免费文献传递   相关文献

Research Progress on Mechanisms of Cytoplasmic Male Sterility and Fertility Restoration in Rapeseed

油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展



全 文 :·综述与专论· 2015, 31(9):15-22
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
细 胞 质 雄 性 不 育(Cytoplasmic male sterility,
CMS)是油菜杂种优势利用的重要途径,与化学去
雄、细胞核雄性不育、自交不亲和等方式相比较,
CMS 是最为理想的授粉控制系统之一。目前国内外
已研究报道过的油菜 CMS 主要类型有 :波里马胞质
雄性不育系(pol CMS)、nap 胞质雄性不育系(nap
CMS)、 萝 卜 胞 质 雄 性 不 育 系(ogu CMS)、tour 胞
质雄性不育系(tour CMS)、Kosena 胞质雄性不育
系(kos CMS)、hau 胞质雄性不育系(hau CMS)等。
植物细胞质雄性不育主要与线粒体基因组有关,植
物的线粒体基因组不仅有其独立的遗传系统,而且
由于存在高度重组和外源 DNA 整合的特性,使线
粒体基因组更为复杂。与 CMS 相关不育基因的研究
主要是通过线粒体 DNA(mt DNA)的限制性内切
酶酶切片段长度多态性(Restriction fragment length
polymorphism,RFLP)来研究线粒体不育基因的类型;
也可以利用比较物理图谱的方法来分析线粒体基因
组结构上的差异,从而进一步确认与不育相关的基
因。本文对目前国际上主要的油菜细胞质雄性不育
类型的不育分子机理研究进展进行了综述。
收稿日期 :2015-01-24
基金项目 :高等学校博士学科点专项科研基金(20123250110009),国家自然科学基金项目(31571699)
作者简介 :刘琪迩,女,硕士研究生,研究方向 :油菜遗传育种 ;E-mail :376962496@qq.com
通讯作者 :王幼平,男,教授,研究方向 :油菜遗传育种 ;E-mail :wangyp@yzu.edu.cn
油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展
刘琪迩  杜坤  王幼平
(扬州大学生物科学与技术学院,扬州 225009)
摘 要 : 油菜细胞质雄性不育不仅是研究核质互作的理想材料,同时也是杂种优势利用的最有效方式之一。目前对油菜细
胞质雄性不育的研究主要包括不育基因的来源、不育基因的结构特征、不育基因的作用机理以及育性恢复的分子机制等。对目前
国际上主要的油菜细胞质雄性不育类型(pol CMS、nap CMS、kos CMS、ogu CMS 和 tour CMS)在分子水平上的研究进展进行了综述。
包括线粒体不育基因相关区域的确定和结构特点,不育形成的分子机理以及恢复基因的定位和作用机制等。
关键词 : 油菜 ;细胞质雄性不育 ;恢复基因
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.09.004
Research Progress on Mechanisms of Cytoplasmic Male Sterility and
Fertility Restoration in Rapeseed
Liu Qi’er Du Kun Wang Youping
(College of Bioscience and Biotechnology,Yangzhou University,Yangzhou 225009)
Abstract: Cytoplasmic male sterility(CMS)is an ideal material to study nuclear-cytoplasm interactions, meanwhile it is one of the most
effective ways to use heterosis. The researches related to rapeseed CMS in recent years focused on the analysis of structure characteristics and
origins of the sterility genes, the mechanism of sterility gene and the restoration of fertility. This paper introduced the current international main
types of CMS(pol CMS, nap CMS, kos CMS, ogu CMS and tour CMS)in rapeseed, and also reviewed the research progress of molecular level,
including the identification of CMS-associated regions, the possible mechanism of CMS and the localization of restorer genes.
Key words: rapeseed ;cytoplasmic male sterility(CMS);restorer gene
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.916
1 油菜细胞质雄性不育类型以及不育相关基
因区域
pol CMS :pol CMS 是傅廷栋教授于 1972 年在甘
蓝型油菜品种“波里马”中首次发现的天然细胞质
雄性不育类型[1]。目前,在我国 pol CMS 被广泛用
于制备油菜杂交种[2]。早在 1986 年 Erickson[3]就
利用 RFLP 的方法比较了 pol CMS 和 cam 胞质的 mt
DNA,限制性酶切片段表明两者存在明显的差异。
Singh 和 Brown[4]通过对 nap 胞质的甘蓝型油菜保持
系、pol CMS 和恢复系中 14 个线粒体基因转录产物
研究时发现,仅在 atp6 基因区域处存在差异。atp6
基因在 pol CMS 中有 2.2 kb 和 1.9 kb 的转录本,在
nap CMS 中仅转录产生 1.1 kb 的转录本,而在育性
恢复后代中,该 1.1 kb 的转录本显著上升,并且伴
随 1.3 kb 和 1.4 kb 两个新转录本的产生,后经证实
可能是恢复基因对线粒体不育相关区域的调控作
用[5]。通过序列分析发现在 pol CMS 的 atp6 基因上
游由于线粒体基因组的重排产生了一个编码 224 个
氨基酸的嵌合式开放阅读框 orf224,与 atp6 基因共
转录形成 pol CMS 的不育相关基因[6]。LHomme 和
Brown[7]在比较甘蓝型油菜 cam 胞质可育系和 pol
CMS 植株 mt DNA 物理图谱时发现,两者差异仅发
生在 atp6 基因上游区域。在 pol CMS 中,该区域含
有 orf224 并与 atp6 基因共转录,证实了 orf224/atp6
与 pol CMS 的相关性。Wang 等[8]对甘蓝型油菜 pol
CMS 与花椰菜体细胞杂种后代中不育植株的 mt DNA
进行分析,结果表明不育胞质杂种都存在 orf224/
atp6 共转录本,与 pol CMS 不育性状紧密连锁,进
一步证实了 orf224/atp6 与 pol CMS 不育性状是高度
连锁的。
nap CMS :Thompson[9]于 1972 年在波兰春油菜
品种 Bronowski(父本)与冬油菜品种 RD58(母本)
杂交 F2 代中发现了细胞质雄性不育植株,利用此雄
性不育株与 Bronowski 回交选育出 T CMS。而 Shiga
和 Baba[10]从日本甘蓝型油菜品种千荚油菜(母本)
和北陆 23(父本)的杂交后代中也发现了细胞质雄
性不育植株,将这种不育胞质称为 S CMS。进一步
研究证明 T CMS 和 S CMS 属于同一类型,合称 nap
CMS。1996 年,LHomme 发现,pol CMS 中的 4.5 kb
大小 atp6/orf224 转录本在 cam 胞质中不存在,但却
位于 nap CMS 的 mt DNA 上不同区域。该片段内存
在一个与 orf224 相似的 orf222,与 orf224 有 85% 的
序列相似性,有 6 个碱基的插入或缺失突变,其 5
端也同样来自 orfB。通过预测得知 orf222 可以编码
产生一个 26 kD 的内在膜蛋白,与 orf224 的预测产
物有 79% 的同源性,具有极其相似的亲水性结构。
且该片段位于 nad5 基因(编码 NADH 脱氢酶复合
体的一个亚基)第 3 个外显子 C 端上游 300 bp 的位
置,并与另一个功能未知阅读框 orf139 共转录。利
用特异引物对 orf222 进行 Northern Blot 分析发现,
只在 nap CMS 和 nap 胞质恢复系中有 2.0 kb 和 1.7kb
大小的转录本,且 nap CMS 中 orf222 的转录本要远
远丰富于 nap 胞质的恢复系。利用 21 个线粒体基因
探针对 nap CMS、nap 恢复系和 cam 胞质的保持系进
行 Northern 分析时发现只有 orf222/nad5c/orf139 区域
转录本存在差异,证明了该区域与 nap CMS 有关[11]。
ogu CMS :是 Ogura[12]首次在萝卜中发现的天
然雄性不育类型。1977 年,Bannerot 通过种间杂交
和连续回交将甘蓝型油菜的核导入萝卜的 ogu CMS
中,得到了甘蓝型油菜 ogu CMS。其不育性状十分
稳定,自然存在的油菜大多都是其保持系[13]。目
前 ogu CMS 是北美及欧洲等地主要应用于生产油菜
杂交种的细胞质雄性不育类型。Bonhomme 等[14]对
ogu CMS 的 mt DNA 进行序列分析时发现一段包含
orf138、orf158 和一个 tRNA 基因(trnfM)的区域,
该区域可能与雄性不育相关。orf138 位于 orf158(能
够编码 ATP 合酶的 8 个亚基)的上游与之共转录,
产生一个 1.4 kb 的转录本。其中 orf158 在正常胞质
中 也 转 录, 而 orf138 只 在 ogu CMS 中 转 录。 在 对
orf138 序列同源性进行分析时发现,包括 orf138 编
码区 12 个密码子和 3 侧翼序列在内的 70 个氨基酸
与拟南芥中可能为 NADH 脱氢酶编码的 orf557 的 3
非翻译区相同[15,16]。Duroc 等[17]发现在 ogu CMS
中,orf138 编码一个膜结合蛋白,该蛋白与线粒体
内膜相连,分子量为 22 kD,易形成寡聚体。将其
在大肠杆菌中表达,能够抑制大肠杆菌的正常生
长,说明 ORF138 对细胞具有毒害作用。通过构建
orf138 与绿色荧光蛋白 GFP 融合的靶向线粒体表达
载体,将该基因的表达载体导入酵母和拟南芥中,
2015,31(9) 17刘琪迩等:油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展
来研究不育蛋白的结构与雄性不育关系的机制时发
现,ORF138 蛋白并没有抑制酵母的生长,却改变
了酵母和植物细胞中的线粒体的外形,转基因的拟
南芥也没有出现不育的性状[18]。这可能与核表达的
ORF138 亚细胞定位有关。
kos CMS :Sakai 等[19]利用另一种来源于萝卜的
胞质不育类型 kos CMS,通过原生质体融合技术将该
胞质不育转入 B. napus[19,20]。在对萝卜 kos CMS 线
粒体 DNA 进行分析时发现了一个与 CMS 相关的基
因 orf125,该基因序列与 ogu CMS 不育基因 orf138
有较高的同源性,只存在 2 个氨基酸替换和 39 bp
处一个碱基缺失。在萝卜 kos CMS 中 orf 125 与 orfB
共转录。然而在甘蓝型油菜 kos CMS 中 orf125 的 3
侧翼区域出现了一个新的 mt DNA 序列。orf 125 在
两种胞质的 CMS 中都可以表达出蛋白,且育性恢复
植株中 ORF125 含量显著降低[21]。
tour CMS :tour CMS 是 印 度 学 者 Rawat 和
Anand[22]于 1979 年在芥菜型油菜中发现的天然细
胞质雄性不育材料,Pradhan 等证实该不育材料的细
胞质来源于非洲芥菜 B. tournefortii,属异源细胞质
雄性不育[23,24],目前这种不育胞质在印度得到应
用。Landgren 等[25] 研究表明,tour CMS 线粒体基
因 atp6 存在两个大小分别为 2.3 kb 和 1.1 kb 的转录
本。其中 2.3 kb 的转录本中除了含有正常的 atp6 基
因外,在其下游还含有一个异常的 orf263。该 2.3 kb
的转录本与可育性状共分离。在利用 SDS-PAGE 分
析不育系、保持系和恢复系的线粒体总蛋白差异时
发现,存在有 3 个差异条带分别是 32 kD、29 kD 和
20.5 kD,其中 20.5 kD 与细胞质的来源有关。32 kD
的蛋白质只存在于不育系中,而 29 kD 的蛋白在可
育和育性恢复系中不存在或存在量很少[25]。
hau CMS :hau CMS 是 傅 廷 栋 教 授 于 1999 年
在芥菜型油菜中发现的自发突变的细胞质雄性不育
系。目前已经利用回交的方法将该不育胞质转移到
甘蓝型油菜中去。Wan 等[26]利用 16 个线粒体探针
和酶切组合将 hau CMS 与其他 4 种 CMS(pol CMS、
nap CMS、ogu CMS、tour CMS)区分开来,证明 hau
CMS 是一种新型的油菜细胞质雄性不育类型。借
助 hau CMS 和保持系的多代回交的材料进行线粒体
基因差异表达分析发现,一个位于 atp6 基因下游,
并与它共转录的新型开放阅读框 orf288 可能是 hau
CMS 雄性不育相关的基因。利用 Western blotting 方
法分析得出在雄性不育系中 orf288 能够翻译成蛋白
质。将 orf288 导入大肠杆菌中并表达发现,ORF288
明显抑制大肠杆菌的生长,暗示该蛋白对大肠杆菌
有毒害作用,而且在有无线粒体靶向前导序列存在
时 orf288 都能够造成转基因拟南芥花粉败育[27]。结
果表明 orf288 是造成 hau CMS 的相关基因。orf288
与 tour CMS 的不育基因 orf263 高度同源,可能是由
于 orf263 中碱基置换和碱基缺失导致的阅读框延长
所致[28]。
Nsa CMS :Nsa CMS 是胡琼(Hu)等[29]利用甘
蓝型油菜中双 4 号与新疆野芥通过原生质体融合获
得的体细胞杂种,以后代中雄性不育株做母本,中
双 4 号做轮回亲本回交多代创建的异源细胞质雄性
不育系[29-31]。在利用反向斑点杂交鉴定 Nsa CMS 相
关基因时发现,nad2 基因在 Nsa CMS 中的杂交信号
弱于保持系,说明在不育系中 nad2 基因表达受到抑
制,推测 nad2 可能与 Nsa CMS 相关。
除此之外,目前报道的其他油菜 CMS 类型有 :
利用远源杂交从甘蓝型油菜与埃塞俄比亚芥杂交后
代中选育出的 NCa CMS[30];印度的 Parkash 和 Bhat
等[31]利用体细胞融合和有性杂交技术获得的芥菜
型油菜 Mor CMS。李殿荣等[32]从复式杂交后代中
选育的 Shan 2A ;还有本实验室通过甘蓝型油菜与
白芥电融合,从杂种后代中选育出的细胞质雄性不
育材料 SaNa-1A 等[33]。
综上所述,线粒体雄性不育基因通常具有下列
特点 :常与 atp6、atp8 或 atp9 等功能基因嵌合并共
转录,油菜 CMS 主要属于这种类型。此外,大部分
的不育基因中都含有与已知的线粒体功能基因相似
的片段(频繁重组所致),部分不育基因含有跨膜结
构。如 ogu CMS 中的 orf138 是线粒体基因组小的同
源区域之间重新组合形成的。
2 不育基因的作用机理
pol CMS 中的 orf224 造成不育的原因有两种假
说 :一是认为 orf224 与 atp6 基因共转录,减少了正
常 atp6 基因转录从而降低 ATP 合酶亚基的蛋白量,
造成线粒体能量供应异常,从而引起花粉败育。二
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.918
是认为 orf224 可能产生出一种毒蛋白,引起不育。
赵敏荣等[34]将扩增出的 orf224 基因片段在大肠杆
菌中表达,并未检测出 ORF224 蛋白,但发现经诱
导后的重组菌株的生长受到抑制,利用特异性抗体
可以检测到 orf224 基因表达产物,对细菌生长具有
抑制或毒害作用。最近,通过对 pol CMS 近等基因
系可育和不育花蕾转录组差异的比较,结果表明有
1 148 个 unigene 表达水平明显改变,这些基因主要
是代谢和蛋白合成通路相关基因,一些控制花粉囊
发育的 unigene 在不育系中明显下调。推测 orf224/
atp6 造成的能量缺乏可能是由于一些线粒体基因与
核基因的相互作用抑制了一些调控花粉发育的基因
的表达 ;由于缺乏 ATP 合酶亚基蛋白,造成的能量
缺乏,会导致 pol CMS 雄性不育系中造孢细胞不能
正常分化,最终造成花粉败育[35]。与 pol CMS 不育
形成机理相似,nap CMS 也可能是 orf222 与邻近的
atp6 基因共转录,造成 atp6 基因单顺反子转录本减
少,从而减少了 atp6 基因编码的蛋白量,致使 nap
CMS 线粒体的功能异常,能量供应不足,导致不育。
Dong 等[36]利用基因芯片对白菜型油菜 ogu CMS 和
保持系花蕾进行转录模式分析时发现,在不育系中
特异表达基因包括胁迫相关和氧化还原相关的基因,
一些与花粉外壁形成以及花粉萌发相关基因在不育
系中表达被抑制,而与生长素、ATP 合成、花粉发
育和应激相关的核基因表达发生延迟。对 Nsa CMS
与其恢复系 NR1 杂交产生的可育和不育后代的幼嫩
花蕾转录组分析发现,在可育后代中检测到更多的
特异表达基因,主要是一些花粉壁装配相关基因 ;
在不育后代中发现了 11 个与柠檬酸循环有关基因、
ATP 合酶相关基因、氧化还原酶相关基因显著下调,
除此之外许多有关戊糖磷酸途径、糖代谢途径、碳
固定基因表达模式也发生了改变[37]。
目前关于线粒体基因调控核基因表达的了解还
不多,而细胞质雄性不育是研究核质互作的重要材
料。Yang 等[38]利用芥菜型油菜不育系来研究逆行
调控时发现,一个在不育系和保持系中差异表达的
线粒体基因 BjRCE1 能够逆行调控生长素应答的相
关基因的表达,造成生长素应答通路的改变。为了
研究 miRNA 的作用与芥菜型油菜不育系花粉败育和
花器官的畸形发育之间关系,Yang 等[39]建立了芥
菜型油菜不育系中由 miRNA 介导的核质互作模型。
发现 47 个 miRNA 在不育和保持系中差异表达,降
解组分析显示 miRNA 靶基因包括生长素应答因子,
NAC 转录因子,GRAS 家族转录因子,MYB 转录因
子等在基因调控中扮演了重要角色。目前也有研究
者利用甲基化敏感多态性扩增(Methylation sensitive
amplymorphism,MSAP) 研 究 不 育 和 可 育 胞 质 与
DNA 甲基化的关系发现,核基因的甲基化明显受到
雄性不育胞质的影响[40]。
在植物线粒体基因组中与 CMS 相关的 ORF 是
如何导致线粒体功能丧失的机制还不清楚。有可能
是新的 ORF 导致线粒体能量供给不足,也有可能是
CMS 蛋白毒性会导致花粉败育,但均没有直接证据,
相关的研究有待进一步深入。
3 油菜细胞质雄性不育恢复基因及作用机理
油菜细胞质雄性不育恢复基因的定位是近年来
研究的热点。目前对于恢复基因的研究主要利用分
子标记技术和连锁图谱,包括 RFLP、RAPD、AFLP
和 SSR 进行定位,恢复基因的作用机制主要从影响
CMS 相关基因的转录、影响 CMS 相关基因转录本的
加工编辑以及影响转录本的翻译来实现的。
pol CMS 的恢复基因主要存在于欧洲甘蓝型油
菜品种中,位于 A 基因组染色体上[41]。遗传分析
证明 pol CMS 的育性恢复基因(Rfp)是显性单基
因[42,43]。也有人认为 pol CMS 恢复基因由 2 对主效
基因 Rfp1 和 Rfp2 控制,均被定位在第 18 条染色体
上[44]。Yuan 等[45]利用 10 个线粒体基因探针对 pol
CMS、恢复系和保持系的花蕾线粒体进行 Northern
检测发现,在恢复系中由于 Rfp 基因的存在可能使
得不育系中 2.2 kb 和 1.9 kb 转录本发生降解产生 2
个新的转录本,即 orf224/atp6 转录可由核恢复基因
来调控。Li 等[46]发现 nap CMS 的核恢复基因(Rfn)
与 Rfp 基因是等位基因,两者都能通过除去转录本 5
端序列来影响不育基因的表达[5,47]。
核恢复基因的研究主要集中在筛选和创建与
Rfp 位点连锁的分子标记[48]。Liu 等[49]在 Zhao[50]
创建的 2 个 SCAR 标记和 B. napus 与芸薹属其他种
的同线性区域基础上,将 Rfp 基因定位到 B. rapa 基
因组 29.2 kb 区域上。在此区域内包含 7 个开放式阅
2015,31(9) 19刘琪迩等:油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展
读框,其中 ORF2 编码一个 PPR 蛋白,成为 Rfp 最
有可能的候选基因[49]。PPR 蛋白是一种 RNA 结合
蛋白,由 35 个氨基酸串联重复组成,目前已知该
蛋白在线粒体和叶绿体内转录后编辑修饰的过程中
起重要作用[51,52]。这种 PPR 蛋白可能在转录后水
平影响不育相关区域转录本的加工编辑,编辑过的
RNA 能够翻译出正常的蛋白质,从而引起育性恢复。
Krishnasamy 等和 Bellaoui 等[53,54] 在对 ogu CMS 的
育性恢复系中 ORF138 蛋白表达水平研究发现由于
核恢复基因(Rfo)的存在使得 ORF138 蛋白的积累
明显减少但是对 orf138 转录本的大小、丰度或 RNA
的编辑模式没有影响。Brown 等和 Desloire 等[55,56]
通过对拟南芥和萝卜的微共线性分析,结合图位
克隆方法克隆 Rfo 基因,将 Rfo 定位到萝卜染色体
22 kb 左右的区域,该区域包含 3 个 PPR 蛋白基因
(PPR-A、PPR-B、PPR-C)。Uyttewaal 等[57] 证 实 了
PPR-B 在恢复育性时的主要作用就是抑制 ORF138
蛋白在绒毡层内的化学合成。但 PPR-B 蛋白不能影
响 orf138 基因的 mRNA 的积累。最终离体免疫沉淀
反应证实了 PPR-B 能够直接或间接的与 orf138 的
RNA 相互作用,这些证据都支持 PPR-B 在 orf138 转
录后调控起关键作用。Qin 等[58]通过比较 rfo/rfo 和
Rfo/Rfo 纯合子植株的转录本序列时发现 Rfo 的等位
基因 PPR-A 带有 4 个相同氨基酸的缺失,在 Rfo 蛋
白的中心区域的这 4 个氨基酸删除,发现其育性恢
复能力降低,揭示了 ogu CMS 中的 Rfo 一级结构和
生物学功能之间的关系。在 ogu CMS 油菜中也常发
现育性自然恢复现象,ogu CMS 的育性恢复突变株
可能是含有 orf138 基因的优势片段超过临界值的结
果[16]。ogu CMS 的不育性十分稳定,但是其育性恢
复基因仅存在于萝卜基因组中,难以直接利用,所
以转育萝卜恢复基因是实现甘蓝型油菜 ogu CMS 应
用的关键。法国等一些欧洲国家已经实现 ogu CMS
的三系配套并拥有各自的品种专利权,而我国还没
有对 ogu CMS 进行大规模的利用,陈卫江等[59]创
制了甘蓝型油菜 ogu CMS 恢复材料 CLR650。前期研
究结果表明,在油菜 pol CMS、nap CMS、ogu CMS
中的恢复基因 Rfp、Rfn、Rfo 不会阻止不育基因的转
录,反而影响转录后或翻译水平上的调控,使得不
育基因的表达受到抑制,从而恢复其育性。
来自不同胞质的核恢复基因可以具有共同生物
学功能。例如,在芥菜型油菜 4 种 CMS 系中具有
相同的不育基因(orf108),并且分享共同的恢复基
因。研究发现,含有 orf108/atpA 的双顺反子序列将
orf108 转入拟南芥中会出现 50% 的不育花粉,这暗
示着 orf108 在配子体阶段具有致死性。orf108 广泛
分布在芸薹属植物的各种野生近缘物种中,这也首
次展示了不同来源和不同形态 CMS 可以具有相同的
分子基础[60]。
Koizuka 等[61]研究发现两个显性等位基因 Rf1
和 Rf2 共同控制 kos CMS 的育性恢复。恢复基因 Rf1
在翻译水平或翻译后水平调控 ORF125 蛋白的积
累,并与 Rf2 相互作用从而使育性得到恢复。为了
鉴定 Rf 基因,日本学者将含有关键基因的质粒转入
甘蓝型油菜观察育性恢复情况时发现,一个 4.7 kb
大小的 BamH I/Hpa I 酶切片段能够恢复 kos CMS 育
性。该片段中包含一个编码 687 个氨基酸的 orf687
和 16 个重复的 PPR 基序。在不育系中 orf687 的等
位基因的第 3 和第 4 个重复 PPR 序列中有 4 个氨基
酸的替换,并推测 ORF687 可能直接或间接的降低
ORF125 蛋白水平,从而使不育植株恢复育性[62]。
此外,Janeja[63]在寻找 tour CMS 的恢复基因时也发
现有两个核恢复基因,一个主效基因(Rft1)和次
效基因(Rft2)共同恢复不育系的育性。Rft1 基因可
以完全恢复育性,而 Rf2 只能部分恢复育性 ;并且
筛选了 5 种 AFLP 分子标记,其中 EACC/MCTT105,
EAAG/MCTC80 是 Rft1 的翼侧标记。
4 结语
植物细胞质雄性不育具有极高利用价值的生物
学特征,它的形成机制复杂,涉及到核质互作、基
因表达调控和环境等各种因素的影响。目前关于其
不育机理的研究主要集中在 mt DNA 上的一些异常
开放式阅读框,但是这些基因表达出的蛋白质究竟
有哪些功能,如何引起雄性不育的还不清楚。对于
油菜细胞质雄性不育基因的研究首先是确定不育基
因,克隆不育基因将其在原核生物中表达,分析表
达蛋白的功能特性,其次构建线粒体定位的器官特
异表达载体,鉴定转基因植株的育性情况。而对育
性恢复基因进行分析时应先将其在物理图谱上定位,
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.920
再精细定位、克隆恢复基因,再研究恢复基因对不
育基因的调控作用。
参 考 文 献
[1]Fu TD. Production and research of rapeseed in the People’s
Republic of China[J]. Eucarpia Cruciferae Newsletter, 1981, 6
(1):6-7.
[2]Fu TD, Yang GS, Yang XN. Studies on “three line” polima
cytoplasmic male sterility developed in Brassica napus L. [J].
Plant Breeding, 1990, 104(2):115-120.
[3]Erickson L, Grant I, Beversdorf W. Cytoplasmic male sterility
in rapeseed(Brassica napus L. ):1. Restriction patterns of
chloroplast and mitochondrial DNA[J]. Theoretical and Applied
Genetics, 1986, 72(2):145-150.
[4]Singh M, Brown GG. Characterization of expression of a mitochondr-
ial gene region associated with the Brassica “Polima” CMS :
developmental influences[J]. Current Genetcis, 1993, 24(4):
316-322.
[5]Menassa R, L’Homme Y, Brown GG. Post-transcriptional and
developmental regulation of a CMS-associated mitochondrial gene
region by a nuclear restorer gene[J]. Plant Journal, 1999, 17(5):
491-499.
[6]Singh M, Brown GG. Suppression of cytoplasmic male sterility by
nuclear genes alters expression of a novel mitochondrial gene
region[J]. Plant Cell, 1991, 3(12):1349-1362.
[7]L’Homme Y, Brown GG. Organizational differences between
cytoplasmic male sterile and male fertile Brassica mitochondrial
genomes are confined to a single transposed locus[J]. Nucleic
Acids Research, 1993, 21(8):1903-1909.
[8]Wang HM, Ketela T, Keller WA, et al. Genetic correlation of the
orf224/atp6 gene region with polima CMS in Brassica somatic
hybrids[J]. Plant Molecular Biology, 1995, 27(4):801-807.
[9]Thompson KF. Cytoplasmic male-sterility in oil-seed rape[J].
Heredity, 1972, 29(2). DOI : 10. 1038/hdy. 1972. 89.
[10]Shiga T, Baba S. Cytoplasmic male sterility in rape plants(Brassica
napus L. )[J]. Japanese Journal of Breeding, 1971, 21(1):
16-17.
[11]L’Homme Y, Stahl RJ, Li XQ, et al. Brassica nap cytoplasmic
male sterility is associated with expression of a mtDNA region
containing a chimeric gene similar to the pol CMS-associated
orf224 gene[J]. Current Genetics, 1997, 31(4):325-335.
[12]Ogura H. Studies on the new male-sterility in japanese radish,
with special reference to the utilization of this sterility towerds the
practical raising of hybrid seeds[J]. Memoirs of the Faculty of
Agriculture Kagoshima University, 1968, 6 :40-51.
[13]Bannerot H, Boulidard L, Chupeau Y. Unexpected difficulties met
with the radish cytoplasm in Brassica oleracea[J]. Eucarpia
Cruciferae Newsletter, 1977, 2 :16.
[14]Bonhomme S, Budar F, Lancelin D, et al. Sequence and transcript
analysis of the Nco2. 5 Ogura-specific fragment correlated with
cytoplasmic male sterility in Brassica cybrids[J]. Molecular
Genomics and Genetics, 1992, 235(2-3):340-348.
[15]Delourme R, Budar F. Male sterility[J]. Plant Genetics and
Breeding, 1999, 4(2):185-216.
[16]Bellaoui M, Martin-Canadell A, Pelletier G, et al. Low-copy-number
molecules are produced by recombination, actively maintained and
can be amplified in the mitochondrial genome of Brassicaceae :
relationship to reversion of the male sterile phenotype in some
cybrids[J]. Molecular Genomics and Genetics, 1998, 257(2):
177-185.
[17]Duroc Y, Gaillard C, Hiard S, et al. Biochemical and functional
characterization of ORF138, a mitochondrial protein responsible
for Ogura cytoplasmic male sterility in Brassiceae[J]. Biochimie,
2005, 87(12):1089-1100.
[18]Duroc Y, Gaillard C, Hiard S, et al. Nuclear expression of a
cytoplasmic male sterility gene modifies mitochondrial morphology
in yeast and plant cells[J]. Plant Science, 2006, 170(4):755-
767.
[19]Sakai T, Imamura J. Alteration of mitochondrial genomes containing
atpA genes in the sexual progeny of cybrids between Raphanus
sativus cms line and Brassica napus cv. Westar[J]. Theoretical
and Applied Genetics, 1992, 84(7-8):923-929.
[20]Sakai T, Liu HJ, Iwabuchi M, et al. Introduction of a gene from
fertility restored radish(Raphanus sativus)into Brassica napus
by fusion of X-irradiated protoplasts from a radish restorer line and
iodacetoamide-treated protoplasts from a cytoplasmic male-sterile
cybrid of B. napus[J]. Theoretical and Applied Genetics, 1996,
93(3):373-379.
[21]Iwabuchi M, Koizuka N, Fujimoto H, et al. Identification and
expression of the kosena radish(Raphanus sativus cv. Kosena)
2015,31(9) 21刘琪迩等:油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展
homologue of the ogura radish CMS-associated gene, orf138[J].
Plant Molecular Biology, 1999, 39(1):183-188.
[22]Rawat DS, Anand IJ. Male sterility in Indian mustard[J]. Indian
Journal of Genetics and Plant Breeding, 1979, 39(3):412-414.
[23]杨光圣 , 傅廷栋 . 甘蓝型油菜 tour 细胞质雄性不育三系选育
成功[J]. 中国农业科学 , 1999, 32(2):106.
[24]Pradhan AK, Mukhopadhyay A, Pental D. Identification of
the putative cytoplasmic donor of a CMS system in Brassica
juncea[J]. Plant Breeding, 1991, 106(3):204-208.
[25]Landgren M, Zetterstrand M, Sundberg E, et al. Alloplasmic male-
sterile Brassica lines containing B. tournefortii mitochondria
express an ORF 3 of the atp6 gene and a 32 kDa protein[J].
Plant Molecular Biology, 1996, 32(5):879-890.
[26]Wan Z, Jing B, Tu J, et al. Genetic characterization of a new
cytoplasmic male sterility system(hau)in Brassica juncea and its
transfer to B. napus[J]. Theoretical and Applied Genetics, 2008,
116(3):355-362.
[27]Jing B, Heng S, Tong D, et al. A male sterility-associated cytotoxic
protein ORF288 in Brassica juncea causes aborted pollen
development[J]. Journal of Experimental Botany, 2011 :1285-
1295.
[28]Handa H. The complete nucleotide sequence and RNA editing
content of the mitochondrial genome of rapeseed(Brassica napus L.
):comparative analysis of the mitochondrial genomes of rapeseed
and Arabidopsis thaliana[J]. Nucleic Acids Research, 2003, 31
(20):5907-5916.
[29]Hu Q, Andersen S, Dixelius C, et al. Production of fertile
intergeneric somatic hybrids between Brassica napus and Sinapis
arvensis for the enrichment of the rapeseed gene pool[J]. Plant
Cell Reports, 2002, 21(2):147-152.
[30]蔡明 , 刘贵华 . 甘蓝型油菜雄性不育的遗传研究 :Ⅰ . NCa
甘蓝型油菜异核型雄性不育材料选育报道[J]. 中国油料 ,
1993(4):1-3.
[31]Bhat SR, Vijayan P, Dwivedi KK, et al. Diplotaxis erucoides-
induced cytoplasmic male sterility in Brassica juncea is rescued
by the Moricandia arvensis restorer :genetic and molecular
analyses[J]. Plant Breeding, 2006, 125(2):150-155.
[32]李殿荣 . 甘蓝型油菜雄性不育系 , 保持系 , 恢复系选育成功並
已大面积推广[J]. 中国农业科学 , 1986, 4 :017.
[33]Wang J, Gao YN, Kong YQ, et al. Abortive process of a novel
rapeseed cytoplasmic male sterility line derived from somatic
hybrids between Brassica napus and Sinapis alba[J]. Journal of
Integratvie Agriculture, 2014, 13(10):741-748.
[34]赵荣敏 , 王迎春 . 油菜波里马胞质雄性不育相关线粒体基因
orf224 在大肠杆菌中的克隆和表达[J]. 农业生物技术学报 ,
1996, 4(1):15-22.
[35]An H, Yang Z, Yi B, et al. Comparative transcript profiling of the
fertile and sterile flower buds of pol CMS in B. napus[J]. BMC
Genomics, 2014, 15(1):258.
[36]Dong X, Kim WK, Lim YP, et al. Ogura-CMS in Chinese cabbage
(Brassica rapa ssp. pekinensis)causes delayed expression of
many nuclear genes. [J]. Plant Science, 2013, 199 :7-17.
[37]Yan X, Dong C, Yu J, et al. Transcriptome profile analysis of young
floral buds of fertile and sterile plants from the self-pollinated
offspring of the hybrid between novel restorer line NR1 and Nsa
CMS line in Brassica napus[J]. BMC Genomics, 2013, 14(1):
26.
[38]Yang X, Liu X, Lv W, et al. Reduced expression of BjRCE1 gene
modulated by nuclear-cytoplasmic incompatibility alters auxin
response in cytoplasmic male-sterile Brassica juncea[J]. PLoS
One, 2012, 7(6):e38821.
[39]Yang J, Liu X, Xu B, et al. Identification of miRNAs and their
targets using high-throughput sequencing and degradome analysis
in cytoplasmic male-sterile and its maintainer fertile lines of
Brassica juncea[J]. BMC Genomics, 2013, 14(1):9.
[40]Ba Q, Zhang G, Niu N, et al. Cytoplasmic effects on DNA
methylation between male sterile lines and the maintainer in wheat
(Triticum aestivum L. )[J]. Gene, 2014, 549(1):192-197.
[41]杨光圣 , 傅廷栋 . 油菜细胞质雄性不育恢保关系的研究[J].
作物学报 , 1991, 17(2):151-156.
[42]Yang GS, Fu TD, Ma CZ, et al. Screening and genetic analysis
of the restoring genes of polima cytoplasmic male sterility in
Brassicas[J]. Scientia Agricultura Sinica, 1996, 29(4):17-
22.
[43]Ahmad R, Khan RS, Quiros CF. Inheritance of fertility restorer
gene for cytoplasmic male-sterility in B. napus and identification of
closely linked molecular markers to it[J]. Euphytica, 2013, 194
(3):351-360.
[44]Jean M, Brown GG, Landry BS. Genetic mapping of nuclear fertility
restorer genes for the ‘Polima’ cytoplasmic male sterility in canola
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.922
(Brassica napus L. )using DNA markers[J]. Theoretical
Applied and Genetics, 1997, 95(3):321-328.
[45]Yuan M, Yang GS, Fu TD, et al. Transcriptional control of orf224/
atp6 by the pol CMS restorer Rfp gene in Brassica napus L. [J].
Acta Genetics Sinica, 2003, 30(5):469-473.
[46]Li XQ, Jean M, Landry BS, et al. Restorer genes for different forms
of Brassica cytoplasmic male sterility map to a single nuclear locus
that modifies transcripts of several mitochondrial genes[J].
Proceedings of the National Academy of the Sciences, USA, 1998,
95(17):10032-10037.
[47]Geddy R, Mahé L, Brown GG. Cell-specific regulation of a Brassica
napus CMS-associated gene by a nuclear restorer with related
effects on a floral homeotic gene promoter[J]. The Plant Journal,
2005, 41(3):333-345.
[48]王俊霞 , 杨光圣 , 傅廷栋 , 等 . 甘蓝型油菜 PolCMS 育性恢复
基因的 RAPD 标记[J]. 作物学报 , 2000, 26(5):575-578.
[49]Liu Z, Liu P, Long F, et al. Fine mapping and candidate gene
analysis of the nuclear restorer gene Rfp for pol CMS in rapeseed
(Brassica napus L.)[J]. Theoretical Applied and Genetics,
2012, 125(4):773-779.
[50]Zhao ZQ, Yang GS. Identification of AFLP and SCAR markers
linked to the fertility restorer gene for the ‘polima’ CMS in
Brassica napus[J]. Gene & Genomics, 2008, 30(3):191-196.
[51]Schmitz-Linneweber C, Small I. Pentatricopeptide repeat proteins :
a socket set for organelle gene expression[J]. Trends Plant Sci,
2008, 13(12):663-670.
[52]Bentolila S, Alfonso AA, Hanson MR. A pentatricopeptide repeat-
containing gene restores fertility to cytoplasmic male-sterile
plants[J]. Proceedings of the National Academy of the Sciences,
USA, 2002, 99(16):10887-10892.
[53]Krishnasamy S, Makaroff CA. Organ-specific reduction in the
abundance of a mitochondrial protein accompanies fertility
restoration in cytoplasmic male-sterile radish[J]. Plant
Molecular Biology, 1994, 26(3):935-946.
[54]Bellaoui M, Grelon M, Pelletier G, et al. The restorer Rfo gene acts
post-translationally on the stability of the ORF138 ogura CMS-
associated protein in reproductive tissues of rapeseed cybrids[J].
Plant Molecular Biology, 1999, 40(5):893-902.
[55]Brown GG, Formanová N, Jin H, et al. The radish Rfo restorer gene
of ogura cytoplasmic male sterility encodes a protein with multiple
pentatricopeptide repeats[J]. Plant Journal, 2003, 35(2):
262-272.
[56]Desloire S, Gherbi H, Laloui W, et al. A Identification of the
fertility restoration locus, Rfo, in radish, as a member of the
pentatricopeptide-repeat protein family[J]. EMBO Reports,
2003, 4(6):588-594.
[57]Uyttewaal M, Arnal N, Quadrado M, et al. Characterization of
Raphanus sativus pentatricopeptide repeat proteins encoded by the
fertility restorer locus for Ogura cytoplasmic male sterility[J].
Plant Cell, 2008, 20(12):3331-3345.
[58]Qin X, Warguchuk R, Arnal N, et al. In vivo functional analysis of
a nuclear restorer PPR protein[J]. BMC Plant Biology, 2014, 14
(1):313.
[59]陈卫江 , 李莓 , 王同华 , 等 . 甘蓝型油菜萝卜细胞质雄性不育
恢复材料的创制[J]. 农业科学与技术 , 2013(1):18-25.
[60]Kumar P, Vasupalli N, Srinivasan R, et al. An evolutionarily
conserved mitochondrial orf108 is associated with cytoplasmic
male sterility in different alloplasmic lines of Brassica juncea and
induces male sterility in transgenic Arabidopsis thaliana[J].
Journal of Experimental Botany, 2012, 63(8):2921-2932.
[61]Koizuka N, Imai R, Iwabuchi M, et al. Genetic analysis of fertility
restoration and accumulation of ORF125 mitochondrial protein in
the kosena radish(Raphanus sativus cv. Kosena)and a Brassica
napus restorer line[J]. Theoretical Applied and Genetics, 2000,
100(6):949-955.
[62]Koizuka N, Imai R, Fujimoto H, et al. Genetic characterization of a
pentatricopeptide repeat protein gene, orf687, that restores fertility
in the cytoplasmic male-sterile Kosena radish[J]. Plant Journal,
2003, 34(4):407-415.
[63]Janeja HS, Banga SS, Lakshmikumaran M. Identification of AFLP
markers linked to fertility restorer genes for tournefortii cytoplasmic
male-sterility system in Brassica napus[J]. Theoretical Applied
and Genetics, 2003, 107(1):148-154.
(责任编辑 狄艳红)