水稻雄性核不育基因的研究進展

劉春宏，方珊茹，劉玉芹，沈偉鋒

（1.福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350108；2.福建省農業科學院水稻研究所，福建 福州 350018）

雄性不育是植物界中普遍存在的現象，迄今為止已在六百多個品種中發現了這一現象，其中包括水稻、油菜、玉米、小麥、棉花等多種農作物。水稻是世界上最重要的作物之一，全球約有半數人以水稻作為主食。在我國，水稻的種植面積占全國糧食作物總面積的四分之一以上，稻米產量占到整個糧食總量的39%，對我國的糧食安全至關重要，而水稻雜種優勢的利用是目前提高水稻單產的主要途徑之一。水稻雄性不育基因發現與利用不僅是水稻雜種優勢利用的關鍵元件，也是開發新的育種方法和途徑的重要載體，對于進一步提高水稻單產、改善品質、提高抗性具有重要意義。

1 植物雄性不育的分類

植物雄性不育是指植物在遺傳或者環境（溫度、光照等）因子的影響下，雌性生殖器官正?？捎?，而雄性生殖器官失去生育能力，不能產生正常生殖功能的雄配子的現象。它在植株中表現為雄蕊群的消失或畸形，孢子或花粉的敗育。植物雄性不育，按照遺傳特性可分為兩類：一類是不可遺傳的雄性不育，即植物在生長發育的過程中，由于外界不良的影響因子（氣候惡劣、營養匱乏等）而導致的雄性不育，這種不育類型在育種上不可以連續利用；另一類是可遺傳的雄性不育，在生產上可應用于培育不育系，進而生產雜交種子。根據控制植物雄性不育的基因來源，可將其分為細胞質雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）和細胞核雄性不育（genic male sterility，GMS）。細胞質雄性不育的實質是細胞質基因組與細胞核基因組競爭傳遞自身遺傳物質的結果。細胞核雄性不育由核基因突變產生，突變性狀可通過雌配子或者雄配子遺傳。遺傳分析表明，大多數雄性育性是由核基因控制的。

2 水稻雄性核不育基因定位進展

水稻雄性核不育可以分為顯性核不育和隱性核不育兩類。其中絕大多數為隱性核不育，包括光敏隱性核不育、溫敏隱性核不育、單基因隱性核不育等。水稻顯性核不育比較少見。與水稻雄性不育相關的基因主要包括：花粉囊蠟發育相關基因、絨氈層相關基因、胼胝質沉積相關基因、減數分裂相關基因［1］。

2.1 水稻光敏核不育基因的定位進展

1973年，石明松［2］在湖北晚粳農墾58大田中發現了3株天然突變的雄性不育株（農墾58S），它是一種特殊的GMS突變體，即長日條件下雄性不育，短日條件下育性恢復。1981年，他在論文中首次提出“一系兩用”的設想，即光敏核不育水稻既可做不育系又可做保持系。這一發現，對水稻雜種優勢的利用具有重要意義，為我國雜交稻的研究開辟了新領域。

Zhang等［3］以“32001S×明恢63”的F2超過1500個單株為材料，利用簡單重復序列標記（SSR）和限制片段長度多態性標記（RFLP），將兩個與32001S不育性表達有關的基因分別命名為pmsl、pms2，并將其定位在第7和第3染色體上。其中pms1被定位于兩個標記RG477和RG511之間，遺傳圖距分別為3.5cM和15.0cM。pms2被定位于兩個標記RG191和RG348之間，遺傳圖距分別為7.0cM和10.6cM。深入研究表明pmsl不育基因效應大約為pms2的2～3倍。在這個基礎上，Wang等［4］研究認為，使農墾58變為光敏核不育農墾58S的突變不在第7染色體的pms1區段。Liu等［5］以“明輝63×32001S”F2群體為材料，通過分子標記和分子克隆的方法，構建了pms1區域的物理圖譜，并將pms1基因定位于第7染色體的兩個標記RG477和R1807之間，距離二者分別為0.25cM和3.8cM，進一步將基因卡在兩個標記間的85kb區段上。陳亮等［6］利用“NK58S×1514”F2群體，采用AFLP技術進行分析，篩選出與pms3連鎖的兩個標記F3和V4二者與pms3的遺傳距離分別為5.8cM和7.75cM。李香花等［7］通過花藥培養構建DH群體，將光敏不育基因pms3基因的效應與pms1基因的效應分開來，進一步將pms3定位在12號染色體的RFLP標記M36和C751之間約3.2cM的區段，它與二者的遺傳距離分別為1.5cM和3.05cM。

隨著日本晴和93－11基因組測序的完成以及分子標記的廣泛應用，光溫敏不育基因的定位工作被進一步推向高潮。Lu等［8］以農墾58S／DH80雜交得到的約7000株F2代群體為實驗材料，對892高度不育單株進行重組實驗分析，從覆蓋pms3區域的BAC克隆中篩選上百個RFLP探針標記，把pms3定位于兩個標記P9和M2之間，即一個小于1.7cM的區域內?；蚺c二者的遺傳距離分別為0.62cM和1.07cM。在此基礎上，繼續篩選探針標記將其定位在標記LJ25和LK40之間的28.4kb距離內，篩選到與之共分離的兩個亞克隆LJ47和LJ265。這個片段的序列分析表明，存在5個開放閱讀框（ORF），跟公共數據庫中的兩個表達序列標簽具有高度同源性，并且檢測到突變型和野生型親本中存在3個SNP。這些都為確定pms3的候選基因奠定了基礎。

2.2 水稻溫敏核不育基因的定位進展

利用分子標記的方法，溫敏核不育基因的定位也取得了較大進展。Wang等［9］以“5460S×紅晚52”的F2群體為實驗材料，采用BSA和RAPD技術分析，將溫敏核不育基因TGMS定位于第8染色體上，并篩選出與它相距6.7cM的多態性標記TGMS1.2。該標記被定位于RG978和RZ562之間，遺傳距離分別為12.7cM 和 12.6cM。Yamaguchi等［10］以“H89－1×Nekken2”F2分離群體為材料，將溫敏雄性不育基因tms2定位于第7染色體上的RFLP標記R643和R1440之間。Subudhi等［11］以“IR32364×IR68”F2分離群體為材料，將溫敏雄性不育基因tms3定位于第6染色體的RAPD標記OPAC3640和OPAA7550之間，它到二者的遺傳距離分別為7.7cM和10.0cM。2000年，Dong等［12］以“TGMS－VN1×CH1”的F2分離群體為材料，通過AFLP、RFLP技術分析，將溫敏不育基因 ［暫定名為tms4（t）］定位于第2染色體上，并找到了與之緊密連鎖的AFLP標記E5／M12－600，連鎖距離為3.3cM。還有學者［13］將SA2溫敏雄性不育基因TGMS定位于第9染色體上的兩個標記EAA／MCAG和RM257之間，它與二者的遺傳圖距分別為5.3cM 和6.4 cM。Lee等［14］將溫敏雄性不育基因tms6定位于第5染色體上的兩個標記RM3351和E60663之間，它與二者的遺傳圖距分別為0.1cM和1.9cM。Jia等［15］將溫敏雄性不育基因tms5定位于第2染色體上的兩個標記R394和RM174之間。Wang等［16］將它定位于標記C365－1和G227－1之間，距離二者分別為1.04cM 和2.08cM。姜大剛等［17］又應用EST和SSR標記將此不育基因定位于RGP遺傳圖的第2染色體的31.2cM處，并將其精細定位于兩個SSR標記RMAN7和RMAN54之間的181kb區域內。

王寶和等［18］對廣占63S／旱1587組合的F2分離群體進行不育基因的遺傳分析，表明廣占63S的不育性受1對隱性不育基因控制，暫定名為ptgms2－1。利用分子標記技術，將該不育基因定位于第2染色體上的兩個標記S2－4和S2－27之間，該基因與兩標記的遺傳距離分別為0.5cM和1.1 cM，兩標記的物理距離為390kb，并找到與該基因共分離的標記S2－24。Xu等［19］對廣占63S／1587雜交組合的F2和BC1F2分離群體進行遺傳分析，通過分子標記結合BSA法，將此基因定位于第2染色體RM12521和RM12823之間，且與二者的遺傳距離分別為17cM和10.4cM。進一步利用Indel標記精細定位，將該基因定位于兩個Indel標記S2－40和S2－44之間50.4kb的范圍內，基因與二者的遺傳距離分別為0.08cM和0.16cM。并且與AP004039的BAC上的標記S2－43共分離。根據預測基因推測核糖體核酸酶Z基因為該基因的候選基因，這為該基因的克隆奠定了基礎。

這些年來，已經定位的溫敏核不育基因有tms1、tms2、tms3、tms4、tms5以及TGMS等等。科學家們對很多光溫敏雄性核不育基因進行了精細定位，并且獲得了大量的光溫敏核不育基因片段，但還沒有分離得到真正的光溫敏雄性核不育基因。這是未來科研的目標。

2.3 水稻顯性核不育的定位進展

水稻顯性核不育比隱性核不育少見得多。迄今為止，只報道出5種水稻顯性核不育材料，即萍鄉顯性核不育、低溫敏顯性核不育、浙9248突變體顯性核不育、1783和1789突變體顯性核不育、三明顯性核不育［20－24］。

陳學偉等［25］利用RFLP標記和SSLP標記將萍鄉顯性核不育基因Ms－p定位于第10染色體上的兩個標記RM228和RM258之間，且與RFLP標記G2155的遺傳距離為2.6cM。賀浩華等［26］利用SSR技術將其定位于標記RM239附近，二者之間的遺傳距離為5.65cM。在此基礎上，Huang等［27］人將Ms－p定位于SSR標記 RM171和RM6745之間，它到兩標記之間的距離分別為0.3 cM和3.0cM，這樣就把基因界定在約730kb范圍內。李仕貴等［28］人把低溫敏水稻“8987”顯性核不育基因TMS定位在第6染色體上的兩個標記RM50和C235之間，它與二者的遺傳距離分別為12.9cM 和6.4cM。

3 其他類型水稻雄性核不育定位進展

初明光等［29］人以來源于秈／秈稻雜交組合后代的自然雄性不育突變體ms－np為實驗材料，經F2和BC1F1遺傳分析顯示，該突變性狀受1對隱性基因控制，暫定名為ms－np（t）。對組合ms－np／M63雜交的F2不育單株進行連鎖分析，將該不育基因定位于水稻第6染色體的兩個SSR標記RM343和RM541之間，該基因與二者的遺傳距離分別為7.9cM 和15.2cM。

孫小秋等［30］人利用802A／Ⅱ－32BF2和802A／02428F2為定位群體，對控制802A雄性不育性狀的1對隱性核不育基因 ［暫命名為ms92（t）］進行基因定位，結果將該基因定位于水稻第3染色體上的SSR標記RM3513附近，精細定位至indel標記S5和S2之間，基因與二者的遺傳距離分別為0.3cM和0.6cM。該基因與indel標記S3和S4在167個F2不育單株中共分離。

陳家彬［31］利用D295B與昌豐B雜交F4代中自然突變得到的一雄性不育突變植株（定名為SC－ms2），根據其F2代分離比，證明此雄性不育性狀受一對隱性核基因控制，將其暫定名為ms92（t）。以SC－ms2／花B的F2為定位群體，采用分離群體分組分析法結合SSR分子標記，將該基因定位于水稻第9染色體的兩個SSR標記RM34431和RM3600之間。此后將花B群體更換為日本晴群體，從而使親本差異更大，最終把該不育基因精細定位于遺傳距離分別為0.3cM和0.6cM的分子標記RM24451和RM7048之間，二者之間物理距離約為172kb，包含25個已被預測的候選基因，分析認為，目標基因很可能是編碼雄性不育蛋白的基因LOC＿Os09g27620。

付磊［32］選用527R／881R雜交后代中的不育株［定名為ms802A（t）］，把它與802A、Ⅱ－32B等雜交所得的F2為實驗材料，將控制此雄性不育性狀的這對隱性核基因定位于水稻第3染色體，與SSR標記RM6832、RM2334、RM135連鎖，遺傳距離分別為10.9cM、16.1cM、21.6cM。更換群體后精細定位，找到與該基因連鎖的兩個SSR標記RM3513和RM6266，遺傳距離分別為0.6 cM和4.2cM。

4 不育基因應用中存在的問題及前景展望

光溫敏雄性核不育材料的遺傳復雜性比較大，而且不育基因的表達可能會受到環境條件的影響，因而未曾分離得到真正的光溫敏雄性核不育基因。即使是在相同基因源的不育系間，研究結果也可能存在較大差別，這使得它的研究受到限制。進一步深入了解光溫敏雄性不育機制，廣泛開展雄性核不育基因的研究，對于培育理想的兩系雜交材料及其兩系法雜交水稻生產與推廣將會產生更大的作用［33］。伴隨著分子生物學的快速發展，我們可以預料，今后將會有更高密度的遺傳和物理圖譜以及新的分子標記會被廣泛應用于光溫敏不育基因的定位研究中，這將為光溫敏雄性核不育的基因的克隆提供強有力的后盾。

顯性核不育水稻在遺傳育種方面有著較好的應用前景。在常規育種上，以回交的方式，把不育基因轉入常用親本中，將其作為基礎材料進行復合雜交或者階梯式雜交。這種方法即可以節省人工去雄所需要的時間和精力，又可以在短期內獲得大量的雜交組合。我們把顯性核不育基因與分子標記輔助育種技術相結合，作為遺傳載體導入目標基因，從而構建分子育種體系；將顯性核不育基因導入抗稻瘟病等多種基因，利用不育基因的表達特點，可以建立水稻抗病蟲的基因庫；同時，我們還可以借鑒太谷核不育小麥的經驗，建立高效輪回選擇育種新體系，從而培育出高質量高產量的水稻新品種。另外，萍鄉顯性核不育水稻已經找到了恢復系，這為加強雜種優勢利用的研究和利用提供了可能性。

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