全 文 ：武汉植物学研究 2007，25(3)：313～315
Journal of Wuhan Botanical Research
马协型水稻细胞质雄性不育系线粒体
基因组的变异与功能的研究
张 鸿，陈祖玉，李阳生，朱英国’
(武汉大学生命科学学院，植物发育生物学教育部重点实验室，武汉 430072)
摘 要：马协型水稻细胞质雄性不育系是近年培育并广泛应用的一种新型不育系。利用 Southern blot、Northern blot
和 Blue．native PAGE电泳等技术对其线粒体基因组的变异和功能进行研究 ，分析其雄性不育的分子机理。发现其
不育系线粒体基因组中除有一个正常的cox2基因外还存在一个多余的拷贝，且分别转录成不同的转录本。Blue-
native PAGE电泳显示，不育系线粒体呼吸链复合物IV的活性明显低于保持系。
关键词：水稻；细胞质雄性不育；细胞色素 e氧化酶
中图分类号：Q943；s511 文献标识码：A 文章编号：1000-470X(2007)03-0313-03
The M itochondria Genomic M utation and Function in the Cytoplasmic
M ale Sterile Line of Maxie础ce
ZHANG Hong，CHEN Zu-Yu，LI Yang-Sheng，ZHU Ying-Guo’
(Key Laboratory ofMOEfor Plant Developmental Biology，Colege ofLife Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China)
Abstract：Maxie is a newly inbreeded cytoplasmic male sterile(CMS)systems in rice(Oryza sativa
L．)．Our experiments showed that there existed an extra copy of cox2 gene in the CMS line except for the
normal one．The two copies transcribed into diferent transcripts．In-gel activity assay showed that the mi．
tochondria complex IV presented signifcan t reduction in activity compared with the fertile line．
Key words：Rice(Oryza sativa L．)；Cytoplasmic male sterile(CMS)；Cytochrome C oxidase
植物细胞质雄性不育(CMS)是 自然界一种普
遍存在的现象，属母系遗传。大量研究证明 CMS与
线粒体基因组突变导致的线粒体的功能异常有关。
细胞质雄性不育植物的育性可由核恢复基因恢复，
自然群落中，CMS系与携带恢复基因的恢复系杂
交，其 F 代育性恢复正常，这是作物杂种优势利用
的基础。通常 CMS与线粒体基因组内的嵌合基因
有关。如 T-u,fl3在玉米 T型不育系中编码一个
13 kD的线粒体内膜孔蛋白，在花药发育时导致雄配
子的败育⋯。刘耀光等对包台型水稻 CMS的研究
证实，CMS相关位点 oe79编码一个毒蛋白，当保持
系植株的线粒体导人这个蛋白后花粉败育。而在恢
复基因存在的情况下，这个蛋白被降解 J。在一些
物种中，线粒体异常更直接与线粒体内呼吸链相关
基因的异常表达有关。如高粱 CMS系中 at# 转录
本的编辑比可育系显著减少 】。呼吸链包括5个复
合物，被分为电子传递链 (复合物 I一Ⅳ)，以及
ATP合成酶(复合物V) 】。多数情况下，CMS与这
些复合物亚基基因的异常有关 】。
马协型水稻是近年来我国南方广泛应用的一种
细胞质雄性不育系。花粉败育开始于单核早期。关
和新等 对花药超微结构的观察发现单核期不育
花药绒毡层提前解体。但不育的分子机理目前尚未
见报道。我们比较了马协型不育系和保持系线粒体
在 DNA、RNA及蛋白质水平上的差异 ，提出了关于
马协型细胞质雄性不育机理的一种假设。
1 材料与方法
1．1 材料
马协型水稻(Oryza sativa L．)不育系 MA，保持
系 MB黄化苗。
1．2 线粒体分离
根据 Heazlewood等 的方法，经差速离心获得
线粒体。
收稿 日期：2006—10-24，修回日期：2007—02．08。
作者简介 ：张鸿(1969一)，女，博士，主要从事植物发育遗传研究。
· 通讯作者(Authorfor corespondence．E—mail：zhuyg@publie．wh．1ab．cn)。
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第3期 张 鸿等：马协型水稻细胞质雄性不育系线粒体基因组的变异与功能的研究 315
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图 4 测定 复合物 I、IV的活 性
Fig．4 Quantification of histochemlcal reactions with
respiratory complex activities
3 讨论
真核细胞中线粒体的主要功能是通过氧化磷酸
化过程产能，即电子经呼吸链传递的同时，可将质子
从线粒体内膜内侧泵到外侧，质子跨膜传递产生的
电化学梯度推动ATP的合成u引。因为氧化磷酸化
提供了细胞所需的大部分 ATP，所以呼吸链的改变
会对组织的供能产生影响。
已有的研究表明，复合物Ⅳ的突变与某些植物
的雄性不育相关。如在小麦中，coxl转录本的减少
可导致生长缓慢及不育u引。野生甜菜 G型不育系
中，COX2缺失一段保守的8氨基酸序列，并导致复
合物Ⅳ的活性降低 50％【】引。细胞色素 c氧化酶是
电子传递链的末端酶，催化电子从细胞色素 c到分
子氧的传递，并与质子从线粒体基质泵出偶连。
COX1和 COX2构成酶的催化位点，是氧化还原反
应和质子传递的场所【】引。根据对牛细胞色素 c氧
化酶的晶体衍射分析，COX2的 c端位于线粒体内
外膜之间，是细胞色素 c结合及电子传递 的部
位【】6． ¨ 。因此 COX2构象的改变可能导致与细胞
色素 c作用力的变化，使电子传递受阻。减数分裂
期间及分裂后，绒毡层及小孢子中线粒体数量可增
加数倍之多，线粒体基因表达量也大幅升高u引。说
明小孢子发生需要大量能量。这也可以解释为什么
CMS植物中线粒体基因组的突变可导致雄性不育
而营养生长及雌配子的发生不受影响。目前，一种
被普遍接受的假说认为：在不育系中，花粉发育过程
中对能量的高需求因为氧化磷酸化过程受到干扰而
不能满足，因此导致花粉败育。电子传递链复合物
亚基的突变可能影响氧化磷酸化。马协不育系中存
在一个异常的 cox2基因，这个基因可能含有部分
cox2序列，它的表达产物在结构上与 COX2蛋白相
似，在复合物Ⅳ装配过程中这个异常蛋白与正常的
COX2竞争，导致催化位点的改变，影响电子的传递
和能量的产生，最后导致花粉败育。抑或是这个基
因产物的存在干扰了复合物Ⅳ亚基间的相互作用，
也可能干扰了某些分子伴侣的作用，进而影响复合
物Ⅳ的结构与功能。
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