李海閣 劉海英 張方晴 曹叁叁

【摘 ? 要】 穩(wěn)定雄性不育系的建立是雜種優(yōu)勢利用的前提條件，因此闡明小麥雄性不育的形成機(jī)理是實(shí)現(xiàn)雜交小麥高效制種的基礎(chǔ)理論保障。本文從生理生化，分子生物學(xué)兩方面對該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為深入解析小麥雄性不育機(jī)制提供參考資料和研究思路。

【關(guān)鍵詞】 小麥;雄性不育機(jī)理;生理生化;分子生物學(xué)

Research Progress of Male Sterility Mechanism in Wheat

Li Haige ?Liu Haiying ? Zhang Fangqing ?Cao Sansan

（College of Life Science， Henan Normal University ? 453007）

[Abstract] The establishment of stable male sterile lines is the prerequisite for the utilization of heterosis. This paper reviews the research progress in this field from t我aspects： physiology， biochemistry and molecular biology， aiming at providing reference materials and research ideas for in-depth analysis of male sterility mechanism in wheat.

[Keywords] wheat; male sterility mechanism; physiology and biochemistry; molecular biology

小麥作為重要的糧食作物，其雄性不育機(jī)理研究對于促進(jìn)糧食生產(chǎn)和解決人類糧食問題具有重大意義?？蒲腥藛T分別從生理生化、分子生物學(xué)等層面對小麥雄性不育機(jī)理進(jìn)行了探究。上述已有研究雖日益深入，但尚未闡明小麥雄性敗育機(jī)理。因此本文總結(jié)兩方面的研究進(jìn)展，以期為闡明小麥雄性不育機(jī)制提供思路。

1 ? 雄性不育的生理生化研究

1.1 ?活性氧（ROS）與雄性不育

近年來，有報道指出ROS與絨氈層異常降解密切關(guān)聯(lián)進(jìn)而導(dǎo)致小麥雄性敗育。Wang等發(fā)現(xiàn)CHA-SQ-1能夠誘導(dǎo)線粒體功能障礙，細(xì)胞色素氧化酶等蛋白質(zhì)活性下降，導(dǎo)致線粒體電子傳遞鏈被抑制，ROS過量產(chǎn)生和抗氧化酶途徑破壞;ROS過量和MnSOD缺乏導(dǎo)致線粒體膜損傷，ROS被釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，使小孢子遭受嚴(yán)重的氧化應(yīng)激引起絨氈層提前凋亡，導(dǎo)致花粉敗育;提出了線粒體介導(dǎo)小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育的代謝途徑[1]。

Liu等在探究D2型細(xì)胞質(zhì)雄性不育小麥絨氈層延遲程序凋亡與ROS代謝的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)不育系中O2-、MDA含量在單核晚期均比保持系顯著升高，說明過量ROS使得花藥細(xì)胞膜的不飽和脂肪酸降解為MDA，因此其MDA含量明顯高于保持系;認(rèn)為絨氈層延遲的PCD導(dǎo)致ROS的過度積累，過量的ROS打破了抗氧化防御系統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致小麥敗育[2]。同時Liu等發(fā)現(xiàn)U87B1-706A不育系也表現(xiàn)為延遲性絨氈層PCD，在花粉發(fā)育過程中ROS含量超標(biāo)，并通過定量PCR證實(shí)了超氧化物歧化酶等表達(dá)在花粉早期發(fā)育中上調(diào);推斷過量的ROS可能與酶基因表達(dá)水平升高有關(guān)，其打破了抗氧化系統(tǒng)平衡，花粉敗育[3]。

1.2 ?蛋白質(zhì)與雄性不育

Zhang等和Zheng等研究了不育系中的差異豐富蛋白（DAPs），不同生育力小麥中發(fā)生增減的DAPs主要涉及能量代謝、苯丙類生物合成等;與不育系相比，與能量和苯基丙酮代謝等相關(guān)的蛋白在花藥發(fā)育中均升高，認(rèn)為能量和苯基丙氨酸代謝通路可能對雄性不系的生育力起轉(zhuǎn)化作用;發(fā)現(xiàn)泛素蛋白活性與總蛋白含量之間存在降解反饋調(diào)節(jié)，泛素蛋白的缺陷可能破壞了反饋調(diào)節(jié)的平衡，進(jìn)而推測蛋白酶體活性變化和降解反饋回路平衡的改變可逆轉(zhuǎn)雄性不育系的育性[4]。

Geng等提出可能的蛋白質(zhì)決定小麥育性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：“糖酵解代謝相關(guān)酶的下調(diào)導(dǎo)致檸檬酸循環(huán)中丙酮酸含量下降，降低了參與電子傳遞鏈的輔酶FADH2和NADH的數(shù)量，電子直接與氧結(jié)合生成過量的ROS，抗氧化酶等活性被抑制導(dǎo)致ROS無法被迅速消除，因此細(xì)胞承受巨大的氧氣壓力促進(jìn)H2O2的生產(chǎn)和ATP的消耗。此外，ATP合酶的異常表達(dá)影響線粒體能量輸出，導(dǎo)致花藥發(fā)育異?！盵5]。

2 ? 雄性不育的分子生物學(xué)研究

2.1 ?細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)基因

T型細(xì)胞質(zhì)雄性不育較穩(wěn)定，因此被雜交小麥研究者廣泛研究。目前已經(jīng)確定了T型不育系的11個Rf基因：Rf1-Rf11[6]。近年來一些學(xué)者對育性恢復(fù)基因進(jìn)行了精細(xì)定位。Tobias Würschum等在染色體1B上發(fā)現(xiàn)一個主要的修復(fù)位點(diǎn)，認(rèn)為該位點(diǎn)可能與Rf3相對應(yīng)，該位點(diǎn)的鑒定和功能標(biāo)記的開發(fā)將有助于小麥雜交育種[7]。Manuel Geyer等通過QTL分析，顯示Rf1與染色體1BS上的修飾位點(diǎn)，以及6B上的恢復(fù)位點(diǎn)Rf4相互作用，顯著影響Rf1的外顯率和表達(dá)率，表明恢復(fù)基因與修飾基因之間的相互作用在普通小麥的育性恢復(fù)中起關(guān)鍵作用[8]。Almudena Castillo發(fā)現(xiàn)端中心染色體上存在兩個Rf基因：Rf6HchS和Rf1HchS，花粉育性的穩(wěn)定和高效恢復(fù)是這兩個基因相互作用的結(jié)果[9]。

2.2 ?microRNA通路與雄性不育

microRNA對植物生長發(fā)育具有重要的調(diào)控作用。編碼microRNA生物發(fā)生酶的基因功能缺失，如DCL1、HYL1等，可導(dǎo)致發(fā)育缺陷[10，11]。其調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子參與了多種發(fā)育過程，已有報道指出tae-miR159、tae-miR164等與它們的靶點(diǎn)相互作用與雄性不育有關(guān)[12]。

Sun等探討了microRNA在短日照和低溫條件下在調(diào)節(jié)337S雄性不育系中的作用;發(fā)現(xiàn)tae-miR2275-CAF1和tae-miR1127a-SMARCA3L3的“microRNA-靶向蛋白”相互作用可能是調(diào)節(jié)雄性生殖細(xì)胞減數(shù)分裂所必需的;推測CAF1和SMARCA3L3在減數(shù)分裂期間維持染色質(zhì)和基因組完整性[13]，植物可能通過microRNA介導(dǎo)的基因表達(dá)在減數(shù)分裂早期調(diào)控分裂的穩(wěn)定進(jìn)行。Bai等在研究小麥BS366雄性不育系microRNA表達(dá)時，發(fā)現(xiàn)novel-miR-964和novel- miR-2186的表達(dá)與其靶基因呈負(fù)相關(guān)，并可能參與生育轉(zhuǎn)變。由此推測microRNA介導(dǎo)的mRNA沉默可能導(dǎo)致雄性不育[14]。

3 ? 結(jié)語與展望

利用雜種優(yōu)勢有利于大幅度改良作物性狀，前提則是培育出穩(wěn)定優(yōu)良的雄性不育系。近些年來，研究者開始探討不育系中microRNA發(fā)揮的作用，指出microRNA與其靶向物質(zhì)的相互作用是雄性生殖細(xì)胞分裂發(fā)育所必需的。但對于microRNA的相互作用通路研究尚未深入，從microRNA著手展開研究，有望促進(jìn)雄性不育機(jī)理的闡明。

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