全 文 ：植　　　物　　　研　　　究
BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH
第 17 卷　第 2 期 1997 年　4 月
Vol.17　No.2 April , 　1997
小麦 D2型光敏性细胞质雄性不育的研究进展①
姜　静1　刘伟华2　李集临2
(1 哈尔滨教育学院 , 哈尔滨　150080)　　(2哈尔滨师范大学 ,哈尔滨　150080)
摘　要　小麦 D2 型细胞质与特定的核结合 ,在长光照条件下(≥15小时),表现为
雄蕊雌化 。对这一不育机制的研究 ,本文从形态学 、组织学和分子生物学等方面进
行了综述 。为使光敏细胞质雄性不育成功的应用于杂交小麦育种 ,同时为探讨光
敏细胞质雄性不育的形成机制提供了资料。
关键词　小麦;D2型细胞质;雄性不育
ADVANCEMENT OF RESEARCHESON
PHOTOPERIOD SENSITIVE CYTOPLASMIC
MALE STERILE OF D2 TYPE WHEAT
Jiang Jing
1　Liu Wei-hua2　Li Ji-lin2
(1 Harbin Academy of Education , Harbin 150080)
(2 Harbin Normal Unveristy , Harbin 150080)
Abstract　The combination of D2 type cytoplasm and certain nucleus can cause pistil-
lody of stamens under a long-day condition(≥15 hours).This paper , which dis-
cussed the morpholog y 、histology and molecular biology of male sterility , provided ref-
erence materials on the development of PCMS wheat wi th a view to promoting the u-
tili ties of PCMS in the crossbreeding of w heat.
Key words　Wheat;D2 ty pe cy toplasm , male sterility
高等植物细胞质雄性不育性 ,在农作物杂种利用上具有重要的价值 ,利用雄性不育系制
种 ,可以节约为母本去雄的大量劳力 ,保证种子纯度 ,它已经给农业生产带来了巨大的经济效
益。
小麦细胞质雄性不育系是通过与其近缘种属之间的杂交和核置换回交育成 。而大多数细
① 　1996年 10月收稿。
胞质雄性不育在生产上的应用 ,需三系配套 ,而三系法的育种程序和生产环节比较复杂 ,选育
周期长 , 种子成本高〔2〕 。为此 ,各国的育种学家们正在探索各种新的技术路线 。Murai
(1993)〔9〕提出了应用 D2 型光敏细胞质雄性不育配制杂种小麦的“二系系统”法 。这一方法提
出之后引起了各国学者的高度重视 。目前 ,已从形态学 、组织学和分子生物学以及育性恢复的
遗传分析方面开展了大量的研究工作。为使光敏细胞质雄性不育成功的应用于杂交小麦育
种 ,同时为探讨光敏细胞质雄性不育的形成机制提供了大量的资料。
Sasakuma J.和Ohtsuka(1979)〔15〕首次报道了一个具有粗厚山羊草(Aegi lops crassa),牡山
羊草(Aegi lops juvenalis)和瓦维洛夫山羊草(Aegi lops vav ilovii)细胞质的农林 26(Norin 26)
小麦(Tsunew aki命名为 D2 型细胞质 1980)〔18〕在日本北海道生长时 ,表现完全雄性不育 ,这种
不育导致雄蕊雌化 ,而 D2型细胞质农林 26对引起雌化更敏感。在京都种植则具有较高的育
性 ,作者认为其原因可能是由于生殖生长时期北海道比京都具有较长日照和昼夜较大温差影
响的结果 。Murai和 Tsunew aki(1993)〔9〕实验也证明了具有 Ae.crassa 细胞质的 Norin 26小
麦在长日照条件下(≥15小时)表现几乎全部雄性不育 ,但在短日照条件下(≤14.5小时)则表
现雄性可育 ,并且温度对育性的降低没有明显的影响 ,因此这种类型的雄性不育可以叫作“光
敏性细胞质雄性不育”(Photoperiod -sensi tive Cytoplasmic M ale Sterili ty PCM S)。Murai
(1993)〔10〕提出了 PCMS 可以以一种新的方式用于杂交小麦的生产即“二系系统” ,它只需雄性
不育系和传粉系 。PCMS 系可以在短日照条件下(≤14.5小时)通过自花授粉得以保留和繁
殖 ,而杂交种子是通过 PCMS 系和一个传粉系在长日照条件下(≥15小时)杂交得到的(图
1)。
图 1　利用 PCMS 生产杂种小麦的“二系系统”
条件 A:光照时间长于 15 小时
条件 B:光照时间短于 14.5小时
Fig1.　“ Tw o-line system” for hybrid w heat production using pho toperiod-sensi-
tive cy toplasmic male sterility(PCMS).Condition A and B indicate the pho-
toperiod longer than 15 hours and sho rter than 14.5 hours , respectively.
“二系系统”和利用 T .timopheevi 细胞质生产杂交小麦的“三系系统”相比具有以下优
点〔10〕:(1)只需 PCMS系和异交系;(2)PCM S系易于保持;(3)缩短了培育雄性不育系的周期 ,
1692 期　　　　　　　　姜　静等:小麦 D2 型光敏性细胞质雄性不育的研究进展
降低了成本;(4)Ae.crassa细胞质和育性恢复基因在 F 1 代种籽质量生产特征上没有不利影
响;(5)F1 杂种有足够的育性恢复水平 。Koji(1995)〔11〕利用转移 Ae.crassa 细胞质已经培育
出了 9个日本小麦品种的 PCM S系 ,这些 PCMS 系有可能被用于杂交小麦的生产。
徐乃瑜等〔2〕用具有 D2 型细胞质的(Ae.crassa)CS ,(Ae.juvenalis)CS ,(Ae.vav ilovii)
CS与普通小麦的鄂恩一号 ,NPFP 、白皮 224连续回交 ,获得 9个核代换系(核质杂种),于分孽
始期和拔节期分别给以 15.5—16小时的长光照 ,上述九个核代换系均表现高不育或完全不
育 ,并认为 D2 型细胞质是小麦光敏细胞质雄性不育来源的重要遗传资源 ,小花分化期是光周
期敏感的一个关键时期。薛玺等〔3〕研究了 G 、SV 、D2 、M0 型细胞质与核基因组及其染色体的
关系 ,看到了 D2型细胞质的中国春小麦与八倍体小黑麦(AABBDDRR)、八倍体小偃麦核代
替 ,在哈尔滨地区夏季 15小时以上光照条件下 ,表现为雄性不育 ,而在哈尔滨地区冬季温室中
(不补充光照)为正常可育 ,同时也获得了 D2型细胞质不育的恢复系。
人们在研究 D2 型光敏细胞质雄性不育的同时 ,发现了普通小麦品系(Chinese Spring 和
Norin 61)等品种对 Ae.crassa细胞质存在着育性恢复因子。Murai(1994)在研究中发现带有
Ae.crassa 细胞质的中国春小麦〔(C)-CS〕在长日照条件下(≥15小时)并不表现光敏性雄性
不育。进而也发现(C)-N26×CSF1 杂种在长日照条件下 ,显示出相当高的育性 ,表明 Chi-
nese Spring 带有抗 Ae.crassa 细胞质雄性不育的显性 Rf基因 。同时又观察了(C)-N26×CS
的F 2代的育性分离比 ,结果是在长日照条件下 ,可育植株:不育植株=3:1 ,这表明 Chinese
Spring 的育性恢复主要是由单一显性基因所控制 。而且在长日照条件下(C)-N26×CSF2 代
自交种子育性与(C)-CS 、(C)-N26 ×CSF1 自交种子育性相比 ,分布范围较广(15%—
80%),表明有许多修饰基因参与 Chinese Spring 的育性恢复。Murai(1994)〔8〕根据端体分析
的结果 ,把 Chinese Spring 的 RF 基因定位在染色体 7B长臂上 ,命名为 Rfd1 。这也是小麦中发
现的第一个与 PCMS育性有关的基因 。薛玺等(1995)〔3〕报道过 ,将中国春 1D缺体 1A四体与
Ae.crassa 中国春杂交F 1结实率低于其它类型 ,推测可能在 1D上存在D2 型细胞质雄性不育
的恢复基因 。在小麦雄性不育育性恢复系统中 ,象这种由一个主基因和许多修饰基因控制育
性的现象是非常普遍的〔5、16〕 。
村井耕二(1992)〔7〕又对 Norin61的育性恢复因子进行了遗传分析 ,结果表明 Norin61的
育性恢复作用与 Chinese Spring 的不同。认为 Norin61是受多数的不完全显性基因所支配 ,单
体分析结果认为位于 4A 、1D 、3D 、5D 、7D 染色体上的育性恢复因子作用力强 ,而 7A 、1B 、2B 、
4B 、4D染色体上的恢复因子作用力弱 。对杂交小麦的育性恢复系统全部导入这些育性恢复因
子是困难的 ,但是 ,来自 Norin61 的几个日本小麦品种被认为存在着和 Norin61一样的育性恢
复因子。从这些品种中育成实用的育性恢复系统是有希望的。
小麦通常被分类为数量性长日照植物 , 在长日照条件下将加速开花(Vince et.
Prue1975)〔19〕 。然而 ,也发现了对长日照不敏感的栽培品种 ,Welsh(1973)〔20〕Lsw(1978)〔4〕对
控制小麦光周期反应的基因进行了深入的研究 ,并将这类基因定位于 2D 、2B和 2A 上分别命
名为 Ppd1 、Ppd2 、Ppd3。显然由这些基因控制的小麦光周期反应与 Chinese Spring 中 7B 上的
Rfd1 基因引起的育性恢复扮演不同的角色。Murai(1994)〔8〕实验中表明在 Chinese Spring 中
参与育性恢复的修饰基因为同源群中的第 2染色体。这说明同源群中第 2染色体与育性恢复
有关 。
Jsuji和 Murata(1976)实验发现带有 Ae .crassa 细胞质的 Chinese Spring 端体-2DL 和-
170 植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　17 卷
7DS表现出雄性不育 ,并且雄蕊心皮化 。进而 Murai和 Tsunew aki(1993)〔16〕证明了(C)-26
的光敏性细胞质雄性不育是由雄蕊心皮化的高发生率而引起的 。根据这些观察结果 Murai
(1994)〔12〕提出至少在 Chinese Spring 的两条染色体臂上 2DS 和 7DL 上的修饰基因 ,抑制了
Ae.crassa 细胞质引起的雄蕊心皮化。
实验已证明了 PCM S是由 Ae.crassa细胞质和日本普通小麦栽培品种Norin26的核基因
相互作用引起的 。为了检测其它日本小麦品种的核基因和 Ae.crassa 细胞质的相互作用 ,
Murai.等(1995)〔11〕利用多次回交将 Ae.crassa细胞质引入 17种日本小麦栽培品种 。在这些
核置换系统中有 9种表现 Ae.crassa细胞质引起的 PCM S ,而另外 8种不表现 PCMS ,同时也
证明了这 8种核置换系统的核基因组中带有抗 Ae.crassa的育性恢复基因 。
形态学和组织学研究表明〔9〕 ,具有 Ae.crassa 细胞质的 Norin26在长日照条件下表现雄
蕊雌化 ,表面上看就象正常的雌蕊 ,然而它们只有一个柱头 ,横切面揭示雌化的雄蕊有一个类
似胚珠状的结构代替了毡绒层细胞和花粉粒 。扫描电镜观察也得到了同样的结果。
对D2型 PCMS 的分子生物学研究 ,日本学者做了较多的工作。主要是以研究线粒体
DNA为主。获原保成(1993)〔13〕对不同核背景下的具有 Ae.crassa 型细胞质的小麦及相应同
核保持系的线粒体 DNA ,进行了 RFLP分析 ,试图找到与 PCM S相联系的线粒体 DNA 。该实
验仅用了三个探针即 cox Ⅰ 、coxⅡ和 cob ,谱带分析结果:没有发现核置换系统之间存在差异 ,
也没有看到育性恢复基因的有无和由于恢复突变而造成线粒体 DNA 的差异 ,但检测出核置
换系统与正常系统有差别 ,即普通小麦和 Ae.crassa 细胞质小麦 cox Ⅰ基因杂交片段不同 。
说明线粒体 DNA组成不同。
村井耕二(1993)〔6〕为了解 PCM S 的机制 ,用 EMS(乙基甲烷磺酸盐)处理(C)-N26种
子 ,制成不显示 PCMS的育性恢复突变系统(FR-mutant),并对之进行遗传分析 ,首先抽提
N26 、(C)-N26和 FR-mutant的线粒体 DNA ,用 BamH Ⅰ酶切 ,再用 7 种线粒体基因做探
针 ,进行 Southern杂交 。结果表明:(C)-N26和 FR-mutant两品种的限制性核酸内切酶片
段及杂交片段没有差异。因此 ,确认在 FR-mutant中不发生线粒体 DNA 变异。而 N26和
(C)-N26或 FR-mutant品种间除 coxⅡ基因外 ,其他 6种探针的杂交片段均有差异 ,在 N26
中 , atp6基因有 4条带 ,而 cob基因有 5条带 ,在(C)-N26和 FR-mutant中 atp6基因有 5条
带。这一结果说明核置换系统与正常系统的线粒体 DNA 存在着差异并且与育性有关。
获原保成(1995)〔14〕又做了进一步的分析 ,对 6种核置系统和 5种日本普通小麦 ,抽提总
DNA ,用 4种限制性核酸内切酶酶切 ,12种线粒体 DNA 的基因为探针进行 Southern 杂交 ,结
果表明:Ae.crassa 型与 T .aestivum 型有许多不同的带 ,说明 Ae.crassa 型与 T .aestivum
型在系统间产生了变异。在核置换系统的 6 个品系中 ,也存在着结构不同的基因。尤其是
(C)-N26 、FR-mutant与其他核置换系统不同 ,对二者的线粒体 DNA 进行了 RFLP 分析 ,能
检测出二者的差异。这个结果说明了存在能使线粒体 DNA变异的核基因。这个核基因可能
与 PCM S有关。
获原保成(1995)〔13〕在对(C)-N26 、(C)-CS 、(C)-N61和 FR-mutant 的 RFLP 分析中
又发现(C)-N61 、(C)-N26或 RF-mutant与(C)-CS 在与 coxⅢ基因处呈不同杂交带谱。
为了详细分析 cox Ⅲ基因区域 ,二见和伸等(1995)绘制了 N26和(C)-N26 的 cox Ⅲ基因
附近的限制性内切酶图谱 。(图 2)N26图谱与(Kuck.et 1993)报道的一致 ,在 coxⅢ基因下游
存在 atp6基因 ,而(C)-N26在 coxⅢ基因上游较保守与 N26相同 ,下游结构则与 N26不同 ,
1712 期　　　　　　　　姜　静等:小麦 D2 型光敏性细胞质雄性不育的研究进展
推测与 N26相同区域大约在 3Kbp左右 。这种差异与 PCMS 的关系有待于进一步研究 。
图 2　N26 和(C)-N26 在 cox Ⅲ基因附近的限制性内切
酶图谱
Fig.2　Organiza tion of the cox Ⅲ region in No rin 26 and
(Cr)-N26 mt DNAS
H;HindⅢ　X;XhoⅠ 　B;BamHⅠ 　G;BglⅡ
迁完二〔17〕研究了不同核背景下具 Ae.
crassa细胞质的线粒体 DNA 的转录产物 ,
所用的材料为(C)-N26 、(C)-CS 、(C)-
N61和 FR-mutant及它们的同核保持系 。
分离线粒体 DNA ,抽提转录 RNA ,10种线
粒体 DNA为探针 ,分析转录片段。结果表
明:在核置换系统和正常系统中转录图型
不同的是 o rf25 , 由此推测 orf25 可能与
PCM S现象有关。
我们实验室应用单向 SDS —PAGE 技
术 ,对(C)-N26(不育)与(C)352-35(不
育)小麦和相应的同质系小麦的叶绿体可
溶性蛋白 、线粒体可溶性蛋白和细胞质可溶性蛋白多肽进行比较分析 ,结果表明 ,在短光照条
件下(≤14.5小时),D2 型细胞质小麦和同质系小麦(普通小麦 B 型细胞质 ,核基因组相同)的
细胞质可溶性蛋白 、线粒体可溶性蛋白和叶绿体可溶性蛋白多肽的 SDS-PAGE图谱无差异 。
而D2 型细胞质小麦在长光照和短光照条件下 SDS-PAGE 图谱存在明显的差异。这种差异
总趋势是蛋白多肽减少。故推测小麦 D2型光敏细胞质雄性不育系 ,在长光照条件下 ,雄蕊雌
化与不育表型的表达可能与核基因 、线粒体基因和叶绿体基因的表达阻遏调控有关 。
光敏性细胞质雄性不育是一个非常复杂的生物遗传现象 ,所得出的一些结论 ,都是由比
较 、推论而来的 ,随着生物技术的迅速发展和应用 ,从形态 、生理 、蛋白质和 DNA 分子等不同
角度来综合研究 ,才能最终揭示细胞质雄性不育的遗传机制 。
参　　考　　文　　献
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