水稻光温敏核不育机理研究进展与展望

2011-08-15刘忠奇唐先亮邓晓娟张海清

作物研究 2011年5期

刘忠奇,唐先亮,邓晓娟,张海清

(湖南农业大学农学院,长沙 410128)

自从 1973年石明松发现水稻光温敏核不育系农垦 58S以来,两系法杂交水稻的研究与应用成为了一个新的研究热点,并为我国实现杂交水稻科技的持续创新和保障粮食安全做出了巨大贡献。然而关于光温敏核不育水稻育性转换机理的研究仍很薄弱,远远不能适应两系杂交稻应用研究的发展,特别是对光温敏核不育系育性的遗传机制和调控机理等方面研究不够深入,致使两系法杂交稻利用中遇到的诸如育性表达不稳定、温度漂移等实际问题尚不能完全解决。因此加强水稻光温敏核不育系育性转换机理的研究,特别是开展光温敏核不育水稻不育基因的遗传学和分子生物学研究,寻找与育性转换调控密切相关的基因和功能蛋白,对今后光温敏核不育系的选育、组合的选配、杂交制种以及其它作物杂种优势的利用等必将起到积极的推动作用。笔者根据近年来国内外研究成果,从光温敏核不育水稻的普通遗传、分子遗传和基因组学、蛋白质组学及代谢组学等方面进行归纳分析,以期为进一步深入开展光温敏核不育水稻育性转换机理的研究提供参考。

1 光温敏核不育水稻育性转换的光温特性

最早报道的水稻光敏核不育系农垦 58S的育性是受光照长度控制的雄性不育水稻。该水稻在长日照下表现为完全雄性不育,在短日照条件下表现雄性可育,其雄性不育性主要受一对隐性核基因控制,与细胞质无关[1,2],定名为光敏核不育水稻,其育性转换与抽穗期的日照长度显著相关。元生朝等[3,4]研究指出,农垦58S在自然日照长度 14 h以上表现为完全不育,在13.45 h以下则开始转为可育。张自国,孙宗修等[5,6]研究报道,对于不同的不育系,诱导育性转换的临界日照长度存在一定差异,其主要原因是与不育系的遗传背景或生态条件有关。刘宜柏等[7]认为,温度虽然不是诱导农垦 58S育性转换的主要因素,但温度的高低却影响着花粉的败育程度,表现为明显的温度效应。为进一步明确光长、温度以及光温互作效应对光敏不育系的育性影响,先后有许多学者通过自然条件下或人工气候箱开展了大量试验研究。孙宗修等[8]认为,粳型光敏不育系的育性表达均受到日照长度和温度的双重影响,但主要受日照长度的影响。但在长日低温下,出现部分可育,而在短日高温下,育性又出现不同程度的下降。对籼型光温敏不育系的研究结果一致证实,温度在籼型不育系的育性表达中起着主导作用,日照长度作用不明显。光温敏核不育水稻仅在发育的特定阶段即敏感期对光温诱导产生反应。一般认为粳型光敏不育系育性转换的光敏期在幼穗发育的第二次枝梗及颖花原基形成期至花粉母细胞形成期(Ⅲ～Ⅶ期)[4,9],最敏感时期为雌雄蕊形成期至花粉母细胞减数分裂期(Ⅳ～Ⅵ期),敏感部位为叶片,光受体是光敏色素。籼型光温敏不育系育性转换的温度敏感期约为幼穗分化的雌雄蕊形成末期至花粉内容充实期(Ⅳ期末～Ⅶ期),最敏感时期为花粉母细胞减数分裂期(Ⅵ期)[10],温度敏感部位是处于敏感期的幼穗,温度受体是热激蛋白(HSP)[11]。根据两用核不育系的育性转换受光照和温度影响特性,育种家将现有的光温敏两用核不育系分成光敏型、温敏型、光温互作型和反温敏型四类。

2 光温敏核不育水稻育性的遗传学

光温敏核不育系在遗传学上的表现具有多样性,因为不育性是一种十分复杂的光温生态现象,不育基因表达需要有严格的光温条件,而自然条件下的气候又是复杂多变的。国内外学者开展了光温敏核不育水稻包括农垦 58S、安农 S-1、衡农 S-1和 5460S等各类光温敏雄性不育资源的不育性遗传规律的大量研究,明确了一些基本的遗传规律。

石明松[1]、卢兴桂[12]、朱英国等[13]先后报道过农垦58S的育性转换受控于1对隐性基因,在长日照条件下,F2代可育株与不育株呈 3∶1分离,与农垦 58S的回交一代中,可育株与不育株呈 1∶1分离。朱英国等[13]将农垦 58S的光敏雄性不育基因以符号 Ps来标识。雷建勋等[14]研究认为,农垦58S的育性转换特性受2对独立的隐性主基因控制。盛孝邦[15]则认为,控制农垦 58S光敏不育系雄性不育性的2对基因在不同类型粳稻品种中其互作方式不同,除 2对主效基因外,还存在温(Tn)、光(Pn)两组微效基因修饰。张启发等[16]通过研究 32001S、农垦 58S,得出雄性不育性可能受 3对隐性核基因互补作用共同决定的结论。朱英国等[13]用农垦58S与早籼品种杂交,发现雄性不育性表现为3对基因或多基因分离。梅国志等[17]认为农垦58S的雄性不育性的遗传具有质量-数量性状的遗传特点。薛光行等[18]提出还存在强烈的修饰基因的作用。张廷壁[19]根据对光温敏核不育水稻与常规品种杂交组合系谱选择后代株系的育性分离,认为光敏雄性不育性不符合孟德尔规律。

李新奇[20]对 W6154S,安农 S-1,123S,5460S四个材料的不育性进行了遗传行为研究,认为 4个核不育材料的育性转换主要受温度控制,日照长短影响不大,且安农 S-1的不育性完全由一对隐性主基因控制。邓华凤等[21]通过对温敏核不育系安农 S-1的遗传学研究表明,安农 S-1的不育基因属点突变型,其不育性受一对隐性核基因控制,且与农垦58S的不育基因不等位。

由粳型光敏核不育系农垦58S转育出了一大批光温反应特性不同的光敏、温敏核不育系,由籼型温敏核不育系安农 S-1作不育基因供体,也选育出一大批温敏核不育系。为进一步研究各光敏、温敏核不育系不育基因之间的等位性,以及将控制不育的不同光敏、温敏核不育基因加以区分,向阳等[22]、李必湖等[23]选用农垦58S及其衍生的光敏核不育系7001S、温敏核不育系W6154S和培矮64S,安农 S-1及其衍生的温敏核不育系 810S、安湘 S、香 125S和株 1S基因源为材料相互杂交配组,在长日高温条件下观察 F1育性表现,根据育性和不育性确定核不育基因的等位性,所得结果表明,7001S,W6154S,培矮 64S与核不育基因供体农垦58S之间有等位点的核不育基因,但温敏核不育系W6154S与培矮 64S之间不具等位点的温敏核不育基因;安农S-1与其衍生的不育系之间以及衍生的不育系与不育系之间都具有等位点的温敏核不育基因;农垦 58S及衍生的核不育系与安农 S-1及衍生的核不育系之间没有等位点的核不育基因;株 1S与安农 S-1及其衍生后代,株 1S与农垦 58S及其衍生后代W5154S之间均具有等位的核不育基因。陈立云等[24,25]提出了水稻光温敏核不育机理新设想,即水稻光温敏不育系中不存在光敏不育基因和温敏不育基因,其育性转换是主效不育基因与发育感光基因或(和)发育感温基因相互作用的结果,即发育感光、感温基因与主效不育基因的互作是导致水稻光温敏核不育系育性转换的实质,而微效不育基因可影响光温敏核不育系的不育起点温度。

综上所述,由于对光温敏核不育水稻的研究采用的供试材料与育性统计方法不同,造成杂交后代 F2育性的分离模式多态性,即同一性状因不同品种之间的杂交后代分离有1对、2对、3对或3对以上基因的分离模式。大多数研究表明主要有:(1)单基因遗传模式;(2)双基因遗传模式;(3)多基因遗传模式;(4)质量-数量基因模式;(5)非典型分离模式(也称生态性遗传)。

3 光温敏核不育水稻育性的基因组学

目前关于光温敏核不育基因的研究与定位方法主要有形态标记、生化标记和分子标记等方法。张端品等[26]利用农垦 58S作母本与 22个粳稻标记基因系杂交,通过分析农垦 58S的光敏核不育基因与标记基因的连锁关系,将农垦 58S的一个光敏感雄性不育基因pms1定位在水稻的第 5染色体上,并与标记基因大黑矮生基因(d-1)连锁遗传,遗传距离约为42 cM。张启发等[27]利用 32001S/明恢 63的 F2群体进行 RFLP分析,检测到在第 7染色体上 RG447探针与不育基因连锁,连锁距离为3.5 cM,在第3染色体上的RG191探针距该染色体上的不育基因约 7.0 cM,并且在第 7染色体 pms1基因所在区段上构建了一个高密度、低分辨率的分子标记连锁图,其一连锁最紧密的分子标记与pms1的距离 <1.5 cM。胡学应[28]采用同工酶标记法将光敏不育基因定位于第6、第11染色体上。王斌等[29]利用不育系安农 S-1和 5460S进行 RAPD和 RFLP分析,已找到了多个与TGMS基因连锁的RAPD标记并已定位在第 8染色体上。 Jia等[30]以“安农 S-1×南京11”组合的F2分离群体为定位群体,采用 AFLP,RFLP和 SSR等分子标记技术,将安农 S-1的温敏雄性不育基因定位于第2染色体短臂的RM394和RM174之间,并命名为tms5,其中 RM394距tms5为 2.5 cM,RM174在该群体中与不育基因共分离。Wang等[31]以“安农 S-1×南京 11”的重组自交分离群体(RIL)为材料,用SSR,AFLP,RAPD,STS和CAPs等分子标记技术,将tms5定位于第2染色体上的STS标记C365-1和CAPs标记 G227-1之间,与两者之间的遗传距离为1.04 cM和2.08 cM。这些初步的结果一方面表明不育基因的复杂性,同时也说明定位方法上还有待进一步完善和探索。

学者们已发现并取得定位的光温敏核不育基因有pms1[32],pms[32],pms3[33],tms1[34],tms2[35],tms3[36],tms4[37],tms5[38],tms6[39],rtms1[40],Ms-h[41],TMS,

TGMS,反温敏核不育基因仅见rptms1,rptms2及rtms1。在分子标记鉴定和基因定位研究基础上,王斌等[29]构建了温敏核不育水稻5460S的BAC文库。该文库含有19 584个克隆,平均插入片段120 kb,库容量达到了水稻单倍体基因组的5倍。陈章权[42]以具有明显育性转换特征的水稻温敏核雄性不育系 Tb7S为材料,通过抑制性消减杂交(SSH)技术筛选减数分裂期的 Tb7S幼穗在高温可育和低温不育条件下的差异表达 cDNA片段,经 SSH富集 cDNA片段构建了两个cDNA质粒文库,即 cDNA正向消减和反向消减质粒文库。可见,分子标记定位使目标基因的建立和精确定位更加容易。邢俊杰等[43]以不同温度条件下处理的培矮 64S及两优培九自交后得到的 F2群体为材料,从转录水平和翻译水平上分别筛选不育基因相关的 24个特异表达基因以及 6个特异表达蛋白质,24个差异表达 EST经过功能分析后,发现其与光合作用、DNA的转录以及植物的生物钟等功能有关,这也反映了水稻育性相关基因研究的复杂性。

综上所述,目前虽然获得了大量的光温敏核不育相关的基因片段和对一些不育基因进行了精细定位,但始终没有分离得到一个真正的光温敏核不育基因,大大延缓了不育基因的准确定位和克隆。

4 光温敏核不育水稻育性转换的蛋白质组学

蛋白质组学技术将基因组序列信息和在特定组织、细胞或细胞器中执行生命功能的蛋白质有机地联系起来,并能全面检测不同组织器官所表达的蛋白质及在不同发育阶段、不同条件下蛋白质表达的差异。

王台等[44]用双向电泳技术,将苗期和育性转换期的叶绿体蛋白质分离,发现无论内外环境如何,农垦58S的叶绿体内有一个(MW45 kD,pI6.7)和一个(MW61 kD,pI6.0)的特异蛋白点,而农垦 58没有,农垦 58S的另一个(MW61 kD,pI6.2)蛋白点的含量明显高于农垦 58,且不同光周期(长日照和短日照)处理不影响光敏感期的这种叶绿体蛋白的差异。此结果暗示着这2个蛋白质点可能与育性有关,它们可能是光周期调控农垦 58S育性转换的基本条件。王台等[45]就P61蛋白质进一步进行了研究,发现 P61蛋白与水稻叶绿体 AT P酶β亚基有相同的分子量,但其等电点偏碱性,与β亚基相差约0.3个pH单位,表明 P61是水稻叶绿体 ATP β亚基的一种同工型,把它称之为β1。用农垦 58S/农垦 58F2群体分析了β亚基的群体分离规律,初步证明了β亚基受单性隐性核基因控制。叶绿体是植物进行光合作用的细胞器,光敏核不育水稻中出现的特异蛋白质可能是与其育性相关的蛋白。

肖辉海等[46]以培矮64S,常规水稻湘晚籼2号为材料,以聚丙烯酰胺凝胶电泳方法分析了其在芽期、幼苗期和减数分裂期进行不同温度处理后酯酶同工酶、过氧化物酶同工酶、细胞色素氧化酶同工酶的变化,发现温敏感水稻在芽期和苗期经38℃高温处理后没有出现热应激的新酶带,但在减数分裂期出现了 3条热激酶带,这3条酶带中有1条是常规水稻3种温度下都有的酶带,有2条则只有培矮64S在减数分裂期的高温条件下出现,表明这条酶带很有可能与育性有关。Imin等[47]通过双向电泳得到蛋白质图谱并结合质谱分析得到了4 000个左右的小孢子早期的水稻花药蛋白,并构建了水稻花药的蛋白质组参考图谱。在得到鉴定的273个点中,找到了一些细胞骨架的结构蛋白、参与氧化磷酸化的酶系、分子伴侣及具防御功能的蛋白质。谢锦云等[48]采用固相 pH梯度-SDS聚丙烯酰胺双向凝胶电泳对温敏核不育水稻 96-4-2S可育与不育条件下减数分裂期花药总蛋白进行了分离,结果表明,在不育变化为可育的过程中,明显表达上调的蛋白质点包括几丁质酶、酸性磷酸酶、胞浆激酶、谷蛋白前体以及ESTSC7261蛋白,明显下调的蛋白质包括β-expansin前体、谷氨酸氨甲酰转移酶和1种未知功能的蛋白质。邵彩虹等[49]从蛋白质组学角度对水稻生育后期的叶片蛋白质组变化进行了研究,结果表明,经图谱分析共得到差异蛋白质点 47个,其中孕穗期及抽穗期新增蛋白质点 6个,21个随生育进程表达丰度增加,6个蛋白质点表达丰度逐渐减弱,其它14个蛋白质点呈无规则变化,多表现为在某个生育时期具有峰值;这些蛋白质发生变化的原因可能与水稻后期的发育转变有关系。梁海鹰等[50]为找寻光温敏核不育水稻幼穗与育性调控有关的蛋白质,采用固相 pH梯度-SDS聚丙烯酰胺双向凝胶电泳对光温敏核不育水稻(培矮 64S)育性转换期幼穗总蛋白进行了分离,获取凝胶图像并进行重复性分析,通过微量测序-Edman降解方法和原位酶解及M ALDI-TOF质谱的方法鉴定了60个蛋白质点。其中 37个蛋白质点得到了准确的鉴定结果,16个是差异蛋白质点。在不育变化为可育的过程中,明显表达上调的蛋白质点包括几丁质酶、丙酮酸脱氢酶等,明显下调的蛋白质包括超氧化物歧化酶、硝酸还原酶脱辅基酶蛋白等,金属硫蛋白 RicM T只在可育中存在。

5 光温敏核不育水稻育性转换的代谢组学

光温敏核不育水稻在长日高温条件下的花粉败育过程,总是伴随着一些生理和生化物质的变化。目前研究较多的是关于三羧酸循环以及呼吸链电子传递过程中一些酶活性的变化[51]。不同的研究结果存在一定程度的差异,但较一致认为:在长日条件下,不育系的叶片中或花药组织中,从单核早期到成熟期,不育花药的细胞色素氧化酶[52]、ATP酶[53,54]的活性普遍低于短日条件下的可育材料。但不育花药一般表现较高的超氧物歧化酶活力[55],膜脂过氧化物作用加强,导致细胞的结构受到损伤。

在内源激素方面的研究,张能刚[56]报道,长光处理农垦58S叶片中脱落酸含量比短光处理高1倍左右,并且在花粉母细胞形成期脱落酸含量大幅增加。骆炳山等[57]研究证实,农垦58S在育性转换期间,其幼穗中乙烯释放速率同时受光周期和温周期调节;乙烯的抑制可显著导致长光处理下农垦 58S的花粉不育的逆转,而乙烯的生成又可急剧降低短光处理下的可育水平。赵玉锦等[58]研究表明,在长光处理(LD)下,农垦58S雌雄蕊形成期的叶片和花粉母细胞形成期的幼穗中IAA相继发生亏缺。李德红等[59]对光敏核不育系的乙烯、IAA、ABA的变化进行综合分析认为,光敏核不育系的育性受内源激素平衡关系的综合调节,而乙烯在育性转换中起关键性作用,乙烯可能作为第二信使通过内源激素综合平衡关系的调节而影响育性表达。

在物质代谢研究方面,肖翊华等[60]以光敏核不育水稻农垦 58S和农垦58为材料研究发现,在人工控制长、短日条件下对花粉发育的不同时期即单核早期、单核晚期、二核期和三核期花药的游离氨基酸进行比较分析,结果表明,在所检测的17种氨基酸中,与花药败育有关的是脯氨酸,其次是丙氨酸。陈良碧等[61]对常规水稻及温敏核不育水稻研究发现,常规稻无论高温或低温,其幼穗和叶片的核酸含量变化很小。同样的温度下,温敏核不育水稻叶片中的核酸变化与常规稻一致,而幼穗中核酸变化为高温下 RNA含量显著降低,DNA也有降低但不明显,低温下上述物质没有明显变化。

在能量代谢方面,李平等对温敏核不育水稻安农S-1和衡农 S-1研究发现,在高温下花粉母细胞形成期和减数分裂期,颖花呼吸速率急剧上升,而常规稻和经低温处理的安农 S-1和衡农 S-1在可育花粉发育过程中呼吸速率逐渐上升。陈良碧等[62]研究表明,无论高温或低温下安农S-1、衡农 S-1在颖花发育过程中ATP含量呈递减趋势。在高温条件下,在花粉母细胞形成期和减数分裂期,AT P出现一个暴跌过程,呼吸速率下降,与光敏核不育花粉发育过程中 ATP变化规律基本一致。

6 展望

综上所述,关于光温敏核不育水稻(PTGMR)育性转换机理的研究取得了较大进展,但 PTGMS基因至今尚未克隆,表达产物尚未确定,表达过程的信号传导更未明晰,其基础研究还远远不能适应两系杂交水稻应用研究的发展。

随着现代分子生物学的快速发展,功能基因组学学科发展日趋完善,形成了如比较基因组学、转录基因组学、蛋白质组学、代谢组学和表型遗传学等分支学科,研究技术手段不断成熟,为从分子水平上揭示光温敏核不育系育性转换机理及其调控提供了方法和技术指导。应用分子生物学的理论和技术,从转录基因组学、蛋白质组学、代谢组学等角度阐明水稻光温敏核不育系育性转换的机理及调控网络模式,对于解决光温敏核不育系育性调控方法并形成技术体系,实现两系杂交水稻安全高效繁殖制种具有重大意义。

由于水稻光温敏核不育性遗传表现复杂多样,且其育性转换受光、温条件的双重影响,因此,应重视选择有典型代表性的不同基因来源的不育材料进行比较研究,同时,加强对不育系育性转换过程中幼穗蛋白质的动态变化分析,从转录组学、蛋白质组学和代谢组学等方面开展系列研究,阐明其育性转换的分子调控网络,揭示水稻光温敏核不育系育性转换的分子调控网络的共性和特异性;从分子水平、激素和化学以及环境因子等方面,研究和制定水稻光温敏核不育系育性转换调控技术体系及其操作规程,从而为从根本上解决我国水稻光温敏不育系繁殖制种的安全性问题提供理论和技术支撑,并为新不育系的创制提供指导。

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