大蔥雄性不育的研究和應用進展

康香輝，安進軍，袁瑞江，王麗喬

（河北石家莊市農林科學研究院，050021）

大 蔥 （Allium fistulosumL.var.gigantumMakino）屬于蔥科蔥屬作物，起源于中國西部和西伯利亞地區，經野生蔥馴化而來。目前主要栽培于中國、韓國、日本、馬來西亞、菲律賓和印度尼西亞。大蔥在我國有2 600多a的栽培歷史，作為一種綠色保健蔬菜以及調味品而深受人們的喜愛[1]。大蔥自交衰退嚴重，且雜交優勢明顯，但其雜交育種研究起步較晚，直到20世紀70年代日本西村米八在自然群體中發現了雄性不育株，大蔥雜交育種才得以開展，并進行深入研究[2～7]。

雄性不育（male sterility）是指雄性器官發育不良，失去生殖功能，導致不育的特性，在植物界普遍存在，據統計已在43個科162個屬617個物種及種間雜種中發現了該現象。雄性不育系的發現避免了人工去雄的復雜過程，是雜交制種的一種高效途徑[8]，已作為重要手段用于各種作物的雜交育種中，尤其是自花授粉作物和常異花授粉作物雜交[9]。

1 大蔥雄性不育的類型

由于植物雄性不育性遺傳關系復雜，人們提出了很多假說對其進行解釋。Edwardson的 “二型假說”將雄性不育分為2種類型：一是細胞核雄性不育（genic male sterility，GMS），由核基因控制并遵循孟德爾遺傳定律；二是細胞核與細胞質互作的雄性不育，也稱細胞質雄性不育 （cytoplasmic male sterility，CMS）[10]。日本馬上武彥提出大蔥雄性不育是由胞質與兩對隱性核基因互作控制的遺傳模式[11]。張啟沛等[4]發現該遺傳模式不能完全解釋育種中出現的保持系自交育性分離問題，于是提出了“胞質—多對核基因的數量效應”的假說?？梢钥隙ǖ氖牵笫[的雄性不育是受胞質與核基因互作控制的。

2 大蔥雄性不育的形態細胞學研究

2.1 大蔥雄性不育的形態研究

大蔥雄性不育株雄蕊的花絲較短，花藥較小。1987年，張啟沛等[4]對大蔥不育株的器官進一步觀察比較，認為可分為3種類型：常藥型不育、瘦藥型不育和短雄蕊型不育。大蔥的雄性不育株有完全不育株和半不育株（嵌合性雄性不育），半不育株的出現主要受遺傳、溫度和種株營養狀態的影響[12]。2014年，吳蘭榮等[13]對不同敗育程度的雄性不育系及正常可育材料20余份進行育性鑒定，發現12份雄性不育材料中有9份具有光溫敏感性，說明大蔥雄性不育材料具有光溫敏感性的材料居多，但作用機理尚不明確。

2.2 大蔥雄性不育的細胞學研究

日本西村米八在發現蔥的雄性不育株后，對其進行了細胞組織學研究，認為小孢子在發育過程中受絨氈層增大細胞擠壓而敗育[10]。1991年，席湘媛[14]通過觀察大蔥不育系和可育系的花藥和花粉的發育情況，認為大蔥不育系花粉敗育發生在單核小孢子期的早期。1992年，欒兆水等[7]用壓片法對雄性不育大蔥小孢子發生和雄配子體發育進行了詳細觀察，發現大蔥雄性不育的小孢子發生過程基本正常，花粉敗育始于小孢子單核中期和末期，期間有94.85%的花粉敗育。2007年，王曉靜等[15]利用石蠟切片法對大蔥雄性不育系及保持系花藥與花粉發育過程進行比較研究，發現雄性不育系的花粉敗育發生于單核小孢子晚期，具有單核敗育的特征，花粉敗育不僅與絨氈層有關，還與中層細胞密切相關。馮大領等[16]通過對大蔥不育系和保持系花藥發育的研究，發現大蔥不育系的花粉敗育是絨氈層細胞的提早液泡化并解體或者是絨氈層細胞內的原生質濃度低，無明顯的多核現象而引起花粉粒敗育；另外在單核花粉粒至成熟花粉粒發育過程中，有些花藥的藥隔細胞纖維化，阻礙了水分和營養物質的輸送，從而引起花粉粒敗育。而保持系的花藥絨氈層細胞在單核花粉粒時期開始解體，一直到花粉粒成熟才逐漸消失。

3 大蔥雄性不育的分子遺傳學研究

大蔥細胞質雄性不育的分子研究相對較少，蓋樹鵬等[17～20]用220個RAPD隨機引物分析了大蔥不育系和保持系的葉綠體DNA（cpDNA）和線粒體DNA（mtDNA），其中有5個引物在葉綠體或線粒體基因組中擴增出了多態性片段，可用于分子標記輔助育種，隨后又把不穩定、誤差比較大的RAPD分子標記轉化為SCAR分子標記。2005年，日本學者利用AFLP、CAPS及SSR標記構建了第一張大蔥的遺傳圖譜[21]。2013年，Wang等[22]用256個AFLP分子標記對9個大蔥雄性不育細胞質與正常細胞質的mtDNA進行分子標記，篩選出了1條清晰的多態性AFLP帶，可作為區分不育系和可育系的AFLP標記。AFLP標記成功地轉化為一個序列特征的擴增區（SCAR）標記SCAR1，可用于區分雄性不育系和正常細胞質。2015年，Gao等[23]也篩選出了2個SCAR標記，用于區分大蔥雄性不育株和可育株。2016年，張丹丹[24]以鞭桿蔥不育系和保持系為材料，克隆了大蔥線粒體基因atp6、atpA、nad9、nad5、orf192、orf111、orf100、mat-R全長； 通過序列對比，找出了鞭桿蔥雄性線粒體基因不育系與保持系之間的差異；同時對這些基因進行了差異性表達分析。2019年，Liu等[25]利用轉錄組測序比較了不育系64-2與相應的保持系64-1之間的差異，以確定與雄性不育相關的基因和途徑，試驗表明，大蔥雄性不育調控基因和途徑可能與線粒體和細胞核有關。在此基礎上，他們又對ATPase同工酶和atp酶活性進行了研究，發現ATP合成酶α亞基在雄性不育中特異表達，而且在不育系及其保持系中，atpA編碼序列的全長是相同的，但在翻譯的蛋白質中發現了導致氨基酸替換的單核苷酸多態性（SNPs），所以推測atpA基因參與了雄性不育的發育[26]。關于大蔥花粉育性恢復基因染色體定位也有報道[27，28]。目前關于大蔥雄性不育分子機制的研究報道較少，分子敗育機制還不清楚。

4 大蔥雄性不育的創制及應用

4.1 大蔥雄性不育系的創制

開展大蔥育種的國家主要是日本，始于20世紀80年代，大蔥雄性不育系及雜種一代的選育則與中國同步。日本大蔥一代雜種的普及率達90%[29]。20世紀80年代以前，中國以引種和混合選育的常規育種方式為主；80年代后開始雜交育種和雄性不育系的創制及應用。山東農業大學、遼寧農業科學院蔬菜研究所和石家莊市農林科學研究院等單位，利用自然群體中的雄性不育株，經過多代回交先后創制出大蔥雄性不育系和保持系。2002年，佟成富等[30]創制了大蔥不育系244A。2006年，陳立東等[31]創制了超早熟大蔥雄性不育系603A、626A。2008年，袁瑞江等[32]在青葉1號大蔥中選育出了雄性不育系08青601A；2019年，又創制了大蔥雄性不育系353A[33]。

4.2 大蔥雄性不育的育種

我國栽培大蔥歷史悠久，通過混合選擇和母系選擇育出了很多優良的地方品種和農家品種。然而大蔥自交衰退嚴重，且綜合性狀優良的品種少，但其雜交優勢明顯。大蔥雄性不育株發現后，許多科研人員發現和創制了優良雄性不育系，并利用雄性不育系雜交選育出很多優良品種。1999年，Kenichiro等[34，35]通過多代回交培育出了具有野生種（A.galanthumKar.et Kir.）細胞質的大蔥雄性不育系，其可作為大蔥商業化F1代雜交種制種的親本。山東農業大學和山東章丘區農業農村局以章丘大蔥中發現的雄性不育株為不育源，育成雄性不育系和相應的保持系，不育株率達95%，并利用雄性不育系配制了一些雜交組合，比對照增產15%以上[4]。2002年，遼寧省農業科學院以冬靈白大蔥中發現的不育株為不育源，育成了不育株率和不育度均達100%的大蔥雄性不育系，并配制了雜交種遼蔥二號，產量優勢明顯[30]。魏星等[36]以日本大蔥中發現的雄性不育株為不育源，篩選出耐抽薹雄性不育系和相應的保持系，不育株率99%以上，且雜交選配的農大夏蔥1號抽薹晚、抗性好、產量高。袁瑞江等[32]利用三系雜交技術培育出的青雜2號可一年四季栽培，是青蔥栽培的理想品種。隨后，袁瑞江等[33]又以常規種青葉1號中發現的雄性不育株為不育源，育成了不育株率和不育度均接近100%的大蔥雄性不育系，育成的雜交組合抗逆性和產量優勢明顯。李娜等[37]以章丘大梧桐中發現的不育株為不育源，育成了新型不育系63A和相應的保持系63B，以63A為母本與不同類型的自交系配制多個雜交組合，其雜交組合性狀穩定，抗倒性強，是比較理想的春播品種。

5 大蔥雄性不育研究展望

大蔥育種研究較其他蔬菜起步晚，種質資源搜集保存的較少，遺傳背景相對狹窄。大蔥雄性不育的研究基礎相對薄弱，不育系的開發研究和強優勢雜交組合的配組有待進一步提高。為了更好地將雄性不育系應用在大蔥雜交育種上，需要在以下幾個方面加強研究。

5.1 雄性不育資源創制

科研人員應對大蔥地方品種、農家品種或現有種質資源進行觀察與篩選，以尋找天然不育材料；并嘗試通過對種子誘變 （化學誘變或射線誘變）和基因工程等技術創制具有不同遺傳基因的大蔥不育源；同時重視利用遠緣雜交等常規育種方式獲得具有優良性狀的不育系，從而獲取理想的大蔥雄性不育資源。

5.2 強優勢組合選配

加強對雄性不育系遺傳機制的研究，從品質、產量、抗性等農藝性狀綜合考慮，選擇優良的保持系，對其不育系進行回交，改變不利性狀，選出綜合性狀優良的不育系與表現良好的父本配組，并在親本一般配合力高的基礎上選擇特殊配合力高的組合，以期獲得更好的雜交組合。

5.3 加強雄性不育基礎理論研究

隨著植物基因組學和現代分子生物技術的快速發展，借助高通量測序平臺，人們已經對大蔥雄性不育分子篩選和轉錄組測序進行了研究[19，26]，但細胞質雄性不育系線粒體基因和核基因的互作模式、雄性不育基因的鑒定和功能分析等基礎研究和不育標記的開發等工作還遠遠不夠。另外，不育性的環境穩定性問題，也是限制不育性應用的一大障礙，應對雄性不育溫敏特性進行系統深入的研究，尤其是溫度調節育性開關機理的研究，以加快大蔥雄性不育機理研究進展。