茄子雄性不育應用基礎研究進展

李冰 潘秀清 武彥榮 高秀瑞 張敬敬 史宇凡 趙建軍 申書興

摘 要： 茄子是世界上重要的蔬菜作物之一，雜種優(yōu)勢明顯。雄性不育系的利用為雜交制種提供了有效途徑。筆者回顧了茄子雄性不育系的創(chuàng)制和遺傳特征，及其在細胞學、生理生化和分子生物學等方面取得的重要研究進展，并對不育系利用和研究中存在的問題進行了探討，對其今后的發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞： 茄子;雄性不育;雜交制種

Abstract： Eggplant （Solanum melongena L.） is one of the most important vegetable crops in the world. Eggplant has a strong heterosis， and male sterility is one of the important ways to utilize heterosis. In this paper， the creation and genetic characteristics of eggplant male sterile lines and the important research progress in cytology， physiology and molecular biology were reviewed. Moreover， the existing problems and future development directions were prospected.

茄子（Solanum melongena L.）為茄科茄屬蔬菜作物，起源于熱帶，世界各地均有栽培，據(jù)FAO統(tǒng)計，中國茄子種植面積和產量均居世界第一位。茄子雜種優(yōu)勢明顯，目前生產上主要為雜交種，但雜交種生產需人工去雄授粉，費時費力成本高[1]。因此，利用雄性不育系作為母本生產雜交種子，既可簡化制種程序，又可降低成本，提高種子純度，所以長期以來備受育種家重視。

雄性不育是指植物在有性生殖過程中植物雄蕊發(fā)育異常而雌蕊能正常授粉受精的現(xiàn)象[2]。近年來，我國雖育成了一系列茄子不育系材料，但至今沒有大面積應用于生產。筆者對茄子雄性不育的遺傳機制和敗育機制研究進行了回顧和總結，并對雄性不育利用中存在的問題進行了探討，對其發(fā)展方向進行了展望，旨在為茄子雄性不育利用和雜交制種提供理論依據(jù)。

1 茄子雄性不育創(chuàng)制及分類

雄性不育在植物界普遍存在，1947年，Sears提出了經典的“三型學說”，即細胞核不育、細胞質不育和核質互作不育。隨著研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)，單純的細胞質不育只是核質互作不育中的一個短暫過程，因此，1956年Edwardson[3]將細胞質不育及核質互作不育2個類型歸為一類，稱作“二型學說”?！岸蛯W說”很好地解釋了雄性不育現(xiàn)象，目前被更多的人接受[4-5]。

1.1 茄子細胞質雄性不育

細胞質雄性不育（CMS）是由胞質基因和核基因共同控制的不育類型，因此又稱核質互作型[6]。1974年意大利學者通過將刺天茄和栽培茄雜交，在F2中發(fā)現(xiàn)了花藥瓣化型細胞質雄性不育株[7]。1985年方木壬等[8]通過將吉洛茄和栽培茄雜交，連續(xù)回交后獲得了2個CMS類型不育系，其中‘9334A為花藥瓣化型，而‘2518A為花藥退化型。2002年日本學者Isshiki和Kawajiri[9]通過將變種刺天茄和栽培茄雜交，連續(xù)回交后獲得了2種CMS類型不育系，一種為花藥不開裂型，另一種為低花粉粒型。2004年郭麗娟等[10]通過將赤茄和栽培茄雜交，獲得了3個CMS類型不育系，其中655為花藥退化型，679為花藥瓣化型，704為花藥頂端瓣化型。2004年劉選明[11]研究1個自然突變的茄子雄性不育材料‘正興1號，經DNA分析，初步表明該不育系可能是由核質互作引起。日本學者Khan和Isshiki[12-14]分別在2008年通過將栽培茄和黃果茄雜交，2010年通過將栽培茄和剛果茄雜交，2011年通過將栽培茄和非洲茄雜交，獲得了3個CMS類型不育系。2009年日本學者Saito等[15]通過將栽培茄和大葉茄雜交，獲得了1個無花粉型CMS系。2012年Zhuang等[16]通過將栽培茄和剛果茄雜交，連續(xù)回交后獲得了1個花藥退化型CMS系。綜上，茄子CMS類型多是通過栽培茄和野生茄雜交而獲得。

1.2 茄子細胞核雄性不育

細胞核雄性不育（GMS）是由細胞核基因單獨控制的一種遺傳現(xiàn)象。其育性不受細胞質基因影響，遺傳和表達完全遵循孟德爾遺傳定律。細胞核雄性不育分為環(huán)境敏感雄性不育（EGMS）和環(huán)境不敏感雄性不育，其中EGMS又分為光敏雄性不育（PGMS）、溫敏雄性不育（TGMS）和光溫敏雄性不育（PTGMS）3種類型。1954年Jasmin[17]發(fā)現(xiàn)了茄子雄性不育突變體，經鑒定屬于花藥不開裂型，認為是由核基因控制的功能性雄性不育。1963年加拿大學者Nuttall[18]在栽培品種‘渥太華茄子中發(fā)現(xiàn)1個雄性不育突變體，經鑒定為花藥不開裂類型，由1對單隱性核基因控制。1989年美國學者Phatak和Jaworski[19]在栽培茄子品種‘佛羅里達茄子中發(fā)現(xiàn)1個雄性不育突變體UGA1-MS，經鑒定為花藥不開裂類型，由1對單隱性核基因控制;劉進生等[20]在1992年對UGA1-MS進一步研究，證明不育性由1對單隱性基因控制，并與果色基因緊密連鎖;田時炳等[21]在2001年利用UGA1-MS通過雜交與回交獲得了7份穩(wěn)定的茄子功能性雄性不育系。2013年李冰等[22]在栽培長茄自交系中發(fā)現(xiàn)了1個雄性不育突變體，經鑒定該不育系‘05ms育性主要受溫度控制，表現(xiàn)為低溫不育、高溫可育，由1對隱性核基因控制，屬溫敏核雄性不育類型。綜上，茄子GMS類型多是通過栽培茄自然突變而獲得。

2 茄子雄性不育敗育機制

對茄子雄性不育機制的研究多集中在遺傳、細胞和生理生化方面，分子機制方面的報道比較少。

2.1 茄子雄性不育的細胞學

花藥發(fā)育過程中細胞學分析是全面認識不育基因調控花粉敗育過程的基礎。2013年陳雪平等[23]以花藥退化（655A）、花藥瓣化（679A）和花藥頂端瓣化（704A）3種CMS茄子雄性不育系為試材觀察花粉母細胞減數(shù)分裂過程，發(fā)現(xiàn)3類不育系花藥敗育的關鍵時期均為前期Ⅰ，但679A花藥敗育還可發(fā)生于小孢子時期;還發(fā)現(xiàn)3類不育系的絨氈層細胞均液泡化，其他藥壁細胞增生且排列不整齊，藥室縊縮為條帶狀，孢母細胞被擠壓變形而敗育，藥隔內維管束增生，藥壁組織及薄壁細胞內淀粉粒積累，分析認為絨氈層結構與功能異?？赡苁菍е?類不育系雄性敗育的共性原因。2010年盧陽[24]曾對上述不育材料的線粒體進行觀察，發(fā)現(xiàn)線粒體空泡化嚴重，認為線粒體結構異常是造成茄子不育系敗育的重要原因。丁澤琴[25]在2014年對茄子核不育的功能性雄性不育系花藥進行細胞學觀察，發(fā)現(xiàn)不育系花藥中環(huán)形細胞簇的解體時期比可育株系晚2個發(fā)育時期，且解體程度不如可育株系;開花當天不育系裂口細胞及絨氈層細胞不解體，推測花藥中環(huán)形細胞簇和裂口細胞的異常解體可能與茄子花藥敗育有關。2019年李冰等[26]對茄子反向溫敏核雄性不育（rTGMS）系‘05ms不育時期的花藥進行細胞學觀察，發(fā)現(xiàn)花粉母細胞減數(shù)分裂異常，不能形成正常四分體，絨氈層細胞液泡化并延遲解體，胼胝質沉積等異?，F(xiàn)象。綜上所述，無論是CMS還是GMS類型，茄子雄蕊敗育均與絨氈層發(fā)育異常有關。

2.2 茄子雄性不育的生理生化特性

國內學者對茄子雄性不育的生理生化研究較多。2004年郭麗娟[27]分別以長茄和圓茄CMS系及其保持系為材料，在盛花期對不同發(fā)育時期花蕾中可溶性糖、淀粉、游離氨基酸、脯氨酸和內源激素含量進行了比較，發(fā)現(xiàn)隨花藥發(fā)育可溶性糖含量在不育系和保持系中均呈上升趨勢，且不育系高于保持系;不育系中淀粉含量變化不大，而保持系在減數(shù)分裂期有1個淀粉積累高峰，其后又迅速下降;不育系的可溶性蛋白、游離總氨基酸和脯氨酸含量均低于保持系;成熟花粉期不育系的谷氨酸含量高于保持系，其他氨基酸含量低于保持系;不育系中IAA、GA3和ABA含量高于保持系，而ZR含量低于保持系;從小孢子單核期開始，隨著花藥發(fā)育，不育系的POD酶活性高于保持系;然而，在葉片中不育系的可溶性糖和淀粉、可溶性蛋白含量均高于保持系，而游離脯氨酸含量低于保持系;不育系的游離總氨基酸含量、POD和SOD酶活性與保持系差異不顯著。2006和2008年李冰等[28-29]對上述圓茄材料進行了全生育期生理生化特性研究，發(fā)現(xiàn)葉片中不育系的可溶性糖含量在幼苗期低于保持系，在結果期極顯著高于保持系，在盛花期含量最高，但兩系差異不顯著;不育系的游離總氨基酸含量在幼苗期低于保持系，但在其他時期兩系差異不顯著;不育系的葉綠素含量在幼苗期低于保持系，結果期高于保持系，在盛花期兩系差異不顯著;幼苗期IAA和GA3含量不育系低于保持系，ZR含量高于保持系，ABA含量兩系差異不顯著;比較ABA/（IAA+ZR+GA3），不育系約為保持系的1.3倍;光合特性研究發(fā)現(xiàn)，兩系凈光合速率Pn日變化均呈雙峰曲線，不育系中午光抑制現(xiàn)象明顯，苗期和盛花期均為不育系Pn低于保持系，結果期不育系Pn高于保持系，苗期兩系Pn值差異最大;不育系Pn值為幼苗期<盛花期<結果期，而保持系Pn值為幼苗期<結果期<盛花期;3個時期不育系光飽和點均高于保持系，在幼苗期和盛花期不育系光補償點高于保持系，而結果期比保持系低;在花蕾中，不育系的IAA和ZR含量均低于保持系，而ABA含量則高于保持系，分析認為GA含量與不育系關系不大;不育系ABA/（IAA+ZR+GA）的比值變化浮動較大，且不育系的高于保持系。綜上所述，茄子花藥敗育涉及一系列物質、能量以及酶系統(tǒng)等生理生化變化，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，均有可能導致雄性不育。

2.3 茄子雄性不育的分子生物學

目前關于茄子雄性不育分子機制的研究報道較少，分子敗育機制還不清楚。Cao等[30]通過構建Cre/loxP位點特異性重組系統(tǒng)，在煙草的絨氈層特異性啟動子TA29的控制下，用cre或barnase轉化茄子獲得了4株轉Barnase基因茄子，發(fā)現(xiàn)均為無花粉類型雄性不育，5株轉Cre基因植株可以正常開花結果;將轉Barnase基因雄性不育材料與轉Cre基因材料雜交，產生雄性不育的Barnase基因被切除，獲得了表型與野生型相同，花粉育性完全恢復的F1?；赥AF的雄性不育系統(tǒng)是通過無水乙醇誘導表達amiRNA（artificial microRNA）不敏感形式的TAF靶基因而使雄性不育系統(tǒng)可逆的。Toppino等[31]通過抑制花藥特異性的內源轉錄因子基因TAFs（TBP-associated factors），結合amiRNA技術誘導了茄子的雄性不育;用乙醇短處理誘導靶基因中不敏感型amiRNA的表達可以完全恢復轉基因植株的雄性不育性。CMS由線粒體基因組決定，產生CMS的基因通常涉及部分ATP合成酶基因（atp）或細胞色素氧化酶基因（cox），或者位于其中1個基因附近[32]。Yoshimi等[33]測定了atp1區(qū)域約4 000 bp片段的DNA序列，雖然編碼區(qū)和3側翼區(qū)在細胞質中幾乎一致，但5側翼區(qū)完全不同，并為每一種CMS類型和栽培茄子找到了新的開放閱讀框（ORF）。誘導花藥不裂型CMS的為orf312，誘導無花粉型CMS的為orf218。這些orfs的轉錄模式與雄性不育表型之間有很高的相關性，表明這些orfs可能是茄子產生CMS的關鍵基因。安禮渝[34]對茄子雄性不育系F16-5-6和可育系142，通過雙向電泳和質譜技術進行花藥蛋白質組分析，獲得了4個雄性不育相關差異表達蛋白，分別為GTP酶開關蛋白、鐵超氧化物歧化酶、COI1蛋白和丙酮酸激酶，并對編碼COI1蛋白的基因及其途徑中的2個基因JAZ1和MYC2進行了同源克隆、生物信息學分析和熒光定量PCR表達分析，認為在茄子花藥的整個發(fā)育過程中，茉莉酸信號轉導通路中的受體基因COI1與茄子花藥開裂關系密切;同時JAZ1和MYC2導致了JA信號通路受阻，從而影響花藥開裂。Yang等[35]利用RNA-seq技術對茄子CMS系EP26A和保持系EP26三個不同發(fā)育時期花蕾進行了轉錄組分析，發(fā)現(xiàn)差異表達基因主要富集在氧化還原、糖和氨基酸代謝、轉錄調控等途徑。Li等[26]利用RNA-seq和BSA-seq技術對茄子rTGMS系‘05ms和其同源可育系‘S63進行研究，發(fā)現(xiàn)差異表達基因主要被富集到植物激素信號轉導、淀粉和蔗糖代謝、苯丙烷生物合成通路;并鑒定了2個rTGMS相關候選基因4CLL1 （Sme2.5_00368.1_g00010.1）和CKI1（Sme2.5_10056.1_g0000

2.1）。然而與其他茄果類蔬菜相比，茄子雄性不育研究還遠遠滯后，目前還沒有茄子雄性不育分子標記的報道，還有很多雄性不育基因有待挖掘。

3 茄子雄性不育的利用

利用細胞質雄性不育系制種生產F1代種子的方法為“三系法”，即不育系、保持系和恢復系。目前，雖然茄子CMS系已經得到了廣泛研究，但由于缺乏恢復系或強優(yōu)勢組合等原因，這些材料還沒有成功應用到商業(yè)生產中。利用細胞核雄性不育系配制雜交種由于找不到保持系，在不育系制種中需要拔除50%的可育株，制種步驟繁瑣、成本高，因此在應用中受到一定限制。環(huán)境敏感雄性不育系在適宜的外界條件下雄蕊可育，可以自交授粉留種，而在不育條件下接受外來花粉進行雜交種生產，在雜交育種中具有明顯優(yōu)勢，但其不育條件或多或少存在一定波動性，且制種過程受氣候影響較大，大面積應用具有一定風險。目前茄子雄性不育系制種還沒有廣泛應用，因此，若要在茄子雄性不育系利用上有所突破，仍需廣大科研工作者和育種家們的大量深入研究和不懈努力。

4 茄子雄性不育的總結與展望

茄子雄性不育相關的研究與其他茄科作物相比仍較少，研究基礎相對薄弱[36]。目前發(fā)現(xiàn)的茄子雄性不育資源少，遺傳背景狹窄，不利于茄子雄性不育系的開發(fā)研究和強優(yōu)勢雜交組合的選配。為了更好地將雄性不育系應用在茄子雜種優(yōu)勢上，需要在以下幾個方面加強研究。

4.1 雄性不育資源創(chuàng)制

研究工作者應注重對茄子野生或現(xiàn)有資源進行觀察與篩選，以鑒定尋找天然不育材料，并嘗試通過對種子進行誘變（例如化學誘變、射線誘變）和基因工程等技術獲得具有不同遺傳基因的茄子不育源;也要重視利用遠緣雜交等常規(guī)育種方法來獲得盡量多的不育系，從中選取新的不育材料，取得理想的茄子雄性不育資源。

4.2 強優(yōu)勢組合選配

加強對雄性不育系遺傳機制的研究，從親本產量、品質、抗逆、抗病等多個農藝性狀角度對其組合選配，并在親本一般配合力高的基礎上選擇特殊配合力高的組合，以期獲得更好的雜交組合。

4.3 加強雄性不育基礎理論研究

隨著植物基因組學和現(xiàn)代分子生物技術的快速發(fā)展，借助高通量測序平臺，人們已經從表達調控方面對茄子雄性不育基因和其表達調控模式進行了探討，但細胞質雄性不育系線粒體基因和核基因的互作模式，雄性不育基因的鑒定和功能分析等基礎研究和不育標記的開發(fā)等工作還遠遠不夠，需要從多方面多角度對茄子雄性不育機制進行深入探索，加快茄子雄性不育分子機制研究進展。

相信利用現(xiàn)代先進的育種手段，通過科技工作者的不懈努力，必將推進茄子雄性不育的育種進程，極大地提高茄子雜種優(yōu)勢利用效率。

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