番茄長花柱型雄性不育研究進(jìn)展

張少麗 邵景成 胡志峰

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070）

番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）為自花授粉作物，具有明顯的雜種優(yōu)勢。目前我國番茄雜種一代種子的生產(chǎn)多采用人工去雄授粉，需投入大量的人力物力，制種效率低、成本高。為了簡化雜交制種程序、降低生產(chǎn)成本，番茄雄性不育系的發(fā)掘與研究成為廣大育種工作者研究的熱點。

據(jù)Kalloo（1991）報道，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)逾60個番茄雄性不育的突變材料，但由于不能產(chǎn)生100 %的不育后代即不育系無法保持，易發(fā)生自交，受環(huán)境影響較大等原因，這些不育類型一直未能應(yīng)用于生產(chǎn)。番茄的不育類型包括部位不育（長花柱，亦稱 L型不育）、功能不育、雄蕊退化和花粉敗育等4種類型。其中，部位不育型的形態(tài)表現(xiàn)是花器正常，只是花柱長度高出藥筒，雄蕊發(fā)育正常（王海廷，1983），人工輔助自交可以保持長柱頭特性，故理論上講，該種質(zhì)可一系兩用，但由于這種長花柱遺傳復(fù)雜，受環(huán)境溫度影響較大，表型不穩(wěn)定（徐鶴林和李景富，2006），所以阻礙了生產(chǎn)應(yīng)用。針對部位不育型（長花柱）番茄材料，國內(nèi)外學(xué)者在生理生化、遺傳特性及分子機(jī)制等方面進(jìn)行了深入研究。

1 溫度對番茄花柱長度的影響

植物在長期的進(jìn)化過程中形成的雌配子數(shù)大大少于雄配子數(shù)，而雄配子的生活力和耐受力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雌配子的平衡機(jī)制，因此在不良環(huán)境下，植物首先做出的反應(yīng)往往是雄性不育。高溫、干熱風(fēng)、低濕、缺水、高氮、短光周期以及低光強(qiáng)的情況下均可導(dǎo)致番茄花柱伸長（Honma &Bukovac，1996；Scott et al.，1980），但高溫是影響番茄花柱伸長的主要環(huán)境因子（Levy et al.，1978；Saeed et al.，2007）。

Levy等（1978）對耐高溫材料（Hotset）和高溫敏感材料（Hosen）進(jìn)行了溫度影響花柱長度的試驗。試驗分別在自然高溫和人工控溫條件下進(jìn)行，于花期對主枝前3序花的前3朵花進(jìn)行柱頭外露分析，并對花柱長度進(jìn)行了分級：低于或與雄蕊筒齊平的記為1，柱頭長出雄蕊筒0～1 mm的記為2，柱頭長出雄蕊筒1 mm以上的標(biāo)記為3。自然高溫試驗：7月將7株苗齡為6～7片真葉的幼苗移植大田，試驗期間平均日高溫為36.5～38.7 ℃，低溫為16.5～20.0 ℃。大田分析結(jié)果表明，Hotset和Hosen材料花柱長度達(dá)到2、3級的花分別占20.0 %和79.1 %。人工控溫試驗：分別取25個Hotset和Hosen單株進(jìn)行高溫（33±2）℃/（23±2）℃和常溫（23±3）℃/（17±3）℃處理，光照條件均43055 lx，結(jié)果表明，Hosen材料在常溫、高溫下花柱長度平均等級分別為2.1、2.8；Hotset材料分別為1.2、1.6。由此可見，無論是耐高溫材料還是高溫敏感材料，相對高溫均能使花柱伸長，只是高溫敏感材料花柱長度更易受到高溫影響。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)對番茄長花柱材料T431進(jìn)行了相關(guān)研究。張賀等（2006）研究認(rèn)為：T431屬溫敏型長花柱雄性不育系，其育性變化敏感時期是花瓣張角達(dá)60°前2～6d；育性轉(zhuǎn)換的溫度為24.68 ℃。對同一材料的研究，陳麗等（2009）卻得出了不一致的結(jié)論：T431材料在花芽分化期（二葉一心）時對溫度敏感，此時期溫度對花柱伸長的長度變化影響最大，為育性轉(zhuǎn)換的最敏感時期，此時期只要均溫高于 20 ℃則植株表現(xiàn)為長花柱，低于 20 ℃（18 ℃/10 ℃）時表現(xiàn)為短花柱。燕正民和王勇（2010）研究指出，T431材料在20 ℃以上的田間溫度下可以達(dá)到95 %以上的不育率。譚麗麗（2009）對 T431材料的花芽分化期（二葉一心）進(jìn)行高低溫處理，建立了溫敏差減文庫，并獲得各類相關(guān)的差異片段，進(jìn)一步驗證了陳麗等（2009）的試驗結(jié)論。

2 番茄長花柱型雄性不育的生理生化研究

陳麗等（2009）對長花柱番茄材料T431的生理機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫處理的T431，育性正常（短花柱），但葉片中的POD活性隨著處理時間的延長，活性增加，變化趨勢與正常的可育系正好相反；而在經(jīng)高溫處理時，葉片中的POD活性變化趨勢與正?？捎迪嗤Ｍ茰yT431由不育向可育轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致了葉片POD活性的增強(qiáng)。對葉片中的可溶性糖含量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)無論經(jīng)過高溫還是低溫處理，T431葉片中的可溶性糖含量均比正?？捎牧细摺Ｓ谑峭茢啵篢431材料在高溫時表現(xiàn)為長花柱，可能與葉片中可溶性糖含量升高、POD活性降低有關(guān)。另有研究報道，番茄長花柱可能是因為不良的環(huán)境導(dǎo)致植株的碳水化合物累積量降低而造成的（Scott et al.，1980）。Honma和Bukovac（1996）根據(jù)前人有關(guān)GA3可以促使番茄花柱伸長的報道，選用了Indian River（經(jīng)GA3處理，花柱伸長）和Fireball（經(jīng)GA3處理，花柱長度基本不變）為親本，進(jìn)行雜交，分別獲得了F1、F2及回交世代植株，并在現(xiàn)蕾期分別用濃度為1×10-3mol·L-1的GA3對第1花序進(jìn)行處理，7 d后對所有植株柱頭外露情況進(jìn)行觀察，統(tǒng)計柱頭外露率并進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明，GA3之所以能夠促使Indian River材料花柱伸長，是因為該材料中含有感應(yīng)GA3的基因Gx，該基因是一個完全顯性基因。

3 番茄長花柱型雄性不育的遺傳

大量的報道指出：番茄長花柱屬于數(shù)量性狀，由2～20個數(shù)量性狀基因控制，具體基因的多少由植株的基因型所決定（Rick，1969；Levin et al.，1994；Chen & Tanksley，2004）。

Scott等（1980）利用長花柱番茄與短花柱番茄（柱頭低于雄蕊筒）進(jìn)行雜交，無論是正交還是反交，F(xiàn)1植株均表現(xiàn)出輕微的長花柱特性，從而指出番茄長花柱相對于短花柱表現(xiàn)為不完全顯性，并且控制花柱長度的基因位于細(xì)胞核，與細(xì)胞質(zhì)無關(guān)。由于F1植株表現(xiàn)出輕微的長花柱特性，影響自交結(jié)實，所以給番茄雜種優(yōu)勢利用帶來不便。Atanassova（2000）同樣指出番茄長花柱型是由不完全顯性基因控制，很難在番茄制種中得到應(yīng)用。Georgiady等（2002）利用 LA1237（短花柱）和 LA1581（長花柱）進(jìn)行花柱長度的遺傳實驗，雜交結(jié)果顯示 F1植株花柱長度為兩親本的中間類型，花柱長度稍偏向長花柱親本，而 F2植株花柱長度接近于兩親本花柱的均值，且從 F2群體中發(fā)現(xiàn)了比LA1237花柱更短的植株，而沒有發(fā)現(xiàn)像LA1581親本花柱長度的植株。國內(nèi)20世紀(jì)70年代，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心運(yùn)用“長柱頭”材料為母本，進(jìn)行不去雄授粉，獲得了大果型、粉色、品質(zhì)好的“長雜組合”早、中、晚三類型，性狀表現(xiàn)優(yōu)良，也不存在F1長花柱影響結(jié)實的現(xiàn)象（王鳴，1979；王海廷，1983）。

上述有關(guān)番茄長花柱性狀的遺傳研究，結(jié)論各異，預(yù)示著該性狀的表現(xiàn)可能與材料的基因型及生態(tài)環(huán)境有關(guān)。另外，在所研究的材料中，控制長花柱性狀的多個基因可能存在不同程度的雜合性，這也許是導(dǎo)致上述不同結(jié)論的原因之一。

4 番茄長花柱型雄性不育的分子機(jī)制

為了弄清番茄長花柱的真正原因，學(xué)者們應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)對長花柱型番茄進(jìn)行了廣泛的研究。

4.1 基因定位研究

番茄花柱長度屬于數(shù)量性狀，Georgiady等（2002）對該性狀進(jìn)行了基因定位研究，結(jié)果在8號染色體上發(fā)現(xiàn)了效應(yīng)較大的 QTL位點 sty8.1。Gorguet等（2008）利用兩個不同品系 IL5-1和IVT-line1（分別含有不同的Solanumhabrochaites染色體片段）對單性結(jié)實性狀進(jìn)行QTL定位，意外地在 IL5-1的 5號染色體的長臂上發(fā)現(xiàn)了控制番茄花柱長度的基因位點 se5.1。Bernacchi和Tanksley（1997）用自交親和系和野生的自交不親和系的BC1群體進(jìn)行QTL分析，在2號染色體上發(fā)現(xiàn)了長花柱基因位點se2.1。Fulton等（1997）用回交高代QTL作圖法，也將長花柱QTL位點定位在2號染色體上。Chen和Tanksley（2004）以野生番茄L.pennellii漸滲系L2-5（長花柱）和其近等基因系的栽培品種M82（短花柱）為材料開展了番茄花柱長度性狀的QTL精確定位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)番茄控制花柱長度的主效位點se2.1位于2號染色體上。利用F2群體進(jìn)行高分辨率作圖，發(fā)現(xiàn) se2.1是一個復(fù)合位點，包含至少 5個緊密連鎖的基因，即 1個是控制花柱長度的基因（style2.1），3個控制雄蕊長度的基因（stemen2.1、stemen2.2、stemen2.3），還有1個是影響花藥開裂的基因（dehiscence2.1）。以上開展的番茄長花柱性狀的QTL定位分析，分別將該基因位點定位在2、5、8號等染色體上，預(yù)示著控制番茄長花柱性狀基因的復(fù)雜性。

4.2 相關(guān)基因的克隆及分子機(jī)理研究

為了探索溫度對番茄溫敏型長花柱突變體系T431花柱長度變化的影響機(jī)制，譚麗麗（2009）構(gòu)建了溫敏差減文庫，獲得了各種差異基因片段。燕正民和王勇（2010）進(jìn)一步對獲得的與逆境脅迫有關(guān)的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子 LeMBF1進(jìn)行了分析，得到了該基因的完整序列，半定量 RT-PCR分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常溫下LeMBF1在T431莖尖生長點中表達(dá)量極低，而花芽分化期經(jīng)低溫處理3 d后，莖尖生長點表達(dá)量明顯增加，推測LeMBF1可能參與花器官的形態(tài)建成，抑制T431的花柱伸長。Levin等（1994）研究了雄性不育基因ms10對番茄花柱及雄蕊筒長度的影響，ms10基因能夠同時縮短番茄花柱及雄蕊長度，縮短的長度分別為（1.2±0.1）mm和（2.5±0.1）mm，意味著柱頭外露長度為（1.3±0.1）mm，所以認(rèn)為 ms10基因參與調(diào)控番茄的柱頭外露。Chen和 Tanksley（2004）在發(fā)現(xiàn)se2.1 位點含有5個緊密連鎖的基因，其中style2.1為控制花柱長度的主基因位點后，繼續(xù)對style2.1基因位點進(jìn)行了更深入研究。Chen等（2007）指出style2.1基因位點包含有一個基因的上游序列L02，功能性分析證實L02是控制花柱長度的主效基因，命名為style2.1基因。但研究發(fā)現(xiàn)決定番茄花柱縮短（番茄從異花授粉方式進(jìn)化成自花授粉方式）的不是style2.1基因翻譯的蛋白，而是由style2.1基因類似轉(zhuǎn)錄因子控制。在花的形態(tài)進(jìn)化過程中，style2.1基因的類似轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生突變（啟動子上游區(qū)序列在長、短花柱材料中存在明顯差異），導(dǎo)致 style2.1基因表達(dá)水平下調(diào)，花柱縮短。目前，Chen等于2008年將長花柱的野生番茄和其近等基因系的栽培品種的style2.1轉(zhuǎn)錄因子的DNA和mRNA序列遞交GenBank數(shù)據(jù)庫（EU161281～EU161284）。

5 問題與展望

目前，由于番茄雄性不育系存在的種種缺陷，嚴(yán)重制約著其應(yīng)用，突破這一瓶頸需要有新的方法或新的材料。長花柱番茄作為一種部位不育材料，在生產(chǎn)上具有很大的應(yīng)用潛力。但近些年，尚未見到有關(guān)該種質(zhì)的應(yīng)用報道。據(jù)王鳴（1979）記載，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心從大果型番茄福壽中，經(jīng)兩年分離，分別選出了無限生長類型及自封頂類型的“長花柱”品系，并用作母本與其他品種進(jìn)行不去雄授粉，獲得了表現(xiàn)較好的“長雜”組合早、中、晚類型。日本長野農(nóng)業(yè)試驗場雖然也進(jìn)行過番茄長花柱雄性不育類型的培育，但實際應(yīng)用未見報道。迄今，在其他作物上，如棉花（張正圣 等，1999）、水稻（王彥榮 等，2008）等長花柱種質(zhì)均已得到了廣泛應(yīng)用。

從已有的研究看，番茄花柱的伸長是一個極其復(fù)雜的發(fā)育過程，可能包括了一系列基因間、基因與基因表達(dá)產(chǎn)物間的相互作用。至少涉及到溫度感應(yīng)基因、控制花柱長度的基因以及控制雄蕊筒長度的基因等。而對這些相關(guān)基因的定位、克隆、功能分析及轉(zhuǎn)基因功能驗證等將是揭示番茄長花柱雄性不育機(jī)理的關(guān)鍵和核心。目前國外對長花柱番茄的相關(guān)研究較少，國內(nèi)開展的工作更少。應(yīng)積極開展相關(guān)的分子生物學(xué)方面的研究，對其遺傳機(jī)制、基因互作、相關(guān)基因克隆等進(jìn)行系統(tǒng)而具體的研究，在此基礎(chǔ)上利用基因工程手段，創(chuàng)造出穩(wěn)定的番茄長花柱部位不育材料，早日應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。相信隨著研究的不斷深入，必將推動我國番茄長花柱型雄性不育研究的發(fā)展。

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