玉米雄性不育資源的發(fā)掘與利用

時子文，何青，趙卓凡，劉孝偉，張鵬，曹墨菊

綜 述

玉米雄性不育資源的發(fā)掘與利用

時子文，何青，趙卓凡，劉孝偉，張鵬，曹墨菊

四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南玉米生物學與遺傳育種重點實驗室/西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室，成都 611130

植物雄性不育是指植物雄性生殖器官不能產(chǎn)生正常有功能花粉的現(xiàn)象。玉米(L.)是重要的糧食作物之一，也是較早利用雜種優(yōu)勢的作物之一。當前，生產(chǎn)上廣泛種植的玉米品種類型主要是單交種。我國玉米雜交種的播種面積常年穩(wěn)定在6.2億畝左右，年用種量10億公斤以上，常年制種面積高達250多萬畝。利用傳統(tǒng)的人工去雄或機械去雄的制種方式進行雜交種子的生產(chǎn)，通常需要投入大量的人力、物力和財力。我國玉米制種基地具有明顯的區(qū)域性，而玉米制種基地對勞動力的需求具有較強的季節(jié)性，當前伴隨著大量農(nóng)村勞動力的城市化轉(zhuǎn)移，玉米制種基地出現(xiàn)了嚴重的用工慌，制種基地的租地費用和人工成本不斷提高，使得種子生產(chǎn)成本不斷升高。利用植物雄性不育系進行雜交種子的規(guī)?；a(chǎn)，不僅能有效保證雜交種純度，而且可以大大降低雜交種子的生產(chǎn)成本，同時還可避免極端天氣條件下的人工去雄或機械去雄的田間操作困難等問題。因此利用雄性不育進行不育化制種是玉米種業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文綜述了我國玉米細胞質(zhì)雄性不育以及包含光溫敏雄性不育在內(nèi)的細胞核雄性不育資源的發(fā)掘及創(chuàng)制進程、植物雄性不育資源從自然群體中獲得到有目的性創(chuàng)制的發(fā)展過程及玉米雄性不育的研究進展，分析了玉米雄性不育的應用現(xiàn)狀及存在的問題?；谖覈衩追N業(yè)的發(fā)展趨勢和雄性不育的研究及應用現(xiàn)狀，提出了7個需要加強的方面，為玉米雄性不育的創(chuàng)制、研究和利用提供參考。

玉米；雄性不育；雜種優(yōu)勢；應用現(xiàn)狀

植物雄性不育現(xiàn)象在自然界普遍存在。雄性不育對植物自身是一種不利性狀，但因其可接受正常花粉受精結(jié)實，在雜種優(yōu)勢利用上具有重要的應用價值。利用雄性不育系進行雜交種子生產(chǎn)，不僅可以免去人工去雄，降低勞動成本，又能保證種子純度。植物細胞質(zhì)雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)是研究花粉發(fā)育、細胞質(zhì)遺傳以及核質(zhì)互作等的寶貴資源材料，利用其雄性不育、雌性可育的特性，作為一種遺傳工具廣泛應用于作物雜種優(yōu)勢利用和群體改良等。雄性不育長期以來一直是雜種優(yōu)勢利用的重要研究內(nèi)容。

不同的雄性不育類型有著不同的敗育表現(xiàn)，基于敗育發(fā)生早晚的差異，雄性不育主要有幾下幾種表型：(1)雄蕊退化。這種類型幾乎觀察不到小穗、小花等，屬于敗育最早的一類；(2)無花粉粒形成的完全敗育型。該類型花藥瘦小干癟，花藥不開裂、不外露，花藥內(nèi)無花粉粒；(3)小孢子退化或花粉功能缺陷。這種類型花藥近于正常，有時可外露，但內(nèi)含敗育的花粉，有時候花粉形態(tài)正常，也能染色，但正常條件下不能萌發(fā)；(4)花粉發(fā)育正常，雄花穎殼不開裂。這種類型花藥形態(tài)正常，有花粉粒形成，可被碘化鉀染色，花粉有活性，人工剝穎取粉，可完成正常的授粉結(jié)實過程。

雄穗退化通常受多種因素影響，既有遺傳因素的作用，又受環(huán)境因素的影響，通常從表型上很難區(qū)分環(huán)境效應和遺傳效應。對于花粉發(fā)育正常，而雄花穎殼不開裂，因其花粉粒具備正常授粉結(jié)實功能，并非嚴格意義上的雄性不育。因此，通常情況下的雄性不育并未包含雄穗退化和雄花閉穎突變。

玉米(L.)是最早成功利用CMS進行規(guī)?；s交種子生產(chǎn)的作物。20世紀60年代末至70年代初，美國大面積推廣利用玉米T型不育細胞質(zhì)生產(chǎn)雜交種，并取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。但因大面積使用單一的T型不育胞質(zhì)雜交種，致使玉米小斑病T小種爆發(fā)流行，給美國玉米生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。美國玉米不育化制種的應用，在短短的幾年里從輝煌走向?qū)庫o。這一慘痛的教訓為其他作物利用雄性不育進行規(guī)?；N子生產(chǎn)敲響了警鐘。此后，關(guān)于CMS遺傳多樣性以及細胞核雄性不育(genic male sterility, GMS)的研究逐漸受到重視。

玉米GMS早期因為找不到完全保持系，因此只能從其雜交或姊妹交后代分離群體中獲得不育株，GMS系的繁殖問題一直是制約其在不育化制種上應用的首要問題。隨著分子生物學技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及人們對基因結(jié)構(gòu)和功能認知的不斷加深，利用遺傳操作技術(shù)對種子進行熒光標記，對于正?？捎安挥N子的區(qū)分變得簡單易行。近幾年隨著種子生產(chǎn)技術(shù)(seed production technology, SPT)[1]、玉米多控不育技術(shù)(multi-control sterility, MCS)[2,3]以及顯性核不育技術(shù)系統(tǒng)(dominant genic male-sterility system, DGMS)[4]的出現(xiàn)，玉米核不育的研究及應用重現(xiàn)曙光。

玉米是我國第一大作物，是確保國家糧食安全的重要支撐。我國不是玉米原產(chǎn)國，玉米種質(zhì)資源相對匱乏。因此，加強優(yōu)異種質(zhì)資源的挖掘與鑒定，同時做好優(yōu)異基因資源的利用與知識產(chǎn)權(quán)的保護，就顯得尤為必要。本文總結(jié)了我國玉米雄性不育資源的發(fā)掘過程及創(chuàng)制方法以及玉米雄性不育的研究進展及應用現(xiàn)狀，分析了玉米雄性不育在發(fā)掘、研究和利用過程中需要加強的方面，以期為玉米雄性不育的研究及應用提供參考。

1 玉米雄性不育資源的發(fā)掘及創(chuàng)制

1.1 玉米CMS資源的發(fā)掘及創(chuàng)制

玉米是世界上最早利用雄性不育性生產(chǎn)雜交種的作物之一。玉米CMS材料的發(fā)掘及創(chuàng)制為其在雜交制種中的應用奠定了基礎(chǔ)。早期，玉米CMS來源于自然群體的天然雄性不育株，即從天然自交、雜交后代或者自然突變獲得。1932年蘇聯(lián)科學家在蘇聯(lián)黃硬粒地方品種中發(fā)現(xiàn)了M型CMS材料，1937年在蘇聯(lián)又發(fā)現(xiàn)的另外一些CMS材料，后經(jīng)美國農(nóng)業(yè)部定名為USDA。1944年從美國得克薩斯州墨西哥的六月地方品種后代“金色六月”中也發(fā)現(xiàn)了T型CMS。美國是較早利用玉米T型CMS材料進行不育化制種的國家，20世紀40～60年代，美國大面積推廣利用玉米T型不育胞質(zhì)生產(chǎn)雜交種，并取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。但20世紀70年代因大面積使用單一的T型不育胞質(zhì)雜交種，致使玉米小斑病T小種爆發(fā)流行，給美國玉米生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。此后，對T胞質(zhì)敗育及感病機理的研究逐漸展開，同時關(guān)于不育胞質(zhì)遺傳多樣性的研究愈發(fā)受到關(guān)注。

我國早期著名的作物遺傳育種學家楊允奎先生是利用CMS系配制玉米雜交種的開拓者，在他的影響和帶領(lǐng)下四川省較早開展了玉米雄性不育的利用研究[5,6]。四川農(nóng)業(yè)大學數(shù)量遺傳研究室(四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所的前身)于20世紀80年代中后期通過地里遠緣雜交選育出G、類2、類3玉米CMS新材料。G胞質(zhì)是從正?？捎后wG與正?？捎越幌岛隙s交后代選育而成。用其配制的雜交組合川農(nóng)三交2號和G合三單交，已在生產(chǎn)上推廣應用。類2、類3是從栽培玉米與其近緣屬大芻草(ssp.L.)的遠緣雜交后代選育而成。楊俊品等[7]、李晚忱等[8]和榮廷昭等[9]分別從不同方面對G、類2、類3進行了系統(tǒng)的觀察和分析，最終將其歸為玉米CMS-C型不育。20世紀90年代中期，汪靜等[10]對從“川單9號”與玉米近緣屬遠緣雜交后代中選育出的R1、R2兩份雄性不育新材料進行研究，經(jīng)過恢保關(guān)系測定及特異分子標記的PCR擴增，明確兩者均為玉米CMS-C型不育。與此同時，徐小遜等[11]和榮鳳軍等[12]對從優(yōu)良轉(zhuǎn)基因受體18紅的組織培養(yǎng)后代獲得的兩份雄性不育新材料A1、A2進行系統(tǒng)的分類鑒定，同樣將其歸為玉米CMS-C型不育。2006年四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所選送08-641、18-599和SCML203 (RP125) 3份優(yōu)良自交系進行航天搭載試驗，從這些材料的處理后代中陸續(xù)選育出5份雄性不育材料，經(jīng)過正反交試驗結(jié)合恢保關(guān)系鑒定，明確了這5份不育材料均為CMS，其中是從搭載處理的08-641中選育而來，、是從搭載處理的18-599后代中選育而來，、是從搭載處理的SCML203 (RP125)中選育而來。經(jīng)過多年多點的育性鑒定，結(jié)合玉米CMS-C、CMS-T以及CMS-S的特異引物分析，最后明確了、、為玉米CMS-C型不育[13]，和為玉米CMS-T型不育[14]。這5份玉米CMS材料的成功選育充分證明了航天誘變不僅可以導致核基因組遺傳信息發(fā)生改變，也可誘發(fā)細胞質(zhì)基因組線粒體DNA的重排。

華中農(nóng)業(yè)大學也是我國較早開展玉米CMS研究的主要單位之一。李建生等[15]先后從玉米地方品種資源中選育出一批雄性不育系，如遠徐cms-小黃、恩二激cms-大黃，通過分類研究將它們歸為玉米CMS-S型不育。江蘇農(nóng)學院秦泰辰等[16]早期利用恢復系細胞質(zhì)為基礎(chǔ)，采用核置換篩選法獲得新型不育系YⅡ-1，研究表明YⅡ-1不屬于玉米T型和S型，與C型也存在一定差別，認為YⅡ-1的不育胞質(zhì)歸組尚需進一步研究。遼寧省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所陳慶華[17]從鈷60處理的自選雜交組合(開24×替423)后代中選育出一份CMS材料，研究表明該不育系不同于T、S、雙及C型，定名為L2(遼2)型。李小琴等[18]對華中農(nóng)業(yè)大學利用我國地方玉米品種“巫溪”與美國群體BSSSC9、熱帶種質(zhì)“墨黃九”等組配的人工合成群體中發(fā)現(xiàn)的玉米細胞質(zhì)雄性不育材料“WBMs”進行胞質(zhì)分類研究，將其歸為玉米CMS-S型不育。山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所侯愛斌等[19]在試驗地發(fā)現(xiàn)一份玉米CMS材料JnA，通過鑒定將其歸為玉米CMS-S型不育。陳偉等[20]對中國農(nóng)業(yè)大學從爆裂玉米種質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的玉米CMS材料CMS-P進行分類研究，結(jié)果表明CMS-P為玉米CMS-S型不育。湖南農(nóng)業(yè)大學羅紅兵等[21]從雜種后代分離出一份細胞質(zhì)雄性不育GDS，通過鑒定將其歸為玉米CMS-C型不育。山東農(nóng)業(yè)大學郭寶健等[22]利用鈷60處理玉米自交系昌7-2，從中選育出一份不育系Ta-CMS，經(jīng)鑒定為玉米CMS-T型不育。山東農(nóng)業(yè)大學張增川等[23]對新選不育材料泰玉D2s進行研究，但最終未能將其明確歸組，有可能為不同于T、S、C型不育胞質(zhì)的新材料。河北農(nóng)業(yè)大學祝麗英等[24]對從雜交、回交后代選育的雄性不育材料928CMS-Q1261進行研究，同樣將其歸為玉米CMS-S型不育。北京市農(nóng)林科學院宋偉等[25]選育了綜合性狀優(yōu)良、不育性穩(wěn)定且敗育徹底的CMS-S系MD32，后經(jīng)過回交轉(zhuǎn)育結(jié)合分子標記輔助背景選擇將不育性狀轉(zhuǎn)移到自交系京724遺傳背景中。黑龍江八一農(nóng)墾大學孫麗芳等[26]通過化學誘變獲得玉米CMS材料85218A，經(jīng)胞質(zhì)不育特異引物PCR擴增將其歸為玉米CMS-C型不育；與此同時，徐瑩瑩[27]從外源總DNA導入玉米骨干自交系后代中選育了兩份雄性不育新材料DT-合344和ZT-合344，經(jīng)鑒定這兩個不育系均為玉米CMS-T型不育。寧夏農(nóng)林科學院佘奎軍等[28]對育成的玉米CMS系“PH6WCcms-LK18”進行研究，將其歸為玉米CMS-C型不育。安徽農(nóng)業(yè)大學王潔等[29]對從C7-2與PH4CV雜交后代中獲得的雄性不育材料CF3進行分析，并將其歸為玉米CMS-S型不育。山西農(nóng)業(yè)大學張歡歡等[30]對昌7-2與鄭58雜交，然后以鄭58作為受體連續(xù)回交后代選育的晉玉1A雄性不育材料進行研究，最后將其歸為玉米CMS-S型不育?，F(xiàn)將我國自主選育的玉米CMS資源進行匯總，見表1。

1.2 玉米GMS資源的發(fā)掘及創(chuàng)制

玉米GMS的發(fā)現(xiàn)早于CMS。早在1921年Eyster[31]發(fā)現(xiàn)了雄性不育株，經(jīng)鑒定是核不育類型，具有隱性遺傳特征。1930年Singleton和Jones[32]也發(fā)現(xiàn)了雄性不育株并命名為，經(jīng)連鎖關(guān)系測交鑒定，定位在玉米第6染色體上。1931年Eyster[33,34]命名了核不育基因和，分別定位在第9染色體和第3染色體上。20世紀70年代，由于玉米小斑病T小種的爆發(fā)流行，T型不育系被迫停止使用，自此人們對細胞質(zhì)雄性不育的遺傳多樣性研究逐漸重視，而且加強了對細胞核雄性不育的研究，此后又命名了一大批核不育基因[35,36]。

玉米GMS因缺乏完全保持系限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的利用。隨著作物分子設(shè)計育種時代的到來，產(chǎn)生了集轉(zhuǎn)基因、熒光蛋白篩選和花粉失活等多種技術(shù)為一體的SPT技術(shù)，該技術(shù)的誕生有效解決了玉米GMS保持和繁殖問題[1]。隨后，相繼出現(xiàn)了玉米核不育應用的MCS技術(shù)和DGMS技術(shù)[2～4]，這些技術(shù)為利用玉米GMS進行規(guī)?；s交種子生產(chǎn)提供了可能。玉米GMS的研究從此備受關(guān)注，截止目前，全世界已有26個包含光溫敏核不育(photo- thermo sensitive genic male sterile, PTGMS)在內(nèi)的玉米GMS基因被克隆，其中我國科學家克隆了14個，分別是[37]、/[38]、[2,4]、/[39]、/[40]、[41]、[3]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]和[48]。其中有5個玉米GMS突變體(/、、、和)是我國自主創(chuàng)制，其余9個均來自美國玉米種質(zhì)中心。作為玉米種植大國，我國自主創(chuàng)制的玉米GMS資源仍十分有限(表2)，有待于進一步加強。

四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所在國內(nèi)較早開展玉米航天誘變育種研究，1997年從衛(wèi)星搭載川單9號后代獲得一份雄性不育突變材料，經(jīng)鑒定為GMS，定名為。利用分子標記技術(shù)將其定位在玉米第3染色體上，多年多點的種植觀察發(fā)現(xiàn)還具有降低植株高度的作用[43,49～52]。另外，本課題組從2006年“實踐8號”搭載處理的18-599和RP125誘變處理后代中獲得了兩份雄性不育材料，分別是和。經(jīng)過多年多點的鑒定及遺傳分析，發(fā)現(xiàn)兩份不育突變體均為GMS，且均受一對隱性核基因控制，利用分子標記技術(shù)分別將控制的不育基因定位在第6染色體上，控制的不育基因定位在第7染色體上，花粉敗育徹底，為無花粉型不育，而可形成花粉粒，但無淀粉積累(未發(fā)表)。之后，我們采用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)處理優(yōu)良骨干自交系RP125的花粉，成功選育出多份GMS新材料。其中不育突變體是從EMS處理RP125后代中選育而來，目前已被定位在玉米第4染色體上，明確了控制該不育性狀的基因是轉(zhuǎn)錄因子bHLH51[44]，雄性不育突變體X358選自EMS處理RP125后代，現(xiàn)已被定位在玉米第1染色體上(未發(fā)表)。另外，四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院對選自鈷60照射自交系K305后代的GMS突變材料進行了遺傳分析及精細定位，將核不育基因定位在玉米第2染色體上[53]。

表1 我國自主創(chuàng)制的玉米CMS資源

“–”表示來源未知。

河南農(nóng)業(yè)大學李玉玲等[54,55]從“神舟4號”搭載的昌7-2和鄭58種子后代選育出2份GMS突變體，并進行了遺傳分析和基因定位研究，分別將來自于鄭58和昌7-2太空誘變后代的雄性不育基因定位于第1和第4染色體上。山東省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所徐相波等[56]從太空搭載玉米魯原3624后代選育出一份GMS突變體，并對該不育突變體進行了遺傳分析和定位，初步將控制該不育性狀的基因定位在第2染色體上。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所陳化榜課題組在育種過程中也發(fā)現(xiàn)了一份天然GMS突變體，并對其進行了遺傳分析及圖位克隆，明確了目的基因/位于玉米第10染色體長臂上，編碼一個細胞色素P450單氧酶[39]。海南波蓮水稻基因科技有限公司通過鈷60輻射誘變京科糯2000創(chuàng)制了一個糯玉米突變體庫，從中鑒定出71個不同類型的雄性完全不育的突變體，通過連鎖分析和候選基因分析，從中鑒定到一個無花粉突變體和一個花藥缺失突變體[57]。北京市農(nóng)林科學院利用EMS處理京科968的母本京724，獲得一份隱性玉米GMS突變體，經(jīng)過遺傳分析和BSR-seq分析，初步確定該不育基因可能是玉米第4染色體上的()[58]。

表2 我國自主創(chuàng)制的玉米GMS資源

“–”表示未報道。

1.3 玉米光、溫敏雄性不育資源的發(fā)掘及創(chuàng)制

玉米光敏雄性不育(photoperiod sensitive genic male sterility, PGMS)和溫敏雄性不育(thermo sensitive genic male sterile, TGMS)的發(fā)現(xiàn)均晚于水稻。1992年海南省農(nóng)業(yè)科學院郝忠友等[59]在玉米自交系繁種田發(fā)現(xiàn)了雄性不育材料瓊6Qms，經(jīng)多年多代研究，發(fā)現(xiàn)該不育材料為TGMS。河南農(nóng)業(yè)大學湯繼華等[60]通過對育性轉(zhuǎn)換機制的研究，發(fā)現(xiàn)日最高溫度是育性轉(zhuǎn)換的主要因子，表現(xiàn)為低溫可育，高溫不育，育性轉(zhuǎn)換的溫度區(qū)間為27℃～31℃；同時日照長度對育性轉(zhuǎn)換也有一定的影響，表現(xiàn)為長日照不育，短日照可育。瓊6Qms是最早報道的玉米TGMS系，其育性由兩對重疊基因控制，受溫度和日照長度的共同影響，其中花藥的育性主要受溫度的影響，而穎殼的開裂則受日照長度的影響。該材料在不育階段內(nèi)具有少數(shù)可育的花粉，在剝穎授粉時仍然能得到部分種子，故在生產(chǎn)上利用存在一定的潛在風險[60]。付志遠等[61]將控制瓊6Qms育性的基因和分別定位在第3和第5染色體上。另外，湯繼華等[62]對玉米TGMS材料瓊68ms進行生態(tài)學、形態(tài)學和遺傳學分析，發(fā)現(xiàn)瓊68ms是一種花藥敗育型的TGMS系，表現(xiàn)為高溫不育、低溫可育，育性轉(zhuǎn)換的敏感時期是雄穗發(fā)育的小穗分化期，臨界溫度為30℃～33℃，其育性由一對隱性核基因控制。并將控制瓊68ms雄花敗育的溫敏不育基因定位在第2染色體上[63]。

1994年冬季，中國農(nóng)業(yè)科學院作物育種栽培研究所周洪生等[64]在海南省三亞南賓發(fā)現(xiàn)玉米自交系CA507共2行38株全部不散粉，雄花閉穎不開裂，花藥內(nèi)無正常花粉粒，表現(xiàn)為完全雄性不育。多年多點的種植發(fā)現(xiàn)，該不育材料在短日照條件下表現(xiàn)為雄性不育，在長日照條件下表現(xiàn)為可育，是一個短日光周期敏感型雄性不育材料。進一步研究發(fā)現(xiàn)育性轉(zhuǎn)換的臨界日照長度是14～15小時，該PGMS材料受隱性基因控制，基因?qū)?shù)較多。2017年，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞課題組利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯基因得到了一份玉米TGMS材料[46]。中國農(nóng)業(yè)大學金危危課題組從重離子輻射自交系N17后代中選育出一份玉米溫敏無雄穗突變體并對其進行了圖位克隆、等位測驗和互補測驗，確定了位于第9染色體短臂上的基因()為控制溫敏無雄穗表型的目的基因，其編碼核糖核酸還原酶大亞基(large subunit of ribonucleotide reductase, RNRL)[47]。

玉米PGMS和TGMS資源的發(fā)現(xiàn)，為“兩系法”雜種優(yōu)勢利用開辟了一條新的途徑。玉米PGMS和TGMS其實質(zhì)屬于GMS，只是這種雄性不育受生態(tài)條件控制，所以人們又稱之為生態(tài)不育。生態(tài)雄性不育的發(fā)現(xiàn)為深刻認識和探究環(huán)境因素與遺傳因素在雄花發(fā)育中的相對作用提供了寶貴的資源。

1.4 雄性不育材料的來源

關(guān)于植物雄性不育基因資源，可以將其來源概括為以下幾個方面：(1)自然群體的天然雄性不育。早期發(fā)現(xiàn)的許多有重要應用價值的雄性不育類型均為天然雄性不育類型。例如1932年蘇聯(lián)科學家在蘇聯(lián)黃硬粒地方品種中發(fā)現(xiàn)的M型CMS材料，1937年發(fā)現(xiàn)的一些CMS材料，后經(jīng)美國農(nóng)業(yè)部定名為USDA。自然群體中的天然不育株，一方面可能來自于天然自交、雜交后代，另一方面也可能來自于自然突變。(2)遠緣雜交。CMS的實質(zhì)是核質(zhì)不協(xié)調(diào)。因此，任何可導致核質(zhì)不協(xié)調(diào)的雜交或其他遺傳操作均可產(chǎn)生CMS。所以，CMS可經(jīng)由種間雜交、種內(nèi)雜交以及品種間雜交而產(chǎn)生。例如油菜()不育材料nap-CMS來自于品種間雜交后代，向日葵()不育材料PET1-CMS來自于與種間雜交后代，四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所從“川單9號”與玉米近緣屬遠緣雜交后代中選育出R1、R2兩份雄性不育新材料[10]。實踐證明種屬間核質(zhì)置換也是培育CMS的重要途徑。小麥的T-CMS、K-CMS、V-CMS等均是通過核質(zhì)置換選育而來。并且這種途徑是早期培育CMS的重要途徑。(3)原生質(zhì)體融合。原生質(zhì)體融合可以使雙親的核、質(zhì)重新組合，從而為通過胞質(zhì)雜種培育CMS開辟了一條新途徑。例如，Prakash等[65]用白菜型油菜()和芥菜型油菜()分別與刺油菜()融合，在雜種后代中得到了新的Oxy CMS類型。Mikhajlo等[66]用2個可育的煙草親本進行融合，結(jié)果也得到了CMS的胞質(zhì)雜種。(4)組織培養(yǎng)。植物組織培養(yǎng)過程中有可能會產(chǎn)生體細胞無性系變異，因此利用這種體細胞無性系來培育CMS在多種植物中已有報道。四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所從優(yōu)良轉(zhuǎn)基因受體18紅的組織培養(yǎng)后代獲得兩份雄性不育新材料A1、A2，通過分類鑒定將其歸為玉米CMS-C型不育[11,12]。凌定厚等[67]從水稻幼穗、幼胚培養(yǎng)再生植株中獲得48個雄性不育突變體，其中有CMS，也有GMS。(5)理化誘變。電離輻射、烷化劑等傳統(tǒng)的理化因素處理都能誘發(fā)植物雄性不育突變的產(chǎn)生，這種雄性不育既可能是CMS，也可能是GMS，通常以隱性核不育突變類型居多。當前，一些新的誘變技術(shù)如航天誘變、超聲波處理以及等離子誘變等不斷涌現(xiàn)，極大豐富了人工誘變的手段，這為創(chuàng)制更多的雄性不育材料奠定技術(shù)基礎(chǔ)。已發(fā)現(xiàn)的玉米GMS資源多數(shù)來自于理化誘變(表2)，CMS材料中有少部分資源來自理化誘變(表1)。(6)轉(zhuǎn)座子和T-DNA插入誘變。轉(zhuǎn)座子或T-DNA插入有可能引發(fā)植物雄花發(fā)育相關(guān)基因的功能喪失，從而導致雄花敗育。國內(nèi)外曾廣泛利用轉(zhuǎn)座子插入或T-DNA插入構(gòu)建玉米突變體庫。這些突變體庫中蘊藏著大量已被發(fā)現(xiàn)或者未被發(fā)現(xiàn)的雄性不育突變體。當前，在對雄性不育基因進行克隆時，諸多研究者選擇通過購買候選基因的突變體，并對其進行表型觀察與鑒定，從而明確候選基因的功能。(7)基因編輯。隨著基因編輯技術(shù)的不斷完善和成熟，加之植物全基因組學與比較基因組學的深入發(fā)展，人們利用基因編輯技術(shù)定點敲除目標基因，已變得切實可行。例如，水稻TGMS基因第71位堿基由C到A的轉(zhuǎn)換導致了水稻TGMS[68]，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞課題組通過同源比對分析了基因，并利用基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯成功得到了一份玉米TGMS材料[46]；中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所謝傳曉課題組利用CRISPR/Cas9編輯技術(shù)對玉米基因進行編輯，并獲得了由該基因控制的不育系[69,70]。

2 玉米雄性不育研究進展

2.1 玉米CMS研究進展

根據(jù)育性恢復專效性，玉米CMS大體上可分為CMS-T、CMS-S和CMS-C三大類。其中，玉米CMS-T和CMS-C屬于孢子體不育，玉米CMS-S屬于配子體不育。CMS主要是由于線粒體基因的突變和重組導致[71]，屬于母系遺傳。細胞核中的恢復基因(restorer of fertility,)能夠使CMS植株的育性恢復正常，CMS的育性恢復可能發(fā)生在基因組水平，也可能發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平或轉(zhuǎn)錄后水平，或者翻譯水平等[72]。

玉米CMS-T的不育基因是，該基因編碼一個13 kDa跨膜毒蛋白URF13，能夠?qū)е戮€粒體的功能紊亂從而引起花粉敗育[73]。與其育性恢復相關(guān)的基因有[74,75]、[74,76～78]、[79]和[79]，他們都是通過降低URF13蛋白在不育植株中的積累，從而影響CMS-T植株的育性恢復。玉米CMS-S的敗育與一個由線粒體基因組線性末端轉(zhuǎn)錄的長1.6 kb的-轉(zhuǎn)錄本有關(guān)[80～83]，與其育性恢復相關(guān)的基因有[84,85]、[83]和[85]。其中，是通過切割-轉(zhuǎn)錄本使其降解，從而解除其毒性作用，使玉米CMS-S植株的育性得以恢復[82,83]。Xiao等[86]進一步證實了是玉米CMS-S的不育基因，進一步通過酵母單雜交技術(shù)鑒定到了一個在花藥中特異表達的轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子能夠直接結(jié)合啟動子并促進其轉(zhuǎn)錄。Orf355是一個具有強烈細胞毒性的蛋白，基因的表達能夠顯著增強線粒體逆向(線粒體到細胞核)信號，而能快速響應這種信號。另外，基因啟動子區(qū)域存在一定數(shù)量的UPR motif (unfolded protein response motif)，該motif的存在對于響應線粒體逆向信號非常重要。在沒有存在的情況下，基因啟動子缺失UPR motif的單倍型能夠部分恢復玉米CMS-S的育性，表明是玉米CMS-S的弱恢復基因。另外，Qin等[87]克隆了玉米CMS-S主要恢復基因，該基因編碼三角狀五肽重復蛋白K2 (pentatricopeptide repeat protein K2, PPRK2)，研究表明PPRK2靶向線粒體，與結(jié)合并抑制的編輯和降解，并通過未知機制加速的降解，從而使CMS-S的育性得到恢復。的作用是減少由環(huán)形亞基因組與CMS-S特異線性質(zhì)粒重組產(chǎn)生的含有/的線粒體線性亞基因組的數(shù)量，從而影響CMS-S植株的育性恢復，其與相比育性恢復效果較差，且的表達同時受核背景和溫度的影響[83]。玉米CMS-C的敗育可能與基因、、的重排有關(guān)，Dewey等[88]發(fā)現(xiàn)、和可能是引起玉米CMS-C敗育的候選基因。但目前為止，關(guān)于引起CMS-C敗育的關(guān)鍵因子及分子機制尚不清楚。玉米CMS-C的育性恢復由兩個主效恢復基因和控制，分別被定位在第8和第5染色體上[89]。的功能受基因的抑制，僅能在沒有基因存在的情況下恢復玉米CMS-C的育性[90]。相對于，的恢復力強，恢復范圍更加廣泛，目前已完成的克隆[91]。Liu等[92]發(fā)現(xiàn)A619中可能存在兩個主效恢復基因和，且與不等位。CMS-C的育性恢復除了受主效恢復基因控制外，也可能存在一些微效作用位點。例如，Kohls等[93]在研究C型不育胞質(zhì)弱恢復材料時，定位了3個貢獻率較高的育性恢復相關(guān)QTL位點，分別位于bin2.09、bin3.06和bin7.03；Zheng等[94]也發(fā)現(xiàn)一個與玉米CMS-C育性恢復相關(guān)的QTL位點。另外，關(guān)于玉米CMS-C育性恢復機制的研究也取得了一定的進展。趙卓凡等[95]發(fā)現(xiàn)同一測驗系對玉米CMS-C同質(zhì)異核不育系的恢保關(guān)系不同，暗示不育系的核背景參與調(diào)控育性恢復表現(xiàn)，還發(fā)現(xiàn)環(huán)境對恢復系A(chǔ)619恢復后代的育性表現(xiàn)有影響，并推測C48-2、C478核背景中存在微效恢復基因，這些微效基因與18白、自330中的微效恢復基因通過雜交聚合后能使C478、C48-2的育性恢復，暗示玉米CMS-C的育性恢復呈現(xiàn)一定的劑量效應。牟碧濤等[96]發(fā)現(xiàn)自交系7250-14-1對C胞質(zhì)亞組材料C48-2、G48-2、ES48-2、EC48-2表現(xiàn)為育性部分恢復，但卻不能恢復C胞質(zhì)亞組不育系RB48-2和類48-2的不育性狀；Z16能夠部分恢復C48-2，但不能恢復48-2核背景下其他亞組材料如G48-2、ES48-2、EC48-2、RB48-2和類48-2，暗示不育系線粒體基因組對CMS-C育性恢復也有一定影響；Zhang等[97]通過對玉米CMS-C型不育系Cr87-1和其對應的恢復系CR87-1(含有恢復基因)花藥四分體及單核時期的小孢子進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，差異表達分析顯示共有3379個差異表達基因(differential expression gene, DEG)，其中277個DEG可能與線粒體功能相關(guān)，226個DEG為轉(zhuǎn)錄因子，467個DEG可能是調(diào)控的靶基因。KEGG (Kyoto Encyclo-pedia of Genes and Genomes)分析表明，四分體時期的DEG主要參與碳代謝、氨基酸合成和代謝，而四分體向單核早期過渡期的DEG主要與蛋白質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)、脂肪酸代謝和結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生相關(guān)。綜合分析發(fā)現(xiàn)恢復基因同時影響絨氈層功能及小孢子發(fā)育，可能參與小孢子細胞內(nèi)氧化還原動態(tài)平衡的調(diào)控及細胞重建。近年來雖然在玉米CMS敗育及恢復機制的研究上取得了一些進展，但仍需進一步加強和深入。

2.2 玉米GMS研究進展

目前在玉米中已經(jīng)鑒定出許多GMS相關(guān)突變體或基因。據(jù)不完全統(tǒng)計，已完成克隆和功能分析的包含PGMS和TGMS在內(nèi)的玉米GMS基因至少有26個(表3)。根據(jù)核不育基因的功能可分為以下5類：

表3 已經(jīng)克隆的玉米核雄性不育基因

原報道中基因ID的版本均對應替換成B73_V4版本。

(1)參與脂質(zhì)代謝的基因有9個，分別是[37]、[38]、/[39]、/[40]、[69]、[3]、[42,104]、[105]和[45]。其中，編碼一個ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體蛋白，其功能缺失會導致玉米花藥中脂質(zhì)和蠟質(zhì)成分減少，從而影響花藥發(fā)育[37]；()和均編碼一個GDSL脂肪酶，功能的缺失導致了突變體中脂質(zhì)代謝發(fā)生異常，尤其是C16/C18脂肪酸以及相關(guān)衍生物含量的顯著下降，引起花藥絨氈層和中間層細胞的延遲降解，花藥角質(zhì)層和花粉外壁發(fā)育異常[38]。參與花粉外壁形成和花藥角質(zhì)層發(fā)育所需的脂肪代謝途徑，該基因功能的缺失會引起花藥角質(zhì)層和花粉外壁正常發(fā)育所需脂類物質(zhì)的不足，最終導致徹底的雄性不育[3]；()和均編碼一個細胞色素P450家族蛋白，分別是擬南芥和的同源基因。參與形成孢粉素前體和角質(zhì)單體的合成，在花藥角質(zhì)層和花粉外壁發(fā)育中起重要作用[39]。編碼的蛋白質(zhì)屬于長鏈脂肪酸ω-羥化酶，該酶參與花粉發(fā)育過程所需的孢粉素和一些生物大分子單體物質(zhì)的合成，該基因功能的缺失會引起長鏈脂肪酸合成受阻，從而導致花粉外壁發(fā)育異常[69]；()編碼一個Glucose-methanol-choline (GMC)氧化還原酶，參與C16/C18 ω-羥基脂肪酸的氧化途徑，與、共同參與調(diào)控花藥角質(zhì)層和花粉外壁的合成[40]；編碼一個甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶(-2 glycerol-3-phosphate acyltransferase, GPAT)，該酶催化甘油脂合成途徑的第一步。的作用是通過介導絨氈層細胞脂質(zhì)的生物合成來維持花藥內(nèi)層葉綠體正常的結(jié)構(gòu)和功能[42,104]；是一個顯性細胞核雄性不育基因，編碼一個脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白，該基因功能的缺失不僅能夠引起顯性核雄性不育的產(chǎn)生，而且可以提高玉米的氮利用率，在玉米生產(chǎn)中具有重要應用價值[105]；編碼一個定位于質(zhì)體的脂肪?；d體蛋白還原酶，該基因是在花藥角質(zhì)層和花粉外壁發(fā)育中必不可少的[45]。

(2)參與糖代謝的基因有2個，分別是[98]和[43,49～52]。其中，編碼一個β-1,3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶，Ms8與阿拉伯半乳糖蛋白、生物素2、生物素4、線粒體外膜孔蛋白以及ATP酶復合體第1亞基等蛋白都存在相互作用關(guān)系，推測可能參與花藥早期發(fā)育的生物合成、細胞程序性死亡以及線粒體代謝等途徑，功能的缺失可以直接或間接地導致花粉母細胞發(fā)育異常，并最終導致不育的發(fā)生[98]；編碼一個胼胝質(zhì)合成酶12，該基因功能的缺失不僅能夠?qū)е掠衩谆ǚ蹟∮揖哂薪档椭仓旮叨鹊淖饔肹43,49～52]。

(3)作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花發(fā)育的基因有6個，分別是[2,4]、[99]、[102]、[103]、[44]和[108]。這6個基因歸為4類轉(zhuǎn)錄因子。其中，屬于PHD-finger轉(zhuǎn)錄因子；屬于R2/R3 MYB類轉(zhuǎn)錄因子；、和屬于bHLH轉(zhuǎn)錄因子；()屬于LBD (LOB domain)轉(zhuǎn)錄因子。與擬南芥和水稻同源[2]，該基因作為轉(zhuǎn)錄激活因子在絨氈層發(fā)育和花粉外壁形成中起關(guān)鍵作用。利用花藥異性啟動子提前表達能導致玉米顯性雄性不育，的提前表達引起了下游基因的提前表達從而導致絨氈層發(fā)育異常和花粉外壁形成異常。同樣，在轉(zhuǎn)基因水稻和擬南芥的植株也表現(xiàn)出類似的顯性雄性不育[4]；作為植物特異的R2/R3 MYB類轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控玉米花粉發(fā)育[99]；和在減數(shù)分裂前期的花藥中特異表達，主要調(diào)節(jié)花粉發(fā)育過程中絨氈層細胞和中層細胞的分裂和分化[102,103]。有趣的是，同時也是玉米CMS-C的主效恢復基因[91]；編碼轉(zhuǎn)錄因子bHLH51，該基因功能的缺失導致絨氈層降解延遲，進而阻礙正常小孢子的形成[44]；功能的缺失導致玉米雄性不育的產(chǎn)生[108]，但具體的分子機制尚不清楚。

(4)通過sRNA (small RNA)介導調(diào)控花發(fā)育的基因有3個，分別是[41]、[109,110]和[111～115]。其中，編碼ARGONAUTE (AGO)家族蛋白ZmAGO5c，該基因功能的缺失能夠?qū)е陆q氈層細胞在減數(shù)分裂早期表現(xiàn)出提前空泡化，研究表明可能通過sRNA介導的表觀遺傳調(diào)控途徑來調(diào)控絨氈層細胞發(fā)育[41]；編碼一個HD-ZIP類轉(zhuǎn)錄因子，研究發(fā)現(xiàn)該基因?qū)τ跍p數(shù)分裂前玉米花藥中21 nt phasiRNAs的生物合成是必需的[109,110]；編碼Dicer-like 5蛋白，研究表明該基因是形成24 nt phasiRNAs所必需的，24 nt phasiRNA直接調(diào)控絨氈層細胞分化，并會影響減數(shù)分裂過程[111～115]。

(5)具有其他功能的基因有6個，分別是/[100,101]、[106]、[107]、[46]、[47]和[48]。其中，()編碼一個谷氧還蛋白，突變體缺乏孢原細胞，花藥細胞形態(tài)分化成類似于葉片細胞[100,101]；編碼一個異胡豆苷合成酶類似蛋白，可能參與生物堿合成途徑，該基因功能的缺失會導致花粉外壁不能正常形成，最終引起花粉敗育[106]；編碼一個小的分泌蛋白，是擬南芥和水稻的同源基因，主要調(diào)控花藥發(fā)育早期細胞的分裂增殖[107]；玉米TGMS突變體是通過與水稻TGMS基因同源比對并利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯得到的[46,68]，具體的分子機制尚不清楚；突變體的溫敏無雄穗表型是由編碼蛋白第277位精氨酸(Arg277, CGU)替換為組氨酸(His277, CAU)的G-A位點的突變導致的，該基因功能的缺失影響了其與3個RNRSs (ZmRNRS1、ZmRNRS2和ZmRNRS3)的互作，從而影響RNR全酶的形成和dNTP的供應，進而影響頂端分生組織(shoot apical meristem, SAM)的DNA復制和細胞增殖[47]；玉米花序發(fā)育缺陷突變體()的突變受一個半顯性基因控制，控制該突變性狀的基因可能是一個轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。進一步分析發(fā)現(xiàn)的異位表達抑制了多個花發(fā)育基因調(diào)控通路，從而導致突變體花序復雜的突變表型[48]。

3 玉米雄性不育在制種中的應用

3.1 玉米CMS的應用

玉米是較早利用CMS進行不育化制種的作物。自20世紀50年代，美國在玉米生產(chǎn)上開始推廣使用T型不育胞質(zhì)雜交種，正是因為利用T型胞質(zhì)進行不育化制種，給玉米生產(chǎn)帶來可觀的經(jīng)濟效益，使T型不育胞質(zhì)雜交種的推廣面積持續(xù)攀升，到1970年，美國玉米生產(chǎn)上T型胞質(zhì)雜交種的種植面積占玉米總面積的80%左右[116]。但是T型胞質(zhì)雜交種的大面積推廣利用，也直接導致玉米小斑病T小種在美國爆發(fā)流行，使美國玉米生產(chǎn)遭受巨大的經(jīng)濟損失，T型胞質(zhì)的利用被迫停止。之后，不育胞質(zhì)雜交種在美國玉米生產(chǎn)上的種植面積驟然下降。據(jù)Darrah等[117]報道，1979年美國利用各類CMS系配制的雜交種占種子生產(chǎn)量的17.5%，其中T型1.3%、C型14.1%、S型2.1%；1984年美國玉米不育系制種已占種子生產(chǎn)量的11.6%，其中C型8.3%、S型3.3%。據(jù)陳國平[118]報道，1991年美國采用CMS系制種的已占到33.9%。近幾年國際上有關(guān)CMS雜交種的應用情況還未見報道。

我國自20世紀70年代后期開始研制利用C型、S型雄性不育材料，陸續(xù)有一些單交種如華玉2號、豫農(nóng)704、中單2號、農(nóng)大3138、華玉4號、成單19、川單9號、豫玉22號等利用C或S型的CMS系制種[119]。20世紀90年代，中國農(nóng)業(yè)大學采用摻和法對農(nóng)大3138的不育胞質(zhì)雜交種進行推廣利用，河南農(nóng)業(yè)大學利用摻合法對豫玉22號的不育胞質(zhì)雜交種進行推廣應用，并且形成了一定的推廣面積[120]。2003年，豫玉22號制種面積達866.67 hm2，可供16.67萬hm2生產(chǎn)使用，累計推廣面積約573萬hm2[119,121]。2011年，我國CMS玉米雜交種面積不到玉米總面積的15%，在河南、湖北、四川等地有少量種植，且大面積應用的僅EL、唐徐、雙等3種胞質(zhì)型[120]。近幾年我國有關(guān)CMS雜交種的應用情況尚未見報道。

不育系、保持系和恢復系“三系”配套是玉米CMS應用于生產(chǎn)的首要條件。目前我國在玉米生產(chǎn)上利用“三系”配套技術(shù)生產(chǎn)的雜交種占比不高，推廣面積也很有限。主要原因在于：(1) CMS不育胞質(zhì)雜交種的單一化大面積推廣，具有潛在的遺傳脆弱性，存在病菌專化侵染的風險；(2) CMS不育胞質(zhì)的強恢復基因資源缺乏，且傳統(tǒng)的恢復基因轉(zhuǎn)育方法繁瑣復雜，周期長。

3.2 玉米GMS的應用

玉米GMS因找不到完全保持系，GMS的保持和繁殖問題得不到有效解決，致使其在玉米雜交制種中應用受限。針對這一問題，人們先后提出和嘗試了許多方法，例如利用與調(diào)控胚乳顏色基因的緊密連鎖[32]性以及與控制黃綠苗基因的緊密連鎖特性[122]解決可育植株與不育植株的區(qū)分問題，也有人提出利用黃白子粒以及黃綠苗標記性狀與不育基因連鎖，借助這些標記性狀實現(xiàn)對不育株和可育株進行早期鑒定區(qū)分等，但這些方法都因存在這樣或者那樣的問題而未能在生產(chǎn)上應用。近幾年隨著SPT技術(shù)、玉米MCS技術(shù)和DGMS技術(shù)的相繼出現(xiàn)，為解決GMS的保持和繁殖問題帶來了契機[1～4]。SPT技術(shù)和玉米MCS技術(shù)屬于隱性不育技術(shù)，在雜交種的生產(chǎn)過程中利用熒光蛋白篩選標簽實現(xiàn)了不育和可育種子的分離，該方法雖然利用了轉(zhuǎn)基因技術(shù)，但最終生產(chǎn)的雜交種子卻不含轉(zhuǎn)基因成分。DGMS技術(shù)屬于顯性不育技術(shù)，同樣可以通過熒光蛋白篩選標簽來區(qū)分含轉(zhuǎn)基因成分和不含轉(zhuǎn)基因成分的雜交種子，利用該技術(shù)生產(chǎn)的雜交種子中有50%含有轉(zhuǎn)基因成分。這些技術(shù)雖然為玉米GMS系的大量繁殖和保持提供了有效策略，但是對于不育化制種的規(guī)?；a(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化運作仍然存在一些短板和不足。首先，在利用隱性核不育技術(shù)生產(chǎn)雜交種的過程中存在轉(zhuǎn)基因花粉致死不徹底的情況，會造成轉(zhuǎn)基因花粉漂移從而影響生態(tài)環(huán)境；其次，利用顯性核不育技術(shù)生產(chǎn)的雜交種仍有50%含有轉(zhuǎn)基因成分，對于轉(zhuǎn)基因受限制的國家來說有一半雜交種不能投入市場，造成資源的浪費。截止目前，在國內(nèi)外還沒有成功利用玉米GMS進行大規(guī)模不育化制種的報道。

4 結(jié)語與展望

我國作為玉米生產(chǎn)大國，玉米種植面積由建國初期的1.65億畝增長到現(xiàn)在的6.2億畝左右，年用種量10億公斤以上，常年制種面積250多萬畝。當前，人工去雄的制種方式已經(jīng)無法滿足大面積制種的需求，迫切需要尋求一種新的制種方式加以推廣利用。利用植物的雄性不育特性開展不育化制種，不僅能夠有效保證雜交種子的純度，而且可以大大降低種子生產(chǎn)成本，是一種費省效宏的玉米種子生產(chǎn)方式。我國地域遼闊，玉米種植區(qū)域縱跨寒溫帶、暖溫帶、亞熱帶和熱帶生態(tài)區(qū)，分布在平原、丘陵和高原山區(qū)等不同自然條件下，為滿足不同生態(tài)條件下的玉米生產(chǎn)需求，挖掘和創(chuàng)制適宜于不同生態(tài)條件的玉米雄性不育資源，應用于玉米種子生產(chǎn)將是未來發(fā)展的趨勢。隨著人們對植物花發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的深入了解，以及以CRISPR/Cas9為代表的第三代基因編輯技術(shù)的迅速發(fā)展，植物雄性不育資源的獲得方式有望從傳統(tǒng)的自然突變、人工誘變等突變頻率低、突變方向不確定發(fā)展到利用基因編輯技術(shù)有目的、高效的人為創(chuàng)制。利用基因編輯技術(shù)有望實現(xiàn)玉米雄性不育材料的高通量定向創(chuàng)制。

面對我國玉米種業(yè)的發(fā)展趨勢和雄性不育的研究及應用現(xiàn)狀，今后需加強以下7個方面的工作：(1)進一步挖掘創(chuàng)制新的胞質(zhì)不育資源，豐富不育胞質(zhì)資源的遺傳多樣性。創(chuàng)制對玉米T小種不敏感的玉米CMS-T型不育新材料；(2)對不育胞質(zhì)的恢復資源開展廣泛深入的研究?！叭怠迸涮资荂MS應用于不育化制種的前提。CMS的恢復基因資源短缺，并且傳統(tǒng)的恢復基因轉(zhuǎn)育方法周期長，過程繁瑣復雜。這些已成為制約“三系”配套不育化制種應用的主要因素。目前已經(jīng)克隆的玉米CMS恢復基因有[76]、[87]和[91]，其中只有是由我國科學家克隆。因此，急需發(fā)掘、創(chuàng)制和克隆更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的玉米CMS恢復基因；(3)對玉米CMS花粉敗育及育性恢復機制的深入研究；(4)對GMS不育材料的精準鑒定、深入挖掘和有效利用。一因多效且對生產(chǎn)有利的核不育基因?qū)⑹俏磥硌芯亢屠玫闹攸c。據(jù)報道，玉米核不育基因不僅雄花敗育徹底、育性表現(xiàn)穩(wěn)定，而且還能提高玉米對氮肥的利用率[105]；玉米核不育基因同樣表現(xiàn)出雄花敗育徹底育性表現(xiàn)穩(wěn)定，并且伴隨株高的降低[43,49～52]；(5)對知識產(chǎn)權(quán)的保護。自20世紀90年代以來，擁有“基因?qū)＠币殉蔀榘l(fā)達國家及其跨國公司壟斷生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的集中表現(xiàn)，知識產(chǎn)權(quán)之爭是今后生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的焦點[123]。對優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源保護的同時，還需加強對優(yōu)良性狀基因的產(chǎn)權(quán)保護，將種質(zhì)資源優(yōu)勢和基因優(yōu)勢同時建立起來，避免“種中國豆侵美國權(quán)”的類似情況再次發(fā)生；(6)對GMS利用相關(guān)技術(shù)的完善。加強對核不育基因、花粉致死基因、種子標記基因等的克隆，解決雜交種子生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)基因花粉致死不徹底、種子標記基因類型單一化等問題；(7)核不育與現(xiàn)代育種技術(shù)的結(jié)合。將GMS系與包含轉(zhuǎn)基因育種和分子設(shè)計育種在內(nèi)的現(xiàn)代育種技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮核雄性不育在育種中的應用。

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Exploration and utilization of maize male sterility resources

Ziwen Shi, Qing He, Zhuofan Zhao, Xiaowei Liu, Peng Zhang, Moju Cao

Male sterility refers to the defective development of male reproductive organs, which led to plants incapable of producing normal and functional pollens. Maize (L.) is one of the most important food crops, as well as one of the earliest crops to utilize heterosis in breeding. Single cross hybrid has been the main type of maize heterosis utilization for a long time. The planting area of maize hybrid in China has been stable at about 620 million mu. More than one billion kilograms of commercial hybrid seeds are needed each year, and the annual seed production area has been stable at about 2.5 million mu in recent years. So far, manual emasculation has been the major way of maize hybrid seed production in China, which is laborious and time consuming. Generally, spatial isolation is necessary for maize hybrid seed production, this requirement results in only some regions in the country suitable for maize hybrid seed production. Manual emasculation requires seasonal demand of labors. At present, with the urbanization of a large number of rural laborers, the seed production regions experience a serious labor shortage. Accordingly, the cost of seed production increases with the rising of land rent and labor costs. In addition, it is difficult to guarantee the seed purity with manual or mechanical emasculation for hybrid seed production. However, incorporating male sterility into maize hybrid seed production could reduce its cost and ensure hybrid seed purity. It can also avoid the difficulties of manual or mechanical emasculation in field operation under extreme weather conditions. Therefore, it is the inevitable trend of development in the maize seed industry. In this review, we summarize the exploitation and creation of maize cytoplasmic male sterility (CMS), maizegenic male sterility (GMS) resources in China, and the developing process from natural discovery to targeted creation of male sterility resources in plants, and the research progress of maize male sterility. We then analyze the application status and existing problems of maize male sterility, based on the development trend of maize seed industry, as well as the research and application status of male sterility in China. We also identify seven aspects that need to be further strengthen, thereby providing the reference for the creation, research and utilization of maize male sterility in the future.

L.; male sterility; heterosis;application status

2021-09-08;

2021-11-09;

2022-01-17

國家自然科學基金項目(編號：31771876)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31771876)]

時子文，在讀博士研究生，專業(yè)方向：作物遺傳育種。E-mail: ziwen_shi@163.com

曹墨菊，教授，博士生導師，研究方向：玉米雄性不育。E-mail: caomj@sicau.edu.cn

10.16288/j.yczz.21-327

(責任編委: 宋任濤)