全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(4): 662−671 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由重庆市“十一五”科技攻关项目(CSTC2007AC1038)和西南大学博士基金项目(99945-932001)资助。
第一作者联系方式: E-mail: jkzhang@swu.edu.cn
Received(收稿日期): 2008-07-16; Accepted(接受日期): 2008-10-05.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00662
温光敏核不育小麦 C412S的育性转换及其 APRT基因的表达
张建奎 1 董 静 1,2 宗学凤 1 余国东 3 戴秀梅 1 阮仁武 1
1西南大学农学与生物科技学院 / 农业部生物技术与作物品质改良重点开放实验室, 重庆 400715; 2湖北省农业科学院, 湖北武汉
430064; 3重庆市农业科学院, 重庆 402160
摘 要: 以选育的小麦(Triticum aestivum L.)温光敏核不育系 C412S为试材, 以 C412S回交转育时的受体亲本 C412
为常规品系对照, 通过分期播种试验研究了其育性转换特性。用涂抹压片法观察减数分裂和小孢子发育进程, 用半定
量 RT-PCR 技术分析不育与可育条件下不同发育时期的幼穗中腺嘌呤磷酸核糖基转移酶基因(APRT)的表达水平。结
果表明, 通过调整播种期改变雄性发育的温光条件, C412S表现出完全不育—高不育—半不育—正常可育的育性转换
特性。C412S 花粉败育的高峰在单核小孢子晚期, 主要表现圆败型不育。C412S 的育性敏感期是从花粉母细胞形成
期到成熟花粉期, 其中最敏感的时段是花粉母细胞形成期到减数分裂期。与对照相比, C412S 的 APRT1 基因序列有
个别碱基变异 , 但编码氨基酸序列没有变化。在花粉母细胞形成期至单核期 , 与晚播可育条件相比 , 早播不育的
C412S幼穗中 APRT基因转录水平下调, 因此认为, 其育性转换与幼穗中 APRT基因转录水平有一定关系。
关键词: 小麦(Triticum aestivum L.); 温光敏细胞核雄性不育性(TGMS); 育性转换; 败育; APRT基因
Fertility Alternation of Thermo-photo-sensitive Genic Male Sterile Wheat Line
C412S and Expression of Fertility Related APRT Gene
ZHANG Jian-Kui1, DONG Jing1,2, ZONG Xue-Feng1, YU Guo-Dong3, DAI Xiu-Mei1, and RUAN Ren-Wu1
1 College of Agronomy and Biotechnology / Key Laboratory of Biotechnology and Crop Quality Improvement, Ministry of Agriculture, Southwest
University, Chongqing 400716, China; 2 Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China; 3 Chongqing Academy of Agricultural
Sciences, Chongqing 402160, China
Abstract: C412S is a novel type of thermo-photo-sensitive genic male sterile (TGMS) wheat line of (Triticum aestivum L.), which
is derived from the cross between TGMS line C49S and normal wheat line C412. To understand the fertility alternation of C412S,
the courses of pollen mother cell (PMC) meiosis and microsporogenesis were observed using smear and squash microscopic tech-
niques. Moreover, the expression characteristics of adenine phosphoribosyl-transferase gene (APRT) in young spikes were de-
tected under sterile and fertile conditions using quantitative RT-PCR. When adjusting the environmental temperature and photope-
riod at the formation and development stages of male sexual cell through series seeding dates, C412S showed continuous changes
of fertility from complete sterility to high sterility, semi-sterility, low sterility, and normal fertility. C412S in normal PMC meiosis,
however, showed a peak pollen abortion at later mononucleate stage of microsporogenesis, which mostly belonged to spherical
abortion type. From PMC formation stage to mature pollen stage, C412S was sensitive in fertility, especially from PMC formation
stage to PMC meiosis stage. Compared with C412 (control), C412S only had several base variations in a few loci of APRT1 gene,
and the deducted amino acid sequences of C412S and C412 were completely identical. The RT-PCR analysis showed that the
transcription level of APRT gene in the young spikes of sterile C412S plants was lower than that of fertile C412S plants from
PMC formation stage to mono-nucleate microspore stage. Therefore, the transcription level of APRT gene in young spikes is
probably related to the fertility alternation in TGMS wheat.
Keywords: Wheat (Triticum aestivum L.); Thermo-photo-sensitive genic male sterility (TGMS); Fertility alternation; Abortion;
APRT Gene
国内外已成功选育了多个具有实用价值的小麦
(Triticum aestivum L.)生态遗传型雄性不育系, 有些
属于细胞质-细胞核互作不育类型(简称为细胞质不
育类型)[1-3], 有些属于细胞核不育类型[4-10], 已对其
中部分材料的不育基因进行了分子标记或定位[8-11],
为小麦两系法杂种优势利用奠定了基础。谭昌华等[5]
第 4期 张建奎等: 温光敏核不育小麦 C412S的育性转换及其 APRT基因的表达 663


选育的温光敏细胞核雄不育小麦 C49S 在低温短日
照下不育, 高温长日照下可育, 不育性由 2 对主效隐
性基因和一些微效修饰基因控制。由 C49S及其衍生
不育系选配的强优势两系杂交小麦绵阳 32 (C49S-
89/J17)于 2002年通过国家品种审定, 云杂 3号(C49S-
87/98YR5)、云杂 5号(K78S/01Y1-1069)和云杂 6号
(K78S/01Y1-608)分别于 2003年、2004年和 2006年
通过云南省品种认定[6]。重庆市农业科学院以 C49S
为不育基因的供体亲本, 通过与常规小麦品系 C412
进行杂交、回交、自交和单株选择等方式育成了新
温光敏细胞核雄性不育系 C412S, 不仅具有育性转
换特性, 而且在抗病性、配合力、农艺性状等方面
都有明显提高。新转育不育系的育性转换特征是有
可能发生改变的, 例如, 以 C49S为不育基因的供体
与常规小麦高代稳定品系 96B2138 杂交选育的
K78S的育性转换特征与原不育系 C49S相比发生了
很大改变, 不育临界温度提高 2.1℃, 临界光长延长
0.93 h[6]; 再如, 曾采用人工控制的系列温度条件作
为选择压力, 从水稻培矮 64S-5 株系中育成一套不
育临界温度分别为 23℃、24℃、26℃和 28℃的培矮
64S近等基因系[12]。目前对 C412S的育性转换条件、
花粉败育的细胞学特征等还不清楚。
对小麦生态遗传型雄性不育系育性转换机制的
研究, 不仅会对其杂种优势利用产生促进作用, 而
且还对揭示植物发育和生殖调控机制具有重要意
义。国内外关于 D2型光敏细胞质雄性不育[13-15]、YS
型温敏细胞质雄性不育 [16-18]、细胞核雄性不育 [7,19]
的分子机制有一些报道。腺嘌呤磷酸核糖基转移酶
(adenine phosphoribosyl-transferase, APRT, EC 2.4.2.7)
是植物利用补救代谢途径催化腺嘌呤碱基转化为
AMP 的关键酶, 还与细胞分裂素代谢有关[20], 在生
长发育旺盛的器官如幼穗雄性发育中具有重要意
义。Gaillard等[21]发现, 在拟南芥中编码 APRT的基
因发生突变导致植株雄性不育。Li 等 [22]和梁春阳
等[23]发现, 水稻籼型温敏核不育系安农 S-1 幼穗中
APRT 基因的表达在高温不育环境中大幅度下调 ,
而在叶和根中的变化比较小。在小麦中, Moffatt等[24]
和 Xing等[25]分别克隆了一条 APRT基因, 即 APRT1
和 APRT2。Xing等[25]通过分析温敏核不育小麦BNY-
S中 APRT2的变化, 认为 BNY-S育性转换与 APRT2
基因之间有一定关系。
关于温光敏细胞核雄性不育小麦 C412S花粉败
育和育性转换的特点、APRT1 基因与小麦雄性不育
之间是否有关系、APRT2 基因在温光敏核不育小麦
中的表达情况等, 还未见报道。本文研究了 C412S
的育性转换及其在不育和可育条件下 APRT 基因的
表达变化, 以期为 C412S 的杂优组合配制、杂交制
种和不育系繁殖提供依据, 为揭示小麦温光敏不育
系的育性转换机制提供有价值的信息。
1 材料与方法
1.1 材料及其播种期
小麦温光敏细胞核雄性不育系 C412S, 以其育
性受体亲本、常规小麦品系 C412作为对照材料。该
类不育系可在不同播种期条件下表现不同的育性状
态, 早播种时常表现为不育, 晚播种时常表现为可
育[26-28]。
2005—2007 年, 在重庆北碚西南大学试验农场
对 C412S 和 C412 进行田间分期播种, 从 10 月 26
日开始播种第 1期, 以后每间隔 5 d播一期, 直至 12
月 10 日, 共设 10 个播种期。每播期在拔节前后选
生长整齐一致的 50株主茎挂牌标记。
小麦发育期间当年、当地的温度资料由重庆市
气象局提供, 日长资料是根据试验点的纬度值查表
获得的。
1.2 发育时期鉴定与幼穗材料取样
从药隔形成期开始, 每隔 1 d 做形态学和细胞
学鉴定, 用中部小穗的 1、2位小花进行花药制片鉴
定雄性细胞发育时期, 并记录植株的叶枕距、叶龄、
穗长等外部形态指标, 根据花药制片和植株外部形
态指标综合判断材料的发育时期, 跟踪幼穗发育进
程。分别在花粉母细胞形成期、减数分裂期、单核
期, 在冰上迅速剥取挂牌主茎穗的幼穗, 液氮速冻,
−70℃保存, 用于抽提 RNA。
1.3 育性鉴定
在花药发育成熟后 , 采集主茎穗的中部小穗 ,
分离花粉粒, 用 I2-KI 染色, 显微镜观察、鉴定, 把
染色后的花粉粒分成典败型、圆败型、染败型和正
常可育型; 每播期统计不少于 10穗的 1 000个花粉
粒, 计算不育花粉率和可育花粉率。
开花前套袋挂牌标记 10个自交主茎穗, 种子成
熟后调查其自交结实情况。自交结实率(国内法)=[有
效小穗基部两朵小花的结实数 /(有效小穗数×2)]
×100%。
数据的统计分析和逐步回归分析采用 Microsoft
Excel和 DPS软件。
664 作 物 学 报 第 35卷

1.4 减数分裂和小孢子发育过程观察
从花粉母细胞形成期至开花期, 每隔 1 d 取供
试材料各 8穗, 用卡诺氏液固定 12 h后转入 70%酒
精中, 于 4℃下保存。用常规涂抹压片和改良卡宝品
红或醋酸洋红染色法观察花粉母细胞减数分裂, 用
铁矾苏木精染色法观察小孢子发育。
1.5 小麦总 RNA提取及其 cDNA合成
根据育性鉴定与发育时期鉴定结果, 选取 10个
播期中 C412S 分别表现完全不育和高度可育, 而且
播种日期间隔天数最接近的 2 个播期, 用分别处于
花粉母细胞形成期、减数分裂期和单核期的 C412S
和 C412 的保存幼穗抽提 RNA。用上海华舜生物工
程公司的小量植物组织 RNA 抽提试剂盒提取小麦
总 RNA。用 DNase I酶(TaKaRa)除去 RNA中的基因
组 DNA。用 cDNA Synthesis Kit (M-MLV version,
TaKaRa)合成 cDNA, 具体操作参照使用说明书。
1.6 APRT1和 APRT2基因的半定量 RT-PCR扩
增
用小麦泛素 (ubiquitin)基因 (Ubi-1)作为内标进
行 RT-PCR 扩增 , 其扩增引物序列为 Ubi-1L(5′-
GCATGCAGATATTTGTGAA-3′); Ubi-1R (5′-GGA
GCTTACTGGCCAC-3′)。PCR 扩增体系 20 μL, 含
10× buffer 2 μL, 25 mmol L−1 Mg2+ 1.2 μL, 2.5 mmol
L−1 dNTP 1.6 μL, 10 μmol L−1 正向和反向引物各
1 μL, 5 U μL−1 Taq DNA聚合酶 0.4 μL, 模板 cDNA
1 μL, ddH2O 11.8 μL。扩增程序为 94℃预变性 5 min;
94℃变性 30 s, 55℃退火 30 s, 72℃延伸 1 min; 最后
72℃延伸 5 min, 4℃保存扩增产物。扩增产物经电泳
后进行凝胶成像系统扫描分析, 选择使所有样品的
Ubi-1 基因的 RT-PCR 扩增都在相同水平上的模板
cDNA 浓度, 选择使扩增产物在琼脂糖凝胶上既清
晰可见又在平台期前的线性扩增范围的循环数, 最
终确定为 28个循环。
用上述经过均一化的样品模板 cDNA 进行
APRT1和 APRT2基因的RT-PCR分析。根据GenBank
中 APRT1(登录号为 U22442)和 APRT2(登录号为
AY255503)的 cDNA序列设计引物, APRT1-L为 5′-
CCGGAGGCGTGCGGCTTC-3′, APRT1-R为 5′-CAG
TACAGACTATCATCCTTCATTGACATG-3′; APRT2-
L 为 5′-AAGCAACATTAACTCACTTGTTGAG-3′,
APRT2-R 为 5′-CGAGACAATGGAATAAACTAATG
TTG-3′,预测扩增全长 cDNA长度, APRT1为 845 bp,
APRT2为 1 097 bp。APRT1和 APRT2基因的 RT-PCR
扩增体系同 Ubi-1。分别设置循环数梯度进行 APRT1
和 APRT2 基因的 RT-PCR 预扩增, 使扩增产物在琼
脂糖凝胶上既清晰可见又在平台期前的线性扩增范
围。最终确定的扩增程序为 94 5 min; 94 1 min, ℃ ℃
53.5℃(APRT1)或 53℃(APRT2) 1 min, 72 1 min, 33℃
个循环; 72 10 min℃ 。
1.7 APRT1基因的克隆与测序
扩增产物经 1.0%琼脂糖凝胶, 在 1×TAE buffer
下电泳, EB染色, 用 UVP-GDS-8000紫外透视成像
仪照相。从琼脂糖凝胶上切下预期 DNA片段, 用胶
回收试剂盒(华舜小量胶回收试剂盒)进行回收。将目
的片段与 pMD18-T载体(大连 TaKaRa生物工程有限
公司)连接, 转化 E. coli DH5α感受态大肠杆菌, 用
X-gal + IPTG+氨苄青霉素平板对克隆进行初步筛选,
挑取白色单菌落振荡培养, 经过 PCR 扩增鉴定阳性
克隆用于序列测定。由上海英骏生物技术公司测序。
在 NCBI网站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) Blast工
具及 Vector NTI Suite 9软件上分析序列。
2 结果与分析
2.1 温光敏核不育小麦 C412S的育性表现
温光敏核不育小麦 C412S随播种期的不同而发
生育性转换 , 早播时不育, 随着播种期的推迟 , 育
性逐渐升高, 恢复可育(图 1)。C412S在 10月 26日
播种, 可育花粉率为 0, 自交结实率为 0, 表现为完
全不育; 在 10月 31日播种, 可育花粉率仅 3.4%, 自
交结实率仅为 1.1%, 表现为高不育; 11月 5日和 11
月 10 日播种的可育花粉率分别为 34.9%和 36.3%,



图 1 温光敏核不育小麦 C412S和常规对照品系 C412在不同播
种期的育性表现
Fig. 1 Fertility of TGMS line C412S and its control line C412
under treatments with different sowing dates
第 4期 张建奎等: 温光敏核不育小麦 C412S的育性转换及其 APRT基因的表达 665


自交结实率分别为 16.6%和 17.4%, 表现为半不育;
11 月 20 日以后播种的可育花粉率升高到 70%以上,
最高达到 80%, 自交结实率升高到 50%以上, 最高
达到近 70%, 表现为可育。而 C412S 的回交转育亲
本、与其遗传关系较近的常规小麦品系 C412, 在不
同的播种期条件下, 其育性不发生改变, 在从 10 月
26日至 12月 10日的所有 10个播期中, 其可育花粉
率始终处于 80%以上、自交结实率处于 71.3%~
81.4%的高度可育状态。
2.2 温光敏核不育小麦 C412S 减数分裂和小孢
子发育进程观察
在晚播的可育条件下, 温光敏核不育小麦C412S
的减数分裂行为和小孢子发育正常, 与常规对照品
系 C412相同。在早播的不育条件下, C412S大部分
花粉母细胞的减数分裂行为正常, 能顺利形成正常
的四分体, 但有少数花粉母细胞的减数分裂中有染
色体落后、细胞核和细胞质分裂不均匀等异常现象。
四分体释放出小孢子后, 大部分的小孢子的细胞核
能定向移动到萌发孔对侧, 发育到单核靠边期, 但
此时也有少部分小孢子出现外形皱缩的异常现象。
此后, 小孢子发育就呈现停滞状态, 细胞质和核物
质逐渐解体, 不能被苏木精或碘液染色, 表现为败
育。发生败育的高峰在单核小孢子晚期, 败育类型
主要是花粉圆败型不育(图 2)。



图 2 温光敏核不育小麦 C412S(10月 26日播种)减数分裂和小孢子发育过程观察
Fig. 2 Meiosis and microspore development in TGMS wheat C412S sowing at Oct. 26
A: 终变期; B: 中期 I, 有落后染色体; C: 末期 II, 形成正常的四分体; D: 末期 II, 四分体出现异常; E: 小孢子变圆, 核位于中央, 部
分皱缩; F: 小孢子核居中或靠近萌发孔; G: 单核靠边期的小孢子, 核质稀少, 染色浅; H: 苏木精染色的花粉粒, 单核期圆败。
A: diakinesis stage; B: abnormality at metaphase I stage, showing the lagging chromosome; C: telophase II, showing normal tetrad; D: telo-
phase II, showing abnormal tetrad; E: circular microspore with central nucleus , some microspores are abnormally shrunk; F: microspore with
nucleus in the center or near the aperture; G: mono-nucleate microspore at late stage, showing the exiguous nuclear substance lightly dyed;
H: pollen dyed with Iron (II) sulfate-hematoxylin, showing spherical abortion at late mono-nucleate stage of microsporogenesis.

对 C412S的植株形态指标、生育期和内部发育
进程的对应关系分析表明, C412S在叶枕距−5 cm左
右、幼穗长度 5 cm左右、孕穗前 10~5 d处于花粉
母细胞形成期。叶枕距在−2~1 cm、幼穗长度 8 cm
左右、孕穗期前 5~0 d 主要处于减数分裂期。叶枕
距 5 cm左右、穗长 9 cm左右、孕穗后到抽穗基本
上处于小孢子发育期。
2.3 温光敏核不育小麦 C412S 的育性温光敏感
性分析
由于播种期不同, 小麦孕穗期、抽穗期和开花
期等主要生育期以及雄性细胞在发育过程中所处的
温光条件随之发生变化, 播种期相对较早的, 雄性
细胞发育处于低温短日照条件, 而播种期相对较晚
的, 雄性细胞发育处于高温长日照条件(表 1)。

666 作 物 学 报 第 35卷

表 1 各播种期处理的温光敏核不育小麦 C412S的生育期、温度、日长和育性
Table 1 Growth stage, average temperature, day length in sensitive period, and fertility of TGMS line C412S under
treatments with different sowing dates
生育阶段历经天数 Days of the growing stages (d)
播种期
Sowing date
(month/day)
播种—孕穗
Sowing to
booting
孕穗—抽穗
Booting to
heading
抽穗—开花
Heading to
flowering
育性敏感期平均温度
Average temperature in
sensitive period ( )℃
育性敏感期平均日长
Average day-length in
sensitive period (h)
育性类型
Fertility type
10/26 128 11 11 12.33 11.61 CS
10/31 125 10 11 12.40 11.64 HS
11/05 123 10 11 12.53 11.73 SS
11/10 120 10 11 12.95 11.79 SS
11/15 117 10 10 13.33 11.85 NF
11/20 114 10 9 13.66 11.94 NF
11/25 111 10 9 13.53 11.97 NF
11/30 108 9 9 13.53 12.01 NF
12/05 105 9 9 13.40 12.04 NF
12/10 101 9 9 13.15 12.10 NF
CS: 完全不育; HS: 高不育; SS: 半不育; NF: 可育。CS: complete sterility; HS: high sterility; SS: semi-sterility; NF: normal fertility.

在 C412S 抽穗前 20~0 d 范围内(包括花粉母细
胞形成期、减数分裂期、小孢子早期、小孢子中期、
小孢子后期等各个发育时段), 用 5~20 d滑动平均气
温对可育花粉率进行逐步回归分析, 所得回归方程
为 Y= −1432.43+21.92X1+22.34X2+6.75X3+60.68X4,
回归系数为 0.9763 (P < 0.01), 式中 X1、X2和 X3分
别为花粉母细胞形成期、减数分裂期和小孢子中期,
偏相关系数分别为 0.7779 (P < 0.01)、0.8196 (P <
0.01)和 0.5952 (P < 0.01), 减数分裂期的偏相关系数
最大; X4 表示花粉母细胞形成期至小孢子后期的发
育时段, 偏相关系数为 0.9431 (P < 0.01), 在所有入
选变量中最大, 即较长时段的回归显著性越大。表
明从花粉母细胞形成到小孢子发育的各个时段的温
度都对 C412S 的可育花粉率有较大作用, 且各个时
段的温度对育性的作用具有累加效应, 而其中对可
育花粉率贡献最大的时段是花粉母细胞形成期和减
数分裂期。C412S 在育性温度敏感期平均温度低于
12.40℃、平均日长小于 11.64 h的条件下表现不育,
在育性温度敏感期平均温度高于 13.33℃、平均日长
大于 11.85 h的条件下表现可育(表 1)。
2.4 温光敏核不育小麦 C412S APRT1基因的半
定量 RT-PCR分析
对播期为 10月 26日(完全不育)和 11月 20日(正
常可育)的 C412S的半定量 RT-PCR结果表明, 作为
内参照的 Ubi-1 基因在所有 8 个样品间的扩增水平
是完全相同的, 说明本试验中用于 APRT1 基因表达
分析的 8个 cDNA样品的浓度和扩增效率是相同的;
而 APRT1的扩增水平在 C412S的不育株和可育株间
有差异, 可育株在花粉母细胞时期、减数分裂期、
单核早期和单核中晚期的扩增水平都要高于不育株
(图 3)。由于用于扩增的 cDNA样品的浓度和扩增效
率是相同的, 因此, APRT1 基因扩增水平的差异主
要是 APRT1 的转录水平差异造成的, 说明在早播低
温短日照的不育条件下, C412S在花粉母细胞时期、
减数分裂期、单核早期和单核中晚期的 APRT1基因
的转录水平, 要比其在晚播高温长日照的可育条件
下的低。



图 3 温光敏核不育小麦 C412S的早播不育植株(S)和晚播可育
植株(F)幼穗中 APRT1基因的半定量 RT-PCR分析
Fig. 3 Semiquantitative RT-PCR analysis of APRT1 in sterile
young spikes (S) and fertile young spikes (F) of TGMS line
C412S at different developmental stages
1: 花粉母细胞形成期; 2: 减数分裂期; 3: 单核早期;
4: 单核中晚期。
1: pollen mother cell; 2: meiosis; 3: early mononucleate microspore;
4: late mononucleate microspore.

对相同播种期的对照品系 C412 进行减数分裂
期和单核期 APRT1 RT-PCR扩增, 结果表明, APRT1
基因的转录水平在不同播期间是相同的, 这与温光
敏核不育小麦 C412S的表现不同(图 4)。
第 4期 张建奎等: 温光敏核不育小麦 C412S的育性转换及其 APRT基因的表达 667




图 4 不同播期和发育时期对照品系C412幼穗中 APRT1基因的
半定量 RT-PCR分析
Fig. 4 Semiquantitative RT-PCR analysis of APRT1 in young
spikes of C412 (control) at different sowing dates and
developmental stages
M: DL 2000; 1: 10月 26日播种, 减数分裂期; 2: 10月 26日播种, 单
核期; 3: 11月 20日播种, 减数分裂期; 4: 11月 20日播种, 单核期。
M: DL 2000; 1: PMC meiosis stage, sown on Oct. 26; 2: mono-nucleate
microspore stage, sown on Oct. 26; 3: PMC meiosis stage, sown on
Nov. 20; 4: mono-nucleate microspore stage, sown on Nov. 20.

2.5 温光敏核不育小麦 C412S APRT2基因的半
定量 RT-PCR分析
10月 26日和 11月 20日播种的对照 C412在减
数分裂期和单核期, 幼穗 APRT2基因表达水平相同,
而 C412S的 APRT2基因的表达水平在两个播期间差
异明显, 早播低温短日照不育条件下, 减数分裂期
和单核期的 APRT2基因的表达水平都比晚播高温长
日照可育条件下的低(图 5), 与APRT1基因的表达规
律相似。



图 5 不同播期和发育时期 C412S和 C412幼穗中 APRT2基因
的半定量 PCR分析
Fig. 5 Semiquantitative RT-PCR analysis of APRT2 in young
spikes of C412S and C412 (control) at different sowing dates
and developmental stages
1: 10月 26日播种, 不育, 减数分裂期; 2: 10月 26日播种, 不育,
单核期; 3: 11月 20日播种, 可育, 减数分裂期; 4: 11月 20日播
种, 可育, 单核期; 5: 10月 26日播种, 可育, 减数分裂期; 6: 10
月 26日播种, 可育, 单核期; 7: 11月 20日播种, 可育, 减数分裂
期; 8: 11月 20日播种, 可育, 单核期。
1: PMC meiosis stage, sterility, sown on Oct. 26; 2: mono-nucleate
microspore stage, sterility, sown on Oct. 26; 3: PMC meiosis stage,
fertility, sown on Nov. 20; 4: mono-nucleate microspore stage,
fertility, sown on Nov. 20; 5: PMC meiosis stage, fertility, sown on
Oct. 26; 6: mono-nucleate microspore stage, fertility, sown on
Oct. 26; 7: PMC meiosis stage, fertility, sown on Nov. 20;
8: mono-nucleate microspore stage, fertility, sown on Nov. 20.
对照品系 C412的 APRT1和 APRT2基因的转录
水平和雄性育性都没有随着播种期及雄性细胞发育
期间温光条件的改变而改变, 而温光敏核不育小麦
C412S 在早播低温短日照的条件下的 APRT1 和
APRT2 基因的转录水平要比高温长日照条件下低,
其育性也表现为早播低温短日照条件下比晚播高温
长日照条件下低, 因此认为, 温光敏核不育小麦幼
穗中 APRT1 和 APRT2 基因的转录水平的变化与其
育性转换有一定关系。
2.6 温光敏核不育小麦 C412S APRT1 基因的序
列分析
比较本研究获得的 cDNA 序列和 GenBank 中
U22442序列, 在总长度为 845 bp的序列中, 从C412
幼穗克隆的 APRT1基因的 cDNA序列与 U22442序
列仅在第 44位碱基上有一个碱基的差异, 其他位置
的碱基完全相同; 从 C412S中克隆的 APRT1基因的
cDNA序列也与 U22442高度同源, 仅在个别位置的
碱基上存在差异, 序列一致性高达 97.5%。C412S中
APRT1基因的变异碱基位点主要分布在 3端UTR和
5端 UTR。对 3 条 cDNA 序列的编码氨基酸序列的
预测表明, 其 cDNA 序列编码的氨基酸序列无差异,
说明它们在蛋白水平上没有差异(图 6)。
3 讨论
温光敏细胞核雄性不育系 C49S 是从普通小麦/
二粒小麦(83-28-6/栽培二粒)杂交组合后代中选育出
来的[5], C412S是以 C49S为不育基因的供体亲本与
常规小麦品系 C412 通过两次回交再自交选择方式
转育的新不育系。比较本文和笔者先前的研究结果,
C412S 和 C49S 的育性敏感期都是从花粉母细胞形
成期到成熟花粉期, 但它们的最敏感时段有所不同,
C412S是花粉母细胞形成期和减数分裂期, 而 C49S
是减数分裂期和单核小孢子居中期 [26], C412S 比
C49S有所提前。分析其原因, 可能有以下几个方面,
C49S的温光敏不育性除主要受 2对主效基因控制外,
还有微效修饰基因在起作用 [5], 因此通过杂交或回
交转育新不育系时, 有可能会出现把主效育性基因
转移到, 而相关微效修饰基因没有转移到受体亲本
的情形 , 对育性表达产生影响; 同时 , 来自供体亲
本的主效不育基因与来自于受体亲本的该微效修饰
基因的等位基因之间可能存在互作, 对主效育性基
因的表达产生影响; 此外, 不育系的选择环境和选
择压力也会对育性温光反应特性产生影响。在小麦[6]
和水稻[12]上已有这方面的证据。因此, 在生产上应
668 作 物 学 报 第 35卷

用新转育的不育系进行杂交制种或亲本繁殖时, 不
能简单照搬原不育系的经验, 而应在分析其育性转
换特性的基础上 , 注意对播种日期等进行适当调
整。在重庆, C412S 在 10 月 31 日前播种(比当地正
常播种时间早 10 d 左右)为不育播期 , 不育度为
100%; 11月 20日以后(比当地正常播种时间晚 10 d
左右)为可育播期, 自交结实率可以达到 50%以上。
C412S 的育性转换稳定, 在抗病性、配合力、农艺
性状等方面都比 C49S 有所改良, 具有很高的实际
应用价值。
引起雄性不育的原因很复杂, 其中激素[27]、花
药保护酶[28]在温光敏细胞核雄性不育小麦的育性转
换中起重要作用。植物体旺盛的能量代谢是正常生
命活动的保证, 三磷酸腺苷酸(ATP)是细胞内各种物



图 6 从 C412S和 C412幼穗中克隆的 APRT1的 cDNA序列比较及其预测氨基酸
Fig. 6 Sequences of APRT1 cDNA derived from TGMS line C412S (APRT1-S) and control line C412 (APRT1-F) and their predicting
amino acid sequences
第 4期 张建奎等: 温光敏核不育小麦 C412S的育性转换及其 APRT基因的表达 669


质合成的直接能源, ATP水平低, 将影响各种生物大
分子的合成。能量代谢在花粉发育中扮演重要角色,
能量物质代谢正常与否与植物育性密切相关。多种
作物的花粉败育研究表明, 花药中 ATP 含量与育性
密切相关, 可育株的 ATP 含量比不育株高数倍, 而
且影响 ATP分解反应和转换速率的 ATP酶活性也以
可育株比不育株强[29]。在生物体内, ATP的合成主要
依赖于两条途径 , 即从头合成途径和嘌呤补救途
径。其中嘌呤补救途径有两个基本路线, 即腺嘌呤
直接转化为一磷酸腺苷酸(一步法); 腺嘌呤先转化
为腺苷酸, 再进行磷酸化。腺嘌呤磷酸核糖基转移
酶(APRT)是一步法中催化底物腺嘌呤碱基和磷酸核
糖焦磷酸(PRPP)转化为一磷酸腺苷酸(AMP)的关键
酶。通过体内标记实验, 证明植物体内一步催化是
补救途径的主要方式[20]。APRT 是补救途径中的关
键酶。与从头合成途径相比, 由于 APRT 能直接利
用细胞中的代谢产物腺嘌呤合成 AMP, 进一步转化
为 ATP 而显得更趋节能有效, 因而在生物体分化、
发育的最旺盛器官, 例如植物的花器官中, 这条途
径尤显得重要。在植物中, APRT基因以多基因家族
的形式存在。由于拟南芥基因组全序列的测序完成,
发现许多编码 APRT酶或类 APRT酶的不同 cDNAs
序列。拟南芥中的第一个 APRT 基因与因花粉败育
而引起的植物雄性不育有关, APRT1突变导致 APRT
酶活性的缺乏, 细胞分裂素水平下降, 出现花粉败
育, 植株矮小等现象[21,30]。拟南芥中的 APRT2 基因
比 APRT1 基因对细胞分裂素有更高的亲合力, 但是
在植物中表达强度弱于 APRT1, 而且有明显的花芽
表达专一性[31]。在大麦中, Southern分析表明在大麦
基因组中至少有两个基因编码 APRT[32]。在小麦中
已报道了 2条基因编码 APRT[24-25]。另外, 在番茄中
也存在不同形式的 APRT 基因[33]。但是目前大量编
码 APRT的 cDNA序列只是在 GenBank中进行了注
册, 还没有进行功能分析等进一步的深入研究。鉴
于 APRT 在维持细胞内 ATP 平衡中的作用, 所以
APRT 基因的突变或表达水平的异常也极可能通过
能量代谢途径的变化而与植物雄性不育相关。梁春
阳等[23]报道, 水稻籼型温敏核不育系安农 S-1 的幼
穗中 APRT基因在高温不育环境下调。Li等[22]报道,
与野生型相比, 水稻“安农 S-1”APRT 基因有 5 个单
核苷酸多态性(SNP)位点, APRT 基因在育性转换期
幼穗中表达变化可能与温敏核不育雄性不育表现型
具相关性。Xing 等 [25]研究表明, 温敏核不育小麦
BNY-S育性转换初期的幼穗中 APRT2基因转录产物
的丰度较不育处理前显著降低, 其他器官则没有明
显变化, 且 BNY-S的 APRT2基因有 12个 SNP位点,
其中 11 个 SNP 位于开放阅读框(ORF)区, 1 个位于
3-非翻译区。位于第 497位的碱基由 A替换成了 C,
导致编码氨基酸由天冬氨酸(Asn)转换成了苏氨酸
(Thr), 其他 ORF 区的 SNPs 没有影响到氨基酸的翻
译。天冬氨酸到苏氨酸的转换位于 APRT 酶的腺嘌
呤结合区的末端, 导致其二级结构在螺旋、延伸链
和环的位置和数量上发生了许多变化 , 可能影响
APRT酶对腺嘌呤和 PRPP的结合效率。本研究表明,
温光敏核不育小麦 C412S在早播低温短日照的不育
条件下, 花粉母细胞时期、减数分裂期、单核早期
和单核中晚期的 APRT1 和 APRT2 基因的转录水平
要比高温长日照的可育条件下下调。从温光敏核不
育小麦中克隆的 APRT1基因的 cDNA序列与从常规
小麦品系克隆的序列的一致性高达 97.5%, 而且
cDNA 序列的编码氨基酸序列完全相同。因此认为,
温光敏核不育小麦 C412S的育性转换可能与其幼穗
中 APRT基因的转录水平的变化有一定关系。
4 结论
通过调整播种期改变雄性细胞发育期间所处的
温光条件, 温光敏核不育小麦 C412S 表现出完全不
育—高不育—半不育—正常可育的育性转换特性 ,
可将其应用于不育系的杂交制种及自交繁殖。C412S
花粉母细胞减数分裂过程基本正常, 但当小孢子发
育到单核靠边期就停滞发育, 细胞质和核物质逐渐
解体, 出现败育高峰。花粉败育类型主要是圆败型
不育。C412S 的育性温光敏感期较长, 从花粉母细
胞形成期到成熟花粉期, 各个时段的温光对育性的
作用具有累加效应, 其中最敏感的时期是花粉母细
胞形成期和减数分裂期。C412S 的 APRT1 基因的
cDNA序列与对照 C412相比有个别碱基变异, 但编
码氨基酸序列没有变化。在花粉母细胞形成期至单
核期, C412S幼穗中 APRT1和 APRT2基因的转录水
平在早播低温短日不育条件下比在晚播高温长日可
育条件下下调, 表明其育性转换与幼穗中 APRT 基
因转录水平有一定关系。
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