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洋葱细胞质雄性不育机理研究进展

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山西农业科学2015,43(10):1381—1383,1388 doi:10.3969 ̄.issn.1002-2481.2015.10.39 Journa/ofShanxiAgricultural Sciences 洋葱细胞质雄性不育机理研究进展 王瑞丽 ,马蓉丽 ,成 妍 ,张光星 ,焦彦生 (1.山西农业大学园艺学院,山西太谷030801;2.山西省农业科学院蔬菜研究所,山西太原030031) 摘要:细胞质雄性不育系(CMS)是一种不能产生有活力或可育花粉的母性遗传现象,是农作物杂交育种的重要 工具,也是研究花粉发育、细胞质遗传、核质互作以及时序性表达的理想材料。所以,对细胞质雄性不育分子机制 的研究具有非常重要的意义。近年来,随着分子生物学技术的发展,有关洋葱细胞质雄性不育方面的研究日益增 多。从细胞学角度和分子生物学角度对洋葱细胞质雄性不育的机理研究近况进行了综述。 关键词:洋葱;细胞质雄性不育;机理 中图分类号:¥633.2 文献标识码:A 文章编号:1002—2481(2015)10—1381—04 Rresearch Progress on the Mechanism of Cytoplasmic Male Sterility in Onion(Allimn cepa L.) WANG Rui—li ,MA Rong-li2,CHENG Yah2 ZHANG Guang-xing ,JIAO Yan-sheng2 (1.College ofHorticulture,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China; 2.Institute of Vegetables,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Taiyuan 03003 1,China) Abstract:Cytoplasmic male sterility(CMS)is maternal inhefimnce phenomenon which doesn’t produce energetic or fertile poHen。 also are the important tool of crop hybridization breeding and ideal material of researching on poHen development,cytoplasmic inheritance,cytoplasm-nucleus interactions and temporal sexual expression.So the study of he moltecular mechanism of cytoplasm male sterility has very important significance.In recent years,wih tthe development of molecular biology techniques,studies on onion CMS have been increasing.This article reviewed the research status of onion CMS from the perspective of cytology and moleculr biaology mechanism. Key words:onion;cytoplsmiac male sterility;mechanis 洋葱(Allium cepa L.)属于百合科(Liliaceae)葱 笔者主要从细胞学角度和分子角度对洋葱的 细胞质雄性不育机理进行了简要阐述。其中,在细 胞水平上,通过对比洋葱细胞质雄性不育系和保持 属(Allium)2年生两倍体草本植物,别名圆葱、葱 头。它属于异花授粉植物,是最早育成并在生产上 应用一代杂种的蔬菜作物之一,在我国分布很广, 南北各地均有栽培,而且种植面积还在不断扩大, 是目前我国主栽蔬菜之一,也是我国外销蔬菜的重 要种类【 1。 系在小孢子发生过程中花药结构的变化,来确定其 败育的时期;在分子水平上,通过一些分子标记,来 分析细胞质雄性不育系基因之间的相关性,对全基 因组序列进行测定,然后对不育系和可育系的序列 进行比较分析。 洋葱杂种优势明显,其一代杂种一般能增产 20%~50%,其应用价值已被生产实践所证实,洋葱 杂种主要是通过细胞质雄性不育系所获得 】。因 1 洋葱细胞质雄性不育系的类型及 特点 洋葱细胞质雄性不育系常见的有s型和T型 2种。其中,s型不育最早由Jones等【固在‘意大利红’ 品种中发现,其育性是由1对隐『生基因(嬲脚)控制; 最早的T型不育是由Berningerel在法国品种。Jaune 此,研究洋葱细胞质雄性不育机理对于F。杂种的 生产具有重要的作用。近年来,迅速发展的分子生 物学技术已经被广泛地应用到洋葱育种上,研究者 们研究出了许多与洋葱细胞质雄性不育相关的分 子标记,这极大地缩短了洋葱的育种年限 。 收稿日期:2015—07—09 基金项目:国家自然科学基金项目(31201638) 作者简介:王瑞丽(1991一),女,山西忻州人,在读硕士,研究方向:蔬菜遗传育种。马蓉丽为通信作者。 ・138l・ 山西农业科学2015年第43卷第l0期 paille des venus’中发现的,其育性是由1对相对独 立的基因(A)和2对互补基因(B和C)控制。在 T—CMS中,育性恢复是由3个独立位点控制的,同 时还有一些不确定的细胞质类型,比如HaveyNJ ̄过 对洋葱与实葶葱进行远缘杂交,用洋葱对远缘杂种 进行7代回交,构建了具有实葶葱胞质的洋葱雄性 不育;马有会等 首次对一个新型洋葱瓣化型细胞 质雄性不育系ps (该不育系是紫皮洋葱常规品 种RUPI的突变体)进行了遗传分析,结果表明,其 核恢复基因与1对核基因有关,且该不育系的不育 性状较稳定,一般不受环境条件的影响,是一种区 别于s型和T型洋葱的CMS新类型。但是,F 杂种 主要是使用这2种不育胞质类型生产的,其中, S-CMS被广泛地应用在洋葱杂交种生产中。因为T 型不育系可能是由可育的细胞质基因直接突变而 导致的,而s型不育系可能是由外来基因进入可育 系细胞质而导致的㈣。 2 洋葱细胞质雄性不育系的细胞学 研窬拼展 对洋葱CMS的花药败育特征进行观察发现, 其细胞学特征都与绒毡层发育有关,花粉母细胞却 没有异常表现。Hofford等fl】在S型胞质不育系和保 持系中发现了洋葱小孢子的异常有3种形式:一是 在四分体时期,绒毡层细胞提前解体,不能供给小 孢子生长发育所需要的营养;二是在二分体时期, 绒毡层过度肥大,而且会延迟解体,这2种类型中, 绒毡层的解体总是发生在小孢子产生异常现象之 前;三是绒毡层形态完全正常,只是存在时间过长, 这种形式中小孢子的解体与绒毡层的行为相对独 立。Patil等【l2】对洋葱T型胞质雄性不育系小孢子的 发育过程进行了研究,结果发现,绒毡层的异常类 似于以上3种情况。 杜敏霞等[13耐洋葱雄性不育材料的小孢子发 育过程的观察发现,不育材料的小孢子在四分体时 期以前与可育材料无差别,都能形成四分体,但是 在单胞花粉粒时期不育材料的小孢子细胞质被降 解成空壳,染色浅,缺乏营养物质,无法形成正常的 花粉粒,这与李圆圆等㈣的研究结果相符。研究还 发现,洋葱雄性不育材料的小孢子发育到花粉母细 胞阶段,绒毡层与中层提早分离,花粉母细胞被挤 压在药室中央,虽然能够形成四分体,但是形成的 小孢子中没有细胞质,缺乏营养物质,导致了小孢 子败育。 ・】382・ 3 洋葱细胞质雄性不育的分子机理 研究 3.1 洋葱细胞质雄性不育的分子机理 大量研究结果表明,所有与CMS相关的基因 都存在于线粒体基因组中,这些基因大多都是嵌合 结构基因,它们主要是由部分初生态的线粒体基因 和一些未知序列组成,这些嵌合基因主要是由线粒 体基因组的重排或变异导致的。重复间接序列的重 新结合是线粒体DNA改变的关键因素。 Kim等Ⅱ 睁COX口丹和COX17R6结合到COXⅡ一 和COX 1I一2的保守序列作为引物对进行PCR扩增, 结果表明,在同一葱蒜类物种中线粒体DNA的重 排导致COX 1内含子由顺式剪接转变为反式剪接。 同时,在s型细胞质雄性不育系和T型细胞质雄性 不育系中发现了一个嵌合基因orj725,该基因是由 COX 基因和含有临近部分atp6序列的oora501基 因组成,它可能是诱导洋葱细胞质雄性不育最合适 的候选基因。但是,有关00'725在诱导洋葱细胞质 雄性不育过程中的作用以及频繁地诱导orj725亚 化学计量变化的因子还需要进一步研究。 吴海涛等 刀采用分子生物学手段,对2套洋 葱细胞质雄性不育系进行了细胞质类型的鉴定,并 用189个RAPD引物分析了不育系和相应保持系 之间的多态性,结果表明,s型雄性不育系与T型 雄性不育系相比,其与保持系基因组之间的差异更 大;同时又对洋葱T型细胞质雄性不育相关基因的 结构与表达模式进行了研究,结果表明,洋葱T型 细胞质雄性不育线粒体基因组中orfa501的5 端 与coxl基因紧密相连,但二者不能同时转录,并且 orfa501对cox1的转录有正调控作用。 3.2洋葱细胞质雄性不育分子标记研究进展 对洋葱细胞质雄性不育性状的研究主要以细 胞质中分子标记的基因为基础进行的。陈沁滨等【 81 利用引物AK 对洋葱雄性不育系101A及其保持 系101B进行反复扩增,获得了一条约为1 400 bp 的条带,标记为AK15。4oo;然后对AK15l伽回收纯 化,得到了约为450 bp的条带,标记为SCAK154 ̄; 回收此片段进行克隆测序,发现该片段与AK15 釉 片段中的部分序列相同,证明其为目的片段,从而 将AK15。枷这个RAPD标记转化为更稳定的SCAR 标记SCAK15450。 Bang等【【9j通过研究证实了OBC14.1000这个 RAPD标记,并且将OBC14.1000标记转换成显性标 王瑞丽等:洋葱细胞质雄性不育机理研究进展 记,又进一步转换成共显性标记,将该标记称为 ACms.1100。通过OBC14.1000标记和ACms.1100 标记进行基因型分析,结果表明,这2个标记要比 其他的标记更可靠。因此,这些标记将会是分离等 位基因的理想标记,并且能更有效地区分出洋葱新 品种的育性以及与育性相关的基因。所以,这些标 记有利于利用CMS进行洋葱杂交种的生产。 且还可以分辨出不同繁殖系标记的基因型。使用 jnurf13标记对24个繁殖系进行分析,结果表明,雄 性可育系的基因型与jnurf13的基因型完全一致。 同时还发现,该标记与细胞质雄性不育系的恢复基 因连锁不平衡。 4 展望 因为洋葱的生长周期较长,洋葱杂交种主要通 Dhanya等[2Ol采用180个RAPD随机引物,其中 有20个引物的条带较清晰,并用这20个引物分别 对9种不同类型洋葱的DNA进行了PCR扩增,扩 增出812条250 2 000 bp的条带,其中,有343条 是多态型条带。但是没有扩增出能区别9种不同类 型洋葱的单一条带的引物。同时还对这9种不同类 型的洋葱进行了聚类分析,结果表明,其被分成了 2个群体,然后又进行了主成分分析,其结果类似 于聚类分析结果。 Yang等[211通过AFLP和hiTAIL—PCR设计了 2个与洋葱主效隐性基因Ms共分离的SCAR标记, 共筛选出512个引物结合物,但是只有引物EcoRI/ Mse I扩增出一个多态性片段。这2个SCAR标记 可以更准确地鉴定出这3种基因型(MsMs,Msms 和1Tt¥Ftl ̄),并且可以避免在洋葱育种过程中由于 PCR操作失误而导致错误分类。 Park等[991用RAPD标记定位了Ms位点,在筛 选出800个随机引物后,在可育系和不育系中鉴定 出了多态性RAPD条带,最终筛选出了与Ms位点 密切相关的l0条RAPD条带和5个RAPD标记 (N20,N10,L06,El7,q'05)。然后又将扩增的PCR 产物克隆到序列载体中,将RAPD标记转化为简单 的PCR标记。之后又在此基础上设计出了CAPS标 记,通过这个标记和简单的PCR标记清晰地将Ms 位点定位出来。 为了确定与Ms位点紧密联系的标记之间的连 锁关系,Kim 在插人序列的侧翼区域设计了1个 引物对(jnu ̄Cl2一F和jnu ̄l2 ),把它称为jnuff12, 作为—个共显性标记,该标记与距离Ms位点0.05 cM 的 .n 标记相比,与胍位点的关系更紧密。使用 这个共显性标记可以将F 个体中的Ms基因型清 晰地分辨出来。但是由于该标记具有多条带型,不 能应用在不同的繁殖系中。所以,又在此基础上设 计了另1个引物对(jnurf13一F和.加 3 ),把它 称为 nuffl3,作为一个共显性标记,该标记位于约 12 bp的插人序列的侧翼区。使用这个共显性标记 可以将F2个体中的胍基因型清晰地分辨出来,并 过雄性不育系来获得,因此,就洋葱细胞质雄性不 育系进行细胞学和分子机制的研究对洋葱育种有 着非常重要的意义。目前,虽然已经报道了很多通 过QTL定位、RAPD标记、AFLP标记、CAPS标记等 一些技术对洋葱CMS分子机制的研究,但是由于 洋葱巨大的基因组以及细胞质雄性不育的发生机 制复杂,对洋葱基因学的研究还是远远落后于其他 一些植物。这就要求研究者们在今后采取一些新的 技术和手段,为洋葱的细胞质雄性不育机理研究提 供一定的理论依据。 参考文献: [1]王建军,侯喜林,宋慧,等.洋葱育种研究进展[J】.中国蔬菜, 2003(4):57—59. 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