您的位置:首页 > PPT课件 > 医疗疾病课件PPT > 雄性不育基因ppt

雄性不育基因ppt下载

素材编号:
330569
素材软件:
PowerPoint
素材格式:
.ppt
素材上传:
陈玉娇
上传时间:
2019-12-07
素材大小:
1.07 MB
素材类别:
医疗疾病课件PPT
网友评分:

素材预览

雄性不育基因ppt

雄性不育基因ppt免费下载是由PPT教程(www.pptbz.com)会员陈玉娇上传推荐的医疗疾病课件PPT, 更新时间为2019-12-07,素材编号330569。

这是雄性不育基因ppt,包括了雄性不育性的产生和特性,雄性不育的分类,表现型是根据雄性不育表现的形式而区分,表现型基础,基因控制,基因的作用,环境影响等内容,欢迎点击下载。

第二章 雄性不育性在杂种优势利用中的应用
§2.1雄性不育性的产生和特性
         在1694年Camerarius发现植物的性别以后不久,1763年KÖlreuter观察到在一些植物的种内或种间杂交种中有花药败育的现象,他把种内杂交种间发生的花药败育的现象称为雄蕊萎缩,把种间杂交种的花药败育的现象称为杂交种雄蕊萎缩。     
          以后Gartner(1844)、Herbert(1847)、Darwin(1890)先后在一些植物的种内如石竹科、杜鹃科、百合科中有规律地发生雄蕊败育的现象。1893年Darwin将这种类型的不育性归结为植物雌雄异株的进化,这种雌雄异株使自花授粉植物物种可以自由地进行杂交授粉。
        Bateson(1908)指出:雄性不育性不是简单地随机发生的偶然事件,而是一种遗传上的调节体系。
       Correns(1908)证实了雌雄两性异体的母体控制,这是在早期遗传学文献第一个非孟德尔遗传的报道。
          雄性不育性的自发产生归结于核基因或细胞质基因或者两者的有关基因的突变。与雌性不育相比,雄性不育在高等作物中是广泛存在的。这是因为与有;さ呐呋蚺吣蚁啾,雄配子对于内、外部的压力表现为更为脆弱。
       另外,也由于从花药中易于获得大量的花粉,而且雄性不育的观察也比雌性不育更容易。检测花粉的败育比检测胚囊的败育更容易、快捷,即雄性不育的鉴定一般可通过简单的醋酸洋红或碘液染色即可。而雌性不育则需要通过人工杂交或种子的发育的研究。另一方面,雄性不育在自然界可以繁殖,有潜在的利用价值,而雌性不育则不具备这些特点。
      Kaul(1991)指出:早期认为雄性不育仅仅是生物界偶然发生的变异的副产品的观点已经早已不适用了,相反,雄性不育代表了一种良好的遗传机制,这种机制拓宽了高等作物中的基因库和细胞质基础,并增加了高等作物的遗传适应性,还通过对环境的遗传适应性拓宽了植物栖息地和生态范围。
         在一定的环境条件下,不能产生有功能的配子的特性称为不育性。不育性包括了有性繁殖系统中的不规则而导致的不可育性或不实性的各种情况。既涉及到雄性又涉及到雌性。这种不育性与自交不亲和性不同。
一、雄性不育的分类
        导致雄性不育的因素有多种解释,因而对雄性不育的分类也不相同。Gabelman( 1936)将雄性不育分成三个类型:花粉不育、雄蕊不育和功能不育;在花粉不育中,花粉是空瘪的、或完全没有花粉;在雄蕊不育中,雄蕊几乎不能形成或畸形;在功能不育中,有功能的花粉的散发几乎完全被阻止了。
         也有人将雄性不育分为形态不育﹑生理不育以及由细胞质﹑核基因控制的不育性。
        形态不育,常是由于营养和外界温度的影响而造成的。       生理不育,从花粉形态看是正常的,主要是由于生理上的原因引起花粉发芽率很低﹑花粉管伸长的长度不足,而导致不育。
        由细胞质和细胞核基因控制的不育性,是因为受细胞质﹑核的影响,而使雄配子失去功能而不育。就作物育种工作来说,具有实用价值的是后一类,即由细胞质﹑核基因控制的不育性。
       Sears(1947)将雄性不育分成核型、质型和核—质互作型三种。
        根据表现型的特征和发生,Jain(1959)将雄性不育分成畸胎学、解剖学、发育学、环境学与无法分类的五种类型。
        Heslop-Harrison将雄性不育分成配子体型、孢子体型与中间型;
          Kaul将雄性不育的分类如表1。                             表1.1 雄性不育性的一般分类     -----------------------------------------------------------------------------              遗传的(自发的或诱导的)        非遗传的(诱导的)     1、表现型:孢子体发生型的     1、化学的:杀雄剂                         结构型                                       其它化学试剂                         功能型                    2、生理的:温度     2、遗传的:细胞核遗传的                            光周期                         细胞质遗传的                            酶系统的平衡                         核—质互作的                            其它生化因素                                                        3、生 态 : 气候                                                                           生物                                                                           土壤                                                                           自然地理的 ---------------------------------------------------------------------------------
        表现型是根据雄性不育表现的形式而区分的;        遗传型是根据基因型的遗传本质和遗传类型而区分的;雄性不育既可是遗传的,又可以是非遗传的;既可能是自发的,又可能是由于化学因素处理或环境条件的影响或生理学、生物学上的变化而诱导的。
         表现型基础              不论遗传组成如何,只要花药的发育、形成或功能上表现异常,都可以导致雄性不育,总的可分为下列三种类型:
        Ⅰ、结构型雄性不育    这种类型的不育性归结于结构上 的异常,既可能是雄性器官不存在、或没有形成、或形成不良,以至于小孢子发生组织的发育异;虿荒芊⑸、或小孢子不能正常发生;
       Ⅱ、孢子发生型雄性不育    在这种类型中,雄蕊虽然发育了,但是孢原组织不能形成或形成畸形、或孢原组织虽然发育正常,但是小孢子的发生或雄配子体的发育受阻,以至于花粉不能形成、或花粉畸形、或于成熟前败育,因而完全没有花粉、或成熟无功能的、极端干瘪的花粉。孢原细胞的败育既可能发生在减数分裂前,也可能发生在减数分裂期间或减数分裂后,因此,这种类型主要包括有丝分裂前的、有丝分裂中或有丝分裂后的突变体。
       Ⅲ、 功能型雄性不育    在这种类型中。虽然形成了可育的花粉,但是它们不能参与授粉受精。这是由于某些障碍阻止了花粉不能到达柱头,主要有:花药不能开裂,以至于花粉不能落到柱头上萌发或不能受精。
       上面所提及的某些植物的雄性不育性显示出多种表现型特征,因此,有必要在遗传基础上对雄性不育性进行分类。
      根据细胞核与细胞质基因组的组成,作为遗传类型的分类的证据,雄性不育性可分为:细胞核型、细胞质型和核-质互作型三种类型,在这三种类型中,表现型可以是上面三种类型中的任一种类型。
Ⅰ、细胞核型雄性不育(g-mst)         不育性受细胞核基因所控制,这些基因不受细胞质类型的影响,因而不育性的遗传型和表现型完全是孟德尔式的遗传,在大多数情况下,这种不育性是受隐性基因所控制的。
Ⅱ、细胞质型雄性不育性(c-mst)        这种不育性是由诱导雄性不育的特定细胞质即不育细胞质控制的,因此在一个物种内,至少有两种细胞质类型存在,一种是能导致雄性不育的细胞质即不育细胞质(S)细胞质,另一种是导致雄花正常可育的细胞质即正常可育细胞质(N)。
       在细胞质型雄性不育类型中,不论细胞核的基因型如何,具有S细胞质的植物是雄性不育的,而具有N细胞质的植物是雄性可育的。因而,在这种S-N胞质型中,对于植物的育性而言,核基因的影响是可以忽略的,并且不育性是母体遗传的;与细胞核型雄性不育性的另一个差别是F1代的雄花不育与可育的关系显示出正、反交的差异(无法进行正反交)。
   Ⅲ、核--质型雄性不育(gc-mst)         这种类型的雄花育性是由特定的核基因(Rf或rf)与特定的细胞质类型(N或S-胞质)相互作用的结果。在N-胞质中,特定的rf具有在导致mst中是无效的,但是在S—胞质中,rf核基因与S胞质相结合,从而导致雄性不育。
       S—胞质具有特定类型的细胞质基因—S基因。这S-基因rf基因结合导致雄性不育。而N(rf rf)、S(Rf rf) 或S(Rf Rf)是雄性可育的。由于Rf基因与特定的S-胞质基因的互作,并且使雄性不育性S-细胞质中不能表现,因此,Rf基因是育性恢复基因,Rf 表现恢复基因是显性的,rf是隐性的。目前已发现的大部分的恢复基因是显性的。
         从根本上看,遗传的雄性不育性只有两种类型即g-mst 与 gc-mst。g-mst突变体是自发地和有规则地显示出来。因为g-mst主要是由主基因控制的,并且已证明,在自花授粉植物中的频率比异花授粉植物高。
二、基因控制
        在自发产生雄性不育突变体的175个物种中,约有50%的物种的不育性的基因已被确定,其中由单一隐性基因、多隐性基因、显性基因和多基因控制的雄性不育分别占64、24、10和2%。在大部分由诱变剂诱导的雄性不育突变体中,有94%的不育性是由单一隐性基因控制的,其余6%还不清楚其控制机制。
         在一定的物种中,不育性既可能是由隐性基因控制的,也可能是由显性基因控制的或两者兼而有之。
上位性和抑制基因        在中花属(Centromthus   ruber)和菜豆属(   Phaseolus vulgaris)中,不育性基本上是由一个单显性基因Ms控制的,但是他受另一个能支配Ms基因表达的显性基因所抑制,因为这两个基因是非等位的,因此涉及到上位性。
       Lewis和Crowe(1956)对此提出了一个双基因模式,在该模式中,Ms基因受H基因的抑制,具有Ms-hh基因型的个体是雄性不育的,而Ms-H-基因型的个体是正常可育的,MsmsHh基因型的个体的自交后代的育性发生分离,分离比例为:13(可育):3(不育)。
       显性基因        尽管大部分mst突变体是由隐性基因控制的,但还有少数显性并且主要是单基因的;与隐性的mst基因一样,在它们作用于不同的小孢子发生时期方面是阶段特化和位点特化的。
三、基因的作用        高等植物包括雌雄异体的物种在内是潜在的二性植物,尽管雌雄同体植物的花也有两性的潜能性,但是它们的性别的表达与否取决于对某种性别类型的抑制,在大部分物种中,尽管性别的表达的潜能性是遗传控制的,但它们表达的程度也是受环境条件影响的。
四、环境影响        高等植物的性别对于环境的影响是一个脆弱的、敏感的系统。在植物中,ms基因是大量存在的,它们之中,有部分是受环境影响的,而影响ms基因作用和表达的主要因素是温度,约占44%,光周期的影响约占12%,余下的44%受何种环境因素的影响则尚不知道。
§2.2雄性不育的细胞学特征 和生化反应特性
一、雄性不育的细胞学特征
雄性性别的抑制         ms 基因作用的最早是在花药发育和分化时期,以致于不能形成花药或花药畸形或变态,花药细胞可能发育成子房或柱头,像这样的无花药的突变体在许多植物中发生。
有缺陷的小孢子囊发育        雄性不育基因也可能导致异常的、不规则的雄蕊的发育或雄蕊转化为其他的花器,或发育不全或瘤状的或缺少小孢子发生组织。这些都包括在结构性的雄性不育中。
       从花粉发育过程分析,不育系花粉败育或退化大致分为五个时期:即造孢细胞至花粉母细胞增殖时期、减数分裂期、单孢花粉期(或单核晚期)、二核及三核花粉期。雄蕊组织结构异常表现在花药壁、中间层和绒毡层细胞异常及花丝与药隔维管束结构异常。
不规则的小孢子母细胞形成        正常的花药发育及其药壁分化是孢母细胞形成和孢子发生组织分化的前提。某些ms基因抑制或推迟它们的起始,这导致了不正常的、无功能的孢子发生组织的发育。例如在豌豆和番茄的突变体中, 隐性突变基因导致孢子发生细胞分化被扰乱以至于不能分化成花粉母细胞。
⒈花粉母细胞→⒉第一次减数分裂: ⑴前期(细线期→ 偶线期→ 粗线期→ 双线期→ 终变期) ⑵→中期Ⅰ→ ⑶后期Ⅰ→ ⑷末期Ⅰ→ ⑸细胞质分裂→⒊第二次减数分裂: ⑴前期Ⅱ→ ⑵中期Ⅱ→ ⑶后期Ⅱ →⑷末期Ⅱ→ ⑸细胞质分裂)→⒋四分体→⒌单核期:⑴早期 →⑵中期→ ⑶后期→ ⑷静止期(间期II)→6.第一次有丝分裂 :(⑴前期→ ⑵中期→ ⑶后期→ ⑷末期)7.双核期→8.第二次有丝分裂:(⑴前期→ ⑵中期→ ⑶后期→ ⑷末期→9.三核期→10.成熟花粉粒
       由此可知,花粉粒的整个发育及特化过程,是在基因的严密控制之下完成的。任何一个步骤的遗传控制机制发生问题,将导致整个发育过程受阻,导致花粉粒不能正常发育,造成雄性不育现象。所有基因雄性不育都是上述过程中某一步骤未能正常运转造成的,也是在基因的控制进行下的,是程序化细胞死亡的过程。
不育系花粉败育与胼胝质的关系        研究表明胼胝质功能之一是防止细胞粘联与融合,防止正在分裂的小孢子之间遗传物质串换。渥姆克等指出,在高粱不育基因的控制下,影响胼胝酶的活性,从而导致花粉母细胞次生壁形成过程的破坏,引起小孢子发生不正常。
绒毡层对不育系花粉败育的影响        绒毡层细胞是向花粉母细胞输送养分的通道,也是花粉母细胞进行细胞分裂的能源,它为花粉母细胞和小孢子的发育提供所需要的酶、激素和其他营养,在小孢子发育的过程中起着重要的作用。
      药隔维管束的异常。比较可育株和不育株的药隔维管束,发现不育株的维管束和维管束鞘均发生形态、结构及生理上的异常。如在单核或双核花粉期,不育株的韧皮部与木质部分化不好,薄壁细胞皱缩,维管束鞘细胞排列紊乱、退化。此外,还发现不育系植株维管束异常的程度与花粉败育的程度成正相关。
       不育株亚显微结构的异常。用电子显微镜观察比较玉米、水稻的“三系”时,发现不育株的线粒体膨大或具多型性,分布较稀,脊发育不全,液泡化,基质稀薄,核蛋白体发育较差。
       综上所述,雄性不育性的产生原因是错综复杂的。但是从绝大多数情况看,不育系花粉的发育大多停止于单核花粉期,而且许多异常情况的发生也是在单核花粉期,因此可认为单核花粉期是雄性不育系的一个重要的敏感的时期,对于这一时期的研究应当引起注意。
二、雄性不育的生化基础
        不能产生可育的花粉或不出现正常的花药的分化、小孢子的发生以及花药开裂异常是雄性不育植物的主要特征。这些特征引起花药中生物化学、生理学以及功能上的变化,因而,与雄性可育花药相比,常可发现在雄性不育的花药中,碳水化合物和蛋白质的含量减少,较低的代谢活力。
(一)氨基酸
         1、总量                 氨基酸、氮素同化作用的最初产物是构成蛋白质的组分,在雄性不育的花药中,一旦氨基酸的成分或含量改变了,就会形成不同的或有缺陷的蛋白质。
       在小麦、玉米、向日葵、番茄和高粱、豌豆、水稻以及辣椒的雄性不育的花药中, 天冬氨酸的量增加。在某些植物的雄性不育花药中某些氨基酸的累积,既可能是合成的增加也可能是没有被利用。
2、氨基酸的变异性           在高粱、豌豆、棉花、水稻、大麦、向日葵和扁豆等植物中,不同基因型的雄性不育和雄性可育的花药中,氨基酸含量的不协调是普遍存在的,例如:在高粱和水稻雄性不育花药中,花粉成熟前,甘氨酸的含量在某些基因型中是高的,而在别的基因型中则可能是低的。
       雄性不育和雄性可育花药中氨基化的差异导致的氨基酸含量的差异可能在高等植物雄性不育的诱导和控制中起着直接的作用。但是由于在雄性不育和雄性可育花药中无稳定的和特定的差异,氨基酸的差异是否是雄性不育的直接原因还不能确定。
       进一步言之:花药中氨基化作用取决于基因型、细胞质类型、环境条件以及减数分裂与小孢子发育的时期,但是在花药中,某些氨基酸浓度的差异肯定是与雄性不育花药中的不同反应或某种反应的失败联系在一起的。
       因此,在高等植物中某种氨基酸的积累或缺乏不是雄性不育的原因而是雄性不育的结果。导致雄性不育花药中氨基化重要改变的主要因素目前尚不清楚。
3、脯氨酸含量        小麦、水稻、玉米、向日葵、番茄、矮牵、豌豆、甜菜和辣椒等雄性不育花药中的脯氨酸的含量很低或是没有,由此,Duvick(1962)认为:脯氨酸对于一定的酶或储藏蛋白是必需,雄性不育花药中无脯氨酸或其含量很低则可能是花粉败育的直接原因。
       花粉中的游离的脯氨酸具有很高的生理活性,可以被迅速地化合到蛋白质分子中去,并且它是花的性别分化过程中所需的许多生化物质的重要组成成分。绝大多数脯氨酸被化合到多肽链中,起着帮助适应生物学和环境压力的先驱物作用。
(二)核酸缺乏
       在高粱、大麦、甜菜、向日葵和洋葱等植物雄性不育的花药中,核酸的含量显著地低。Sami 和 Davis在雄性不育的洋葱中发现:在减数分裂开始时,核酸的含量与雄性可育中的含量差不多,但在减数分裂过程中,由于毡绒层的崩溃,花粉母细胞中的DNA以核苷酸的形式从毡绒层细胞中溢逃;ㄒ┲械男℃咦又 RNA和DNA的合成完全不发生,因此小孢子就不能进一步发育,并且在成熟前就败育了。
DNA和RNA含量的差异          在四分体阶段,尤其是到了单核花粉期,不育株细胞内几乎没有或极少有DNA和RNA。精核主要由DNA构成,DNA的减少或消失必然引起花粉的异;蛲耆徊。
(三)C—N  代谢
       在甜菜、辣椒、向日葵、小麦和水稻等高等植物的雄性不育花药中发现:碳水化合物和蛋白质的代谢减少或紊乱。在花粉成熟期,小麦的不育系的花药中缺少糖类物质尤其是蔗糖;在大麦的雄性不育系的花药中发现有异常的蛋白质水解现象;
       在玉米、大麦、豌豆、水稻、番茄、高粱、矮牵牛 、甜菜、辣椒和向日葵等植物的花药中碳水化合物和蛋白质都较缺乏。由于没有足够的碳和氮源的供应,氨基酸的合成便不能进行。
(四)物质运输和代谢
       雄性不育材料由于输送组织结构异常,导致物质运输和代谢发生障碍。中山大学生物系(1976)测定叶片和叶鞘中32P和35S吸收和分配,结果是不育系的花药、穗枝:陀被ǖ奈苁炔课坏奈涨慷鹊陀诒3窒,子房部位吸收与保持系相同,说明不育系子房中物质代谢与发育正常,但花药中的代谢发生障碍。
(五)能量代谢
       周培疆、凌杏元等结果表明,不同品系水稻线粒体在变温过程中其能量释放的热力学和动力学行为存在差异。不育系水稻线粒体能量释放的释能指数及其能垒均较可育系大。这说明不育系水稻线粒体能量释放困难且机制较为复杂,因而其能量释放速率较可育系小。
(六)蛋白质
      国内外学者对叶绿体和线粒体基因组及其表达产物与雄性不育的关系进行了许多研究。发现线粒体基因组及其表达产物与雄性不育有直接关系。比较提莫非维小麦和普通小麦细胞质线粒体基因组结构发现提莫非维小麦细胞质mtDNA含一个 atp6拷贝,而普通小麦细胞质 mt DNA含有两个 atp6拷贝。
蛋白质代谢强度的差异         通过元素标记发现不育株和可育株从“中花期”(小孢子至单核花粉)开始至“老花期”(双核至三核花粉)蛋白质的代谢强度有明显差异,不育株明显偏低。另外还可见到不育株的花药缺乏游离的碱性蛋白,从而使调节基因失效,甚至影响特殊蛋白质的合成。
   2、植物特异蛋白与雄性不育         生化遗传研究表明:雄性不育的表现可能与某一发育阶段的特异蛋白有关。
(七)激素的含量
       在许多植物中,细胞激动素的供应不足抑制了雄性的发育并诱导雌花的发育。在雄性不育的番茄和豌豆中,细胞激动素的含量比正常可育中低的多,在大麦中也有这种现象。在育性的变化中,细胞激动素的确切作用还不清楚。
吲哚乙酸       黄厚哲等(1984)通过试验认为:雄性不育的起因在于不育花药的IAA库受有关氧化酶的破坏而亏损,而IAA的亏损必带来花药代谢及小孢发育异常,从而导致花粉败育,对光敏核不育水稻研究也表明IAA含量与育性表达有关,长日照使叶片IAA含量出现严重亏损,IAA亏损是光敏核不育水稻幼穗败育的主要原因。
       其它内源激素如GA、ABA含量也变化,大多解释认为IAA亏损是导致其它内源激素变化的主导因素。
(八)酶的活性
        酶系统的异常。在高粱、水稻“三系”的幼嫩花药、单核花粉和成熟花粉的细胞化学研究中得知,大多数酶的活性不育株均低于可育株。
      中国科学院遗传所对高粱花药和花粉粒中酶类活性进行测定,可归纳为下述几个特点: 
       第一种酶类过氧化物酶的活性,以不育系最高,保持系次之,恢复系较弱。但随着花粉成熟度的增长,不育系过氧化物酶的活性逐渐增高,保持系与恢复系渐渐降低;
        第二种有碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、ATP酶、葡萄糖-1-磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶等,这类酶的活性恰恰与过氧化物酶相反,恢复系显示最强,保持系次之,不育系最弱。随着花粉成熟度的增长,这类酶的活性,恢复系和保持系有渐渐增强的趋势,而不育系越来越弱。
       第三种是细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶,以保持系最强,恢复系次之,不育系最弱:鲜Ψ堆г荷锵档难芯坑欣嗤魇。
        从研究不育系花粉发育和生理系列化的特点来看,可以推想,酶类活性强度和方向的改变,引起生物代谢产物的差异,导致淀粉、核酸和蛋白质的合成减弱或增强,必然反映在花粉发育形态的差别,终于影响小孢子发育,造成雄性不育。
胼胝酶        在前期Ⅰ的早期,花粉母细胞有规则的胼胝质的沉积是有丝分裂起始和完成的前提,在减数分裂进行中,包围花粉母细胞的胼胝质必须降解,而胼胝质降解是由胼胝质酶作用的结果,胼胝质降解所产生的产物是d—葡萄糖以及长度不同的多聚糖,这些产物是花粉外壁形成和花粉营养的基本物质。
       胼胝质产物的积累 、胼胝质酶的形成和时期上的活性都是在不同的、独立的、功能性的非等位的主基因的控制之下的,这些主基因的活性也是时间上特化的。
细胞色素氧化酶         在生物学的氧化—还原系统中,细胞色素氧化酶以铜或铁的混合物作为氢的载体,基因已被确定在植物的mtDNA上(Fox and Lower,1981),在雄性不育的小麦花药中,细胞色素氧化酶的含量比雄性可育花药中高 。
脱氢酶        雄性不育的小麦、大麦和水稻的花药中,花粉母细胞在开始进行减数分裂时脱氢酶的活性很低,但是对于雄性不育与雄性可育的种子、萌发中的胚,这种酶活性则没有差异,这表明脱氢酶的活性与雄性不育的表达之间肯定有某种联系。
    葡萄糖—6—磷酸脱氢酶         减少糖与蛋白质代谢在某些植物的雄性不育花药中可能归结于在这些花药中低的氧化过程的能量效应,Loseva等人首先在雄性不育的玉米花药中发现低的氧化磷酸化的强度以及ATP酶的活性的增加。
      磷酸化酶         对于淀粉可逆地转化为葡萄糖—1—磷酸是由磷酸化酶所作用的,后者对于碳氢化合物和蛋白质代谢是不可少的。在高粱和水稻的雄性不育花药中,磷酸化酶的活性很低,这说明在雄性不的花药中淀粉与蛋白质代谢减少。
其它酶         与雄性可育的花药相比,在辣椒的雄性不育的花药中,多酚氧化酶同功酶和脂酶同功酶的谱带较少,同样,在烟草中雄性不育系的花药中过氧化物酶同功酶的组成减少;在大麦中,脂酶氧化酶的含量比正常植株中低的多。
          酶的差异        在雄性不育系的花药中,酶的活性低,尤其是与戊糖途径有联系的过程的酶。它们在生物学上有重要意义,因为这个途径提供了还原的NADP。 NADP 在含有大量能量的如 ATP 的生物合成中是必需的。
(九)微量元素的缺乏
        在许多高等植物中,B、Cu、Mo 等微量元素的缺乏也可能导致雄性不育,Graham(1975)、Agarwala  et al(1979)、Dell(1981)报道:栽培作物由于缺乏微量元素而导致花药变小与花粉败育,花粉粒发育不良、小、皱缩高度空瘪(液泡化),缺乏外壁和细胞质,当进一步缺乏时,种子和果实的发育受到损害,因而,这种诱导的雄性不育类型在杂种优势利用中是没有实用价值的。
(十)叶绿素的含量
        大麦、玉米、豌豆、水稻、番茄和小麦的许多雄性不育类型比其雄性可育的对应类型都具有较低的叶绿素含量。
(十一)生化原因及结果
        雄性不育基因表达的时期与雄性不育之间的关系,到目前还没有被系统地研究过,但是,已作的研究主要是比较了雄性不育与雄性可育的某些植物的花药中的生化组分和酶的含量,通过比较揭示了下列物质的减少:(1)、碳水化合物和蛋白质;(2)、脱氢酶、过氧化物酶、脂酶与磷酸酶;(3)、核酸的含量。由于上述物质的改变,减少了雄性不育花药中的碳水化合物和蛋白质的含量以及核酸的含量。
       某些雄性不育的花药中,有明显的非正常的维管束系统、迟缓的毡绒层的降解,使花粉母细胞或四分孢子饥饿,从而导致花粉的败育;花药形成的异、维管束系统和毡绒层崩溃的异常主要归结于雄性不育或雄性可育基因的作用。生化物质的异常是结果而不是原因。
       在这些植物的雄性不育的花药中,包括水稻和豌豆等,与其相应的雄性不育花药相比,具有降低的脯氨酸的量。在番茄、水稻与豌豆的雄性不育花药中,注射脯氨酸并不反转花粉的育性。这些结果表明氨基酸水平的变化代表的是雄性不育性的结果而不是雄性不育性的原因。
§2.3雄性不育的遗传理论
一、雄性不育的遗传假说
Sear(1947)的“三型学说”         第一,细胞质雄性不育类型。细胞核内不带雄性不育基因,当这种类型与细胞质可育父本交配,其子代总是不育的。第二, 细胞核雄性不育类型。当其与带有核质遗传基因的可育父本交配,后代可出现可育和不育两种类型。 第三, 细胞质-细胞核雄性不育类型。当这种类型和带有胞质、核质遗传基因的可育父本交配,其后代也可表现出可育和不育两种类型。
          Edwardson(1956)的“二型学说”         Sears提出的三型学说,为一般研究工作者采用。但随着雄性不育类型研究工作的进展,在实践工作中发现的若干问题,以Sears的学说难以阐明。1956年Edwardson在玉米雄性不育性的研究中,结合前人的工作提出了二型学说。
       Edwardson指出,细胞质作用类型在自然界中是不存在的,应归入质-核互作类型。为了统一名称,他把原来叫做细胞质作用类型与质-核互作类型并为一类,称之为细胞质作用类型;另一类型就是细胞核作用类型。Edwardson的二型学说,更为一些研究雄性不育性的工作者所接受。
        木原钧(Kihara,1968)和鲍文奎(1982)先后提出了“一型学说”即核质协调学说。
二、雄性不育性形成原因的探讨
       前苏联杜尔宾(1970)对于核、质雄性不育类型的作用机理提出了一种遗传控制模型。设细胞核内有可育Rf基因和不育rf基因。在细胞内具有遗传操纵子,包括抑制基因、操纵基因和结构基因。
         细胞质基因与细胞核基因相互作用时有两种情况:一是核内为rf基因,当胞质抑制基因N起作用时,仅能产生少量的抑制物,暂时抑制操纵基因,等待抑制物失效后,操纵基因发生效用,再经过一系列生化反应过程,合成正常的花粉。如果抑制基因S起作用,则产生大量的抑制物,使操纵基因处于抑制状态,则花粉无法形成。
       另一种是核内为Rf基因,能产生多量诱导物,它与细胞内由抑制基因产生的相应的抑制物结合,使抑制物失效不能控制操纵基因,则操纵基因仍具效能,从而产生正常的花粉。
       王培田(1974)提出的雄性不育遗传的连锁控制模式是参照基因表达的操纵子模型提出来的,认为雄性不育的质核互作关系中既有细胞质因子受核基因产物诱导的过程,也有核基因受细胞质因子调控过程。雄性不育的遗传,是由具有大同小异的两种模式连锁控制。
        第一种模式表示细胞质基因受核基因调节;         第二种模式表示核基因受细胞质基因调节。         这两种模式是相互补充的。        
        第一种模式的作用在于核基因能诱导细胞质基因合成特定的蛋白质,而第二种模式又能诱导第二组核基因合成新的蛋白质,核基因Rf能诱使结构基因A、B、C产生某些特定的酶去实现制造的某些工序,也能产生某种诱导物去诱使细胞质基因D、E、F产生适当的酶进行制造花粉的另一些工序。细胞质基因的产物又可能进一步去诱导第三组核基因或细胞质基因合成新的蛋白质。如此连续进行许多步骤,最后才能形成正常可育花粉。上述任何一步发生障碍,都可能影响花粉的形成,产生特定类型的雄性不育。
       蔡以欣(1977)提出了核、质互作雄性不育类型以及细胞核类型遗传控制模型。这种模型认为,由于细胞核不育基因和细胞质不育因子(DNA)的结构发生了变异,造成不能合成某种或某些酶、或合成的酶活性较低,使花粉发育过程中不能合成或仅能合成很少量的淀粉;或虽能合成正常的淀粉,但不能合成促使花粉萌发的物质,就会形成雄性不育。
        根据核质育性不同,可分为四种情况:         第一,细胞核内存在着不育基因rfrf,细胞质内也存在着不育因子S。由于核质双方都不能合成某种或某些酶,或某种或某些使花粉萌发所必需的物质,表现为雄性不育。这种S(rfrf)类型即为雄性不育系。
        第二,细胞核内存在着不育基因rfrf,细胞质内则存在着可育因子N。质内可育因子作用的结果可以补足核内不育基因造成正;ǚ坌纬伤枰拿负湍承┪镏实娜鄙,因此能使花粉继续发育,雄性仍然可育。这种N(rfrf)类型即为保持系。
        第三,细胞核内存在着可育基因RFRF,细胞质内存在着可育因子N,育性不受影响。这种N(rfrf)类型即为可育细胞质恢复系。
        第四,细胞核内存在着可育基因RFRF,细胞质内存在着不育因子S,由于育性主要受核基因控制,不受质不育的影响,所以还是表现雄性可育。这种S(RFRF)类型即为不育细胞质恢复系。
      从细胞核雄性不育类型的遗传模型可以看出,雄性可育与不育,主要受核内基因控制。这种核不育类型,其核内不育基因结构部分的DNA链已发生较大的改变,由此而造成的缺陷,细胞质的作用已无法弥补。因此,在这种情况下,育性便与细胞质无关,也就不存在质可育而核不育这样的保持系N(rfrf)。这就是核不育系找不到保持系的原因。
      秦泰辰(1978)也提出了细胞质调节子控制雄性不育性的模式。这个模式是参考操纵子(operon)和基因自我调节模型绘制的。
       Kihara等人认为,植物的雄性不育不是简单的单一核质育性基因的对应关系,而是一种复杂的、多种核、质基因之间的对应关系。于是提出了多种核质基因对应性学说这一概念,认为细胞核染色体上的可育或不可育位点rf或RF都能在相应的胞质找到对应的不育或可育因子N或S,每对对应关系是相对独立的,并不互相干扰。如正交和反交都能选得不育的后代,用多种核﹑质基因对应学说,易得解释。
      在正交时,S1N2(rf1rf1,rf2rf2)× N1S2(rf1rf1,RF2RF2 ),其回交后代出现基因型为S1N2 (rf1rf1,MS2MS2)时,由于核-质基因rf1rf1与S1相对应,表现不育;
       同样,在反交时, N1S2(rf1rf1,rf2rf2) × S1N2(RF1RF1,rf2rf2)其回交后代也可出现基因型为N1S2(RF1RF1,rf2rf2),也因核-质基因rf2rf2与S2相对应,故也表现不育。
生物体制演变学说                 认为从生物体制的演变导致雄性不育类型的起源,可从两方面加以解释:
        第一、生物体制退化说   从生物器官﹑组织的发育状态来看,把生物各部分的器官﹑组织是否得到充分发育作为体制进化的标准,植物的雄性不育类型是由于生理代谢上的原因,造成雄穗发育不完全,以致不育。因此,认为雄性不育性是一种体制上的退化现象 。
       第二、生物体制进化说   从生物体同一器官的分化以及它们的不同机能的专业化的角度看,把生物体内生理分工的程度作为体制进化的标准,认为植物的雄性不育类型是由于生理分工的合理,导致异花授粉,使子代处于杂合状态,故能适应各种环境条件。因此,认为雄性不育性是一种体制上的进化现象。
          光温启动因子假说               周庭波( 1991)根据现代遗传学理论结合水稻雄性不育育种实践提出了光温启动因子假说:
      (1)花粉萌发可能是在核序列基因、质序列基因和外界光温序列控制和协调下,通过一系列有时间顺序的生理生化过程实现的。      (2)某个核序列基因是一个完成花粉发育某一过程的生理功能基因团,由光温感觉基因、整合基因和多个生产基因以及相连的启动基因组成。
      (3)每一个花粉发育质序列基因对相应的核序列基因的配合具有品种特异性,是在长期的自然进化中建立起来的。     (4)核序列基因之间、核质序列基因之间以及核质序列基因与外界光温序列之间的任一联系遭到破坏,都会造成雄性不育。
       雄性不育遗传的双基因模型        刘忠松 ( 1990,1992)根据植物雄性不育机理研究的成果并结合育种实践提出了雄性不育遗传的双基因模型。
        该假说认为,雄性育性的表现是一系列有时空序列的发育过程的结果;每一发育过程都是在前一过程的基础上,在一定条件下实现的;从遗传学角度来看,每一过程都是由基因控制的;
       控制发育过程的基因属花粉发育结构基因一类,还有一类控制花粉发育结构基因表达条件的基因,即调节基因,调节基因和花粉发育结构基因构成核中育性基因系统;细胞质(内环境)和生境(外环境)通过调控调节基因的表达成其产物,使得花粉发育结构基因表达所需条件不能满足而导致雄性不育,无论是调节基因还是花粉发育结构基因发生突变,都将产生遗传的雄性不育。
        理论上除了雄性育性外,其他方面受影响甚小,而调节基因突变产生的雄性不育类型,其育性可为一些补救措施所恢复,且育性以外的性状也可能受突变的影响。如果育性基因系统的表达受到生境条件如化学药物、温、光等的影响不能正常进行,将造成生理性不育。
       由于用通常所说的用保持系连续回交将不育基因转育到一种亲和的细胞质中形成一种核基因表达新的稳定细胞内环境,会使得调节基因难以正常表达,从而引起雄性不育。此外,如果调节基因产物在转运过程中发生障碍,也可能引起雄性不育。因此,雄性不育的原因是多样的、复杂的。
        “花粉育性的通路假说”则把从雄蕊分化到花粉形成过程中每一个生理生化过程比作一个工序,假设每一个工序都有一种细胞质因子及与其协作的一种或几种核基因共同控制,每一工序至少要有一种N因子或Rf基因,才能通过并进入下一工序,简称为通路。否则,称为断路。任何一个或几个工序的断路都会妨碍花粉的形成。通路假说为三系形成,不育系形态、恢复系和保持系的关系等许多有关雄性不育性遗传的问题,提供了有益的启示。
      此外还有:黄晋玲的假说、周庭波的假说、“花粉育性因子与基因的分布规律”、 “细胞质因子假说”等,他们都认为植物雄性不育是由核基因与质基因共同控制的一系列有时间顺序的生理生化过程,是细胞核、细胞质与外界环境之间互相作用的结果。
§2.4 、雄性不育的分子生物学 研究
      在细胞质中,能进行自我复制的有线粒体DNA和叶绿体DNA,大量研究表明,植物的叶绿体DNA基因组较小,一般为120~180kb,相对比较稳定,雄性不育与叶绿体DNA没有明显的相关性 。
       而植物的线粒体DNA具有复杂性和不均一性,基因组从200~2500kb,变化很大,存在基因组不均一性、分子间和分子内重排现象,在CMS的线粒体基因组中发现受核恢复基因调控的ORF、URF阅读框及嵌合基因,使人们认识到CMS与线粒体存在密切关系,并集中在mtDNA、mtRNA和蛋白质三个水平进行研究。
        mtDNA水平:(1)通过RFLP、RAPD、AFLP等分子标记手段来分析比较不育系和可育系酶切图谱上的差异。(2)根据功能基因的保守序列设计引物,随后利用PCR方法调取基因后再进行序列分析比较不育株和可育株功能基因的编码序列。(3)建立不育系和可育系线粒体基因组的基因文库,构建物理图谱,比较图谱之间的差异,对mtDNA全基因组序列进行测定,然后将不育系和可育系的序列进行比较。
         mtRNA水平:一般认为,mtDNA片段如果不能转录产生RNA分子就很难影响生物的具体性状(调控序列除外),在线粒体RNA水平上主要开展两方面研究:
          (1)把从mtDNA水平上获得的差异片段与mtRNA进行Northern杂交,或直接把线粒体的功能基因作为探针与RNA杂交,研究DNA水平上的差异片段或功能基因不育系和保持系之间的表达特性,这些差异表达是否与育性存在一定的关系。
         (2)研究mtRNA在编辑、剪切和加工等方式在不育系和可育系之间是否存在差异,以及这些差异和育性恢复基因的关系等。
        蛋白质水平:       蛋白质是基因表达的最终产物,引起细胞质雄性不育的基因转录成RNA后最终要翻译成蛋白质才能发挥作用。
        在这一水平上进行研究的方法有:采用SDS-PAGE(聚丙烯酰胺凝胶电泳)方法分析不育系和保持系线粒体的离体翻译产物,利用双向电泳或单向电泳分析线粒体编码的总蛋白,利用特定抗体采用Western  blotting方法研究线粒体基因编码蛋白的表达特点,以及根据原位杂交方法和组织化学方法研究线粒体编码的蛋白质在植株不同组织中的表达情况。
§2.5 、细胞核雄性不育(NMS)在杂种优势利用上的应用
       细胞核雄性不育(NMS)可用于作物群体改良,也可用于作物杂种优势利用。在利用NMS生产杂交种子时,一般须在花期拔除群体中分离出来的50%左右的雄性可育株,不仅费工费时,而且提供了昆虫传粉的机会,难以保证制种纯度,因而限制了NMS的应用范围。
       但由于NMS类型多,不育彻底、稳定,选育较为容易,加上一些作物一时没有CMS系可资利用,因此人们谋略通过获得NMS全不育群体将NMS类型用于杂交种子生产中。
        获得NMS全不育群体有以下三类方法:       (1)无性繁殖。这类方法适合于经济价值较高、容易无性繁殖的作物。随着组织培养中微体繁殖技术的发展,理论上任何植物均可通过无性繁殖得到全不育群体;
      (2)遗传方法。主要是采用附加标记性状或临时保持系来获得全不育群体;       (3)细胞遗传方法。借助细胞遗传学技术,通过染色体操作培育特定的核不育保持材料,使得NMS的应用程序如同CMS。
       作物的雄性不育有的由一对隐性不育基因控制,有的由两对基因控制,有的在由两对主效隐性基因控制育性的同时,修饰基因也起作用。由于受遗传模式的影响,由隐性核不育基因控制的作物雄性不育系不能找到100%保持系,保持能力仅有 50 %。由此,育种工作者在应用时提出了“两用系”的概念。
       “两用系”的提出及它在遗传育种上的应用,极大地推动了部分作物杂种优势的利用,同时促使许多作物实现了杂种一代化。70年代,利用两用系配制了棉花、油菜、大白菜、小白菜等作物的杂交种,在生产上取得了较好的效益。
§2.6、雄性不育性在玉米育种中的应用
一、玉米雄性不育细胞质的类别
      恢复专效性分类的原理和方法       植物细胞质雄性不育的遗传学及分子生物学研究表明:某一特定的胞质不育基因所引起的代谢紊乱和功能失常,在其相对应的核恢复基因产物的作用下,可以得到补偿,从而使育性得以恢复正常。这种特定胞质不育基因与相对应的核恢复基因之间严格的一对一的互作关系称为育性恢复专效性。
       依据恢复专效性分类的原理,利用一组具有不同恢复基因的自交系对各种胞质类型的不育系进行广泛的测交,依其后代恢、保表现便可进行胞质不育类型的分类。
                                                                                   被保持的品系……S组                                           被恢复的品系×K55                                                                                   被恢复的品系……不详 雄性不育系×Tr162                                                                                                  被恢复的品系……C组                                            被保持的品系×W23                                                                                  被保持的品系……T组                                      
       刘纪麟(1979),郑用琏(1982)、温震民等研究了国内若干细胞质雄性不育系的胞质类型,提出了一套胞质测验种,建立了我国自己的胞质分类体系。
                                          被恢复的品系… ……………………………S组 雄花不育品系×恢313                                              被恢复的品系…C组                                                                                                                                        被保持的品系×自风1                                                                                    被保持的品系…T组
                 表、玉米雄性不育细胞质的分群   --------------------------------------------------------------------------------                                                              组(群)                      不  育  细  胞  质  类  型             --------------------------------------------------------------------------------        T          HA、P、 Q、 RS、 SC、 T、 1A、 7A、 17A     S          B、CA、D、RK、F、G、H、I、IA、J、K、L、                 M、ME、ML、MY、PS、R、S、SD、TA、TC、                 VG、W、双、唐徐、二咸     C         Bb、C、 ES、 PR、 RB --------------------------------------------------------------------------------                                      Beckett.(1971),刘纪麟(1979),郑用琏(1982)
        除了 T、 C、 S三组外,还有一些不育系如 EP型不育系,它具有多年生玉米的细胞质和普通玉米的核,遗传特性不同于T、C、S组,可能为另外的类群。对于新发现的不育系如YII-1型不育系等,其不育胞质的归类,有待进一步研究。
      不育细胞质的进一步分类         Pring等应用限制性核酸内切酶技术分析了C组不育系的线粒体DNA和叶绿体DNA ,结果发现C组内,不同类型的不育系的线粒体DNA有明显差异,用同样的方法则没有观察到叶绿体DNA的差异。
           根据被限制性核酸内切酶消化的线粒体DNA电泳模式的特异性,可将C组不育细胞质分成3个亚组:C-Ⅰ、C-Ⅱ、C-Ⅲ,C-Ⅰ亚组有C 型, C-Ⅱ亚组有RB、BB、E型, C-Ⅲ亚组有ES型。
Sisco等(1985)则将S组分为的5个亚组:                      ---------------------------------------------------------------------------------                      亚组                   类                     型 ---------------------------------------------------------------------------------            CA             CA、EK、F、G、H、IA、J、K、L、M、ML、                      MY 、PS、R、SD、TA、VG、W    B/C            B、C    LBN           LBN     ME            ME      S              S、TC、I ---------------------------------------------------------------------------------
二、各群雄性不育系的 主要特性
       T群   该群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空胞,比正;ǚ哿P。来自于美国Texas地方品种“Mexican June”(1945年)的T型不育系是其代表。T群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,因此仅在高纬度的冷凉地区有少量使用,而在高温高湿的地区则难以应用, 。
      T群不育系的恢复受两对显性互补基因——Rf1和Rf2控制,Rf1基因位于第3染色体的短臂上,Rf2基因位于第9染色体上。Rf1和Rf2表现为显性互补的效应。不育性的恢复需要同时具有Rf1和Rf2两个显性基因,两个基因可以是纯合的,也可以是杂合。如果这两个基因中的任何一对为隐性纯合,雄花育性便不能被恢复。
       T群不育系属孢子体型雄性不育。育性的反应取决于孢子体(母体)的基因型,而与配子体(花粉)的基因型无关。因此,当不育系与恢复系杂交后,F2代出现一定比例的不育株。对T群不育系与恢复系的大量研究表明:大多数T群不育系与恢复系均带有Rf2基因,不育系与恢复系之间往往仅存在一对基因即Rf1与Rf2之间差别,因此,不育系与恢复系杂交后,F2的育性常呈现3可育:1不育的分离比例。
        在核质互作的雄性不育类型中,由于核、质基因的互作方式和引起花粉败育的途径不同,又将其划分为配子体(gametophytic)雄性不育类型与孢子体(sporophytic)雄性不育类型。
       孢子体不育是指花粉的育性受孢子体(植株)基因型所控制,而与花粉本身所含的基因无关,其植株自交后代表现株间分离;
       配子体不育是指花粉育性直接受配子体(花粉)本身的基因所控制,其自交后代表现为穗上分离。
        在孢子体雄性不育材料中,雄配子体的败育发生在四分体期至单核花粉期,时间较早,败育的发生受控于孢子体的核、质基因互作方式。当植株的核、质基因组双方存在任何一个可育基因时,减数分裂后产生的所有雄配子均为可育。只有当双方均带有不育基因时,往往因孢子体的绒毡层细胞发生畸变而导致配子体的发育受阻,形成仅具干瘪花药的雄花。因此,其恢复型F1植株S(Rfrf)的花粉全部可育。F2群体的单株间表现出可育株与不育株的孟德尔式的分离。
        在配子体雄性不育材料中,雄配子的败育多发生在二核花粉期,时间较迟。败育的发生受控于雄配子自身的核、质基因的互作方式,当核,质基因组双方存在任何一个可育基因,败育现象不会发生。只有当双方均带有不育基因时,雄配子体的发育才会夭折,形成空泡状的败育花粉。因此,恢复型F1植株S(Rfrf)只产生为正常胞质杂交种一半的可育花粉,表现为半可育状态。F2群体的单株间不表现可育株与不育株的分离。
       T组CMS材料的雄配子败育时期较早,败育彻底,属孢子体雄性不育。1970年美国全国范围内玉米小斑病蔓延,造成玉米严重减产:缶芯恐な,玉米小斑病T小种能够产生对T型细胞质具有专化效应的T毒素。目前,T组不育系已基本在生产中停止使用。
        T型不育系的育性恢复受两对显性基因的控制,由于Rf1和Rf2表现出显性互补的效应,不育性的完全恢复需要同时具有两个显性基因,缺一不可,但是两个显性基因可以是纯合的,也可以是杂合的,如果任何一对为隐性纯合时,即表现雄性不育。
         因T型不育系和恢复系分别具有三种不同的基因型,在不同的杂交组合中,F2代的育性分离比例就有3: 1与9:7两类。对T群不育系与恢复系的大量研究表明:大多数T群不育系与恢复系均带有Rf2基因,不育系与恢复系之间往往仅存在一对基因即Rf1与rf1之间差别,因此,不育系与恢复系杂交后,F2的育性常呈现3可育:1不育的分离比例。
  ---------------------------------------------------------------------------------------------------             不育系                            恢复系                               F2分离 --------------------------------------------------------------------------------------------------- S(rf1rf1rf2rf2)      S or N(Rf1Rf1Rf2Rf2)       Rf1-Rf2-        9   可育                                                                                    rf1rf1Rf2-      3   不育 S(Rf1Rf1rf2rf2)   N(rf1rf1Rf2Rf2)                  Rf1-rf2rf2      3   不育 S(rf1rf1Rf2Rf2)   N(Rf1Rf1rf2rf2)                  rf1rf1rf2rf2    1   不育 --------------------------------------------------------------------------------------------------- S(Rf1Rf1rf2rf2)   S or N(Rf1Rf1Rf2Rf2)       Rf1Rf1Rf2-     3  可育                                                                                   Rf1Rf1rf2rf2   1  不育 S(rf1rf1Rf2Rf2)   S or N(Rf1Rf1Rf2Rf2)       Rf1-Rf2Rf2     3  可育                                                                                   Rf1rf1Rf2Rf2  1  不育 ---------------------------------------------------------------------------------------------------
        S群   这种类群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;ǚ郯苡喑什还嬖虻娜切,花粉败育不彻底,以至花药裂开时,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群雄性不育系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,是不育性不太稳定的类群。S群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(1937年),又称USDA型。
        S群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,虽然F1雄花育性被恢复,但F1植株上的花粉发生分离,其中50%花粉带有Rf3基因可育,50%花粉带rf3基因,败育;由于含有rf3基因的败育的花粉不能参与授粉受精,仅含有Rf3基因的花粉能参与受精,因此,F1自交产生的F2不会出现不育株。但基因型为S(Rf3rf3)的植株仍会出现花粉的育性分离。
S(rf3rf3)× S or N(Rf3Rf3)                  ↓            S(Rf3rf3)50%花粉[S(r f3)]不育                  ↓         50%花粉[S(Rf3)]可育                  ↓自交          S(Rf3Rf3)可育(50%)          S(Rf3rf3) 可育(50%)
        S群中不育系的类型较多,不同类型之间的恢复性有差异;同时当环境变化时, S群雄性不育系育性反应也随之变化,是不育性不太稳定的类群,因此,在生产上应用时应持慎重态度。
        S组属配子体不育,败育时期较晚,育性的稳定性较差且易受核背景基因型的影响,在某些核背景中不育性高度稳定而在另一些核背景下常产生一定频率的花药外露并散粉。S组不育系没有发现小斑病和其他病害的专化性侵染。
       据研究,在我国的地方品种中,S型不育细胞质的出现频率较高。例如:从唐四平头×徐5R的F1中发现唐徐CMS,从地方品种小籽黄×自交系和大籽黄×自交系的杂交种中筛选出小黄型和大黄型CMS,研究表明这些不育系均属于S组。
        C群   该群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。其典型代表是来自于巴西的地方品种Charrua的C型不育系。
        C群不育系是孢子体型雄性不育。据Laughnan等研究,不育性的恢复主要由两个恢复基因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。也有人认为,C群不育系的恢复系受3对或3对以上的基因控制。
       由于C群不育系的不育性稳定且抗小斑病,因此,是目前玉米育种与生产上应用的主要类群。美国利用C群不育系配制的杂交种的比例约占40%左右。我国也在部分地区如四川、河南、辽宁、江苏等省应用。
       虽然C组不育系对玉米小斑病T小种无专化感染,但却发现了玉米小斑病C小种的存在(魏建昆 1986)。据陈伟程(1995)研究,C小种仅专化侵染C组中的C-Ⅰ亚组,并且C-Ⅰ亚组的植株对C小种的反应从高度感病到不感病,似乎呈数量遗传的方式,其侵染的专化性不及T小种对T型不育系的侵染。
       C组不育系的恢复基因除Rf4、Rf5外,研究认为还和Rf6,并证明C组中的C、RB、ES和Bb型的恢复均受显性单基因Rf4控制。具有两对恢复基因的恢复系F2代群体可育株与不育株分离比为15:1,如A619、B52、获白和凤可1仅具有一对恢复基因的恢复系,F2代的育性分离比为3:1。
S(rf4rf4rf5rf5)×S or N(Rf4Rf4Rf5Rf5)                          ↓                   15可育:1不育 S(rf4rf4rf5rf5)× S or N(Rf4Rf4 rf5rf5)                                S or N(rf4rf4 Rf5Rf5)                           ↓                   3可育:1不育
玉米不育胞质的鉴别         用普通生物学的方法对玉米不育胞质进行鉴定分群,具有一定的可靠度。随着分子遗传学的进展,现已探明雄性不育性的表达与细胞器mtDNA有密切联系。Levings等(1977)报道,利用限制性核酸内切酶(如HindⅢ, BamHI、Sa1 I等)消化线粒体DNA,经凝胶电泳,根据谱带的差异,可以鉴别不育系胞质的类群,玉米T、C和S三群不育系mt DNA酶切后在电泳谱带上有极明显的区别。
三、 玉米细胞质雄性不育的 分子生物学研究
       对玉米雄性不育的研究已有70多年的历史了,周洪生等采用DNA荧光指示剂DAPI(4’,6’-二脒基-二-苯基吲哚盐酸)和PITC(异硫氰酸荧光素)的显微荧光术观察同核异质系黄早4 的C、T、N型不育系和保持系黄早4的小胞子的发育过程,结果表明:几类不育类型小胞子均表现核物质的降解,只是降解的时期不同。
        C型不育系小孢子发育至二分体时表现正常,发育至四分体时细胞即表现不规则,细胞粘连很难分开,有些小孢子进入单核期,核物质开始降解细胞核和细胞质形状更不规则,进一步发育则核物质和细胞质降解殆尽,细胞折叠不成形状,最后整个药室内已观察不到核物质,无正;ǚ,细胞破碎。
        T 型不育系小孢子发育至四分体时表现正常,至单核期细胞形状开始不规则,核物质减少,其后核物质和细胞质开始降解,最后形成典型的败育花粉:瞬挥敌℃咦臃⒂痔迨本捅硐趾酥室斐H旧宀荒芊挚方2个细胞,使得不同细胞的分裂快慢差异很大进入单核小孢子期,核开始降解,细胞质随之也降解,最后,花粉只剩下壁结构。由此认为:雄性不育的细胞学实质就是细胞的自我降解。
       在植物细胞中,独立于核遗传系统的细胞质遗传系统主要有叶绿体和线粒体,它们有自己的遗传物质,能进行DNA复制、转录和翻译。大量研究结果表明玉米CMS和线粒体密切相关。
       玉米线粒体DNA的一个惊人的特点是,在环状分子中具有许多重复序列,如NA的mtDNA中有0.7、4.8、5.2、6、11、14、120kb 7套重复序列。
        现代分子生物学的研究表明:在T组雄性不育系花药绒毡层细胞内特异表达的UFR13蛋白(13Kd)与小斑病菌产生的T毒素具有共同的特征, T毒素可以与UFR13蛋白的第39氨基酸结合,使T组雄性不育系线粒体内膜通透形成雄性不育。在S组的线粒体DNA中还没有发现与CMS相关的特异嵌合基因。
        在C组细胞质线粒体中发现有1.57kb和1.42kb的两个质粒,分别命名为C1和C2质粒,这是C细胞质所特有的,可以作为鉴定C组的遗传标记。
         在S组细胞质线粒体中发现有6.3kb和5.4kb的两个质粒,分别命名为S1和S2质粒,这是S细胞质所特有的,可以作为鉴定S组的遗传标记。
       除了S组某些胞质外,在N、T、C和S四种胞质的线粒体中都发现了1.94kb的环状双链DNA质粒,在N、S、C胞质线粒体中还有2.35kb的DNA质粒。
               不同细胞质类型雄性不育系线粒体中的类质粒 ----------------------------------------------------------------------------       DNA长度     构型      N       T       C        S              Ru    ---------------------------------------------------------------------------- 7.4Kb         线型                                                      +(R1) 6.3 Kb        线型                                     +(S1) 5.4 Kb        线型                                     +(S2)   +(R2) 2.35 Kb                    +                  +        + 1.94 Kb      OC         +         +      +        +               +                    CCC                    L 1.57 Kb       OC                            + 1.42 Kb                                        +  -----------------------------------------------------------------------------
        通过一系列实验,从分子水平证明玉米雄性不育基因存在于mtDNA上,而与ctDNA无直接关系。
       实验表明,大部分遗传信息最终表现为蛋白质。发现在T组线粒体中存在一个13kd的特异蛋白质,称为T-多肽,其表达受到恢复基因的抑制,而正常胞质线粒体合成21kd的特异蛋白质,C组胞质线粒体合成17.5kd的特异蛋白质,S组胞质中存在58~84kd的8条高分子量特异蛋白。
 不同细胞质类型的玉米雄性不育系中线粒体特异多肽的比较    CMS类型   13Kd    15Kd    17.5Kd    21Kd     55Kd    88Kd      T              +                                              C                                        +             S                                                                     +          +      N                          +                              +            --------------------------------------------------------------------------------     
        研究发现,T、C、S三类CMS材料在不同核背景中均有不同程度的育性不稳定遗传的现象发生。这种不育性向可育方向发生偏移的不稳定现象,其主要的遗传因素可能来自于:         1、 核背景中的修饰基因         2、不同胞质组的育性基因与对应的核育性主效基因或育性修饰基因具有不同程度的互作效应。
四、  玉米细胞核雄性不育的研究进展         到目前为止,据文献报道,已发现并鉴定出来并编入永久基因符号命名的玉米细胞核雄性不育基因有26个,它们是ms1、ms2、ms3、ms5、ms7、ms8、ms9、ms10、ms11、ms12、ms13、ms14、ms17、ms18、ms19、ms20、Ms21、ms22、ms23、ms24、ms28、ms30、Ms41、Ms42、ms43、Ms44等。
       玉米温敏型雄性不育性研究              玉米温敏型雄性不育性是1992年由海南省农业科学院赫忠友在玉米自交系繁种田中发现的。该材料取名琼Qms(Qms为玉米温敏雄性不育的代号,Q代表发现地海南)。
        经3年9季6个世代的研究,发现其主要特点是:在雄穗发育的特定时期,温度条件能导致雄花育性的转换:在25℃以上高温条件下,雄穗花药发育不良,花药内花粉大部分败育;在 25℃以下温度条件下,表现正常开花散粉。这一特性能稳定遗传,通过育种程序,可将育性基因导入不同自交系,以育成温敏自交系,从而为玉米雄性不育“两系法”杂优育种和基因雄性不育的利用开辟了一条新的途径。
       由于温敏核不育是在环境条件的诱导下而产生的雄性不育,其不育性由隐性核基因控制,与细胞质无关,因此它在育种上有重要价值:
       一是它的育性由隐性核基因控制,决定了它的恢复系广谱,几乎所有的玉米品种、品系都能使其育性恢复正常,配组自由度较高;  
       二是由于其不育性受核基因控制,便于转育,可以迅速育成不同核背景的温敏雄性不育系;
       三是由于在亲本选配方面不受恢、保关系的制约,可以更快地利用常规杂优育种的新成果,加快新强优组合的选育进度;        四是该材料具正常胞质,不会产生特定的病菌生理小种专化性侵染。 
       目前,琼Qms的育性转换机制和不育性的细胞学机理及遗传规律、不育基因定位等还需进一步研究。
       光敏雄性不育玉米的发现及初步研究         光敏雄性不育属于核雄性不育,是在特定环境条件下表现出来的,也属于生态雄性不育的范畴。
         1994年冬季,周宏生等在海南省发现2行自交系CA507共38株全部不散粉,雄花闭颖不开,花药内无正;ǚ,用卡诺试剂固定花药,镜检发现,花粉粒不规则,遇碘-碘化钾不着色,属于典败型花粉败育型雄性不育,表现完全雄性不育。目前研究可初步说明:
       1、 该材料在短日照条件下为不育,在长日照条件下为可育,是一个阶段日光周期敏感雄性不育材料;
         2、 北京的日照长度14.5~15.5h可能就是该材料的育性转换的临界光长,所以在北京种植时出现可育株和不育株,一旦延长光周期长度至17.5h,则不再出现不育株;
五、玉米雄性不育系的应用
(一)选育不育系的方法
1、回交转育的方法            这是以现有的雄性不育系为基础,用优良自交系作转育对象,经过多次回交结合定向选择,把优良自交系转育成雄性不育系。具体方法是:以现有的稳定的雄性不育系做母本,用优良自交系作父本进行杂交,再以优良自交系作轮回亲本,进行多次回交,在回交后代中选具有父本优良性状的不育株进行回交,一般经过4-5代回交和选择,即可将优良自交系转  育成不育系。
2、早代测验转育的方法          这是选育新自交系并同时获得相应不育系的一种方法。先从两个自交系间的单交种中选株自交,自交株同时与不育系成对测交,测交种中的不育株经选择后再与优良的对应的自交株后代中的优株成对回交,这样经过4-5代的回交,就可选出若干对新的不育系及其同型保持系。
   (♀)甲自交系×乙自交系(♂)                              ↓                              F1                              ↓               ♀不育系×F2                                      (选优株自交)                              ↓                                        ↓               测交一代不育株×F3                   (选对应优良单株)                                        ↓                              ↓                       回交一代不育株×F4  (优良对应单株并自交)                                                 ↓                     ↓                                           回交4-5代          自交4-5代                                                 ↓                     ↓                                            新不育系          新保持系                           图   早代测验转育不育系的方法
     3、利用具不育细胞质的恢复系        与保持系杂交选不育系               本院(1984)采用具有不育细胞质的恢复系,与保持系杂交,在F2世代中可以分离出不育株。用若干自交系与不育株杂交,选能保持不育性的自交系连续回交,即可获得不育系。
        但是,欲选育出抗  小斑病强的优良不育系,则需在较多组合以及较大的群体中进行选择,才有可能获得成功。江苏农学院秦泰辰等从1978年开始该项工作,进行了大量的测交并进行对小斑病菌T小种性鉴定,于1982年选得一个YⅡ-1优良的不育系。
       YⅡ-1 不育系的不育性稳定,抗小斑病性强,易于“三系”配套,能恢复其育性的自交系较多。经过抗病性,光学细胞学、电镜超微结构、生化特性以及线粒体DNA(mtDNA)等方面的系统研究,已确定YⅡ-1不育系是一个新型不育系,该不育系已应用于生产。
(二) 选育恢复系的方法
1、测交筛选恢复系         这是最常用的一种方法。选用一批自交系分别与雄性不育系测交,如果某一测交种的雄花育性恢复正常,则说明其父本自交系就是相应不育系的恢复系。再经配合力的测定,就可选出优良的恢复系。
2、利用不育系和恢复系杂交,再用自交              系回交转育新的恢复系         在利用玉米雄性不育性育种工作中,为了获得一个具有良好配合力的恢复系DR,可先用不育系As与恢复系BR杂交,得到可育杂交种,再用欲转育成恢复系的优良自交系D与可育杂交种杂交,在后代中选可育株与自交系D回交4-5代后,选株自交2代,这样就可以得到具有自交系D优良性状的恢复系。
3、利用不育系和恢复系反回交转育新恢复系                 如需要把玉米自交系A转育为恢复系,而自交系A正好已得其同型不育系As,转育过程则较为方便。先用不育系As与一个恢复系BR杂交,再用不育系As与杂种一代反回交。在回交后代中选择具有不育系As性状的可育株。与不育系As反回交4-5代。
(♀)As  ×  BR (♂)                   ↓                  As ×(As×BR)                       ↓(选可育株与As回交)     As×〔As×(As×BR)〕          ↓(选可育株与As回交)     再用As反回交4~5代          ↓(选择)    自交一代(育性分离)                  ↓       自交二代恢复系               图    用不育系和恢复系反回交转育新的恢复系
4、利用不育系和具有恢复力的材料杂交                          选育二环恢复系           以优良玉米不育系或不育单交种作母本与具有恢复力的农家品种杂交种或综合品种杂交,从第二代开始结合自交系的选育,在分离的群体中选择性状优良、抗病的单株自交,可以获得二环恢复系。 
(♀)  As × R(♂)                    ↓            (As × R)                     ↓(自交,选性状优良的可育株)             (As × R)                     ↓(自交,选性状优良的可育株)             (As × R)                     ↓(恢复力鉴定并配新组合)              (As × R)(恢复力和配合力的测定)           图   利用不育系和具有恢复力的材料杂交                                    选育二环恢复系
(三)    玉米雄性不育系制种的技术
1、“三系”不育化制种的方法              育成配套的优良杂交种后就可用简便的方法投入到生产上,如三系优势组合,不育系A×恢复系R,其不育系繁殖和杂交种程序见图3-9。
♀   不育系  A      ×       恢复系R  ♂                             ↓                        ↘ (姊妹交)                            F1(投入生产大田)  恢复系R                      利用不育系与恢复系杂交制种         图   利用玉米雄性不育系杂交制种的方法
  ♀  不育系  A  ×  保持系B                        ↓             ↘(姊妹交)                   不育系 A           保持系B                    不育系的繁殖         图   玉米雄性不育系繁育的方法
2 、“二系”掺和制种的方法        这是指仅利用雄性不育系和保持系进行玉米自交系、不育系的繁殖以及配制单交种。这个方法的特点,可以迅速而有效的把配合力高、农艺性状优良的有苗头的单交种,在短时间内利用雄性不育性育种方法转育为不育系及其保持系。并用掺和法应用于生产,以苏玉16号为例示之。
JA   ×   JB     (JB是不育系JA的保持系)        ↓         ↘姊妹交         JA              JB           图      自交系JB与不育系JA的繁殖
       采用掺和法即与JA×Y53可育单交种混合即可应用于生产(图)。
方法A       隔离区Ⅰ (JA×Y53)         隔离区Ⅱ(JB×Y53) ♂♂♀♀♀♀♀♀♂♂♀♀   ♂♂♀♀♀♀♀♀♂♂♀♀ △△○○○○○○△△○○    △△×××××× △△××        ↓↓↓↓↓↓        ↓↓           ↓↓↓↓↓↓        ↓↓          不育杂交种                               可育杂交种                                       ↓       ( 隔离区Ⅱ的母本JB要去雄)                      按比例掺和用于大田生产      图中 ○母本JA不育系    ×母本保持系JB   △父本Y53
                                              方法B                    ♀♀♀♀♂♂♀♀♀♀♀♀♂♂♀♀                    ○○○○△△××○○○○△△××                                          ↓↓                      ↓↓                                      (去雄)               (去雄)                    母      本     行     上     种     子     混    合                                                    ↓                                              大田生产                          (母本保持系行JB要去雄)                             图3 利用不育系J7配制杂交种          图中 ○母本JA不育系    ×母本保持系JB   △父本Y53
        采用二系掺和法制种,不仅最低减少三分之二的去雄工作量,更重要的可以得到纯净优质的种子,保证种子质量,同时由于掺和了可育单交种,可以放心使用,不会像三系法  那样由于恢复系的恢复力因环境、纯度等因素影响,造成花粉量不足而减产。在二系掺和法繁育、制种过程中,要对不育系纯度严加检查,以保证质量。
§2.8 雄性不育利用的新进展 —雄性不育基因工程育种技术
       植物花粉的败育现象为常见的雄性不育类型,Mariani等人通过多年来研究胞质不育创造了用基因工程的方法诱导作物的雄性不育。
1 创造植物雄性不育的组织基础        花粉发育是在花药中完成的,花药壁的最内层细胞,即绒毡层细胞,为花药发育提供所需的营养,因此,当绒毡层细胞的发育发生异常时,花粉发育会因缺乏营养而发育异常。这为创造植物雄性不育奠定了良好的组织基础。
       2 创造植物雄性不育的分子基础           Mariani等人发现烟草中的 TA29启动子是一种特殊的启动子,它可以在花粉形成中进行特异性的时间和空间表达。他们将 TA29启动子与细菌或真菌的核糖核酸酶基因融合形成嵌合基因,当 TA29启动子在花粉发育时特异性表达核酸酶基因,其产物可特异性地破坏绒毡层的发育,从而导致植物花粉异常而不育。         
        Mariani等人将 TA29启动子与细菌 Bacillus amylolique-faciens中编码的一种细胞外核糖核酸酶 (Barnase) 的基因融合,构建为诱导雄性不育的融合基因: TA29- Barnase。
       利用 TA29- Barnase融合基因转化植株时,后代会发生分离现象,为了保持后代雄性不育的一致性,De Bolck等人将 TA29-Barnase融合基因与一抗除草剂基因紧密连锁,当利用此除草剂筛选后代时,连锁表达可使杂种后代成为均一的雄性不育群体。
3 创造雄性不育系的育性保持系       对于那些不收获雄性不育种子的作物,有了转基因雄性不育系和适当的恢复系就可以进行杂交种的生产了,但为了保持该不育系的接代还需要育性恢复系才能产生下一代的不育系种子。Mariani等人发现核酸酶 Barnase具有一个特异性抑制剂 Barstar,若将 TA2 9启动子与编码 Barstar的基因融合,其表达产物可特异性抑制核酸酶的活性,从而也就抑制了核酸酶对绒毡层的破坏,育性得以恢复。
       构建后的植物雄性不育基因,可通过农杆菌转化系统或基因枪等方法转化到作物中,经过分子遗传学和生物学方法鉴定来筛选转基因植株。
        张宏等用从烟草里克隆的T29启动子分离自Bacillus amylolique faciens的核糖核酸酶基因barnase,构建成雄性不育嵌合基因,再用农杆菌介导法转化番茄子叶,获得了具有雄性不育特征的转基因植株。
        刘大文等用基因枪将Zm13-Barease基因转化玉Q31×Z3、Z31×Q31的胚性愈伤组织,经6轮的除草剂筛选获得32块抗性愈伤组织,再生得到24个植株,其中5个植株的花粉为部分不育。
       万萌等用携带甘蓝型油菜TA29-Barnase雄性不育基因的农杆菌转化“双低”花培油菜,也获得了大量的转基因植株。
 

上一页:氨磺必利药理ppt 下一页:药品市场规划ppt

雄性不育基因ppt

下载地址

雄性不育基因ppt

优秀PPT

Copyright:2009-2019 pptbz.com Corporation,All Rights Reserved PPT教程 版权所有

免责声明:本网站内容由用户自行上传,如权利人发现存在误传其他作品情形,请及时与本站联系

PPT模板下载 粤ICP备13028522号