大白菜细胞质雄性不育研究进展

崔冰 石绍峻 李鑫 李洪雷 范海 王凤德 高建伟

摘要：细胞质雄性不育在大白菜杂种优势利用中具有非常重要的应用价值。大白菜细胞质雄性不育主要分为大白菜波里马细胞质雄性不育（Pol CMS）和萝卜细胞质雄性不育（Ogu CMS）两种类型。Pol CMS已在生产实践中得到应用，而Ogu CMS在生产应用方面还存在一些问题，需要进一步完善。对大白菜细胞质雄性不育形成机理的研究结果表明，细胞质雄性不育系的花药组织在发育过程中脱落酸和细胞分裂素的含量均高于其相应的保持系，而游离氨基酸（特别是脯氨酸的含量）、蛋白质、可溶性糖等营养物质均低于其保持系。大量的证据表明，线粒体基因组的重组或重排是造成细胞质雄性不育的关键因素，但是目前尚无直接证据表明叶绿体与细胞质雄性不育相关。本研究从以上几个方面综述了近年来大白菜细胞质雄性不育的研究进展，并对其发展前景进行了预测与展望。

关键词：大白菜；细胞质雄性不育；杂种优势；研究进展

中图分类号：S634.103.6文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）03-0154-05

Abstract Cytoplasmic male sterility has a very important application value in the use of Chinese cabbage heterosis. The cytoplasmic male sterility is mainly divided into Polima cytoplasmic male sterility （Pol CMS） and Ogura cytoplasmic male sterility （Ogu CMS） in the Chinese cabbage，of which Pol CMS has been applied in the practice of production， while there are still some problems in the production and application of Ogu CMS， which needs to be further improved. The study on the mechanism of cytoplasmic male sterility in Chinese cabbage shows that the contents of abscisic acid and cytokinin are higher than those of its corresponding maintainer in the anther tissue of cytoplasmic male sterile line during the development process， while the contents of free amino acids （especially proline）， protein， soluble sugars and other nutrients are lower than its corresponding maintainer. A lot of evidences show the recombination or rearrangement of the mitochondrial genome is the key factor responsible for the cytoplasmic male sterility， but it is not clear if CMS is associated with chloroplast. In this paper， we reviewed the research progress on CMS in Chinese cabbage in these years， which would be useful for Chinese cabbage heterosis breeding in the future.

Keywords Chinese cabbage； Cytoplasmic male sterility （CMS）； Heterosis； Research progress

雄性不育（male sterility）是指植物在有性繁殖过程中雌性器官正常、雄性器官退化从而不能产生正常的花粉，导致花粉粒无法正常萌发，不能参与受精的现象。由于植物雄性不育类型繁多，遗传关系复杂，人们提出了多种不同学说来解释这种生命现象。Edwardson[1]的“二型假说”将雄性不育分为两种类型：一是细胞核雄性不育（genic male sterility，GMS），由核基因控制并遵循孟德尔遗传定律；二是细胞核与细胞质互作的雄性不育，也称细胞质雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS），由核不育基因和质不育基因共同决定[2]。目前，人们在大白菜中发现和选育的多种雄性不育系[3-6]在育种中发挥了重要作用。同时，关于大白菜细胞质雄性不育的调控机制研究也取得了长足进展。本研究将对上述研究进行综述，以期为下一步大白菜新品种的培育提供科学依据。

1 大白菜细胞质雄性不育的类型及应用

大白菜细胞质雄性不育类型繁多。国内外研究最多、应用最广泛的是大白菜波里马细胞质雄性不育（Pol CMS）和萝卜细胞质雄性不育（Ogu CMS）。

1.1 Pol CMS

1972年，傅廷栋首次在油菜中发现Pol CMS，被认为是当今世界最有利用价值的细胞质雄性不育系[7-9]。Pol CMS除了被用在油菜育種中外，还被广泛用在芸薹属蔬菜的雄性不育系选育上。柯桂兰等[10，11]用大白菜3411-7为父本，转育Pol CMS，最终获得了大白菜胞质雄性不育系CMS3411-7。CMS3411-7的育性比萝卜不育系更加稳定，不会发生苗期黄化、蜜腺退化等现象。目前大白菜胞质雄性不育系CMS3411-7包含两个系列：Pol菜心不育系和Pol红菜薹不育系。

Pol CMS有一个致命的缺点，偏低或偏高温度下常产生少量花粉从而影响杂交种的纯度。温度敏感一直是Pol CMS难以彻底解决的重要问题。2006年，杨晓云等[12]对Pol CMS进行了改良，以不结球白菜Pol CMS为不育源，用大白菜自交系作转育父本，通过杂交、多代回交及不育性选择，育成大白菜Pol CMS不育系A7。A7不育株率100%，不育度99%以上，具有不育性稳定、对温度敏感性极低、生长发育正常、农艺性状优良、配合力高等特点，已用于一代杂种的配制。

1.2 Ogu CMS

1968年Ogura在蘿卜中发现雄性不育株，并培育成了雄性不育系，将其命名为Ogu CMS[13]。Ogu CMS由细胞核内两对隐性rf基因与胞质基因共同决定其不育性，属于核质互作类型[14]。Ogu CMS作为一个理想的不育类型，被广泛应用于白菜、油菜、甘蓝等十字花科作物的雄性不育研究领域。

20世纪80年代初，我国引进美国的萝卜Ogu细胞质雄性不育源，并向大白菜转育[15，16]，但该不育源存在叶片黄化、生长迟缓、蜜腺退化、配合力差等缺陷，未能在生产上得到应用。1992年，张德双等[17]从美国引进了经过改良的萝卜胞质大白菜雄性不育系95A12、95A13，并向大白菜做了转育。随着种植转育代数的增多，转育材料出现一定的退化，幼苗发生畸形并且杂交组合优势不明显，可用价值不高。目前，对萝卜胞质不育系的研究虽然取得了很大进展，但还存在着一些问题亟需解决，因此该不育系未能真正用于生产之中。

2 大白菜细胞质雄性不育的生理研究

2.1 激素水平与细胞质雄性不育

脱落酸（ABA）和细胞分裂素（CTK）的含量与植物的细胞质雄性不育密切相关，二者在植物中的含量异常升高将会导致花粉育性降低甚至导致其败育[18，19]。研究发现，在大白菜胞质不育系花药发育过程中，植物激素含量也发生异常变化[20，21]。细胞质雄性不育系中ABA的含量特别高，CTK的含量高于其相应的对照，并且ABA与CTK之间含量的相对比例和植物的花蕊及花粉的生长具有一定关系[22，23]。所以，可以认为大白菜细胞质雄性不育系中花药组织激素的含量和小孢子败育具有一定的关联。

2.2 部分细胞代谢产物与细胞质雄性不育

对小孢子而言，游离氨基酸、蛋白质、糖类等营养物质在其发育过程中均需要大量积累，三者中的任何一种物质缺乏都会导致细胞质雄性不育的发生[24]。

在大白菜的整个花药组织发育时期，胞质雄性不育系花药组织中的可溶性糖、游离氨基酸以及可溶性蛋白的含量相较于同时期的相应保持系都低[25]。花药组织中游离氨基酸的量，细胞质雄性不育系也同样低于其相应的保持系，特别是脯氨酸在不育系中的含量明显低于其相应的保持系[26-29]。花药组织中游离脯氨酸含量越低，植物的雄性不育发生率就越高，并有人将脯氨酸作为花粉组织中花粉育性的指标[30]。

3 大白菜细胞质雄性不育的分子机理研究

叶绿体和线粒体是一种半自主细胞器，拥有自身的遗传物质和遗传体系。植物细胞质雄性不育主要与叶绿体基因组和线粒体基因组的遗传性相关[31]。植物叶绿体基因组较小、保守性较强，发生重组的可能性不大[32-34]。因此，对于植物叶绿体基因组和细胞质雄性不育方面的报道比较少。而线粒体基因组具有多变性，人们认为细胞质雄性不育的原因是其突变造成的，目前有大量的研究证实细胞质雄性不育与线粒体基因组的某些改变具有一定的关联[35-38]。

3.1 叶绿体基因组与细胞质雄性不育

目前叶绿体基因组对植物雄性不育的影响方面并没有太多相关研究与报道。He等[39]对细胞质雄性不育系“珍汕97A”和保持系“珍汕97B”进行研究时发现：在不育系叶绿体trnL基因区域比保持系多6 bp的片段，并认为该片段有可能是导致胞质雄性不育的原因。至今为止，人们并没有发现直接有力的证据证明植物细胞质雄性不育与叶绿体基因组有关。

3.2 线粒体基因组与细胞质雄性不育

研究表明线粒体基因组（mtDNA）的重组或重排，应该是导致大白菜雄性不育现象发生的主要原因。基因组内的多个正向和反向的重复序列，能够引起mtDNA的重组和重排，进而引起其结构的变化，产生一些特异性位点导致大白菜胞质雄性不育[40-43]。

大白菜雄性不育系的不育性可以被特定的核基因恢复，Pol CMS和Ogu CMS分别对应的育性恢复基因为Rfp和Rfo[44-47]。大量研究证明育性恢复基因仅在花粉小孢子发育期间发挥作用，能使细胞质的功能失调得到改善。即可以在转录后的蛋白质水平上进行调节，从而使雄性不育系恢复育性，但不能直接作用于不育基因的转录水平[48-50]。

4 展望

目前，随着生命科学的不断发展，人们从分子生物学、生理生化、细胞学等多个角度对大白菜细胞质雄性不育机理进行不断的探索，并取得长足进展。但是细胞质雄性不育具有极其复杂的遗传机制，不育基因在一定时空上的表达，有时还会受到环境等外因的影响。有关大白菜细胞质雄性不育机理及其应用的研究仍面临许多问题。只有解决这些问题，细胞质雄性不育在育种上的优势才能发挥出来。相信随着生命科学的发展进步，人们一定会揭示细胞质雄性不育遗传现象的本质。

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