番茄长花柱型雄性不育研究进展

张少丽 邵景成 胡志峰

（甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃 兰州 730070）

番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）为自花授粉作物，具有明显的杂种优势。目前我国番茄杂种一代种子的生产多采用人工去雄授粉，需投入大量的人力物力，制种效率低、成本高。为了简化杂交制种程序、降低生产成本，番茄雄性不育系的发掘与研究成为广大育种工作者研究的热点。

据Kalloo（1991）报道，国内外已经发现逾60个番茄雄性不育的突变材料，但由于不能产生100 %的不育后代即不育系无法保持，易发生自交，受环境影响较大等原因，这些不育类型一直未能应用于生产。番茄的不育类型包括部位不育（长花柱，亦称 L型不育）、功能不育、雄蕊退化和花粉败育等4种类型。其中，部位不育型的形态表现是花器正常，只是花柱长度高出药筒，雄蕊发育正常（王海廷，1983），人工辅助自交可以保持长柱头特性，故理论上讲，该种质可一系两用，但由于这种长花柱遗传复杂，受环境温度影响较大，表型不稳定（徐鹤林和李景富，2006），所以阻碍了生产应用。针对部位不育型（长花柱）番茄材料，国内外学者在生理生化、遗传特性及分子机制等方面进行了深入研究。

1 温度对番茄花柱长度的影响

植物在长期的进化过程中形成的雌配子数大大少于雄配子数，而雄配子的生活力和耐受力又远远小于雌配子的平衡机制，因此在不良环境下，植物首先做出的反应往往是雄性不育。高温、干热风、低湿、缺水、高氮、短光周期以及低光强的情况下均可导致番茄花柱伸长（Honma &Bukovac，1996；Scott et al.，1980），但高温是影响番茄花柱伸长的主要环境因子（Levy et al.，1978；Saeed et al.，2007）。

Levy等（1978）对耐高温材料（Hotset）和高温敏感材料（Hosen）进行了温度影响花柱长度的试验。试验分别在自然高温和人工控温条件下进行，于花期对主枝前3序花的前3朵花进行柱头外露分析，并对花柱长度进行了分级：低于或与雄蕊筒齐平的记为1，柱头长出雄蕊筒0～1 mm的记为2，柱头长出雄蕊筒1 mm以上的标记为3。自然高温试验：7月将7株苗龄为6～7片真叶的幼苗移植大田，试验期间平均日高温为36.5～38.7 ℃，低温为16.5～20.0 ℃。大田分析结果表明，Hotset和Hosen材料花柱长度达到2、3级的花分别占20.0 %和79.1 %。人工控温试验：分别取25个Hotset和Hosen单株进行高温（33±2）℃/（23±2）℃和常温（23±3）℃/（17±3）℃处理，光照条件均43055 lx，结果表明，Hosen材料在常温、高温下花柱长度平均等级分别为2.1、2.8；Hotset材料分别为1.2、1.6。由此可见，无论是耐高温材料还是高温敏感材料，相对高温均能使花柱伸长，只是高温敏感材料花柱长度更易受到高温影响。

东北农业大学对番茄长花柱材料T431进行了相关研究。张贺等（2006）研究认为：T431属温敏型长花柱雄性不育系，其育性变化敏感时期是花瓣张角达60°前2～6d；育性转换的温度为24.68 ℃。对同一材料的研究，陈丽等（2009）却得出了不一致的结论：T431材料在花芽分化期（二叶一心）时对温度敏感，此时期温度对花柱伸长的长度变化影响最大，为育性转换的最敏感时期，此时期只要均温高于 20 ℃则植株表现为长花柱，低于 20 ℃（18 ℃/10 ℃）时表现为短花柱。燕正民和王勇（2010）研究指出，T431材料在20 ℃以上的田间温度下可以达到95 %以上的不育率。谭丽丽（2009）对 T431材料的花芽分化期（二叶一心）进行高低温处理，建立了温敏差减文库，并获得各类相关的差异片段，进一步验证了陈丽等（2009）的试验结论。

2 番茄长花柱型雄性不育的生理生化研究

陈丽等（2009）对长花柱番茄材料T431的生理机制进行研究，发现经低温处理的T431，育性正常（短花柱），但叶片中的POD活性随着处理时间的延长，活性增加，变化趋势与正常的可育系正好相反；而在经高温处理时，叶片中的POD活性变化趋势与正常可育系相同。推测T431由不育向可育转化，导致了叶片POD活性的增强。对叶片中的可溶性糖含量进行测定，发现无论经过高温还是低温处理，T431叶片中的可溶性糖含量均比正常可育材料高。于是推断：T431材料在高温时表现为长花柱，可能与叶片中可溶性糖含量升高、POD活性降低有关。另有研究报道，番茄长花柱可能是因为不良的环境导致植株的碳水化合物累积量降低而造成的（Scott et al.，1980）。Honma和Bukovac（1996）根据前人有关GA3可以促使番茄花柱伸长的报道，选用了Indian River（经GA3处理，花柱伸长）和Fireball（经GA3处理，花柱长度基本不变）为亲本，进行杂交，分别获得了F1、F2及回交世代植株，并在现蕾期分别用浓度为1×10-3mol·L-1的GA3对第1花序进行处理，7 d后对所有植株柱头外露情况进行观察，统计柱头外露率并进行遗传分析，结果表明，GA3之所以能够促使Indian River材料花柱伸长，是因为该材料中含有感应GA3的基因Gx，该基因是一个完全显性基因。

3 番茄长花柱型雄性不育的遗传

大量的报道指出：番茄长花柱属于数量性状，由2～20个数量性状基因控制，具体基因的多少由植株的基因型所决定（Rick，1969；Levin et al.，1994；Chen & Tanksley，2004）。

Scott等（1980）利用长花柱番茄与短花柱番茄（柱头低于雄蕊筒）进行杂交，无论是正交还是反交，F1植株均表现出轻微的长花柱特性，从而指出番茄长花柱相对于短花柱表现为不完全显性，并且控制花柱长度的基因位于细胞核，与细胞质无关。由于F1植株表现出轻微的长花柱特性，影响自交结实，所以给番茄杂种优势利用带来不便。Atanassova（2000）同样指出番茄长花柱型是由不完全显性基因控制，很难在番茄制种中得到应用。Georgiady等（2002）利用 LA1237（短花柱）和 LA1581（长花柱）进行花柱长度的遗传实验，杂交结果显示 F1植株花柱长度为两亲本的中间类型，花柱长度稍偏向长花柱亲本，而 F2植株花柱长度接近于两亲本花柱的均值，且从 F2群体中发现了比LA1237花柱更短的植株，而没有发现像LA1581亲本花柱长度的植株。国内20世纪70年代，北京市农林科学院蔬菜研究中心运用“长柱头”材料为母本，进行不去雄授粉，获得了大果型、粉色、品质好的“长杂组合”早、中、晚三类型，性状表现优良，也不存在F1长花柱影响结实的现象（王鸣，1979；王海廷，1983）。

上述有关番茄长花柱性状的遗传研究，结论各异，预示着该性状的表现可能与材料的基因型及生态环境有关。另外，在所研究的材料中，控制长花柱性状的多个基因可能存在不同程度的杂合性，这也许是导致上述不同结论的原因之一。

4 番茄长花柱型雄性不育的分子机制

为了弄清番茄长花柱的真正原因，学者们应用分子生物学技术对长花柱型番茄进行了广泛的研究。

4.1 基因定位研究

番茄花柱长度属于数量性状，Georgiady等（2002）对该性状进行了基因定位研究，结果在8号染色体上发现了效应较大的 QTL位点 sty8.1。Gorguet等（2008）利用两个不同品系 IL5-1和IVT-line1（分别含有不同的Solanumhabrochaites染色体片段）对单性结实性状进行QTL定位，意外地在 IL5-1的 5号染色体的长臂上发现了控制番茄花柱长度的基因位点 se5.1。Bernacchi和Tanksley（1997）用自交亲和系和野生的自交不亲和系的BC1群体进行QTL分析，在2号染色体上发现了长花柱基因位点se2.1。Fulton等（1997）用回交高代QTL作图法，也将长花柱QTL位点定位在2号染色体上。Chen和Tanksley（2004）以野生番茄L.pennellii渐渗系L2-5（长花柱）和其近等基因系的栽培品种M82（短花柱）为材料开展了番茄花柱长度性状的QTL精确定位，结果发现番茄控制花柱长度的主效位点se2.1位于2号染色体上。利用F2群体进行高分辨率作图，发现 se2.1是一个复合位点，包含至少 5个紧密连锁的基因，即 1个是控制花柱长度的基因（style2.1），3个控制雄蕊长度的基因（stemen2.1、stemen2.2、stemen2.3），还有1个是影响花药开裂的基因（dehiscence2.1）。以上开展的番茄长花柱性状的QTL定位分析，分别将该基因位点定位在2、5、8号等染色体上，预示着控制番茄长花柱性状基因的复杂性。

4.2 相关基因的克隆及分子机理研究

为了探索温度对番茄温敏型长花柱突变体系T431花柱长度变化的影响机制，谭丽丽（2009）构建了温敏差减文库，获得了各种差异基因片段。燕正民和王勇（2010）进一步对获得的与逆境胁迫有关的转录辅助激活因子 LeMBF1进行了分析，得到了该基因的完整序列，半定量 RT-PCR分析结果发现，常温下LeMBF1在T431茎尖生长点中表达量极低，而花芽分化期经低温处理3 d后，茎尖生长点表达量明显增加，推测LeMBF1可能参与花器官的形态建成，抑制T431的花柱伸长。Levin等（1994）研究了雄性不育基因ms10对番茄花柱及雄蕊筒长度的影响，ms10基因能够同时缩短番茄花柱及雄蕊长度，缩短的长度分别为（1.2±0.1）mm和（2.5±0.1）mm，意味着柱头外露长度为（1.3±0.1）mm，所以认为 ms10基因参与调控番茄的柱头外露。Chen和 Tanksley（2004）在发现se2.1 位点含有5个紧密连锁的基因，其中style2.1为控制花柱长度的主基因位点后，继续对style2.1基因位点进行了更深入研究。Chen等（2007）指出style2.1基因位点包含有一个基因的上游序列L02，功能性分析证实L02是控制花柱长度的主效基因，命名为style2.1基因。但研究发现决定番茄花柱缩短（番茄从异花授粉方式进化成自花授粉方式）的不是style2.1基因翻译的蛋白，而是由style2.1基因类似转录因子控制。在花的形态进化过程中，style2.1基因的类似转录因子发生突变（启动子上游区序列在长、短花柱材料中存在明显差异），导致 style2.1基因表达水平下调，花柱缩短。目前，Chen等于2008年将长花柱的野生番茄和其近等基因系的栽培品种的style2.1转录因子的DNA和mRNA序列递交GenBank数据库（EU161281～EU161284）。

5 问题与展望

目前，由于番茄雄性不育系存在的种种缺陷，严重制约着其应用，突破这一瓶颈需要有新的方法或新的材料。长花柱番茄作为一种部位不育材料，在生产上具有很大的应用潜力。但近些年，尚未见到有关该种质的应用报道。据王鸣（1979）记载，北京市农林科学院蔬菜研究中心从大果型番茄福寿中，经两年分离，分别选出了无限生长类型及自封顶类型的“长花柱”品系，并用作母本与其他品种进行不去雄授粉，获得了表现较好的“长杂”组合早、中、晚类型。日本长野农业试验场虽然也进行过番茄长花柱雄性不育类型的培育，但实际应用未见报道。迄今，在其他作物上，如棉花（张正圣 等，1999）、水稻（王彦荣 等，2008）等长花柱种质均已得到了广泛应用。

从已有的研究看，番茄花柱的伸长是一个极其复杂的发育过程，可能包括了一系列基因间、基因与基因表达产物间的相互作用。至少涉及到温度感应基因、控制花柱长度的基因以及控制雄蕊筒长度的基因等。而对这些相关基因的定位、克隆、功能分析及转基因功能验证等将是揭示番茄长花柱雄性不育机理的关键和核心。目前国外对长花柱番茄的相关研究较少，国内开展的工作更少。应积极开展相关的分子生物学方面的研究，对其遗传机制、基因互作、相关基因克隆等进行系统而具体的研究，在此基础上利用基因工程手段，创造出稳定的番茄长花柱部位不育材料，早日应用于生产实践。相信随着研究的不断深入，必将推动我国番茄长花柱型雄性不育研究的发展。

陈丽，谭丽丽，王勇.2009.番茄温敏型功能雄性不育生理机制的初步研究.东北农业大学学报，40（1）：31-35.

谭丽丽.2009.番茄长花柱突变体温敏候选基因克隆〔硕士论文〕.哈尔滨：东北农业大学.

王海廷.1983.番茄杂种优势利用.哈尔滨：黑龙江人民出版社：55-56.

王鸣.1979.番茄育种的理论与实践.西安：大同市南郊区蔬菜研究所：92.

王彦荣，华泽田 张忠旭，李全英，李如海，苏玉安，姚继攀，王之旭.2008.高柱头外露率粳稻不育系的选育与应用.杂交水稻，23（3）：4-8.

徐鹤林，李景富.2006.中国番茄.北京：中国农业出版社.

燕正民，王勇.2010.番茄LeMBF1基因的克隆及其在温敏型长花柱突变体T431中的表达.沈阳农业大学学报，41（3）：279-283.

张正圣，张凤鑫，夏玉先，王秀全.1999.陆地棉长花柱系的选育及其杂种优势利用.中国农业科学，32（4）：27-33.

张贺，许向阳，李景富.2006.番茄长柱头类型雄性不育系 T431温光敏感特性研究//王秀峰，李宪利.园艺学进展（Ⅶ）.北京：中国农业出版社：492-495.

Atanassova B.2000.Functional male sterility in tomato（Lycopersicon esculentum Mill.）and its application in hybrid seed production.Acta Physiologiae Plantarum，22（3）：221-225.

Bernacchi D，Tanksley S D.1997.An interspecific backcross of Lycopersicon esculentum×L.hirsutum：linkage analysis and a QTL study of sexual compatibility factors and floral traits.Genetics，147：861-877.

Chen K Y，Tanksley S D.2004.High-resolution mapping and functional analysis of se2.1.Genetics，168（3）：1563-1573.

Chen K Y，Cong B，Wing R，Vrebalov J，Tanksley S D.2007.Changes in regulation of a transcription factor lead to autogamy in cultivated tomatoes.Science，318：643 -645.

Fulton T M，Beck-Bunn T，Emmatty D，Eshed Y，Lopez J，Petiard V，Uhlig J，Zamir D，Tanksley S D.1997.QTL analysis of an advanced backcross of Lycopersicon peruvianum to the cultivated tomato and comparisons with QTLs found in other wild species.Theor Appl Genet，95：881-894.

Georgiady M S，Whitkus R W，Lord E M.2002.Genetic analysis of traits distinguishing outcrossing and self-pollinating forms of currant tomato Lycopersicon pimpinellifolium（Jusl.）Mill.Genetics，161：333-344.

Gorguet B，Eggink P M，Ocana J，Tiwari A，Schipper D，Finkers R，Visser R G F，Heusden A W.2008.Mapping and characterization of novel parthenocarpy QTLs in tomato.Theor Appl Genet，116：755-767.

Honma S，Bukovac M J.1996.Inheritance of gibberellin induced heterostyly in the tomato.Euphytica，15：362-364.

Kalloo G.1991.Genetic improvement of tomato.New York：Berlin Heidelberg Press：256-287.

Levin I，Cahaner A，Rabinowitch H D，Elkind Y.1994.Effects of the ms10 gene，polygenes and their interaction on pistil and anther-cone lengths in tomato flowers.Genetical Society of Great Britain，73：72-77.

Levy A，Rabinowitch H D，Kedar N.1978.Morphological and physiological characters affecting flower drop and fruit set of tomatoes at high temperatures.Euphytica，27：211-218.

Rick C M.1969.Controlled introgression of chromosomes of Solanum pennellii into Lycopersicon esculentum：segregation and recombination.Genetics，62：753-768.

Saeed A，Hayat K，Alikhan A，Iqbal S.2007.Heat tolerance studies in tomato （Lycopersicon esculentum Mill.）.International Journal of Agriculture & Biology，9（4）：649-652.

Scott J W，William L，George J.1980.Breeding and combining ability of heterostylous genotypes for hybrid seed production in Lycopersicon esculentum Mill.Euphytica，29：135-144.