全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 10期
小麦雄性不育研究进展
江红梅 师光开
(首都师范大学生命科学学院 ,北京 100048)
　　摘 　要 : 　雄性不育是植物中的一种普遍现象 ,而雄性不育是利用杂种优势提高作物产量和品质的基础 ,因此小麦雄性
不育的理论机制研究对农业生产具有重要的指导意义。对小麦雄性不育类型及遗传、生理生化不育机制、定位及分子生物学
研究进行了综述 ,并探讨了今后该领域的研究前景。
关键词 : 　小麦 雄性不育 杂种优势 不育机制
Advanced Rearch on Male Ster ility in W heat
J iang Hongmei Shi Guangkai
( College of L ife Science, Capita l N orm al University, B eijing 100048)
　　Abs trac t: 　Male sterility is a sort of universal phenomenon in p lants, and it is the basis of utilizing heterosis to imp rove crop s p ro2
duction and quality, as a result, the study ofwheatmale sterility is important for agricultural p roduction. The paper summarized the types
of male sterility in wheat as well as its sterile mechanism s and location, and recap itulated the development foreground of this research
fields.
Key wo rds: 　W heat Male sterility Heterosis Sterile mechanism s
收稿日期 : 2009206205
基金项目 :国家“863”计划 (2009AA101102) ,国家自然科学基金项目 (30871517) ,北京市自然科学基金项目 (09E0040)
作者简介 :江红梅 (19812) ,女 ,硕士研究生 ,主要从事小麦分子遗传研究工作 ; E2mail: jiangnan8127@ sina. com
　　植物雄性不育 (male sterility)是指植物因不能
产生有功能的花粉囊、花粉或者雄配子而导致的不
育 ,其主要特征是雄蕊发育不正常 ,不能产生正常的
花粉、花药、雄配子 ,但它的雌蕊发育正常 ,能接受正
常花粉而受精结实。雄性不育是利用杂种优势提高
作物产量和品质的基础 ,而获得大量的杂交种子是
利用杂种优势的前提。小麦 ( Triticum aestivum )为
自花授粉作物 ,在配制杂交种子过程中 ,用雄性不育
系作母本进行杂交种子生产 ,既可省去人工去雄的
过程 ,又能降低成本 ,还能提高种子纯度。小麦雄性
不育发生的原因复杂 ,对雄性不育机理的探究已成
为近年来研究的焦点。
1 小麦雄性不育类型
小麦雄性不育可分为 3种类型 : ( 1)细胞核雄
性不育 ( genic male sterility, GMS) ,由核基因控制 ,
其作用不受细胞质类型影响 ,分离模式符合孟德尔
遗传规律。 ( 2 )细胞质雄性不育 ( cytop lasm ic male
sterility, CMS)是一种育性变异的核质杂种 ,由于线
粒体和 (或 )叶绿体基因区域改变而导致不能产生
有活力花粉的母性遗传性状 ,其遗传方式不符合孟
德尔遗传规律。 (3)光 (温 )敏感型雄性不育 (PTSMS)
包括两种类型 ,一种是光敏感型细胞质雄性不育
( PCMS) ,是核质互作类型 ,如具有 D2型细胞质的光
敏不育系农林 26和农林 61、A3314;第二种是光温
敏核雄性不育 ( PTSGMS) ,受核内隐性基因控制 ,如
C49S、BS20等。
2 小麦雄性不育机制研究
自 1951年 Kihara首次报道合成异源细胞质小
麦雄性不育系后 ,研究者除了对其在小麦杂种优势
利用上进行广泛的研究以外 ,还从细胞学、生理生化
及分子生物学诸方面对其产生的机理展开了研究 ,
并获得了一定的进展。
2. 1　小麦雄性不育的细胞学研究
小麦雄性不育细胞学研究是为了阐明雄性育性
2009年第 10期 江红梅等 :小麦雄性不育研究进展
发生败育的时期和方式以及雄性败育与药壁组织间
的关系 ,从而为弄清雄性不育的机理、划分雄性不育
类型等提供依据。不育系花药较保持系在发育过程
中出现大量的结构或功能异常现象。 ( 1)绒毡层异
常 :绒毡层细胞是植物花药壁细胞中最内的一层 ,与
花粉囊中花粉母细胞直接相邻 ,该层细胞发育中任
一过程受阻都将导致植物雄性不育。例如 ,徐祖元
等 [ 1 ]研究观察到中国春 CMS绒毡层异常、雄蕊心皮
化、小孢子母细胞粘连等异常现象。 ( 2)花粉细胞
质异常 :高东迎等 [ 2 ]发现 C49S在发育过程中细胞
质和核物质逐渐解体。程旭东等 [ 3 ]对 337S研究发
现 ,在单核期 ,小孢子母细胞体积异常膨大、细胞质
凝聚、核弥散消失。 (3)其他异常 :周美兰 [ 4 ]等发现
ES214在花粉发育到单核靠边期后 ,核解体、出现大
液泡、花粉粒变形不能形成二核和三核花粉粒。由
此可见不同的不育材料 ,在花粉发育过程中产生的
细胞学结构差异是不同的。
2. 2 小麦雄性不育的生理生化研究
为了弄清楚小麦雄性不育机理 ,不少学者对不
育和可育花药代谢过程中蛋白质、内源激素和酶的
差异等进行了较为深入的研究。近年来的主要研究
成果概括如下 : ( 1 )不育系中肌动蛋白含量异常。
由于肌动蛋白是构成细胞骨架中的微丝系统 ,参与
细胞分裂、染色体运动、细胞器流动等生命活动过
程 ,若其被破坏会引起细胞代谢失调 ,导致花粉败
育。滕晓月等 [ 5 ]研究发现 ,保持系花粉中的肌动蛋
白区带比不育系明显。李艳红等 [ 6 ]利用反义基因
技术 ,证明了肌动蛋白基因表达受阻时可影响花药
的育性。姚雅琴等 [ 7 ]利用扫描电镜技术观察到成
熟可育花粉粒内微丝多以呈连续网状结构排列 ;而
不育系不育花粉粒的网状结构被破坏。综上可见小
麦雄性不育与花药中肌动蛋白是有紧密联系的。
(2)不育系小麦中的内源激素含量异常。激素具有
调控植物生长、发育和衰老及其对环境适应的作用。
李英贤等 [ 8 ]研究发现 , CMS和 CHA诱导的雄性不
育系与可育材料相比 , IAA、GA4含量降低 , ABA 含
量增加。 (3)不育系小麦细胞中酶活性较其保持系
异常。生物体的代谢过程一般都在酶的催化作用下
进行的 ,酶的活性表现异常定会影响代谢及生长发
育过程。丁勤等 [ 9 ]研究发现瓦维洛夫山羊草细胞
质小麦核代换系中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活
性低于其核供体普通小麦。龚洪伟等 [ 10 ]研究表明
在敏感期不育系花药中核糖核酸酶活性显著高于保
持系。孟祥红等 [ 11 ]、姚雅琴等 [ 7 ]研究表明不育系花
粉的 ATP酶活性较保持系弱。 (4)其他。一些材料
在发育过程中表现出氨基酸含量异常 [ 12 ]、自由基保
护系统破坏 [ 13 ]等现象 ,使其生化代谢异常 ,最终导
致不育。
总之 ,研究者们早就认识到光 (温 )敏雄性不育
是一系列复杂生理生化反应的结果 ,并且积累了大
量的证据 ,同时也正是通过对物质和结构变化的深
入地分析来揭示其生理生化形成机制。
2. 3 小麦雄性不育定位及分子生物学研究
随着分子生物学的发展 ,小麦雄性不育的生物
学研究也进入了分子水平。
2. 3. 1　小麦雄性不育系基因定位 1994年 Murai
等将核质互作型光敏雄性不育的恢复系中国春的
Rf基因定位在染色体 7BL上。D riscoll[ 14 ]用γ射线
处理得到的 Cornerstone为一隐性雄性不育株 ,不育
基因完全隐性 (M s1) ,通过端体分析 ,将此隐性核不
育基因定位于染色体远端。近几年来 ,我国科学工
作者对小麦雄性不育系的育性基因定位方面作了一
些报道。傅大雄等 [ 15 ]对易组“太谷核不育基因 ”
(M s2 )进行了基因定位 ,发现易组 M s2基因与普通
小麦显性矮杆标志基因 R ht3连锁 ,从而将其定位于
普通小麦 4B染色体短臂距离 R ht3基因 9. 7 cM处 ,
新位点被命名为 M s2 ( 4BS )。M s2 ( 4B )作为一个新
型的遗传标记 ,可以作为小麦族内所有携带 B染色
体的物种的育种工具 ,并在拓建各类小麦种质资源
的基因库等方面有广泛的用途。刘秉华 [ 16 ]利用染
色体定位、端体测验和端体分析等定位程序和方法 ,
把太谷核不育小麦的显性雄性不育基因 M s2定位
在 4D染色体短臂上 ,距离着丝粒 31. 16 cM。
传统的染色体定位方法繁杂 ,准确性差 ,以
DNA标记为工具 ,参照遗传连锁图进行基因定位是
近几年发展起来的雄性不育基因定位新方法。Xing
等 [ 17 ]利用温敏材料 BNY2S/兰考 52224的 F2群体进
行 ,将一个温敏基因定位在 2B,命名为 w tm s1。马翎健
等 [ 18 ]利用 RAPD标记和混合群体分离法 (Bulkedseg2
regation analysis,BSA)分析 F2的育性 ,得到了一个与
13
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 10期
A31光敏不育基因连锁标记的分子标记 S1106。曹
双河等 [ 19 ]对温敏核不育小麦品系农大 3338 /9205
构建的 F2群体 ,运用 BSA与 SSR和 ISSR分子标记
技术 ,对光温敏核雄性不育基因进行了定位 ,检测到
2个光温敏核雄性不育基因座位 ,并命名为 ptm s1和
ptm s2,其中 ptm s1 的基因效应是 ptm s2的 2～3倍。
他们由微卫星标记 MS2初步推断 ptm s2在染色体
3A上 ,而与 ptm s1连锁的 MS164的目标带不能确定
其所在的染色体 ,所以对于 ptm s1的染色体定位无
法作出推断。2006年 , Guo等 [ 20 ]利用 BSA法和 SSR
标记技术对不育系 337S/华麦 8构建的 F2群体 243
个株系进行分析 ,找到了两个主效基因 ,命名为 w pt2
m s1和 w ptm s2, w ptm s1位于 5B染色体 Xgwm3352Xg2
wm371区间 , w ptm s2位于 2B 染色体 Xgwm3742Xg2
wm120区间。田再民 [ 21 ]利用光温敏不育系 BS20 /
Fu3构建的 DH群体 289个株系 ,运用 BSA和 SSR
分子标记分析 ,将主效 QTL初步定位在 2A、2B、7D
上 ,区间分别为 Xgwm830～Xgwm1053、Xgwm148～
Xgwm374、Xgwm44～Cfd14,贡献率分别为 13. 6% ～
21. 1%、0. 8% ～14. 0%、7. 2% ～12. 5%。池慧
芳 [ 22 ]利用 B SA法和 SSR标记技术对光温敏不育
系 B S210 /O201构建的 DH系 120个株系进行分
析 ,将育性主效 Q TL 定位在 2A、2B 和 3A 上 ,区
间分别为 Xgwm1053～Xwmc177、Xwmc592～Xwmc474、
Xwmc264～Cfa2262,加性效应分别为 - 18. 7、- 20.
5、- 17. 0。不同的材料研究得到的光温敏不育基
因所涉及的染色体、染色体数目及区间均存在差
异 ,表明光温敏不育性非简单遗传的性状 ,可能具
有存在多种遗传机制。
2. 3. 2　小麦光温敏雄性不育基因筛选及克隆 刘
立科等 [ 23 ]克隆了小麦 Lon蛋白酶家族的一个基因 ,
命名为 TaL on1。TaLon1和籼稻 Lon1、玉米 Lon1的
相似性分别为 94%和 92%。在菜豆上已经间接证
明 Lon蛋白酶与细胞质雄性不育有一定的相关性。
表达分析表明 , TaL on1在小麦根、叶和花药中均表
现组成型表达 ,表明该基因在小麦的生长发育过程
中很重要 ,起着类似管家基因的作用。Xing等 [ 24 ]克
隆了一个温敏不育相关基因 TaA PT2。曹双河等 [ 25 ]
利用转录调控蛋白 G2box家族 DNA序列设计引物 ,
结合 mRNA差异显示 (DDRT2PCR)技术对小麦光温
敏核雄性不育系农大 3338在可育与不可育条件下
进行了分析 ,发现在育性转换时期 ,这两种条件下的
基因表达存在显著差异。经过反向 Northern验证 ,
对 5个差异表达的基因进行了序列分析 ,其中有 3
个为新基因片段。赵昌平等 [ 26 ]以光温敏雄性不育
系 BS210为试材 ,分别提取种植于可育和不育生态
环境下不同时期小穗组织中的 RNA ,用 DDRT2PCR
方法分离不育系在光、温因子诱导下的差异表达
mRNA ,并通过反向 Northern进行验证。对获得的
20条差异表达的 EST进行了测序和 BLAST分析 ,
得到了 4个候选基因的片段。到目前为止 ,不同背
景的实验材料中还没有发现相同的光温敏不育相关
基因片段 ,证明了小麦光温敏不育的复杂性。
3 讨论
普通小麦 ( Triticum aestivum )是长期进化过程
中形成的异源六倍体 ,基因组庞大 ,结构也很复杂。
与水稻、玉米等作物相比 ,在研究其基因结构和功能
等方面的工作难度较大。可以从分子层面加强不育
机理的研究、借助细胞工程和基因工程手段改良和
创建不育恢复系等方面进行深入研究。
3. 1 从分子生物学层面加强小麦败育机理的研究
小麦光温敏二系法同其他方法相比 ,具有恢复
源广、组配自由、易筛选强优组合且一系两用等优
点 ,但作为育种材料 ,育性不稳严重影响了其有效利
用。因此在不育性的稳定性、制种纯度方面尚需进
一步提高 ,才能保证制种的安全性。针对此问题 ,除
了加强稳定的雄性不育系的选育和鉴定外 ,另一方
面需在分子的层面上加大和深入研究败育的机理、
不育基因和恢复基因对雄性不育的决定性因素、微
效修饰基因与光温的生态因子的影响作用 ,从而在
小麦杂种优势中更好地加以利用。
3. 2 用细胞工程和基因工程手段开发和改良雄性
不育恢复系
对于以收获种子为目的的作物来说 ,要得到生
产所用的杂交种还要有恢复系 ,可以借鉴其它植物
上的研究进展 ,采取有效的实验技术加快小麦雄性
不育的研究步伐。
3. 2. 1 通过原生质体融合培育 CMS恢复系 　利
用原生质体融合培育 CMS恢复系 ,可以有效解决转
育过程中杂交不亲和、杂种不育、后代分离大等问
23
2009年第 10期 江红梅等 :小麦雄性不育研究进展
题。将恢复基因供体的原生质体进行射线辐射处
理 ,使其染色体段裂成片段 ,再与 CMS受体原生质
体进行不对称融合 ,产生的体细胞杂种将携带有受
体的整个核基因组和供体的部分核 DNA,从再生植
株中选择恢复可育的植株作为恢复系选育的材料可
望培育成 CMS恢复系。
3. 2. 2 通过转基因手段获得转基因雄性育性恢复
系 　利用转基因技术获得雄性育性恢复系可从下列
两条途径入手 : (1)利用蛋白质互作使雄性育性恢
复。例如 , Barstar是 Barnase的有一种特异抑制蛋
白 ,将 B a rstar基因用 B am ase同样方法导入受体植
物中 , B arstar基因与 B a rnase基因同时被启动子启
动 ,合成至少与 Barnase等量的 Barstar蛋白质。在
杂种中 , Barstar蛋白质与 Bamase蛋白质形成复合
物 ,使 Bamase失去活性 ,花药能正常发育、开裂 ,绒
毡层分化良好 ,产生大量有活力的花粉 ,使雄性育性
恢复。此法已应用于油菜、棉花、玉米、花椰菜、莴苣
等农作物。 (2)利用反义 RNA与有义 RNA互作使
雄性育性恢复。将诱导雄性不育的基因反向构建嵌
合基因转化受体植物的其它品种 ,由于杂种中反义
基因编码的反义 RNA与有义 RNA互作 ,降低稳定
态有义 RNA的水平 ,使杂种雄性育性恢复。
参 考 文 献
1　 徐祖元 , 周玲革 , 姜金波. 武汉植物学研究 , 1998, 16 ( 3 ) :
193～196.
2　高冬迎 ,杜春光 ,李正玮. 西南农业大学学报 , 1998, 20 ( 1 ) :
16～18.
3　 程旭东 , 孙东发 , 荣德福. 武汉植物学研究 , 2004, 22 ( 6 ) :
495～499.
4　周美兰 ,陈尧楚 ,邹应斌 ,等. 作物研究 , 1996, 4: 20～26.
5　滕晓月 ,陶龙兴 ,孙雷心. 作物学报 , 1988, 14 (4) : 322～328.
6　李艳红 ,肖兴国. 农业生物技术学报 , 1999, 7 (3) : 255～258.
7　姚雅琴 ,李蓓 ,张英利. 西北农林科技大学学报 (自然科学版 ) ,
2005, 33 (12) : 39～42.
8　李英贤 ,张爱民. 农业生物技术报 , 1998, 6 (2) : 185～190.
9　丁勤 ,马健翎 ,余玲 ,等.湖北农学院学报 , 2003, 23 (6) : 405～407.
10　龚洪伟 ,马健翎 ,何蓓如 ,等.麦类作物学报 , 2008, 28 (1) : 31～34.
11　孟祥红 ,王建波 ,利容千. 作物学报 , 2000, 26 (6) : 851～860.
12　肖建国 ,蒋爱湘 ,冯桂苓 ,等. 华北农学报 , 1996, 11 (4) : 7～11.
13　张建奎 ,宗学风 , 王俊义 , 等. 麦类作物学报 , 2001, 21 ( 4 ) :
26～30.
14　D riscoll CJ. Australian Journal of B iological Sciences, 1975, 28:
413～416.
15　傅大雄 ,阮仁武. 遗传学报 , 2002, 29 (12) : 1085～1094.
16　L iu BH, Deng JY. Plant B reeding, 1986, 97: 204～209.
17　Xing QH, Ru ZG, Zhou CJ, et a1. Theor App l Genet, 2003, 107 (8) :
1500～1504.
18　马翎健 ,何蓓如 ,宋喜悦 ,等. 作物学报 , 2004, 30 (9) : 912～915.
19　曹双河 ,郭小丽 ,刘冬成 ,等. 遗传学报 , 2004, 31 (3) : 293～298.
20　Guo RX, Dong DF, Tan ZB, et a1. Theor App l Genet, 2006, 112:
1271～1276.
21　田再民. 小麦光温敏核雄性不育性的 QTL 分析 [硕士学位论
文 ]. 呼和浩特 :内蒙古农业大学 , 2007.
22　池慧芳. 小麦光温敏雄性不育性及红叶耳的 QTL分析 [硕士学
位文 ]. 呼和浩特 :内蒙古农业大学 , 2008.
23　刘立科 ,郭小丽 ,刘冬成 ,等.作物学报 , 2005, 31 (10) : 1247～1252.
24　Xing QH, Ru ZG, L i J, et al. Plant Science, 2005, 169: 37～45.
25　曹双河 ,刘冬成 ,刘立科 ,等. 遗传学报 , 2003, 30 (1) : 56～61.
26　赵昌平 ,张立平 ,李云伏 ,等. 中国生物化学与分子生物学报 ,
2007, 23 (1) : 56～62.
(上接第 29页 )
11　Nakatsuka T, Abe Y, Kakizaki Y, et al. Plant Cell Rep, 2007, 26:
1951～1959.
12　Fukuia Y, Tanakaa Y, Kusum ia T, et al. Phytochem istry, 2003, 63 :
15～23.
13　Katsumoto Y, Fukuchi2M izutani M, Fukui Y, et al. Plant and Cell
Physiology, 2007, 48 (11) : 1589～1600.
14　L iu D, Galli M, Crawford NM. Plant Cell Physio, 2001, 42 ( 4 ) :
419～23. 　
33