植物化学杀雄研究进展

植物化学杀雄研究进展

陈知子

(湖南省新化县第三中学,湖南新化417600)

摘要:介绍了化学杀雄剂诱导植物雄性不育的变化,回顾了化学杀雄杂种优势利用研究的进展,阐述了化学杀雄杂种优势利用的特点,以及化学杀雄剂的设计思路和常用的化学杀雄剂。

关键词:化学杀雄剂;植物雄性不育;杂种优势

中图分类号:Q943 文献标志码:A 文章编号:1005-8141(2010)02-0143-03

Development of Chemistry I nduction of Male Sterility

CHE N Zhi -zi

(N o.3M iddle School of X inhua C ounty ,X inhua 417600,China )

Abstract :This article studied the brief introduction about the effect on the male sterility of plant induced by chemical hybridization agents (CH A ).Reviewed the research on the development of the CH A ,elaborated the advantage of the CH A com pared to genetic cross breeding and the method of design CH A.

K ey w ords :chemical hybridization agents ;male sterility ;hybrid vig our

收稿日期:2009-07-15;修订日期:2010-09-15

作者简介:陈知子(1974-),女,湖南省新化县人,中学一级教师,湖南省新化县第三中学从事教学工作。

1　前言

随着人口的不断增长、耕地面积逐年减少,粮食问题越来越引起人们的重视。提高粮食作物单位面积的产量和质量是解决粮食问题的根本对策,其中很重要的一条途径就是作物杂种优势的利用。杂交优势利用基本上可分为遗传性的雄性不育杂种优势利用和生理性的化学杂种优势利用两大途径。

遗传性的雄性不育细胞核质互作雄性不育(Cyto 2plasm Male Sterility ,简称C MS )和核雄性不育(Nucleus Male Sterility ,简称NMS ),但因为稳定不育株的筛选以及受温度的影响有其一定的缺陷性,而利用化学杂交剂(Chemical Hybridization Agent ,简称CH A )诱导雄性不育配置杂交作物是目前杂种优势利用的一条比较有效的途径。

2　化学杂交剂的研究进展

化学杂交剂诱导作物雄性不育是目前杂种优势利

用的主要途径之一。化学杂交剂是一种用于处理自交作物、诱导雄性不育的化学物质。当在作物生殖生长的适宜时期喷施CH A ,能对雄配子有选择性地杀伤或阻滞其发育,造成花粉生理性不育;而对雌配子无不良影响或影响甚微,从而抑制自花授粉,导致异花授粉获得杂交种子。

国内有学者将化学杂交剂称为化学杀雄剂。CH A

的研究始于20世纪50年代初期。1950年,M oore 和

Naylor 分别报道了植物生长调节剂(Plant G rowth Regu 2lator ,简称PG R )马来酰肼(MH )诱导玉米可产生雄性不育株,从而开创了使用植物化学杂交剂使用的历史[1,2]。1951年,Laibach 和K ribben 报道了NAA 诱导番茄雄性不育;1952年,Rehm 报道了2,4-D 和三碘苯甲酸(TT BA )可诱导西瓜产生雄性不育[3]。早期的CH A 研究多为探索已知的PG R 诱导雄性不育的功能,

如马来酰肼、乙烯利、赤霉素等,但PG R 或因去雄率不高,对雌蕊育性存在影响,或对植株具有其他不良负作用,多不具备实用价值[4]。

20世纪70年代初CH A 的研究摆脱了PG R 的局

限,国外一些公司如R ohm&Hass 、Santo 、Shell 、Du P ont 、Lafarge C oppee 等都开始致力于研究新化合物类型CH A 的开发,如W L84811、LY -195295、Hybrex 、Sc2053、Sc1271、DABC O 等新型CH A 的出现,使CH A 的应用进

入了大面积试用或接近于商业制种阶段,对CH A 的研究进入了一个新阶段[5]。这些CH A 诱导作物雄性不育的效果有了很大提高,雄性不育率高于90%或95%以上,对雌蕊育性的影响趋小,毒性大大降低,施药的活性窗口越来越宽,成本也在逐渐降低[6]。

1990年以后,作物CH A 发展日渐成熟,特别是应

用于小麦杂交种生产的CH A 发展更快。国外科学工作者在小麦等作物上筛选出了许多种化学杂交剂,如

乙烯利、DPX3773(即K MS -1)、LY 195259、W L84811、RH0007、Sc2053和GE NESIS 用于诱导雄性不育研究,

其中以Sc2053和GE NESIS 应用最为广泛[7,8]。我国在

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341・资源开发与市场Res ource Development &M arket 201026(2) ・资源与环境・

小麦化学杂交剂合成和筛选方面也做了大量工作,先

后成功研制出BAU1、BAU2、X N8611和BAU9403,其中BAU9403的效果相对较好,但是综合效果仍不如GE N 2ESIS [9,10]。目前,我国又研制出了新型小麦化学杂交剂S Q -1。大量实践表明,S Q -1诱导雄性不育比较彻底[11]。

3　化学杀雄的的机理

随着化学杀雄剂的研制与应用,一些有效的化学杀雄剂对植物的生理、生化、形态解剖等方面的作用机

理也得到揭示。目前比较认可的化学杀雄机理有两种:一种是化学杀雄剂通过吸收运转,在雌雄蕊中呈极性分布,大量积累在雄蕊中,并通过一系列生理生化反应,改变物质代谢状况,阻碍核酸和蛋白质的合成,并引起细胞形态学变化,使花药和花粉发育受阻,导致不同类型的生理雄性不育。另一种是化学杀雄剂抑制对花药中的DNA 合成和代谢,降低花药的呼吸强度,继而影响RNA 和蛋白质等的合成与代谢,导致花粉败育。败育后的花药较瘦小、花丝缩短,花药常常不能吐出而残留在颖壳内,花药不开裂或仅部分开裂,出现大量畸形或圆形的败育花粉,子房膨大,而雌蕊的活力变化不大。

4　化学杀雄杂种优势利用的优点[12]

化学杀雄杂种的优点主要表现在以下方面:①亲

本选择范围广。CH A 杂种油菜是通过CH A 诱导的生理性雄性不育,不存在像细胞核质互作雄性不育体系中所要求的恢保关系,因此亲本选择自由,可任意组配杂交组合,有利于优中选优,筛选出较强的优势组合。我国有着丰富的种质资源,这些种质资源的大量杂交,通过组合筛选出丰产、优质、抗病的杂交种。②周期短。用遗传方法研究杂交,不论是那种类型都需要较长的时间来进行三系的研制、转育、测试和培育;而利用CH A 可允许直接使用那些已改良产量、抗病性和品性的育种品种作杂交亲本,在短时间内生产出足够数量的F 1代种子。因此,与三系法相比,化学杀雄用于生产的速度要快得多。③避免了不育系微粉问题。不育系的花粉受自然条件主要是温度控制。当开花期间温度较高时,不育系不会产生花粉;当外界温度较低的时候,不育系会产生微量的花粉,从而影响杂交效果。④可利用F 2代的优势。化学杀雄杂交种不存在育性恢复问题,杂交的后代又无育性分离,有实现杂种优势多代利用的可能性。化学杂交强优组合F 2代有可能遗传F 1代的残余优势而再被利用。由一对遗传因子所支配的性状,该遗传因子F 2代的杂型个体占1/2。由于杂型个体具有杂种优势,因此F 2代将保留F 1代

的一般优势。产量构成因素、生育期等与产量有关的性状属于数量性状,受多基因控制,并不受单基因的分离规律所支配,因此数量性状的F 2代优势至少有F 1代优势的1/2。只要亲本传递力及配合力恰当,F 2代分离仍具有生产利用价值。⑤应用化学杀雄剂可以有效代替人工去雄。化学杀雄剂不仅是常规育种工作中十分有效的杂交工具,而且还可以为单倍体育种、人工诱导孤雌生殖,简化杂交去雄手续,扩大杂种群体,提高选种效率。5　CH A 分子设计思路

化学杀雄剂的研制和使用历史表明,虽然许多化

学杀雄剂都可以使植物产生雄性不育,但并非所有能诱发雄性不育的化学杀雄剂都能用于杂交制种。因此,CH A 的研制和筛选就成为化学杀雄利用的一个关键问题,国内外许多研究者将主要精力放在新型较理想的CH A 筛选与使用研究上。理想的化学杂交剂必须具备下述条件才能使用:①药剂的选择性强,处理后仅能杀伤雄蕊,使花粉败育,而对雌蕊没有影响或影响很小,使其受粉后能正常结实;②对植株生长无害或无强烈的抑制作用;③药剂施用期长,有效剂量范围广;④基因型与环境条件的相互作用小,不易受天气影响;⑤使用简便;⑥无药害、无残毒,对人畜安全;⑥成本低,便于推广应用。

与杀虫剂等其他农药相比,CH A 的开发要晚得多,已知CH A 的作用靶标部位还不清楚。本文介绍几种目前较常用的分子设计思路:①用PG R 筛选。人们发现MH 诱导玉米雄性不育之后,启发了科研人员研究其他PG R 的雄性不育功能,许多化合物都是在这一思路下开发成功的。②借鉴其他生物活性。脯氨酸是花粉中含量最多的游离氨基酸,其含量与植物雄性器官的可育性有关。在玉米杂交育种中,花粉中脯氨酸的含量是玉米可育性的指标。Methanoproline 是存在于七叶树植物Aescul usparvif lora 体内的天然物[4],具有抑制大肠杆菌和鼠伤寒沙氏菌生长的作用,但在培养基中加入脯氨酸,菌体可以恢复生长。Methanoproline 的抑菌作用可能是抑制脯氨酸的合成。基于上述研究成果,Shell 公司的研究人员用methanoproline 及其类似物进行筛选,从而发现它们的CH A 功能。③先导结构的修饰改造。R ohm&Haas 公司开发的fenridazon 获得成功,给CH A 的研究人员以很大的鼓舞。Ciba -G eigy 、Lafarge C oppee 、Sumitom o 等公司均以fenridazon 为先导结构进行合成与筛选,导致G enesis 、SC -2053、S D -227559、S -1271等化合物相继出现。在我国,李正

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