水稻雄性核不育基因的研究進(jìn)展

劉春宏，方珊茹，劉玉芹，沈偉鋒

（1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，福建 福州 350018）

雄性不育是植物界中普遍存在的現(xiàn)象，迄今為止已在六百多個(gè)品種中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，其中包括水稻、油菜、玉米、小麥、棉花等多種農(nóng)作物。水稻是世界上最重要的作物之一，全球約有半數(shù)人以水稻作為主食。在我國(guó)，水稻的種植面積占全國(guó)糧食作物總面積的四分之一以上，稻米產(chǎn)量占到整個(gè)糧食總量的39%，對(duì)我國(guó)的糧食安全至關(guān)重要，而水稻雜種優(yōu)勢(shì)的利用是目前提高水稻單產(chǎn)的主要途徑之一。水稻雄性不育基因發(fā)現(xiàn)與利用不僅是水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的關(guān)鍵元件，也是開發(fā)新的育種方法和途徑的重要載體，對(duì)于進(jìn)一步提高水稻單產(chǎn)、改善品質(zhì)、提高抗性具有重要意義。

1 植物雄性不育的分類

植物雄性不育是指植物在遺傳或者環(huán)境（溫度、光照等）因子的影響下，雌性生殖器官正?？捎坌陨称鞴偈ド芰?，不能產(chǎn)生正常生殖功能的雄配子的現(xiàn)象。它在植株中表現(xiàn)為雄蕊群的消失或畸形，孢子或花粉的敗育。植物雄性不育，按照遺傳特性可分為兩類：一類是不可遺傳的雄性不育，即植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過程中，由于外界不良的影響因子（氣候惡劣、營(yíng)養(yǎng)匱乏等）而導(dǎo)致的雄性不育，這種不育類型在育種上不可以連續(xù)利用；另一類是可遺傳的雄性不育，在生產(chǎn)上可應(yīng)用于培育不育系，進(jìn)而生產(chǎn)雜交種子。根據(jù)控制植物雄性不育的基因來源，可將其分為細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）和細(xì)胞核雄性不育（genic male sterility，GMS）。細(xì)胞質(zhì)雄性不育的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞質(zhì)基因組與細(xì)胞核基因組競(jìng)爭(zhēng)傳遞自身遺傳物質(zhì)的結(jié)果。細(xì)胞核雄性不育由核基因突變產(chǎn)生，突變性狀可通過雌配子或者雄配子遺傳。遺傳分析表明，大多數(shù)雄性育性是由核基因控制的。

2 水稻雄性核不育基因定位進(jìn)展

水稻雄性核不育可以分為顯性核不育和隱性核不育兩類。其中絕大多數(shù)為隱性核不育，包括光敏隱性核不育、溫敏隱性核不育、單基因隱性核不育等。水稻顯性核不育比較少見。與水稻雄性不育相關(guān)的基因主要包括：花粉囊蠟發(fā)育相關(guān)基因、絨氈層相關(guān)基因、胼胝質(zhì)沉積相關(guān)基因、減數(shù)分裂相關(guān)基因［1］。

2.1 水稻光敏核不育基因的定位進(jìn)展

1973年，石明松［2］在湖北晚粳農(nóng)墾58大田中發(fā)現(xiàn)了3株天然突變的雄性不育株（農(nóng)墾58S），它是一種特殊的GMS突變體，即長(zhǎng)日條件下雄性不育，短日條件下育性恢復(fù)。1981年，他在論文中首次提出“一系兩用”的設(shè)想，即光敏核不育水稻既可做不育系又可做保持系。這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)水稻雜種優(yōu)勢(shì)的利用具有重要意義，為我國(guó)雜交稻的研究開辟了新領(lǐng)域。

Zhang等［3］以“32001S×明恢63”的F2超過1500個(gè)單株為材料，利用簡(jiǎn)單重復(fù)序列標(biāo)記（SSR）和限制片段長(zhǎng)度多態(tài)性標(biāo)記（RFLP），將兩個(gè)與32001S不育性表達(dá)有關(guān)的基因分別命名為pmsl、pms2，并將其定位在第7和第3染色體上。其中pms1被定位于兩個(gè)標(biāo)記RG477和RG511之間，遺傳圖距分別為3.5cM和15.0cM。pms2被定位于兩個(gè)標(biāo)記RG191和RG348之間，遺傳圖距分別為7.0cM和10.6cM。深入研究表明pmsl不育基因效應(yīng)大約為pms2的2～3倍。在這個(gè)基礎(chǔ)上，Wang等［4］研究認(rèn)為，使農(nóng)墾58變?yōu)楣饷艉瞬挥r(nóng)墾58S的突變不在第7染色體的pms1區(qū)段。Liu等［5］以“明輝63×32001S”F2群體為材料，通過分子標(biāo)記和分子克隆的方法，構(gòu)建了pms1區(qū)域的物理圖譜，并將pms1基因定位于第7染色體的兩個(gè)標(biāo)記RG477和R1807之間，距離二者分別為0.25cM和3.8cM，進(jìn)一步將基因卡在兩個(gè)標(biāo)記間的85kb區(qū)段上。陳亮等［6］利用“NK58S×1514”F2群體，采用AFLP技術(shù)進(jìn)行分析，篩選出與pms3連鎖的兩個(gè)標(biāo)記F3和V4二者與pms3的遺傳距離分別為5.8cM和7.75cM。李香花等［7］通過花藥培養(yǎng)構(gòu)建DH群體，將光敏不育基因pms3基因的效應(yīng)與pms1基因的效應(yīng)分開來，進(jìn)一步將pms3定位在12號(hào)染色體的RFLP標(biāo)記M36和C751之間約3.2cM的區(qū)段，它與二者的遺傳距離分別為1.5cM和3.05cM。

隨著日本晴和93－11基因組測(cè)序的完成以及分子標(biāo)記的廣泛應(yīng)用，光溫敏不育基因的定位工作被進(jìn)一步推向高潮。Lu等［8］以農(nóng)墾58S／DH80雜交得到的約7000株F2代群體為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)892高度不育單株進(jìn)行重組實(shí)驗(yàn)分析，從覆蓋pms3區(qū)域的BAC克隆中篩選上百個(gè)RFLP探針標(biāo)記，把pms3定位于兩個(gè)標(biāo)記P9和M2之間，即一個(gè)小于1.7cM的區(qū)域內(nèi)?；蚺c二者的遺傳距離分別為0.62cM和1.07cM。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)篩選探針標(biāo)記將其定位在標(biāo)記LJ25和LK40之間的28.4kb距離內(nèi)，篩選到與之共分離的兩個(gè)亞克隆LJ47和LJ265。這個(gè)片段的序列分析表明，存在5個(gè)開放閱讀框（ORF），跟公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的兩個(gè)表達(dá)序列標(biāo)簽具有高度同源性，并且檢測(cè)到突變型和野生型親本中存在3個(gè)SNP。這些都為確定pms3的候選基因奠定了基礎(chǔ)。

2.2 水稻溫敏核不育基因的定位進(jìn)展

利用分子標(biāo)記的方法，溫敏核不育基因的定位也取得了較大進(jìn)展。Wang等［9］以“5460S×紅晚52”的F2群體為實(shí)驗(yàn)材料，采用BSA和RAPD技術(shù)分析，將溫敏核不育基因TGMS定位于第8染色體上，并篩選出與它相距6.7cM的多態(tài)性標(biāo)記TGMS1.2。該標(biāo)記被定位于RG978和RZ562之間，遺傳距離分別為12.7cM 和 12.6cM。Yamaguchi等［10］以“H89－1×Nekken2”F2分離群體為材料，將溫敏雄性不育基因tms2定位于第7染色體上的RFLP標(biāo)記R643和R1440之間。Subudhi等［11］以“IR32364×IR68”F2分離群體為材料，將溫敏雄性不育基因tms3定位于第6染色體的RAPD標(biāo)記OPAC3640和OPAA7550之間，它到二者的遺傳距離分別為7.7cM和10.0cM。2000年，Dong等［12］以“TGMS－VN1×CH1”的F2分離群體為材料，通過AFLP、RFLP技術(shù)分析，將溫敏不育基因 ［暫定名為tms4（t）］定位于第2染色體上，并找到了與之緊密連鎖的AFLP標(biāo)記E5／M12－600，連鎖距離為3.3cM。還有學(xué)者［13］將SA2溫敏雄性不育基因TGMS定位于第9染色體上的兩個(gè)標(biāo)記EAA／MCAG和RM257之間，它與二者的遺傳圖距分別為5.3cM 和6.4 cM。Lee等［14］將溫敏雄性不育基因tms6定位于第5染色體上的兩個(gè)標(biāo)記RM3351和E60663之間，它與二者的遺傳圖距分別為0.1cM和1.9cM。Jia等［15］將溫敏雄性不育基因tms5定位于第2染色體上的兩個(gè)標(biāo)記R394和RM174之間。Wang等［16］將它定位于標(biāo)記C365－1和G227－1之間，距離二者分別為1.04cM 和2.08cM。姜大剛等［17］又應(yīng)用EST和SSR標(biāo)記將此不育基因定位于RGP遺傳圖的第2染色體的31.2cM處，并將其精細(xì)定位于兩個(gè)SSR標(biāo)記RMAN7和RMAN54之間的181kb區(qū)域內(nèi)。

王寶和等［18］對(duì)廣占63S／旱1587組合的F2分離群體進(jìn)行不育基因的遺傳分析，表明廣占63S的不育性受1對(duì)隱性不育基因控制，暫定名為ptgms2－1。利用分子標(biāo)記技術(shù)，將該不育基因定位于第2染色體上的兩個(gè)標(biāo)記S2－4和S2－27之間，該基因與兩標(biāo)記的遺傳距離分別為0.5cM和1.1 cM，兩標(biāo)記的物理距離為390kb，并找到與該基因共分離的標(biāo)記S2－24。Xu等［19］對(duì)廣占63S／1587雜交組合的F2和BC1F2分離群體進(jìn)行遺傳分析，通過分子標(biāo)記結(jié)合BSA法，將此基因定位于第2染色體RM12521和RM12823之間，且與二者的遺傳距離分別為17cM和10.4cM。進(jìn)一步利用Indel標(biāo)記精細(xì)定位，將該基因定位于兩個(gè)Indel標(biāo)記S2－40和S2－44之間50.4kb的范圍內(nèi)，基因與二者的遺傳距離分別為0.08cM和0.16cM。并且與AP004039的BAC上的標(biāo)記S2－43共分離。根據(jù)預(yù)測(cè)基因推測(cè)核糖體核酸酶Z基因?yàn)樵摶虻暮蜻x基因，這為該基因的克隆奠定了基礎(chǔ)。

這些年來，已經(jīng)定位的溫敏核不育基因有tms1、tms2、tms3、tms4、tms5以及TGMS等等。科學(xué)家們對(duì)很多光溫敏雄性核不育基因進(jìn)行了精細(xì)定位，并且獲得了大量的光溫敏核不育基因片段，但還沒有分離得到真正的光溫敏雄性核不育基因。這是未來科研的目標(biāo)。

2.3 水稻顯性核不育的定位進(jìn)展

水稻顯性核不育比隱性核不育少見得多。迄今為止，只報(bào)道出5種水稻顯性核不育材料，即萍鄉(xiāng)顯性核不育、低溫敏顯性核不育、浙9248突變體顯性核不育、1783和1789突變體顯性核不育、三明顯性核不育［20－24］。

陳學(xué)偉等［25］利用RFLP標(biāo)記和SSLP標(biāo)記將萍鄉(xiāng)顯性核不育基因Ms－p定位于第10染色體上的兩個(gè)標(biāo)記RM228和RM258之間，且與RFLP標(biāo)記G2155的遺傳距離為2.6cM。賀浩華等［26］利用SSR技術(shù)將其定位于標(biāo)記RM239附近，二者之間的遺傳距離為5.65cM。在此基礎(chǔ)上，Huang等［27］人將Ms－p定位于SSR標(biāo)記 RM171和RM6745之間，它到兩標(biāo)記之間的距離分別為0.3 cM和3.0cM，這樣就把基因界定在約730kb范圍內(nèi)。李仕貴等［28］人把低溫敏水稻“8987”顯性核不育基因TMS定位在第6染色體上的兩個(gè)標(biāo)記RM50和C235之間，它與二者的遺傳距離分別為12.9cM 和6.4cM。

3 其他類型水稻雄性核不育定位進(jìn)展

初明光等［29］人以來源于秈／秈稻雜交組合后代的自然雄性不育突變體ms－np為實(shí)驗(yàn)材料，經(jīng)F2和BC1F1遺傳分析顯示，該突變性狀受1對(duì)隱性基因控制，暫定名為ms－np（t）。對(duì)組合ms－np／M63雜交的F2不育單株進(jìn)行連鎖分析，將該不育基因定位于水稻第6染色體的兩個(gè)SSR標(biāo)記RM343和RM541之間，該基因與二者的遺傳距離分別為7.9cM 和15.2cM。

孫小秋等［30］人利用802A／Ⅱ－32BF2和802A／02428F2為定位群體，對(duì)控制802A雄性不育性狀的1對(duì)隱性核不育基因 ［暫命名為ms92（t）］進(jìn)行基因定位，結(jié)果將該基因定位于水稻第3染色體上的SSR標(biāo)記RM3513附近，精細(xì)定位至indel標(biāo)記S5和S2之間，基因與二者的遺傳距離分別為0.3cM和0.6cM。該基因與indel標(biāo)記S3和S4在167個(gè)F2不育單株中共分離。

陳家彬［31］利用D295B與昌豐B雜交F4代中自然突變得到的一雄性不育突變植株（定名為SC－ms2），根據(jù)其F2代分離比，證明此雄性不育性狀受一對(duì)隱性核基因控制，將其暫定名為ms92（t）。以SC－ms2／花B的F2為定位群體，采用分離群體分組分析法結(jié)合SSR分子標(biāo)記，將該基因定位于水稻第9染色體的兩個(gè)SSR標(biāo)記RM34431和RM3600之間。此后將花B群體更換為日本晴群體，從而使親本差異更大，最終把該不育基因精細(xì)定位于遺傳距離分別為0.3cM和0.6cM的分子標(biāo)記RM24451和RM7048之間，二者之間物理距離約為172kb，包含25個(gè)已被預(yù)測(cè)的候選基因，分析認(rèn)為，目標(biāo)基因很可能是編碼雄性不育蛋白的基因LOC＿Os09g27620。

付磊［32］選用527R／881R雜交后代中的不育株［定名為ms802A（t）］，把它與802A、Ⅱ－32B等雜交所得的F2為實(shí)驗(yàn)材料，將控制此雄性不育性狀的這對(duì)隱性核基因定位于水稻第3染色體，與SSR標(biāo)記RM6832、RM2334、RM135連鎖，遺傳距離分別為10.9cM、16.1cM、21.6cM。更換群體后精細(xì)定位，找到與該基因連鎖的兩個(gè)SSR標(biāo)記RM3513和RM6266，遺傳距離分別為0.6 cM和4.2cM。

4 不育基因應(yīng)用中存在的問題及前景展望

光溫敏雄性核不育材料的遺傳復(fù)雜性比較大，而且不育基因的表達(dá)可能會(huì)受到環(huán)境條件的影響，因而未曾分離得到真正的光溫敏雄性核不育基因。即使是在相同基因源的不育系間，研究結(jié)果也可能存在較大差別，這使得它的研究受到限制。進(jìn)一步深入了解光溫敏雄性不育機(jī)制，廣泛開展雄性核不育基因的研究，對(duì)于培育理想的兩系雜交材料及其兩系法雜交水稻生產(chǎn)與推廣將會(huì)產(chǎn)生更大的作用［33］。伴隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，我們可以預(yù)料，今后將會(huì)有更高密度的遺傳和物理圖譜以及新的分子標(biāo)記會(huì)被廣泛應(yīng)用于光溫敏不育基因的定位研究中，這將為光溫敏雄性核不育的基因的克隆提供強(qiáng)有力的后盾。

顯性核不育水稻在遺傳育種方面有著較好的應(yīng)用前景。在常規(guī)育種上，以回交的方式，把不育基因轉(zhuǎn)入常用親本中，將其作為基礎(chǔ)材料進(jìn)行復(fù)合雜交或者階梯式雜交。這種方法即可以節(jié)省人工去雄所需要的時(shí)間和精力，又可以在短期內(nèi)獲得大量的雜交組合。我們把顯性核不育基因與分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)相結(jié)合，作為遺傳載體導(dǎo)入目標(biāo)基因，從而構(gòu)建分子育種體系；將顯性核不育基因?qū)肟沟疚敛〉榷喾N基因，利用不育基因的表達(dá)特點(diǎn)，可以建立水稻抗病蟲的基因庫(kù)；同時(shí)，我們還可以借鑒太谷核不育小麥的經(jīng)驗(yàn)，建立高效輪回選擇育種新體系，從而培育出高質(zhì)量高產(chǎn)量的水稻新品種。另外，萍鄉(xiāng)顯性核不育水稻已經(jīng)找到了恢復(fù)系，這為加強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)利用的研究和利用提供了可能性。

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