陸地棉細胞質雄性不育系的細胞學觀察研究現狀

康浩東

摘 要 在生物界中，棉花與眾多作物相似，雜種優勢趨于明顯。目前研究棉花雄性不育利用的有效途徑主要集中于雜種優勢、細胞學觀察等有關方面。基于此，從棉花雄性不育系的雜種優勢及細胞學觀察方面進行綜述，介紹了棉花雜種優勢的特點及利用途徑，闡述了棉花細胞質雄性不育系的敗育時期及特征。

關鍵詞 陸地棉;細胞質雄性不育;雜種優勢;細胞學觀察

在利用雜種互補效應中，實現棉花產能高、品質好、抗逆性強等方面同步突破已成為棉花育種研究的一個重要方向，且雜種優勢在提高棉花抗逆性、棉花產量及纖維品質等方面起著重要作用[1-2]。近年來，利用雜種優勢已逐漸成為提高動植物產量及品質等的有效措施。而雄性不育是利用雜種優勢的基礎，細胞質雄性不育系為雜種優勢利用提供了有效途徑。但由于目前棉花不育胞質的負效應，棉花的雜種優勢并沒有得到廣泛利用，選育棉花細胞質雄性不育系仍是目前研究的主要任務，而研究棉花CMS敗育機制則可以為棉花CMS的種質資源創新提供理論依據。韓宗福等[3]從棉花質核互作雄性不育與育性恢復方面進行了相關闡述，但未包括棉花細胞學觀察的研究內容。為此，本文除補充研究領域的最新成果外，從棉花的雜種優勢特點、途徑及細胞學觀察現狀方面進行了綜述，分析了棉花細胞質雄性不育系細胞學觀察現狀及存在的問題，為棉花的深入研究和利用提供有利依據。

1 棉花雜種優勢的特點

前人研究的水稻、油菜等大宗農作物的雜種優勢主要體現在產量、品質及生長抗逆性等方面，在這一定程度上對滿足市場需求、提高經濟效益和保障糧食安全具有重要作用。張進忠[4]認為在雜種棉制種上需盡快解決制種煩瑣的問題，以便于從根本上提高制種效率，有效控制制種質量，降低制種成本。張小全等[5]在組配海陸棉種間雜種和種內雜種時，主要選用棉花細胞質雄性不育系及其恢復系，并以常規棉品種作為對照，發現兩者具有明顯的雜種優勢。朱東生等[6]以不育系德A2為母本，選用豐產性強的3個品系為恢復系配制雜交組合，在豐產性和纖維品質方面對雜交組合進行分析，結果表明該不育系配制的雜交組合德雜1和德雜2在纖維品質及產量上均優于對照中棉所49。

2 棉花雜種優勢利用的途徑

2.1 人工去雄授粉法

人工去雄授粉法獲得雜交種常規制種采用單花授粉，授粉時間因棉花花期而定，以人工方式把雄蕊從母本中去除，然后給父本授粉。棉花花器大，較易去雄，在選配雜交組合上較易選出育種周期短且應變能力強的雜交種子，但在人工上較為費時費工、成本高，相比之下，更適用于勞動力價格較低的地區。

2.2 化學殺雄法制種

主要是指在棉花開花初期，將配置適當比例的化學藥劑噴灑于植株上，使得雄配子被殺死而造成雄性不育，而雌配子不受藥劑影響正常發育。這種用化學藥劑致使棉花雄性不育的方式稱為化學殺雄法[7]。將化學藥劑處理后的植株作為母本，給父本授以正常可育的花粉，從而獲得育性好的雜交種子。利用化學殺雄法制種既省去了人工去雄的瑣碎環節，也大大降低了制種的成本。

2.3 利用核雄性不育的“兩系法”制種

利用核雄性不育的“兩系法”制種主要指利用棉花細胞核雄性不育的制種方法。該種制種方法恢復系來源廣泛，較為容易選配強優組合，且組合更換也相對較易，但在制種時，可育株與不育株需要仔細鑒別，在此基礎上需要拔除50%左右的可育株，在資源利用上造成了人工、肥料、農藥等的浪費，并降低了制種母本的種植密度。如中國洞A雄性不育系主要是受1對核隱性基因msms控制，并可被含MSMS的恢復系恢復育性，這種利用核不育系與相應恢復系雜交而產生的種子稱為“兩系法”制種[8]。

2.4 “三系法”制種法

“三系”指不育系、保持系和恢復系，“三系”制種法主要是利用棉花細胞質雄性不育性（cytoplasmic male sterility，CMS）進行雜交種子生產。與核雄性不育系所述不同，棉花細胞質雄性不育既受核基因控制，也受細胞質基因控制，是質核互作的不育，其育性既可被保持系保持（不育系的繁殖），也可被恢復系恢復（雜種F1的制種）。

3 棉花細胞質雄性不育細胞學觀察研究

3.1 不育系花藥的特點

棉花細胞質雄性不育系的花朵普遍偏小，花冠張開的角度及面積較小，花絲短且細小，僅有少量花粉粒或無花粉粒可見。有些看似飽滿，但無生活力，且從表型上很易辨別不育株和可育株。

3.2 不育系花藥的細胞學特點

正常小孢子發育都是由每一個小孢子母細胞經過減數分裂產生四個一群的單倍體細胞。棉花細胞質雄性不育是不能產生花粉的遺傳現象，敗育過程較為清晰，且在小孢子母細胞形成前及其減數分裂時期就出現異常，致使棉花細胞質雄性不育趨向穩定，并不受外界環境的影響，且從花粉母細胞開始至各時期都存在有敗育的可能性，不集中于某一時期。植物雄性不育小孢子的敗育時期各有異同，棉花敗育發生時期主要分為以下3種類型。1）造孢時期出現敗育跡象。李悅有等[9]在對哈克尼西棉不育系的細胞學研究后發現不育系造孢細胞核有增大，同時細胞質液泡化嚴重且細胞形狀有畸形導致在造孢時期就開始出現敗育跡象。2）減數分裂時期開始敗育。王學德等[10]對104-7A、湘遠4-A、NM-2A和NM-3A三個不育系的花藥發育過程進行細胞學觀察，在觀察時并未發現花粉母細胞的四分體，分析得出它們的敗育發生時期均為減數分裂時期。3）敗育時期貫穿于造孢細胞增殖至減數分裂期。童旭宏等[11]對3個不育系G22A、H109A和1793A（具有相同的不育胞質）的小孢子發育過程進行細胞學觀察，發現它們的小孢子均發生在造孢細胞增殖期至小孢子母細胞減數分裂前，同時也說明了在其敗育時期，小孢子并未受核基因的影響。目前多數研究認為小孢子發育過程中影響因素眾多，如黃晉玲等[12]對棉花晉A細胞質雄性不育系小孢子進行超顯微觀察，發現該不育系大部分小孢子在減數分裂期開始大量解體，且絨氈層的提前退化與小孢子母細胞解體有關;周仲華[13]對“特棉S-1”棉花溫敏雄性不育系進行研究分析，得出四分體質核分裂不同步等;孔祥軍[14]確定了海島棉CMS系H276A花藥敗育開始于四分體時期，其敗育特征主要是四分體細胞核液泡化，絨氈層在花藥發育過程中完整、不發生降解。花藥細胞超微結構觀察發現，四分體時期不育系絨氈層細胞部分線粒體出現內膜降解現象。

4 結語

棉花雄性不育在雜種優勢上有著重要作用，而細胞學觀察是研究植物雄性不育的重要渠道，雖然關于棉花的細胞質雄性不育研究在一定程度上取得了成果，但仍有一系列問題有待深入研究。如在植物雄性不育中，植物的敗育時期主要因材料而異，且棉花CMS胞質來源單一，產生的敗育時期及敗育原因都各有不同。目前，現階段分子生物集中發展，但進一步研究棉花細胞質雄性不育的分子相關基因測序還未取得顯著成果，相信隨著科學技術手段的完善與完備，棉花雄性不育機理能進一步得到深度研究。

參考文獻：

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[12] 黃晉玲，楊鵬，李炳林，等.棉花晉A細胞質雄性不育系小孢子發生的顯微和超微結構觀察[J].棉花學報，2001（5）：259-263.

[13] 周仲華.棉花溫敏雄性不育的細胞學特征、生化基礎及其分子標記的研究[D].長沙：湖南農業大學，2006.

[14] 孔祥軍.海島棉H276A雄性不育的細胞學與分子生物學基礎研究[D].南寧：廣西大學，2017.

（責任編輯：趙中正）