植物基因工程雄性不育策略概述

1、    植物基因工程雄性不育策略概述    韓福平摘要：作物雄性不育系的選育是雜交育種中的重要環(huán)節(jié)?；蚬こ绦坌圆挥c用常規(guī)方法選育雄性不育相比具有選育周期縮短、育性相對(duì)穩(wěn)定、受環(huán)境影響少、對(duì)基因型依賴少、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)上具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。本文通過(guò)對(duì)基因工程雄性不育策略進(jìn)行了介紹，總結(jié)了基因工程雄性不育的技術(shù)起源和發(fā)展歷史。關(guān)鍵詞：雜交育種；基因工程；雄性不育；專利技術(shù)綜述1.基因工程雄性不育概述長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直利用常規(guī)育種的方法選育不育系、保持系和恢復(fù)系，或者把不育性從一個(gè)品種轉(zhuǎn)育到品質(zhì)好的品種中，這些方法周期長(zhǎng)、見(jiàn)效慢，不能滿足生產(chǎn)

2、發(fā)展的迫切需要。目前，也有許多控制植物雄性不育性的基因被克隆，但是，由于植物的不育性受核基因、線粒體基因、葉綠體基因和環(huán)境因素的影響，作用機(jī)理比較復(fù)雜，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)還不足，所以難在短期內(nèi)獲得明顯的效果.基因工程雄性不育與用常規(guī)方法選育雄性不育相比具有選育周期縮短、育性相對(duì)穩(wěn)定、受環(huán)境影響少、對(duì)基因型依賴少、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。1.1 mariani策略隨著生物技術(shù)的發(fā)展及其在植物遺傳育種中的應(yīng)用，mariani等人在1990年開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)創(chuàng)造植物雄性不育的新途徑。他們應(yīng)用來(lái)自于煙草的花藥絨氈層特異性啟動(dòng)子（ta29）和核糖核酸酶基因（barnase）嵌合后轉(zhuǎn)化煙草和油菜，由于核糖核酸酶的作用，轉(zhuǎn)基

3、因煙草和油菜的花藥絨氈層被破壞，形成花粉敗育，而轉(zhuǎn)基因煙草的其他器官發(fā)育正常。為了解決雄性不育的恢復(fù)問(wèn)題，1992年mariani等又將barnase的抑制劑barstar的基因與煙草花藥絨氈層特異性的啟動(dòng)子ta29串聯(lián)構(gòu)成嵌合基因轉(zhuǎn)化油菜，獲得了帶ta29-barstar的轉(zhuǎn)基因油菜，這些油菜作為母本與帶ta29-barnase的油菜雜交，使雄性不育恢復(fù)。帶ta29-barstar的轉(zhuǎn)基因油菜雄性可育，花藥絨氈層發(fā)育良好，無(wú)任何不良反映。barnase基因是hartley（1989）等在淀粉芽抱桿菌的“rna酶/rna酶抑制因子”防御系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)的。這種芽抱桿菌合成一種叫barnase的細(xì)胞

4、外rna酶，以保護(hù)本身不受其他微生物捕食者的危害。而barstar則是barnase特異的抑制因子，被淀粉芽抱桿菌用于保護(hù)白身不受barnase細(xì)胞毒素的影響。在barnase和barstar成功的應(yīng)用于創(chuàng)造植物的不育系和恢復(fù)系后，為了解決不育系的保持問(wèn)題，人們一直以未轉(zhuǎn)化的正常植株為其保持系保持育性，但是，由于帶ta29-barnase的轉(zhuǎn)基因植株為顯性雜合不育系，當(dāng)與正常植株雜交后，其雜交后代中會(huì)有50%的可育株。為了解決這個(gè)問(wèn)題，1994年zouj等將ta29-barnase嵌合基因與抗除草劑基因串聯(lián)在一起，構(gòu)建在同一個(gè)植物表達(dá)載體上轉(zhuǎn)化植物。這樣，我們可以篩選到ta29-barnase

5、與抗除草劑基因緊密連鎖的轉(zhuǎn)基因植株，二者可能同時(shí)存在同時(shí)消失，人們可以通過(guò)施用除草劑有選擇的將丟失ta29-barnase嵌合基因的雄性可育植株殺死，將雄性不育植株保留下來(lái)而保持不育性。目前，由美國(guó)加州大學(xué)和比利時(shí)pgs公司合作進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因油菜雜交系研究，應(yīng)用了mariani的不育性系統(tǒng)，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了“三系”配套。mariani的成功得益于找到了花藥特異性啟動(dòng)子。受到他的啟發(fā)，各國(guó)科學(xué)家紛紛在各種植物中尋找特異性啟動(dòng)子。目前，陸續(xù)克隆了許多與花粉或花藥形成有關(guān)的特異性啟動(dòng)子，例如osg6b、ta29等。1.2 通過(guò)影響植物的正常生理代謝形成雄性不育通過(guò)單一基因或一系列基因的轉(zhuǎn)化，改變植物產(chǎn)

6、生正?；ǚ鬯枰纳泶x.從而形成花粉的敗育。例如，影響植物內(nèi)部氨基酸、糖、黃堿醇、茉莉酮酸和生長(zhǎng)素的代謝形成花粉敗育。這些花粉的敗育可以通過(guò)彌補(bǔ)上述物質(zhì)的代謝水平來(lái)進(jìn)行育性恢復(fù)。1.3 通過(guò)互補(bǔ)系統(tǒng)來(lái)形成雄性不育或育性恢復(fù)將兩個(gè)基因或一個(gè)基因的兩個(gè)部分分別轉(zhuǎn)化植物，通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)基因植物的雜交在后代中兩個(gè)基因共同作用形成不育系或恢復(fù)系。例如oiane g等（2002）將barnase基因拆分成兩部分，分別用花藥特異性啟動(dòng)子127a驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化馬鈴薯，轉(zhuǎn)基因植株雜交結(jié)果顯示帶有barnase基因兩個(gè)部分的雜交后代表現(xiàn)為雄性不育，而只帶barnase基因單一部分的雜交后代則表現(xiàn)為可育，帶有barnas

7、e基因兩個(gè)部分的不育植株與野生型植株雜交，由于基因分離使3/4的后代植株育性恢復(fù)。luo等（2000）利用位點(diǎn)特異性重組系統(tǒng)flp/frt從組成型表達(dá)雄性不育基因的轉(zhuǎn)基因植物基因組中刪除不育基因從而達(dá)到對(duì)雄性不育的恢復(fù)。這種策略要求通過(guò)轉(zhuǎn)基因植物的雜交來(lái)形成雄性不育或育性恢復(fù)，這限制了這種策略在大面積制種中的應(yīng)用。1.4 利用反義技術(shù)獲得轉(zhuǎn)基因雄性不育反義技術(shù)就是將一段dna（或cdna）反向裝入啟動(dòng)子和終.比子，使反向dna像正常的dna一樣轉(zhuǎn)錄rna。但它不能像mrna那樣翻譯出蛋白，而是與有關(guān)的mrna通過(guò)堿基互補(bǔ)，形成反義rna/mrna雜交分子，以便抑制或封閉mrna正常的翻譯和表達(dá)

8、，達(dá)到特異性抑制或下向調(diào)節(jié)目的基因的表達(dá)?；ǚ郯l(fā)育是一個(gè)極復(fù)雜的過(guò)程，許多基因與花粉發(fā)育有關(guān)。通過(guò)反義rna片段與花藥或花藥特異性啟動(dòng)子嵌合，反義rna特異性阻斷與花粉發(fā)育有關(guān)的基因的表達(dá)，從而獲得雄性不育植株。目前，通過(guò)反義rna技術(shù)獲得雄性不育植株的成功的例子有許多。1.5 其他策略除了以上一些策略還可以利用天然的或誘導(dǎo)的突變體來(lái)形成雄性不育。可以通過(guò)突變遺傳因子作為育性恢復(fù)基因，這種育性恢復(fù)基因可以通過(guò)化學(xué)方法進(jìn)行誘導(dǎo)。例如，如上所述，現(xiàn)在己經(jīng)在玉米、矮牽牛、油菜等植物的線粒體dna中找到了與細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cms）有關(guān)的基因。通過(guò)基因工程的方法擾亂線粒體與細(xì)胞核之間的信息交流，便可導(dǎo)致

9、植物雄性不育。在植物中，atp合成酶亞基9（atp9）是線粒體編碼的，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要進(jìn)行編輯后才能形成成熟mrna。hernould（1993）等分別在atp9基因（未編輯）和它的cdna（編輯）前融合了酵母的信號(hào)膚序列后連接上camv35s啟動(dòng)子，轉(zhuǎn)化煙草.在轉(zhuǎn)基因植株中，由于基因前端信號(hào)膚的作用，表達(dá)產(chǎn)物可以被運(yùn)送到線粒體中，未編輯的atp9的表達(dá)產(chǎn)物是異常的，該異常產(chǎn)物與止常的atp9產(chǎn)物競(jìng)爭(zhēng)，形成有功能和無(wú)功能的atp合成酶的混合物，從而影響線粒體的功能，結(jié)果轉(zhuǎn)atp9基因的煙草有絕大多數(shù)不育、半不育、可育3種類型。2. 結(jié)語(yǔ)利用雜種優(yōu)勢(shì)可以顯著地提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，因此雜種優(yōu)勢(shì)利用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。雜交優(yōu)勢(shì)育種已成為許多作物的主要育種方法之一。為了得到更加方便、高效、穩(wěn)定的雄