植物基因工程雄性不育策略概述

韓福平

摘要：作物雄性不育系的選育是雜交育種中的重要環節。基因工程雄性不育與用常規方法選育雄性不育相比具有選育周期縮短、育性相對穩定、受環境影響少、對基因型依賴少、環境污染小等特點，在農業上具有廣泛的實際應用前景。本文通過對基因工程雄性不育策略進行了介紹，總結了基因工程雄性不育的技術起源和發展歷史。

關鍵詞：雜交育種；基因工程；雄性不育；專利技術綜述

1.基因工程雄性不育概述

長期以來，人們一直利用常規育種的方法選育不育系、保持系和恢復系，或者把不育性從一個品種轉育到品質好的品種中，這些方法周期長、見效慢，不能滿足生產發展的迫切需要。目前，也有許多控制植物雄性不育性的基因被克隆，但是，由于植物的不育性受核基因、線粒體基因、葉綠體基因和環境因素的影響，作用機理比較復雜，人們對其認識還不足，所以難在短期內獲得明顯的效果.基因工程雄性不育與用常規方法選育雄性不育相比具有選育周期縮短、育性相對穩定、受環境影響少、對基因型依賴少、環境污染小等特點。

1.1 Mariani策略

隨著生物技術的發展及其在植物遺傳育種中的應用，Mariani等人在1990年開創了一個創造植物雄性不育的新途徑。他們應用來自于煙草的花藥絨氈層特異性啟動子（TA29）和核糖核酸酶基因（Barnase）嵌合后轉化煙草和油菜，由于核糖核酸酶的作用，轉基因煙草和油菜的花藥絨氈層被破壞，形成花粉敗育，而轉基因煙草的其他器官發育正常。為了解決雄性不育的恢復問題，1992年Mariani等又將Barnase的抑制劑Barstar的基因與煙草花藥絨氈層特異性的啟動子TA29串聯構成嵌合基因轉化油菜，獲得了帶TA29-Barstar的轉基因油菜，這些油菜作為母本與帶TA29-Barnase的油菜雜交，使雄性不育恢復。帶TA29-Barstar的轉基因油菜雄性可育，花藥絨氈層發育良好，無任何不良反映。Barnase基因是Hartley（1989）等在淀粉芽抱桿菌的“RNA酶/RNA酶抑制因子”防御系統中的發現的。這種芽抱桿菌合成一種叫Barnase的細胞外RNA酶，以保護本身不受其他微生物捕食者的危害。而Barstar則是Barnase特異的抑制因子，被淀粉芽抱桿菌用于保護白身不受Barnase細胞毒素的影響。在Barnase和Barstar成功的應用于創造植物的不育系和恢復系后，為了解決不育系的保持問題，人們一直以未轉化的正常植株為其保持系保持育性，但是，由于帶TA29-Barnase的轉基因植株為顯性雜合不育系，當與正常植株雜交后，其雜交后代中會有50%的可育株。為了解決這個問題，1994年ZouJ等將TA29-Barnase嵌合基因與抗除草劑基因串聯在一起，構建在同一個植物表達載體上轉化植物。這樣，我們可以篩選到TA29-Barnase與抗除草劑基因緊密連鎖的轉基因植株，二者可能同時存在同時消失，人們可以通過施用除草劑有選擇的將丟失TA29-Barnase嵌合基因的雄性可育植株殺死，將雄性不育植株保留下來而保持不育性。目前，由美國加州大學和比利時PGS公司合作進行的轉基因油菜雜交系研究，應用了Mariani的不育性系統，已經成功地實現了“三系”配套。Mariani的成功得益于找到了花藥特異性啟動子。受到他的啟發，各國科學家紛紛在各種植物中尋找特異性啟動子。目前，陸續克隆了許多與花粉或花藥形成有關的特異性啟動子，例如Osg6B、TA29等。

1.2 通過影響植物的正常生理代謝形成雄性不育

通過單一基因或一系列基因的轉化，改變植物產生正常花粉所需要的生理代謝.從而形成花粉的敗育。例如，影響植物內部氨基酸、糖、黃堿醇、茉莉酮酸和生長素的代謝形成花粉敗育。這些花粉的敗育可以通過彌補上述物質的代謝水平來進行育性恢復。

1.3 通過互補系統來形成雄性不育或育性恢復

將兩個基因或一個基因的兩個部分分別轉化植物，通過兩個轉基因植物的雜交在后代中兩個基因共同作用形成不育系或恢復系。例如Oiane G等（2002）將Barnase基因拆分成兩部分，分別用花藥特異性啟動子127a驅動轉化馬鈴薯，轉基因植株雜交結果顯示帶有Barnase基因兩個部分的雜交后代表現為雄性不育，而只帶Barnase基因單一部分的雜交后代則表現為可育，帶有Barnase基因兩個部分的不育植株與野生型植株雜交，由于基因分離使3/4的后代植株育性恢復。Luo等（2000）利用位點特異性重組系統FLP/FRT從組成型表達雄性不育基因的轉基因植物基因組中刪除不育基因從而達到對雄性不育的恢復。這種策略要求通過轉基因植物的雜交來形成雄性不育或育性恢復，這限制了這種策略在大面積制種中的應用。

1.4 利用反義技術獲得轉基因雄性不育

反義技術就是將一段DNA（或cDNA）反向裝入啟動子和終.比子，使反向DNA像正常的DNA一樣轉錄RNA。但它不能像mRNA那樣翻譯出蛋白，而是與有關的mRNA通過堿基互補，形成反義RNA/mRNA雜交分子，以便抑制或封閉mRNA正常的翻譯和表達，達到特異性抑制或下向調節目的基因的表達。花粉發育是一個極復雜的過程，許多基因與花粉發育有關。通過反義RNA片段與花藥或花藥特異性啟動子嵌合，反義RNA特異性阻斷與花粉發育有關的基因的表達，從而獲得雄性不育植株。目前，通過反義RNA技術獲得雄性不育植株的成功的例子有許多。

1.5 其他策略

除了以上一些策略還可以利用天然的或誘導的突變體來形成雄性不育。可以通過突變遺傳因子作為育性恢復基因，這種育性恢復基因可以通過化學方法進行誘導。例如，如上所述，現在己經在玉米、矮牽牛、油菜等植物的線粒體DNA中找到了與細胞質雄性不育（CMS）有關的基因。通過基因工程的方法擾亂線粒體與細胞核之間的信息交流，便可導致植物雄性不育。在植物中，ATP合成酶亞基9（atp9）是線粒體編碼的，其轉錄產物需要進行編輯后才能形成成熟mRNA。Hernould（1993）等分別在atp9基因（未編輯）和它的cDNA（編輯）前融合了酵母的信號膚序列后連接上CaMV35s啟動子，轉化煙草.在轉基因植株中，由于基因前端信號膚的作用，表達產物可以被運送到線粒體中，未編輯的atp9的表達產物是異常的，該異常產物與止常的atp9產物競爭，形成有功能和無功能的ATP合成酶的混合物，從而影響線粒體的功能，結果轉atp9基因的煙草有絕大多數不育、半不育、可育3種類型。

2. 結語

利用雜種優勢可以顯著地提高作物產量，改善作物品質，因此雜種優勢利用在農業生產中占有重要的地位。雜交優勢育種已成為許多作物的主要育種方法之一。為了得到更加方便、高效、穩定的雄性不育植物用于雜交育種，轉基因雄性不育育種策略應用而生，近年來基因工程雄性不育技術發展迅猛。當前，利用基因工程雄性不育進行雜交育種發展迅速，生產出來的雜交種子長勢好、生活力高、繁殖力強、抗逆性強、產量高和品質佳，將來基因工程雄性不育在雜交育種方面的應用將越來越廣泛。