型的雄性不育系雄穗上的花藥由不露出穎殼到完全露出穎殼，花藥大多數(shù)不開(kāi)裂，有少數(shù)半裂到全裂?；ǚ蹟∮喑什灰?guī)則的三角形，花粉敗育不徹底，以至于花藥裂開(kāi)時(shí)，可能還有少數(shù)正?？捎幕ǚ?，其數(shù)量因遺傳背景和環(huán)境而有差別。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，S型雄性不育系的育性反應(yīng)也隨之變化。一般在溫暖而干燥的地區(qū)，不育性表現(xiàn)穩(wěn)定，在冷涼濕潤(rùn)或日照較短的地區(qū)，不育性表現(xiàn)不穩(wěn)定。因此，S型是不育性不太穩(wěn)定的類(lèi)群，生產(chǎn)上應(yīng)用時(shí)應(yīng)持慎重態(tài)度。S型不育系對(duì)玉米小斑病菌T小種不專(zhuān)化感染。這

11、種類(lèi)群的不育系最早來(lái)源于美國(guó)，又稱(chēng)USDA型。S型不育系的不育性的恢復(fù)受顯性基因Rf3控制，該基因位于第2染色體的長(zhǎng)臂上。該群不育系屬配子體型雄性不育，它們的育性反應(yīng)由花粉（配子體）的基因型決定。不育系與恢復(fù)系雜交，其F1雄花育性被恢復(fù)，但 F1植株上的花粉發(fā)生分離，其中50%花粉可育（帶有Rf3基因），另50%花粉敗育（帶有rf3基因），由于含有rf3基因的花粉是敗育的，不能參與授粉受精，只有含有Rf3基因的花粉能參與受精。因此，F(xiàn)1自交產(chǎn)生的F2不會(huì)出現(xiàn)不育株。 5. 各不育類(lèi)型敗育的細(xì)胞學(xué)特征5.1 T型不育系敗育的細(xì)胞學(xué)特征T型不育系屬孢子體不育,小孢子敗育時(shí)期較早。敗育始發(fā)生于四分體

12、期,始見(jiàn)于絨氈層線(xiàn)粒體異常；單核小孢子中期,絨氈層提前解體;單核晚期,小孢子不能形成中央大液泡,此時(shí)藥壁收縮,擠壓小孢子,形成無(wú)花粉型的花藥,敗育較徹底4。 夏濤6對(duì)T 型不育系的小孢子敗育進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察，其研究結(jié)果表明，在小孢子發(fā)育的第一次減數(shù)分裂中期和稍后，中層細(xì)胞發(fā)生異常解體。此后，不育系小孢子母細(xì)胞可以正常形成二分體和四分體但部分四分體因肼胝質(zhì)壁不能裂解，而粘連在一起，由共同的細(xì)胞壁包裹成團(tuán)塊狀生長(zhǎng)，游離的單核小孢子則出現(xiàn)各種形式的異常。單核早期，小孢子內(nèi)充滿(mǎn)著許多小液泡，絨氈層仍以完整的細(xì)胞狀存在，有較致密的細(xì)胞質(zhì)，表現(xiàn)出推遲解體，稍后則完全敗育至花期，完全敗育的花藥顏色為白色或褐色

13、。5.2 C型不育系敗育的細(xì)胞學(xué)特征C型小孢子敗育也屬孢子體不育。小孢子敗育始于四分體,有兩種敗育過(guò)程。一種小孢子在單核期敗育,絨氈層提前退化,形成無(wú)花粉粒的干癟花藥；另一種敗育發(fā)生在四分體期,異常絨氈層一直保留到開(kāi)花期才解體,絨氈層異常伸長(zhǎng)占滿(mǎn)藥室,擠壓小孢子,使小孢子不能正常分裂而敗育4。 陳偉程7通過(guò)利用光學(xué)和電子顯微鏡對(duì)玉米C型胞質(zhì)雄性不育系和保持系的花藥與小孢子發(fā)育過(guò)程進(jìn)行對(duì)比觀察.結(jié)果表明,不育系小孢子初始敗育發(fā)生在幼齡小孢子時(shí)期,單核中期基本上完全敗育,絨氈層到開(kāi)花前崩潰。在小孢子初始發(fā)育時(shí)期,不育系絨氈層細(xì)胞的質(zhì)體呈“杯狀”變態(tài)，導(dǎo)致雄性不育主要的細(xì)胞學(xué)原因是絨氈層細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功

14、能的失常.劉大文等8通過(guò)對(duì)C型不育系花粉進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察，得出結(jié)果：C型不育系花粉敗育發(fā)生于四分體離散后的單核初期；花藥壁的絨氈層細(xì)胞液泡化、膨大,中層隨花藥發(fā)育而增大。羅紅兵等9通過(guò)對(duì)新育成的玉米GDS細(xì)胞質(zhì)雄性不育系及其同型保持系BG的小孢子發(fā)育進(jìn)行了細(xì)胞學(xué)觀察。結(jié)果表明：GDS不育系小孢子敗育發(fā)生時(shí)間較早，在小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂前期就表現(xiàn)出敗育的特征，不能通過(guò)減數(shù)分裂。敗育成2種形式：1）絨氈層異常膨大，小孢子母細(xì)胞濃縮解體；2）絨氈層液泡化程度低，小孢子母細(xì)胞早起開(kāi)始濃縮解體。5.3 S型不育系敗育的細(xì)胞學(xué)特征研究表明,S型小孢子敗育屬配子體不育,敗育發(fā)生較晚。敗育發(fā)生在二核花粉期,生殖

15、核先敗育,然后營(yíng)養(yǎng)核敗育,花粉粒突然解體,形成空泡狀的花粉壁,為花粉敗育型4。夏濤等7對(duì)S型胞質(zhì)材料 Mol7cms-唐徐、Mol7cms-雙、 77cms-唐徐等材料做了研究，結(jié)果表明，在單核期以前各個(gè)材料花粉發(fā)育正常。在單核早期，四分體解體，能釋放出正常的小孢子，但也發(fā)現(xiàn)77cms-M中有部分小孢子開(kāi)始敗育；單核中期，小孢子形成內(nèi)、外兩層細(xì)胞壁，除Mol7cms-唐徐外，其他幾種材料小孢子細(xì)胞質(zhì)內(nèi)均不能形成大液泡；單核晚期，細(xì)胞核移至細(xì)胞邊緣，形成較大的液泡；雙核期，Mol7cms-唐徐、Mol7cms-雙小孢子內(nèi)容物逐漸積累，體積增加，但花粉粒在成熟之前突然崩解，剩下完好的控泡狀結(jié)構(gòu)。而

16、77cms-唐徐、77cms-M則不能進(jìn)行內(nèi)容物的積累，形成充滿(mǎn)充滿(mǎn)大液泡的空腔。張?jiān)龃ǖ?0研究發(fā)現(xiàn)，花藥絨氈層在二分體時(shí)期發(fā)生異常，小孢子在單核前期開(kāi)始敗育，至單核后期完全解體，花藥發(fā)育后期不育系藥腔中只觀察到少量的小孢子殘?bào)w，花藥壁的4層細(xì)胞依然存在，絨氈層細(xì)胞已經(jīng)徹底液泡化, 占據(jù)了藥腔的整個(gè)空間，花粉成熟期不育系花藥維管束消失。泰玉 D2 不育系花藥絨粘層在二分體時(shí)期成輻射狀膨大，小孢子在單核期敗育，花粉敗育完全，屬無(wú)花粉類(lèi)型。李小琴等4觀察到 Mo17cms-WBMs 的小孢子在單核花粉中期以前發(fā)育正常，部分小孢子從單核花粉晚期質(zhì)核出現(xiàn)異常，多數(shù)小孢子可正常發(fā)育到二核花粉期，隨后開(kāi)

17、始崩潰，形成空癟皺縮的花粉粒。雄性不育材料 WBMs 胞質(zhì)的小孢子敗育過(guò)程與S型唐徐胞質(zhì)不育材料類(lèi)似，敗育發(fā)生晚，絨氈層等體細(xì)胞活動(dòng)正常，屬典型的配子體不育類(lèi)型。孫慶泉3等通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：S型敗育發(fā)生在二核花粉期，T 型敗育發(fā)生在小孢子單核中期至晚期，C 型敗育發(fā)生在四分體時(shí)期至小孢子單核中期。S型敗育與線(xiàn)粒體異常有關(guān)，T 型和 C型敗育與絨氈層異常有關(guān)。前人試驗(yàn)表明，C 型、T 型和 S 型的玉米 CMS材料的小孢子敗育過(guò)程不同。C型和 T 型不育系的小孢子敗育早、徹底，是無(wú)花粉型孢子體不育類(lèi)型，都表現(xiàn)為在特定的階段內(nèi)絨氈層發(fā)育不正常，導(dǎo)致花粉敗育。S 型不育系的小孢子敗育時(shí)期晚，幾乎所有

18、的小孢子都能正常發(fā)育到二核花粉期，能正常分裂出營(yíng)養(yǎng)核與生殖核，花粉內(nèi)壁形成，在中央大液泡消失之前，二核花粉粒突然崩潰，藥室中僅殘留紊亂的細(xì)胞質(zhì)團(tuán)塊和敗育的花粉粒，屬有花粉型配子體不育類(lèi)型，在小孢子敗育過(guò)程中絨氈層活動(dòng)正常11。6. 今后的研究方向根據(jù)以上描述，我們可以區(qū)分三種不同類(lèi)型的細(xì)胞質(zhì)雄性不育系，通過(guò)光學(xué)和電子顯微鏡可觀察其敗育特征。三種不育系敗育機(jī)制不同，在育種方面的應(yīng)用也不同?？筛鶕?jù)具體需求，確定所需不育系進(jìn)行育種。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上利用雄性不育生產(chǎn)大量雜交種子是行之有效的方法,在許多作物上都已廣泛應(yīng)用,如玉米、高粱、蠶豆、甜菜等15。將基因雄性不育納入到制種程序中是玉米基因雄性不育材料利

19、用的最終目的。因此今后必定向著基因雄性不育方向發(fā)展。基因雄性不育利用的難點(diǎn)是不育性的保持問(wèn)題，為了能夠在核不育后代中早期診斷育性，人們要進(jìn)行多種標(biāo)記性狀的研究3。早期鑒別不育性的標(biāo)記性狀的轉(zhuǎn)入會(huì)隨轉(zhuǎn)基因技術(shù)的迅猛發(fā)展而成為可能。隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，利用基因工程手段來(lái)構(gòu)建工程不育系首先在煙草和油菜上獲得成功，其后在萵苣、 棉花、 水稻等植物上都有構(gòu)建成功的報(bào)道，這就預(yù)示著該方法可能也可以應(yīng)用于包括玉米中，工程不育系雜交制種將會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：【1】侯瑋,陳舉林,王國(guó)勝等. 細(xì)胞質(zhì)雄性不育在玉米育種及生產(chǎn)中的應(yīng)用概述J. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011,17( 01):64-66【2】 馮宗云,何萍,張靜.玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育性的分子機(jī)理J. 玉米科學(xué),1996,4(3):7-10【3】 孫慶泉,榮延昭. 玉米雄性不育材料的研究和利用進(jìn)展J. 玉米科學(xué),2003,11(2):22-27【4】 李小琴,劉紀(jì)麟,王相琴. 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料研究的進(jìn)展J. 作物雜志,1999,15（4）:8-10 【5】 陳波,張燕.玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育機(jī)制研究現(xiàn)狀J. 黑龍江