陸地棉細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的細(xì)胞學(xué)觀察研究現(xiàn)狀

康浩東

摘 要 在生物界中，棉花與眾多作物相似，雜種優(yōu)勢趨于明顯。目前研究棉花雄性不育利用的有效途徑主要集中于雜種優(yōu)勢、細(xì)胞學(xué)觀察等有關(guān)方面?；诖耍瑥拿藁ㄐ坌圆挥档碾s種優(yōu)勢及細(xì)胞學(xué)觀察方面進(jìn)行綜述，介紹了棉花雜種優(yōu)勢的特點(diǎn)及利用途徑，闡述了棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的敗育時(shí)期及特征。

關(guān)鍵詞 陸地棉;細(xì)胞質(zhì)雄性不育;雜種優(yōu)勢;細(xì)胞學(xué)觀察

在利用雜種互補(bǔ)效應(yīng)中，實(shí)現(xiàn)棉花產(chǎn)能高、品質(zhì)好、抗逆性強(qiáng)等方面同步突破已成為棉花育種研究的一個(gè)重要方向，且雜種優(yōu)勢在提高棉花抗逆性、棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)等方面起著重要作用[1-2]。近年來，利用雜種優(yōu)勢已逐漸成為提高動(dòng)植物產(chǎn)量及品質(zhì)等的有效措施。而雄性不育是利用雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)，細(xì)胞質(zhì)雄性不育系為雜種優(yōu)勢利用提供了有效途徑。但由于目前棉花不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)，棉花的雜種優(yōu)勢并沒有得到廣泛利用，選育棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系仍是目前研究的主要任務(wù)，而研究棉花CMS敗育機(jī)制則可以為棉花CMS的種質(zhì)資源創(chuàng)新提供理論依據(jù)。韓宗福等[3]從棉花質(zhì)核互作雄性不育與育性恢復(fù)方面進(jìn)行了相關(guān)闡述，但未包括棉花細(xì)胞學(xué)觀察的研究內(nèi)容。為此，本文除補(bǔ)充研究領(lǐng)域的最新成果外，從棉花的雜種優(yōu)勢特點(diǎn)、途徑及細(xì)胞學(xué)觀察現(xiàn)狀方面進(jìn)行了綜述，分析了棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系細(xì)胞學(xué)觀察現(xiàn)狀及存在的問題，為棉花的深入研究和利用提供有利依據(jù)。

1 棉花雜種優(yōu)勢的特點(diǎn)

前人研究的水稻、油菜等大宗農(nóng)作物的雜種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在產(chǎn)量、品質(zhì)及生長抗逆性等方面，在這一定程度上對滿足市場需求、提高經(jīng)濟(jì)效益和保障糧食安全具有重要作用。張進(jìn)忠[4]認(rèn)為在雜種棉制種上需盡快解決制種煩瑣的問題，以便于從根本上提高制種效率，有效控制制種質(zhì)量，降低制種成本。張小全等[5]在組配海陸棉種間雜種和種內(nèi)雜種時(shí)，主要選用棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系及其恢復(fù)系，并以常規(guī)棉品種作為對照，發(fā)現(xiàn)兩者具有明顯的雜種優(yōu)勢。朱東生等[6]以不育系德A2為母本，選用豐產(chǎn)性強(qiáng)的3個(gè)品系為恢復(fù)系配制雜交組合，在豐產(chǎn)性和纖維品質(zhì)方面對雜交組合進(jìn)行分析，結(jié)果表明該不育系配制的雜交組合德雜1和德雜2在纖維品質(zhì)及產(chǎn)量上均優(yōu)于對照中棉所49。

2 棉花雜種優(yōu)勢利用的途徑

2.1 人工去雄授粉法

人工去雄授粉法獲得雜交種常規(guī)制種采用單花授粉，授粉時(shí)間因棉花花期而定，以人工方式把雄蕊從母本中去除，然后給父本授粉。棉花花器大，較易去雄，在選配雜交組合上較易選出育種周期短且應(yīng)變能力強(qiáng)的雜交種子，但在人工上較為費(fèi)時(shí)費(fèi)工、成本高，相比之下，更適用于勞動(dòng)力價(jià)格較低的地區(qū)。

2.2 化學(xué)殺雄法制種

主要是指在棉花開花初期，將配置適當(dāng)比例的化學(xué)藥劑噴灑于植株上，使得雄配子被殺死而造成雄性不育，而雌配子不受藥劑影響正常發(fā)育。這種用化學(xué)藥劑致使棉花雄性不育的方式稱為化學(xué)殺雄法[7]。將化學(xué)藥劑處理后的植株作為母本，給父本授以正?？捎幕ǚ郏瑥亩@得育性好的雜交種子。利用化學(xué)殺雄法制種既省去了人工去雄的瑣碎環(huán)節(jié)，也大大降低了制種的成本。

2.3 利用核雄性不育的“兩系法”制種

利用核雄性不育的“兩系法”制種主要指利用棉花細(xì)胞核雄性不育的制種方法。該種制種方法恢復(fù)系來源廣泛，較為容易選配強(qiáng)優(yōu)組合，且組合更換也相對較易，但在制種時(shí)，可育株與不育株需要仔細(xì)鑒別，在此基礎(chǔ)上需要拔除50%左右的可育株，在資源利用上造成了人工、肥料、農(nóng)藥等的浪費(fèi)，并降低了制種母本的種植密度。如中國洞A雄性不育系主要是受1對核隱性基因msms控制，并可被含MSMS的恢復(fù)系恢復(fù)育性，這種利用核不育系與相應(yīng)恢復(fù)系雜交而產(chǎn)生的種子稱為“兩系法”制種[8]。

2.4 “三系法”制種法

“三系”指不育系、保持系和恢復(fù)系，“三系”制種法主要是利用棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育性（cytoplasmic male sterility，CMS）進(jìn)行雜交種子生產(chǎn)。與核雄性不育系所述不同，棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育既受核基因控制，也受細(xì)胞質(zhì)基因控制，是質(zhì)核互作的不育，其育性既可被保持系保持（不育系的繁殖），也可被恢復(fù)系恢復(fù)（雜種F1的制種）。

3 棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育細(xì)胞學(xué)觀察研究

3.1 不育系花藥的特點(diǎn)

棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的花朵普遍偏小，花冠張開的角度及面積較小，花絲短且細(xì)小，僅有少量花粉?；驘o花粉?？梢?。有些看似飽滿，但無生活力，且從表型上很易辨別不育株和可育株。

3.2 不育系花藥的細(xì)胞學(xué)特點(diǎn)

正常小孢子發(fā)育都是由每一個(gè)小孢子母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂產(chǎn)生四個(gè)一群的單倍體細(xì)胞。棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育是不能產(chǎn)生花粉的遺傳現(xiàn)象，敗育過程較為清晰，且在小孢子母細(xì)胞形成前及其減數(shù)分裂時(shí)期就出現(xiàn)異常，致使棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育趨向穩(wěn)定，并不受外界環(huán)境的影響，且從花粉母細(xì)胞開始至各時(shí)期都存在有敗育的可能性，不集中于某一時(shí)期。植物雄性不育小孢子的敗育時(shí)期各有異同，棉花敗育發(fā)生時(shí)期主要分為以下3種類型。1）造孢時(shí)期出現(xiàn)敗育跡象。李悅有等[9]在對哈克尼西棉不育系的細(xì)胞學(xué)研究后發(fā)現(xiàn)不育系造孢細(xì)胞核有增大，同時(shí)細(xì)胞質(zhì)液泡化嚴(yán)重且細(xì)胞形狀有畸形導(dǎo)致在造孢時(shí)期就開始出現(xiàn)敗育跡象。2）減數(shù)分裂時(shí)期開始敗育。王學(xué)德等[10]對104-7A、湘遠(yuǎn)4-A、NM-2A和NM-3A三個(gè)不育系的花藥發(fā)育過程進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察，在觀察時(shí)并未發(fā)現(xiàn)花粉母細(xì)胞的四分體，分析得出它們的敗育發(fā)生時(shí)期均為減數(shù)分裂時(shí)期。3）敗育時(shí)期貫穿于造孢細(xì)胞增殖至減數(shù)分裂期。童旭宏等[11]對3個(gè)不育系G22A、H109A和1793A（具有相同的不育胞質(zhì)）的小孢子發(fā)育過程進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)它們的小孢子均發(fā)生在造孢細(xì)胞增殖期至小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂前，同時(shí)也說明了在其敗育時(shí)期，小孢子并未受核基因的影響。目前多數(shù)研究認(rèn)為小孢子發(fā)育過程中影響因素眾多，如黃晉玲等[12]對棉花晉A細(xì)胞質(zhì)雄性不育系小孢子進(jìn)行超顯微觀察，發(fā)現(xiàn)該不育系大部分小孢子在減數(shù)分裂期開始大量解體，且絨氈層的提前退化與小孢子母細(xì)胞解體有關(guān);周仲華[13]對“特棉S-1”棉花溫敏雄性不育系進(jìn)行研究分析，得出四分體質(zhì)核分裂不同步等;孔祥軍[14]確定了海島棉CMS系H276A花藥敗育開始于四分體時(shí)期，其敗育特征主要是四分體細(xì)胞核液泡化，絨氈層在花藥發(fā)育過程中完整、不發(fā)生降解?；ㄋ幖?xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，四分體時(shí)期不育系絨氈層細(xì)胞部分線粒體出現(xiàn)內(nèi)膜降解現(xiàn)象。

4 結(jié)語

棉花雄性不育在雜種優(yōu)勢上有著重要作用，而細(xì)胞學(xué)觀察是研究植物雄性不育的重要渠道，雖然關(guān)于棉花的細(xì)胞質(zhì)雄性不育研究在一定程度上取得了成果，但仍有一系列問題有待深入研究。如在植物雄性不育中，植物的敗育時(shí)期主要因材料而異，且棉花CMS胞質(zhì)來源單一，產(chǎn)生的敗育時(shí)期及敗育原因都各有不同。目前，現(xiàn)階段分子生物集中發(fā)展，但進(jìn)一步研究棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育的分子相關(guān)基因測序還未取得顯著成果，相信隨著科學(xué)技術(shù)手段的完善與完備，棉花雄性不育機(jī)理能進(jìn)一步得到深度研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邢朝柱，靖深蓉，邢以華.中國棉花雜種優(yōu)勢利用研究回顧和展望[J].棉花學(xué)報(bào)，2007（5）：337-345.

[2] 高俊平，韓廣津，宮永超，等.棉花雄性不育的分子生物學(xué)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008（2）：116-117.

[3] 韓宗福，王景會(huì)，申貴芳，等.棉花質(zhì)核互作雄性不育與育性恢復(fù)的研究及利用現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（3）：36-41.

[4] 張進(jìn)忠.棉花雄性不育雜種優(yōu)勢利用研究及進(jìn)展[J].中國棉花，2005（8）：6-8.

[5] 張小全，王學(xué)德，朱云國，等.細(xì)胞質(zhì)雄性不育海島棉的選育和細(xì)胞學(xué)觀察[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（1）：34-40.

[6] 朱東生，廖雪，鄧云秀，等.棉花雄性核不育系德A2的選育與初步應(yīng)用研究[J].中國棉花，2013，40（7）：26-27.

[7] 廖雪，朱東生.棉花雜種優(yōu)勢利用的回顧與展望[J].江西棉花，2009，31（5）：7-10.

[8] 王學(xué)德.棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育的研究與利用[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，52（8）：1341-1354.

[9] 李悅有，王學(xué)德，徐亞濃.棕色棉細(xì)胞質(zhì)雄性不育花藥的細(xì)胞學(xué)觀察[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2002（1）：13-17.

[10] 王學(xué)德，張?zhí)煺?，潘家駒.細(xì)胞質(zhì)雄性不育棉花小孢子發(fā)生的細(xì)胞學(xué)觀察和線粒體DNA的RAPD分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1998（2）：70-75.

[11] 童旭宏，秦利，孔廣超，等.新型陸地棉細(xì)胞質(zhì)雄性不育系花器形態(tài)學(xué)和細(xì)胞學(xué)觀察[J].棉花學(xué)報(bào)，2009，21（2）：83-88.

[12] 黃晉玲，楊鵬，李炳林，等.棉花晉A細(xì)胞質(zhì)雄性不育系小孢子發(fā)生的顯微和超微結(jié)構(gòu)觀察[J].棉花學(xué)報(bào)，2001（5）：259-263.

[13] 周仲華.棉花溫敏雄性不育的細(xì)胞學(xué)特征、生化基礎(chǔ)及其分子標(biāo)記的研究[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[14] 孔祥軍.海島棉H276A雄性不育的細(xì)胞學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2017.

（責(zé)任編輯：趙中正）