番茄雄性不育研究现状与展望.pdf

收稿日期 2022 08 27 基金项目 广东省重点领域研发计划项目 2020B020220001 2020B0202090002 广东省农业科学院科技创新 战略专项资金 高水平农科院建设 人才项目 R2020PY JX003 广东省农业科学院院长基金 202030 广东 省农业科技创新及推广项目 2022KJ106 作者简介 李翔 2000 男 在读硕士生 研究方向为设施园艺学 E mail 1360220263 通信作者 李涛 1982 男 博士 副研究员 研究方向为茄果类蔬菜分子育种 E mail tianxing84 孙光闻 1968 女 博士 副教授 研究方向为设施园艺生理生态 E mail sungw1968 广东农业科学 2023 50 2 49 58 Guangdong Agricultural Sciences DOI 10 16768 j issn 1004 874X 2023 02 006 李翔 李涛 宫超 黎振兴 孙光闻 番茄雄性不育研究现状与展望 J 广东农业科学 2023 50 2 49 58 番茄雄性不育研究现状与展望 李 翔 1 2 李 涛 2 宫 超 2 黎 振 兴 2 孙光闻 1 1 华南农业大学园艺学院 广东 广州 510642 2 广东省农业科学院蔬菜研究所 广东省蔬菜新技术研究重点实验室 广东 广州 510640 摘 要 番茄是我国重要的蔬菜作物 其产量位居世界蔬菜前列 具有重要的营养价值 口味丰富多样 植物雄性不育是因雄蕊发育异常 不能产生正常功能的花粉 而雌蕊发育正常并可利用外来正常花粉受精结实 番茄是典型的自花授粉植物 杂种优势明显 且具有抗病性和抗逆性强等特点 目前 番茄在我国生产中子一 代杂交种子基本均为人工去雄授粉 所以在制种过程中需要大量的人力和物力 利用番茄雄性不育制种可以简 化制种过程 大量降低成本和提高种子纯度 使得番茄产量和品质大幅提升 因此番茄雄性不育研究与利用对 番茄遗传育种具有重大的实践意义 一直是国内外学者的重要研究课题 概述了近年来番茄雄性不育研究领域 现状 总结了番茄雄性不育的类型 番茄雄性不育基因工程技术的应用 基因的精细定位及功能研究 番茄雄 性不育的细胞生物学机制分析 从遗传学角度阐述温度对番茄雄性不育的影响 探讨其生理生化机制以及响应 温度变化的基因功能与调控机理 分析了番茄雄性不育的杂种优势及其在生产应用中的利用价值 在此基础上 提出当前番茄雄性不育研究工作中所存在的问题 并对未来番茄雄性不育技术的创新和基础研究等进行展望 关键词 番茄 雄性不育 基因工程 分子标记 功能验证 杂种优势 中图分类号 S641 2 文献标志码 A 文章编号 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 属于茄科番 茄属 起源于南美洲 番茄产量居世界蔬菜作物 首位 全世界番茄年总产量高达1 7亿t 1 自 20世纪50年代起 我国引进番茄品种并迅速开 始大面积种植栽培 据不完全统计 2021 年我国 番茄种植面积已达111 27万hm 2 产量约 6 609 万t 2 目前我国不仅是番茄种植面积最大的国 家 番茄生产量和出口量也居世界第一 蔬菜作为杂种优势利用的重要作物 在制种 生产过程中基本以人工去雄来实现良种繁育 植 物雄性不育主要特征是雄蕊发育异常 无法产生 有正常功能的花粉 而雌蕊发育正常 因此植物 可通过外来正常花粉受精结实 植物雄性不育在 植物界中较为广泛 目前已发现在18科110种 植物中存在 3 植物雄性不育一般分为细胞核雄 性不育 Genic male sterility GMS 和细胞质雄 性不育 Cytoplasmic male sterility CMS 两种类 型 其中细胞质雄性不育又称质核互作不育 广 泛存在于高等植物中 目前生产上大多数采取的 是CMS育种技术 在CMS杂交育种中 细胞质 雄性不育系 保持系以及恢复系被称为 三系 恢复系是该技术的关键所在 其最大优点是可以 有效地保持雄性不育特性 段琉颖等 4 通过研 究水稻 CMS 育种技术以及育性恢复基因的发展趋 势 发现我国在生产中利用 CMS 技术杂交水稻种 植面积超过 50 水稻产量占世界水稻总产量的 60 以上 目前 水稻 小麦 5 玉米 6 等植 物已建立一套完整的 CMS 育种技术并大面积投入 到生产中 番茄属于自花授粉植物 杂种优势明显 且 具有抗病性和抗逆性强等特点 采用杂种优势育 种的产量比常规育种高出20 30 目前在生 产中番茄育种大多依靠人工进行去雄和授粉 这 样不仅消耗大量人力 物力及财力 其制种产量 也达不到预期 番茄雄性不育首次于1915年被 Crane 7 提及 自20世纪30年代以来一直是国 内外研究学者的重要研究主题之一 据报道 已 经发现大约有 55 种番茄雄性不育突变体材料 如 ms male sterility 系列 ps positional sterility 系列 sl stamenless 系列等 8 中国科学院 遗传与生物发育研究所利用 CRISPR Cas9 技术对 番茄骨干自交系TBo993的雄蕊特异性表达基因 SISTR1 进行定向敲除来创造不育系 以及通过转 基因技术将正常功能的 SISTR1 基因和控制花青 素合成的 SIANT1 基因结合转回到不育系中得到 恢复育性的保持系 9 为鉴定番茄细胞质雄性 不育方面的基因 Kuwabara 等 10 以3个栽培番 茄 系 S lycopersicum Sekai ichi O 和 P 为细胞核供体 马铃薯野生近缘种 Solanum acaule 为细胞质供体 利用这两种供体创造出 2 份不对称细胞融合体 并通过回交比对分析揭示 了番茄中的动态基因组重组与细胞质雄性不育相 关基因 此研究对番茄开发新 F 1 代杂交育种提供 了原理与方法 但是 目前尚未在番茄中找到恢 复基因并进行克隆 使得 CMS 杂交育种技术无法 在番茄生产中实施 如果此项技术能运用在番茄 生产中 则将大量节约人工成本 并提高种子纯 度及产量 综上所述 番茄雄性不育的研究与应 用十分重要 本文对番茄雄性不育研究现状及展 望进行阐述 以期为国内外学者在番茄雄性不育 理论研究及技术应用方面提供参考 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 番茄雄性不育类型 1 1 功能型雄性不育 番茄功能型雄性不育是指花器官发育正常 可以产生可育的花粉 但是由于花药不开裂或开 裂异常导致花粉无法在自然状态下抵达柱头 从而造成不育 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赞贝尔型雄性不育 系 JohnBear 12 其花药几乎不开裂 使得无 法自花授粉导致不育 类似地 Atanassova 13 通 过对 ps 2 positional sterility 2 类型详细研究发 现 其花瓣正常但花药不开裂 因其开裂区间细 胞被纤维填充 造成发育畸形 无法提供花药开 裂的能量 使得番茄 ps 2 类型表现为功能型雄性 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发育正常 但由于植株中柱头高于雄蕊药筒无法授粉形成不 育 其表型不稳定且易受环境温度的影响 遗传 复杂 又称为L型不育 张少丽等 14 对部位型 雄性不育进行了详细研究 结果发现无论是耐热 型植株还是温敏型植株在高温情况下都会促进花 柱的伸长 温敏型植株的花柱长度更易受到影响 表明温度可通过调控番茄花柱的伸长进而影响其 授粉过程 1 3 花粉败育型雄性不育 花粉败育型雄性不育又称为孢子雄性不育 大部分发生在小孢子减数分裂 期或减数分裂 完成后 在田间表现为雄蕊无花粉释放 15 Rick 16 曾对花粉败育型植株中9个 ms male sterility 突变体进行研究 发现造成其雄性不 育的原因均与绒毡层的发育相关 Liu等 17 对 ms 32 male sterility 32 突变体的研究结果显示 在减数分裂前期其花药形态和正常植株相同 但 在四分体 小孢子 有丝分裂和裂开阶段有明显 的形态差异 在绒毡层细胞中也有明显差异 其 体现在细胞异常增大 空泡化 从而无法正常授 粉导致不育 更加表明番茄雄性不育花粉败育型 败育原因与绒毡层发育密切相关 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 的雄蕊或无雄蕊 虽然植株其他花部位正常发育 但因无法产生花粉导致不育 如 sl stamenless 系列 目前已发现6个 sl 突变体 pi pistillate pi 2 pistillate 2 等 其中番茄雄蕊退化型雄性 不育最典型的结构类型是 pi 和 pi 2 Rick 11 18 对这两种类型番茄进行研究 发现尽管在显微镜 下观察到的 pi 突变体器官表型与其他结构不育型 花相似 但其同源突变体在拟南芥中可能没有可 育雄蕊 Polowick等 19 通过比较 sl 2 stamenless 2 突变体与野生型减数分裂时绒毡层细胞差异发 现 突变体绒毡层细胞在减数分裂早期就出现了 变异 在四分体时期绒毡层进一步松散和扩大 从而导致质壁分离产生没有可育功能的花粉 表 明减数分裂时期绒毡层的变异可能导致番茄雄蕊 退化型雄性不育的产生 2 番茄雄性不育基因工程研究进展 基因工程是指在分子水平将外源基因通过体 外重组技术导入到受体细胞中 使该基因能够在 受体细胞中进行复制 转录 翻译表达并且能够 稳定遗传的技术 1994 年番茄作为世界上第一例 转基因产品出现 20 随着基因工程技术不断提高 转基因技术在作物中的应用日趋成熟 与传统育 种技术相比 使用转基因育种技术获得的番茄具 有品质更好 口感更为丰富等优势 导入外源基 因后番茄发生改变的性状中主要涉及抗除草剂 抗寒性 抗盐性 抗病性 耐贮性和雄性不育性等 其中 雄性不育作为番茄基因工程研究的着重点 至今国内外研究者们通过对番茄雄性不育基因的 初定位 精细定位 基因家族的鉴定 候选基因 的筛选 基因功能鉴定与验证等研究发现了许多 有关番茄雄性不育方面的基因 如 ms32 ms14 ms10 等 其研究成果将推动育性研究的进程 2 1 番茄雄性不育基因的精细定位 研究者通过分子标记等技术 对许多不同 种类的番茄雄性不育基因进行了精细定位和克 隆 Gorman 等 21 利用图位克隆技术找到两个 与 ms 14 基因紧密相连的 RFLP 探针 ct120A TG393 发现 ms 14 基因定位在番茄 11 号染色 体上的 300 kb 区间内 在 610 kb 的 YAC 克隆条 带上发现有该基因 为进一步开展 ms 14 基因的 功能研究奠定了基础 Jeong 等 22 选用番茄雄性 可育亲本 T 1082 和雄性不育 ms 10 35 2 517 作为亲本 其后代分别与亲本 T 1082 回交6 52 次后对 ms 10 基因进行分析 发现 ms 10 35 在减数 分裂前期到四分体时期 该基因在减数分裂细胞 和绒毡层组织中特异性表达 试验结果可以表明 该基因在小孢子发育过程中主要参与调节绒毡层 细胞的减数分裂和程序性细胞死亡 Zhang 等 23 通过分子标记辅助选择 MAS 技术发现与番茄 雄性不育相关的 SLGSTAA 基因缺失 并开发了 一种用于区分纯合野生型 杂合和纯合突变的共 显性 InDel 标记 AAD 其研究结果有助于番茄中 SLGSTAA 基因的功能分析和标记辅助选择 Wang 等 24 使用番茄雄性不育基因 ms 10 35 的植株作为 试验材料 利用 ITRAQ Based 蛋白组学技术揭示 了番茄雄性不育基因 ms 10 的蛋白质组学变化 结果显示脂肪酸代谢受损可能造成其雄性不育 且已通过实时定量 PCR qRT PCR 和生理测定 证实 Cao 等 25 通过研究B类 MADS box 基因 TM6 将 ms 15 26 精确定位到 2 号染色体上的 44 6 kb 区间内 通过共显性插入 缺失 InDel 标记 共显性衍生的切割扩增多肽序列 dCAPS 标记 以及 SNP 标记技术开发出 2 种候选基因特异性标 记 MS26D 和 MS15C 实时定量 PCR 分析发现在 ms 15 26 和 ms 15 47 突变体花中几乎检测不到 TM6 基因的表达 表明基因 TM6 在雄蕊发育过程中起 重要作用 这为 ms 15 或其他等位基因在杂交育 种中母本的 MAS 定位研究提供了依据 早期 Larson 等 26 对番茄雄性不育基因 ps 进行了功能分析与定位 其结果推动了研究者对 番茄雄性不育基因 ps 的研究 Staniaszek 等 27 利用 5 CACAGCGACA 3 和 5 CCAGGCTGAC 3 引物扩增出 1 230 bp 和 780 bp 的特异性片段 找到2个与ps基因紧密连锁的RAPD标记 同 时利用这些标记进行辅助选育及杂种纯度鉴定 Stoilova 等 28 和 Atannassova 等 29 通过对 ps 2 基 因初步定位 证明该基因与 ful 基因连锁 但图 谱距离较大 Gorguet 30 完成了番茄 ps 2 基因的 精细定位 其开发出 ps 2 基因区域的高分辨率 连锁图谱 将 ps 2 基因定位在4号染色体短臂 To958 和 To635 之间的 1 65 cM 区间内 进一步确 定了 ps 2 基因所在的区间 为后续研究 ps 2 基因 奠定了基础 朱莎等 31 以番茄株系92155为父本 含有 ps 2 基因的不育材料CMC1ps2 来自保加 利亚 为母本 构建了 123 个 F 2 代分离群体 通 过 RFLP COS 标记以及 SSR 技术手段 经相应 的遗传分析获得 1 个 SSR 标记 SSR450 和 1 个 CAPS 标记 TG123 这两个标记属于 ps 2 基因 两侧的共显性标记 连锁遗传距离分别是 4 9 cM 和 11 6 cM 这两个标记可以直接运用于标记辅助 育种和杂种纯度鉴定 Riccini 等 32 利用 RNA seq分析技术研究不同番茄时发现了影响花柱长 度变化的新基因 bHLH001 为研究番茄柱头外露 导致雄性不育的机理 Cheng 等 33 以番茄突变体 T431 和 DL5 发育过程中的花为试验材料 利用 SLAF BSA seq 重测序 超表达分析等技术发现 维管束细胞数量的增加是导致柱头外露的主要原 因 且发现 12 号染色体上有 26 个与柱头外露相 关候选基因 其中 SlLst 基因为柱头外露的关键基 因 该研究为了解番茄雄性不育植株柱头外露开 拓了新思路 综上所述 随着技术的不断创新与 发展 番茄雄性不育基因的挖掘与功能研究不断 深入 2 2 番茄雄性不育基因的功能研究 为探究番茄长花柱型雄性不育的分子机制 张少丽等 14 对 QTL 位点进行了分析 发现其分 别定位在 2 5 8 号等染色体上 表明控制番茄 长花柱性状的基因较为多样 同时研究了番茄温 敏型长花柱突变体系 T431 花柱长度变化的影响 机制 发现该类型主要由 style2 1 基因控制 在 花的形态形成过程中 style2 1 基因发生突变 造 成该基因表达水平下调导致花柱缩短 34 表明 相对高温会使花柱变长 赵攀等 35 对番茄长柱 型与短柱型相关QTL进行研究 发现14个QTL 分别分布在1 2 3 4 5 8 9和12号染色体上 并发现 3 个效应基因 style2 1 SlLst 和 SE3 1 虽 然其调控机制尚不明确 但为后续基因克隆与功 能鉴定研究提供了方向 目前 CRISPR Cas9 技术 主要应用于改良作物的优良性状遗传方面 但存 在限制因素 许多农作物的某一性状不是由单个 基因或单个碱基变异 缺失就能改变 在多个基 因的基因编辑中 影响 CRISPR Cas9 编辑效率的 因素更多 如遗传转化效率 靶点设计 功能冗 余基因等 刘玉琛等 8 利用 CRISPR Cas9 技术 创造番茄雄性不育株系中 发现了具有特异性的 基因 SIAP3 该基因突变使得番茄表现为雄性不 育 Jung 等 36 通过使用 CRISPR Cas9 技术敲除 SIMS10 使得番茄表现为雄性不育表型 通过深度 测序分析选择 SIMS10 基因靶位点的 11 种不同突 53 变类型 发现 cr ms 10 1 4 突变株系在花的发育 过程中表现出减数分裂时期功能失调以及绒毡层 发育异常等现象 综上所述 通过靶基因的选择 和 CRISPR Cas9 技术将为创制番茄雄性不育系材 料提供理论指导和技术支持 目前研究者已经开展了许多有关番茄雄性 不育的研究 但是对不育基因的研究相当缺乏 Hazra 等 37 指出在已经报道的55个番茄核基因 雄性不育突变体中完成初步定位的突变体只占少 数 多数突变体还只停留在表型上 在实际应用 上未有相关进展 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 属于 bHLH 家族中的转录因子 它们在 细胞发育过程中会特异性表达 能使绒毡层细胞 的发育异常进而导致花粉败育 而在研究中通常 以 Ms10 35 作为 CRISPR Cas9 构建番茄不育系研究 的靶基因 8 3 番茄雄性不育的细胞生物学机制及温度 对其影响 3 1 番茄雄性不育的细胞生物学机制 细胞学分析可以从各个方面了解番茄雄性不 育基因调控花粉败育的基础过程 张秀刚 38 对 番茄花粉发育过程进行观察 从孢原细胞开始发 育 经过造孢细胞 小孢子母细胞 四分体 小 孢子 雄配子体等发育阶段 最后成为二核花粉 粒 Sawhney 等 39 对番茄雄性不育 sl 2 sl 2 品 种的突变体小孢子进行细胞生物学研究 用显微 镜观察其特性 发现由于其绒毡层的延迟解体导 致番茄雄性不育 张秀刚等 40 选用花粉败育型 品种72 1 通过采用石蜡切片和细胞学压片技 术 首次较为详细地研究了番茄雄配子与小孢子 的细胞学过程 发现在小孢子母细胞形成之前花 药的发育基本正常 花药异常发育可能介于减数 分裂第 2 次有丝分裂后期到四分体形成之际和小 孢子发育早期到大液泡形成之前 其中主要败育 现象是无法形成正常状态的四分体以及形成空瘪 花粉 败育的主要原因是部分绒毡层细胞提早溶 解 绒毡层组织不同步溶解和溶解不彻底 导致 减数分裂后小孢子发育异常以及营养不足 袁亦 楠等 41 以番茄雄性不育材料95305和可育材料 早粉二号作为试验材料 挑取不同长度花蕾中的 花药 制作切片后用光镜和透射电镜观察花粉母 细胞减数分裂 发现番茄 95305 的败育可能发生 在一个很大的区间内 从小孢子母细胞时期到单 核中后期小孢子的外壁发育 而导致败育的原因 很多 包括小孢子形成时期与绒毡层形成异常 小孢子发育与绒毡层的发育不同步 还可能因为 花药畸形导致败育 李君明等 42 田间观察发现 番茄功能型雄 性不育品种 ps 2 类型在自然状态下不育性稳定 花器官发育正常 但是花药不开裂 表明该品种 可用于田间栽培试验 毛秀杰等 43 对番茄雄性 不育系 JL 2 株型的小孢子发育过程进行细胞学 观察 石蜡切片后用 ZEISS 显微镜观察并拍照记 录 发现小孢子发育期间绒毡层细胞提前液泡化 不能正常提供营养给小孢子使其正常发育 导致 绒毡层细胞发育异常进而败育 Omidvae等 44 以 7B 1 番茄雄性不育突变体作为试验材料 通过 mRNA 测序 RNA Seq 并对野生型 WT 花药 的转录组谱进行分析 结合细胞学观察发现其花 药发育过程存在几个缺陷 包括减数分裂时期功 能失调 花药成熟不同步 小孢子母细胞停滞发 育 胼胝质降解缺失 PCD 延迟和绒毡层细胞发 育异常 综上所述 番茄雄性不育的原因均与绒 毡层细胞的发育异常密切相关 而与材料类型关 系不大 3 2 温度对番茄雄性不育的影响 3 2 1 生理生态作用 温度对作物生长发育具有 重要影响 在逆境环境下 温度对番茄雄性不育 突变体的影响较大 Rick等 45 研究发现 vms 雄性不育突变体的雄蕊畸形随着环境和时间的变 化有不同表现 在露地栽培时 受高温影响其雄 蕊发育不正常且形成 心皮状 结构 但在温室 中 当温度低于 30 时番茄可正常开花 短期高 温 40 和长期高温 30 下表现为雄蕊畸形 因此推测雄蕊的发育可能受热激蛋白调控 使得 番茄表现出雄性不育 Sawheny 等 46 发现番茄雄 性不育突变体 sl 2 在相对低温 18 昼 15 夜 条件下 大多数植株的花均可产生正常雄蕊和可 育花粉 相对中温 23 昼 18 夜 下雄蕊发 生畸形且无法产生可育花粉 但在高温 28 昼 23 夜 下生长的雄蕊形成 心皮状 结构 且 无花粉产生 因此表明当温度越高雄蕊产生的可 育花粉越少 不育性越高 早有报道 不同温度 条件对 sl 2 sl 2 番茄雄性不育的调控与植物激素 54 效应密切相关 47 其中强调了温度调控在番茄 育种中的潜在作用 张贺等 48 研究发现番茄突变体 T431 是温 敏型长花柱雄性不育系 在不同温光组合下变体 T431 材料柱头的伸长长度和育性差异性很大 该 株型最敏感时期前2 6 d 花瓣的张角为60 育性转换的温度是24 68 结果表明温度与花 柱伸长长度呈现显著正相关 而与育性呈现负相 关 陈丽等 49 以该突变体 T431 为试验材料却 得出不同结论 发现 T431 对温度敏感 18 昼 10 夜 时期在花芽分化期 2 叶 1 心 燕正 民等 50 研究指出 番茄突变体 T431 的不育率 在田间温度高于20 时可达到95 以上 王先 裕等 51 发现 番茄温敏雄性不育系 T 4 突变体 在不同温度下有不同的表现形态 在温度周期为 28 昼 18 夜条件下 T 4 突变体部分恢复育性 表现为可育 而在温度周期为28 昼 24 夜和 28 昼 12 夜下 T 4 突变体表现为雄性不育 结果表明夜间温差的不同也会对番茄 T 4 突变体 育性造成差异 朱广廉等 52 发现脯氨酸的含量 与番茄温敏型雄性不育有关 缺乏脯氨酸的植株 通常表现为雄性不育 表明脯氨酸参与番茄温敏 型雄性不育机制的调控 马雅琳等 53 发现 无 论是高温还是低温处理 番茄品种 J59 的花柱长 度均没有显著差异 相关机制尚不明确 3 2 2 生化作用 前期研究发现雄性不育花药或 叶片中蛋白质 氨基酸 同工酶等物质含量的异 常引起植物雄性不育 脯氨酸含量是影响花粉活 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 可能参与番茄雄性不育的调控 Sato 55 等研究发 现在番茄发育过程中 高温会破坏糖代谢和脯氨 酸的转运 表明温度会影响代谢途径导致花粉活 力下降造成植株雄性不育 国亚慧等 56 以番茄 温敏型核雄性不育系植株 T 4 花药为试验材料 发现在不育温度下其蛋白质含量显著低于可育温 度下的蛋白质含量 而相比于对照组花药中蛋白 质的含量 番茄 T 4 花药的蛋白含量明显较低 通过分析 POD 同工酶和 EST 同工酶的酶谱差异 番茄 T 4 在不育温度下 POD 同工酶和 EST 同工酶 谱带数量明显多于可育温度下处理组 这表明番 茄 T 4 花药中蛋白质含量 同工酶 POD 以及 EST 的表达都对番茄雄性不育具有影响 罗丹等 57 以番茄3个抗寒性品种耐运2000 京乐502和 O 33 1为试验材料 测定不同低温和胁迫时间 幼苗叶片中脯氨酸含量 吡咯啉 5 羧酸合成酶 P5CS 活性 鸟氨酸转移酶 8 0AT 活性 脯氨酸脱氢酶 ProDH 活性的变化来研究其对 代谢关键酶活性的影响 发现脯氨酸随低温处理 时间的积累规律与 OAT活性变化呈现正相关 性 由此可见脯氨酸的合成主要受到鸟氨酸途径 的影响 而与 ProDH 活性变化基本呈现负相关 表明脯氨酸的积累是合成与降解共同作用导致 综上所述 可以通过蛋白质 同工酶以及脯氨酸 的生化作用调控番茄雄性不育 3 2 3 基因调控 为研究温度对番茄温敏型长花 株突变体 T431 的影响机制 陈丽等 49 在4个不 同时期设置多个时间梯度及温度梯度 发现番茄 温敏型长花株突变体 T431 在花芽分化期 2 叶 1 心 最容易影响花柱的伸长和育性转化 最敏感 的温度为 18 10 燕正民等 50 以番茄温敏型长 花柱突变体 T431 为试验材料 对逆境胁迫有关的 转录辅助激活因子 LeMBF1 进行分析并得到完整 序列 发现该转录因子可能参与花器官的形成并 抑制突变体 T431 的花柱伸长导致败育 颜梦雨 58 通过对油菜素内酯和 HsfA1a 调控番茄花粉发育和 高温抗性的机制研究发现 在高温胁迫下 HsfAla 过表达的植株中其花粉活力并未显著下降 表明 转录因子 HsfAla 可能通过对 HSPs 的诱导和自噬 的调控增强番茄植株花粉的高温抗性 Gao 等 20 以拟南芥为试验材料 通过 RNA seq 和 ChIP seq 分析方法发现 AtbZIP17 依赖的高温胁迫响应靶 基因 表明 AtbZIP17 在热胁迫响应中影响作物育 性 综上所述 基因可以通过控制植株的生理生 化变化和形态构建决定其育性 4 番茄雄性不育的杂种优势与利用 番茄雄性不育杂种优势在于其子代表型 繁 殖率 生长率等均优于亲本 且纯度较高 可以 获得更高的利润 因此在生产中被大量推广利用 茄科植株中以辣椒雄性不育在杂种优势中最为明 显 59 国内推广种植的辣椒品种有 90 以上是 一代杂交种 张锐等 60 发现有 30 多家科研单位 从事辣椒雄性不育研究 同时还有部分民营企业 进行该方面研究 目前 番茄雄性不育系的研究方向大多为细 55 胞核雄性不育 即由一对隐性核基因控制的小孢 子发生不育 61 核雄性不育系分为 AB 两用系 50 为不育株 50 为可育株 前期两种株型 在表型还是其他性状方面均无区别 难以分辨育 性 只有在授粉前去除可育株 用不育株作为母 本才可制备杂种种子 因为在去雄和授粉的过程 中对杂交种子结籽率的影响很大 故番茄的人工 去雄与授粉对工人的技术与劳动量需求过高 工 人要先判断番茄开花状态再决定是否去雄 若提 前去雄或去雄不彻底都会导致假杂种混入杂交种 子中影响产量 这种高成本 低效 高耗的育种 技术不符合当前现代高效农业生产技术对种子的 需求 因此番茄雄性不育杂种优势更加体现出来 可以更高效更高产地获得杂交种子 后续相关的 研究仍要深入 5 展望 雄性不育作为农作物杂种优势利用的重要技 术手段 62 具有简化制种过程 节约成本 减 少人力消耗等优点 番茄雄性不育在番茄杂种优 势利用中应用前景较好且效益显著 国内外学者 已在番茄雄性不育的生理生化 细胞生物学 基 因定位与功能研究等方面取得较大突破 但对番 茄雄性不育分子机制尚不清楚 仍需进一步解决 以下问题 1 番茄 CMS 育种技术无法像水稻 玉米等具有成熟 CMS 育种技术体系的作物一样进 行大面积应用且表现稳定 63 未来应进一步加 强对番茄花器官发育相关基因的发掘和调控机制 研究 2 加强对番茄雄性不育基础理论的研 究 随着表型组学 基因编辑等新兴生物技术手 段的成熟和广泛应用 学者们已经从表型研究逐 步深入到番茄雄性不育基因表达调控及互作机制 的研究 但是由于番茄雄性不育种质资源较为匮 乏 导致学者们利用相同资源开展了诸多重复性 工作 后续应完善种质资源的创新和利用 同时 从不同层次深入研究分子标记技术开发 基因功 能鉴定 雄性不育基因定位等 逐渐缩短番茄雄 性不育实践应用进程 为创制稳定雄性不育资源 提供坚实的技术支撑 3 加强番茄雄性不育恢 复系的选育以及恢复系基因的克隆 番茄细胞质 雄性不育恢复基因的恢复机制尚不明确 如恢复 基因的调控机制及其影响因素是否对其有决定性 作用 由于恢复基因的挖掘难导致现有恢复系配 制的组合具有不确定性 后续应当加强恢复基因 的定位 克隆及功能解析 4 强化番茄雄性 不育种质资源的创制和利用 加强自然雄性不育 变异株系的鉴定和筛选 并利用化学或物理诱变 技术以及结合基因编辑技术获得骨干亲本不育材 料 同时选用综合性状优良的资源开展配组获得 性状优异的番茄雄性不育杂交品种 参考文献 References 1 李君明 项朝阳 王孝宣 国艳梅 黄泽军 刘磊 李鑫 杜永臣 十三五 我国番茄产业现状及展望 J 中国蔬菜 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 刘强 丢掉的番茄味 是怎样找回来的 N 农民日报 2022 07 26 LIU Q Lost tomato flavor is how to find back N Farmers Daily 2022 07 26 3 朱军 遗传学 第3版 M 北京 中国农业出版社 2002 286 293 ZHU J Genetics Third edition M Beijing China Agricultural Press 2002 286 293 4 段琉颖 吴婷 李霞 谢建坤胡标林 水稻细胞质雄性不育 及其育性恢复基因的研究进展 J 作物杂志 2022 1 20 30 DOI 10 16035