植物雄性不育

植物雄性不育講授：張蜀寧一雄性不育在生物進化中的地位

1.雄性不育性的概念不育性(Sterility)：生物個體不能產(chǎn)生有功能的配子或不能產(chǎn)生在一定條件下能夠存活的合子的現(xiàn)象。雄性不育性（Malesterility）:生物的不育性是由于不能產(chǎn)生正常的花藥、花粉或雄配子時就稱~~。狹義的MS：指兩性花植物，雌蕊正常，雄蕊退化喪失功能現(xiàn)象

一雄性不育在生物進化中的地位

2.雄性不育的形式♀/♂異株植物群體中完全缺乏雄性個體或高度缺乏雄性個體?！?♂同株植物雄性器官萎縮、畸形或消失。植物不能形成正常的小孢子發(fā)生組織。小孢子發(fā)生異常，形成不完善的、畸形、失活的或敗育花粉。花粉不能成熟或無萌發(fā)能力。能形成有生活力的花粉，但花藥不開裂，3.雄性不育性的分類非遺傳性遺傳性基因型表現(xiàn)型細胞核細胞質(zhì)核質(zhì)互作結(jié)構(gòu)性小孢子發(fā)生性功能性產(chǎn)雌性化學(xué)誘導(dǎo)殺雄配子劑生理誘導(dǎo)溫敏、光敏、酶平衡生態(tài)誘導(dǎo)氣候、土壤、生物圈雄性不育的表型分類

雄性不育的表現(xiàn)型是建立在雄性不育表達的基礎(chǔ)上的1.結(jié)構(gòu)性雄性不育（Structuralmalesterility）（占25%）雄性器官結(jié)構(gòu)顯著異常，導(dǎo)致小孢子組織不能發(fā)育或小孢子異?；ㄋ幦笔Щ蚧?、退化，雄蕊群異常，絲狀、瓣狀、心皮化。2.小孢子發(fā)生性雄性不育（SporogeneousMS）(占65%)雄蕊發(fā)育正常，小孢子或雄配子發(fā)生異常，花粉不能產(chǎn)生或異常雄蕊外觀正常，花粉異常、敗育、無生活力。雄性不育的表型分類

雄性不育的表現(xiàn)型是建立在雄性不育表達的基礎(chǔ)上的3.功能性雄性不育（FuctionalMS）(占7%)花粉正常，但花藥不開裂阻礙散粉受粉，花藥壁堅韌不開裂或遲開；花粉外壁發(fā)育不全，花粉管異常雄蕊異長，失去自花授粉能力，又稱部位不育（PositionMS）4.產(chǎn)雌性（Gynecious）(占2%)雌雄同株或異株異花植物，如葫蘆科只產(chǎn)生雌花，雄花分化少。雌性系、雌株系（菠菜）4.雄性不育性在進化中的地位

⑴雄性不育是生物界的普遍現(xiàn)象亦是高等植物普遍的生物學(xué)現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計已涉及43個科，162個屬，320個種都617個變種和種間雜種。雄性不育的自然突變率為千分之三，據(jù)報道，人類由各種原因引起的不育癥高達約為10%。

4.雄性不育性在進化中的地位⑵雄性不育是自然選擇淘汰的機制生物繁殖競爭，適者生存。在生物進化中，某物種的個體或家系不斷積累有害變異，以致威脅整個種群的生存，自然選擇下將阻止這些個體或家系繁殖后代，從而改變?nèi)后w的基因頻率和基因型頻率，保證種群的競爭優(yōu)勢。雄性不育就是淘汰機制之一。雄性不育高于雌性不育是因為雄性器官及雄配子體比受保護的雌性器官及雌配子體更外露，對內(nèi)外環(huán)境因子更敏感。并且雄配子數(shù)量大，易變異。4.雄性不育性在進化中的地位⑶雄性不育是自然選擇挽救的機制雄性不育將阻止個體自交和或自花授粉，強制雜交，使基因重組，增加遺傳多樣性，挽救種族滅絕，促進生物進化，新物種產(chǎn)生。二雄性不育的遺傳機制1.細胞核雄性不育性（Genicmalesterility）(216個種12個種間雜種主要是自發(fā)突變產(chǎn)生，多為1~2對核基因控制，一對隱性基因控制占64%；孟德爾遺傳，無正反交效應(yīng)；大多數(shù)雄性不育性徹底，常用不育株率表示；一般表現(xiàn)為雄性不育-保持“兩用系”

Msmsⅹmsms50%Msms∶50%msmsmsms

ⅹMsms50%msms∶50%Msms顯性不育隱性不育二雄性不育的遺傳機制1.細胞核雄性不育性（Genicmalesterility）

⑴顯性核不育甘藍、白菜、馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、甘-油菜、萵苣、胡麻等20個屬22個種。多為“單顯”占10%，多為“兩用系”，不育株占45%略少。找不到完全恢復(fù)系甘藍100%顯性核不育遺傳模式:微量花粉雄性不育株MsmsMsMsMsmsmsms組培MsMsMsmsⅹmsms

F1100%雜交種ⅹ父本系⑵隱性核不育占88%，多表現(xiàn)為“兩用系”，找不到完全保持系如大白菜、白菜、蘿卜、洋蔥、番茄、辣椒及大田作物等兩對非等位基因互作產(chǎn)生100%雄性不育，上位互作模型（李樹林1985，張書芳1991）；抑制互作模型（魏堂、張蜀寧1992）3個復(fù)等位基因互作產(chǎn)生100%雄性不育，復(fù)等位基因模型（馬尚耀1990，馮輝1995）⑶基因互作或復(fù)等位基因核不育顯性雄性不育基因和抑制基因互作模型Ms→顯性不育基因;I→顯性抑制基因甲型兩用系MsMsiiⅹMsMsIiMsMsIiMsMsii乙型兩用系Msmsiiⅹmsmsiimsmsii

Msmsii100%

Msmsiiⅹ父本系雜交種

F1復(fù)等位雄性不育基因互作模型Ms→顯性不育基因;M+→顯性恢復(fù)基因;ms→隱性可育基因甲型兩用系

MsMs

ⅹMsM+MsM+

MsMs

乙型兩用系

Msmsi

ⅹmsmsmsms

Msms

100%

Msms

ⅹ父本系雜交種

F12.細胞質(zhì)雄性不育性(Cytoplasmicmalesterility)由特定的雄性不育細胞質(zhì)(S)基因(線立體、葉綠體等)控制,正常細胞質(zhì)表示為(N)。常用CMS母性遺傳：無論細胞核基因如何，具有(S)的都表現(xiàn)雄性不育。任何品種都為保持系，找不到恢復(fù)系，如Ogu.雄性不育。3.核質(zhì)互作雄性不育性(Gen-cytoplasmicMS)Fr→恢復(fù)基因Fr→不育基因(S)→不育細胞質(zhì)(N)→可育細胞質(zhì)不育系frfr(S)ⅹfrfr(N)

保持系不育系Frfr(S)ⅹ

FrFr(N)

恢復(fù)系（父本系）F1[Frfr(S)]4.關(guān)于雄性不育性遺傳學(xué)說三型說

(Sears40年代):GMS、CMS、G-CMS二型說（Edwandson1956）:GMS和CMS（G-CMS）人們用不同品種對原來劃分為CMS的進行測交，發(fā)現(xiàn)了大量可育株或恢復(fù)系。說明，當(dāng)Fr基因沒有鑒定出來之前認為是CMS類型，隨著Fr基因的鑒定和發(fā)現(xiàn)，這種不育性實際上是G-CMS型。目前人們普遍接受這一觀點。文獻中CMS特指G-CMS一型說：自然界中所有的雄性不育都是G-CMS，所謂CMS和GMS都是相對的。5.核不育與核質(zhì)互作雄性不育比較①GMS：雄性不育性徹底，不易受環(huán)境影響。不育株率表示

G-CMS：～不育性不徹底，易受環(huán)境影響。不育株率和不育度

不育株率=雄性不育株數(shù)/總株數(shù)不育度=雄性不育花數(shù)量/單株或群體總花數(shù)量不育度=Σ數(shù)量ⅹ級別/總數(shù)ⅹ最高級別②GMS：選育容易，恢復(fù)譜廣，但兩用系應(yīng)用麻煩。

G-CMS：三系配套選育困難（尋找恢復(fù)系），應(yīng)用方便。③G-CMS是沿母性遺傳,因此F1可能存在細胞質(zhì)負效應(yīng)。④如負效應(yīng)反應(yīng)在核基因表達上，往往使其育性恢復(fù)基因親和力大大堅韌，有時甚至難以找到恢復(fù)系，其雜優(yōu)無法利用。⑤GMS：具有遺傳多樣性

F1核基因重組、細胞質(zhì)多樣化。

G-CMS：F1細胞質(zhì)單一化，潛在著毀滅性危機。培育源源不斷的新品種要求有廣泛的雄性不育細胞質(zhì)來源，擴大不育細胞質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)是避免遺傳脆弱性和?；圆≡葱》N侵染的有效途徑。只有擁有多樣化的細胞質(zhì)，才能為有效地解決不育性的穩(wěn)定性問題及品種的區(qū)域化適應(yīng)性問題。要從根本上解決病原菌?；郧秩締栴}，唯一有效的途徑是利用核不育。例如：隱性核不育，任何正常自交系都是它的恢復(fù)系，故F1選配組合范圍大，具遺傳多樣性。三雄性不育性的應(yīng)用

1.雜種優(yōu)勢利用---F1代雜交種生產(chǎn)20世紀(jì)植物育種突出成就為首推雜種優(yōu)勢的利用，它已成為許多作物的育種方向。最優(yōu)化的制種手段（途徑）。特別對花期小，花數(shù)量多的作物。美國40年代玉米雜交種，我國50年代末從美國引入高粱“三系”。

2.輪回選擇法的廣泛應(yīng)用輪回選擇法是一種打破群體中不良基因連鎖，把分散在不同個體或不同染色體上的優(yōu)良基因集中，增加優(yōu)良基因重組機會，豐富群體遺傳變異的有效措施。一般主要用于異花授粉作物。MS特別是GMS（恢復(fù)譜廣，易選擇）為自花授粉作為的輪回選擇和群體改良開辟了新途徑。1964年Gilmore首先提出，隨后在高粱、大豆、水稻、小麥、油菜等作物中證實。3.復(fù)合雜交---構(gòu)建種質(zhì)庫由于F1保持高度的雜合性，在谷類和豆科植物中已經(jīng)應(yīng)用MS建立起復(fù)合雜交體系。如玉米、水稻、小麥、高粱、谷子、甜菜、棉花、向日葵等利用MS進行雙親→多親復(fù)合雜交，產(chǎn)生許多商品種或品系。

實例：1959年美國從世界各地征集6200個春大麥品種，以各品種8～10種子混合體為一方。以4個品種為背景基因型的50個隱性MS材料混合體為另一方。雙方間行種植，通過自然和人工輔助授粉雜交，經(jīng)過10～15代隨機自然交配育成具有很大潛在育種價值的大麥綜合雜交群體.構(gòu)成了大麥育種的種質(zhì)庫*隱性MS測交一代全可育→需自交→不育株再現(xiàn)→再自然雜交

顯性MS當(dāng)代出現(xiàn)不育株→每代選取不育株再自然雜交

4.配合力的測定當(dāng)要測定優(yōu)良自交系或品種的配合力時,可與一個MS(作測驗種)雜交,對F1進行分析評價。當(dāng)測交數(shù)量大時，這種方法特別有用常采用頂交法：篩選特殊配合力高的組合→配制F1雜種→生產(chǎn)MSⅹ自交系A(chǔ)→F1自交系B→F1

自交系C→F1

自交系D→F1自交系E→F1配合力測定→優(yōu)良組合→F1

5.遠緣雜交育種克服自交不親和性方法之一，多做雜交（個體基因型差異）。利用MS可以減少人工去雄工作，避免假雜種。

6.基因工程轉(zhuǎn)基因如利用花粉通道法向胚囊轉(zhuǎn)目的基因。（可排除自身花粉的影響）；克隆、測序、定位雄性不育基因。

7.倍性育種利用2n配子途徑獲得多倍體。（可排除自身花粉的影響）4XCMSⅹ2X品種或自交系→4X+2X四工程雄性不育

就是以基因工程的手段創(chuàng)造植物雄性不育的途徑

1.工程雄性不育的優(yōu)越性已知兩個自交系可配高優(yōu)勢雜交組合→將不育基因和恢復(fù)基因?qū)胫?，定向培育工程A系和C系。這是常規(guī)育種難以解決的。工程A系和C系是顯性核不育系和顯性恢復(fù)系，未轉(zhuǎn)化A系的自交系為B保持系，（常規(guī)顯性核不育很難找到恢復(fù)系），因此工程雄性不育系便于應(yīng)用。四工程雄性不育就是以基因工程的手段創(chuàng)造植物雄性不育的途徑

1.工程雄性不育的優(yōu)越性工程雄性不育性穩(wěn)定，雄性不育能力強，恢復(fù)源廣泛，不受地區(qū)、氣候、溫光等外界環(huán)境的影響。目前已培育出煙草、玉米、油菜、蕓薹、矮牽牛、棉花、花椰菜、萵苣、菊苣、番茄等工程雄性不育材料2.工程雄性不育的策略⑴利用花粉發(fā)育時期特異表達的一種細胞毒素（RNA酶），破壞絨氈層，使花粉發(fā)育受阻，導(dǎo)致花粉敗育，產(chǎn)生雄性不育。⑵借助反義RNA策略，抑制花粉發(fā)育必需基因的表達，導(dǎo)致花粉敗育，產(chǎn)生雄性不育。雙鏈DNA+DNA→MRNA┈→Protein-DNA→反義MRNA互補結(jié)合，阻止翻譯Pro.ⅹ2.工程雄性不育的策略⑶啟動胼胝質(zhì)酶，提前降解花粉發(fā)育所需的胼胝質(zhì)壁，破壞花粉發(fā)育的正常狀態(tài)，導(dǎo)致雄性不育。⑷在植物中表達一種激素，致使發(fā)育異常，造成MS。⑸利用核基因和細胞質(zhì)基因的加工方式差異，如本來在細胞器中表達的基因改由核基因編碼，并使其產(chǎn)物重新轉(zhuǎn)入細胞器中，同樣使植物產(chǎn)生MS.3.工程雄性不育基因的構(gòu)建策略:很多植物的MS的突變與絨氈層缺陷有關(guān),對花粉絨氈層選擇性的破壞,可以導(dǎo)致雄性不育.雄性不育嵌合基因的構(gòu)建啟動子TA29：花藥絨氈層特異時空啟動子。從煙草中分離的，已經(jīng)證實可在油菜、玉米、棉花、萵苣等中表達。（進化保守性）細胞毒素基因(BN基因)：高活力RNA酶分解RNA

從細菌中分離的，Barnase,Bar酶又稱RN，在大腸桿菌及一些植物中表達，導(dǎo)致cell死亡。NOS終止子：大多數(shù)采用。TA29啟動子NPTⅡ選擇標(biāo)記基因BN基因細胞毒素抗除草劑基因NOS終止子雄性不育嵌合基因的構(gòu)建NPTⅡ選擇標(biāo)記基因：新霉素（或葡萄糖）磷酸轉(zhuǎn)移酶基因，其表達會使轉(zhuǎn)化細胞對氨基葡萄糖苷類抗生素（卡那霉素、新霉素、慶大霉素）產(chǎn)生抗性?？钩輨┗颍禾镩g選擇轉(zhuǎn)化植物。TA29啟動子NPTⅡ選擇標(biāo)記基因BN基因細胞毒素抗除草劑基因NOS終止子恢復(fù)嵌合基因的構(gòu)建BS基因：Barstar(BS)是BN強抑制劑基因，從分離BN基因同樣的細菌中分離而來，它的產(chǎn)物Barstar與BN形成共價化合物，失去RNA酶活性，從而使育性恢復(fù)。TA29啟動子NPTⅡ選擇標(biāo)記基因BS基因細胞毒素抑制劑抗除草劑基因NOS終止子4、雄性不育基因的遺傳轉(zhuǎn)化常用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法農(nóng)桿菌是一種革蘭氏陰性土壤細菌,用于轉(zhuǎn)化有發(fā)根農(nóng)桿菌:Agrobacterium

rhizogenes

含Ri質(zhì)粒,植物會長出無方向性毛狀根,通過組培可直接從毛狀根再生植株。該系統(tǒng)基礎(chǔ)研究還不成熟。僅甘藍、甘藍型油菜、