番茄雄性不育研究現(xiàn)狀與展望.pdf

收稿日期 2022 08 27 基金項(xiàng)目 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2020B020220001 2020B0202090002 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新 戰(zhàn)略專項(xiàng)資金 高水平農(nóng)科院建設(shè) 人才項(xiàng)目 R2020PY JX003 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)基金 202030 廣東 省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新及推廣項(xiàng)目 2022KJ106 作者簡(jiǎn)介 李翔 2000 男 在讀碩士生 研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝學(xué) E mail 1360220263 通信作者 李濤 1982 男 博士 副研究員 研究方向?yàn)榍压愂卟朔肿佑N E mail tianxing84 孫光聞 1968 女 博士 副教授 研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝生理生態(tài) E mail sungw1968 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023 50 2 49 58 Guangdong Agricultural Sciences DOI 10 16768 j issn 1004 874X 2023 02 006 李翔 李濤 宮超 黎振興 孫光聞 番茄雄性不育研究現(xiàn)狀與展望 J 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023 50 2 49 58 番茄雄性不育研究現(xiàn)狀與展望 李 翔 1 2 李 濤 2 宮 超 2 黎 振 興 2 孫光聞 1 1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 廣東 廣州 510642 2 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所 廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510640 摘 要 番茄是我國(guó)重要的蔬菜作物 其產(chǎn)量位居世界蔬菜前列 具有重要的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值 口味豐富多樣 植物雄性不育是因雄蕊發(fā)育異常 不能產(chǎn)生正常功能的花粉 而雌蕊發(fā)育正常并可利用外來(lái)正常花粉受精結(jié)實(shí) 番茄是典型的自花授粉植物 雜種優(yōu)勢(shì)明顯 且具有抗病性和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn) 目前 番茄在我國(guó)生產(chǎn)中子一 代雜交種子基本均為人工去雄授粉 所以在制種過(guò)程中需要大量的人力和物力 利用番茄雄性不育制種可以簡(jiǎn) 化制種過(guò)程 大量降低成本和提高種子純度 使得番茄產(chǎn)量和品質(zhì)大幅提升 因此番茄雄性不育研究與利用對(duì) 番茄遺傳育種具有重大的實(shí)踐意義 一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重要研究課題 概述了近年來(lái)番茄雄性不育研究領(lǐng)域 現(xiàn)狀 總結(jié)了番茄雄性不育的類型 番茄雄性不育基因工程技術(shù)的應(yīng)用 基因的精細(xì)定位及功能研究 番茄雄 性不育的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制分析 從遺傳學(xué)角度闡述溫度對(duì)番茄雄性不育的影響 探討其生理生化機(jī)制以及響應(yīng) 溫度變化的基因功能與調(diào)控機(jī)理 分析了番茄雄性不育的雜種優(yōu)勢(shì)及其在生產(chǎn)應(yīng)用中的利用價(jià)值 在此基礎(chǔ)上 提出當(dāng)前番茄雄性不育研究工作中所存在的問(wèn)題 并對(duì)未來(lái)番茄雄性不育技術(shù)的創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究等進(jìn)行展望 關(guān)鍵詞 番茄 雄性不育 基因工程 分子標(biāo)記 功能驗(yàn)證 雜種優(yōu)勢(shì) 中圖分類號(hào) S641 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1004 874X 2023 02 0049 10 Current Situation and Prospect of Research on Male Sterility of Tomato LI Xiang 1 2 LI Tao 2 GONG Chao 2 LI Zhenxing 2 SUN Guangwen 1 1 College of Horticulture South China Agricultural University Guangzhou 510642 China 2 Vegetable Research Institute Guangdong Academy of Agricultural Sciences Guangdong Key Laboratory for New Technology Research of Vegetables Guangzhou 510640 China Abstract Tomato is an important vegetable crop in China and its yield ranks the top among vegetables in the world It has important nutritional value with rich and varied tastes Plant male sterility is caused by the abnormal development of stamens which cannot produce pollen with normal function while pistils develop normally and can be fertilized by foreign normal pollen Tomato is a typical self pollinated plant with obvious heterosis and strong disease resistance and stress resistance At present the production of tomato F1 hybrid seeds in China basically depends on artificial emasculation and pollination therefore a lot of manpower and material resources are needed in the process of seed production In the use of tomato male sterile seed production the seed production process can be simplified costs be greatly reduced and and seed 50 番茄 Solanum lycopersicum L 屬于茄科番 茄屬 起源于南美洲 番茄產(chǎn)量居世界蔬菜作物 首位 全世界番茄年總產(chǎn)量高達(dá)1 7億t 1 自 20世紀(jì)50年代起 我國(guó)引進(jìn)番茄品種并迅速開(kāi) 始大面積種植栽培 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 2021 年我國(guó) 番茄種植面積已達(dá)111 27萬(wàn)hm 2 產(chǎn)量約 6 609 萬(wàn)t 2 目前我國(guó)不僅是番茄種植面積最大的國(guó) 家 番茄生產(chǎn)量和出口量也居世界第一 蔬菜作為雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要作物 在制種 生產(chǎn)過(guò)程中基本以人工去雄來(lái)實(shí)現(xiàn)良種繁育 植 物雄性不育主要特征是雄蕊發(fā)育異常 無(wú)法產(chǎn)生 有正常功能的花粉 而雌蕊發(fā)育正常 因此植物 可通過(guò)外來(lái)正?；ǚ凼芫Y(jié)實(shí) 植物雄性不育在 植物界中較為廣泛 目前已發(fā)現(xiàn)在18科110種 植物中存在 3 植物雄性不育一般分為細(xì)胞核雄 性不育 Genic male sterility GMS 和細(xì)胞質(zhì)雄 性不育 Cytoplasmic male sterility CMS 兩種類 型 其中細(xì)胞質(zhì)雄性不育又稱質(zhì)核互作不育 廣 泛存在于高等植物中 目前生產(chǎn)上大多數(shù)采取的 是CMS育種技術(shù) 在CMS雜交育種中 細(xì)胞質(zhì) 雄性不育系 保持系以及恢復(fù)系被稱為 三系 恢復(fù)系是該技術(shù)的關(guān)鍵所在 其最大優(yōu)點(diǎn)是可以 有效地保持雄性不育特性 段琉穎等 4 通過(guò)研 究水稻 CMS 育種技術(shù)以及育性恢復(fù)基因的發(fā)展趨 勢(shì) 發(fā)現(xiàn)我國(guó)在生產(chǎn)中利用 CMS 技術(shù)雜交水稻種 植面積超過(guò) 50 水稻產(chǎn)量占世界水稻總產(chǎn)量的 60 以上 目前 水稻 小麥 5 玉米 6 等植 物已建立一套完整的 CMS 育種技術(shù)并大面積投入 到生產(chǎn)中 番茄屬于自花授粉植物 雜種優(yōu)勢(shì)明顯 且 具有抗病性和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn) 采用雜種優(yōu)勢(shì)育 種的產(chǎn)量比常規(guī)育種高出20 30 目前在生 產(chǎn)中番茄育種大多依靠人工進(jìn)行去雄和授粉 這 樣不僅消耗大量人力 物力及財(cái)力 其制種產(chǎn)量 也達(dá)不到預(yù)期 番茄雄性不育首次于1915年被 Crane 7 提及 自20世紀(jì)30年代以來(lái)一直是國(guó) 內(nèi)外研究學(xué)者的重要研究主題之一 據(jù)報(bào)道 已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約有 55 種番茄雄性不育突變體材料 如 ms male sterility 系列 ps positional sterility 系列 sl stamenless 系列等 8 中國(guó)科學(xué)院 遺傳與生物發(fā)育研究所利用 CRISPR Cas9 技術(shù)對(duì) 番茄骨干自交系TBo993的雄蕊特異性表達(dá)基因 SISTR1 進(jìn)行定向敲除來(lái)創(chuàng)造不育系 以及通過(guò)轉(zhuǎn) 基因技術(shù)將正常功能的 SISTR1 基因和控制花青 素合成的 SIANT1 基因結(jié)合轉(zhuǎn)回到不育系中得到 恢復(fù)育性的保持系 9 為鑒定番茄細(xì)胞質(zhì)雄性 不育方面的基因 Kuwabara 等 10 以3個(gè)栽培番 茄 系 S lycopersicum Sekai ichi O 和 P 為細(xì)胞核供體 馬鈴薯野生近緣種 Solanum acaule 為細(xì)胞質(zhì)供體 利用這兩種供體創(chuàng)造出 2 份不對(duì)稱細(xì)胞融合體 并通過(guò)回交比對(duì)分析揭示 了番茄中的動(dòng)態(tài)基因組重組與細(xì)胞質(zhì)雄性不育相 關(guān)基因 此研究對(duì)番茄開(kāi)發(fā)新 F 1 代雜交育種提供 了原理與方法 但是 目前尚未在番茄中找到恢 復(fù)基因并進(jìn)行克隆 使得 CMS 雜交育種技術(shù)無(wú)法 在番茄生產(chǎn)中實(shí)施 如果此項(xiàng)技術(shù)能運(yùn)用在番茄 生產(chǎn)中 則將大量節(jié)約人工成本 并提高種子純 度及產(chǎn)量 綜上所述 番茄雄性不育的研究與應(yīng) 用十分重要 本文對(duì)番茄雄性不育研究現(xiàn)狀及展 望進(jìn)行闡述 以期為國(guó)內(nèi)外學(xué)者在番茄雄性不育 理論研究及技術(shù)應(yīng)用方面提供參考 purity be improved in this case tomato yield and quality will be increased significantly Therefore the research and utilization of tomato male sterility is of great practical significance to tomato genetic breeding and has always been an important research topic for the domestic and foreign scholars This paper mainly outlines the current situation of male sterility of tomato in recent years summarizes the types of tomato male sterility the application of genetic engineering technology of tomato male sterility the fine positioning and functional study of tomato male sterility gene and the analysis of cell biological mechanism of tomato male sterility The effect of temperature on tomato male sterility is expounded from the perspective of genetics and the physiological and biochemical mechanism and the gene function and regulation mechanism in response temperature changes are discussed Then the heterosis of tomato male sterility and its utilization value in production and application are analyzed On this basis the problems existing in the current research work are put forward and the innovation and basic research of tomato male sterility technology in the future are prospected Key words tomato male sterility genetic engineering molecular marker functional verification heterosis 51 1 番茄雄性不育類型 1 1 功能型雄性不育 番茄功能型雄性不育是指花器官發(fā)育正常 可以產(chǎn)生可育的花粉 但是由于花藥不開(kāi)裂或開(kāi) 裂異常導(dǎo)致花粉無(wú)法在自然狀態(tài)下抵達(dá)柱頭 從而造成不育 如 ps positional sterility cl cleistogamous cl 2 cleistogamous 2 等 11 功能型雄性不育的典型代表是贊貝爾型雄性不育 系 JohnBear 12 其花藥幾乎不開(kāi)裂 使得無(wú) 法自花授粉導(dǎo)致不育 類似地 Atanassova 13 通 過(guò)對(duì) ps 2 positional sterility 2 類型詳細(xì)研究發(fā) 現(xiàn) 其花瓣正常但花藥不開(kāi)裂 因其開(kāi)裂區(qū)間細(xì) 胞被纖維填充 造成發(fā)育畸形 無(wú)法提供花藥開(kāi) 裂的能量 使得番茄 ps 2 類型表現(xiàn)為功能型雄性 不育 1 2 部位型雄性不育 番茄部位型雄性不育是指花器官發(fā)育正常 但由于植株中柱頭高于雄蕊藥筒無(wú)法授粉形成不 育 其表型不穩(wěn)定且易受環(huán)境溫度的影響 遺傳 復(fù)雜 又稱為L(zhǎng)型不育 張少麗等 14 對(duì)部位型 雄性不育進(jìn)行了詳細(xì)研究 結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)論是耐熱 型植株還是溫敏型植株在高溫情況下都會(huì)促進(jìn)花 柱的伸長(zhǎng) 溫敏型植株的花柱長(zhǎng)度更易受到影響 表明溫度可通過(guò)調(diào)控番茄花柱的伸長(zhǎng)進(jìn)而影響其 授粉過(guò)程 1 3 花粉敗育型雄性不育 花粉敗育型雄性不育又稱為孢子雄性不育 大部分發(fā)生在小孢子減數(shù)分裂 期或減數(shù)分裂 完成后 在田間表現(xiàn)為雄蕊無(wú)花粉釋放 15 Rick 16 曾對(duì)花粉敗育型植株中9個(gè) ms male sterility 突變體進(jìn)行研究 發(fā)現(xiàn)造成其雄性不 育的原因均與絨氈層的發(fā)育相關(guān) Liu等 17 對(duì) ms 32 male sterility 32 突變體的研究結(jié)果顯示 在減數(shù)分裂前期其花藥形態(tài)和正常植株相同 但 在四分體 小孢子 有絲分裂和裂開(kāi)階段有明顯 的形態(tài)差異 在絨氈層細(xì)胞中也有明顯差異 其 體現(xiàn)在細(xì)胞異常增大 空泡化 從而無(wú)法正常授 粉導(dǎo)致不育 更加表明番茄雄性不育花粉敗育型 敗育原因與絨氈層發(fā)育密切相關(guān) 1 4 雄蕊退化型雄性不育 雄蕊退化型雄性不育是由于其一般具有畸形 的雄蕊或無(wú)雄蕊 雖然植株其他花部位正常發(fā)育 但因無(wú)法產(chǎn)生花粉導(dǎo)致不育 如 sl stamenless 系列 目前已發(fā)現(xiàn)6個(gè) sl 突變體 pi pistillate pi 2 pistillate 2 等 其中番茄雄蕊退化型雄性 不育最典型的結(jié)構(gòu)類型是 pi 和 pi 2 Rick 11 18 對(duì)這兩種類型番茄進(jìn)行研究 發(fā)現(xiàn)盡管在顯微鏡 下觀察到的 pi 突變體器官表型與其他結(jié)構(gòu)不育型 花相似 但其同源突變體在擬南芥中可能沒(méi)有可 育雄蕊 Polowick等 19 通過(guò)比較 sl 2 stamenless 2 突變體與野生型減數(shù)分裂時(shí)絨氈層細(xì)胞差異發(fā) 現(xiàn) 突變體絨氈層細(xì)胞在減數(shù)分裂早期就出現(xiàn)了 變異 在四分體時(shí)期絨氈層進(jìn)一步松散和擴(kuò)大 從而導(dǎo)致質(zhì)壁分離產(chǎn)生沒(méi)有可育功能的花粉 表 明減數(shù)分裂時(shí)期絨氈層的變異可能導(dǎo)致番茄雄蕊 退化型雄性不育的產(chǎn)生 2 番茄雄性不育基因工程研究進(jìn)展 基因工程是指在分子水平將外源基因通過(guò)體 外重組技術(shù)導(dǎo)入到受體細(xì)胞中 使該基因能夠在 受體細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 翻譯表達(dá)并且能夠 穩(wěn)定遺傳的技術(shù) 1994 年番茄作為世界上第一例 轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品出現(xiàn) 20 隨著基因工程技術(shù)不斷提高 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物中的應(yīng)用日趨成熟 與傳統(tǒng)育 種技術(shù)相比 使用轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)獲得的番茄具 有品質(zhì)更好 口感更為豐富等優(yōu)勢(shì) 導(dǎo)入外源基 因后番茄發(fā)生改變的性狀中主要涉及抗除草劑 抗寒性 抗鹽性 抗病性 耐貯性和雄性不育性等 其中 雄性不育作為番茄基因工程研究的著重點(diǎn) 至今國(guó)內(nèi)外研究者們通過(guò)對(duì)番茄雄性不育基因的 初定位 精細(xì)定位 基因家族的鑒定 候選基因 的篩選 基因功能鑒定與驗(yàn)證等研究發(fā)現(xiàn)了許多 有關(guān)番茄雄性不育方面的基因 如 ms32 ms14 ms10 等 其研究成果將推動(dòng)育性研究的進(jìn)程 2 1 番茄雄性不育基因的精細(xì)定位 研究者通過(guò)分子標(biāo)記等技術(shù) 對(duì)許多不同 種類的番茄雄性不育基因進(jìn)行了精細(xì)定位和克 隆 Gorman 等 21 利用圖位克隆技術(shù)找到兩個(gè) 與 ms 14 基因緊密相連的 RFLP 探針 ct120A TG393 發(fā)現(xiàn) ms 14 基因定位在番茄 11 號(hào)染色 體上的 300 kb 區(qū)間內(nèi) 在 610 kb 的 YAC 克隆條 帶上發(fā)現(xiàn)有該基因 為進(jìn)一步開(kāi)展 ms 14 基因的 功能研究奠定了基礎(chǔ) Jeong 等 22 選用番茄雄性 可育親本 T 1082 和雄性不育 ms 10 35 2 517 作為親本 其后代分別與親本 T 1082 回交6 52 次后對(duì) ms 10 基因進(jìn)行分析 發(fā)現(xiàn) ms 10 35 在減數(shù) 分裂前期到四分體時(shí)期 該基因在減數(shù)分裂細(xì)胞 和絨氈層組織中特異性表達(dá) 試驗(yàn)結(jié)果可以表明 該基因在小孢子發(fā)育過(guò)程中主要參與調(diào)節(jié)絨氈層 細(xì)胞的減數(shù)分裂和程序性細(xì)胞死亡 Zhang 等 23 通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇 MAS 技術(shù)發(fā)現(xiàn)與番茄 雄性不育相關(guān)的 SLGSTAA 基因缺失 并開(kāi)發(fā)了 一種用于區(qū)分純合野生型 雜合和純合突變的共 顯性 InDel 標(biāo)記 AAD 其研究結(jié)果有助于番茄中 SLGSTAA 基因的功能分析和標(biāo)記輔助選擇 Wang 等 24 使用番茄雄性不育基因 ms 10 35 的植株作為 試驗(yàn)材料 利用 ITRAQ Based 蛋白組學(xué)技術(shù)揭示 了番茄雄性不育基因 ms 10 的蛋白質(zhì)組學(xué)變化 結(jié)果顯示脂肪酸代謝受損可能造成其雄性不育 且已通過(guò)實(shí)時(shí)定量 PCR qRT PCR 和生理測(cè)定 證實(shí) Cao 等 25 通過(guò)研究B類 MADS box 基因 TM6 將 ms 15 26 精確定位到 2 號(hào)染色體上的 44 6 kb 區(qū)間內(nèi) 通過(guò)共顯性插入 缺失 InDel 標(biāo)記 共顯性衍生的切割擴(kuò)增多肽序列 dCAPS 標(biāo)記 以及 SNP 標(biāo)記技術(shù)開(kāi)發(fā)出 2 種候選基因特異性標(biāo) 記 MS26D 和 MS15C 實(shí)時(shí)定量 PCR 分析發(fā)現(xiàn)在 ms 15 26 和 ms 15 47 突變體花中幾乎檢測(cè)不到 TM6 基因的表達(dá) 表明基因 TM6 在雄蕊發(fā)育過(guò)程中起 重要作用 這為 ms 15 或其他等位基因在雜交育 種中母本的 MAS 定位研究提供了依據(jù) 早期 Larson 等 26 對(duì)番茄雄性不育基因 ps 進(jìn)行了功能分析與定位 其結(jié)果推動(dòng)了研究者對(duì) 番茄雄性不育基因 ps 的研究 Staniaszek 等 27 利用 5 CACAGCGACA 3 和 5 CCAGGCTGAC 3 引物擴(kuò)增出 1 230 bp 和 780 bp 的特異性片段 找到2個(gè)與ps基因緊密連鎖的RAPD標(biāo)記 同 時(shí)利用這些標(biāo)記進(jìn)行輔助選育及雜種純度鑒定 Stoilova 等 28 和 Atannassova 等 29 通過(guò)對(duì) ps 2 基 因初步定位 證明該基因與 ful 基因連鎖 但圖 譜距離較大 Gorguet 30 完成了番茄 ps 2 基因的 精細(xì)定位 其開(kāi)發(fā)出 ps 2 基因區(qū)域的高分辨率 連鎖圖譜 將 ps 2 基因定位在4號(hào)染色體短臂 To958 和 To635 之間的 1 65 cM 區(qū)間內(nèi) 進(jìn)一步確 定了 ps 2 基因所在的區(qū)間 為后續(xù)研究 ps 2 基因 奠定了基礎(chǔ) 朱莎等 31 以番茄株系92155為父本 含有 ps 2 基因的不育材料CMC1ps2 來(lái)自保加 利亞 為母本 構(gòu)建了 123 個(gè) F 2 代分離群體 通 過(guò) RFLP COS 標(biāo)記以及 SSR 技術(shù)手段 經(jīng)相應(yīng) 的遺傳分析獲得 1 個(gè) SSR 標(biāo)記 SSR450 和 1 個(gè) CAPS 標(biāo)記 TG123 這兩個(gè)標(biāo)記屬于 ps 2 基因 兩側(cè)的共顯性標(biāo)記 連鎖遺傳距離分別是 4 9 cM 和 11 6 cM 這兩個(gè)標(biāo)記可以直接運(yùn)用于標(biāo)記輔助 育種和雜種純度鑒定 Riccini 等 32 利用 RNA seq分析技術(shù)研究不同番茄時(shí)發(fā)現(xiàn)了影響花柱長(zhǎng) 度變化的新基因 bHLH001 為研究番茄柱頭外露 導(dǎo)致雄性不育的機(jī)理 Cheng 等 33 以番茄突變體 T431 和 DL5 發(fā)育過(guò)程中的花為試驗(yàn)材料 利用 SLAF BSA seq 重測(cè)序 超表達(dá)分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn) 維管束細(xì)胞數(shù)量的增加是導(dǎo)致柱頭外露的主要原 因 且發(fā)現(xiàn) 12 號(hào)染色體上有 26 個(gè)與柱頭外露相 關(guān)候選基因 其中 SlLst 基因?yàn)橹^外露的關(guān)鍵基 因 該研究為了解番茄雄性不育植株柱頭外露開(kāi) 拓了新思路 綜上所述 隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與 發(fā)展 番茄雄性不育基因的挖掘與功能研究不斷 深入 2 2 番茄雄性不育基因的功能研究 為探究番茄長(zhǎng)花柱型雄性不育的分子機(jī)制 張少麗等 14 對(duì) QTL 位點(diǎn)進(jìn)行了分析 發(fā)現(xiàn)其分 別定位在 2 5 8 號(hào)等染色體上 表明控制番茄 長(zhǎng)花柱性狀的基因較為多樣 同時(shí)研究了番茄溫 敏型長(zhǎng)花柱突變體系 T431 花柱長(zhǎng)度變化的影響 機(jī)制 發(fā)現(xiàn)該類型主要由 style2 1 基因控制 在 花的形態(tài)形成過(guò)程中 style2 1 基因發(fā)生突變 造 成該基因表達(dá)水平下調(diào)導(dǎo)致花柱縮短 34 表明 相對(duì)高溫會(huì)使花柱變長(zhǎng) 趙攀等 35 對(duì)番茄長(zhǎng)柱 型與短柱型相關(guān)QTL進(jìn)行研究 發(fā)現(xiàn)14個(gè)QTL 分別分布在1 2 3 4 5 8 9和12號(hào)染色體上 并發(fā)現(xiàn) 3 個(gè)效應(yīng)基因 style2 1 SlLst 和 SE3 1 雖 然其調(diào)控機(jī)制尚不明確 但為后續(xù)基因克隆與功 能鑒定研究提供了方向 目前 CRISPR Cas9 技術(shù) 主要應(yīng)用于改良作物的優(yōu)良性狀遺傳方面 但存 在限制因素 許多農(nóng)作物的某一性狀不是由單個(gè) 基因或單個(gè)堿基變異 缺失就能改變 在多個(gè)基 因的基因編輯中 影響 CRISPR Cas9 編輯效率的 因素更多 如遺傳轉(zhuǎn)化效率 靶點(diǎn)設(shè)計(jì) 功能冗 余基因等 劉玉琛等 8 利用 CRISPR Cas9 技術(shù) 創(chuàng)造番茄雄性不育株系中 發(fā)現(xiàn)了具有特異性的 基因 SIAP3 該基因突變使得番茄表現(xiàn)為雄性不 育 Jung 等 36 通過(guò)使用 CRISPR Cas9 技術(shù)敲除 SIMS10 使得番茄表現(xiàn)為雄性不育表型 通過(guò)深度 測(cè)序分析選擇 SIMS10 基因靶位點(diǎn)的 11 種不同突 53 變類型 發(fā)現(xiàn) cr ms 10 1 4 突變株系在花的發(fā)育 過(guò)程中表現(xiàn)出減數(shù)分裂時(shí)期功能失調(diào)以及絨氈層 發(fā)育異常等現(xiàn)象 綜上所述 通過(guò)靶基因的選擇 和 CRISPR Cas9 技術(shù)將為創(chuàng)制番茄雄性不育系材 料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持 目前研究者已經(jīng)開(kāi)展了許多有關(guān)番茄雄性 不育的研究 但是對(duì)不育基因的研究相當(dāng)缺乏 Hazra 等 37 指出在已經(jīng)報(bào)道的55個(gè)番茄核基因 雄性不育突變體中完成初步定位的突變體只占少 數(shù) 多數(shù)突變體還只停留在表型上 在實(shí)際應(yīng)用 上未有相關(guān)進(jìn)展 目前定位克隆的番茄雄性不育 基因有 SIAP3 Ms10 35 和 MS32 等 其中 Ms10 35 和 MS32 屬于 bHLH 家族中的轉(zhuǎn)錄因子 它們?cè)?細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中會(huì)特異性表達(dá) 能使絨氈層細(xì)胞 的發(fā)育異常進(jìn)而導(dǎo)致花粉敗育 而在研究中通常 以 Ms10 35 作為 CRISPR Cas9 構(gòu)建番茄不育系研究 的靶基因 8 3 番茄雄性不育的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制及溫度 對(duì)其影響 3 1 番茄雄性不育的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制 細(xì)胞學(xué)分析可以從各個(gè)方面了解番茄雄性不 育基因調(diào)控花粉敗育的基礎(chǔ)過(guò)程 張秀剛 38 對(duì) 番茄花粉發(fā)育過(guò)程進(jìn)行觀察 從孢原細(xì)胞開(kāi)始發(fā) 育 經(jīng)過(guò)造孢細(xì)胞 小孢子母細(xì)胞 四分體 小 孢子 雄配子體等發(fā)育階段 最后成為二核花粉 粒 Sawhney 等 39 對(duì)番茄雄性不育 sl 2 sl 2 品 種的突變體小孢子進(jìn)行細(xì)胞生物學(xué)研究 用顯微 鏡觀察其特性 發(fā)現(xiàn)由于其絨氈層的延遲解體導(dǎo) 致番茄雄性不育 張秀剛等 40 選用花粉敗育型 品種72 1 通過(guò)采用石蠟切片和細(xì)胞學(xué)壓片技 術(shù) 首次較為詳細(xì)地研究了番茄雄配子與小孢子 的細(xì)胞學(xué)過(guò)程 發(fā)現(xiàn)在小孢子母細(xì)胞形成之前花 藥的發(fā)育基本正常 花藥異常發(fā)育可能介于減數(shù) 分裂第 2 次有絲分裂后期到四分體形成之際和小 孢子發(fā)育早期到大液泡形成之前 其中主要敗育 現(xiàn)象是無(wú)法形成正常狀態(tài)的四分體以及形成空癟 花粉 敗育的主要原因是部分絨氈層細(xì)胞提早溶 解 絨氈層組織不同步溶解和溶解不徹底 導(dǎo)致 減數(shù)分裂后小孢子發(fā)育異常以及營(yíng)養(yǎng)不足 袁亦 楠等 41 以番茄雄性不育材料95305和可育材料 早粉二號(hào)作為試驗(yàn)材料 挑取不同長(zhǎng)度花蕾中的 花藥 制作切片后用光鏡和透射電鏡觀察花粉母 細(xì)胞減數(shù)分裂 發(fā)現(xiàn)番茄 95305 的敗育可能發(fā)生 在一個(gè)很大的區(qū)間內(nèi) 從小孢子母細(xì)胞時(shí)期到單 核中后期小孢子的外壁發(fā)育 而導(dǎo)致敗育的原因 很多 包括小孢子形成時(shí)期與絨氈層形成異常 小孢子發(fā)育與絨氈層的發(fā)育不同步 還可能因?yàn)?花藥畸形導(dǎo)致敗育 李君明等 42 田間觀察發(fā)現(xiàn) 番茄功能型雄 性不育品種 ps 2 類型在自然狀態(tài)下不育性穩(wěn)定 花器官發(fā)育正常 但是花藥不開(kāi)裂 表明該品種 可用于田間栽培試驗(yàn) 毛秀杰等 43 對(duì)番茄雄性 不育系 JL 2 株型的小孢子發(fā)育過(guò)程進(jìn)行細(xì)胞學(xué) 觀察 石蠟切片后用 ZEISS 顯微鏡觀察并拍照記 錄 發(fā)現(xiàn)小孢子發(fā)育期間絨氈層細(xì)胞提前液泡化 不能正常提供營(yíng)養(yǎng)給小孢子使其正常發(fā)育 導(dǎo)致 絨氈層細(xì)胞發(fā)育異常進(jìn)而敗育 Omidvae等 44 以 7B 1 番茄雄性不育突變體作為試驗(yàn)材料 通過(guò) mRNA 測(cè)序 RNA Seq 并對(duì)野生型 WT 花藥 的轉(zhuǎn)錄組譜進(jìn)行分析 結(jié)合細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其花 藥發(fā)育過(guò)程存在幾個(gè)缺陷 包括減數(shù)分裂時(shí)期功 能失調(diào) 花藥成熟不同步 小孢子母細(xì)胞停滯發(fā) 育 胼胝質(zhì)降解缺失 PCD 延遲和絨氈層細(xì)胞發(fā) 育異常 綜上所述 番茄雄性不育的原因均與絨 氈層細(xì)胞的發(fā)育異常密切相關(guān) 而與材料類型關(guān) 系不大 3 2 溫度對(duì)番茄雄性不育的影響 3 2 1 生理生態(tài)作用 溫度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有 重要影響 在逆境環(huán)境下 溫度對(duì)番茄雄性不育 突變體的影響較大 Rick等 45 研究發(fā)現(xiàn) vms 雄性不育突變體的雄蕊畸形隨著環(huán)境和時(shí)間的變 化有不同表現(xiàn) 在露地栽培時(shí) 受高溫影響其雄 蕊發(fā)育不正常且形成 心皮狀 結(jié)構(gòu) 但在溫室 中 當(dāng)溫度低于 30 時(shí)番茄可正常開(kāi)花 短期高 溫 40 和長(zhǎng)期高溫 30 下表現(xiàn)為雄蕊畸形 因此推測(cè)雄蕊的發(fā)育可能受熱激蛋白調(diào)控 使得 番茄表現(xiàn)出雄性不育 Sawheny 等 46 發(fā)現(xiàn)番茄雄 性不育突變體 sl 2 在相對(duì)低溫 18 晝 15 夜 條件下 大多數(shù)植株的花均可產(chǎn)生正常雄蕊和可 育花粉 相對(duì)中溫 23 晝 18 夜 下雄蕊發(fā) 生畸形且無(wú)法產(chǎn)生可育花粉 但在高溫 28 晝 23 夜 下生長(zhǎng)的雄蕊形成 心皮狀 結(jié)構(gòu) 且 無(wú)花粉產(chǎn)生 因此表明當(dāng)溫度越高雄蕊產(chǎn)生的可 育花粉越少 不育性越高 早有報(bào)道 不同溫度 條件對(duì) sl 2 sl 2 番茄雄性不育的調(diào)控與植物激素 54 效應(yīng)密切相關(guān) 47 其中強(qiáng)調(diào)了溫度調(diào)控在番茄 育種中的潛在作用 張賀等 48 研究發(fā)現(xiàn)番茄突變體 T431 是溫 敏型長(zhǎng)花柱雄性不育系 在不同溫光組合下變體 T431 材料柱頭的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度和育性差異性很大 該 株型最敏感時(shí)期前2 6 d 花瓣的張角為60 育性轉(zhuǎn)換的溫度是24 68 結(jié)果表明溫度與花 柱伸長(zhǎng)長(zhǎng)度呈現(xiàn)顯著正相關(guān) 而與育性呈現(xiàn)負(fù)相 關(guān) 陳麗等 49 以該突變體 T431 為試驗(yàn)材料卻 得出不同結(jié)論 發(fā)現(xiàn) T431 對(duì)溫度敏感 18 晝 10 夜 時(shí)期在花芽分化期 2 葉 1 心 燕正 民等 50 研究指出 番茄突變體 T431 的不育率 在田間溫度高于20 時(shí)可達(dá)到95 以上 王先 裕等 51 發(fā)現(xiàn) 番茄溫敏雄性不育系 T 4 突變體 在不同溫度下有不同的表現(xiàn)形態(tài) 在溫度周期為 28 晝 18 夜條件下 T 4 突變體部分恢復(fù)育性 表現(xiàn)為可育 而在溫度周期為28 晝 24 夜和 28 晝 12 夜下 T 4 突變體表現(xiàn)為雄性不育 結(jié)果表明夜間溫差的不同也會(huì)對(duì)番茄 T 4 突變體 育性造成差異 朱廣廉等 52 發(fā)現(xiàn)脯氨酸的含量 與番茄溫敏型雄性不育有關(guān) 缺乏脯氨酸的植株 通常表現(xiàn)為雄性不育 表明脯氨酸參與番茄溫敏 型雄性不育機(jī)制的調(diào)控 馬雅琳等 53 發(fā)現(xiàn) 無(wú) 論是高溫還是低溫處理 番茄品種 J59 的花柱長(zhǎng) 度均沒(méi)有顯著差異 相關(guān)機(jī)制尚不明確 3 2 2 生化作用 前期研究發(fā)現(xiàn)雄性不育花藥或 葉片中蛋白質(zhì) 氨基酸 同工酶等物質(zhì)含量的異 常引起植物雄性不育 脯氨酸含量是影響花粉活 力的重要因素之一 54 在番茄中 脯氨酸在子 房中的含量是其他部位的6 10倍 表明脯氨酸 可能參與番茄雄性不育的調(diào)控 Sato 55 等研究發(fā) 現(xiàn)在番茄發(fā)育過(guò)程中 高溫會(huì)破壞糖代謝和脯氨 酸的轉(zhuǎn)運(yùn) 表明溫度會(huì)影響代謝途徑導(dǎo)致花粉活 力下降造成植株雄性不育 國(guó)亞慧等 56 以番茄 溫敏型核雄性不育系植株 T 4 花藥為試驗(yàn)材料 發(fā)現(xiàn)在不育溫度下其蛋白質(zhì)含量顯著低于可育溫 度下的蛋白質(zhì)含量 而相比于對(duì)照組花藥中蛋白 質(zhì)的含量 番茄 T 4 花藥的蛋白含量明顯較低 通過(guò)分析 POD 同工酶和 EST 同工酶的酶譜差異 番茄 T 4 在不育溫度下 POD 同工酶和 EST 同工酶 譜帶數(shù)量明顯多于可育溫度下處理組 這表明番 茄 T 4 花藥中蛋白質(zhì)含量 同工酶 POD 以及 EST 的表達(dá)都對(duì)番茄雄性不育具有影響 羅丹等 57 以番茄3個(gè)抗寒性品種耐運(yùn)2000 京樂(lè)502和 O 33 1為試驗(yàn)材料 測(cè)定不同低溫和脅迫時(shí)間 幼苗葉片中脯氨酸含量 吡咯啉 5 羧酸合成酶 P5CS 活性 鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)移酶 8 0AT 活性 脯氨酸脫氫酶 ProDH 活性的變化來(lái)研究其對(duì) 代謝關(guān)鍵酶活性的影響 發(fā)現(xiàn)脯氨酸隨低溫處理 時(shí)間的積累規(guī)律與 OAT活性變化呈現(xiàn)正相關(guān) 性 由此可見(jiàn)脯氨酸的合成主要受到鳥(niǎo)氨酸途徑 的影響 而與 ProDH 活性變化基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān) 表明脯氨酸的積累是合成與降解共同作用導(dǎo)致 綜上所述 可以通過(guò)蛋白質(zhì) 同工酶以及脯氨酸 的生化作用調(diào)控番茄雄性不育 3 2 3 基因調(diào)控 為研究溫度對(duì)番茄溫敏型長(zhǎng)花 株突變體 T431 的影響機(jī)制 陳麗等 49 在4個(gè)不 同時(shí)期設(shè)置多個(gè)時(shí)間梯度及溫度梯度 發(fā)現(xiàn)番茄 溫敏型長(zhǎng)花株突變體 T431 在花芽分化期 2 葉 1 心 最容易影響花柱的伸長(zhǎng)和育性轉(zhuǎn)化 最敏感 的溫度為 18 10 燕正民等 50 以番茄溫敏型長(zhǎng) 花柱突變體 T431 為試驗(yàn)材料 對(duì)逆境脅迫有關(guān)的 轉(zhuǎn)錄輔助激活因子 LeMBF1 進(jìn)行分析并得到完整 序列 發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子可能參與花器官的形成并 抑制突變體 T431 的花柱伸長(zhǎng)導(dǎo)致敗育 顏夢(mèng)雨 58 通過(guò)對(duì)油菜素內(nèi)酯和 HsfA1a 調(diào)控番茄花粉發(fā)育和 高溫抗性的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn) 在高溫脅迫下 HsfAla 過(guò)表達(dá)的植株中其花粉活力并未顯著下降 表明 轉(zhuǎn)錄因子 HsfAla 可能通過(guò)對(duì) HSPs 的誘導(dǎo)和自噬 的調(diào)控增強(qiáng)番茄植株花粉的高溫抗性 Gao 等 20 以擬南芥為試驗(yàn)材料 通過(guò) RNA seq 和 ChIP seq 分析方法發(fā)現(xiàn) AtbZIP17 依賴的高溫脅迫響應(yīng)靶 基因 表明 AtbZIP17 在熱脅迫響應(yīng)中影響作物育 性 綜上所述 基因可以通過(guò)控制植株的生理生 化變化和形態(tài)構(gòu)建決定其育性 4 番茄雄性不育的雜種優(yōu)勢(shì)與利用 番茄雄性不育雜種優(yōu)勢(shì)在于其子代表型 繁 殖率 生長(zhǎng)率等均優(yōu)于親本 且純度較高 可以 獲得更高的利潤(rùn) 因此在生產(chǎn)中被大量推廣利用 茄科植株中以辣椒雄性不育在雜種優(yōu)勢(shì)中最為明 顯 59 國(guó)內(nèi)推廣種植的辣椒品種有 90 以上是 一代雜交種 張銳等 60 發(fā)現(xiàn)有 30 多家科研單位 從事辣椒雄性不育研究 同時(shí)還有部分民營(yíng)企業(yè) 進(jìn)行該方面研究 目前 番茄雄性不育系的研究方向大多為細(xì) 55 胞核雄性不育 即由一對(duì)隱性核基因控制的小孢 子發(fā)生不育 61 核雄性不育系分為 AB 兩用系 50 為不育株 50 為可育株 前期兩種株型 在表型還是其他性狀方面均無(wú)區(qū)別 難以分辨育 性 只有在授粉前去除可育株 用不育株作為母 本才可制備雜種種子 因?yàn)樵谌バ酆褪诜鄣倪^(guò)程 中對(duì)雜交種子結(jié)籽率的影響很大 故番茄的人工 去雄與授粉對(duì)工人的技術(shù)與勞動(dòng)量需求過(guò)高 工 人要先判斷番茄開(kāi)花狀態(tài)再?zèng)Q定是否去雄 若提 前去雄或去雄不徹底都會(huì)導(dǎo)致假雜種混入雜交種 子中影響產(chǎn)量 這種高成本 低效 高耗的育種 技術(shù)不符合當(dāng)前現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對(duì)種子的 需求 因此番茄雄性不育雜種優(yōu)勢(shì)更加體現(xiàn)出來(lái) 可以更高效更高產(chǎn)地獲得雜交種子 后續(xù)相關(guān)的 研究仍要深入 5 展望 雄性不育作為農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要技 術(shù)手段 62 具有簡(jiǎn)化制種過(guò)程 節(jié)約成本 減 少人力消耗等優(yōu)點(diǎn) 番茄雄性不育在番茄雜種優(yōu) 勢(shì)利用中應(yīng)用前景較好且效益顯著 國(guó)內(nèi)外學(xué)者 已在番茄雄性不育的生理生化 細(xì)胞生物學(xué) 基 因定位與功能研究等方面取得較大突破 但對(duì)番 茄雄性不育分子機(jī)制尚不清楚 仍需進(jìn)一步解決 以下問(wèn)題 1 番茄 CMS 育種技術(shù)無(wú)法像水稻 玉米等具有成熟 CMS 育種技術(shù)體系的作物一樣進(jìn) 行大面積應(yīng)用且表現(xiàn)穩(wěn)定 63 未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步加 強(qiáng)對(duì)番茄花器官發(fā)育相關(guān)基因的發(fā)掘和調(diào)控機(jī)制 研究 2 加強(qiáng)對(duì)番茄雄性不育基礎(chǔ)理論的研 究 隨著表型組學(xué) 基因編輯等新興生物技術(shù)手 段的成熟和廣泛應(yīng)用 學(xué)者們已經(jīng)從表型研究逐 步深入到番茄雄性不育基因表達(dá)調(diào)控及互作機(jī)制 的研究 但是由于番茄雄性不育種質(zhì)資源較為匱 乏 導(dǎo)致學(xué)者們利用相同資源開(kāi)展了諸多重復(fù)性 工作 后續(xù)應(yīng)完善種質(zhì)資源的創(chuàng)新和利用 同時(shí) 從不同層次深入研究分子標(biāo)記技術(shù)開(kāi)發(fā) 基因功 能鑒定 雄性不育基因定位等 逐漸縮短番茄雄 性不育實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)程 為創(chuàng)制穩(wěn)定雄性不育資源 提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐 3 加強(qiáng)番茄雄性不育恢 復(fù)系的選育以及恢復(fù)系基因的克隆 番茄細(xì)胞質(zhì) 雄性不育恢復(fù)基因的恢復(fù)機(jī)制尚不明確 如恢復(fù) 基因的調(diào)控機(jī)制及其影響因素是否對(duì)其有決定性 作用 由于恢復(fù)基因的挖掘難導(dǎo)致現(xiàn)有恢復(fù)系配 制的組合具有不確定性 后續(xù)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)恢復(fù)基因 的定位 克隆及功能解析 4 強(qiáng)化番茄雄性 不育種質(zhì)資源的創(chuàng)制和利用 加強(qiáng)自然雄性不育 變異株系的鑒定和篩選 并利用化學(xué)或物理誘變 技術(shù)以及結(jié)合基因編輯技術(shù)獲得骨干親本不育材 料 同時(shí)選用綜合性狀優(yōu)良的資源開(kāi)展配組獲得 性狀優(yōu)異的番茄雄性不育雜交品種 參考文獻(xiàn) References 1 李君明 項(xiàng)朝陽(yáng) 王孝宣 國(guó)艷梅 黃澤軍 劉磊 李鑫 杜永臣 十三五 我國(guó)番茄產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及展望 J 中國(guó)蔬菜 2021 2 13 20 DOI 10 19928 ki 1000 6346 2021 2009 LI J M XIANG C Y WANG X X GUO Y M HUANG Z J LIU L LI X DU Y C The status quo and prospect of tomato industry in China during the 13 th Five Year Plan J China Vegetables 2021 2 13 20 DOI 10 19928 ki 1000 6346 2021 2009 2 劉強(qiáng) 丟掉的番茄味 是怎樣找回來(lái)的 N 農(nóng)民日?qǐng)?bào) 2022 07 26 LIU Q Lost tomato flavor is how to find back N Farmers Daily 2022 07 26 3 朱軍 遺傳學(xué) 第3版 M 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社 2002 286 293 ZHU J Genetics Third edition M Beijing China Agricultural Press 2002 286 293 4 段琉穎 吳婷 李霞 謝建坤胡標(biāo)林 水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育 及其育性恢復(fù)基因的研究進(jìn)展 J 作物雜志 2022 1 20 30 DOI 10 16035