雄性不育细胞学观察综述

农学院
本科课程论文
题目：玉米雄性不育的细胞学机理
专业班级：农学1002班
学号： 2010014010220
学生姓名：倪志玲
指导教师：祝丽英
职称：副教授
二O一三年十月二十日
玉米雄性不育的细胞学机理
摘要：随着生产和科研的需求，玉米雄性不育的细胞学机理及其利用已成为国内外众多学者研究的热点。

本文从玉米细胞质雄性不育的分类、败育的细胞学特征、败育机理等方面对近年来国内外关于玉米雄性不育细胞学机制研究的最新进展进行了综述，并探讨了今后该领域的研究前景。

关键词：玉米；雄性不育；败育；小孢子
Cytological Mechanism of Male Ster ility in Maize
Abstracts: With the need of production and research, the study of cytological mechanism of male sterility and its use has become a hot at home and abroad.This article summarized the latest progress on the cellular mechanisms of male sterility in maize from the classification of maize cytoplasmic male sterility, abortion cytologic features, mechanism and other aspects of abortion at home and abroad in recent years. It also recapitulated the development foreground of this research fields.
Key words:Maize; male sterility; abortion; small spores
1.前言
雄性不育是指植物本身不能产生正常可育花粉的一种生物学现象。

雄性不育系是保证杂交种纯度、降低种子生产成本的最佳材料。

雄性不育生产杂交种是作物育种中利用杂种优势的重要途径。

利用雄性不育系生产杂交种不仅节省了人工去雄环节，减轻了劳动强度, 降低了种子生产成本；同时, 由于雄性不育使玉米生长发育节省了大量的养分消耗，雌穗发育得到充足的养分，从而大幅度地提高玉米制种的产量[1]。

玉米是最早应用雄性不育性的作物之一，但大部分玉米不育系并不是全部不育，因此生产的杂交种中会混有大量自交系种子，严重影响种子质量。

随着生产和科研的需求，寻找和创造育性稳定、败育彻底的新材料仍是育种专家们亟待解决的问题之一。

2.雄性不育的分类
雄性不育可由环境因素诱导形成，如高温、干旱、盐碱害、低温冻害等，但是这些不育不能遗传给后代。

可遗传的雄性不育按照遗传特点的不同，分为细胞核雄性不育（genome male sterility,GMS）和胞质雄性不育（cytopiastic male sterility,CMS）。

细胞核雄性不育的育性由核基因决定且其不育特征仅由核基因控制，不受胞质影响，不具有正、反交遗传效应。

根据基因的作用方式又分为显性基因不育和隐性基因不育两种类型。

将核雄性不育纳入到制种程序中是玉米核雄性不育材料利用的最终目的。

细胞质雄性不育是由胞质基因组中控制雄花育性的有关基因发生突变，使雄配子体发育过程中的某一阶段受阻，不能形成有功能的花粉粒所致。

CMS的不育性状主要由线粒体基因控制，可以通过母体遗传给后代。

但 CMS 的遗传机理并不只限于线粒体基因组[2]。

CMS 材料具有遗传多样性。

3.玉米细胞质雄性不育的发现及类型
玉米细胞质雄性不育（cytopiastic male sterility,CMS），最早发现于1930年[3]。

玉米 CMS 材料中的不育胞质与对应的核育性基因有严格的互作关系, 这即是育性恢复专效性[4]。

依据育性恢复专效性原理，即特定胞质不育基因与其相对应的核恢复基因之间发生严格的一一向对的关系，将玉米细胞质雄性不育分为三种类型：T型、C型、S型[5]。

其分类依据：利用一组带不同恢复基因的自交系为父本，与待测不育系杂交，根据后代的育性表现来判断其所属类群。

表1 玉米CMS材料的分类
组群 CMS材料
T型 S(USDA),B,CA,D,E,EK,F,G,H,I,J,K,L,M,ME,ML,PS,R,S,SD,TA,TC,VG,W,唐徐双，徐远小黄，大黄，二咸
C型 C(Charrua),Bb,E,Es,PR,PB
S型 T(Texas),HA,P,Q,RS,SC,IA,7A,17A
1932年苏联在黄硬粒地方品种中发现了C型CMS材料；1937年发现了S型USDA 材料，同时中国也发现了唐徐、双等CMS材料；1944年在美国发现并定名了T型CMS。

玉米雄性不育最早用于生产的是T型不育系，且最早应用于美国。

目前，已发现了100种玉米CMS材料，部分材料所属类别如表1所示。

4.各不育类型的主要不育特征
不同胞质类型的雄花育性分别由特定的基因支配,小孢子败育的特征和的细胞学机理也不尽相同。

4.1 T型
该型雄性不育系的不育性极其稳定，花药完全干瘪不外露，花粉败育较彻底，败育花粉形状多种，以菱形、三角状为多，并呈透明控胞，比正常花粉粒小。

T型不育系属孢子体型雄性不育。

其育性的反应取决于孢子体（母体）的基因型，而
代出现一定比例的与配子体（花粉）的基因型无关。

因此，当不育系与恢复系杂交后，F
2
不育株。

其不育性的恢复受两对基因Rf1和Rf2控制。

Rf1基因位于第3染色体的短臂上，Rf
基因位于第9染色体上。

Rf1与Rf2表现为显性互补效应，不育性的恢复需要同时具有2
Rf
和Rf2这两个显性基因，但这两个基因可以是纯合的，也可以是杂合的。

1
T型不育系最显著的表型特征是对玉米小斑病菌T小种高度专化感染，因此生产上难以应用，仅在高纬度的冷凉地区有少量使用。

T型不育系最显著的表型特征是对玉米小斑病菌T小种高度专化感染，因此生产上难以应用，仅在高纬度的冷凉地区有少量使用。

4.2 C型
该型雄性不育系雄穗生长正常，但花药不开裂，也不外露，花药干瘪，花粉败育，呈透明三角形，属稳定的不育群，对玉米小斑病菌T小种具有较强的抗性。

C型不育系也是孢子体型雄性不育。

其不育性的恢复，由两个恢复基因Rf4、Rf5控制，且Rf4与Rf5表现为基因的重叠作用，其中Rf4基因位于第8染色体的长臂上。

C型不育系的不育性稳定，且抗小斑病。

因此，C型是目前玉米育种与生产上应用的主要类群。

4.3 S型
这种类型的不育系最早来源于美国，又称USDA型。

该型的雄性不育系雄穗上的花药由不露出颖壳到完全露出颖壳，花药大多数不开裂，有少数半裂到全裂。

花粉败育多呈不规则的三角形，花粉败育不彻底，以至于花药裂开时，可能还有少数正常可育的花粉，其数量因遗传背景和环境而有差别。

当环境变化时，S型雄性不育系的育性反应也随之变化。

一般在温暖而干燥的地区，不育性表现稳定，在冷凉湿润或日照较短的地区，不育性表现不稳定。

因此，S型是不育性不太稳定的类群，生产上应用时应持慎重态度。

S型不育系对玉米小斑病菌T小种不专化感染。

这种类群的不育系最早来源于美国，又称USDA型。

S型不育系的不育性的恢复受显性基因Rf3控制，该基因位于第2染色体的长臂上。

该群不育系属配子体型雄性不育，它们的育性反应由花粉（配子体）的基因型决定。

不育系与恢复系杂交，其F
1雄花育性被恢复，但 F
1
植株上的花粉发生分离，其中50%
花粉可育（带有Rf3基因），另50%花粉败育（带有rf3基因），由于含有rf3基因的花粉
是败育的，不能参与授粉受精，只有含有Rf
3基因的花粉能参与受精。

因此，F
1
自交产生
的F
2
不会出现不育株。

5. 各不育类型败育的细胞学特征
5.1 T型不育系败育的细胞学特征
T型不育系属孢子体不育,小孢子败育时期较早。

败育始发生于四分体期,始见于绒毡层线粒体异常；单核小孢子中期,绒毡层提前解体;单核晚期,小孢子不能形成中央大液泡,此时药壁收缩,挤压小孢子,形成无花粉型的花药,败育较彻底[4]。

夏涛[6]对T 型不育系的小孢子败育进行细胞学观察，其研究结果表明，在小孢子发育的第一次减数分裂中期和稍后，中层细胞发生异常解体。

此后，不育系小孢子母细胞可以正常形成二分体和四分体但部分四分体因肼胝质壁不能裂解，而粘连在一起，由共同的细胞壁包裹成团块状生长，游离的单核小孢子则出现各种形式的异常。

单核早期，小孢子内充满着许多小液泡，绒毡层仍以完整的细胞状存在，有较致密的细胞质，表现出推迟解体，稍后则完全败育至花期，完全败育的花药颜色为白色或褐色。

5.2 C型不育系败育的细胞学特征
C型小孢子败育也属孢子体不育。

小孢子败育始于四分体,有两种败育过程。

一种小孢子在单核期败育,绒毡层提前退化,形成无花粉粒的干瘪花药；另一种败育发生在四分体期,异常绒毡层一直保留到开花期才解体,绒毡层异常伸长占满药室,挤压小孢子,使小孢子不能正常分裂而败育[4]。

陈伟程[7]通过利用光学和电子显微镜对玉米C型胞质雄性不育系和保持系的花药与小孢子发育过程进行对比观察.结果表明,不育系小孢子初始败育发生在幼龄小孢子时期,单核中期基本上完全败育,绒毡层到开花前崩溃。

在小孢子初始发育时期,不育系绒毡层细胞的质体呈“杯状”变态，导致雄性不育主要的细胞学原因是绒毡层细胞结构、功能的失常.
刘大文等[8]通过对C型不育系花粉进行细胞学观察，得出结果：C型不育系花粉败育发生于四分体离散后的单核初期；花药壁的绒毡层细胞液泡化、膨大,中层随花药发育而增大。

罗红兵等[9]通过对新育成的玉米GDS细胞质雄性不育系及其同型保持系BG的小孢子发育进行了细胞学观察。

结果表明：GDS不育系小孢子败育发生时间较早，在小孢子母细胞减数分裂前期就表现出败育的特征，不能通过减数分裂。

败育成2种形式：1）绒毡层异常膨大，小孢子母细胞浓缩解体；2）绒毡层液泡化程度低，小孢子母细胞早起开始浓缩解体。

5.3 S型不育系败育的细胞学特征
研究表明,S型小孢子败育属配子体不育,败育发生较晚。

败育发生在二核花粉期,生殖核先败育,然后营养核败育,花粉粒突然解体,形成空泡状的花粉壁,为花粉败育型[4]。

夏涛等[7]对S型胞质材料 Mol7cms-唐徐、Mol7cms-双、 77cms-唐徐等材料做了研究，结果表明，在单核期以前各个材料花粉发育正常。

在单核早期，四分体解体，能释放出正常的小孢子，但也发现77cms-M中有部分小孢子开始败育；单核中期，小孢子形成内、外两层细胞壁，除Mol7cms-唐徐外，其他几种材料小孢子细胞质内均不能形成大液泡；单核晚期，细胞核移至细胞边缘，形成较大的液泡；双核期，Mol7cms-唐徐、Mol7cms-双小孢子内容物逐渐积累，体积增加，但花粉粒在成熟之前突然崩解，剩下完好的控泡状结构。

而77cms-唐徐、77cms-M则不能进行内容物的积累，形成充满充满大液泡的空腔。

张增川等[10]研究发现，花药绒毡层在二分体时期发生异常，小孢子在单核前期开始败育，至单核后期完全解体，花药发育后期不育系药腔中只观察到少量的小孢子残体，花药壁的4层细胞依然存在，绒毡层细胞已经彻底液泡化, 占据了药腔的整个空间，花粉成熟期不育系花药维管束消失。

泰玉 D2 不育系花药绒粘层在二分体时期成辐射状膨大，小孢子在单核期败育，花粉败育完全，属无花粉类型。

李小琴等[4]观察到 Mo17cms-WBMs 的小孢子在单核花粉中期以前发育正常，部分小孢子从单核花粉晚期质核出现异常，多数小孢子可正常发育到二核花粉期，随后开始崩溃，形成空瘪皱缩的花粉粒。

雄性不育材料 WBMs 胞质的小孢子败育过程与S型唐徐胞质不育材料类似，败育发生晚，绒毡层等体细胞活动正常，属典型的配子体不育类型。

孙庆泉[3]等通过试验得出结论：S型败育发生在二核花粉期，T 型败育发生在小孢子单核中期至晚期，C 型败育发生在四分体时期至小孢子单核中期。

S型败育与线粒体异常有关，T 型和 C型败育与绒毡层异常有关。

前人试验表明，C 型、T 型和 S 型的玉米 CMS材料的小孢子败育过程不同。

C型和 T 型不育系的小孢子败育早、彻底，是无花粉型孢子体不育类型，都表现为在特定的阶段内
绒毡层发育不正常，导致花粉败育。

S 型不育系的小孢子败育时期晚，几乎所有的小孢子都能正常发育到二核花粉期，能正常分裂出营养核与生殖核，花粉内壁形成，在中央大液泡消失之前，二核花粉粒突然崩溃，药室中仅残留紊乱的细胞质团块和败育的花粉粒，属有花粉型配子体不育类型，在小孢子败育过程中绒毡层活动正常[11]。

6. 今后的研究方向
根据以上描述，我们可以区分三种不同类型的细胞质雄性不育系，通过光学和电子显微镜可观察其败育特征。

三种不育系败育机制不同，在育种方面的应用也不同。

可根据具体需求，确定所需不育系进行育种。

在农业生产上利用雄性不育生产大量杂交种子是行之有效的方法,在许多作物上都已广泛应用,如玉米、高粱、蚕豆、甜菜等[15]。

将基因雄性不育纳入到制种程序中是玉米基因雄性不育材料利用的最终目的。

因此今后必定向着基因雄性不育方向发展。

基因雄性不育利用的难点是不育性的保持问题，为了能够在核不育后代中早期诊断育性，人们要进行多种标记性状的研究[3]。

早期鉴别不育性的标记性状的转入会随转基因技术的迅猛发展而成为可能。

随着生物技术的迅速发展，利用基因工程手段来构建工程不育系首先在烟草和油菜上获得成功，其后在莴苣、棉花、水稻等植物上都有构建成功的报道，这就预示着该方法可能也可以应用于包括玉米中，工程不育系杂交制种将会有更为广阔的应用前景。

参考文献：
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