全 文 ：芸薹属农作物核基因雄性不育研究进展
徐书法 , 冯 辉
(沈阳农业大学 园艺学院 ,辽宁 沈阳 110161)
摘要:综述了近年来芸薹属农作物核基因雄性不育材料的生理生化和分子生物学研究进展 , 并对今后的研究提出了建议 。
关键词:芸薹属;核基因雄性不育;生理生化;分子生物学
中图分类号:S565.4 文献标识码:A 文章编号:1000-1700(2003)02-0138-04
Physio-biochemistry and Molecular Biology of the Genetic Male Sterility in Brassica
XU Shu-fa , FENG Hui
(Shenyang Agricultural University , Shenyang 110161 , China)
Abstract:The research advances on the physio -biochemistry and molecular -biology of the genetic male sterility in Brassica were
summarized and the research direction was discussed.
Key words:Brassica;physio-biochemistry;molecularbiology
芸薹属农作物异花传粉 , 具有较强的杂种优势 , 雄性不育系的利用 , 是其较理想的杂交制种途径[1 ,2] 。
近年来 , 先后在甘蓝型油菜 、 大白菜 、甘蓝等芸薹属作物上育成了具有 100%不育度和 100%不育率的核基
因雄性不育系 , 结束了以往核不育材料只能以 “两用系” 方式利用的历史 , 许多学者还就核基因雄性不育性
的机理进行了探索 , 研究的领域涉及遗传学 、 细胞学 、 生理生化及分子生物学等多个方面 。本研究对近 10
年来芸薹属农作物核基因雄性不育的生理生化和分子生物学研究加以概述 。
1 芸薹属农作物细胞核雄性不育基因的来源
据 Kaul[46]报道 , 植物核基因雄性不育现象十分普遍 ,已经在 216个种和 17个种属杂种中发现了核不育现
象。1940年 ,盛永俊太郎首先发现了甘蓝型油菜(Brassica napus)Norin 3号核不育材料。印度新德里农业研究
所于 1947年发现了白菜型油菜(Brassiaca campestris)托里亚核不育材料[ 1 , 8] 。 Das等在 1961年首次发现油菜
细胞核雄性不育材料[ 29] 。20世纪 60年代 , 还发现了大白菜褐籽沙逊和黄色沙逊自然突变核不育材料[ 2 , 13] ;
70年代 ,甘蓝型油菜经射线诱导得到了核不育突变体[ 20 , 21] ,该突变体是在甘蓝型油菜中发现的天然的核不育
植株[ 20 ,31 , 32] ;80年代至 90年代 ,具有 100%不育株率的芸薹属作物核基因雄性不育系选育获得了成功[ 1 ,7 , 10 ,11 ,15 ,
16 ,20 ,21] , 这个时期是芸薹属作物核基因雄性不育遗传特性研究最热的时期 , 也正是核不育材料问世最多的一
个时期。李树林等首先在甘蓝型油菜上获得了具有 100%不育株率的核基因雄性不育系统 , 并配制新一代杂
种[16 ～ 18] 。张书芳等[ 11]和冯辉等[ 12 ～ 14] ,在大白菜上发现了类似的核基因雄性不育材料。方智远等在甘蓝上获得
了显性核不育材料[ 9] 。李石开等[ 8]发现了芥菜型油菜 (Brassica juncea)核不育材料。
从以往的研究结果看 , 芸薹属农作物核不育材料的不育性多数由隐性基因控制[ 9] , 只有少数属于显性核
不育 , 包括甘蓝型油菜 3份材料[ 9](李树林等 , 1985;董云麟等 , 1993;Mathias , 1985);甘蓝 3份材料[ 9](方智
远等 , 1997;Dunemann , 1991;Ruffio Chable 1993);大白菜 5份材料(沈阳农学院 , 1978;张书芳 , 1990;王
武萍等 , 1992;Van der Mear , 1987;冯辉 , 1996)。
芸薹属农作物核基因雄性不育材料主要来源于①自然繁殖群体中的自然突变株;②品种间 、 种间 、属间
杂交和回交转育得到的不育材料;③理化诱变获得的不育材料;④基因工程方法获得的核不育材料[ 3 ～ 6 ,9] 。
2 芸薹属农作物核基因雄性不育的生理生化研究
刘佩瑛等[ 4 ,24]对芥菜核基因雄性不育材料的氨基酸 、 同功酶进行分析 , 结果表明 , 芥菜不育材料的氨基
沈阳农业大学学报 , 2003-04 , 34(2):138-141
Journal of Shenyang Agricultural University , 2003-04 , 34(2):138-141
收稿日期:2003-03-26
基金项目:国家自然科学基金(30170641)和国家 “ 863” 计划(2001AA241126 , 2002207013-4)
作者简介:徐书法(1971-), 男 , 沈阳农业大学博士研究生 , 从事蔬菜作物遗传研究。
○文献综述 LITERATURE SUMMARY
酸含量明显低于相应的可育品系 , 而 PPO 、 SOD、 ETS等均高于对照。冯辉[ 2]对大白菜核基因雄性不育 “两
用系” 中的不育株与可育株的生理生化性状进行了比较研究 , 结果表明 , 不育株的花蕾代谢紊乱 , 不育株花
蕾还原糖 、 蛋白质 、 脯氨酸 、 甘氨酸 、亮氨酸 、异亮氨酸和氡氨酸含量均低于可育株。不育株花蕾呼吸强度
也较可育株低 , 不育株花蕾过氧化物酶同功酶谱带较同系可育株多 1 ～ 2条。蒋梁材[ 25]对甘蓝型油菜雄性不
育系与可育品系花蕾的 RNA 、 氨基酸含量进行分析 , 结果表明 , 雄性不育花蕾的 RNA含量在单核期后显著
低于相应的可育品系 , 雄性不育花蕾 RNA亏缺是不育的结果 , 雄性不育花蕾的脯氨酸含量随其发育而降
低 , 可育系与之相反 , 脯氨酸亏缺是不育的结果 , 雄性不育系花蕾丙氨酸的含量高于相应可育系 , 游离天门
冬氨酸含量在花粉母细胞减数分裂时低于相应可育系 , 在花粉三核期则与之相反。Foster[ 36]分析了磷脂成分
与小孢子发育的关系 , 认为花药特异基因 E2B所表达的蛋白质的 N-端是富含半胱氨酸的高度亲水的区域 ,
并与植物的磷脂转移蛋白高度同源 , 磷脂转移蛋白不存在或该蛋白不能转移的话 , 也会阻碍小孢发育 , 从而
不能产生花粉。总之 , 植物体内一系列酶促反应过程的方向和强度变化引起新陈代谢紊乱 , 最后导致淀粉 、
氨基酸 、蛋白质 、核酸等物质的合成减弱或停止 , 可能是导致雄蕊败育的重要原因[ 26 ,27 , 34 ,35 , 36 ,40 , 41] 。
3 芸薹属农作物核基因雄性不育的分子生物学研究
被子植物小孢子发生 、发育的一系列的过程与核基因有关[ 7 ,9 ,20 , 22 ,28 , 29 ,30 , 32 ,33 , 37] 。有些基因是花药特异性表
达的。这些基因发生变异 , 就可能引起小孢子发育障碍 , 从而导致雄性不育。花药特异基因的表达具有时空
性[ 38 , 39 ,40 , 41] 。Albani[ 38 , 39]等研究发现 , 甘蓝型油菜花药特异性表达基因呈族存在 , 一般由 10～ 15个密切相关
的基因组成 。Bp4含有一个基因家族的 3个成员 , 这个家族的基因是在小孢子发育早期表达 , 在花粉发育成
熟过程中显著降低 , 其中 1个基因(Bp4B)被认为是无功能的 。Bp19含有 1个基因 , 它在单核小孢子时开始
表达 , 并逐渐增强 , 在小孢子发育后期达到最高 , 在花粉成熟过程中显著降低 。Bp19与 Bp4A 、 Bp4C的基因
启动子具有 3 个同源序列 , 表明这些短的同源序列是小孢子特异表达的调控因素。Bp19基因表达时间性与
花粉内壁沉积的时间性非常一致 , 因此 , 认为花粉壁的内层很可能是 Bp19蛋白催化产物合成场所。Bp10含
有 1个基因 , 其表达始于小孢子发育早期 , 在双核期达到最高 , 在成熟花粉中显著降低 。用 Bp10的启动子
和 Gus基因构建嵌合基因转化烟草 , Gus基因在转基因烟草中的表达和 Bp10的表达一样 , 有一定的时间性
和区域性 , Bp10的编码蛋白与黄瓜 、 西葫芦的抗坏血酸氧化酶有近 30%的相似序列。Scott R[ 37]等(1991)报
道了甘蓝型油菜单个花蕾中 , 小孢子的发生或花粉成熟的同步性 , 花蕾的长度 、花药的长度 、 小孢子发生发
育或成熟的阶段三者呈正相关 , 因此 , 花蕾的长度或花药的长度是小孢子发生 、发育及花粉成熟阶段的指示
标记 , 可用于花药特异基因分离 、鉴定及其表达的特异性分析。花药特异基因又可以分为绒毡层特异基因 、
小孢子特异基因和花粉特异基因 。Scott R[28 , 29 , 37]从甘蓝型油菜小孢子发生的 cDNA文库中分离到 3个 cDNA
(A3 , A8 , A9), 从它的小孢子发育 cDNA文库中分离到 5个 cDNA (#14 , #17 , E2 , F2s , I3)。原位杂交
结果表明 , A3 , A8 , A9是绒毡层细胞特异基因 , #14 , #17 , E2 , F2s和 I3是小孢子特异基因 , 这说明了
在四分体形成前 , 绒毡层是花药特异基因表达的主要组织 , 而在四分体形成后 , 小孢子特异基因表达占主导
地位 , #17 、 E2、 F2s 、 Is对应的基因在小孢子第一次核分裂开始表达 , 在小孢子第二次分裂前#17 、 E2、
F2s , 或后(I3)表达则显著降低。Theerakulpisut等[43]通过对 B.campestris花粉成熟 cDNA文库分离 , 鉴定了 5
个 cDNA文库 , 得到仅在绒毡层中表达的基因 Bcp1。 Jennie 等[ 44]通过构建甘蓝型油菜小孢子 cDNA文库 , 分
离出 5个 cDNA克隆 , BA112和 BA158是绒毡层特异基因 , BA42和 BA73是花药特异基因 。Mariani[ 29](1990)
等将核酸酶基因与从烟草中分离的只在绒毡层细胞中专一表达的 1.5kb的 TA29基因启动子构建嵌合基因 ,
导入油菜 , 得到油菜的雄性不育转基因植株 , 这株不育株表现为花药变褐变皱 , 绒毡层解体 , 其余性状与未
转化植株相同 , 这表明在花药发育过程中 , 有选择地破坏了绒毡层细胞 , 绒毡层特异细胞的破坏阻止了花粉
的发育 。
首先利用基因工程技术人工创造甘蓝型油菜核基因雄性不育材料是比利时 PGS公司 Mariani等人[ 29 ,42] 。
Mariani等人将编码核糖核酸酶的基因置于花粉绒毡层特异启动子 TA29之下 , 构成嵌合基因 , 并使嵌合基因
第 2期 徐书法等:芸薹属农作物核基因雄性不育研究进展 ·139·
○文献综述 LITERATURE SUMMARY
和 Bar基因一起转入油菜 。 ①不育系的获得:Mariani[ 29 ,43 ,44]利用从烟草中分离的绒毡层特异表达的启动子
TA29与从 Bacillus amyloliguefaciens 克隆到的核酸酶(barnase)基因连在一起 , 转化烟草获得 115个转化子 , 结
果 , 92%转化 TA-Barnase 基因的植株(106/115)不能产生花粉 , 表现为雄性不育 。对所获得的不育株进行切
片观察 , 看不到花药中的绒毡层组织 , 花药变形 , 无小孢子和花粉粒 , 说明 TA29-核糖核酸嵌合基因在油
菜花药中的特异表达破坏了花药绒毡层细胞 , 从而阻止了花粉的形成 。同样 , 将 TA29基因与化学合成的核
糖核酸酶 T1基因转入油菜中 , 获得了 20个转化子 , 10%转化 TA29-R NaseT1基因的植株(2/20)表现为雄
性不育[ 42] 。②恢复系的获得:利用核糖核酸酶的抑制蛋白 barstar与芽孢杆菌核糖核酸酶可形成稳定的复合
物 , 从而阻止核糖核酸酶水解作用这一特性 , 获得了转基因雄性不育油菜的恢复系 。首先构建 TA29-barstar
嵌合基因 , 将其转入含有单拷贝 TA29-barnase嵌合基因的油菜中 , 表达的 Barstar蛋白与 Barnase结合 , 抑制
了 RNase的活性 , 花药绒毡层不再被破坏 , 该植株又产生了成熟的花粉粒 , 育性得到了恢复 。③保持系的获
得:保持系为未转化的普通植株。当用 TA29-Barnase转化株(不育系)作母本 , 用未转化的普通植株作父本
时其 F1代不育 , 可育呈 1∶1分离 , 符合一对等位基因的遗传。
获得保持系的另一途径为将 TA29-Barse嵌合体再连接上一个 bar基因 , 即构建 TA29-Barnase-Bar转
化子转化油菜 , 这样的不育系具有抗除草剂或抗双丙氨膦的特性 , 而可育株不具有此抗性基因 , 这样在苗期
通过喷施除草剂 , 即可杀死可育株 , 以达到保持不育株的目的[ 43] 。
4 研究建议
核基因雄性不育性具有雄蕊退化彻底 、不育性稳定 、亲本便于保护等突出优点 , 是杂种优势利用的一条
有效途径 , 必将成为今后一个时期芸薹属农作物杂种优势利用的研究热点 。由于核基因雄性不育性是一种十
分复杂的现象 , 对这种可遗传的不育性的机理的研究 , 尽管得到许多学者的关注 , 在许多研究领域获得了较
大的进展 , 但是都不能很好地在育种实践中得以大量应用 , 尤其是在雄性不育性的分子机理方面的研究 。所
以今后应该进一步深入研究核基因雄性不育的分子机理 , 从分子角度来探究这种珍贵遗传资源的本质 , 以指
导育种实践 。
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