十字花科作物细胞质雄性不育的分子机理
十字花科蔬菜细胞质雄性不育的类型与不育机理
1 细胞质雄性不育的类型
近年来, 在十字花科蔬菜上发现和培育了多种 细胞质雄性不育源, 而研究较多的主要有以下 7种 类型。 1. 1 Ogu CM S( 萝卜细胞质雄性不育 )
它最早是由小仓 (拉丁语称为 Ogura) 1968年利 用在日本鹿儿岛一个萝卜品种留种田中发现的雄性 不育株选育而成, 表现为花蕾瘦小, 柱头弯曲或突出 花蕾外面。经大量试验证明, 其不育性是由细胞质 基因和 2对隐性细胞核基因共同控制, 但一直未找 到育性恢复基因。该不育源雄性败育彻底, 不育度 和不育株率均为 100% , 是十字花 科作物中迄今发 现的不育性最彻底的胞质不育源之一, 被公认为研 究和利用价值最大 [ 4- 5] 。但 O gu CM S 被转入甘蓝、 白菜、青花菜、花椰菜等其他十字花科蔬菜中时, 出 现了低温 黄化和蜜腺不发达等 问题 [ 6] 。为 了解决 这些问题, 国内外学者通过采用不同育种途径 [ 7- 8] 和原生质体融合 [ 7- 9] 等方法对 O gu CM S 进行了改 良, 改良后的 Ogu CM S基本上不存在上述问题。 1. 2 Po l CM S ( Po lim a CM S)
植物雄性不育的发生机理
积的去雄工作，并且保证杂交种子的纯度。
应用这种雄性不育时必须三系配套，即具 备不育系、保持系和恢复系。
谢谢
编码了一个分子量为13000的多肽。
2、质核不育假说
• 质核互补控制假说
• 能量供求假说
• 亲缘假说
质核互补控制假说
假说认为，不育基因存在于线粒体上。如 果线粒体为N型则正常翻译，当为S型时不育 基因会使一些酶不能形成或是不正常，最终 导致了花粉的败育。而当核基因为R时，核基 因仍能产生正常的遗传信息，即R补足了S的 缺陷；而当核基因为r时，核基因只携带了不 育的遗传信息，即不能补足S的缺陷。所以必 须在r与S共存时才会不育。亲缘假说ຫໍສະໝຸດ 这个假说认为，两个亲缘差距越大，杂交
后的生理不协调程度也越大，当不协调程度
达到一定程度时就会不育。如果要使不育系
恢复，则要选用与不育系亲缘接近的品种作
为恢复系。但是此假说没有说明不育基因和
恢复基因是如何作用的。
三、雄性不育性的利用价值
雄性不育性主要应用于杂种优势的利用上，
杂交母本获得了雄性不育性，可以免去大面
二、雄性不育的发生机理
1、胞质不育基因的载体。 2、关于质核不育型的假说。
1、胞质不育基因的载体
多数科学家认为线粒体基因组是雄性不育基因的 载体。其证据是他们发现玉米的不育株与保持系的 线粒体游明显的不同。
玉米线粒体基因类型
四种育型的mtDNA的翻译结果
以N型的蛋白为对照所得如下结果：
T型：多翻译了分子量为13000的多肽；
能量供求假说
这个假说认为，进化程度低的野生种的线
粒体能量转换率低，供能低，耗能低供求平
衡所以能育。进化程度高的栽培品种的线粒
利用远缘杂交转育青花菜细胞质雄性不育系的研究
甘蓝型油菜 （ ｒ ｓ ａｎｐ ｓ雄性不育系 ． Ｂａ ｉ ａｕ） ｓｃ 青
花菜 （ ｒ ｓ ａ ｏ ｒ ｅ ．ｖｒ ｔｉ ｈｎｋ Ｂａ ｉ ］ ａ ａ Ｌ ａ ａ ｃ Ｐ ｅｃ— ｓｃ ｅ ｃ ．ｉｌ ａ ｑｎ ） ｉ 自交 系 ２０ ４ ６ ， ｇ ０ ４２ Ｂ 两个材料 均种植于温州
两亲本性状。 培养室温度 ：３ ２ ， ２＋ ￣ 每天 １ 小时 ４ Ｃ ２ ０瓦 日光
灯补充 光 照 。
２ 结果 与分析
２ １子房发 育 天数 对杂 种 子房离 体培 养 的影 响 ．
分别在苗期 、结球期和花期考察杂交后代及
表 １ 子房发 育 天数 对杂 种 子房离 体 培养 的 影响
型油菜Ｘ 青花菜种间杂交不孕 。成功转育青花菜 细胞质不育系找到有效方法。
授 粉后 子房 不 同发 育 天 数试 验 ：以（ ） ｗ Ｗｈｔ＋ ６． ＋ Ｂ ． ＋ 氨 酸 １ｍｇ＋ ｉ ＶＢ ５ ｅ ０ ｍ Ｖ ｌ５ ０ｍ 甘 ５ ／ 烟酸 １
２５ ｇ ＋Ａ ５ ｇ＋ ． ／ ＩＡ ． ／ 蔗糖 ５ｇ 为培养基 ， ｍ ｌ １ｍ ｌ Ｏ／ ｌ 对授粉 后 ３６ ９ １ 、５ １ 、１ 、、 、２ １、８２ 天的杂种子房进行离体培 养。 １． ．３增殖培养 子房离体培养 ３ 天后 ， ２ Ｏ 在超净工
Ａ ．ｍ ／＋蔗 糖 ５ ； Ｗ１Ｗｈｔ＋ Ｂ ． ＋ Ａ１ ｇ ５ ］ Ｏ （ ） ｉ Ｖ６５ ｅ ０ｍ Ｖ ｌ． ／＋甘 氨 酸 １ｍ ／＋烟 酸 ２５ 【 ＋－ Ｂ ５ ］ ０ ｍｇ ５ｇ １ ．ｍ Ｉ
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域 。但是远缘杂交的亲本之间其遗传关系相对较
远， 在杂交过程中会出现各种障碍 ， 不能得到杂种 或杂种不能继续繁育 ， 其表现有杂交不亲和、 杂种 衰亡和杂种不育。杂种衰亡是远缘杂交中存在杂 种胚乳不能正常发育 ， 杂种胚因饥饿而死亡 ， 导致 杂种胚败育 ， 造成远缘杂交失败。 通过子房离体培 养可以克服远缘杂交杂种衰亡现象 ， 前 ， 目 国内外
甘蓝细胞质雄性不育材料的分子鉴定
甘蓝细胞质雄性不育材料的分子鉴定刘娇娇;王超;王帅【摘要】We used the two male sterile lines PM and QM of cabbage as materials, and designed specific primers according to the conserved regions of orf224 and orf138 gene sequence in Genebank, then amplified their mtDNA by PCR. The results showed that, the specific primers oforf138 had amplified a distinct band with the size about 350 bp on both two materials, and the homologous degree was 92.55% between the two specific fragments and the Ogu orf138 gene of radish Ogu CMS, and the size of homologous fragments were both 297 bp. Therefore, we concluded that these two sterile materials were Ogura cytoplasmic male sterility type.%根据Genebank中orf224和orf138基因序列的保守区设计特异引物，对2个甘蓝不育材料PM、QM的mtDNA进行PCR扩增。
试验结果表明，orf138特异引物对2个不育材料的mtDNA扩增出350 bp大小的清晰条带；不育材料的特异片段与萝卜Ogu CMS所具有的Ogu orf138基因同源度达92.55%，长度均为297 bp，因此，初步推断2个不育材料是Ogura胞质雄性不育类型。
十字花科作物细胞质雄性不育的分子机理
检测也证明了这一点。关于这方面的进一步研究需
要探明的是
如何影响线粒体的功能，以及这
些变化如何影响花粉发育，并提出相应的调控模式。
Yuki 和 Toshiya[22]研究了萝卜线粒体基因组中
与异型同源 CMS 系，发现了与不育相关的 3 个与
嵌合的特异基因，并分别定名为
、
和
。其中，
的结构与向日
农业生物技术学报 Journal of Agricultural Biotechnology 2003,11 渊5冤院 538~544
十字花科作物细胞质雄性不育的分子机理 *
张明方 杨景华 陈竹君
（浙江大学园艺系，杭州 310029）
·综述·
摘要：从分子水平综述了十字花科作物细胞质雄性不育的机理、雄性不育相关基因的表达与调控特点，以及细胞质雄性 不育的蛋白组学研究进展，并对需进一步研究的问题进行了讨论。
ORF138 与 S 转移酶的融合蛋白抗体，结果在 Ogu
型萝卜的 CMS 系线粒体中检测到与线粒体膜结合
的 20 kD 蛋白质（ORF138），在根和花的线粒体中
ORF138 的表达大约有近 10 倍的差异，在可育系叶
和花线粒体中 ORF138 含量很低，并发现不育系和
可育系在
的转录水平和 RNA 的编辑模式上
，细胞色素 b 复合体Ⅲ 亚基基因；
，NADH 脱氢酶复合体
第三亚基基因。
Boxes present CMS-associated open
reading frames（ORFs）which often
include novel sequences of unknown
origin（black）. Others present known
十字花科蔬菜雄性不育在杂交育种上的应用
十字花科蔬菜雄性不育在杂交育种上的应用作者：朱云川来源：《农民致富之友》2019年第18期蔬菜育种对品质与抗逆性育种十分重视，优秀种质资源的研究与不断创新成为焦点问题。
自身杂交的优势比较显著是十字花科作物的主要特点，自交不亲和系以及雄性不育系是选育杂种一代的方式。
十字花科选取雄性不育系为母本做出杂交育种能够有效增强杂种优势的应用范围，减少种子生产过程中所需要的成本，以确保杂交种子的纯度与质量。
比较优良的杂种其一袋就可以增加很大的产量，也可以提升其品质。
1、主要十字花科蔬菜雄性不育在杂交育种上的应用①萝卜雄性不育应用相关研究人员通过对其进行改良获得Ogu CMS，并应用至十字花科蔬菜。
国内研究人员曾于美国引入改良品种Ogu CMS材料，通过甘蓝自交系与青花菜自交系做出转育，获取回交后代，通过转育获得回交后代，低温环境下，叶片不存在黄化现象产生，不育花无异常问题顺利开花，雌蕊无异常现象，结实性稳定良好，应用前景广阔。
全新进行改良的Ogu CMD尽管对黄化与蜜腺问题做出一定的解决，不过对于抗病性、胞质负效应以及种子生产量等方面还存一些问题需要解决，十字花科蔬菜作物并未获得推广应用。
改良之后的胞质不育性应用至油菜种植，研究人员通过运用原生质体融合技术，针对甘蓝型油菜萝卜，能够有效解决胞质不育材料存在的遗传问题。
并成功获得全新优秀品种，并在一定的种植，产量较纯系相比提升明显。
国内研究人员通过以特定萝卜品种当作雄性不育系，采用选定的优良品种当作转育亲本，进行回交转育，得到不育株率全部的不育系品种，并培育出全新组合品种，位于生产中获得应用。
②白菜雄性不育应用白菜属于异花授粉作物，杂种优势特点显著，优良组合较常规品种获得良好的增长效果，仅需较短时间就可将大部分线性耐病性等基因有效转接至F1杂种之中，白菜的应用位置为F1的营养器官，无需育性恢复基因即可应用至生产。
甲型当作基础母本，同乙型进行有效杂交，后代样本中能够获得雄性不育系，培育获得乙型两用系，其当作母本，万泉青帮可育株作本样本，对其采取测交，培育获得甲型两用系，并对两种全新品种可育株采取测交，培育获得大白菜细胞质核基因雄性的不育系品种。
萝卜雄性不育系内源激素及游离氨基酸分析
２０ ０ ６年 ３月
种
子
（ ｅｄ Ｓｅ ）
Ｖ １２ Ｎ ． Ｍａ． ２０ ｏ．５ ｏ ３ ｒ ０６
萝卜 雄性不育系 内源激 素及游 离氨基 酸分析
邓代信 汪隆植 龚义勘 柳李旺
（ 南京农业大学 园艺学院蔬菜系
ａｙ ｅ ｔ ｏ ｅｉｇ ｓ ｇ ．Ｔ ｅｒｓｌ ｎ ｉａｅ ａ ｔｅ ｃ ｎｅ ｔｏ ｎ Ｃ ａ ｂ ｉｕ ｌ ｏ ｒｔ ａ ｈ ｉ ｌｚｄ ａ ｗ ｒ ｔ ｅ ｈ ｅｕｔ ｉｄｃ ｔｄ ｔ ｔ ｈ ｏ ｔｎ ｆＩ ｌ ｆ ｎ ａ ｓ ｈ ＡＡ ｉ ＭＳ ｗ ｓｏ ｖｏ ｓｙｌｗｅ ｈ ｎ ｔｅｒ ｍａｎａｎ ｒ ｎ ｆ ｒｌｂ ｄ ．ａ ｄ ｉ ｉｔｉｅｓｉ ｏａ ｕ ｓ ｎ ｎＣＭＳ ｉ ｗ ｓｈｇ ｅ ａ ｅ ｌ ｔ ａ ｉｈ ｒｉ ｌ ｙ ｓ山ａ ｌｒｌｂ ｄ ｕ ｐ ｏ ｉ ｉｔｉｅ ． ｎｅ ｎ ｉ ｆ ａ ｕ ｓｂ ｔ ｐ ｓｔ ｉ ｍａｎａｎ ｒ ｎ ０ ｏ ｅｎ ｓ
Ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｒ ，Ｔ ｒａ ｄ Ａ ｇ ｏ ｈ ｏ ｔｎ ｆＰ ｏ ｙ ｎ ｒ ｆＣＭＳ ｗａ ｏ ｅ ａ ｈ ｉ ｍａ ｎａ ｎ ｒ ，ｂ ｔＡｌ ｎ ｌ ｓ ｏ ｐ ｓ ｅ ｓ ｌｗ ｒｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｔｉ ｅ ｓ ｕ ａ ａ ｄ Ｇ ｕ ｗａ ｐ ｏ ｉ ． ｈ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ Ｒ ｄ ｓ Ｃ Ｍａｎａ ｎ ｒ ｌ ｅ Ｅ ｄ ｇ ｎ ｕ ｒ ｎ Ｆ ｅ ｍｉ ｏ ａ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｉｈ ＭＳ ｉ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｏ ｓ Ｈｏ ｍｏ ｅ ｎ ｒｅａ ｎ ｃｄ
Ｄｅ ｇ Ｄａｘｎ，Ｗ ａ ｇＬｏ ｇ ｈ ，Ｇｏ ｇ Ｙｉ ｉ ｎ ｉｉ ｎ ｎ ｚｉ ｎ ｑｎ，Ｌｉ ｉ ｎ ｕ Ｌ ｗａ ｇ
大头菜细胞质雄性不育系的创制及应用
㊀㊀2023年第64卷第5期1033收稿日期:2022-12-21基金项目:嘉兴市科技项目(2021AZ10015);浙江省重大研发计划项目子课题(2021C02064-2-2)作者简介:王瑞森(1990 ),男,河南封丘人,农艺师,硕士,主要从事十字花科作物育种工作,E-mail:wangruisen@㊂通信作者:姚祥坦,男,温州平阳人,高级农艺师,硕士,主要从事十字花科作物育种工作,E-mail:yxt156@㊂文献著录格式:王瑞森,权新华,沈盟,等.大头菜细胞质雄性不育系的创制及应用[J].浙江农业科学,2023,64(5):1033-1036.DOI:10.16178/j.issn.0528-9017.20221298大头菜细胞质雄性不育系的创制及应用王瑞森,权新华,沈盟,袁晔,姚祥坦∗(嘉兴市农业科学研究院,浙江嘉兴㊀314000)㊀㊀摘㊀要:利用甘蓝型油菜细胞质雄性不育系作为不育源,以野生型芥菜为转育载体进行杂交,将不育基因导入野生芥菜中,并以大头菜为轮回亲本,经过连续6代回交,育成大头菜细胞质雄性不育系㊂此方法创造性地利用野生型芥菜作为转育载体,克服了甘蓝型油菜不育系与大头菜直接杂交不亲和的问题,转育获得的不育系与大头菜杂交结实好,F 1代杂交组合产量高,抗病性强,具有广泛的适用性和较强的应用前景㊂关键词:细胞质雄性不育;转育载体;大头菜中图分类号:S334.2㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0528-9017(2023)05-1033-04㊀㊀大头菜,属十字花科(Brassicaceae )芸薹属(Brassica L.)芥菜种(B.juncea L.)大头芥变种,农艺学分类属于根用芥菜(B.juncea var.megarrhiza Tsen et Lee),其表面光滑㊁块根大㊁产量高,内部硬筋少,加工后的大头菜味道鲜美香脆,受到人们广泛喜爱[1]㊂目前芥菜类品种选育主要集中在叶用芥菜和茎用芥菜两个方向,且以常规品种居多㊂近几年登记或认定报道的品种多数分布在浙江㊁湖北㊁四川和重庆[2-6]㊂根用芥菜品种系统研究较少,种质资源单一,品种以农民自留种为主,且具有很强的地域性㊂市面上销售的大头菜种子多为常规种,在抗病性㊁产量以及品质等方面均有较大的提升空间㊂杂种优势的利用是提升农作物产量㊁抗性以及品质的有效途径,在十字花科作物中已有广泛的应用,利用细胞质雄性不育系已成功选育出白菜㊁甘蓝㊁甘蓝型油菜等系列杂交品种[7]㊂目前国内外报道的芥菜细胞质雄性不育类型主要有hau CMS [8-10]㊁ogu CMS [11]和oxa CMS [12]等㊂华中农业大学利用hau CMS 细胞质雄性不育系选育出了叶用芥菜不育系0912A,并利用该不育系选育出华芥1号㊁华芥2号等杂交种应用于生产,此外还有茎瘤芥不育系欧新A 选育的报道[13]㊂但目前有关大头菜雄性不育系的选育和杂种优势利用等研究报道较少㊂为了提高大头菜品种产量和抗性,本研究利用甘蓝型油菜细胞质雄性不育系作为不育源,创造性地将野生型芥菜作为中间转育载体,以海盐大头菜纯系材料为轮回亲本育成了一份不育性彻底㊁不育系花器官发育良好㊁蜜腺发育正常㊁杂交结实率高的大头菜雄性不育系,具有亲和力好㊁抗病性强的特点,有较强的应用前景㊂1 材料与方法1.1㊀材料㊀㊀不育源:本课题组自有甘蓝型油菜ogu 细胞质雄性不育系CMS 92758A,该不育系的主要特点是雄蕊败育彻底,不受温度光照影响,无低温黄化现象,长势强,缺点是恢复系较少㊂中间转育载体:野芥1号是本课题组于2008年在基地发现的野生型芥菜,花器官发育良好,高抗菌核病,随机配组中发现其配合力较强㊂保持系:海盐大头菜为当地特有大头菜品种,主要特点是块茎表面光滑㊁块根大㊁产量高,内部硬筋少,深受当地喜爱㊂光头芥为本课题组于2015年收集的四川省内农家品种,经过提纯复壮,形成育种材料,具有大头菜典型特征,暂定名光头芥,该材料菜头偏小,抗病性略弱㊂1.2㊀选育过程㊀㊀2012年春将甘蓝型油菜ogu 细胞质雄性不育1034㊀㊀2023年第64卷第5期系CMS92758A与野芥1号杂交后发现其F1代花期符合CMS92758A不育性特征,表现为雌蕊㊁蜜腺发育正常,雄蕊花药退化无花粉等特征㊂随后将该F1代单株作为母本,海盐大头菜纯系单株为父本杂交,同时以该大头菜单株套袋留种作为固定轮回父本㊂2013年在杂交一代群体中筛选植株形态学指标偏芥菜型的单株与固定轮回父本回交获得BC1代种子㊂2014年在轮回杂交群体中筛选植株地上形态学指标偏芥菜型,植株根部膨大的单株与固定轮回父本回交,获得BC2代种子㊂2015 2018年以固定轮回亲本大头菜为父本,并定向选择植株性状偏芥菜型,植株根部膨大的单株为母本,进行定向回交转育㊂经过连续6年转育,获得BC6,即育成大头菜细胞质不育系芥17A㊂选育过程见图1㊂图1㊀大头菜细胞质雄性不育系选育系谱2 结果与分析2.1㊀特征特性㊀㊀由图2可知,大头菜不育系雄蕊花丝显著缩短;花药发育退化无花粉;花器官发育良好,蜜腺发育正常㊂由图3和表1可知,不育系和保持系花期植株高度相当,株型相仿;不育系菜头重为330.7g,与保持系相比,无显著差异,不育株率100%㊂图2㊀大头菜不育系花器图3㊀大头菜不育系和保持系植株表1㊀不育系和保持系农艺性状品种株高/cm株幅/cm叶片数叶长/cm叶宽/cm菜头直径/cm菜头重/g不育株率/%不育系29.3a32.4a14.3a29.8a12.1a8.9a330.7a100b 保持系31.5a31.7a13.5a28.7a11.3a9.1a320.4a0a ㊀㊀注:同列不同行数据后无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)㊂表2~4同㊂2.2㊀不育系制种、繁种㊀㊀为了进一步验证本研究转育的不育系的亲和性,设计了不育系繁种和引进父本杂交制种的试验㊂2019年于大棚内采用不育系芥17A与大头菜保持系数量比例为4ʒ1的方式隔行种植㊂在花期前进行防虫网隔离,蜂媒传粉,于成熟前期去掉大头菜保持系植株,收获若干不育系种子㊂同年以自有大头菜稳定品系光头芥作为父本,以大头菜雄性不育系芥17A作为母本进行杂交制种㊂于大棚内采用父本ʒ母本比例1ʒ4隔行种植,于花期前进行防虫网隔离,防止其他品种串粉,蜂媒传粉㊂于成熟前期去掉光头芥植株,留下植株收获即为杂交种子㊂由表2可知,不育系繁种有效角果率为72.3%,每角粒数为16.2个,而杂交种制种有效角果率为64.0%,每角粒数为18.4个,均达到显著差异,但其结实系数(有效角果率ˑ每角粒数)差异不显著㊂推测是保持系较光头芥与不育系亲缘关系近,花粉更易授粉导致不育系制种有效角果率更高,而每角粒数差异原因可能跟授粉时柱头发育程度有关,结实系数相近说明该不育系具有较强的杂交亲和力,制种和繁种效率高㊂同样栽培措施条件下,不育系繁种产量为783.0kg㊃hm-2,而杂交种制种产量为925.5kg㊃hm-2,结合结实系数差异不显著的结果,推测是千粒重不同造成的制种和繁种产量的差异㊂表2㊀不育系繁种和杂交制种比较品种每角粒数有效角果率/%单株有效角果数制种产量/(kg㊃hm-2)千粒重/g结实系数不育系17芥A16.2b72.3a376.8a783.0b 2.0b11.7a 杂交种F118.4a64.0b328.4b925.5a 2.3a11.8a 2.3㊀杂交组合表现㊀㊀2020年秋天以光头芥为父本,转育大头菜不育系17芥A为母本杂交制种收获的杂交种播种,同时设光头芥为对照,3次重复(分别为小区Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ),小区面积9.5m2,每重复播64棵,密度6.65万株㊃hm-2㊂2020年冬收获后进行考种,结果见图4~5和表3~4㊂结合表3和表4可知,相比对照,杂交一代株高增加7.3%,株幅增加1.5%,叶片长宽分别增加7.7%和20.2%,菜头直径增加5.4%,菜头重增加11.0%,特别是产量增产7.23%,说明杂交种具有更强的增产潜力㊂同时杂交种病毒病和霜霉病发病率和发病指数较对照均有不同程度降低,综合抗病性有一定提高,表明利用本研究选育的不育㊀㊀图4㊀大头菜杂交种和对照收获期植株图5㊀杂交种和对照收获期块茎剖面表3㊀农艺性状比较品种株高/cm株幅/cm叶片数叶长/cm叶宽/cm菜头直径/cm菜头重/g杂交种F135.2a34.0a16.5a33.8a13.7a9.7a379.8a 对照32.8b33.5a16.0a31.4a11.4b9.2a342.1b表4㊀产量和抗病性比较品种产量/(kg㊃hm-2)病毒病霜霉病发病率/%病情指数发病率/%病情指数杂交种F11666.7a 1.7b0.8b0.0b0.0a 对照1554.3b 5.0a 4.2a 3.8a 1.4a1036㊀㊀2023年第64卷第5期系配制的杂交种杂种优势明显㊂3 讨论大量实验证实,两物种之间的亲缘关系越近,越容易得到杂交种㊂甘蓝型油菜(AACC)和大头菜(AABB)同为十字花科(Brassicaceae)芸薹属(Brassica L.)异源四倍体,且均具有AA染色体组,理论上应具有较好的杂交亲和性,但本研究伊始将甘蓝油菜细胞质不育系作母本直接与雪菜㊁榨菜㊁大叶芥㊁大头菜等芥菜类栽培品种杂交,试图直接通过回交转育获得芥菜类蔬菜不育系,连续多年尝试均未成功㊂推测原因一是种间杂交亲缘关系较远;二是芥菜类栽培种蔬菜生育期普遍较甘蓝型油菜迟,芥菜类蔬菜开花时甘蓝型油菜不育系已处于终花期,从而导致杂交不结实㊂采用蕾期授粉或重复授粉㊁植物生长调节剂和幼胚培养等可以克服远缘杂交不亲和问题[14-15]㊂与前人方法有所不同的是,本研究在扩大杂交范围时发现,甘蓝油菜细胞质不育系与野生型芥菜杂交组合可获得若干真杂交种子,开创性地在克服远缘杂交不亲和问题时利用中间转育载体的桥梁作用,完成了不育基因由甘蓝型油菜至野生型芥菜再至栽培型芥菜品种大头菜的转移㊂野生型芥菜虽然遗传背景复杂,但其可能更接近异源四倍体原始种且表现为生育期与甘蓝型油菜不育系接近,从而更容易与甘蓝型油菜杂交获得遗传后代㊂在十字花科作物中杂种优势利用研究较为深入,其中细胞质雄性不育系的应用更加广泛,它具有免去人工去雄㊁节省劳动力㊁经济有效等特点,但是也有其自身的局限性,如容易受温度影响㊁育性不彻底以及恢复系难以筛选等[16-17]㊂本研究中不育源为本课题组前期选育的优质油菜ogu细胞质不育系,经过多年改造具有育性彻底㊁无低温黄化等特点,通过本研究选育到的大头菜雄性不育系同样具有花器官除雄蕊败育彻底外,蜜腺㊁柱头等均发育正常,无低温黄化现象等特点,具有较好的结实性㊂有研究表明,结实系数的高低,对制种和繁种产量制约较大,结实系数在7以上的亲本,制种产量比较稳定[18]㊂本研究中大头菜细胞质不育系繁种和杂交种制种时结实系数的结果表明,其具有较强的亲和力㊂目前受限于作者当前能够收集到的大头菜品种数量不多,利用该不育系配制杂交组合尚不多,其杂种优势尚不能完全验证,有待于进一步研究㊂大头菜作为传统风味小吃,广受人们喜爱,其产业复兴是促进乡村振兴,推动共同富裕的重要抓手,但因其品种多为农民自留种,产量和抗性均有局限性㊂选育大头菜专用不育系,充分利用杂种优势进行大头菜生产具有十分重要的意义㊂参考文献:[1]㊀张德纯.根用芥菜[J].中国蔬菜,2014(8):43.[2]㊀李靓靓,刘志培,陈丽潇,等.湖北省芥菜研究进展[J].湖北农业科学,2021,60(S2):5-7,12. [3]㊀孟秋峰,胡美华,王洁,等.浙江省芥菜研究进展[J].浙江农业学报,2020,32(9):1732-1740.[4]㊀颜新林,唐浩,李嫒嫒,等.芥菜育种现状及DNA分子标记应用进展[J].分子植物育种,2021,19(21):7160-7167.[5]㊀胡美华.榨菜杂种优势利用的若干问题探讨[J].浙江农业科学,1999,40(5):234-236.[6]㊀万正杰,李海渤,姚培杰,等.芥菜类蔬菜杂种优势利用的研究进展与展望[J].华中农业大学学报,2018,37(1):115-120.[7]㊀王同华,陈卫江,李莓,等.甘蓝型油菜萝卜细胞质雄性不育杂种优势利用研究进展[J].分子植物育种,2017,15(7):2777-2783.[8]㊀万正杰,王显军,傅廷栋,等.芥菜型油菜细胞质雄性不育系6-102A的细胞学观察[J].中国油料作物学报,2006,28(3):268-271.[9]㊀WAN Z J,JING B,TU J X,et al.Genetic characterization of anew cytoplasmic male sterility system(hau)in Brassica[J].Theoretical and Applied Genetics,2008,116(3):355-362.[10]㊀PRAKASH S,KIRTI P B,BHAT S R,et al.A Moricandiaarvensis-based cytoplasmic male sterility and fertility restorationsystem in Brassica juncea[J].Theoretical and AppliedGenetics,1998,97(3):488-492.[11]㊀史华清,龚瑞芳,庄丽莲,等.芥菜型油菜(Brassicajuncea)杂种优势利用的研究[J].作物学报,1991,17(1):32-41.[12]㊀陈竹君,高其康,吴根良,等.榨菜胞质雄性不育系花器形态结构及遗传变异[J].浙江农业学报,1993,5(3):172-176.[13]㊀范永红,周光凡,陈材林.茎瘤芥胞质雄性不育系的选育及其主要性状调查[J].中国蔬菜,2001(5):4-7. [14]㊀王传堂,唐月异,王秀贞,等.远缘杂交与化学诱变相结合选育高产传统出口型大花生新品种花育9610[J].种子,2016,35(3):100-101.[15]㊀王爱云,李栒,胡大有.胚胎挽救技术在油菜远缘杂交育种中的应用研究进展[J].种子,2005,24(9):41-45.[16]㊀于海龙,任文静,方智远,等.蔬菜细胞质雄性不育的育性恢复研究进展[J].园艺学报,2021,48(5):1031-1046.[17]㊀崔冰,石绍峻,李鑫,等.大白菜细胞质雄性不育研究进展[J].山东农业科学,2018,50(3):154-157,162.[18]㊀侯燕.杂交油菜制种提高母本结实率的研究Ⅰ不同亲本结实率的差异及其对制种产量的影响[J].种子,2003,22(4):103-104.(责任编辑:董宇飞)。
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, mitochondrial 26S ribosomal RNA gene;
, cytochrome oxidase subunit Ⅱ gene;
chloroplast ribosomal
protein gene; A, chloroplast tRNA-Arg gene; , unidentified reading frame;
, F1-ATP , NADH
dehydrogenase complex subunit 3 gene.
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540
农业生物技术学报
2003 年
型各自线粒体 DNA 的重组和表达特点造成不同的
雄性不育方式，各自的 DNA 区都存在特异的基因，
, tRNA-Met gene;
, cytochrome oxidase subunit Ⅰ
gene; , petunia cms-associated fused; ,
sterility sequence; , F0-ATP synthase complex subunit 6 gene;
synthase complex subunit 琢 gene; , F0-ATP synthase complex subunit 9 gene; , cytochrome b complex subunit Ⅲ gene;
农业生物技术学报 Journal of Agricultural Biotechnology 2003,11 渊5冤院 538~544
十字花科作物细胞质雄性不育的分子机理 *
张明方 杨景华 陈竹君
（浙江大学园艺系，杭州 310029）
·综述·
摘要：从分子水平综述了十字花科作物细胞质雄性不育的机理、雄性不育相关基因的表达与调控特点，以及细胞质雄性 不育的蛋白组学研究进展，并对需进一步研究的问题进行了讨论。
值。我国利用雄性不育“三系”培育的杂交水稻、杂 作物线粒体基因组序列的测定及分析，表明了胞质
交油菜等居世界领先水平[1]。 目前，在常规作物如玉米[2]、小麦[3]、水稻[4]，以及
矮牵牛[5]、向日葵[6，7]等有关雄性不育机理的研究以 及雄性不育系的利用已经有了较为详细的报道，一
雄性不育性是由线粒体 DNA 编码区的冗长及基因 组结构的变化，导致 DNA 重排，从而导致线粒体的 功能紊乱，影响花粉的正常发育，产生雄性不育。 1.1 线粒体中与 CMS 相关基因的克隆及其结构
检测也证明了这一点。关于这方面的进一步研究需
要探明的是
如何影响线粒体的功能，以及这
些变化如何影响花粉发育，并提出相应的调控模式。
Yuki 和 Toshiya[22]研究了萝卜线粒体基因组中
与异型同源 CMS 系，发现了与不育相关的 3 个与
嵌合的特异基因，并分别定名为
、
和
。其中，
的结构与向日
细胞色素氧化酶第二亚基基因； ，
核糖体蛋白质 S12 基因； A，玉米
叶绿体 trna-Arg 基因；urf，未确定阅读
框;
, 甲酰甲硫氨酰基因； ，细
胞色素氧化酶第一亚基基因； ，矮牵
牛雄性不育相关的融合片断； ，菜豆
雄性不育（相关）序列； ，ATP 酶复
合体 F0 因子第 6 亚基基因； ，ATP 酶复合体 F1 因子 琢 亚基基因； ， ATP 酶复合体 F0 因子第 9 亚基基因；
to the 3忆- end）is as the indicated at the top of the figure, except in the case of
within the chimeric R region of S-cytoplasm maize, which is
oriented as the illustrated.
The molecular aspects of cytoplasmic male sterility (CMS), the regulatory expression of CMS related genes and the proteomic research of CMS in cruciferous crops were reviewed. And the problems for further research were also discussed.
没有变化；不育系和可育系的根部线粒体中
的转录和蛋白质水平几乎没有或是有很小的差异，
这些结果表明，ORF138 蛋白质具有器官特异性表
达特点，且是由于翻译或者翻译后加工造成的。这个
结论支持了前人关于
与 Ogu 型萝卜 CMS 有
关的遗传研究。先前关于玉米、烟草、矮牵牛等 CMS
系的研究，主要是集中在不同器官和不同基因型植
株中表达不同的蛋白质，且这些蛋白质的表达差异
是在核基因控制下的 RNA 水平上的差异造成的；
进一步研究发现育性恢复基因可能是影响蛋白质翻
译水平或者是 ORF138 蛋白质的稳定性的因素，而
在转录水平上没有直接影响。同时发现，矮牵牛 PCF
（不育基因表达的蛋白质）和向日葵中 ORF522（不
育基因表达的蛋白质） 花中比叶中的表达丰富；而
有了不同程度的报道。但为了更清楚地了解十字花 物理图谱，原生质体融合，鉴别不育系、保持系及恢
科 作 物 胞 质 雄 性 不 育 (cytoplasmic male sterility, CMS)的发生机制，必须对其胞质雄性不育发生的分 子机理进行深入地研究，为十字花科作物的育种提
复系植株的线粒体基因表达差异等方法获得与 CMS 相关的线粒体 DNA 序列，并深入地研究了这 些序列的分子生物学特性。在一些十字花科作物中，
ORF138 与 S 转移酶的融合蛋白抗体，结果在 Ogu
型萝卜的 CMS 系线粒体中检测到与线粒体膜结合
的 20 kD 蛋白质（ORF138），在根和花的线粒体中
ORF138 的表达大约有近 10 倍的差异，在可育系叶
和花线粒体中 ORF138 含量很低，并发现不育系和
可育系在
的转录水平和 RNA 的编辑模式上
the mitochondrial genomes of various
species 方框表示与 CMS 相关的开放阅读框，它
通常包括一些未知的新序列（黑框）。
其它表示已知线粒体基因，并以标准线
粒体基因命名法命名；平行虚线示序列
同源性；除玉米 S 胞质
基因外，图
上转录方向均为 5忆-3忆 。
，26S 的核糖体 RNA 基因； ,
些十字花科作物，油菜[8]、萝卜[9~11]、芥菜[12]、茎用芥菜 [12，13]、白菜[14]等有关胞质雄性不育系的发现与选育， 控制雄性不育相关基因的克隆、基因的表达与调控， 以及利用胞质雄性不育进行杂种优势利用等，已经
许多学者[18]最初利用线粒体 DNA 的 RFLP 图 谱差异来研究线粒体与不育性的关系，在 RFLP 图 谱中不育系与回复突变可育系存在明显差异的谱 带，表明线粒体与不育性高度相关。最近采用了比较
也同源，
编码一 18 kD 与线粒体膜结合的蛋白质； 编
码一 16 kD 的多肽，包括有一个 N- 端的疏水区和
一个 C- 端的亲水区。同时发现， 只在不育株
中有特异表达，而
在可育株和不育株中都有
表达。
为了研究 Ogu 型萝卜 CMS 系中
在表达
水平上的调控特点和育性恢复基因对 ORF138 蛋白
的影响，Subbiah 和 Christopher[21]制备了谷胱甘肽型
关键词：十字花科；细胞质雄性不育；线粒体 DNA；基因表达与调控；蛋白质组学
The Molecular aspects of Cytoplasmic Male Sterility in Cruciferous Crops
Zhang Mingfang Yang Jinghua Chen Zhujun
（Department of Horticulture, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China）
字花科作物品种改良的重要途径。在十字花科作物 的优势育种中，除利用自交不亲和系以外，利用雄性 不育系是一条重要的途径。利用雄性不育可以省去
线粒体本身具有自己的基因组 DNA，并能编码相应 的蛋白质。胞质雄性不育性的母性遗传特点把胞质 雄性不育性与线粒体联系起来。随着对胞质雄性不
人工去雄，在农作物杂种优势利用上有重要应用价 育性分子水平研究的深入以及玉米、水稻、拟南芥等
mitochondrial genes, which are
designated by standard mitochondrial gene nomenclature. Parallel dashed lines indicate sequences similarities. The direction of transcription（from 5忆-
cruciferous crops ; cytoplasmic male sterility; mitochondria DNA; gene expression and regulation；proteome
十字花科包含许多重要的经济类作物，如白菜、
母性遗传是胞质雄性不育性的重要特征。高等
甘蓝、萝卜、茎用芥菜、甘蓝型油菜等。优势育种是十 植物细胞质中有一个重要的半自主性的细胞器，即
类型的细胞质引起，其中不育细胞质来源于萝卜的
Ogu 型细胞质和在
发现的起源于野生种
的细胞质；另一是存在于
中
的内源的不育细胞质，分为 几种作物线粒体基因组上与 细胞质雄性不育相关的嵌合基因区