烟草重要基因篇：9.烟草雄性不育和育性恢复基因

李凤霞

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

烟草重要基因篇：9.烟草雄性不育和育性恢复基因

李凤霞

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

植物雄性不育（male sterility，MS）既是植物生殖生物学研究中的一个重要植物学性状，也是研究作物杂种优势利用的一个重要农艺性状，在作物育种和分子生物学研究中具有重要地位［1］。植物雄性不育可分为细胞核雄性不育（genic male sterility， GMS）和细胞质雄性不育（cytoplasmic male sterility， CMS）。GMS由核不育基因控制，无正反交遗传效应；CMS由线粒体不育基因和核恢复基因（restorer of fertility，Rf）共同调控，线粒体基因导致不育，Rf能改变线粒体中不育基因的表达，使不育系恢复育性。烟草是叶用作物，生产上可使用不育系，目前不育系种植面积占整个烤烟种植面积的一半左右。Sua-CMS是我国烟草育种和生产中使用的唯一不育类型，其不育胞质来源于烟草野生种Nicotiana suaveolens。

1　烟草细胞核雄性不育基因

细胞核雄性不育是由核基因控制的雄性不育，在花粉发育过程中，任何代谢相关的基因变异以及光、温度等环境因素改变都可能导致雄性不育。绒毡层位于花粉囊壁的最内层，对花粉的生长发育至关重要，水稻msp1突变体绒毡层完全缺失，表现出不育［2］。拟南芥dyt1（dysfunctional tapetum1）突变体的绒毡层细胞高度液泡化并缺少正常细胞质，DYT1控制胼胝质分解并影响绒毡层分化，是导致不育的关键基因［3］。利用TA29启动子和野生花生的半胱氨酸蛋白酶基因（AdCP）融合转化烟草，也能使烟草不育［4］。COI1是JA受体的重要组成部分，将烟草NtCOI1通过RNAi敲除后，NtCOI1下调的烟草植株花粉淀粉代谢异常，花蜜丧失，花粉败育，进一步分析表明NtMYB305在不育株中下调［5］。

2　烟草细胞质雄性不育基因

线粒体是植物细胞质雄性不育的育性因子载体，线粒体编码基因的缺失或功能异常是导致植物育性发生变化的一个原因。水稻野败不育类型（CMS-WA）的不育控制基因为线粒体编码的WA352，WA352蛋白只在花粉母细胞期的绒毡层特异积累，并与核基因编码的线粒体定位蛋白COXII进行互作，由此抑制了COXII在过氧化物代谢中发挥功能，触发了绒毡层过早程序性细胞死亡及随后的花粉败育［6］。在林烟草（N. sylvestris）的两个线粒体编码基因nad7缺失品系CMSI、CMSII中，其花粉和绒毡层细胞中的呼吸作用有60%受到了抑制，而且其植株的生长和叶的表型均受到影响［7］，该不育突变体在充足光源的条件下会有少量的可育花粉产生。普通烟草线粒体DNA全长430597 bp，包含36个蛋白质编码基因，其中负责编码电子传递链及氧化磷酸化过程复合体I-VI部分亚基的基因有20个［8］。已有研究表明，其中的nad7［9］、coxII［10］、atp1［11］、atp4［12-13］、atp6［14］和 atp9［15-16］等基因在烟草不育系与其同型保持系间存在差异，可能影响到线粒体电子传递链及氧化磷酸化过程相关酶的正常功能。张长静等［17］通过对38个线粒体编码基因的研究发现，在Sua-CMS中，线粒体编码基因sdh3、sdh4在其编码蛋白各结构层次上存在差异，sdh4基因在不育系中第28位碱基发生了改变，sdh3基因发生10个碱基的缺失，以致其编码蛋白改变，这极可能成为干扰线粒体琥珀酸脱氢酶亚基功能的关键因素，可能是导致烟草Sua-CMS的原因之一。

同时，由于植物线粒体基因组具有转录产物RNA编辑普遍存在的特点，使得不育系中线粒体编码基因的改变（SNPs和Indels）可能对转录产物没有影响，如在玉米CMS-T、CMS-C、CMS-S不育系中，线粒体编码基因改变的有20个，但其多数在转录水平没有差异［18］，在水稻两个CMS类型中也发现同样的研究结果［19］。Suzuki 等［20］在棉花线粒体上的8个编码基因上发现了大量的RNA编辑位点，如apt6的RNA编辑产生了终止突变。

3　烟草育性恢复与PPR基因

PPR蛋白（pentatricopeptide repeat，三角状五肽重复）是指以35个氨基酸残基组成的PPR结构域为单位，进行2～27个PPR串联重复的蛋白。PPR是高等植物中最大的基因家族之一，在介导植物细胞器基因的表达上起着重要作用，能调节叶绿体和叶绿体基因的表达或RNA的剪接、编辑、加工和翻译等［21］。

Ding等［22］在绒毛状烟草基因组中鉴定了487个PPR编码基因，该基因家族较均匀地分布在绒毛状烟草12条染色体上，其中61%的基因无内含子结构，74%的PPR基因具有RNA结合活性。

研究发现，除水稻Rf2、Rf17外，目前已鉴定的Rf基因均编码PPR蛋白，如矮牵牛Rf-PPR592［23］，油菜Rfo［24］，水稻Rf1、Rf5和Rf6［25］、Rf1a、Rf1b［26］，萝卜Rfk1［27］，高粱Rf1和Rf2［28］，而且Rf基因均含有线粒体定位序列。Ding等［22］将克隆的6个烟草PPR基因进行组织特异性表达，发现它们在烟草组织中均有表达，而且在不育材料中表达量高于同型保持系；通过NtomRf4和NtomRf5基因特异序列的RNA干扰表明，虽然NtomRf4和NtomRf5基因在转基因阳性植株中的表达量下降了57.1%～85.3%，但仍有可检测的表达量，也具有花粉活性，推测可能烟草Sua-CMS不育性发生的机制非常复杂，不能为单一Rf基因恢复育性。

4　问题与展望

雄性不育烟草在我国使用已有40多年的历史，从中国农业科学院烟草研究所最初引进MS白肋21×Ky10的F1代，并以此为不育来源，多家育种单位展开了烟草品种的回交转育工作，获得了目前生产上使用的所有不育材料。由于烟草是叶用作物，杂交种可以是不育的，因而无需像谷类作物那样“三系配套”，只要有雄性不育系和保持系就可以了，这也使烟草育性恢复研究进度较慢，目前不育系和多个品种杂交试验都证明烟草不育系的保持系易获得，而育性恢复材料筛选困难，这也是烟草恢复基因难以鉴定的一个重要原因。野生种包含丰富的变异，从烟草野生种中尝试恢复烟草不育系的育性可能是一个可选的方法，目前我们也正在进行这方面的尝试。

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