利用基因工程创造植物雄性不育的策略

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专论与综述
利用基因工程创造植物雄性不育的策略
王永飞! ， 马三梅! ， 韩毅科" ， 王
摘
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（! # 烟台师范学院生物系， 山东 烟台， 陕西 杨陵， "$%&"’； " # 西北农林科技大学园艺学院， (!"!&&）
［&’］ 系统的工作原理启示下， 于 &’’( 年又将 )"#%"*+ !"#$"%$
串联在一起， 构建在一个植物表达载体上转化植物， 便可以
［(’， 31］ 解决雄性不育系的保持问题 。这样， 在转基因植物中，
的抑 制 剂 )"#*,"# 的 基 因 与 烟 草 花 药 绒 毡 层 特 异 启 动 子 并获得 -.(’/ !"#$%"# 的转基因油 -.(’ 串联构成嵌合基因， 菜， 这些油菜便是 -.(’/ !"#&"$’ 的转基因工程不育油菜的 恢复系。 -.(’/ !"#$%"# 的转基因油菜雄性可育， 花药绒毡层 发育良好， 无任何不良表现。以 ( ) (’ *!"#&"$’ 转基因油菜 做母本 与 -.(’/ !"#$%"# 转 基 因 油 菜 杂 交 所 得 的 同 时 含 有 -.(’/ !"#&"$’ 和 -.(’/ !"#$%"# 两种基因的后代恢复雄性可 育， 和未转化的正常油菜的花药相比， 花药的发育和开裂正 常无异， 花药的绒毡层发育良好， 能产生大量有功能的花粉 粒。花粉粒的结构、 萌发和受精功能皆正常。这为应用基因 工程手段创造植物不育系相应的恢复系开辟了道路。 由于 -.(’ 启动子在单子叶和双子叶植物中均能正确 表达， 所以 !"#&"$’ + !"$%"# 系统可广泛地应用于农作物的杂 交种子生产中。对于该雄性不育系的保持问题， 则以未转化 的对照正常植株为其保持系， 进行授粉保持。但由于 -.(’/ 当与正常对照植株 !"#&"$’ 转基因植株为显性杂合不育系， 杂交后， 其杂交后代中会出现 012 的可育植株。为了解决这 一问题， 只要将 -.(’/ !"#&"$’ 嵌合基因再和抗除草剂基因
［!(］ 等 在淀粉芽孢杆菌 ,%;-..<5 %( 0.*.-B<# + ;-#)5 的 “ P0- 酶 Q
杂种优势利用的关键环节， 但利用常规的育种方法来选育不 育系存在周期长， 见效慢， 不育基因单一， 对环境因素影响敏 感等问题， 远不能满足生产发展的需要。近年来， 通过基因 工程创造植物雄性不育系及其恢复系已在一些作物上获得 了成功
［3(］ 是其生物合成的关键酶。 !++# 等将 “花药盒序列” RF<）
另外， 0$1 > ! 是水稻花药绒毡层高度特异表达的启动 子， 它仅在水稻花粉发育的花粉母细胞减数分裂至单核花粉 期表达。 -*H96$D" 等将 0$1 > ! 启动子与 23 4 基因相连成融 合基因， 转化烟草和水稻证明 0$1 > ! 启动子与 23 4 基因在
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嵌合基因， 导入矮牵牛， 实现了 !"# 反义 $%& 基因在矮牵 牛花药绒毡层中的表达， 抑制了 !"# 的合成， 阻碍了花粉的 正常发育， 得到了雄性不育的矮牵牛植株。雄性不育作母本 表 与正常的品系杂交可正常结实， 且后代有 ’() 的不育株， 明不育性能稳定遗传。但是究竟怎样培育出恢复系尚待进 一步探讨。目前研究发现， !"# 缺失突变体的花粉能在野生 柱头上部分萌发， 其雄性不育的表型亦可通过添加微摩尔级 的黄酮醇而得到恢复
［(I］ 烟草和水稻花药绒毡层中表达。张晓国 等将 0$1 > ! 启 动子与 !"#&"$’ 和 !"#$%"# 基因连接， 构建了水稻不育系及其
育性恢复的表达载体， 并得到了转基因植株。 除花药绒毡层特异启动子外， J7H 等 &"$’ 基因。 J6"% 等
［31］ ［(’］
以花粉特异启动
子 （ 87@@+% *8+9$K$9 8#7L7,+#， 与 !"#&"$’ 构建了 5<M/ !"#* 5<M） 将 5<M/ !"#&"$’ 基因转入烟草亦获得
作者简介： 王永飞 （!+(" . ） ， 男， 汉族， 山西壶关人， 博士， 副教授， 专业： 植物 遗 传育 种 和分 子 生 物学。电话： &’,’ . $$("(($， TS<;8H： K;45 M I345678U "$, M 47D
3期
王永飞等： 利用基因工程创造植物雄性不育的策略
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不育基因与抗除草剂基因是紧密连锁的， 二者同时存在或同 时消失。由此， 便可以通过施用除草剂有选择地将雄性可育 植株杀除， 将雄性不育株保留下来而得到保持。例如 4+%$*
［(1］ 等 将 -.(’/ !"#&"$’ 嵌合基因再连接上组成型表达的 !"#
基因， 转基因不育系由于基因连锁遗传， 具有对除草剂 55［(&］ （ 567*86$%7#,6#$9$%） 或双丙氨膦的抗性。刘玉乐等 构建了
［!*］ 的影响。 9;B8;48 等 把 ?-"+ 与 ,%&)%5# 基因相连， 得到
， 为作物杂种优势的利用开创了新的前景。
目前利用基因工程创造雄性不育的策略主要是利用花 粉发育的特异启动子与外源基因嵌合， 构建表达载体， 转化 植物来阻断花粉发育的过程从而达到雄性不育的目的。本 文对有关这方面的研究进展综述如下。
［! O ,］ 许多作物的主要育种方法 。作物雄性不育系的选育是
一些在绒毡层中特异表达的启动子例如 ?-!,、 ?-"+、 -,、 -*
［* O !$］ 和 -+ 等 ， 将这些启动子与 ,%&)%5# 基因嵌合， 以破坏
绒毡层的发育来创造雄性不育的方法， 已被认为是利用基因 工程 创 造 雄 性 不 育 的 成 功 典 范。 ,%&)%5# 基 因 是 =;BDH7I
［3&］ 了雄性不育植株。凌定厚等 利用基因枪介导法将 5<M/
!"#&ห้องสมุดไป่ตู้$’ 基因转入水稻也获得了雄性不育植株。 5$6 利用反义 789 技术获得植物雄性不育
（"%,6+# G7S *+TH+%9+） 与 R"! U30< 启动子串连， 使其在花药 中表达， 然后将 RF< 基因的反义 NO. 基因与之串联构建成
要： 本文对利用基因工程创造植物雄性不育系和恢复系的研究进展进行了综述， 并对其在杂种优势利用中的
应用前景进行了展望。 关键词： 基因工程； 雄性不育； 杂种优势 中图分类号： )(*+； ),"! # $ 文献标识码： 文章编号： （"&&!） &"’, . +((" &, . &"($ . &’
［% O (］
防御系统中发现的。此芽孢杆菌能合成 P0- 酶抑制因子” 以保护它不受微生物捕食 一种叫 R;B4;C7 的细胞外 P0- 酶， 者的侵害； 而 R;DCD;B 则是 R;B4;C7 特异的 P0- 酶抑制因子， 被 , ! %( 0.*.-B<# + ;-#)5 用于保护自身不受 R;B4;C7 细胞毒素
12&/",3/： ?@7 AB35B7CC 84 CDEF87C 34 84FEGD834 36 <;H7 CD7B8H8DI ;4F B7CD3B7B H847 84 AH;4D JI 5747 7458477B845 K;C B7L87K7FM ?@7 AB3CA7GDC 34 ;AAH8G;D834 36 D@8C <7D@3F 84 @7D7B83C8C ED8H8N;D834 K7B7 F8CGECC7FM 4%0 5#"6&： <;H7 CD7B8H8DI 84 AH;4D； @7D7B3C8C ED8H8N;D834 5747 7458477B845； 杂种优势是生物界的一种普遍现象。利用杂种优势可 以显著地提高作物产量， 改善作物品质， 因此杂种优势利用 在农业生产中占有重要的地位。近几十年来， 杂种优势在农 业生产上已取得了举世瞩目的成就。杂种优势育种已成为
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利用基因工程创造植物雄性不育的策略
特异表达细胞毒素基因破坏花药绒毡层创造雄性不育 绒毡层是显花植物花粉发育过程中一种独特的分泌细
胞， 其活跃的代谢与花粉的发育有着密切的关系。现已发现
收稿日期： 修回日期； "&&& . &$ . "(； "&&! . &! . &" 基金项目： 烟台师范学院博士科研启动基金资助项目
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