工业大麻雄性不育研究进展

张效霏 张利国

（黑龙江省农业科学院，黑龙江哈尔滨 150086）

1904年K.Koppehc确定了香薄荷属雄性不育性状的事实，揭开了在雄性不育方面开展深入研究的序幕。研究人员在多种植物上发现雄性不育现象，目前已在玉米、糖甜菜、高粱、番茄等农作物上得到实际应用[1]。大麻植株在生育期间会形成大量雄花，这些花在花序上出现时间相当长。在大麻杂交育种中，若将雌雄异株大麻类型用作原始材料，开花前须拔除全部雄性植株，这项作业需要进行多次，且要求特别精细[2]；若将雌雄同株大麻类型用作原始材料，则在整个开花期间须每天人工除掉雄花，这只能在数量有限的植株上行得通。由此可见，在进行大麻杂交育种时，去除雄花或拔除雄株需要花费大量人工劳动。用乙烯利给雄花化学去雄技术已在大麻上得到应用。但是，植株用乙烯利处理一段时间后，在幼芽上又会形成可育雄花，需要用乙烯利重复多次处理植株去雄。因此，研究大麻雄性不育性有重要意义。

1 大麻雄性不育性的表型性状

大麻雄性不育性状遗传在1969年被首次报道，后来在大麻种群中发现了6个基因型的雄性不育源[3]，其雌花发育正常、可育。家系IOCO-3和T10-5植株清晰显现不育形态是在盛蕾期和始花期，家系IOCO-2和IOCO-21植株清晰显现不育形态是在盛花期，家系Oih5-4植株清晰显现不育形态是在可育个体雄花谢花期，IOCO-14-6植株清晰显现不育形态是在营养生长末期向生殖生长转变的阶段。不育植株少量雄花在湿冷天气能稍开放或完全开放，开放花与可育植株不同的是花被片薄而苍白，花药空或半空、有皱褶、不散粉[4]。研究表明，大麻所有家系的雄性不育植株上雄花构件的体积比可育植株小得多，最明显的差异表现在家系T10-5上。雄性不育系IOCO-3的特征是植株低矮，植株上部特别是花序生长受抑制。其茎直径与株高的比值略高，节间缩短，植株浓绿色，叶片较普通可育植株大。雄性不育系IOCO-14-6的表型性状与其他雄性不育系有本质区别。 IOCO-3、T10-5、IOCO-2、IOCO-21 和 Oih5-4 等雄性不育系的雄花发育未表现出与生殖器官性变异有关的任何异常，但雄性不育系IOCO-14-6表现出间性类型的雌雄同株大麻雄性不育性：雄花转变成两性花，在两性花上生殖器官不育；而雌花则发育正常，能结出全价种子。

雄性不育系IOCO-14-6在植株现蕾期雄花花蕾生长缓慢，既小又表现大小一致，着绿色；然后雌蕊的柱头从花蕾中伸出，雄花花被片加大，逐渐变为畸形、无序张开或脱落。花序上生有间性花的区域呈现畸形性状，这种性状到植株成熟时表现更明显[5]。雄性不育系IOCO-14-6的花间性程度因天气条件而变化。在高温干旱年份，雌蕊发育较弱，柱头不伸出花蕾，花能以花蕾形态脱落；相反，湿冷的天气条件促进雌蕊形成，雌蕊柱头从花蕾向外伸出并明显超过被片长度，然后逐渐干枯。在湿冷的天气条件下，花会牢固地留在花序上直到植株成熟。所有6个雄性不育系植株的共同特征是生育期比可育个体略长。

2 大麻雄性不育性的细胞胚胎学特点

大麻可育植株的雄花一开始胚组织呈小突起状，花原基周边出现增生物，这些增生物后来发育成花被片；对着花被片在花原基的中心部也形成相似的增生物，这些增生物进一步分化成花药和花丝。在雄花发育初期，花被片和雄蕊平行发育。后来花被片超过雄蕊的发育速度，顶端合拢形成闭合的花蕾。雄蕊原基横断面上一开始呈半圆形，但其顶端很快变平坦而基部稍微加粗。接着几乎同时形成4条花药裂纹，把花药分隔成4个花药室，花药纵断面呈4裂轮廓，花药形成后才发育花丝。大麻幼小花药一开始由分生细胞构成，被表皮覆盖。花药初始分化过程中在离表面不远的4个角分出4组细胞，由这些细胞形成花药室的初生孢原组织。初生孢原组织通过分裂形成周壁层和次生孢原组织，细胞周壁层继续分裂而形成2个新层：一个是贴向表皮、发育成药室内壁的外层，另一个是与孢原组织毗邻的内层。3层花药阶段持续时间不长，因为内层很快分裂形成2个中间层和1个绒毡层。由此可见，大麻花药壁完全形成后由5层构成，即表皮、药室内壁、2个中间层和1个绒毡层。大麻不育植株的雄花与正常发育雄花的区别不仅在外表，还发生深刻的内部改造，而且花药的外形变异与雄蕊原基胚组织的内部改造密不可分，这最终导致花粉不育甚至根本无花粉。

2.1 花药壁层发育异常

小孢子研究显示，不同大麻家系雄性不育植株与可育植株的区别在于花药壁层形成的实质性反常。大麻家系雄性不育的雄花上，表皮和药室内壁等的细胞退化过程比可育花更明显[6]，细胞壁变薄，细胞质和细胞核被破坏。不育花药的药室内壁细胞的纤维化加厚表现较弱，阻碍了花药裂缝的形成，影响花粉从花药中逸出。与此同时，花药的中间层不退化，与正常发育雄花一样。不育花药的内中间层保持到花发育结束，内中间层的细胞含流态细胞质，核不清晰。外中间层细胞退化程度较低，只有一部分内容物损失，细胞基本上保持原状。

雄性不育植株花药中间层退化过程的弱化原因是花药壁的相邻层（花药内壁和绒毡层）正常功能失调。如家系Fayxobcka不育花绒毡层细胞核分裂不活跃，使绒毡层组织的形成晚于可育花。另外，还发现其他类型的绒毡层异常：一是绒毡层细胞衰亡。绒毡层细胞异常开始于单核阶段，具体表现是核体积缩小、颜色发暗。二是形成同质型绒毡层。绒毡层细胞溶解，变成既无细胞又无核的松散暗色物质，逐渐进入花药室腔，占据单核花粉粒之间的空间。

2.2 减数分裂发育异常

从大麻雄性不育植株上还发现减数分裂失调，这虽与可育个体情况相同，但前者比率明显高。最常遇到的减数分裂失调包括中期和后期分裂中的染色体脱离、分裂后期出现染色体滞后、形成后期染色体桥和在末期形成染色体小核。前一种减数分裂反常性状及表现程度，在不育植株的不同花上有所不同。在绒毡层组织衰亡情况下，减数分裂明显反常，花药变空。在绒毡层肥大（经常发生）的情况下，小孢子发生实质变化发生于单核花粉粒阶段。与可育植株相比，雄性不育植株花药内减数分裂波的方向变化明显。可育类型减数分裂开始于花药中部，然后向2个对立端扩展；而不育类型的减数分裂则开始于花药基部，然后向顶端扩展[7]。

由此可见，基因雄性不育大麻植株在减数分裂中存在实质性异常，不育源之间存在某些特殊差异，并且花粉母细胞核分裂失调特性在许多方面取决于花药壁绒毡层的发育状态。绒毡层细胞失调越严重，减数分裂过程异常频率越高。

2.3 花粉粒、雄花输导系统等异常

花粉粒异常表现为被研究的大麻雄性不育源没有花粉或者花粉粒完全无生活力，雄性不育源之间大麻花的花粉数量差别明显。雄花不育过程涉及所有生殖器官成员，其中包括输导系统。研究表明，大麻不育雄花花梗、花丝、花被片和药隔的输导束出现小面积断裂，与可育花相比导管数量少、直径小。雄性不育植株两性花发育异常，出现畸形花被片，而重瓣花畸形花被片总是产生于里层（正常发育的花被片既产生于外层，也产生于里层）。

3 大麻基因雄性不育性的实际应用

就大麻雄性不育性的实际应用而言，研究雄性不育系的经济性状具有重要意义。研究结果显示，不同大麻雄性不育家系的生产率不同，取决于雄性不育性基因与决定生产率因素的遗传因子之间的相互作用。雄花花蕾发育不良的家系Ohom-2I1、IOCO-1I3、Ohom-5表现为植株生长和发育退化。茎高度和直径的降低会导致原茎和种子减产。雄性不育植株的茎中纤维含量略高，种子生产率的差异不显著。雄性不育性的间性类型（家系IOCO-14），其基因ms对重要经济性状的形成不起多效抑制作用，反而使其生产率超过原始品种。

雌雄同株大麻的基因雄性不育性可用于2个方向的育种：一是培育普通的可育品种，二是培育新的雄性不育系。2种情况下育种的首要环节是大麻雄性不育系与可育大麻原始类型的杂交。雄性不育系用于杂交主要采取以下方式：在1个隔离圃内播种雄性不育系（母本）和可育类型（父本）的种子，父本选择应针对制定的育种目标；用宽行法播种，行距50 cm，株距5～10 cm；小区交替布置，每小区5～10行，这样能使父本类型兼顾到圃的两面；开花前拔除母本中的可育植株，只留不育植株。

把雌雄同株大麻基因雄性不育植株用作杂交母本类型，与采用乙烯利给可育植株去雄的差别在于，雄性不育植株不产生正常发育的雄花[8]，而用乙烯利处理的植株过一定时间仍能长出正常发育的雄花而且强烈散粉。在稀植条件下大麻植株高大繁茂，分枝旺盛，恢复到可育花的可能性特别大。此种情况下，或者用乙烯利反复处理植株，导致植株畸形和明显延长生育期；或者给雄花进行人工补充去雄以及干脆拔除恢复可育花危险性大的部分植株。通常情况下，雌化雄麻属于这类危险植株。

4 结语

在大麻基因雄性不育性研究方面，应特别重视雄性不育性与植株其他性状之间的相互联系的研究。已经发现2种大麻雄性不育性表现型：雄花花蕾在一定阶段停止生长发育，逐渐枯萎和脱落；雄花花蕾上形成不育雌蕊取代花药，即形成两性（间性）花。由此可见，雄性不育性不同类型的出现提醒人们，在探索新雄性不育源时必须关注生殖器官发育中的异常，因为它们可能是遗传性状。

在雌雄同株大麻上，应用基因雄性不育性的好处是显而易见的，可减少用于排除母本植株上雄花的大量劳动，省工省力。与此同时，寻找细胞质不育源也是十分必要的，它能解决杂种繁育的实际问题。