全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (3): 399-413, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-12-18; 接受日期: 2007-01-16
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30571052)
*通讯作者。E-mail: ygliu@scau.edu.cn
.综述.
植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
吴豪 1, 徐虹 1, 2, 刘振兰 1,3, 刘耀光 1*
1华南农业大学生命科学学院, 广东省教育厅植物功能基因组与生物技术重点实验室, 广州 510642
2西北农林科技大学生命科学学院, 陕西杨凌 712100
3加拿大不列颠哥伦比亚大学植物系食品与土地资源部, 温哥华 V6T 1Z4
摘要 植物细胞质雄性不育是广泛存在于高等植物中的现象, 其表现为母性遗传、花粉败育, 但雌蕊正常。细胞质雄性不育
在杂交种子生产中起着重要作用, 研究其分子作用机制有利于更有效地利用细胞质雄性不育。随着一些不育基因和恢复基因
相继被克隆, 人们对一些细胞质雄性不育和恢复系统的分子作用机理已经有一定了解。本文综述了近年来对植物细胞质雄性
不育基因和恢复基因作用机理研究的进展。
关键词 细胞质雄性不育, 线粒体基因, 恢复基因
吴豪, 徐虹, 刘振兰, 刘耀光 (2007). 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础. 植物学通报 24, 399-413.
细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)
是广泛存在于高等植物的现象, 表现为雄性器官不能形
成有活力的花粉, 而雌性器官的发育和植株的营养生长
正常, 其遗传方式是母性遗传。Jones和Clarke(1943)
首先在洋葱中发现了 CMS现象, 并将其应用于杂交制
种。恢复系含有显性恢复基因(fertility restorer, Rf), 与
不育系杂交 F1的育性被恢复。雄性不育植株的表型多
种多样, 如雄蕊缺失、花药瘦小、花药不开裂、花粉
败育或是成熟花粉不能萌发等。人们根据不育细胞质
的来源、花粉发生败育的时期、不育系的恢保关系等
多个方面对 CMS系进行分类。
CMS不仅在植物杂种优势利用方面具有重要的作
用, 而且也是遗传学研究的好材料, 涉及遗传学的多个方
面, 如细胞质遗传、核质互作、细胞质对植物小孢子
发育的影响、环境因素对线粒体基因表达的调控、以
及物种进化。CMS对了解植物生命活动的遗传机制等
方面都具有重要意义。因此, 对植物 CMS的研究也一
直受到遗传学、育种学、生理生化、细胞生物学、分
子生物学等各个领域的广泛关注(Schnable and Wise,
1998)。
到目前为止, 已在近200种植物中证实存在细胞质
雄性不育, 其中大部分是粮食或园艺植物, 如洋葱、菜
豆、甜菜、萝卜、辣椒、胡萝卜、大白菜、向日
葵、矮牵牛、烟草、棉花、水稻、高粱、油菜、
玉米和小麦等。经过多年的研究, 人们已经对萝卜、
油菜、高粱、玉米和水稻等多种植物的 CMS现象有
了较深入的了解。
研究者们普遍认为, 导致植物CMS的主要因素与细
胞质中的遗传系统, 即线粒体或叶绿体基因组有关。
Levings和Pring(1976)根据对玉米T型CMS系统的研
究结果, 提出线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)
就是 CMS因子的载体。之后, 大量的遗传学、细胞学
和生物化学的研究结果证明mtDNA的变异与CMS有
关, 线粒体基因组的变异或特异的线粒体基因表达会导
致雄性不育(Hanson, 1991; Schnable and Wise,1998;
Budar and Pelletier, 2001; Budar et al., 2003)。
相对于线粒体而言, 叶绿体基因组较为保守、也较
小(120-210 kb), 人们对它的认识也更深入。Frankel
等 (1979)、李继耕(1983, 1992)、Komarnitskii等
(1985)、Chen等(1990, 1995)的研究表明, 多种作物不
400 植物学通报 24(3) 2007
育系的叶绿体蛋白质、叶绿体超微结构、叶绿体基因
组结构与其相应的保持系之间存在一些差异。刘一农
和李继耕(1983)在玉米、小麦和油菜中都发现了不育系
与保持系叶绿体DNA间的差异。范昌发等(2002)和孙
春昀等(2002)发现高粱CMS系叶绿体中的ndhD基因与
保持系的序列不同。但是, 目前尚没有植物的叶绿体基
因组变异产生了细胞质雄性不育的确切证据。
1 高等植物线粒体基因组特点
线粒体是真核生物细胞内一种重要而独特的细胞器, 它
有自身的基因组, 也有独立的转录、翻译体系, 使用的
遗传密码偏好性与核基因稍有不同。与动物、真菌及
一些低等植物的线粒体基因组相比, 高等植物线粒体基
因组庞大, 而且不同物种间线粒体基因组大小相差悬殊,
从 200 kb到 2 500 kb不等(Ward et al., 1981)。这种
差异主要是由于高度重组和外源DNA整合引起的基因
组结构变化造成的(Mackenzie and Mclntosh, 1999)。
这种易变性是由于植物线粒体基因组中有一个非常活跃
的重组系统(Schardl et al., 1984)。
植物线粒体基因组构型复杂多变, 主要有开环、闭
环、超螺旋、线状和多聚体等形式。环状结构有主环
和次环之分。次环分子的种类和数目可变, 还有一个或
多个呈线状或环状的类质粒(plasmid-like DNA)。线形
类质粒 DNA比环状类质粒 DNA大(Oldenburg and
Bendich, 1998)。多数类质粒DNA与线粒体主基因组
序列无同源性, 而与核基因组有同源性, 且类质粒DNA
可在细胞核与细胞质之间转移。
植物线粒体基因的表达与核基因不同。线粒体
RNA(mtRNA)具有较长的5和3非编码区, 而且没有5
端帽子结构, 大部分基因的 3端没有polyA结构。许多
线粒体基因存在多个启动子序列, 启动多个转录起始
(Yan and Pring, 1997; Zhang and Liu, 2006)。同一
转录物中许多是多顺反子, 转录后存在 RNA剪切和剪
接, 增加了转录本大小的变化(Gray, 1992)。植物线粒
体基因表达的一个特点是转录物存在广泛的RNA编辑,
大部分编码蛋白质的线粒体基因被编辑。mtRNA编辑
的程度受核基因型、组织类型、发育时期核生长条件
的显著影响(Grosskopt and Mulligan, 1996)。编辑和
未编辑的mtRNA似乎都能翻译, 但未编辑的RNA翻译
的蛋白质常常没有功能(Phreaner et al., 1996)。
2 CMS相关基因和恢复基因
20世纪80年代以来, 随着分子生物学的发展及细胞器
DNA分离技术的完善, 人们对CMS的研究已经取得了
突破, 对植物细胞质雄性不育以及育性恢复的分子机理
研究也逐渐深入。现已发现CMS与线粒体基因组的结
构变化和新的嵌合基因的产生有关( H a n s o n a n d
Bentolia, 2004)。
线粒体基因组的重排, 是在线粒体进化过程中频繁
发生的事件(Sugiyama et al., 2005; Ogihara et al.,
2005)。很多 CMS现象都涉及基因重组及其产生的新
的开放阅读框(open reading frame, ORF), 使mtDNA
的转录和翻译产物发生变化(Schnable and Wise,1998;
Hanson and Bentolia, 2004)。Arrieta-Montiel等
(2001)认为CMS基因的产生要经过多次mtDNA重组和
重排事件。
不同植物线粒体中与不育相关的mtDNA区域有一
些共有的特征: (1)都有一段嵌合的阅读框序列, 由线粒
体基因组保守基因的部分序列、线粒体基因组非编码
序列和来源未知的序列通过非同源重组(il legitimate
recombination)产生; (2)几乎每一个与 CMS相关的
ORF都是物种或细胞质特异的; (3)嵌合基因通常与一至
多个线粒体基因共同转录。现在已经鉴定了10多个与
植物 C M S 相关的由线粒体重排产生的嵌合基因
(Hanson and Bentolia, 2004)。这些基因大部分都编
码膜结合蛋白, 如玉米的T-urf13(Levings and Siedow,
1992)、萝卜的 orf138(Grelon et al., 1994)、小麦
orf256(Song et al.,1994)、菜豆的orf239(Abad et al.,
1995)和水稻的 orf79(Wang et al., 2006)。
已在许多 CMS类型中发现有相应的核恢复基因。
第一个被克隆的恢复基因是T型不育玉米的Rf2(Cui et
al., 1996)。近几年, 几个编码PPR (pentatricopeptide
401吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
repeat) 蛋白的恢复基因也从矮牵牛、萝卜和水稻中克
隆(Bentolila et al., 2002; Koizuka et al., 2003; Brown
et al., 2003; Komori et al., 2004, Wang et al., 2006),
为从分子水平阐明CMS恢复性的分子机理打开了新的
一页(Wise and Pring, 2002)。
2.1 玉米CMS相关基因及其恢复基因
玉米细胞质雄性不育有T型(Texas)、S型(USDA)和C
型(Charrua)三大类, 其中T型细胞质(CMS-T)曾在生产
上广泛利用, 对其分子机制研究得最深入。
Dewey等(1986)利用不育和可育细胞质的mtRNA
分别同不育系mtDNA文库差减杂交, 发现了1个CMS-
T系特有的片段。该片段包含 2个 ORF: T-urf13和
orf25。 orf25是一个正常的线粒体基因, 而T-urf13则
编码一个不育系特有的13 kDa多肽(Wise et al.,1987a;
Dewey et al.,1987; Korth et al., 1991)。
CMS-T属于孢子体不育, 其育性恢复需要2个互补
的显性核基因 Rf1和 Rf2。Rf1可以促进 T-urf13转录
本加工, 产生并积累1.6 kb和0.6 kb的转录本, 抑制T-
urf13表达; 用转座子插入使Rf1突变为 rf1, T-urf13不
能产生 1.6 kb和 0.6 kb的转录本(Wise et al.,1996)。
另外2个恢复基因Rf8和Rf*可替代Rf1的功能, 但产生
的T-urf13转录本比Rf1参与的加工后T-urf13转录本更
小。Rf1基因可使 T-urf13编码的蛋白质 URF13丰度
降低 80%。而Rf8的效应较小, 它降低URF13丰度的
效应取决于器官, 也只能使育性部分恢复(Dill et al.,
1997)。
Rf2已被克隆(Cui et al., 1996), 它编码的蛋白序列
与哺乳动物乙醛脱氢酶(ALDH)基因有很高的同源性, 具
有线粒体靶向信号, 基因编码产物积累于小孢子发生的
绒毡层中。
玉米CMS-S不育性与线粒体基因组中一段被称为
R区的重复序列(Zabala et al., 1997)有关。玉米CMS-
C不育系atp6、atp9和coxII基因区域和正常可育的结
构有差异, 推测可能与玉米CMS-C不育性有关(Dewey
et al., 1991)。CMS-S与CMS-C的育性分别由Rf3和
Rf4恢复, 分别定位于 2号和 8号染色体上(王泽立等,
2001)。
2.2 水稻CMS相关基因及其恢复基因
根据细胞质来源的不同, 水稻细胞质雄性不育系被分为
野败型(CMS-WA)、包台型(CMS-BT)、红莲型(CMS-
HL)等。CMS-WA属于孢子体不育类型, CMS-BT和
CMS-HL属于配子体不育类型(Shinjyo, 1969; 朱英国,
2000; 袁隆平, 2002)。另外, 育种专家还以不同栽培稻
或野生稻材料为细胞质供体育成了多种不育系, 称为矮
败型( D A )、冈型( G )、D 型、K 型、马协型、印尼
水田谷型和滇一型等。杂交稻生产上利用最广泛的是
野败型系统。
CMS-BT 来源于印度籼稻 Chinsurah Boro I I
(Shinjyo, 1969), 其育性恢复受第 10染色体的单座位
Rf-1控制(Shinjyo, 1975)。Iwabuchi等(1993)发现在
不育系中atp6基因存在2个拷贝, 分别命名为N-atp6和
B-atp6; 在引入恢复基因后, B-atp6基因的转录本则被
剪切, 未加工 B-atp6 mRNA的编辑率低于被加工的
RNA转录本, 因此认为这种编辑率差异与细胞质雄性不
育及其恢复相关。Akagi等(1994, 1995)发现, 在CMS-
BT的重复atp6拷贝(即B-atp6)区域产生一些反义的转
录本, 推测可能与 CMS有关; 他们在 B-atp6下游发现
1个共转录的阅读框orf79, 其5 端和cox1序列高度同
源, 但未能证实 orf79与 CMS有关。Komori等(2004)
克隆了CMS-BT系的1个恢复基因Rf-1, 编码一个791
个氨基酸的线粒体靶向 PPR蛋白。Wang等(2006)证
实orf79编码一个细胞毒素蛋白, 并通过遗传转化确定了
orf79是CMS基因, 还克隆了该CMS系统的 2个紧密
连锁(相距约 105 kb)的恢复基因 Rf1a和 Rf1b。Rf1a
和Rf1b是第 10染色体上的一个编码PPR蛋白的多基
因簇的成员, 其中Rf1a即是Komori等(2004)克隆的Rf-
1, 因此 Rf-1基因座实际包含 2个相关基因。Rf1a和
Rf1b均编码线粒体定位蛋白, 具有独立的育性恢复功能;
隐性(无恢复功能)的rf1a是由于发生碱基缺失引起的移
码, rf1b是由于1个氨基酸的突变导致功能丧失(Wang
et al., 2006)。
CMS-HL来源于海南红芒野生稻, 其育性恢复受第
402 植物学通报 24(3) 2007
10染色体上2个紧密相邻的恢复基因Rf5和Rf6(t)的控
制(Liu et al., 2004)。CMS-HL线粒体基因组含有与
CMS-BT的orf79几乎相同序列(编码区只有5个碱基的
差异), 称为 orfH79(易平等, 2002)。orfH79表达产物
也是毒蛋白, 将其转化水稻能产生雄性不育(刘耀光等,
未发表结果)。因此, 包台型和红莲型属于共同起源但
有分化的CMS系统。另外, 滇一型不育系含有与CMS-
BT完全相同的 orf79序列(刘耀光等, 未发表资料)。
CMS-WA是从普通野生稻(Oryza rufipogon)发现的
不育株为细胞质供体转育而成。综合许多研究报道, 可
以认为CMS-WA的育性恢复主要受2对主效显性基因
Rf3和Rf4控制。Rf3位于第 1染色体上(Zhang et al.,
1994, 1997; Yao et al., 1997), Rf4位于第 10染色体
上(Yao et al., 1997; Tan et al., 1998; 张群宇等,
2002)。最近, CMS-WA基因已被克隆, 并发现矮败
型、冈型、D 型、K 型、马协型及印尼水田谷型等
多种孢子体不育系都含有与 CMS-WA相同的不育基
因。表明育成这些不育系(包括典型的野败)所用的不同
栽培稻或野生稻材料含有共同起源的不育基因, 因此可
以推测它们相应的恢复基因也是共同的(刘耀光等, 未发
表资料)。
因此, 从起源进化的角度看, 上述的水稻CMS系统
实际上归为2大类: 与orf79相同或其变异体控制的配子
体不育类型和与野败不育基因相同或其变异体控制的孢
子体不育类型。另外, Fujii and Toriyama(2005)报道
了1种不同于上述类型的水稻CMS-CW系统, 其不育性
表现为花粉外形正常但花粉管不能萌发, 其育性恢复受
第 4染色体上的单座位恢复基因 Rfcw控制。
2.3 矮牵牛CMS相关基因及其恢复基因
矮牵牛只发现有一种 CMS类型。Boeshore等(1983)
发现在CMS亲本及其体细胞杂种中存在一特异mtDNA
区段 , 推断这一区段与 C M S 有关 , 命名为 S - P c f
(Boeshore et al., 1983, 1985; Clark et al., 1988)。
S-Pcf由 pcf (Petunia CMS-associated fused)基因、
nad3和 rps12三个阅读框组成。pcf基因 5端的 35个
密码子与atp9相同, 中间是来自 coxII 的2个外显子的
158个密码子, 3端的205个密码子来源不明, 称urfs。
在CMS系线粒体基因组中, 缺失了可育系线粒体基因组
中与 nad3、rps12共转录的上游基因 orf143/orf161。
Pcf位点和orf143/nad3/rps12位点转录十分复杂, 有多
个转录起始和终止位点。
矮牵牛CMS恢复基因Rf-PPR592已被克隆, 它编
码一个 592 氨基酸的 PPR 蛋白(Bento l i la et a l . ,
2002)。
2.4 萝卜和油菜CMS相关基因及其恢复基因
CMS-ogura和CMS-kos均是在萝卜中发现的CMS类
型(Yamagishi and Terachi,1996)。CMS-ogura的线粒
体基因组中有1个2.5 kb片段(NOC 2.5)与不育的特异
性有关(Grelon et al., 1994)。此片段包含了2个ORF:
orf138和 orf158。orf138编码一个 19 kDa的多肽, 包
括有一个N端的疏水区和一个C-端的亲水区。恢复基
因对orf138的转录水平没有影响, 但能降低ORF138蛋
白的水平(Subbiah and Christopher, 1994)。Nakajima
等(2001)在萝卜中发现了另一种与CMS相关的嵌合基
因 or fB。
油菜的CMS主要有Ogura、pol和nap等类型, 其
中CMS-pol在生产上应用较广。CMS-pol和CMS-nap
的线粒体基因组存在一段特异的4.5 kb片段; CMS-pol
包含一特异阅读框orf224, 位于atp6基因上游, 与atp6
基因共转录; C M S - n a p 含有的特异开放阅读框是
orf222, 与orf224高度同源, 位于nad5c和orf139上游,
并与它们共转录(LHomme et al.,1997)。
萝卜的CMS-ogura和CMS-kos经杂交或原生质融
合导入到油菜中也能稳定表现CMS, 而且这 2种CMS
类型的恢保关系相同(Iwabuchi et al., 1999)。与CMS-
kos有关的线粒体基因是orf125, 它是由orf138内部删
除 39 bp和替换第 95和 99位核苷酸产生的, 编码 1个
17 kDa多肽。
油菜恢复基因位点上至少有 3个不同的等位基因
Rfp、Rfn和 Rfo。Rfp恢复 CMS-pol的育性, 调控
orf224/atp6转录本的加工; Rfn恢复CMS-nap的育性,
调控 nad4、yccl-1和 orf222/nad5/orf139转录本的加
403吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
工; Rfo基因使CMS-ogura恢复育性, 基因表达产物使
O R F - 1 3 8 蛋白稳定性降低 , 导致该蛋白积累减少
(Bellaoui et al., 1998)。Rfo已被克隆, 它编码一个
PPR蛋白(Koizuka et al., 2003; Brown et al., 2003)。
2.5 菜豆CMS相关基因及其恢复基因
在菜豆中发现了 5种 CMS细胞质, 其中 3种来源于
Phaseolus coccineus, 1种来源于P. polyanthus, 1种
来源于 P.vulgaris cv.Sprite (CMS-Sprite)。在 CMS-
Spri te 中有一段 3 736 bp 的特异片段, 称为 pvs ,
(Mackenzie et al., 1988; Mackenzie and Chase, 1990;
Johns et al., 1992)。pvs区含有 3个ORF, 即 orf98、
orf97和orf239; atpA、orf209和pvs共转录形成CMS
特异转录本。orf239编码一个 27 kDa的多肽, 定位于
花粉的胼胝质和初级细胞壁, 只在生殖组织中特异表达
(Abad et al., 1995)。在营养器官中该多肽可能被依赖
于ATP的丝氨酸型蛋白酶在翻译后降解(Sarria et al.,
1998)。用pvs-orf239转化烟草, 证明了orf239与花粉
败育直接相关(He et al., 1996)。
有多个基因可以恢复CMS-Sprite的育性, 它们的作
用方式分为2类: 一类以恢复基因Fr为代表, 导入Fr基
因, 可使含有pvs区的一部分mtDNA丢失, 使育性永久
恢复(He et al., 1995); 另一类以 Fr2为代表, 导入 Fr2
基因后, 不影响mtDNA分子, 而是促进生殖组织中
orf239编码的27 kDa多肽降解, 使育性得到恢复(Sarria
et al., 1998)。
2.6 向日葵CMS相关基因及其恢复基因
在向日葵(Helianthus annuus)中已经发现70种CMS,
其中有33种能找到育性恢复基因。CMS-PET1是生产
上应用的一种CMS类型, 现在大部分向日葵杂交种来源
于该细胞质类型(Horn and Friedt, 1999)
比较CMS-PET1细胞质与可育细胞质的mtDNA发
现, 在CMS系中存在1个由重排产生的特异区段, 该区
段由 atpA基因、cob基因和 1个 11 kb的倒位、1个
5 kb的插入构成, 并导致1个新的orfH522(ORFC)的产
生(Laver et al., 1991)。orfH522与 atpA基因共转录,
产生 2.9 kb的转录本, 编码 16 kDa膜结合蛋白。
大多数栽培种向日葵有2个显性的恢复基因Rf1 和
Rf2 (Leclercq, 1984)。
2.7 高粱CMS相关基因及其恢复基因
已报道的高粱细胞质雄性不育类型有22种, 可划分为7
个类型, 即 A1、A2、A3、A4、A5和 A6和 9E, 又
可以分成两大类:A1、A2、A5和 A6为一类, A3、A4
和 9E为另一类。高粱 7种不同类型的CMS, 在不同的
核背景下有不同的核质基因互作形式, 表现为不同的遗
传模式(Chen et al., 1990, 1995)。
高粱CMS细胞质的研究主要集中在A3型。A3型
线粒体基因组有2个特有的开放阅读框, orf265/orf130
和 orf107 (Tang et al., 1996)。orf265和 orf130是由
玉米 T-urf13和 atp6 5端、高粱 orf209、高粱 atp6-2
5端同源序列和未知来源的 DNA序列组成的嵌合基
因。orf107是由高粱 atp9、未知来源的 DNA序列以
及与水稻BT型不育基因orf79部分同源的序列组成的嵌
合基因, 编码 12 kDa多肽。CMS-A3育性恢复受 2个
互补的基因Rf3和Rf4控制, 但促进orf107转录本剪切
加工仅需 Rf3(Tang et al., 1996)。
2.8 小麦CMS相关基因及其恢复基因
Kihara (1951)最早在山羊草与小麦的杂交种中发现细胞
质雄性不育现象, 并开始进行小麦的杂交制种。目前,
国内外已培育出不同细胞质源不育系, 包括粘果山羊草
(Aegilops kotschyi)、易变山羊草(A. variabilis) 和偏
凸山羊草(A. ventricosa)的小麦雄性不育系 40余种。
其中以 T型、V型和K型等不育系的研究较多, 并基本
实现了三系配套, 选育出一批杂交组合已在生产上小面
积示范推广。一种光敏型细胞质雄性不育系也已经用
于小麦的杂交制种, 其不育细胞质来源于粗厚山羊草(A.
crassa) (Murai, 1998, 2001)。
T型小麦不育的恢复性可能受多个主效恢复基因调
控, 其中Rf3和Rf4被定位在染色体 1BS和 6BS上(张
萃等, 2003)。K型不育的恢复基因被定位在1BS上(Liu
et al., 2002)。
404 植物学通报 24(3) 2007
3 CMS相关基因的分子作用机理
在不同植物中或同种植物的不同类型CMS系统, CMS
相关基因各不相同, 引起不育的机理也不相同。
对已经克隆的 CMS基因如玉米的 T-urf13、油菜
的 orf224、菜豆的 orf239、矮牵牛的 pcf、向日葵的
orfH522、水稻的orf79和萝卜的orf138等进行遗传转
化, 但只有orf239和orf79能产生转基因植株的花粉败
育的报道(He et al., 1996; Wang et al., 2006)。将 T-
urf13、orfH522、orf138、orf79 /orfH79等基因转化
到大肠杆菌中进行体外表达, 其表达产物具有毒性, 表现
出对大肠杆菌的致死性 (Dewey et al., 1988; Nakai et
al., 1995; Duroc et al., 2005; Wang et al., 2006)。
这说明CMS 相关基因编码有功能的蛋白, 而且对于表
达宿主来说是有毒或有害的(Hanson and Bentolia,
2004; Duroc et al., 2006)。
植物CMS基因引起雄性不育的原因主要有以下几
个方面。
3.1 CMS基因产物可能破坏线粒体的膜结构
线粒体在绒粘层细胞、雄性生殖细胞以及正在发育的
小孢子中起着重要的作用。在这个发育阶段, 需要大量
的能量或更多来自于线粒体合成的特殊活性分子, 线粒
体结构功能的损坏会对雄性器官的发育造成严重的伤害
(Hanson and Bentolia, 2004)。
根据大多数已发现的重组CMS基因序列预测, 这些
基因编码多肽的二级结构中都有跨膜结构域, 推测可以
从表面结合或完整地插入线粒体内膜， 引起线粒体膜结
构的破坏。实验证明了这些蛋白能够嵌入线粒体内膜
或与线粒体膜有关联, 如矮牵牛CMS系的pcf基因先翻
译成43 kDa的蛋白质前体, 然后加工成25 kDa的多肽,
结合在线粒体内膜上(Nirision and Hanson, 1989;
Nivision et al., 1994)。但是目前还不知道这些蛋白是
否破坏了线粒体膜上的某些成分或者在线粒体膜上形成
小孔。
玉米 CMS-T基因 T-urf13编码的 13 kDa蛋白
URF13具有跨膜结构 , 其二级结构包括 3个跨膜的
α-螺旋, 可以组装成四聚体横跨于线粒体内膜上, 形成
一个孔洞, 可引起线粒体内膜通透性的改变, 影响线粒体
的正常代谢与功能(Rhoads et al., 1995; Siedow et al.,
1995)。T-urf13在营养器官也能表达, 但只有花粉粒的
发育异常, 推测只有在早期花药中才能产生一些能与
URF13相互识别、合并形成孔洞结构导致细胞死亡的
生物分子(Wise et al., 1987b; Dewey et al., 1987;
Siedow et al., 1995)。URF13 蛋白本身是一种毒蛋
白, 它可直接致死大肠杆菌和昆虫细胞(Korth et al.,
1991; Korth and Leving, 1993)。
CMS-T玉米除了表现雄性不育外, 还对玉米小斑病
菌(Cochliobolus heterostrophus) 产生的T毒素和杀虫
剂灭多威敏感。当有T毒素存在时, URF13蛋白就会使
线粒体的内膜形成小孔(Rhoads et al., 1995)。该蛋白
能与T毒素或灭多威特异性结合, 使线粒体迅速膨胀, 激
发NADH氧化, 抑制苹果酸诱导的呼吸作用, 并在线粒
体内膜上形成膜孔, 造成线粒体内的小分子、离子等物
质通过膜孔泄漏。进而线粒体的电子传递链遭到破坏,
氧化磷酸化解偶联, 能量代谢紊乱, 最终导致细胞死亡
(Levings and Siedow, 1992) 。
3.2 C M S基因表达产物在植物器官中特异性积
累
在花粉发育的时期, 花药细胞对能量的需求量远远大于
植物营养生长时期。早期的解剖学研究表明, 在花粉粒
发育过程中, 花药绒毡层细胞中, 线粒体含量是其体细
胞的 40倍, 小孢子细胞中的线粒体含量是其体细胞的
20倍, 这种线粒体数目急剧增加的现象在其它细胞类型
中均未观察到(Warmke and Lee, 1978)。因此, CMS
基因表达产物有可能使线粒体大量增加, 或破坏线粒体
的电子传递链及磷酸化过程, 而花粉细胞则对这种影响
最为敏感。
为什么CMS基因只在花药或花粉中特异地起作用?
Sarria 等(1998) 研究菜豆 CMS发现, 菜豆 CMS基因
orf239是组成型表达, 但表达产物仅在CMS 系花药的
绒毡层组织或花粉母细胞及小孢子中积累, 引起小孢子
败育。orf239编码27 kDa的多肽定位于花粉的胼胝质
405吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
和初级细胞壁(Abad et al., 1995), 在营养器官中该多
肽被依赖于ATP的丝氨酸型蛋白酶降解, 而雄性器官里
的该蛋白水解酶表达被抑制(Sarria et al., 1998)。在
CMS胡萝卜中, orfB也仅在不育系 2566A的花器官中
有表达产物的累积(Nakajima et al., 2001)。类似地, 水
稻CMS-BT型的B-atp6/orf79是组成型表达, 但ORF79
蛋白只在小孢子有较高水平的积累, 而在花药壁细胞和
其它体细胞积累的水平较低(Western blot不能检测到),
因此推测这种差异是由于小孢子以外的细胞存在某种特
异的翻译, 或翻译后水平的调控机制抑制ORF79的产
生, 使该不育系统表现为配子体模式(W ang et al. ,
2006)。另一方面, CMS基因对抽穗期延迟和最上节间
伸长的影响(包颈现象)也产生一定的作用, 说明体细胞中
对不育基因翻译产物积累的抑制是不完全的。
3.3 CMS基因可能影响ATP酶或细胞色素氧化酶
的正常功能
已经鉴定的CMS相关的嵌合基因大多都与ATP合成酶
或细胞色素氧化酶有关(Hanson and Bentolia, 2004)。
其中一部分直接由部分 A T P 合成酶亚基编码基因
(atp4、atp6、atp8、atp9和 atpA)的启动子区或编码
区序列参与重组, 或新的ORF距离ATP酶基因的位置
非常近, 如玉米中的 urf13-T、orf77, 油菜中的 orf 224
、orf222, 向日葵中的 orf522, 萝卜中的 orf138, 高粱
中的 orf107, 水稻的 orf79 (orfH79)等。另外一类参与
重组的重要功能基因是细胞色素氧化酶基因(cox1、
cox2 ), 如水稻的 orf79、小麦中的 orf256及矮牵牛中
的orf402。特别是矮牵牛的pcf基因(orf402)有atp9 和
cox2编码区序列共同参与重组。另外还有核糖体蛋白
编码基因、核糖体 RNA和 tRNA编码基因等参与重
组 。
CMS相关基因编码的蛋白质含有与ATP合成酶某
一亚基相类似的结构。有一种假说认为向日葵 CMS-
PET1系产生的ORF522的 N-端的头 18个氨基酸与
ORFB相同, 导致 2种蛋白在新的 C端区发生竞争, 使
得F1 F0-ATP酶磷酸化作用解偶联, 导致ATP合酶活性
也明显降低, 能量供应难以满足花粉发育所需, 引起花
粉败育(Nakajima et al., 2001; Balk adn Leaver, 2001;
Serieys, 2002; Sabar et al., 2003)。研究表明, CMS
烟草花芽中的 AT P: ADP 的比率低于正常可育烟草
(Bergman et al., 2000)。还有一些与 CMS有关的基
因与电子传递链中的细胞色素氧化酶基因重排有关, 如
小麦的cox1上游的orf256(Song and Hedgcoth,1994),
以及atp6基因和orf25基因的重排(Mohr et al.,1993);
甜菜的 atpA、atp6 位点(Xue et al.,1994)和 coxII位
点(Senda, 1991)。这些基因的改变可能影响细胞色素
氧化酶的活性, 进而影响ATP合成, 最后影响花粉的育
性。Sabar等(2000)比较矮牵牛和烟草的CMS系和正
常可育植株中氧化酶活性, 发现它们之间有明显的差
异。Gutierres等(1997)也发现 CMS烟草植株中由于
线粒体NADH脱氢酶功能失调而导致氧化酶的表达得到
加强。呼吸链上各组分在CMS系和正常可育植株之间
的差异很可能就是导致不育的原因。
3.4 CMS基因引起花粉细胞程序性死亡
在细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)这种
现象被确认以前, 很多学者都报道过在显微镜下观察到
CMS花药的绒粘层细胞未成熟就崩解以及败育的花粉
中线粒体形态发生变化(Laser and Lersten, 1972; Kaul,
1988)。与动物一样, 植物线粒体似乎也为细胞死亡起
到传递信号的作用(Lam et al., 2001)。Balk和 Leaver
(2001)证明了向日葵CMS不育系的绒粘层细胞表现出
PCD的特性, 包括细胞色素 C的释放。
3.5 CMS及其恢复与RNA编辑的关系
RNA编辑是指RNA水平的核苷酸改变引起密码子发生
变化的一种预定修饰, 它使转录产物的核苷酸序列不能
忠实地反映模板 DNA的一级序列。转录后的 RNA编
辑改变了特定转录本的编码能力, 并产生多态性的基因
表达产物。目前已知植物线粒体中几乎所有的编码蛋
白的基因转录产物都被编辑, 编辑位点常在密码子的第
1、2 位 , 且大多数为 C → U ( M a c k e n z i e a n d
Mclntosh, 1999)。一旦编辑错误就可能改变编码蛋
白质的氨基酸序列, 甚至造成蛋白质分子的截断或延
406 植物学通报 24(3) 2007
长, 影响蛋白质功能。
一些研究认为CMS的产生和育性恢复与特定的线
粒体基因的RNA编辑率有关。把编辑和未编辑atp6基
因转入烟草, 结果显示导入编辑atp6基因的植株全部可
育, 而导入未编辑 atp6 基因的植株表现出雄性不育
(Hemould et al.,1993) 。Howad和 Kempken (1997)
报道, 在高粱的细胞质雄性不育系中, 线粒体 a tp6
mRNA的编辑率在花药中较低, 只有在恢复基因存在的
条件下, atp6转录本的编辑频率才得以恢复。Iwabuchi
等(1993)报告BT型水稻不育系的atp6 mRNA的编辑水
平比复育系的低, 因此认为可能是 CMS的原因。但
Wang等(2006)的结果表明, BT型水稻不育系的 atp6
mRNA的编辑率与保持系的相当, 表明花粉育性与其编
辑率没有关联性; 同时发现, 其中1个恢复基因Rf1a 对
atp6 mRNA的编辑有一定的促进作用, 认为这可能是
Rf1a的原始功能, 这个功能与 CMS育性恢复无关, 其
对CMS基因orf79的表达抑制即育性恢复功能为进化过
程中产生的派生功能。在高粱的 C M S - A 3 系统中,
Pring等(1999)认为Rf4通过调控atp6的编辑频率使育
性得到恢复。但是, 由于该系统的CMS基因是 orf107
而非atp6, 即使Rf4具有影响atp6的编辑率的作用, 也
不能由此认定与育性恢复有关。反之, 当发现恢复基因
对某个线粒体基因的mRNA的编辑有影响时, 也不能因
此认为该基因就是CMS基因, 还应该考察该基因在不育
系和保持系的mRNA编辑状态, 如果无明显差别, 表明
其与 CMS 无关。
3.6 环境因素对CMS表型的影响
影响 CMS表型的环境因素包括光照、温度和光周期
等。Murai和 Tsunewaiki (1995)报道了一种光周期敏
感细胞质雄性不育(photoperiod-sensitive cytoplasmic
male sterility, PCMS)的异源细胞质小麦cr-N26, 它在
长日照条件(15小时)下表现出完全不育, 短日照条件
(<15小时)下则表现为高度可育。Ogihara等(1999)认
为PCMS小麦雄性不育的发生是由于光照时间影响其核
基因的表达, 进而诱导线粒体基因组结构和基因表达方
式的改变, 导致细胞质雄性不育的产生。
油菜CMS系育性也受温度影响。傅廷栋等(1989)
对 35个 CMS-pol系进行鉴定 , 发现高温不育型占
62.9%, 低温不育型占 28.8%, 稳定不育型占 8.5%。
4 恢复基因的作用机理
4.1 恢复基因的分子特征
已克隆的4个恢复基因除了玉米的Rf2以外, 矮牵牛的
Rf-PPR592、萝卜的 Rfo, 和水稻的 Rf-1(Rf1a, Rf1b)
基因的编码蛋白都含有PPR基序。PPR基因是高等植
物基因组中存在的超基因家族, 含有由35个氨基酸形成
的PPR(pentatrico-peptide repeat)基序重复(Small and
Peeters, 2000)。许多 PPR蛋白被认为通过与目标
RNA的特异结合, 在其它因子的共同作用下对目标RNA
进行剪切、降解等加工(Lurin et al., 2004)。在克隆
的编码PPR蛋白的恢复基因座位附近, 总是存在几个拷
贝的同源重复基因。如水稻的Rf-1座位附件约350 kb
内存在8-9个PPR同源基因, 形成一个基因簇, 其中2
个成员(Rf1a和Rf1b)对CMS-BT有恢复功能。与恢复
系的功能恢复基因相比, 不育系(保持系)中的等位基因序
列往往出现序列缺失或碱基变异而失去功能。已克隆
的恢复基因的编码蛋白 N末端均有一个线粒体靶向序
列, 其表达产物都是以线粒体为作用目标。
4.2 恢复基因的作用机理
大多数CMS/restoration系统的育性恢复是受少数主效
基因控制, 如玉米 S型、油菜 nap型和 pol型、菜豆
的sprite型以及矮牵牛的育性恢复均受一对恢复基因控
制; 玉米 T型、水稻 BT型、HL型、WA型的育性恢
复分别受2对主效恢复基因控制; 向日葵的CMS恢复的
遗传比较复杂, 至少需要 2对恢复基因。有些 CMS系
统的育性恢复也可能受微效恢复基因的影响。
对恢复基因的作用, 推测有 2类可能的机制。一类
是恢复基因的功能是抑制线粒体基因组的特定CMS基
因的表达; 另一种是恢复基因的功能是补偿或纠正CMS
线粒体某个必需基因的功能缺陷。目前研究结果几乎
都支持第一类机制, 即恢复基因表达产物通过特定的方
407吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
式改变CMS基因的转录本模式, 或对其翻译产物进行修
饰或降解等, 使CMS基因的表达受到抑制而消除其毒害
效应。对大部分CMS/restoration系统来说, 恢复基因
对CMS基因转录模式的改变与基因沉默(蛋白翻译的抑
制)之间的具体机制仍然不是很清楚。例如, 矮牵牛的
恢复基因虽然只能降解CMS基因 pcf的多种转录本中
的一种的丰度, 但不清楚其PCF蛋白水平如何被大幅度
降低(Pruitt and Hanson, 1991; Bentolila et al., 2002)。
玉米的CMS-T恢复基因Rf2不影响T-urf13转录本
的加工和URF13蛋白质的丰度, 其恢复育性的功能在于
它的ALDH活性抑制URF13的活性(Liu et al., 2001)。
最近, Wang等(2006)清楚地阐明了水稻恢复基因
Rf1a和 Rf1b抑制 CMS-BT基因 orf79表达的机制。
RF1A在3个主要位点介导切断B-atp6/orf79 mRNA, 其
中 1个切点位于 orf79上游 50多碱基处。虽然被切断
的orf79 mRNA片段(0.45 kb)还存在, 但其核糖体结合
区已被破坏, 不能有效翻译出ORF79蛋白。当存在有
功能的 Rf1b但缺乏 Rf1a时(基因型为 rf1a rf1a/Rf1b
rf1b), RF1B能介导B-atp6/orf79 mRNA的完全降解。
这2种不同的作用模式都使orf79的表达沉默, 从而恢复
花粉的育性。有趣的是, 在RF1A和RF1B同时存在时
(Rf1a rf1a/Rf1b rf1b), RF1A具有优先的作用, 表现为
上位性效应, RF1B不能进一步介导被切断的RNA片段
的降解, 推测这是由于被切断的mRNA片段中的RF1B
识别位点已被破坏。但是, 由于这 2种 PPR蛋白本身
都没有RNA酶活性的结构域, 它们可能是作为复合体的
成员, 起到识别和结合靶标RNA的作用, 由复合体对靶
标 RNA进行切割或降解(Wang et al., 2006)。
Xiao等(2006)报道, 玉米CMS-S的不育相关转录本
(1.6 kb)在导入恢复基因后其 5’端被缺失 9个碱基, 导
致一个茎环结构的破坏, 使该RNA不稳定而降解, 产生
育性恢复。
5 对CMS一些问题的理解
在一些文献中, 常将CMS的发生笼统地归结为核质不协
调, 或细胞质基因与隐性核恢复基因共同控制的不育性,
因而归类为“核质互作雄性不育”。如上所述, 有确
切证据表明: CMS系统几乎都是线粒体基因组中存在的
特定的、“多余”的有害基因表达的结果。隐性恢复
基因, 如水稻BT型隐性恢复基因rf1a, 是受破坏的无活
性基因。CMS的发生并不需要隐性恢复基因的作用,
它们只是对抑制 CMS基因的表达即育性恢复没有作
用。因此我们认为, 当只考虑 CMS的发生时, 应该狭
义地将其称为“细胞质雄性不育”。这时不适宜用广
义的概念去理解CMS的发生是否需要其它核基因的作
用, 因为广义地说, 高等生物的任何生理生化过程都需要
直接或间接的核质互作, 而不限于CMS等现象。但是,
当将CMS及其育性恢复(CMS/restoration)作为一个完
整的系统论述时, 由于显性恢复基因能直接作用于CMS
基因(抑制其表达或蛋白活性), 在狭义上它也是一个典型
的核质互作的遗传系统。另外, 一些文献报道通过正常
可育的种间或种内材料杂交“创造”了 CMS细胞质,
或从正常可育的材料诱导突变或自然突变在后代产生了
CMS。CMS相关基因是长期的进化过程中通过多次重
组和功能分化的产物, 不是现有功能基因的简单突变产
生的。因此, 对这些现象的正确理解应该是, 这些可育
的母本材料的线粒体基因组已存在有功能CMS基因, 同
时核基因组也存在相应的功能(显性)恢复基因抑制着
CMS基因的表达, 因此表现为可育。当作为母本与另
一个不含功能恢复基因的材料(相当于保持系)杂交, 杂种
后代就能分离出不携带显性恢复基因的个体, 显现出
CMS表型。类似地, 当含有CMS基因的可育材料的核
恢复基因发生了突变而丧失功能时, 其自交后代也能分
离出 CMS植株。1970年李必湖先生在海南发现的雄
性不育野生稻株(野败), 就应该是这种例子。
6 展望
植物细胞质雄性不育及其育性恢复现象涉及核质互作、
基因表达调控以及环境因素影响等诸多方面。它之所
以成为人们研究的热点, 是因为在杂种优势的利用中起
到关键性的作用, 研究其机理能更好地为生产服务。另
一方面, 植物CMS基因和核恢复基因构成了一个很有价
408 植物学通报 24(3) 2007
值的研究细胞核和细胞质基因组的相互作用的体系。
虽然目前对植物细胞质雄性不育的分子机理的了解还
不够深入, 恢复基因与CMS基因的相互作用也比较复
杂, 但我们相信, 随着更多的CMS基因和恢复基因的
克隆, 将会更好地了解和应用植物细胞质雄性不育及其
育性恢复性。
参考文献
范昌发, 孙春昀, 郭骁才, 张福耀, 孙毅, 牛天堂, 贾敬芬 (2002).
细胞质雄性不育高粱叶绿体 ndhD基因的序列变异．遗传学报
29, 907-914．
傅廷栋, 杨小牛, 杨光圣 (1989).甘蓝型油菜波里马雄性不育的选
育研究. 华中农业大学学报 3, 201-207.
李继耕 (1983). 叶绿体遗传与细胞质雄性不育性. 中国农业科学 1,
49-52.
李继耕 (1992). 细胞质雄性不育的分子基础. 遗传 4, 37-40.
刘一农, 李继耕 (1983)．叶绿体DNA(ctDNA)与细胞质雄性不育
性．遗传学报 10, 114-12.
孙春昀, 范昌发, 张福耀, 牛天堂, 孙毅, 郭骁才 (2002). CMS高
粱保持系叶绿体基因 ps1A1和 ps1A2片段的克隆与序列比对.
应用与环境生物学报 5, 59-65.
王泽立, 王鲁昕, 戴景瑞, 王斌, 李新征 (2001). 运用近等基因系
(NIL)、AFLP、RFLP和SCAR标记对玉米 S组恢复基因(Rf3)
的研究. 遗传学报 28, 465-470.
易平, 汪莉, 孙清萍, 朱英国 (2002). 红莲型细胞质雄性不育水稻
线粒体相关嵌合基因的发现. 科学通报 47, 130-133.
袁隆平 (2002). 杂交水稻学. 北京: 中国农业出版社.
张萃, 王宏英, 沈银柱, 赵宝存, 朱正歌, 黄占景 (2003). 用微卫
星标记定位小麦 T型CMS的恢复基因. 遗传学报 30, 459-464.
张群宇, 刘耀光, 张桂权, 梅曼彤 (2002). 野败型水稻细胞质雄性
不育恢复基因Rf-4分子标记定位. 遗传学报 29, 1001-1004.
朱英国 (2000). 水稻雄性不育生物学. 武汉: 武汉大学出版社.
Abad AR, Mehrtens BJ, Mackenzie SA (1995). Specific ex-
pression in reproductive tissues and fate of a mitochondrial
sterility-associated protein in cytoplasmic male-sterile bean.
Plant Cell 7, 271-285.
Akagi H, Sakamoto M, Shinjyo C, Shimada H, Fujimura T
(1994). A unique sequence lacated down stream from the rice
mitochondrial atp6 may cause male sterility. Theor Appl Genet
25, 52-58.
Akagi H, Nakamura A, Sawada R, Oka M, Fujimura T (1995).
Genetic diagnosis of cytoplasmic male-sterile cybrid plants of
rice. Theor Appl Genet 90, 948-951.
Arrieta-Montiel M, Lyznik A, Woloszynska M, Janska H,
Tohme J, Mackenzie S (2001).Tracing evolutionary and
developmental implications of mitochondrial stoichiometric shift-
ing in the Common Bean. Genetics 158, 851-864.
Balk J, Leaver CJ (2001). The PET12 CMS mitochondrial muta-
tion in sunflower is associated with premature programmed
cell death and cytochrome release. Plant Cell 13, 1803-1818.
Bellaoui M, Martin-Canadell A, Pelletier G, Budar F (1998) .
Low-copy-number molecules are produced by recombination,
actively maintained and can be ampli85fied in the mitochon-
drial genome of B rassicaceae: relationship to reversion of
the male sterile phenotype in some cybrids. Mol Gen Genet
257, 177-185.
Bentolila S, Alfonso AA, Hanson MR (2002). A pentatrico-
peptide repeat-containing gene restores fertility to cytoplas-
mic male-sterile plants. Proc Natl Acad Sci USA 99, 10887-
10892.
Bergman P, Edqvist J, Farbos I, Glimelius K (2000). Male-
sterile tobacco displays abnormal mitochondrial atpl transcript
accumulation and reduced floral ATP/ADP ratio. Plant MoI Biol
42, 531-544.
Boeshore ML, Lifshits I, Hanson MR, Izhar S (1983). Novel
composition of mitochondrial genomes in Petunia somatic hy-
brids derived from cytoplasmic male sterile and fertile plants.
Mol Gen Genet 190, 459-467.
Boeshore ML, Hanson MR, Izhar S (1985). A variant mito-
chondrial DNA arrangement specific to Petunia sterile somatic
hybrids. Plant Mol Biol 4, 125-132.
Brown GG, Formanova N, Jin H, Wargachuk R, Dendy C,
Patil P, Laforest M, Zhang JF, Cheung WY, Landry BS
(2003). The radish Rfo restorer gene of Ogura cytoplasmic
male sterility encodes a protein with multiple pentatricopeptide
repeats. Plant J 35, 262-272.
Budar F, Pelletier G (2001). Male sterility in plants: occurrence,
determinism, significance and use. Life Sciences 324, 543–
550.
Budar F, Touzet P, de Paepe R (2003). The nucleo-mitochon-
drial conflict in cytoplasmic male sterilities revisited. Genetica
117, 3-16.
Chen ZJ, Liang GH, Muthukrishnan S, Kafoid KD (1990).
Chloroplast DNA polymorphism in fertile and male-sterile cyto-
409吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
plasm of sorghum [sorghum bicolor (L. ) Moench ]. Theor
Apple Genet 80, 727-731.
Chen ZJ, Schertz KF, Mullet JE, DuBell A, Hart GE (1995).
Characterization and expression of rpoC2 in CMS and fertile
lines of sorghum . Plant Mol Biol 28, 799-809.
Clark E, Gafni Y, Izhar S (1988). Loss of CMS-specific mito-
chondrial DNA arrangement in fertile segregants of Petunia
hybrids. Plant Mol Biol 4, 125-132.
Cui XQ, Wise RP, Schnable PS (1996). The rf2 nuclear restorer
gene of male-sterile T-cytoplasm maize. Science 272, 1334-
1336.
Dewey RE, Levings CS, Timothy DH (1986). Novel recombina-
tions in the maize mitochondrial genome produce a unique
transcriptional unit in the Texas male-sterile cytoplasm. Cell
44, 439- 449.
Dewey RE, Siedow JN, Timothy DH, Levings III CS (1988). A
13-kilodalton maize mitochondrial protein in E. coli confers
sensitivity to Bipolaris maydis toxin. Science 239, 293-295.
Dewey RE, Timothy DH, Levings CS (1991).Chimeric mitochon-
drial genes expressed in the C male-sterile cytoplasm of maize.
Curr Genet 20, 475-482.
Dewey RE,Timothy DH, Levings CS (1987). A mitochondrial
protein associated with cytoplasmic male sterility in the T cy-
toplasm of maize. Proc Natl Acad Sci USA 84, 5374-5378.
Dill CL, Wise RP, Schnable PS (1997). Rf8 and Rf* mediated
unique T-urf13-transcript acculation, revealing a conserved
motif associated with RNA processing and restoration of pol-
len fertility in T-cytoplasm maize. Genetics 147, 1367-1379.
Duroc Y, Gaillard C, Hiard S, Defrance MC, Pelletier G, Budar
F (2005). Biochemical and functional characterization of
ORF138, a mitochondrial protein responsible for Ogura cyto-
plasmic male sterility in Brassiceae. Biochimie 87, 1089–1100.
Duroc Y, Gaillard C, Hiard S, Tinchant C, Berthome R,
Pelletier G, Budar F (2006). Nuclear expression of a cyto-
plasmic male sterility gene modifies mitochondrial morphology
in yeast and plant cells. Plant Sci 170, 755-767.
Frankel R, Scowcroft WR, Whitfeld PR (1979). Chloroplast
DNA variation in isonuclear male-sterile lines of Nicotiana. Mol
Gen Genet 169, 129-135.
Fujii S, Toriyama K (2005). Molecular mapping of the fertility
restorer gene for ms-CW-type cytoplasmic male sterility of
rice. Theor Appl Genet 111, 696–701.
Gray MW (1992). The endosymbiont hypothesis revisited. Int Rev
Cytol 141, 233-257.
Grelon M, Budar F, Bonhomme S, Pelletier G (1994). Ogura
cytoplasmic male-sterility (CMS)-associated orf138 is trans-
lated into a mitochondrial membrane polypeptide in male-sterile
Brassica cybrids. Mol Gen Gene 243, 540- 547.
Grosskopt D, Mulligan RM (1996). Developmental and tissue-
specificity of RNA editing in mitochondria of suspension-cul-
tured maize cells and seedlings. Curr Genet 29, 556-563.
Gutierres S, Sabar M, Lelandais C, Chetrit P, Diolez P,
Degand H, Boutry M, Vedel F, de Kouchkovsky Y,
DePaepe R (1997). Lack of mitochondrial and nuclear-en-
coded subunits of complex I and alteration of the respiratory
chain in Nicotiana sylvestris mitochondrial deletion mutants.
Proc Natl Acad Sci USA 94, 3436-3441.
Hanson MR, Bentolila S (2004). Interactions of mitochondrial
and nuclear genes that affect male gametophyte development.
Plant Cell 16(Suppl.), S154-S169.
Hanson MR (1991). Plant mitochondrial mutations and male sterility.
Annu Rev Genet 25, 461-486.
He S, Yu ZH, Vallejos CE, Mackenzie SA (1995). Pollen fertility
restoration by nuclear gene Fr in CMS common bean: an Fr
linkage map and the mode of Fr action. Theor Appl Genet 95,
321-328.
He S, Abad AR, Gelvin SB (1996). A cytoplasmic male sterility-
associated mitochondrial protein causeses pollen disruption
in transgenic tobacco. Proc Natl Acad Sci USA 93, 11763-
11768.
Hemould M, Suharsono S, Litvak S, Araya A, Mouras A
(1993). Male-sterility induction in transgenic tobacco plants
with an unedited atp6 mitochondrial gene from wheat．Proc
Natl Acad Sci USA 90, 2370-2374.
Horn R, Friedt W (1999). CMS sources in sunflower : different
origin but same mechanism? Theor Appl Genet 98, 195-201.
Howad W, Kempken F (1997). Cell type-specific loss of atp6
RNA editing in cytoplasm male sterile Sorghum bicolor. Proc
Nail Acad Sci USA 94, 11090-11095.
Iwabuchi M, Koizuka N, Fujimoto H, Sakai T, Imamura J
(1999). Identification and expression of the Kosena radish
(Raphaus sativus cv. Kosena) homologue of the Orgura rad-
ish CMS-associated gene ,orf138. Plant Mol Biol 39, 183-
188.
Iwabuchi M, Kyozuka J, Shimamoto K (1993). Processing
followed by complete editing of an altered motochondrial atp6
410 植物学通报 24(3) 2007
RNA restores fertility of cytoplasmic male sterile rice. EMBO J
12, 1437-1446.
Johns L, Lu M, Lyznik A, Mackenzie S (1992). A mitochon-
drial DNA sequence is associated with abnormal pollen devel-
opment in cytoplasmic male sterile bean plants. Plant Cell 4,
435-449.
Jones HA, Clarke AE (1943). Inheritance of male sterility in the
onion and the production of hybrid seed. Proc Natl Acad Sci
USA 43, 189-194.
Kaul MLH (1988). Male Sterility in Higher Plants. Berlin: Springer
pp.10-22.
Kihara H (1951). Substitution of nucleus and its effects on ge-
nome manifestations. Cytologia 16, 177–193.
Koizuka N, Imai R, Fujimoto H, Hayakawa T, Kimura Y, Murase
JK, Sakai T, Kawasaki S, Imamura J (2003). Genetic char-
acterization of a pentatricopeptide repeat protein gene, orf687,
that restores fertility in the cytoplasmic male-sterile Kosena
radish. Plant J 34, 407-415.
Komarnitskii IK, Samoilov AM, Grebenkin AA (1985). Analy-
sis of ribulose-bisphosphate carbo- xylase and chloroplast
DNA in cytoplasmically male sterile forms of Nicotiana.
Genetika, USSR 21, 1535-1541.
Komori T, Ohta S, Murai N, Takakura Y, Kuraya Y, Suzuki S,
Hiei Y, Imaseki H, Nitta N (2004). Map-based cloning of a
fertility restorer gene Rf-1, in rice ( Oryza sativa L. ). Plant J
37, 315-325.
Korth KL, Struck F, Kaspi CI, Siedow JN, Levings III CS
(1991). URF13, a maize mitochondrial pore-forming protein, is
oligomeric and has a mixed orientation in Escherichia coli
plasma membranes. Proc Natl Acad Sci USA 88, 10865-10869.
Korth KL, Leving III CS (1993). Baculovirus expression of maize
mitochondrial protein URF13 confers insecticidal activity in cell
culture and larvae. Proc Natl Acad Sci USA 90, 3388-3392.
L’Homme Y, Stahl RJ, Li XQ, Hameed A, Brown GG (1997).
Brassica nap cytoplasmic male sterility is associated with ex-
pression of a mtDNA region containing a chimeric gene similar
to the pol CMS-associated orf224 gene. Curr Genet 31, 325-
335.
Lam E, Kato N, Lawton M (2001). Programmed cell death, mito-
chondria and the plant hypersensitive response. Nature 411,
848-853.
Laser KD, Lersten NR (1972). Anatomy and cytology of micro-
spore genesis in cytoplasmic male-sterile angi-sperm. Bot Rev
38, 425-454.
Laver HK, Reynolds SJ, Moneger F, Leaver CJ (1991). Mito-
chondrial genome organization and expression associated with
cytoplasmic male sterility in sunflower (Helianthus annuus).
Plant J 1, 185-193.
Leclercq P (1984). Identification de genes de restauration de
ferti l ite sur cytoplasms steril isants chez le tournesol.
Agronomie 4, 573–576.
Levings CS, Siedow JN (1992). Molecular basis of disease
susceptibility in the Texas cytoplasm of maize. Plant Mol Biol
19, 135-147.
Levings CS, Pring DR (1976). Restriction endonuclease analy-
sis of mitochondrial DNA from normal and Texas cytoplasmic
male-sterile maize. Science 193, 158-160.
Liu BS, Sun QX, Sun LZ, Gao QR, Xie CJ, Dou BD, Ni ZF, Wei
YL, Zhang YC (2002). RAPD and ISSR markers of fertility
restoring gene for Aegilops kotschyi cytoplasmic male steril-
ity in wheat. Acta Bot Sin 44, 446-450.
Liu F, Cui XC, Hrner HT, Weiner H, Schnable PS (2001). Mito-
chondrial Aldehyde dehydrogenase activity is required for male
fertility in maize. Plant Cell 13, 1063-1078.
Liu XQ, Xu X, Tan YP, Li SQ, Hu J, Huang JY, Yang DC, Li YS,
Zhu YG (2004). Inheritance and molecular mapping of two
fertility-restoring loci for Honglian gametophytic cytoplasmic
male sterility in rice (Oryza sativa L.). Mol Genet Genomics
271, 586-594.
Lurin C, Andres C, Aubourg S, Bellaoui M, Bitton F, Bruyere
C, Caboche M, Debast C, Gualberto J, Hoffmann B,
Lecharny A, le Ret M, Martin-Magniette ML, Mireau H,
Peeters N, Renou JP, Szurek B, Taconnat L, Small I (2004).
Genome-wide analysis of Arabidopsis pentatricopeptide re-
peat proteins reveals their essential role in organelle biogenesis.
Plant Cell 16, 2089-2103.
Mackenzie S, Chase CD (1990). Fertility restoration is associ-
ated with loss of a portion of the mitochondrial genome on
cytoplasmic male-sterile common bean. Plant Cell 2, 905-
912.
Mackenzie S, McIntosh L (1999). Higher plant mitochondria.
Plant Cell 11, 571-586.
Mackenzie S, Pring DR, Bassett MJ, Chase CD (1988). Mito-
chondrial DNA rearrangement associated with fertility resto-
ration and reversion to fertility in cytoplasmic male sterile
Phaseolus vulgaris L. Proc Natl Acad Sci USA 86, 2714-
411吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
2717.
Mohr S, Schulte-Kappert ES, Odenbach W (1993). Mitochon-
drial DNA of cytoplasm male-sterile Triticum timopheevi : re-
arrangement of upstream sequences of the atp6 and orf25
genes. Theor Appl Genet 86, 259-268.
Murai K, Tsunewaiki K (1995). Photoperiod-sensitive cytoplas-
mic male sterility induced in Japanese wheat cultivars by trans-
ferring Aegilops crassa cytoplasm. Breed Sci 45, 199-203.
Murai K (1998). F1 seed production efficiency by using photope-
riod-sensitive cytoplasmic male sterility and performance of
F1 hybrid lines in wheat. Breed Sci 48, 35-40.
Murai K (2001). Factors responsible for level of male sterility in
photoperiod-sensitive cytoplasmic male sterility (PCMS) wheat
lines. Euphytica 117, 111-116.
Nakai S, Noda D, Kondo M, Terachi T (1995). High-level ex-
pression of a mitochondrial orf522 gene from the male-sterile
sun-flower is lethal to E. coli. Breeding Sci 45, 233-236.
Nakajima Y, Yamamoto T, Muranaka T, Oeda K (2001). A
novel orfB-related gene of carrot mitochondrial genomes that
is associated with homeotic cytoplasmic male sterility (CMS).
Plant Mol Biol 46, 99-107.
Nivision HT, Hanson MR (1989). Identification of a mitochondrial
protein associated with cytoplasmic male sterility in Petunia.
Plant Cell 1, 1121-1130.
Nivison HT, Sutton CA, Wilson RK, Hanson MR (1994). Se-
quencing processing and localization of the Petunia cms-as-
sociated mitochondrial protein. Plant J 5, 613-623.
Ogihara Y, Kurihara Y, Futami K, Tsuji K, Murai K (1999)
Photoperiod-sensitive cytoplasmic male sterility in wheat:
nuclear-mitochondrial incompatibility results in differential pro-
cessing of the mitochondrial orf25 gene. Curr Genet 36, 354-
362.
Ogihara Y, Yamazaki Y, Murai K, Kanno A, Terachi T, Shiina
T, Miyashita N, Nasuda S, Nakamura C, Mori N, Takumi
S, Murata M, Futo S, Tsunewaki K (2005). Structural dy-
namics of cereal mitochondrial genomes as revealed by com-
plete nucleotide sequencing of the wheat mitochondrial
genome. Nucleic Acids Res 33, 6235-6250.
Oldenburg DJ, Bendich AJ (1998). The structure of mitochon-
drial DNA from the liverwort, Marchantia polymorpha. J Mol
Biol 276, 745-758.
Phreaner CG, Williams MA, Mulligan RM (1996). Incomplete
editing of rps12 transcripts results in the synthesis of
polymorphic polypeptides in plant mitochondria. Plant Cell 8,
107-117.
Pring DR, Tang HV, Howad W, Kempken F (1999). A unique
two-gene gametophytic male sterility system in sorghum in-
volving a possible role of RNA editing in fertility restoration. J
Hered 90, 386-393.
Pruitt KD, Hanson MR (1991). Transcription of the Petunia mito-
chondrial CMS-associated pcf locus in male sterile and fertil-
ity-restored lines. Mol Gen Genet 227, 348-355.
Rhoads DM, Levings OS, Siedow JN (1995). URF13, a ligand-
gated, pore-forming receptor for T-toxin in the inner mem-
brane of cms-T mitochondria. J Bioenerg Biomembr 27, 437-
445.
Sabar M, de Paepe R, de Kouchkovsky Y (2000). Complex I
impairment, respiratory compensations, and photosynthetic
decrease in nuclear and mitochondrial male sterile mutants of
Nicotiana sylvestris. Plant Physiol 124, 1239-1249.
Sabar M, Gagliardi D, Balk J, Leaver CJ (2003). ORFB is a
subunit of F1F0-ATP synthase: Insight into the basis of cyto-
plasmic male sterility in sunflower. EMBO Rep 4, 1-6.
Sarria R, Lyznik A, Vallejos CE, Mackenzie SA (1998). A
cytoplasmic male sterility-associated mitochondrial peptide in
common bean is post-translationally regulated. Plant Cell 10,
1217-1228.
Schardl CL, Lonsdale DM, Pring DR, Rose KR (1984). Linear-
ization of maize mitochondrial chromosomes by recombination
with linear episomes. Nature 310, 292-296.
Schnable PS, Wise RP (1998). The molecular basis of cytoplas-
mic male sterility and fertility restoration. Trend Plant Sci 3,
175-180.
Senda M (1991). Genomic organization and sequence analysis
of the cytochrome oxidase subunit II gene from normal and
male sterile mitochondrial in sugar beat. Curr Genet 19, 175-
181.
Serieys H (2002). Identification, study and utilization in breeding
programs of new CMS sources. In: the FAO Subnetwork.
Proceedings of Sunflower Subnetwork Progress Report. Rome:
FAO.
Shinjyo C (1969). Cytoplasmic genetic male sterility in cultivated
rice, Oryza sativa L. II. The inheritance of male sterility. Jpn J
Genet 44, 149-156.
Shinjyo C (1975). Genetical studies of cytoplasmic male sterility
and fertility restoration in rice, Oryza sativa L. Sci Bull Coll
412 植物学通报 24(3) 2007
Agr Univ Ryukyus 22, 1-57.
Siedow JN, Rhoads DM, Ward GC, Levings CS (1995). The
relationship between the mitochondrial gene T-urfl3 and fun-
gal pathotoxin sensitivity in maize. Biochim Biophys Acta 1271,
235-240.
Small ID, Peeters N (2000). The PPR motif?a TPR-related motif
prevalent in plant organellar proteins. Trends Biochem Sci 25,
46-47.
Song J, Hedgcoth C (1994). A chimeric gene (orf256) is ex-
pressed as protein only in cytoplasmic male-sterile lines of
wheat . Plant Mol Biol 26, 535-539.
Subbiah K, Christopher AM (1994). Organ-specific reduction
in the abundance of a mitochondrial protein accompanies fer-
tility restoration in cytoplasmic male-sterile radish. Plant Mol
Biol 26, 935-936.
Sugiyama Y, Watase Y, Nagase M, Makita N, Yagura S, Hirai
A, Sugiura M (2005). The complete nucleotide sequence and
multipartite organization of tobacco mitochondrial genome:
comparative analysis of mitochondrial genomes in higher plants.
Mol Gen Genomics 272, 603-615.
Tan XL, Vanavichit A, Amorsilpa S, Trangoonrung S (1998).
Genetic analysis of rice CMS-WA fertility restoration based on
QTL mapping. Theor Appl Genet 96, 994-999.
Tang HV, Pring DR, Shaw LC, Salazar RA, Muza FR, Yan B,
Schertz KF (1996). Transcript processing internal to a mito-
chondrial open reading frame is correlated with fertility resto-
ration in male-sterile sorghum. Plant J 10, 123-133.
Wang Z, Zou Y, Zhang Q, Li X, Chen L, Wu H, Su D, Guo J,
Chen Y, Luo D, Long Y, Zhong Y, Liu YG (2006). Cytoplas-
mic male mterility of rice with Boro II cytoplasm is caused by a
cytotoxic peptide and is restored by two related PPR motif
genes via distinct modes of mRNA silencing. Plant Cell 18,
676-687.
Ward BL, Anderson RS, Bendich AJ (1981). The mitochondrial
genome is large and variable in a fami ly of p lants
(Cucurbitaceae). Cell 25, 793-803.
Warmke HE, Lee SLJ (1978). Pollen abortion in T cytoplasmic
male sterility corn: a suggested machanism. Science 200, 561-
563.
Wise RP, Pring DR, Gengenbach BG (1987a). urf13-T of T
cytoplasm maize mitochondria encodes a 13 kD polypeptide.
Plant Mol Biol 9, 121-126.
Wise RP, Pring DR, Gengenbach BG (1987b). Mutation to male
fertility and toxin insensitivity in Texas cytoplasm maize is
associated with a frame shift in a mitochondrial open reading
frame. Proc Natl Acad Sci USA 84, 2858-2862.
Wise RP, Dill CL, Schnable PS (1996c). Mutator-induced muta-
tions of the rf1 nuclear fertility restorer of T-cytoplasm maize
alter the accumulation of the T-urf13 mitochondrial transcripts.
Genetics 143,1383-1394.
Wise RP, Pring DR (2002). Nuclear-mediated mitochondrial gene
regulation and male fertility in higher plants Light at the end of
the tunnel? Proc Natl Acad Sci USA 99, 10240-10242.
Xiao H, Zhang F, Zheng Y (2006). The 5 stem-loop and its role
in mRNA stability in maize S cytoplasmic male sterility. Plant J
47, 864-872.
Xue Y, Collin S, Davies RD, Thomas CM (1994) Differential
screening of mitochondrial cDNA libraries from male -fertile
and cytoplasmic male-sterile sugar-beet reveals genome
rearragemets at atp6 and atpA loci. Plant Mol Boil 25, 91-103.
Yamagishi H, Terachi T (1996). Molecular and biological studies
on male-sterile cytoplasm in the Cruciferae.III. Distrbution of
Ogura-type cytoplasm among Japanese wild radishes and
Asian radish cultivars. Thero Appl Genet 93, 325-332.
Yan B, Pring DR (1997). Transcriptional Initiation sites in sor-
ghum mitochondrial DNA indicate conserved and variable
features. Curr Genet 32, 287-295.
Yao FY, Xu CG, Yu SB, Li JX, Gao YJ, Li XH, Zhang QF (1997).
Mapping and genetic anlysis of two fertility restorer loci in the
wild-abortive cytoplasmic male sterility system of rice (Oryza
sative L.). Euphytica 98, 183-187.
Zabala G, Gabay-Laughnan S, Laughnan JR (1997). The
nuclear gene Rf3 affects the expression of the mitochondrial
chimeric sequence R implicated in S-type male sterility in maize.
Genetics 147, 847-860.
Zhang G, Lu Y, Huang N (1994). Molecular analysis of
introgressed chromosomal segments in a set of near-isogenic
lines of rice for fertility-restoring genes. Rice Genet News 11,
147-149.
Zhang G, Bharaj TS, Lu Y, Virmani SS, Huang N (1997). Map-
ping of Rf-3 nuclear-fertility restoring gene for WA cytoplas-
mic male sterility in rice using RAPD and RLFP markers. Theor
Appl Genet 94, 27-33.
Zhang Q, Liu YG (2006). Rice mitochondrial genes are tran-
scribed by multiple promoters that are highly diverged. J Integr
Plant Biol 48, 1473-1476.
413吴豪等: 植物细胞质雄性不育及其育性恢复的分子基础
(责任编辑: 韩亚琴)
Molecular Basis of Plant Cytoplasmic Male Sterility
and Fertility Restoration
Hao Wu1, Hong Xu 2, Zhenlan Liu3, Yaoguang Liu1*
1Key Laboratory of Plant Functional Genomics and Biotechnology of Education Department of Guangdong,
College of Life Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
2College of Life Sciences, Northwest Agricultural and Forestry University, Yangling 712100, China
3Faculty of Food and Land Systems, and Department of Botany, University of British Columbia, 6270 University Blvd,
Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada
Abstract Cytoplasmic male sterility (CMS), a maternally inherited trait, is widespread among plant species. Because of the
importance of CMS in hybrid seed production, understanding the molecular basis of CMS and its restoration is critical for better
utilization of heterosis in crops. A number of CMS and restorer genes have been isolated, and the molecular mechanisms for the
CMS-restoration interaction of some systems have been elucidated. In this paper, we review the progress in study of CMS and
restorer genes in plants.
Key words cytoplasmic male sterility (CMS), mitochondrial genes, restorer gene
Wu H, Xu H, Liu ZL, Liu YG (2007). Molecular basis of plant cytoplasmic male sterility and fertility restoration. Chin Bull Bot 24,
399-413.
* Author for correspondence. E-mail: ygliu@scau.edu.cn
第五届全国化学生物学学术会议通知
由中国化学会主办, 中国科学院昆明植物研究所承办的“第五届全国化学生物学学术会议”定于 2007年 8月 10日至
12日在云南省昆明市召开。会议拟邀请国内外著名专家学者与会，欢迎广大学者和研究生参加本次学术会议。本次会议
的主题是中国化学生物学的崛起，其宗旨是交流我国化学生物学各领域的最新研究成果，回顾和展望学科发展。
会议网址：http://www.kib.ac.cn/chemicalbiology/index.htm，网上报名现已开通，我们热诚欢迎化学生物学界的
各位同仁踊跃参加此次学术盛会！
联系人: 谭宁华研究员
电话或传真: 0871-5223800
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