论文部分内容阅读
摘 要： 雄性不育在开花植物中广泛存在。阐述了植物雄性不育的类型、分子机理以及几种主要 DNA遗传标记技术在植物雄性不育研究中的应用进展与前景。
关键词：雄性不育；核质互作不育；核不育；分子标记
中图分类号：Q943.2 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.005
雄性不育在植物界广泛存在，尤其是开花植物中。它是一种有性繁殖过程中不能产生正常的花药、花粉或雄配子的遗传现象[1]。利用雄性不育培育不育系进行杂交制种，不仅能够降低制种成本，而且可以提高杂交种的纯度，但是一些雄性不育系通常带有不良性状。随着分子生物学技术的发展，以不育系和相应的保持系为材料进行分子标记分析，可以获得优良父本所具有的特异分子标记，从而在苗期实现父本筛选，减少田间的劳动量，降低生产成本。
1 雄性不育类型
目前根据基因型的差异，雄性不育材料可分为两类，核质互作不育型（CMS）和核不育型（GMS）。核质互作不育型是由细胞核不育基因和细胞质不育基因相互作用而产生的，是一种母性遗传现象，其遗传方式不符合孟德尔遗传规律，容易找到保持系，能够大面积推广利用[2]。核不育型是由细胞核不育基因决定的，遗传简单、较稳定、容易转育，但是难以找到保持系而使实际利用有一定难度[3]。
2 分子标记在雄性不育研究中的应用进展
分子标记（molecular marker） 是以生物大分子，尤其是生物体的遗传物质—核酸为基础的遗传标记。它是DNA 在分子水平上遗传变异的直接反映，与其他遗传标记相比，它们遗传性稳定、数量丰富、信息量大、不受发育阶段、环境因素及基因表达与否的影响，而且检测迅速、操作简便，因此成为理想的遗传标记之一[4]。目前，利用RAPD、AFLP、SSR、SCAR等各种分子标记已经在许多植物中开发出了与不育性状连锁的分子标记，在雄性不育研究中分子标记主要应用于以下几方面。
2.1 雄性不育基因定位与分离
目前利用不同的分子标记分离雄性不育相关基因并且在基因组上定位已经在许多植物中取得了成功。Ye等[5]利用DD-PCR差异技术得到了一个与白菜核雄性不育育性相关的编码细胞色素P450基因CYP86MF，该基因在白菜花蕾中特异表达。张智等[6]以胡萝卜细胞质雄性不育系170A及其相应保持系170B为材料，分离并克隆了细胞质雄性不育相关的线粒体基因atp9片段，并利用定量PCR技术研究了该基因的表达情况。赵银河等[7]运用混合品集分析法（BLA），利用SSR分子标记技术研究滇-型杂交水稻的保持系和恢复系，证明了RM228、PMRF 和OSR-33 这3 对SSR 分子标记与滇-型杂交水稻雄性不育育性恢复基因相连锁，并将1个基因初步定位于第10染色体长臂的中部。曹双河等[8]以小麦光温敏核雄性不育系农大3338为材料，采用选择基因型法，运用SSR和ISSR两种分子标记对其雄性不育基因进行了定位，检测到了两个光温敏核雄性不育基因座位而且定位在不同的连锁群上，分别命名为ptms1和ptms2。刘玉梅等[9]采用集群分离分析法（BSA）进行了甘蓝显性雄性不育基因连锁的分子标记研究，首次获得了一个与甘蓝显性雄性不育基因连锁的RFLP 标记pBN11，并将雄性不育基因定位在第一和第八条染色体上。KATO等[10]通过RFLP和SSR确定了大豆雄性不育相关基因st8的基因图谱位置，并将其定位于RFLP标记（E107）和SSR标记（Satt132）之间，与两个标记的距离分别是7.8 cM和3.4 cM。在甘蓝型油菜中，Lei等[11]将双隐性基因（BnMs1和BnMs2）控制的雄性不育系的不育基因定位在了N7和N16连锁群上。Huang等[12]将另外一对双隐性基因（BnMs3和BnMs4）控制的雄性不育系的BnMs3不育基因定位在了N19连锁群上。
2.2 雄性不育基因指纹图谱绘制和基因型鉴定
分子标记也可以用于雄性不育基因的指纹图谱绘制和基因型鉴定。汪志纯等[13]对玉米多胞质雄性不育系和它们的保持系以及新选育的未知不育类型的糯玉米不育系及其保持系等6 个品系的mtDNA进行了系统RAPD分析，制作了6个品系的树式遗传关系图和RAPD指纹，确定了未知类型糯玉米不育系Tai - A是一种新的胞质雄性不育类型。朱云国等[14]利用AFLP 分子标记方法成功获得了棉花细胞质雄性不育三系及其杂种F1的DNA 指纹图谱，为棉花细胞质雄性不育三系及其杂交棉种子产业化中的种子纯度鉴定提供了依据。
2.3 构建雄性不育基因的遗传连锁图谱
通过分子标记还可以构建雄性不育基因的遗传连锁图谱。柯丽萍[15]以甘蓝型油菜隐性上位互作核不育两型系9012AB为材料，运用集群分离分析法，采用AFLP转SCAR标记技术寻找到了与可育基因紧密连锁的分子标记，并且构建了目标基因区域的精细遗传图谱，为这些基因的图位克隆奠定了基础。张宝玺等[16]以稳定的辣椒胞质雄性不育系77013A与保持系Yolo wonder、恢复系Perennial及其F1构建的DH群体分别测交获得的后代群体为材料，用AFLP分子标记技术构建了包括43个标记8个连锁群的分子遗传图谱。Yoshinari等[17]运用基于表达序列标签的SNP标记方法构建了柳杉的遗传连锁图谱，获得一个与雄性不育基因ms1紧密连锁的SNP标记snp970-sf，连锁距离为0.5 cM，并将其定位于第九连锁群。Livinus等[18]运用基于表达序列标签的SSR标记方法构建了位于大麦6H染色体上的雄性不育基因msg6的遗传连锁图谱，并获得了与该基因紧密连锁的SSR分子标记GBM1267。
2.4 利用雄性不育基因辅助选择育种
分子标记除了用于在分子水平上研究雄性不育的机理，还可以在实际生产中用于辅助选择育种。Staniaszek等[19]利用一对特异引物分别扩增出长度为1 230 bp和780 bp的特异性片段，找到了与番茄雄性不育ps基因紧密连锁的RAPD标记，并利用这些标记进行辅助选育及杂种纯度鉴定。朱莎等[20]获得了与ps-2 基因紧密连锁的SSR标记（SSR450）和CAPS标记（TG123），可直接用于标记辅助育种和杂种纯度鉴定，加速番茄雄性不育的转育与利用。 3 小 结
综上所述，分子标记在植物雄性不育研究中的应用非常广泛，并发挥重要的作用。通过从分子水平研究雄性不育的分子机理，可以加速利用与雄性不育相关的基因定向育种，从而加快育种进程，但是这些研究目前还远不能满足现代育种的要求，因此，雄性不育相关基因的机理还有待于进一步的研究。随着现代分子生物学的发展，各种新技术、新方法的不断研制成功，分子标记技术也将日臻完善，将为植物雄性不育研究提供更加先进的手段，为充分利用雄性不育来提高作物产量、优化品质辅助选育等方面展现更加广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 李泽福，夏加发，唐光勇.植物雄性不育类型及遗传机制的研究进展[J].安徽农业科学，2000，28（6） ：742 - 746.
[2] Wise R P， Pring D R. Nuclear mediated mitochondrial gene regulation and male fertility in higher plants： Light at the end of the tunnel[J]. Proc Natl Acad Sci， 2002，99（16）：10240-10242.
[3] 唐晓敏，李保国，齐国辉，等.分子标记在植物雄性不育研究中的应用[J].河北林果研究，2005，20（4）：338-342.
[4] 方宣钧，吴为人，唐纪良.作物DNA标记辅助育种[M].北京：科学出版社，2001：1-20.
[5] Ye W Z， Cao J S， Xian G X， et al. Molecular cloning and characterization of the genic male sterility related gene CYP86MF in Chinese cabbage （Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee） [J].Journal of Horticultural Science& Bioteclmology， 2003，78： 319-323.
[6] 张智，梁毅，丁海凤，等.胡萝卜atp9基因的克隆表达及细胞质雄性不育的相关性研究[J].北方园艺，2012（24）：140-144.
[7] 赵银河，张雪梅，谭亚林，等.滇 - 型杂交水稻质核雄性不育恢复基因的SSR分子标记[J].种子，2004，23（3）：11-16.
[8] 曹双河，郭小丽，刘冬成，等.小麦光温敏核雄性不育基因的初步定位[J].遗传学报，2004，31（3）：293-298.
[9] 刘玉梅，方智远，张扬勇，等.一个与甘蓝显性雄性不育基因连锁的RFLP标记[J].园艺学报，2003，30（5）：549-553.
[10] Kato K K， Palmer R G.Molecular mapping of the male-sterile，female-sterile mutant gene（st8） in soybean[J]. Journal of Heredity，2003，94（5），425-428.
[11] Lei S L，Yao X Q，Yi B， et al. Towards map-based cloning：Fine mapping of a recessive genic male sterile gene（BnMs2）in Brassica napus L.and syntenic region identification based on the Arabidopsis thaliana genome sequences[J].Theor Appl Genet，2007，115：643-651.
[12] Huang Z，Chen Y F，Yi B， et al. Fine mapping of the recessive genic male sterility gene（Bnms3）in Brassica napus L.[J].Theor Appl Genet，2007，115：113-118.
[13] 汪志纯，王京兆，曾孟潜，等.玉米多胞质雄性不育系 mtDNA 的RAPD分析[J].中国农业科学，1997，30（4） ：45-49.
[14] 朱云国，王学德，李悦有.用AFLP技术构建棉花雄性不育三系及其杂种F1的DNA指纹图谱[J].棉花学报，2001，13（3）：158-160.
[15] 柯丽萍.甘蓝型油菜隐性细胞核雄性不育的基因定位[D].武汉：华中农业大学，2005.
[16] 张宝玺，王立浩，黄三文，等.辣椒分子遗传图谱的构建和胞质雄性不育恢复性的QTL分析[J].中国农业科学，2003，36（7）：818-82.
[17] Yoshinari M ，Tokuko U I ，Kentaro U， et al.The construction of a high-density linkage map for identifying SNP markers that are tightly linked to a nuclear-recessive major gene for male sterility in Cryptomeria japonica D.Don [J].BMC Genomics，2012， 13：95.
[18] Llvnus C E.An EST-SSR marker tightly linked to the barley male sterility gene（msg6） located on chromosome 6H[J].Journal of Heredity，2010：101（6）：769-774.
[19] Staniaszek M，Marczewski W，Habdas H， et al. Identification of RAPD markers linked to the ps gene and their usefulness for purity determination of breeding lines and F1 tomato hybrids[J]. Biotechnology and Physiology，2000，22：303-305.
[20] 朱莎，宋燕，刘磊.番茄ps-2基因的SSR及CAPS标记开发[J].园艺学报，2010，37（2）：235-240.
关键词：雄性不育；核质互作不育；核不育；分子标记
中图分类号：Q943.2 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.005
雄性不育在植物界广泛存在，尤其是开花植物中。它是一种有性繁殖过程中不能产生正常的花药、花粉或雄配子的遗传现象[1]。利用雄性不育培育不育系进行杂交制种，不仅能够降低制种成本，而且可以提高杂交种的纯度，但是一些雄性不育系通常带有不良性状。随着分子生物学技术的发展，以不育系和相应的保持系为材料进行分子标记分析，可以获得优良父本所具有的特异分子标记，从而在苗期实现父本筛选，减少田间的劳动量，降低生产成本。
1 雄性不育类型
目前根据基因型的差异，雄性不育材料可分为两类，核质互作不育型（CMS）和核不育型（GMS）。核质互作不育型是由细胞核不育基因和细胞质不育基因相互作用而产生的，是一种母性遗传现象，其遗传方式不符合孟德尔遗传规律，容易找到保持系，能够大面积推广利用[2]。核不育型是由细胞核不育基因决定的，遗传简单、较稳定、容易转育，但是难以找到保持系而使实际利用有一定难度[3]。
2 分子标记在雄性不育研究中的应用进展
分子标记（molecular marker） 是以生物大分子，尤其是生物体的遗传物质—核酸为基础的遗传标记。它是DNA 在分子水平上遗传变异的直接反映，与其他遗传标记相比，它们遗传性稳定、数量丰富、信息量大、不受发育阶段、环境因素及基因表达与否的影响，而且检测迅速、操作简便，因此成为理想的遗传标记之一[4]。目前，利用RAPD、AFLP、SSR、SCAR等各种分子标记已经在许多植物中开发出了与不育性状连锁的分子标记，在雄性不育研究中分子标记主要应用于以下几方面。
2.1 雄性不育基因定位与分离
目前利用不同的分子标记分离雄性不育相关基因并且在基因组上定位已经在许多植物中取得了成功。Ye等[5]利用DD-PCR差异技术得到了一个与白菜核雄性不育育性相关的编码细胞色素P450基因CYP86MF，该基因在白菜花蕾中特异表达。张智等[6]以胡萝卜细胞质雄性不育系170A及其相应保持系170B为材料，分离并克隆了细胞质雄性不育相关的线粒体基因atp9片段，并利用定量PCR技术研究了该基因的表达情况。赵银河等[7]运用混合品集分析法（BLA），利用SSR分子标记技术研究滇-型杂交水稻的保持系和恢复系，证明了RM228、PMRF 和OSR-33 这3 对SSR 分子标记与滇-型杂交水稻雄性不育育性恢复基因相连锁，并将1个基因初步定位于第10染色体长臂的中部。曹双河等[8]以小麦光温敏核雄性不育系农大3338为材料，采用选择基因型法，运用SSR和ISSR两种分子标记对其雄性不育基因进行了定位，检测到了两个光温敏核雄性不育基因座位而且定位在不同的连锁群上，分别命名为ptms1和ptms2。刘玉梅等[9]采用集群分离分析法（BSA）进行了甘蓝显性雄性不育基因连锁的分子标记研究，首次获得了一个与甘蓝显性雄性不育基因连锁的RFLP 标记pBN11，并将雄性不育基因定位在第一和第八条染色体上。KATO等[10]通过RFLP和SSR确定了大豆雄性不育相关基因st8的基因图谱位置，并将其定位于RFLP标记（E107）和SSR标记（Satt132）之间，与两个标记的距离分别是7.8 cM和3.4 cM。在甘蓝型油菜中，Lei等[11]将双隐性基因（BnMs1和BnMs2）控制的雄性不育系的不育基因定位在了N7和N16连锁群上。Huang等[12]将另外一对双隐性基因（BnMs3和BnMs4）控制的雄性不育系的BnMs3不育基因定位在了N19连锁群上。
2.2 雄性不育基因指纹图谱绘制和基因型鉴定
分子标记也可以用于雄性不育基因的指纹图谱绘制和基因型鉴定。汪志纯等[13]对玉米多胞质雄性不育系和它们的保持系以及新选育的未知不育类型的糯玉米不育系及其保持系等6 个品系的mtDNA进行了系统RAPD分析，制作了6个品系的树式遗传关系图和RAPD指纹，确定了未知类型糯玉米不育系Tai - A是一种新的胞质雄性不育类型。朱云国等[14]利用AFLP 分子标记方法成功获得了棉花细胞质雄性不育三系及其杂种F1的DNA 指纹图谱，为棉花细胞质雄性不育三系及其杂交棉种子产业化中的种子纯度鉴定提供了依据。
2.3 构建雄性不育基因的遗传连锁图谱
通过分子标记还可以构建雄性不育基因的遗传连锁图谱。柯丽萍[15]以甘蓝型油菜隐性上位互作核不育两型系9012AB为材料，运用集群分离分析法，采用AFLP转SCAR标记技术寻找到了与可育基因紧密连锁的分子标记，并且构建了目标基因区域的精细遗传图谱，为这些基因的图位克隆奠定了基础。张宝玺等[16]以稳定的辣椒胞质雄性不育系77013A与保持系Yolo wonder、恢复系Perennial及其F1构建的DH群体分别测交获得的后代群体为材料，用AFLP分子标记技术构建了包括43个标记8个连锁群的分子遗传图谱。Yoshinari等[17]运用基于表达序列标签的SNP标记方法构建了柳杉的遗传连锁图谱，获得一个与雄性不育基因ms1紧密连锁的SNP标记snp970-sf，连锁距离为0.5 cM，并将其定位于第九连锁群。Livinus等[18]运用基于表达序列标签的SSR标记方法构建了位于大麦6H染色体上的雄性不育基因msg6的遗传连锁图谱，并获得了与该基因紧密连锁的SSR分子标记GBM1267。
2.4 利用雄性不育基因辅助选择育种
分子标记除了用于在分子水平上研究雄性不育的机理，还可以在实际生产中用于辅助选择育种。Staniaszek等[19]利用一对特异引物分别扩增出长度为1 230 bp和780 bp的特异性片段，找到了与番茄雄性不育ps基因紧密连锁的RAPD标记，并利用这些标记进行辅助选育及杂种纯度鉴定。朱莎等[20]获得了与ps-2 基因紧密连锁的SSR标记（SSR450）和CAPS标记（TG123），可直接用于标记辅助育种和杂种纯度鉴定，加速番茄雄性不育的转育与利用。 3 小 结
综上所述，分子标记在植物雄性不育研究中的应用非常广泛，并发挥重要的作用。通过从分子水平研究雄性不育的分子机理，可以加速利用与雄性不育相关的基因定向育种，从而加快育种进程，但是这些研究目前还远不能满足现代育种的要求，因此，雄性不育相关基因的机理还有待于进一步的研究。随着现代分子生物学的发展，各种新技术、新方法的不断研制成功，分子标记技术也将日臻完善，将为植物雄性不育研究提供更加先进的手段，为充分利用雄性不育来提高作物产量、优化品质辅助选育等方面展现更加广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 李泽福，夏加发，唐光勇.植物雄性不育类型及遗传机制的研究进展[J].安徽农业科学，2000，28（6） ：742 - 746.
[2] Wise R P， Pring D R. Nuclear mediated mitochondrial gene regulation and male fertility in higher plants： Light at the end of the tunnel[J]. Proc Natl Acad Sci， 2002，99（16）：10240-10242.
[3] 唐晓敏，李保国，齐国辉，等.分子标记在植物雄性不育研究中的应用[J].河北林果研究，2005，20（4）：338-342.
[4] 方宣钧，吴为人，唐纪良.作物DNA标记辅助育种[M].北京：科学出版社，2001：1-20.
[5] Ye W Z， Cao J S， Xian G X， et al. Molecular cloning and characterization of the genic male sterility related gene CYP86MF in Chinese cabbage （Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee） [J].Journal of Horticultural Science& Bioteclmology， 2003，78： 319-323.
[6] 张智，梁毅，丁海凤，等.胡萝卜atp9基因的克隆表达及细胞质雄性不育的相关性研究[J].北方园艺，2012（24）：140-144.
[7] 赵银河，张雪梅，谭亚林，等.滇 - 型杂交水稻质核雄性不育恢复基因的SSR分子标记[J].种子，2004，23（3）：11-16.
[8] 曹双河，郭小丽，刘冬成，等.小麦光温敏核雄性不育基因的初步定位[J].遗传学报，2004，31（3）：293-298.
[9] 刘玉梅，方智远，张扬勇，等.一个与甘蓝显性雄性不育基因连锁的RFLP标记[J].园艺学报，2003，30（5）：549-553.
[10] Kato K K， Palmer R G.Molecular mapping of the male-sterile，female-sterile mutant gene（st8） in soybean[J]. Journal of Heredity，2003，94（5），425-428.
[11] Lei S L，Yao X Q，Yi B， et al. Towards map-based cloning：Fine mapping of a recessive genic male sterile gene（BnMs2）in Brassica napus L.and syntenic region identification based on the Arabidopsis thaliana genome sequences[J].Theor Appl Genet，2007，115：643-651.
[12] Huang Z，Chen Y F，Yi B， et al. Fine mapping of the recessive genic male sterility gene（Bnms3）in Brassica napus L.[J].Theor Appl Genet，2007，115：113-118.
[13] 汪志纯，王京兆，曾孟潜，等.玉米多胞质雄性不育系 mtDNA 的RAPD分析[J].中国农业科学，1997，30（4） ：45-49.
[14] 朱云国，王学德，李悦有.用AFLP技术构建棉花雄性不育三系及其杂种F1的DNA指纹图谱[J].棉花学报，2001，13（3）：158-160.
[15] 柯丽萍.甘蓝型油菜隐性细胞核雄性不育的基因定位[D].武汉：华中农业大学，2005.
[16] 张宝玺，王立浩，黄三文，等.辣椒分子遗传图谱的构建和胞质雄性不育恢复性的QTL分析[J].中国农业科学，2003，36（7）：818-82.
[17] Yoshinari M ，Tokuko U I ，Kentaro U， et al.The construction of a high-density linkage map for identifying SNP markers that are tightly linked to a nuclear-recessive major gene for male sterility in Cryptomeria japonica D.Don [J].BMC Genomics，2012， 13：95.
[18] Llvnus C E.An EST-SSR marker tightly linked to the barley male sterility gene（msg6） located on chromosome 6H[J].Journal of Heredity，2010：101（6）：769-774.
[19] Staniaszek M，Marczewski W，Habdas H， et al. Identification of RAPD markers linked to the ps gene and their usefulness for purity determination of breeding lines and F1 tomato hybrids[J]. Biotechnology and Physiology，2000，22：303-305.
[20] 朱莎，宋燕，刘磊.番茄ps-2基因的SSR及CAPS标记开发[J].园艺学报，2010，37（2）：235-240.