張懷勝，張曉祥，王平喜，進(jìn)茜寧，吳向遠(yuǎn)

（河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

玉米（Zea maysL.）為禾本科（Gramineae）玉蜀黍?qū)? 年生草本植物，有玉蜀黍、苞谷、棒子等俗名。玉米起源于南美洲墨西哥地區(qū)，從北緯58°的加拿大到南緯40°的阿根廷都有種植，相比水稻和小麥而言，玉米已成為全世界范圍種植最廣的農(nóng)作物，為全球糧食安全提供了重要保障［1-3］。

雄性不育是高等植物中普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，指植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中由于受到環(huán)境條件和自身遺傳基因的影響所導(dǎo)致的雄花不能產(chǎn)生裂開(kāi)的花藥、有功能的花粉但植株的雌性生殖系統(tǒng)發(fā)育正常，可以接受外來(lái)的花粉而受精的一種生物學(xué)現(xiàn)象［4-6］。雄性不育普遍存在于開(kāi)花植物中，1763 年德國(guó)植物學(xué)家Joseph Gottlieb K?lreuter 首先發(fā)現(xiàn)雄性不育現(xiàn)象以來(lái)，已經(jīng)在主要農(nóng)作物如玉米、水稻、小麥、棉花、高梁、油菜及其他作物如甜菜、向日葵、洋蔥、辣椒、菜豆、蘿卜等在內(nèi)的43 科162 屬617 個(gè)種或種間雜種中發(fā)現(xiàn)了雄性不育現(xiàn)象［7-8］。植物雄性不育根據(jù)其表型主要有5 種類(lèi)型：（1）雄花退化或畸形導(dǎo)致產(chǎn)生花粉的功能喪失；（2）花藥里的孢子囊退化導(dǎo)致敗育的花藥雖然與正?；ㄋ幫庑蜗嗨频荒墚a(chǎn)生有功能的花粉；（3）花藥內(nèi)部小孢子退化，引起產(chǎn)生畸形花粉與敗育花粉；（4）花藥中的花粉存在功能缺陷，授粉后不能正常萌發(fā)；（5）花藥中的花粉雖然有活力但花藥不開(kāi)裂［9-10］。

玉米為異花授粉作物，雌花和雄花分開(kāi)的特征使其成為最早利用雜種優(yōu)勢(shì)的作物并取得了巨大成功，雜種優(yōu)勢(shì)的利用使雜交種的產(chǎn)量比自交系提高15%～50%［11］。在玉米雜交種子生產(chǎn)過(guò)程中，利用雄性不育制種不但可以省去大量勞動(dòng)力，節(jié)約制種成本，而且可以避免母本去雄不徹底帶來(lái)種子純度下降而導(dǎo)致的產(chǎn)量降低［12］。此外，質(zhì)-核互作雄性不育的不育機(jī)理與恢復(fù)機(jī)理涉及到線粒體基因和細(xì)胞核基因，使其成為研究核-質(zhì)互作的理想模型［13-14］。因此，對(duì)玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育進(jìn)行研究，不但在生產(chǎn)上可以促進(jìn)雜種優(yōu)勢(shì)利用，而且對(duì)解析質(zhì)-核互作分子機(jī)制具有重要參考價(jià)值［15-17］。本文闡述了玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的特征、分類(lèi)和恢復(fù)基因與不育基因的研究進(jìn)展，以及玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育利用過(guò)程中的問(wèn)題與展望，以期為玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育在生產(chǎn)上應(yīng)用提供理論參考。

1 雄性不育的分類(lèi)

雄性不育現(xiàn)象的發(fā)生是內(nèi)部基因與外部環(huán)境條件綜合影響的結(jié)果。早在1947 年Sears 把自然界中發(fā)現(xiàn)的雄性不育現(xiàn)象劃分為3 種類(lèi)型：一是細(xì)胞核雄性不育（genic male sterility，GMS），其不育性狀受植株的細(xì)胞核基因控制且表現(xiàn)出典型的孟德?tīng)栠z傳；二是細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS），其不育性狀受細(xì)胞質(zhì)（線粒體）基因控制遺傳方式為非孟德?tīng)栠z傳，屬母系遺傳；三是細(xì)胞核-細(xì)胞質(zhì)互作不育（geniccytoplasmic male sterility），其不育性狀由細(xì)胞核基因和細(xì)胞質(zhì)基因兩者共同來(lái)決定［18］。后來(lái)對(duì)植物雄性不育的深入研究，發(fā)現(xiàn)單一的細(xì)胞質(zhì)雄性不育是不存在的，1956 年Edwardson 將雄性不育重新劃分為兩種類(lèi)型：細(xì)胞核不育類(lèi)型和細(xì)胞質(zhì)-核互作不育類(lèi)型即現(xiàn)在所講的細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS）［19］。

玉米是利用其進(jìn)行雜交制種最早的作物之一。1933 年首次在秘魯玉米群體中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料，1950 年細(xì)胞質(zhì)雄性不育開(kāi)始應(yīng)用于玉米雜交種生產(chǎn)［20］。Beckett 依據(jù)育性恢復(fù)專(zhuān)效性原理，首次把28 個(gè)不同來(lái)源的玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料劃分為S 型、C 型和T 型3 種細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型［21］。1982 年鄭用璉通過(guò)不育系與恢復(fù)系測(cè)交篩選出一套測(cè)驗(yàn)方法進(jìn)行玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料的胞質(zhì)分類(lèi)：用待測(cè)不育材料作母本與恢313 進(jìn)行雜交觀察后代的育性表現(xiàn)，育性恢復(fù)的材料劃分為S 型；被保持的材料做母本再與自鳳1 雜交，被恢復(fù)的材料劃分為C 型；被保持的劃分為T(mén) 型［22］。T 型和C 型均屬于孢子體不育類(lèi)型，育性受孢子體（植株）基因型決定，與花粉自身基因型無(wú)關(guān)，敗育發(fā)生在減數(shù)分裂期，敗育徹底且育性較為穩(wěn)定。S 型屬于配子體不育類(lèi)型，育性受花粉自身基因決定；敗育發(fā)生在減數(shù)分裂后的單核期與二核期，多數(shù)不育材料出現(xiàn)育性不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育與雜種優(yōu)勢(shì)的利用

雜種優(yōu)勢(shì)（Hybrid vigor/Heterosis）指兩個(gè)遺傳組成存在差異的親本雜交后代，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)（生活力、生長(zhǎng)勢(shì)等）、生殖生長(zhǎng)（產(chǎn)量、品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)等）、抗脅迫（生物脅迫、非生物脅迫）能力方面，均明顯高于親本的生物學(xué)現(xiàn)象。雜種優(yōu)勢(shì)的利用是人類(lèi)利用遺傳規(guī)律提高產(chǎn)量最成功的技術(shù)手段，早在19 世紀(jì) 60 年代，查爾斯達(dá)爾文就描述了玉米中的雜種優(yōu)勢(shì)，但直到20 世紀(jì)20 年代，玉米的雜種優(yōu)勢(shì)才開(kāi)始被利用，并成為了第一個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的雜交作物［23］。近年來(lái)隨著科研工作者的不斷探索與努力，目前已經(jīng)在除了玉米以外的水稻、小麥、油菜等作物上實(shí)現(xiàn)了雜種優(yōu)勢(shì)利用［9,24-25］。在玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物的雜交制種過(guò)程中，需要進(jìn)行人工去雄阻止自身花粉的自交結(jié)實(shí)導(dǎo)致制種的純度下降。去雄過(guò)程中消耗大量的人力、物力與財(cái)力，而利用“三系”配套制種技術(shù)可以很好解決上述問(wèn)題。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中雄性不育材料的發(fā)掘與利用是作物利用雜種優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)，生產(chǎn)上雄性不育材料只有在細(xì)胞核基因組攜帶的恢復(fù)基因?yàn)殡[性時(shí)才表現(xiàn)出雄性不育現(xiàn)象，如果細(xì)胞核所包含的恢復(fù)基因?yàn)轱@性時(shí)，細(xì)胞質(zhì)雖然含有不育基因但仍然表現(xiàn)可育［26-27］。玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育系在“三系”雜交制種中的應(yīng)用如圖1 所示，包括1 個(gè)細(xì)胞質(zhì)雄性不育系（細(xì)胞核基因?yàn)殡[性不含恢復(fù)基因與胞質(zhì)基因?yàn)椴挥? 個(gè)保持系（細(xì)胞核基因不育而細(xì)胞質(zhì)基因正常）用來(lái)保持不育系的繁育，1 個(gè)恢復(fù)系（細(xì)胞核基因?yàn)轱@性含有恢復(fù)基因）。由于不育系不能產(chǎn)生正常的花粉，在制種過(guò)程中用來(lái)做母本通過(guò)與保持系雜交繁殖不育系。細(xì)胞質(zhì)雄性不育保持系與恢復(fù)系均可以產(chǎn)生有生殖功能的花粉，兩者均通過(guò)自交獲得后代。由于恢復(fù)系可以恢復(fù)不育系的育性，不育系與恢復(fù)系雜交產(chǎn)生的F1代種子可育即生產(chǎn)上利用的雜交種。

圖1 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育在“三系”雜交制種中的應(yīng)用模式Fig.1 Application model of cytoplasmic male sterility in three-line hybrid seed production of maize

關(guān)于玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的研究，前期的工作主要是對(duì)S 型和T 型不育材料開(kāi)展。20 世紀(jì)50 年代，T 型不育材料開(kāi)始應(yīng)用于玉米雜交種的生產(chǎn)，種植面積曾經(jīng)達(dá)到美國(guó)玉米種植面積的80%，由于T 型材料高感玉米小斑病，這也引發(fā)了玉米小斑病在美國(guó)的暴發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失［28］。S 型不育性不穩(wěn)定，容易受到環(huán)境因素影響導(dǎo)致敗育不徹底，生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中存在較大風(fēng)險(xiǎn)。C 型不育系來(lái)源于巴西玉米品種Churny，不育性穩(wěn)定，敗育徹底，生產(chǎn)上有較大的應(yīng)用價(jià)值。然而魏建昆研究發(fā)現(xiàn)存在對(duì)C 型不育材料專(zhuān)化侵染的小斑病生理小種，使C 型不育系在生產(chǎn)上得利用蒙上了陰影；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)小斑病C 小種只對(duì)C Ⅰ亞組不育胞質(zhì)專(zhuān)化侵染，不侵染C Ⅱ和C Ⅲ亞組的不育胞質(zhì)，這就為利用C Ⅱ與C Ⅲ亞組不育材料提供了依據(jù)［29］。然而在C 型不育化制種利用過(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題是缺少?gòu)?qiáng)有力的恢復(fù)系材料，這一問(wèn)題一直是限制C型材料應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。因此發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造新的細(xì)胞質(zhì)不育類(lèi)型與具有強(qiáng)恢復(fù)能力的恢復(fù)系材料，并對(duì)其進(jìn)行詳盡的分類(lèi)是解決玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育應(yīng)用問(wèn)題的有效途徑［29-31］。

3 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因及其不育機(jī)理研究

3.1 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的發(fā)現(xiàn)

1986 年Dewey 利用不育系和可育系的線粒體RNA，分別同不育系線粒體DNA 文庫(kù)進(jìn)行差減雜交，鑒定到1 個(gè)T 型不育系特有的基因片段，該片段包含2 個(gè)開(kāi)放閱讀框（ORF）T-urf13和orf25。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)orf25為普通的線粒體基因，而T-urf13編碼一個(gè)大小為13 ku 多肽為T(mén) 型不育系特有。該基因是玉米中最先發(fā)現(xiàn)的不育基因，進(jìn)一步證明URF13 是一個(gè)線粒體內(nèi)膜蛋白，URF13 通過(guò)影響線粒體內(nèi)層膜通透性造成電子傳遞過(guò)程受損能量代謝異常，最終引起花粉敗育［32-33］。Yang等報(bào)道了CMS-C 的不育基因是線粒體基因atp6c（表1）［34］。ATP 合成酶又稱(chēng)F1F0-ATP 合成酶，在線粒體內(nèi)催化能量物質(zhì)ATP 的合成，由催化親水性的F1組分和質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)的F0組分組成。在呼吸作用過(guò)程中，電子傳遞鏈釋放的能量首先轉(zhuǎn)變?yōu)榭缒べ|(zhì)子(H+)梯差，最后質(zhì)子流順質(zhì)子梯差利用ATP 合酶使ADP+Pi 合成ATP，滿足植物體生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)能量的需求。線粒體基因atp6和atpβ分別編碼F0和F1組分的亞基，在87-1 不育系中F1F0-ATP 合成酶復(fù)合物積累減少，但F1′組件數(shù)量和活性均有增加，造成此現(xiàn)象的原因是不育系線粒體中ATP6C 蛋白與ATP8 蛋白和ATP9 蛋白的相互作用能力強(qiáng)于ATP6 與ATP8 蛋白和ATP9蛋白的相互作用，ATP6C 與ATP6 的競(jìng)爭(zhēng)使得具有功能活性F1F0-ATP 合成酶的組裝數(shù)量的大量減少［34］。同時(shí)由于ATP 合成酶為線粒體電子傳遞鏈得最后一個(gè)復(fù)合物，F(xiàn)1F0-ATP 合成酶組裝減少時(shí)，將會(huì)引起線粒體內(nèi)膜空間中超氧陰離子和過(guò)氧化氫大量得積累，從而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）暴發(fā)，造成了玉米花藥絨氈層細(xì)胞程序性死亡（PCD）的發(fā)生時(shí)間改變，PCD 的提前發(fā)生引起花粉敗育，這一結(jié)果與水稻野敗型不育基因WA352類(lèi)似［34-36］。

表1 已報(bào)道玉米CMS 相關(guān)不育基因與恢復(fù)基因Table 1 CMS related sterility genes and restorer genes in maize reported

在S 型不育系小孢子發(fā)育過(guò)程中，花粉敗育與嵌合基因orf355-orf77表達(dá)密切相關(guān)，orf355-orf77為組織特異性表達(dá)基因，在花粉表達(dá)量高而在其他組織中表達(dá)量極低。此外，玉米S 型線粒體基因組以線性形式存在，而orf355恰好位于線性化線粒體基因組的端部，進(jìn)而轉(zhuǎn)錄出導(dǎo)致不育的1.6 kb 轉(zhuǎn)錄本［37］。Xiao 等證明了orf355是S型的不育基因，作者通過(guò)酵母篩庫(kù)鑒定到了一個(gè)基因ZmDREB1.7（為轉(zhuǎn)錄因子），該基因在花藥中特異表達(dá)，基因的亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示其定位于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體，通過(guò)EMSA 與酵母單雜交實(shí)驗(yàn)證明ZmDREB1.7能夠結(jié)合到orf355基因的啟動(dòng)子區(qū)域并促進(jìn)orf355的轉(zhuǎn)錄［38］。

研究發(fā)現(xiàn)不育基因Orf355誘導(dǎo)表達(dá)后能夠顯著增強(qiáng)線粒體逆向信號(hào)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其為一個(gè)細(xì)胞毒性蛋白，ZmDREB1.7能快速響應(yīng)Orf355表達(dá)后的線粒體逆向信號(hào)［38］。對(duì)ZmDREB1.7進(jìn)行序列分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZmDREB1.7啟動(dòng)子區(qū)域含有一定數(shù)量的未折疊蛋白響應(yīng)基序，該基序的存在對(duì)ZmDREB1.7響應(yīng)線粒體逆向信號(hào)非常重要［38］。在主效恢復(fù)基因Rf3不存在的情況下，作者鑒定出一個(gè)缺失未折疊蛋白響應(yīng)基序的單倍型，該單倍型能夠部分恢復(fù)S 組玉米的育性，表明其是S 型不育系的弱恢復(fù)基因［38］。對(duì)于所有細(xì)胞質(zhì)雄性不育而言，一直不清楚的問(wèn)題是：不育基因?yàn)槭裁磧H僅影響花藥或花粉的發(fā)育，而對(duì)其他組織的生長(zhǎng)發(fā)育沒(méi)有影響？在S 型中推測(cè)與花藥特異表達(dá)的ZmDREB1.7有關(guān)，在花藥中，ZmDREB1.7促進(jìn)orf355表達(dá)，而orf355表達(dá)后積累增強(qiáng)線粒體反向信號(hào)，反過(guò)來(lái)促進(jìn)ZmDREB1.7表達(dá)；因此ZmDREB1.7與orf355在S型玉米的小孢子中形成了一個(gè)正反饋調(diào)控機(jī)制，最終導(dǎo)致orf355蛋白的積累和花粉敗育［38］。

3.2 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因來(lái)源

細(xì)胞質(zhì)雄性不育在植物界的出現(xiàn)是植物自然選擇增加進(jìn)化的一種結(jié)果，植物之所以選擇殺死雄配子保留雌配子功能的原因是因?yàn)橹参锏拇婆渥硬荒茈S意移動(dòng)，促進(jìn)進(jìn)化最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法是殺死其雄配子以增加雌花吸收外來(lái)花粉的可能性，擴(kuò)大自身基因的廣泛傳播并產(chǎn)生不同的后代，以利于植物自身的進(jìn)化與選擇，來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化［12］。細(xì)胞質(zhì)雄性不育屬于母體遺傳，線粒體基因重排的形成的新的ORF 是引起花粉敗育的直接原因，也是目前已發(fā)現(xiàn)大多不育基因的來(lái)源［12］。植物線粒體蛋白是由線粒體以及核基因共同編碼，大約有10%的核基因靶向線粒體，線粒體通過(guò)向細(xì)胞核發(fā)送信號(hào)以從核基因組產(chǎn)生各種蛋白，滿足生命活動(dòng)的需要［39］。在進(jìn)化過(guò)程中，線粒體基因與細(xì)胞核基因如果不協(xié)調(diào)，就會(huì)引起線粒體基因發(fā)生非同源重組形成許多新的ORF，這些新的ORF 常常參與到RNA 編輯、能量缺失、細(xì)胞毒性、活性氧等方面最終會(huì)導(dǎo)致雄性不育現(xiàn)象的發(fā)生［12］。

4 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性恢復(fù)基因及其恢復(fù)機(jī)理研究

4.1 玉米CMS-T 恢復(fù)基因的發(fā)現(xiàn)

玉米T 型胞質(zhì)雄性不育屬于孢子體不育，其育性恢復(fù)需要2 個(gè)互補(bǔ)的顯性核基因Rf1和Rf2［40-41］。Rf1的恢復(fù)機(jī)制是促進(jìn)T-urf13轉(zhuǎn)錄本的加工，產(chǎn)生兩個(gè)大小分別為1.6 kb 和0.6 kb 的轉(zhuǎn)錄本抑制了Turf13表達(dá)，使T-urf13編碼的蛋白質(zhì)URF13 豐度降低80%，Rf1突變?yōu)閞f1，T-urf13不能產(chǎn)生兩個(gè)大小1.6 kb 和0.6 kb 的轉(zhuǎn)錄本［42］。另外2 個(gè)T 型的恢復(fù)基因Rf8和Rf*與Rf1的功能相同，但會(huì)產(chǎn)生更小的T-urf13轉(zhuǎn)錄本［42］。恢復(fù)基因Rf1并未成功克隆，在所有報(bào)道的恢復(fù)基因中第1個(gè)成功克隆的育性恢復(fù)基因是T 型的恢復(fù)基因Rf2，其基因序列和哺乳動(dòng)物乙醛脫氫酶基因同源；Cui 等采用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法克隆了Rf2，它能部分抑制不育基因T-urf3導(dǎo)致的不育表型，但Rf2對(duì)不育基因T-urf13轉(zhuǎn)錄本加工和翻譯后蛋白的豐度不產(chǎn)生影響［40］。推測(cè)恢復(fù)基因Rf2通過(guò)改變線粒體內(nèi)的代謝水平，來(lái)消除毒性蛋白URF13 對(duì)線粒體功能產(chǎn)生的損害。進(jìn)一步研究結(jié)果表明：恢復(fù)基因Rf2只能部分減輕T 型胞質(zhì)中URF13 毒蛋白引起的傷害，并未全部使小孢子的育性得到恢復(fù)，因此嚴(yán)格意義上來(lái)講Rf2并非真正的育性恢復(fù)基因［31,43］。

4.2 玉米CMS-S 恢復(fù)基因的發(fā)現(xiàn)

玉米S 型主要恢復(fù)基因?yàn)镽f3，編碼基因?yàn)镻PR 蛋白，是一類(lèi)含有三角狀五肽重復(fù)結(jié)構(gòu)的編碼蛋白。研究表明恢復(fù)基因Rf3具有靶向線粒體的信號(hào)肽能夠進(jìn)入線粒體。Rf3與線粒體基因orf77結(jié)合后抑制orf77基因的功能，通過(guò)未知的機(jī)制加快不育基因orf355的降解，從而使S 型的不育表型得到恢復(fù)［44］。此外，同屬于S 型的恢復(fù)基因Rf9，作用是減少線粒體基因orf355-orf77亞基因組的數(shù)量來(lái)恢復(fù)育性，但Rf9由于同時(shí)受核背景和環(huán)境溫度的影響，與恢復(fù)基因Rf3相比，育性恢復(fù)效果較差［45］。

4.3 玉米CMS-C 恢復(fù)基因的發(fā)現(xiàn)

在C 型不育系中目前已發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)恢復(fù)基因，分別位于8 號(hào)和5 號(hào)染色體上的Rf4和Rf5，Rf4為顯性恢復(fù)基因可以恢復(fù)目前發(fā)現(xiàn)的所有的C 型不育材料，而Rf5僅能恢復(fù)Rf-I基因缺失的C 型不育材料；且兩個(gè)基因存在加性效應(yīng)，Rf-I基因作為育性抑制基因能抑制Rf5的育性恢復(fù)功能［46-48］。Jennifer 等報(bào)道了CMS-C 主要恢復(fù)基因Rf4是一個(gè)bHLH 類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄因子，通過(guò)CRISPR/cas9 編輯后的遺傳轉(zhuǎn)化證明了Rf4表型，但并未對(duì)其功能進(jìn)行解析［49］。至今關(guān)于C 型恢復(fù)基因Rf4與不育基因atp6c的作用機(jī)理仍不清楚［49-50］。

4.4 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)基因的來(lái)源

自然界進(jìn)化過(guò)程中隨著不育基因的出現(xiàn)，從進(jìn)化角度來(lái)講必然要有恢復(fù)基因的存在恢復(fù)不育的表型，這樣才能產(chǎn)生有活性的花粉進(jìn)行后代繁衍。恢復(fù)基因的功能解析對(duì)于CMS 的分子機(jī)制研究至關(guān)重要，有關(guān)玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)基因除了T 型恢復(fù)基因Rf2與S 型恢復(fù)基因Rf3被克隆之外，關(guān)于恢復(fù)基因的報(bào)道還很少。關(guān)于其它作物研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)恢復(fù)基因編碼PPR 蛋白并靶向線粒體發(fā)揮而作用，其恢復(fù)過(guò)程均涉及到了細(xì)胞核基因與線粒體基因的互作，而恢復(fù)作用則發(fā)生在基因水平、轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平、代謝水平等不同方面［12］。雖然目前對(duì)玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的分子機(jī)理的解析還不夠深入，恢復(fù)基因與不育基因的互作相對(duì)復(fù)雜，如C 型不育基因atp6c為線粒體基因，已經(jīng)克隆并進(jìn)行了功能研究，C 型恢復(fù)基因Rf4是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子是細(xì)胞核基因，細(xì)胞核基因Rf4是怎樣進(jìn)入線粒體與atp6c發(fā)生作用，目前仍未被解析。

5 玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育利用存在問(wèn)題與展望

我國(guó)科研工作者利用雄性不育這一特性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的雜交育種和雜種優(yōu)勢(shì)利用［51-52］。1976 年全國(guó)開(kāi)始在推廣“三系”雜交稻以來(lái)，雜交水稻的種植面積快速達(dá)到了全國(guó)水稻栽培面積的50%，產(chǎn)量增加20%～30%，創(chuàng)造了世界糧食增產(chǎn)的偉大壯舉，使我國(guó)的水稻育種一直處在世界領(lǐng)先水平［53］。玉米作為我國(guó)重要的糧飼作物，同樣是雜種優(yōu)勢(shì)利用最成功的作物之一，采用細(xì)胞質(zhì)雄性不育進(jìn)行玉米雜交種生產(chǎn)不僅可以節(jié)約制種成本，而且可以提高種子純度與產(chǎn)量。但目前利用玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)進(jìn)行制種并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，總結(jié)起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

（1）玉米品種選育與制種過(guò)程中因其異花授粉的屬性，使兩親本之間的雜交相對(duì)于小麥、水稻等自花授粉作物而言非常容易。由于這一特征，使得玉米容易利用具有優(yōu)良性狀的自交系進(jìn)行雜交育種，獲得的雜交種性狀整齊、抗性更強(qiáng)及穩(wěn)定性更好。因此基本不采用不育系/恢復(fù)系進(jìn)行制種。

（2）遺傳背景單一的農(nóng)作物在生產(chǎn)上大面積推廣，使得其對(duì)生物或非生物脅迫的抵抗能力下降，存在作物大面積感病、受災(zāi)減產(chǎn)甚至絕收的風(fēng)險(xiǎn)［8,54］。單一化大面積推廣細(xì)胞質(zhì)雄性不育胞質(zhì)雜交種，具有潛在的遺傳脆弱性且存在病菌生理小種專(zhuān)化侵染的風(fēng)險(xiǎn)。例如美國(guó)在20 世紀(jì)50年代玉米生產(chǎn)上開(kāi)始推廣T型不育胞質(zhì)雜交種，給玉米生產(chǎn)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但玉米T 型的不育基因T-urf13，同時(shí)也是造成玉米對(duì)葉斑病原菌敏感的關(guān)鍵基因，因此T 型胞質(zhì)雜交種的大面積推廣利用，直接導(dǎo)致了玉米小斑病T 小種在美國(guó)暴發(fā)流行，使美國(guó)玉米生產(chǎn)遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，最終T 型不育胞質(zhì)雜交種退出生產(chǎn)。

（3）玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)機(jī)理尚未得到全面解析且不育胞質(zhì)的強(qiáng)恢復(fù)基因資源缺乏，應(yīng)用過(guò)程中親本導(dǎo)入恢復(fù)基因的方法周期長(zhǎng)、繁瑣復(fù)雜。目前對(duì)于玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育系相關(guān)分子基礎(chǔ)研究已有很大突破，如CMS-S 的不育與恢復(fù)機(jī)制已經(jīng)基本解釋清楚，但是由于S 型不育屬于配子體不育，容易受到環(huán)境條件的影響，在利用過(guò)程中存在較大風(fēng)險(xiǎn)。CMS-C 的不育機(jī)制已經(jīng)解釋清楚，但恢復(fù)基因的研究相對(duì)滯后，其內(nèi)在的分子機(jī)理仍不清楚。與此同時(shí)，穩(wěn)定不育材料與含有強(qiáng)恢復(fù)基因材料的發(fā)現(xiàn)與獲得同樣是限制其利用的重要方面［55］。

2019 年以來(lái)，由于受到新冠疫情與國(guó)際貿(mào)易環(huán)境的影響且由于氣候條件的變化，玉米生產(chǎn)環(huán)境也在不斷惡化，極端氣候頻繁出現(xiàn)，病蟲(chóng)害頻發(fā)，只有進(jìn)一步提高玉米單位面積的產(chǎn)量，選育豐產(chǎn)性、抗逆性廣的優(yōu)良品種，減少玉米生產(chǎn)成本，才能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們對(duì)玉米消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)的需求。根據(jù)國(guó)家“十四五”時(shí)期規(guī)劃綱要，要深化農(nóng)業(yè)供給結(jié)構(gòu)性改革，優(yōu)化農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)布局的指導(dǎo)方針。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力人數(shù)減少，而玉米制種屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，不育化制種技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是解決這一問(wèn)題的一個(gè)重要技術(shù)手段，不但可以保證玉米雜交種子的純度與質(zhì)量，進(jìn)一步提高單位面積的單產(chǎn)，而且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，釋放制種過(guò)程中消耗的大量勞動(dòng)力，減少勞動(dòng)成本的投入。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)了分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新技術(shù)不斷應(yīng)用到植物基因工程和分子育種過(guò)程種。相信高新育種技術(shù)會(huì)很好地解決玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育應(yīng)用中的問(wèn)題，玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育的應(yīng)用會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。