番茄雄性不育研究現(xiàn)狀與展望

李 翔，李 濤，宮 超，黎振興，孫光聞

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

番茄（Solanum lycopersicumL.）屬于茄科番茄屬，起源于南美洲。番茄產(chǎn)量居世界蔬菜作物首位，全世界番茄年總產(chǎn)量高達(dá)1.7 億t［1］。自20 世紀(jì)50 年代起，我國(guó)引進(jìn)番茄品種并迅速開始大面積種植栽培，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)番茄種植面積已達(dá)111.27 萬hm2、產(chǎn)量約6 609萬t［2］；目前我國(guó)不僅是番茄種植面積最大的國(guó)家，番茄生產(chǎn)量和出口量也居世界第一。

蔬菜作為雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要作物，在制種生產(chǎn)過程中基本以人工去雄來實(shí)現(xiàn)良種繁育。植物雄性不育主要特征是雄蕊發(fā)育異常、無法產(chǎn)生有正常功能的花粉，而雌蕊發(fā)育正常，因此植物可通過外來正?；ǚ凼芫Y(jié)實(shí)。植物雄性不育在植物界中較為廣泛，目前已發(fā)現(xiàn)在18 科110 種植物中存在［3］。植物雄性不育一般分為細(xì)胞核雄性不育（Genic male sterility，GMS）和細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）兩種類型，其中細(xì)胞質(zhì)雄性不育又稱質(zhì)核互作不育，廣泛存在于高等植物中。目前生產(chǎn)上大多數(shù)采取的是CMS 育種技術(shù)，在CMS 雜交育種中，細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、保持系以及恢復(fù)系被稱為“三系”，恢復(fù)系是該技術(shù)的關(guān)鍵所在，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以有效地保持雄性不育特性。段琉穎等［4］通過研究水稻CMS 育種技術(shù)以及育性恢復(fù)基因的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)在生產(chǎn)中利用CMS 技術(shù)雜交水稻種植面積超過50%，水稻產(chǎn)量占世界水稻總產(chǎn)量的60%以上。目前，水稻、小麥［5］、玉米［6］等植物已建立一套完整的CMS 育種技術(shù)并大面積投入到生產(chǎn)中。

番茄屬于自花授粉植物，雜種優(yōu)勢(shì)明顯，且具有抗病性和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用雜種優(yōu)勢(shì)育種的產(chǎn)量比常規(guī)育種高出20%～30%。目前在生產(chǎn)中番茄育種大多依靠人工進(jìn)行去雄和授粉，這樣不僅消耗大量人力、物力及財(cái)力，其制種產(chǎn)量也達(dá)不到預(yù)期。番茄雄性不育首次于1915 年被Crane［7］提及，自20 世紀(jì)30 年代以來一直是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重要研究主題之一。據(jù)報(bào)道，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約有55 種番茄雄性不育突變體材料，如ms（male sterility）系列、ps（positional sterility）系列、sl（stamenless）系列等［8］。中國(guó)科學(xué)院遺傳與生物發(fā)育研究所利用CRISPR/Cas9 技術(shù)對(duì)番茄骨干自交系TBo993 的雄蕊特異性表達(dá)基因SISTR1進(jìn)行定向敲除來創(chuàng)造不育系，以及通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將正常功能的SISTR1基因和控制花青素合成的SIANT1基因結(jié)合轉(zhuǎn)回到不育系中得到恢復(fù)育性的保持系［9］。為鑒定番茄細(xì)胞質(zhì)雄性不育方面的基因，Kuwabara 等［10］以3 個(gè)栽培番茄 系（S.lycopersicum‘Sekai-ichi’、‘O’ 和‘P’）為細(xì)胞核供體、馬鈴薯野生近緣種（Solanum acaule）為細(xì)胞質(zhì)供體，利用這兩種供體創(chuàng)造出2份不對(duì)稱細(xì)胞融合體，并通過回交比對(duì)分析揭示了番茄中的動(dòng)態(tài)基因組重組與細(xì)胞質(zhì)雄性不育相關(guān)基因，此研究對(duì)番茄開發(fā)新F1代雜交育種提供了原理與方法。但是，目前尚未在番茄中找到恢復(fù)基因并進(jìn)行克隆，使得CMS 雜交育種技術(shù)無法在番茄生產(chǎn)中實(shí)施。如果此項(xiàng)技術(shù)能運(yùn)用在番茄生產(chǎn)中，則將大量節(jié)約人工成本，并提高種子純度及產(chǎn)量。綜上所述，番茄雄性不育的研究與應(yīng)用十分重要，本文對(duì)番茄雄性不育研究現(xiàn)狀及展望進(jìn)行闡述，以期為國(guó)內(nèi)外學(xué)者在番茄雄性不育理論研究及技術(shù)應(yīng)用方面提供參考。

1 番茄雄性不育類型

1.1 功能型雄性不育

番茄功能型雄性不育是指花器官發(fā)育正常、可以產(chǎn)生可育的花粉，但是由于花藥不開裂或開裂異常導(dǎo)致花粉無法在自然狀態(tài)下抵達(dá)柱頭，從而造成不育，如ps（positional sterility）、cl（cleistogamous）、cl-2（cleistogamous-2）等［11］。功能型雄性不育的典型代表是贊貝爾型雄性不育系（JohnBear）［12］，其花藥幾乎不開裂，使得無法自花授粉導(dǎo)致不育。類似地，Atanassova［13］通過對(duì)ps-2（positional sterility-2）類型詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，其花瓣正常但花藥不開裂，因其開裂區(qū)間細(xì)胞被纖維填充，造成發(fā)育畸形，無法提供花藥開裂的能量，使得番茄ps-2類型表現(xiàn)為功能型雄性不育。

1.2 部位型雄性不育

番茄部位型雄性不育是指花器官發(fā)育正常，但由于植株中柱頭高于雄蕊藥筒無法授粉形成不育，其表型不穩(wěn)定且易受環(huán)境溫度的影響，遺傳復(fù)雜，又稱為L(zhǎng) 型不育。張少麗等［14］對(duì)部位型雄性不育進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是耐熱型植株還是溫敏型植株在高溫情況下都會(huì)促進(jìn)花柱的伸長(zhǎng)，溫敏型植株的花柱長(zhǎng)度更易受到影響，表明溫度可通過調(diào)控番茄花柱的伸長(zhǎng)進(jìn)而影響其授粉過程。

1.3 花粉敗育型雄性不育

花粉敗育型雄性不育又稱為孢子雄性不育，大部分發(fā)生在小孢子減數(shù)分裂Ⅰ期或減數(shù)分裂完成后，在田間表現(xiàn)為雄蕊無花粉釋放［15］。Rick［16］曾對(duì)花粉敗育型植株中9 個(gè)ms（male sterility）突變體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)造成其雄性不育的原因均與絨氈層的發(fā)育相關(guān)。Liu 等［17］對(duì)ms-32（male sterility-32）突變體的研究結(jié)果顯示，在減數(shù)分裂前期其花藥形態(tài)和正常植株相同，但在四分體、小孢子、有絲分裂和裂開階段有明顯的形態(tài)差異，在絨氈層細(xì)胞中也有明顯差異，其體現(xiàn)在細(xì)胞異常增大、空泡化，從而無法正常授粉導(dǎo)致不育，更加表明番茄雄性不育花粉敗育型敗育原因與絨氈層發(fā)育密切相關(guān)。

1.4 雄蕊退化型雄性不育

雄蕊退化型雄性不育是由于其一般具有畸形的雄蕊或無雄蕊，雖然植株其他花部位正常發(fā)育，但因無法產(chǎn)生花粉導(dǎo)致不育，如sl（stamenless）系列（目前已發(fā)現(xiàn)6 個(gè)sl突變體）、pi（pistillate）、pi-2（pistillate-2）等，其中番茄雄蕊退化型雄性不育最典型的結(jié)構(gòu)類型是pi和pi-2。Rick［11,18］對(duì)這兩種類型番茄進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)盡管在顯微鏡下觀察到的pi突變體器官表型與其他結(jié)構(gòu)不育型花相似，但其同源突變體在擬南芥中可能沒有可育雄蕊。Polowick 等［19］通過比較sl-2（stamenless-2）突變體與野生型減數(shù)分裂時(shí)絨氈層細(xì)胞差異發(fā)現(xiàn)，突變體絨氈層細(xì)胞在減數(shù)分裂早期就出現(xiàn)了變異，在四分體時(shí)期絨氈層進(jìn)一步松散和擴(kuò)大，從而導(dǎo)致質(zhì)壁分離產(chǎn)生沒有可育功能的花粉，表明減數(shù)分裂時(shí)期絨氈層的變異可能導(dǎo)致番茄雄蕊退化型雄性不育的產(chǎn)生。

2 番茄雄性不育基因工程研究進(jìn)展

基因工程是指在分子水平將外源基因通過體外重組技術(shù)導(dǎo)入到受體細(xì)胞中，使該基因能夠在受體細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)并且能夠穩(wěn)定遺傳的技術(shù)。1994 年番茄作為世界上第一例轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品出現(xiàn)［20］，隨著基因工程技術(shù)不斷提高，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物中的應(yīng)用日趨成熟；與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，使用轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)獲得的番茄具有品質(zhì)更好、口感更為豐富等優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)入外源基因后番茄發(fā)生改變的性狀中主要涉及抗除草劑、抗寒性、抗鹽性、抗病性、耐貯性和雄性不育性等。其中，雄性不育作為番茄基因工程研究的著重點(diǎn)，至今國(guó)內(nèi)外研究者們通過對(duì)番茄雄性不育基因的初定位、精細(xì)定位、基因家族的鑒定、候選基因的篩選、基因功能鑒定與驗(yàn)證等研究發(fā)現(xiàn)了許多有關(guān)番茄雄性不育方面的基因，如ms32、ms14、ms10等，其研究成果將推動(dòng)育性研究的進(jìn)程。

2.1 番茄雄性不育基因的精細(xì)定位

研究者通過分子標(biāo)記等技術(shù)，對(duì)許多不同種類的番茄雄性不育基因進(jìn)行了精細(xì)定位和克隆。Gorman 等［21］利用圖位克隆技術(shù)找到兩個(gè)與ms-14基因緊密相連的RFLP 探針（ct120A、TG393），發(fā)現(xiàn)ms-14基因定位在番茄11 號(hào)染色體上的300 kb 區(qū)間內(nèi)，在610 kb 的YAC 克隆條帶上發(fā)現(xiàn)有該基因，為進(jìn)一步開展ms-14基因的功能研究奠定了基礎(chǔ)。Jeong 等［22］選用番茄雄性可育親本（T-1082）和雄性不育ms-1035（2-517）作為親本，其后代分別與親本（T-1082）回交6次后對(duì)ms-10基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ms-1035在減數(shù)分裂前期到四分體時(shí)期，該基因在減數(shù)分裂細(xì)胞和絨氈層組織中特異性表達(dá)。試驗(yàn)結(jié)果可以表明該基因在小孢子發(fā)育過程中主要參與調(diào)節(jié)絨氈層細(xì)胞的減數(shù)分裂和程序性細(xì)胞死亡。Zhang 等［23］通過分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）技術(shù)發(fā)現(xiàn)與番茄雄性不育相關(guān)的SLGSTAA基因缺失，并開發(fā)了一種用于區(qū)分純合野生型、雜合和純合突變的共顯性InDel標(biāo)記AAD，其研究結(jié)果有助于番茄中SLGSTAA基因的功能分析和標(biāo)記輔助選擇。Wang等［24］使用番茄雄性不育基因ms-1035的植株作為試驗(yàn)材料，利用ITRAQ-Based 蛋白組學(xué)技術(shù)揭示了番茄雄性不育基因ms-10的蛋白質(zhì)組學(xué)變化，結(jié)果顯示脂肪酸代謝受損可能造成其雄性不育，且已通過實(shí)時(shí)定量PCR（qRT-PCR）和生理測(cè)定證實(shí)。Cao 等［25］通過研究B 類MADS-box基因TM6，將ms-1526精確定位到2 號(hào)染色體上的44.6 kb 區(qū)間內(nèi)，通過共顯性插入/缺失（InDel）標(biāo)記、共顯性衍生的切割擴(kuò)增多肽序列（dCAPS）標(biāo)記以及SNP 標(biāo)記技術(shù)開發(fā)出2 種候選基因特異性標(biāo)記MS26D和MS15C，實(shí)時(shí)定量PCR 分析發(fā)現(xiàn)在ms-1526和ms-1547突變體花中幾乎檢測(cè)不到TM6基因的表達(dá)，表明基因TM6在雄蕊發(fā)育過程中起重要作用，這為ms-15或其他等位基因在雜交育種中母本的MAS 定位研究提供了依據(jù)。

早期，Larson 等［26］對(duì)番茄雄性不育基因ps進(jìn)行了功能分析與定位，其結(jié)果推動(dòng)了研究者對(duì)番茄雄性不育基因ps的研究。Staniaszek 等［27］利用5'-CACAGCGACA-3'和5'-CCAGGCTGAC-3'引物擴(kuò)增出1 230 bp 和780 bp 的特異性片段，找到2 個(gè)與ps 基因緊密連鎖的RAPD 標(biāo)記，同時(shí)利用這些標(biāo)記進(jìn)行輔助選育及雜種純度鑒定。Stoilova 等［28］和Atannassova 等［29］通過對(duì)ps-2基因初步定位，證明該基因與ful基因連鎖，但圖譜距離較大。Gorguet［30］完成了番茄ps-2基因的精細(xì)定位，其開發(fā)出ps-2基因區(qū)域的高分辨率連鎖圖譜，將ps-2基因定位在4 號(hào)染色體短臂To958 和To635 之間的1.65 cM 區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步確定了ps-2基因所在的區(qū)間，為后續(xù)研究ps-2基因奠定了基礎(chǔ)。朱莎等［31］以番茄株系92155 為父本、含有ps-2基因的不育材料CMC1ps2（來自保加利亞）為母本，構(gòu)建了123 個(gè)F2代分離群體。通過RFLP、COS 標(biāo)記以及SSR 技術(shù)手段，經(jīng)相應(yīng)的遺傳分析獲得1 個(gè)SSR 標(biāo)記（SSR450）和1 個(gè)CAPS 標(biāo)記（TG123），這兩個(gè)標(biāo)記屬于ps-2基因兩側(cè)的共顯性標(biāo)記，連鎖遺傳距離分別是4.9 cM和11.6 cM。這兩個(gè)標(biāo)記可以直接運(yùn)用于標(biāo)記輔助育種和雜種純度鑒定。Riccini 等［32］利用RNAseq 分析技術(shù)研究不同番茄時(shí)發(fā)現(xiàn)了影響花柱長(zhǎng)度變化的新基因bHLH001。為研究番茄柱頭外露導(dǎo)致雄性不育的機(jī)理，Cheng 等［33］以番茄突變體T431和DL5發(fā)育過程中的花為試驗(yàn)材料，利用SLAF-BSA-seq、重測(cè)序、超表達(dá)分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn)維管束細(xì)胞數(shù)量的增加是導(dǎo)致柱頭外露的主要原因，且發(fā)現(xiàn)12 號(hào)染色體上有26 個(gè)與柱頭外露相關(guān)候選基因，其中SlLst基因?yàn)橹^外露的關(guān)鍵基因，該研究為了解番茄雄性不育植株柱頭外露開拓了新思路。綜上所述，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，番茄雄性不育基因的挖掘與功能研究不斷深入。

2.2 番茄雄性不育基因的功能研究

為探究番茄長(zhǎng)花柱型雄性不育的分子機(jī)制，張少麗等［14］對(duì)QTL 位點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其分別定位在2、5、8 號(hào)等染色體上，表明控制番茄長(zhǎng)花柱性狀的基因較為多樣；同時(shí)研究了番茄溫敏型長(zhǎng)花柱突變體系T431花柱長(zhǎng)度變化的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)該類型主要由style2.1基因控制。在花的形態(tài)形成過程中，style2.1基因發(fā)生突變，造成該基因表達(dá)水平下調(diào)導(dǎo)致花柱縮短［34］，表明相對(duì)高溫會(huì)使花柱變長(zhǎng)。趙攀等［35］對(duì)番茄長(zhǎng)柱型與短柱型相關(guān)QTL 進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)14 個(gè)QTL分別分布在1、2、3、4、5、8、9 和12 號(hào)染色體上，并發(fā)現(xiàn)3 個(gè)效應(yīng)基因style2.1、SlLst和SE3.1，雖然其調(diào)控機(jī)制尚不明確，但為后續(xù)基因克隆與功能鑒定研究提供了方向。目前CRISPR/Cas9 技術(shù)主要應(yīng)用于改良作物的優(yōu)良性狀遺傳方面，但存在限制因素，許多農(nóng)作物的某一性狀不是由單個(gè)基因或單個(gè)堿基變異、缺失就能改變，在多個(gè)基因的基因編輯中，影響CRISPR/Cas9 編輯效率的因素更多，如遺傳轉(zhuǎn)化效率、靶點(diǎn)設(shè)計(jì)、功能冗余基因等。劉玉琛等［8］利用CRISPR/Cas9 技術(shù)創(chuàng)造番茄雄性不育株系中，發(fā)現(xiàn)了具有特異性的基因SIAP3，該基因突變使得番茄表現(xiàn)為雄性不育。Jung 等［36］通過使用CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除SIMS10使得番茄表現(xiàn)為雄性不育表型，通過深度測(cè)序分析選擇SIMS10基因靶位點(diǎn)的11 種不同突變類型，發(fā)現(xiàn)cr-ms-10-1-4突變株系在花的發(fā)育過程中表現(xiàn)出減數(shù)分裂時(shí)期功能失調(diào)以及絨氈層發(fā)育異常等現(xiàn)象。綜上所述，通過靶基因的選擇和CRISPR/Cas9 技術(shù)將為創(chuàng)制番茄雄性不育系材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

目前研究者已經(jīng)開展了許多有關(guān)番茄雄性不育的研究，但是對(duì)不育基因的研究相當(dāng)缺乏。Hazra 等［37］指出在已經(jīng)報(bào)道的55 個(gè)番茄核基因雄性不育突變體中完成初步定位的突變體只占少數(shù)，多數(shù)突變體還只停留在表型上，在實(shí)際應(yīng)用上未有相關(guān)進(jìn)展。目前定位克隆的番茄雄性不育基因有SIAP3、Ms1035和MS32等，其中Ms1035和MS32屬于bHLH家族中的轉(zhuǎn)錄因子，它們?cè)诩?xì)胞發(fā)育過程中會(huì)特異性表達(dá)，能使絨氈層細(xì)胞的發(fā)育異常進(jìn)而導(dǎo)致花粉敗育。而在研究中通常以Ms1035作為CRISPR/Cas9 構(gòu)建番茄不育系研究的靶基因［8］。

3 番茄雄性不育的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制及溫度對(duì)其影響

3.1 番茄雄性不育的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制

細(xì)胞學(xué)分析可以從各個(gè)方面了解番茄雄性不育基因調(diào)控花粉敗育的基礎(chǔ)過程，張秀剛［38］對(duì)番茄花粉發(fā)育過程進(jìn)行觀察，從孢原細(xì)胞開始發(fā)育，經(jīng)過造孢細(xì)胞、小孢子母細(xì)胞、四分體、小孢子、雄配子體等發(fā)育階段，最后成為二核花粉粒。Sawhney 等［39］對(duì)番茄雄性不育sl-2/sl-2品種的突變體小孢子進(jìn)行細(xì)胞生物學(xué)研究，用顯微鏡觀察其特性，發(fā)現(xiàn)由于其絨氈層的延遲解體導(dǎo)致番茄雄性不育。張秀剛等［40］選用花粉敗育型品種72-1，通過采用石蠟切片和細(xì)胞學(xué)壓片技術(shù)，首次較為詳細(xì)地研究了番茄雄配子與小孢子的細(xì)胞學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)在小孢子母細(xì)胞形成之前花藥的發(fā)育基本正常，花藥異常發(fā)育可能介于減數(shù)分裂第2 次有絲分裂后期到四分體形成之際和小孢子發(fā)育早期到大液泡形成之前，其中主要敗育現(xiàn)象是無法形成正常狀態(tài)的四分體以及形成空癟花粉，敗育的主要原因是部分絨氈層細(xì)胞提早溶解、絨氈層組織不同步溶解和溶解不徹底，導(dǎo)致減數(shù)分裂后小孢子發(fā)育異常以及營(yíng)養(yǎng)不足。袁亦楠等［41］以番茄雄性不育材料95305 和可育材料早粉二號(hào)作為試驗(yàn)材料，挑取不同長(zhǎng)度花蕾中的花藥，制作切片后用光鏡和透射電鏡觀察花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂，發(fā)現(xiàn)番茄95305 的敗育可能發(fā)生在一個(gè)很大的區(qū)間內(nèi)，從小孢子母細(xì)胞時(shí)期到單核中后期小孢子的外壁發(fā)育；而導(dǎo)致敗育的原因很多，包括小孢子形成時(shí)期與絨氈層形成異常、小孢子發(fā)育與絨氈層的發(fā)育不同步，還可能因?yàn)榛ㄋ幓螌?dǎo)致敗育。

李君明等［42］田間觀察發(fā)現(xiàn)，番茄功能型雄性不育品種ps-2類型在自然狀態(tài)下不育性穩(wěn)定、花器官發(fā)育正常，但是花藥不開裂，表明該品種可用于田間栽培試驗(yàn)。毛秀杰等［43］對(duì)番茄雄性不育系JL-2株型的小孢子發(fā)育過程進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察，石蠟切片后用ZEISS 顯微鏡觀察并拍照記錄，發(fā)現(xiàn)小孢子發(fā)育期間絨氈層細(xì)胞提前液泡化，不能正常提供營(yíng)養(yǎng)給小孢子使其正常發(fā)育，導(dǎo)致絨氈層細(xì)胞發(fā)育異常進(jìn)而敗育。Omidvae 等［44］以7B-1番茄雄性不育突變體作為試驗(yàn)材料，通過mRNA 測(cè)序（RNA-Seq）并對(duì)野生型（WT）花藥的轉(zhuǎn)錄組譜進(jìn)行分析，結(jié)合細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其花藥發(fā)育過程存在幾個(gè)缺陷，包括減數(shù)分裂時(shí)期功能失調(diào)、花藥成熟不同步、小孢子母細(xì)胞停滯發(fā)育、胼胝質(zhì)降解缺失、PCD 延遲和絨氈層細(xì)胞發(fā)育異常。綜上所述，番茄雄性不育的原因均與絨氈層細(xì)胞的發(fā)育異常密切相關(guān)，而與材料類型關(guān)系不大。

3.2 溫度對(duì)番茄雄性不育的影響

3.2.1 生理生態(tài)作用 溫度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響。在逆境環(huán)境下，溫度對(duì)番茄雄性不育突變體的影響較大。Rick 等［45］研究發(fā)現(xiàn)，vms雄性不育突變體的雄蕊畸形隨著環(huán)境和時(shí)間的變化有不同表現(xiàn)，在露地栽培時(shí)，受高溫影響其雄蕊發(fā)育不正常且形成“心皮狀”結(jié)構(gòu)，但在溫室中，當(dāng)溫度低于30℃時(shí)番茄可正常開花，短期高溫（40℃）和長(zhǎng)期高溫（30℃）下表現(xiàn)為雄蕊畸形，因此推測(cè)雄蕊的發(fā)育可能受熱激蛋白調(diào)控，使得番茄表現(xiàn)出雄性不育。Sawheny 等［46］發(fā)現(xiàn)番茄雄性不育突變體sl-2在相對(duì)低溫（18℃晝/15℃夜）條件下，大多數(shù)植株的花均可產(chǎn)生正常雄蕊和可育花粉，相對(duì)中溫（23℃晝/18℃夜）下雄蕊發(fā)生畸形且無法產(chǎn)生可育花粉，但在高溫（28℃晝/23℃夜）下生長(zhǎng)的雄蕊形成“心皮狀”結(jié)構(gòu)、且無花粉產(chǎn)生，因此表明當(dāng)溫度越高雄蕊產(chǎn)生的可育花粉越少、不育性越高。早有報(bào)道，不同溫度條件對(duì)sl-2/sl-2番茄雄性不育的調(diào)控與植物激素效應(yīng)密切相關(guān)［47］，其中強(qiáng)調(diào)了溫度調(diào)控在番茄育種中的潛在作用。

張賀等［48］研究發(fā)現(xiàn)番茄突變體T431是溫敏型長(zhǎng)花柱雄性不育系，在不同溫光組合下變體T431材料柱頭的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度和育性差異性很大，該株型最敏感時(shí)期前2～6 d，花瓣的張角為60°，育性轉(zhuǎn)換的溫度是24.68 ℃，結(jié)果表明溫度與花柱伸長(zhǎng)長(zhǎng)度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，而與育性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。陳麗等［49］以該突變體T431為試驗(yàn)材料卻得出不同結(jié)論，發(fā)現(xiàn)T431對(duì)溫度敏感（18℃晝/10℃夜）時(shí)期在花芽分化期（2 葉1 心）。燕正民等［50］研究指出，番茄突變體T431的不育率在田間溫度高于20℃時(shí)可達(dá)到95%以上。王先裕等［51］發(fā)現(xiàn)，番茄溫敏雄性不育系T-4突變體在不同溫度下有不同的表現(xiàn)形態(tài)，在溫度周期為28℃晝/18℃夜條件下，T-4突變體部分恢復(fù)育性表現(xiàn)為可育，而在溫度周期為28℃晝/24℃夜和28℃晝/12℃夜下，T-4突變體表現(xiàn)為雄性不育，結(jié)果表明夜間溫差的不同也會(huì)對(duì)番茄T-4突變體育性造成差異。朱廣廉等［52］發(fā)現(xiàn)脯氨酸的含量與番茄溫敏型雄性不育有關(guān)，缺乏脯氨酸的植株通常表現(xiàn)為雄性不育，表明脯氨酸參與番茄溫敏型雄性不育機(jī)制的調(diào)控。馬雅琳等［53］發(fā)現(xiàn)，無論是高溫還是低溫處理，番茄品種J59 的花柱長(zhǎng)度均沒有顯著差異，相關(guān)機(jī)制尚不明確。

3.2.2 生化作用 前期研究發(fā)現(xiàn)雄性不育花藥或葉片中蛋白質(zhì)、氨基酸、同工酶等物質(zhì)含量的異常引起植物雄性不育。脯氨酸含量是影響花粉活力的重要因素之一［54］，在番茄中，脯氨酸在子房中的含量是其他部位的6～10 倍，表明脯氨酸可能參與番茄雄性不育的調(diào)控。Sato［55］等研究發(fā)現(xiàn)在番茄發(fā)育過程中，高溫會(huì)破壞糖代謝和脯氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，表明溫度會(huì)影響代謝途徑導(dǎo)致花粉活力下降造成植株雄性不育。國(guó)亞慧等［56］以番茄溫敏型核雄性不育系植株T-4花藥為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)在不育溫度下其蛋白質(zhì)含量顯著低于可育溫度下的蛋白質(zhì)含量，而相比于對(duì)照組花藥中蛋白質(zhì)的含量，番茄T-4花藥的蛋白含量明顯較低。通過分析POD 同工酶和EST 同工酶的酶譜差異，番茄T-4在不育溫度下POD 同工酶和EST 同工酶譜帶數(shù)量明顯多于可育溫度下處理組。這表明番茄T-4花藥中蛋白質(zhì)含量、同工酶POD 以及EST的表達(dá)都對(duì)番茄雄性不育具有影響。羅丹等［57］以番茄3 個(gè)抗寒性品種耐運(yùn)2000、京樂502 和O-33-1 為試驗(yàn)材料，測(cè)定不同低溫和脅迫時(shí)間幼苗葉片中脯氨酸含量、吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）活性、鳥氨酸轉(zhuǎn)移酶（8-0AT）活性、脯氨酸脫氫酶（ProDH）活性的變化來研究其對(duì)代謝關(guān)鍵酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)脯氨酸隨低溫處理時(shí)間的積累規(guī)律與δ-OAT 活性變化呈現(xiàn)正相關(guān)性，由此可見脯氨酸的合成主要受到鳥氨酸途徑的影響，而與ProDH 活性變化基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，表明脯氨酸的積累是合成與降解共同作用導(dǎo)致。綜上所述，可以通過蛋白質(zhì)、同工酶以及脯氨酸的生化作用調(diào)控番茄雄性不育。

3.2.3 基因調(diào)控 為研究溫度對(duì)番茄溫敏型長(zhǎng)花株突變體T431的影響機(jī)制，陳麗等［49］在4 個(gè)不同時(shí)期設(shè)置多個(gè)時(shí)間梯度及溫度梯度，發(fā)現(xiàn)番茄溫敏型長(zhǎng)花株突變體T431在花芽分化期（2 葉1心）最容易影響花柱的伸長(zhǎng)和育性轉(zhuǎn)化，最敏感的溫度為18/10℃。燕正民等［50］以番茄溫敏型長(zhǎng)花柱突變體T431為試驗(yàn)材料，對(duì)逆境脅迫有關(guān)的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子LeMBF1進(jìn)行分析并得到完整序列，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子可能參與花器官的形成并抑制突變體T431的花柱伸長(zhǎng)導(dǎo)致敗育。顏夢(mèng)雨［58］通過對(duì)油菜素內(nèi)酯和HsfA1a調(diào)控番茄花粉發(fā)育和高溫抗性的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，在高溫脅迫下HsfAla過表達(dá)的植株中其花粉活力并未顯著下降，表明轉(zhuǎn)錄因子HsfAla可能通過對(duì)HSPs的誘導(dǎo)和自噬的調(diào)控增強(qiáng)番茄植株花粉的高溫抗性。Gao 等［20］以擬南芥為試驗(yàn)材料，通過RNA-seq 和ChIP-seq分析方法發(fā)現(xiàn)AtbZIP17為依賴的高溫脅迫響應(yīng)靶基因，表明AtbZIP17在熱脅迫響應(yīng)中影響作物育性。綜上所述，基因可以通過控制植株的生理生化變化和形態(tài)構(gòu)建決定其育性。

4 番茄雄性不育的雜種優(yōu)勢(shì)與利用

番茄雄性不育雜種優(yōu)勢(shì)在于其子代表型、繁殖率、生長(zhǎng)率等均優(yōu)于親本，且純度較高，可以獲得更高的利潤(rùn)，因此在生產(chǎn)中被大量推廣利用。茄科植株中以辣椒雄性不育在雜種優(yōu)勢(shì)中最為明顯［59］，國(guó)內(nèi)推廣種植的辣椒品種有90%以上是一代雜交種。張銳等［60］發(fā)現(xiàn)有30 多家科研單位從事辣椒雄性不育研究，同時(shí)還有部分民營(yíng)企業(yè)進(jìn)行該方面研究。

目前，番茄雄性不育系的研究方向大多為細(xì)胞核雄性不育，即由一對(duì)隱性核基因控制的小孢子發(fā)生不育［61］。核雄性不育系分為AB 兩用系，50%為不育株，50%為可育株，前期兩種株型在表型還是其他性狀方面均無區(qū)別，難以分辨育性，只有在授粉前去除可育株、用不育株作為母本才可制備雜種種子。因?yàn)樵谌バ酆褪诜鄣倪^程中對(duì)雜交種子結(jié)籽率的影響很大，故番茄的人工去雄與授粉對(duì)工人的技術(shù)與勞動(dòng)量需求過高。工人要先判斷番茄開花狀態(tài)再?zèng)Q定是否去雄，若提前去雄或去雄不徹底都會(huì)導(dǎo)致假雜種混入雜交種子中影響產(chǎn)量。這種高成本、低效、高耗的育種技術(shù)不符合當(dāng)前現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對(duì)種子的需求，因此番茄雄性不育雜種優(yōu)勢(shì)更加體現(xiàn)出來，可以更高效更高產(chǎn)地獲得雜交種子，后續(xù)相關(guān)的研究仍要深入。

5 展望

雄性不育作為農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要技術(shù)手段［62］，具有簡(jiǎn)化制種過程、節(jié)約成本、減少人力消耗等優(yōu)點(diǎn)。番茄雄性不育在番茄雜種優(yōu)勢(shì)利用中應(yīng)用前景較好且效益顯著，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在番茄雄性不育的生理生化、細(xì)胞生物學(xué)、基因定位與功能研究等方面取得較大突破，但對(duì)番茄雄性不育分子機(jī)制尚不清楚，仍需進(jìn)一步解決以下問題：（1）番茄CMS 育種技術(shù)無法像水稻、玉米等具有成熟CMS 育種技術(shù)體系的作物一樣進(jìn)行大面積應(yīng)用且表現(xiàn)穩(wěn)定［63］，未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)番茄花器官發(fā)育相關(guān)基因的發(fā)掘和調(diào)控機(jī)制研究。（2）加強(qiáng)對(duì)番茄雄性不育基礎(chǔ)理論的研究，隨著表型組學(xué)、基因編輯等新興生物技術(shù)手段的成熟和廣泛應(yīng)用，學(xué)者們已經(jīng)從表型研究逐步深入到番茄雄性不育基因表達(dá)調(diào)控及互作機(jī)制的研究，但是由于番茄雄性不育種質(zhì)資源較為匱乏，導(dǎo)致學(xué)者們利用相同資源開展了諸多重復(fù)性工作；后續(xù)應(yīng)完善種質(zhì)資源的創(chuàng)新和利用，同時(shí)從不同層次深入研究分子標(biāo)記技術(shù)開發(fā)、基因功能鑒定、雄性不育基因定位等，逐漸縮短番茄雄性不育實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)程，為創(chuàng)制穩(wěn)定雄性不育資源提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。（3）加強(qiáng)番茄雄性不育恢復(fù)系的選育以及恢復(fù)系基因的克隆，番茄細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)基因的恢復(fù)機(jī)制尚不明確，如恢復(fù)基因的調(diào)控機(jī)制及其影響因素是否對(duì)其有決定性作用。由于恢復(fù)基因的挖掘難導(dǎo)致現(xiàn)有恢復(fù)系配制的組合具有不確定性，后續(xù)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)恢復(fù)基因的定位、克隆及功能解析。（4）強(qiáng)化番茄雄性不育種質(zhì)資源的創(chuàng)制和利用，加強(qiáng)自然雄性不育變異株系的鑒定和篩選，并利用化學(xué)或物理誘變技術(shù)以及結(jié)合基因編輯技術(shù)獲得骨干親本不育材料，同時(shí)選用綜合性狀優(yōu)良的資源開展配組獲得性狀優(yōu)異的番茄雄性不育雜交品種。