紅麻雄性不育研究進展及展望

李 輝，李德芳，陳安國，唐慧娟，李建軍，黃思齊

(中國農業(yè)科學院麻類研究所，湖南長沙 410205)

紅麻雄性不育研究進展及展望

李 輝，李德芳*，陳安國，唐慧娟，李建軍，黃思齊

(中國農業(yè)科學院麻類研究所，湖南長沙 410205)

紅麻是一年生多用途天然纖維作物。從紅麻不育系的類型、不育系的選育和不育的機理研究等方面進行了綜述，并討論了紅麻不育系的利用、不育機理的研究方向和思路。

紅麻；雄性不育；不育機理；雜種優(yōu)勢

紅麻(HibiscuscannabinusL.)是錦葵科木槿屬一年速生纖維作物，抗旱、耐鹽堿，適應性廣，生物產量高，主要用作紡織和包裝的原材料。近年來，隨著紅麻用途的不斷開發(fā)，紅麻還用于紙漿、飼料、生物質能源、復合材料等方面。因此紅麻被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ亩嘤猛咀魑颷1]。

雜種優(yōu)勢的利用可以顯著提高紅麻的生物產量。雄性不育(cytoplasmic male sterility，CMS)是利用紅麻雜種優(yōu)勢的一條有效途徑。利用CMS進行雜交制種可以提高雜交種子的純度，免去人工去雄，節(jié)省大量的人力、物力，增加農作物的產量。雄性不育機理的研究一直是國內外研究的重點。本文主要針對紅麻雄性不育的類型、雜種優(yōu)勢的利用、不育機理的研究等方面進行概述，以期為紅麻雄性不育系的選育和雜種優(yōu)勢利用提供一定的理論依據(jù)。

1 紅麻雄性不育系的類型

植物雄性不育的類型有3種：(1)細胞質雄性不育，是由細胞質因子控制的雄性不育類型，不育性容易保持，但是育性不易恢復。(2)細胞核雄性不育，是由細胞核基因控制的雄性不育類型，育性容易恢復，但是不育性不易保持。(3)質核互作型雄性不育，是由細胞核和細胞質共同控制的雄性不育類型，不育性既能保持同時也能夠恢復。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的紅麻雄性不育材料有3種類型：細胞質雄性不育、細胞核雄性不育、質核互作型雄性不育。1958年，Pate JB，Joyner JF最早報道了紅麻雄性不育現(xiàn)象[2]。1976年，Ugale發(fā)現(xiàn)了紅麻細胞質雄性不育株，但未見其進一步的利用報道[3]。2001年，周瑞陽在海南南繁材料中首次發(fā)現(xiàn)了一株紅麻雄性不育突變體，為“營養(yǎng)虧缺型雄性不育”[4]。2003年中國農業(yè)科學院麻類研究所紅麻育種課題組在海南三亞育種材料中發(fā)現(xiàn)了細胞核雄性不育株，隨后的2004年又發(fā)現(xiàn)了質核互作型雄性不育株。這些不育材料的發(fā)現(xiàn)為紅麻雜種優(yōu)勢的利用奠定了堅實的基礎[5，6]。

2 紅麻雄性不育系的選育

2001年周瑞陽在海南冬繁材料“UG93”后代中發(fā)現(xiàn)了一株雄性不育突變體，其花藥瘦癟，不能開裂產生有效花粉。隨后以該突變株為母本，通過飽和回交的方法于2003年選育出紅麻細胞質雄性不育系“K03A”。2004年周瑞陽以“B4”、“L23A”為母本，分別與栽培品種“福紅3號”、“泰紅763”、“L23”、“PA258”、“粵豐1號”、“B19”、“917”和“722”進行雜交，并與父本進行飽和回交，最后成功轉育成“福紅3A”、“P3A”、“763A”、“917A”、“722A”、“L23A”等6個野敗型細胞質不育系，其不育度達到99.9%，各不育系不育性穩(wěn)定，并且育成了相應的保持系，配制出強優(yōu)勢的雜交組合。2003～2004年中國農業(yè)科學院麻類研究所紅麻育種組在海南三亞南繁基地的育種材料中發(fā)現(xiàn)了新類型的紅麻雄性不育株，并選配出了5個性狀優(yōu)異的組合：KCNms-1、KCNms-2、KCNms-3、KCNms-4、KCNms-5[1]。同時該課題組利用優(yōu)良的種質對發(fā)現(xiàn)的不育系材料進行遺傳改良，選育出紅莖晚熟型、育性穩(wěn)定、配合力高的紅麻不育系LC0301A和相應的保持系LC0301B[6]。祁建民等利用細胞質雄性不育系L23A，經(jīng)過多代回交轉育，育成了光鈍感紅麻雄性不育系福紅航1A，同時選育出了超高產雜交紅麻新品種福航優(yōu)1號、福航優(yōu)2號，并通過了福建、安徽等省的鑒定[7]。

3 紅麻雄性不育機理的研究

3.1 紅麻雄性不育的細胞生物學

紅麻雄性不育系的成功選育為紅麻雄性不育機理的研究提供了可靠的物質基礎。近年來，中國農業(yè)科學院麻類研究所、福建農林大學、廣西大學等單位對紅麻雄性不育機理的基礎研究做了大量的工作。

朱麗梅等[8]對同質異核的紅麻細胞質雄性不育系L23A和K03A小孢子的發(fā)生和敗育過程進行了細胞學比較觀察，結果發(fā)現(xiàn)：這兩個不育系花粉的敗育過程具有一定的相似性，敗育都發(fā)生在四分體及單核小孢子時期；但是兩者敗育的具體過程又有一定差異。周瓊等[9]以紅麻細胞質雄性不育系L23A、保持系L23B和細胞核雄性不育系L23BS為材料，采用石蠟制片技術，利用光學顯微鏡對三者花藥發(fā)育過程進行比較觀察，結果表明：在L23A小孢子發(fā)育的不同階段均出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，有的花粉母細胞在減數(shù)分裂以前就退化解體，形成空的花粉囊，這是最早階段的敗育表現(xiàn)；有的花粉母細胞不能形成正常的四分體小孢子；有的花粉母細胞能夠形成四分體小孢子，但是不能正常釋放從而造成敗育。而L23BS小孢子敗育的時期集中于四分體至小孢子期間，有些小孢子發(fā)育異常，有些小孢子不能從四分體里正常釋放出來而影響其發(fā)育。2011年，李德芳[10]以質核互作型紅麻雄性不育系LC0301A和相應的保持系LC0301B為材料對其花藥、花粉粒進行電鏡顯微觀察發(fā)現(xiàn)，LC0301A的敗育發(fā)生在小孢子從四分體到單核小孢子時期，能夠形成四分體，但是細胞壁不分化，細胞質明顯減少，屬于單核期敗育型。不育系的花粉粒發(fā)育畸形，I2-KI不能染色，保持系花粉粒發(fā)育飽滿，能夠被I2-KI染色。推測不育系小孢子敗育與中層、絨氈層提前衰退有關。

不同類型的紅麻雄性不育系發(fā)生小孢子敗育的時期主要集中在從四分體到單核小孢子時期，這一時期不育系的物質代謝和能量代謝不能正常進行，導致小孢子敗育。

3.2 紅麻雄性不育的分子生物學

在紅麻雄性不育分子機理研究方面，我國科研工作者也做了大量的工作。白鳳虎[12]通過構建紅麻不育基因池和可育基因池的方法，利用RAPD引物進行篩選，最后獲得了兩條引物(S393、S1332)能夠在不育基因池和可育基因池之間擴增出穩(wěn)定的條帶，通過親本檢測，發(fā)現(xiàn)這兩引物所擴增的條帶與不育基因是緊密連鎖的。李輝等[13]利用BSA法構建近等基因池，用ISSR引物進行分子標記篩選，最后獲得了一條能夠在可育基因池和不育基因池之間產生穩(wěn)定差異條帶的ISSR引物U859，通過親本鑒定這條引物所擴增的條帶是與基因緊密連鎖的。陳鵬等[14]以紅麻不育系(P3A)和保持系(P3B)為材料，分別提取其線粒體DNA，用同源克隆的方法克隆了cox3基因，Southern印跡分析表明，cox3基因的組織形式在不育系和保持系中存在較大的差異，這種差異可能是由于線粒體基因組的重排導致的。趙楊[15]以紅麻細胞質雄性不育系P3A及相應保持系P3B為實驗材料，以紅麻線粒體DNA為模板，通過簡并引物克隆了可能與紅麻雄性不育相關的基因nad1，nad2，nad3。唐向民等[16]以紅麻細胞質雄性不育系L23A的花藥為材料，采用3’RACE和RT-PCR技術克隆了一個與紅麻雄性不育相關的基因Ms5。序列比對發(fā)現(xiàn)Ms5具有2種長度不一樣轉錄本3’UTR，暗示了該基因的表達具有選擇性轉錄終止的特征，不育性可能與該基因轉錄后水平的調控有關。陳艷翠等[17，18]以紅麻質核互作型雄性不育保持系為材料，根據(jù)雄性不育相關基因ATPl的保守序列設計引物，通過RACE克隆的方法得到ATPl基因cDNA全長，測序后發(fā)現(xiàn)得到的基因序列在不育系和保持系間序列完全一致，這表明紅麻質核互作雄性不育可能不是由ATPl基因的堿基差異造成的。

3.3 紅麻雄性不育的蛋白質組學

李剛[19]以紅麻細胞質雄性不育系(L23A)單核期、雙核期的花藥和保持系(L23B)單核期、雙核期的花藥為實驗材料，分別提取相應的線粒體蛋白質，通過二維液相色譜結合串聯(lián)質譜技術對其差異蛋白質組進行了分析、鑒定，結果表明，不育系花藥線粒體中，參與能量代謝的蛋白質變化最大，其次是參與mtDNA轉錄、翻譯、信號調節(jié)等的蛋白質?？梢娔芰看x的異常與細胞質雄性不育的關系最為密切。廖英明[20]以紅麻細胞質雄性不育系(L23A)和保持系(L23B)為實驗材料，分別選取幼蕾、大蕾、開花3個時期的功能葉進行差異蛋白組學分析，通過MALDI-TOF-MS/MS串聯(lián)質譜鑒定得到了6個與紅麻雄性不育相關的蛋白質點：核酮糖1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶、糖體蛋白S3、蘋果酸脫氫酶、二磷酸核酮糖羧化酶、轉錄因子LECl-A。這些差異蛋白的表達可能與紅麻雄性不育密切相關。

紅麻雄性不育的蛋白質組學研究表明，雄性不育的發(fā)生與能量代謝的紊亂，轉錄、翻譯的異常，多個代謝途徑的受阻等有關連，可見紅麻雄性不育的發(fā)生是一個多因素參與的復雜的生物學過程。

4 討論與展望

國內外科研單位對紅麻不育從細胞生物學、分子生物學和蛋白質組學等方面進行了大量的研究并取得了一些成果，但是這些研究缺乏系統(tǒng)性、完整性。紅麻為常異交作物，遺傳基礎復雜，遺傳特點獨特，雄性不育發(fā)生的機理復雜，所以紅麻雄性不育機理至今還未揭開其神秘的面紗。為了更好地將紅麻雄性不育系應用于紅麻雜種優(yōu)勢的利用，進一步選育新的遺傳基礎廣泛的紅麻雄性不育系，加強紅麻雄性不育機理的研究十分必要。

4.1 加強特殊配合力高的紅麻雄性不育系的選育

紅麻雄性不育系的特殊配合力是其雜種優(yōu)勢利用的關鍵。目前我國紅麻質核互作雄性不育系和細胞質雄性不育系的遺傳基礎狹窄，不利于選配強優(yōu)勢雜交組合。為了更好地利用紅麻雜種優(yōu)勢，可以嘗試通過航天誘變、基因工程等技術獲得具有不同遺傳基礎的紅麻不育系源；還可以通過遠緣雜交、植物細胞誘變等手段獲得變異材料，從中選取新的不育材料，從而獲得理想的紅麻雄性不育材料。

4.2 加強紅麻雄性不育機理的基礎研究

紅麻雄性不育的發(fā)生是一個復雜的生物學過程，涉及到能量代謝、信號的傳導、基因的翻譯、表達和修飾等過程，同時還可能有與環(huán)境互作的因素，這些都加大了不育機理研究的難度。紅麻雄性不育機理的研究主要可以從三個方面進行：第一，從基因組的角度。克隆細胞質不育基因(線粒體、葉綠體)和細胞核不育基因，并對其進行序列測定，從基因的結構、功能方面來解釋紅麻雄性不育的機理。第二，從蛋白質組學的角度。蛋白質是生物功能的執(zhí)行者，通過比較保持系和不育系的蛋白質組，對差異蛋白質進行篩選、鑒定并分析差異蛋白質的生物學功能，從而揭示紅麻雄性不育的分子機制。第三，從植物細胞信號傳導的角度。通過研究環(huán)境與基因表達互作的關系，來解釋紅麻雄性不育的機理。

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[19]李 剛.紅麻細胞質雄性不育系線粒體蛋白質組差異分析與不育相關基因的發(fā)掘[D].南寧：廣西大學碩士學位論文，2009.

[20]廖英明.紅麻蛋白質組2-DE建立及不育系和保持系差異蛋白分析[D].福州：福建農林大學碩士學位論文，2011.

Progress and Prospect of Research on Kenaf Male Sterility

LI Hui，LI De-fang*，CHEN An-guo，TANG Hui-juan，LI Jian-jun，HUANG Si-qi

(Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410205，China)

Kenaf is an annual multi-use natural fiber crop.In this paper，the research progress was summarized based on the type of kenaf male sterility line，the breeding of kenaf male sterility line and the mechanism of male sterility line，the using of kenaf male sterility and the research direction and ideas of male sterility mechanism were discussed.

kenaf(HibiscuscannabinusL.);male sterility; mechanism of sterility; heterosis

2014-10-16

李 輝(1980-)，男，河北定州市人，博士后，主要從事紅麻育種，Email:guangjunmuzi@126.com。

*通信作者：李德芳，男，研究員，主要從事紅麻育種，Email：chinakenaf@126.com。

國家麻類產業(yè)技術體系紅麻育種崗位資助(CARS-19-E07)；亞州區(qū)域國際合作項目資助。

S563.503.2

A

1001-5280(2015)02-0206-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.02.25