棉花膠質(zhì)雄性不育與育性恢復(fù)的研究進(jìn)展

棉花膠質(zhì)雄性不育與育性恢復(fù)的研究進(jìn)展

利用不同的優(yōu)勢是提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性的有效措施。它在水稻、高粱、蔬菜、玉米等作物的大規(guī)模生產(chǎn)中取得成功。其主要技術(shù)是利用群落遺傳因素（cyopianmalesteril度（cm））實現(xiàn)“三個系”的支持。同其它作物一樣,棉花也具有十分明顯的雜種優(yōu)勢,優(yōu)良組合的雜種一代能比常規(guī)品種增產(chǎn)15%左右。印度是目前世界上大規(guī)模栽培雜種棉的國家,采用人工去雄授粉的方法進(jìn)行雜種種子生產(chǎn),雜種一代一般比推廣品種顯著增產(chǎn),纖維品質(zhì)也優(yōu)于陸地棉常規(guī)品種。20世紀(jì)80年代以后,我國掀起了陸地棉品種間雜種優(yōu)勢利用的熱潮,采用人工去雄、核雄性不育、胞質(zhì)雄性不育、化學(xué)殺雄、指示性狀、雌雄異熟系等方法開展研究,篩選出一批強(qiáng)優(yōu)勢雜種棉組合,如中棉所28、蘇雜16、川雜4號、湘雜棉2號和皖雜40等。進(jìn)入90年代以來,隨著轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉的問世,我國棉花育種家將抗蟲性狀與雜種優(yōu)勢利用有機(jī)地結(jié)合起來,育成一系列強(qiáng)優(yōu)勢抗蟲雜種棉新組合如中棉所29、魯棉研15號、南抗3號和蘇雜3號等。這些抗蟲雜種棉的推廣應(yīng)用,有利于提高植棉效益,保持農(nóng)村生態(tài)平衡,推動我國棉花生產(chǎn)的健康發(fā)展。隨著高產(chǎn)育種平臺現(xiàn)象的出現(xiàn),育種家更加重視棉花雜種優(yōu)勢的利用。目前世界規(guī)?；a(chǎn)棉花雜種一代種子具有兩種途徑,人工去雄授粉法和核不育系“一系兩用”法。人工去雄授粉法完全靠人工操作,制種成本高,難以大規(guī)模地推廣應(yīng)用。利用核雄性不育系“一系兩用”法制種尚缺乏十分有效的保持系,制種時需鑒別不育株和可育株,并要拔去50%左右已達(dá)開花期的可育株,同時不育系的育性隨種植地點(diǎn)和年份發(fā)生波動,因而其應(yīng)用范圍也受到限制。而水稻、高粱、油菜等作物大面積利用雜種優(yōu)勢,主要是采用CMS實現(xiàn)“三系”配套進(jìn)行雜種一代種子生產(chǎn)。盡管棉花CMS已經(jīng)實現(xiàn)“三系”配套,但由于其恢復(fù)源狹窄以及不育胞質(zhì)對雜種一代皮棉產(chǎn)量所產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng),“三系”雜種棉選育進(jìn)展緩慢,目前我國通過審定的“三系”雜種棉品種僅有銀棉2號和新彩棉9號。隨著轉(zhuǎn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(gst)強(qiáng)恢復(fù)系“浙大強(qiáng)恢”的育成以及海島棉中育性增強(qiáng)基因的發(fā)現(xiàn),利用“三系”配套進(jìn)行棉花大面積的雜種優(yōu)勢利用不久將成為現(xiàn)實。本文通過回顧棉花CMS的研究歷史,分析以CMS進(jìn)行棉花雜種優(yōu)勢利用存在的問題,探討解決問題的對策,為“三系”雜種棉新品種選育技術(shù)體系的建立奠定理論基礎(chǔ)。1陸地棉胞質(zhì)發(fā)育系的保持系和恢復(fù)系由細(xì)胞質(zhì)基因和核基因互作控制的雄性不育類型簡稱為胞質(zhì)雄性不育。這種類型可以實現(xiàn)雄性不育系、保持系和恢復(fù)系的三系配套生產(chǎn)雜種一代種子,故這種制種方法稱為“三系法”。細(xì)胞質(zhì)可育基因N對不育基因S為顯性,核內(nèi)可育基因Rf對不育基因rf為顯性,且核內(nèi)可育基因Rf能夠恢復(fù)細(xì)胞質(zhì)不育基因S的育性。CMS的不育性由胞質(zhì)不育基因S和核內(nèi)1對或1對以上隱性基因rfrf共同決定,其育性可被基因型為N(rfrf)的品種(系)所保持,可被基因型為N(RfRf)或S(RfRf)的品種(系)所恢復(fù)。棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的創(chuàng)造始于美國。Meyer等在世界上首次育成異常棉(Gossypiumanomalum)胞質(zhì)不育系和亞洲棉(G.arboreum)胞質(zhì)不育系,但它們屬于部分雄性不育系,育性不穩(wěn)定,易受環(huán)境條件的影響,因而缺乏實際利用價值。隨后Meyer等以二倍體野生棉種哈克尼西棉(G.harknessii)為母本,與陸地棉(Gossypiumhirsutum)M8雜交,然后分別與岱字棉16和Delcot277回交3次,育成哈克尼西棉胞質(zhì)不育系DES-HAMS16和DES-HAMS277,一般陸地棉品種可作為這兩個胞質(zhì)不育系的保持系。通過哈克尼西棉與陸地棉的雜交與回交,將哈克尼西棉控制可育性的基因轉(zhuǎn)育到陸地棉中,分別育成兩個恢復(fù)系DES-HAF16和DES-HAF277,實現(xiàn)了“三系”配套。韋貞國等育成亞洲棉胞質(zhì)不育系P24-6A,但由于保持系基因型的雜合性,育性分離或保持不完全。賈占昌從石短5號(G.hirsutum)與軍海棉(G.barbadense)雜交后代F3中發(fā)現(xiàn)雄性不育株,經(jīng)改良定名為104-7A,其雄性不育性遺傳穩(wěn)定,不育度和不育株率均為100%,育成陸地棉胞質(zhì)不育系,其恢保關(guān)系與哈克尼西棉胞質(zhì)不育系類似。Stewart育成三裂棉胞質(zhì)雄性不育系及其恢復(fù)系,該不育系屬于配子體不育類型,以其作母本配制的雜種F1、F2均可育,具有較高的利用價值,一般陸地棉可作為其保持系。袁鈞等在陸地棉矮生棉與亞洲棉常紫1號遠(yuǎn)緣雜交后代中,育成陸地棉胞質(zhì)雄性不育系晉A,陸地棉品種可作其保持系,海島棉品種含有恢復(fù)其育性的基因,因而晉A是具有陸地棉細(xì)胞質(zhì)的質(zhì)核互作雄性不育材料。棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系及恢復(fù)系的改良在中國、印度等國取得明顯進(jìn)展。1979年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所從美國引進(jìn)兩套哈克尼西棉胞質(zhì)不育系DES-HAMS16、DES-HAMS277和恢復(fù)系DES-HAF16、DES-HAF277及其雜種一代,鑒定結(jié)果表明,2個不育系不育性穩(wěn)定,但恢復(fù)系攜帶的育性恢復(fù)基因為不完全顯性,對不育系的育性恢復(fù)能力較差,一般只能恢復(fù)60%~80%。此外,該不育細(xì)胞質(zhì)對棉花產(chǎn)量有不良影響,其雜種F1皮棉產(chǎn)量一般比對照品種減產(chǎn)5%~10%,營養(yǎng)生長偏旺,貪青晚熟。劉少林等將來自海島棉品種海1的1個顯性無腺體基因(Gl2e)導(dǎo)入該“三系”中,經(jīng)過多次回交和人工選擇,新“三系”的育性和農(nóng)藝性狀比原“三系”明顯改進(jìn)。韋貞國等利用DES-HAMS16和DES-HAMS277及其恢復(fù)系為基礎(chǔ)材料,通過與陸地棉品種(系)連續(xù)回交4代,育成7個胞質(zhì)不育系;從HAF277與(滬369×苘麻)F4的雜交后代中,通過育性選擇、自交和測恢,選育出8個對不育系育性恢復(fù)良好的恢復(fù)系;并選育出4個皮棉產(chǎn)量較對照品種鄂荊1號增產(chǎn)10%以上的“三系”雜種棉新組合。李蒙恩等以哈克尼西棉胞質(zhì)不育系DES-HAMS277及其恢復(fù)系DES-HAF277、Ig-79-80R、0-613-2R為材料,通過不育系與陸地棉品種回交、恢復(fù)系選擇育種與測恢,育成中A、PA等4個優(yōu)良的不育系和中R-16、61R-9等6個強(qiáng)恢復(fù)系,并篩選出3個皮棉產(chǎn)量較對照新陸早7號增產(chǎn)20%以上的強(qiáng)優(yōu)勢組合。自1975年Meyer育成哈克尼西棉胞質(zhì)不育系、恢復(fù)系以及1992年Stewart育成三裂棉胞質(zhì)不育系、恢復(fù)系以來,國內(nèi)外棉花育種家利用這兩套材料進(jìn)行了廣泛的不育系、恢復(fù)系轉(zhuǎn)育和優(yōu)勢組合選配,但進(jìn)展緩慢,僅在我國和印度育成了為數(shù)甚少的“三系”雜種棉新品種獲得審定并推廣應(yīng)用。“三系”雜種棉新品種選育可采用兩種技術(shù)途徑,其一,由不育系、恢復(fù)系的回交轉(zhuǎn)育,經(jīng)不育系與恢復(fù)系的廣泛配組與鑒定,到強(qiáng)優(yōu)勢組合的獲得。如中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所選育的“銀棉2號”、新疆天然彩色棉花研究所選育的“新彩棉9號”。其二,首先選配獲得強(qiáng)優(yōu)勢組合,接著將恢復(fù)基因和不育胞質(zhì)回交轉(zhuǎn)育到強(qiáng)優(yōu)勢組合的父、母本中,最后確定CMS雜種一代的優(yōu)勢表現(xiàn)。如印度將大面積推廣的人工去雄組合AHH468的雙親分別轉(zhuǎn)育成哈克尼西棉胞質(zhì)不育系、恢復(fù)系,其CMS雜種棉新品種定名為CAHH468。2胞質(zhì)發(fā)育系小一統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與過程Murthi等對哈克尼西棉CMS進(jìn)行細(xì)胞學(xué)研究,結(jié)果表明不育系的雄性敗育大多數(shù)發(fā)生在造孢細(xì)胞增殖期,偶爾能形成花粉母細(xì)胞(PollenMotherCells,PMCs),但在減數(shù)分裂的前期Ⅰ就退化。朱云國等觀察了哈克尼西棉CMS小孢子發(fā)生的超微結(jié)構(gòu),與保持系相比,不育系孢原細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)基本正常,但一部分造孢細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常,線粒體最先出現(xiàn)腫脹、內(nèi)嵴開始模糊、基質(zhì)變淡,接著細(xì)胞質(zhì)開始收縮、變薄,核糖體密度下降,細(xì)胞膜局部與細(xì)胞壁分離;多數(shù)孢原細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂形成PMCs,但大多數(shù)PMCs顯示出明顯的退化現(xiàn)象,線粒體出現(xiàn)高度腫脹、內(nèi)嵴由中部向邊緣逐漸消失、基質(zhì)變淡,細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分離,約30%液泡膜破裂,約10%小液泡合并成大液泡,并對細(xì)胞質(zhì)及其中的細(xì)胞器進(jìn)行自體吞噬活動;進(jìn)入減數(shù)分裂期,不育系PMCs進(jìn)一步敗育,其中線粒體、液泡等細(xì)胞器徹底解體、消失,細(xì)胞質(zhì)繼續(xù)解體,僅殘留一些未徹底解體的細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)容物充滿整個藥室。Thomber等發(fā)現(xiàn),棉花胞質(zhì)不育系大部分藥室中沒有PMCs的發(fā)育,個別藥室盡管有PMCs,但都在減數(shù)分裂前解體。張?zhí)煺鎸ξ覈懙孛薨|(zhì)不育系104-7A小孢子發(fā)育過程進(jìn)行細(xì)胞學(xué)觀察,結(jié)論認(rèn)為,胞質(zhì)不育系104-7A花藥分化正常,但很多在PMCs的形成過程中退化解體,一些PMCs能進(jìn)一步發(fā)育成熟并開始減數(shù)分裂,但都僅停留在減數(shù)分裂的前期Ⅰ;該不育系絨氈層的提早解體可能與PMCs的解體有關(guān);并與美國培育的哈克尼西棉胞質(zhì)不育系的敗育進(jìn)程基本一致。王學(xué)德等研究了我國6個胞質(zhì)不育系小孢子發(fā)生的細(xì)胞學(xué)特征,結(jié)果表明,中棉所12A和NM-1A的敗育時期與DES-HAMS277基本相同,敗育過程發(fā)生在造孢細(xì)胞增殖期或PMCs形成期,主要細(xì)胞學(xué)特征為,染色體行為異常,胞內(nèi)常含有2~4個微核,核仁穿壁現(xiàn)象很普遍,細(xì)胞質(zhì)液泡化;104-7A、湘遠(yuǎn)4-A、NM-2A、NM-3A的敗育時期比DES-HAMS277遲,敗育過程發(fā)生在減數(shù)分裂期。胞質(zhì)不育系花藥絨氈層的過早退化與造孢細(xì)胞和PMCs的敗育密切相關(guān)。黃晉玲等觀察了陸地棉胞質(zhì)不育系晉A的小孢子發(fā)生過程,晉A雄性敗育的時期、過程與張?zhí)煺鎴蟮赖?04-7A相似;PMCs和絨氈層細(xì)胞中的線粒體異常,對晉A小孢子敗育有直接的影響;線粒體異常表現(xiàn)的特征為,線粒體腫脹破裂,內(nèi)嵴溶解、消失。在棉花CMS的生理生化特性研究方面,Servella等首次報道CMS不育系氨基酸水平的變化,亞洲棉胞質(zhì)雄性不育系花藥中酸性氨基酸含量較低;在氨基酸組分中,不育系葉片中天門冬氨酸和精氨酸含量較高,而保持系葉片中含量很少或完全缺失。邱竟等研究認(rèn)為,哈克尼西棉胞質(zhì)不育系子葉、真葉中過氧化物酶同工酶條帶多于保持系和恢復(fù)系,而在處于小孢子單核期的花藥中則相反。馮義軍等研究了哈克尼西棉不育胞質(zhì)對雜種一代生理生化指標(biāo)的影響,就蕾期葉片葉綠素、可溶性糖、淀粉含量及光合強(qiáng)度、呼吸強(qiáng)度而言,哈克尼西棉胞質(zhì)不育系與恢復(fù)系的雜種一代(A×R)F1均略高于同核異質(zhì)保持系與恢復(fù)系的雜種一代(B×R)F1,但差異不顯著。(A×R)F1花期葉片葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、淀粉含量及光合強(qiáng)度仍高于(B×R)F1,且分別達(dá)顯著或極顯著水平;可溶性糖含量和呼吸強(qiáng)度則顯著低于(B×R)F1。(A×R)F1花期葉片淀粉酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性顯著低于(B×R)F1,多酚氧化酶活性則顯著高于(B×R)F1。王學(xué)德以保持系中棉所12B為對照,研究了哈克尼西棉CMS中棉所12A花藥發(fā)育過程中碳水化合物的代謝特征,從造孢細(xì)胞增殖期開始,不育系花藥中的淀粉和可溶性糖含量一直處于原有水平,缺乏淀粉的積累;在PMCs減數(shù)分裂期,不育系花藥就開始缺少淀粉酶同工酶特征帶,淀粉酶表現(xiàn)出不完整性和低活性。但保持系可育花藥隨著發(fā)育進(jìn)程的延伸可溶性糖含量逐漸下降,淀粉積累逐漸增加,特別是在PMCs減數(shù)分裂后,小孢子發(fā)育至花粉成熟過程中有大量淀粉合成;光合產(chǎn)物運(yùn)輸至花藥后迅速被用于淀粉等大分子化合物的合成是PMCs增殖、生長和發(fā)育所必需的。解海巖等利用酶聯(lián)免疫檢測技術(shù),研究哈克尼西棉胞質(zhì)不育系、保持系、恢復(fù)系和雜種F1在花藥發(fā)育的5個時期內(nèi)源激素含量的動態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)在保持系、恢復(fù)系和F1的可育花藥之間內(nèi)源激素差異不明顯,但在可育花藥與不育系的不育花藥間差異顯著。在吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)和玉米素核苷(ZR)含量上,不育花藥低于可育花藥;但在脫落酸(ABA)含量上,不育花藥高于可育花藥。根據(jù)內(nèi)源激素的功能推測,不育花藥IAA含量過低使花藥內(nèi)淀粉的積累受阻,GA3含量不足影響PMC和絨氈層細(xì)胞的膨大,過低的ZR含量使PMC不能分裂形成四分體,過高的ABA含量促進(jìn)PMCs退化和死亡。3mtmda和正?？捎募?xì)胞的rapd和rflp分析棉花CMS是一種母性遺傳性狀,受特定的細(xì)胞質(zhì)基因和核內(nèi)不育基因共同控制,不育系的細(xì)胞質(zhì)基因組如線粒體基因組、葉綠體基因組與不育花粉的形成密切相關(guān)。Chen等研究認(rèn)為,棉花CMS與葉綠體RubisCO大亞基的變異有關(guān)。Galau等證實,不育系與保持系之間在葉綠體DNA的限制性酶切片段長度上存在明顯差異。劉少林等應(yīng)用RAPD(RandomamplifiedpolymorphicDNA)技術(shù)比較了哈克尼西棉胞質(zhì)不育三系、(不育系×恢復(fù)系)F1和陸地棉遺傳標(biāo)準(zhǔn)系TM-1的線粒體基因組和葉綠體基因組的差異,認(rèn)為棉花CMS主要與線粒體DNA(mtDNA)異常有關(guān),在育性恢復(fù)過程中,核基因引起mtDNA順序結(jié)構(gòu)較大程度的改變。馮純大等采用RFLP(Restrictionfragmentlengthpolymorphism)技術(shù)對哈克尼西棉CMS胞質(zhì)、恢復(fù)系胞質(zhì)和正?？捎懙孛薨|(zhì)的線粒體基因組進(jìn)行比較研究,不育胞質(zhì)和陸地棉正?？捎|(zhì)具有明顯不同的mtDNA,而不育胞質(zhì)與恢復(fù)系胞質(zhì)的mtDNA相同,表明恢復(fù)基因的存在保持了細(xì)胞質(zhì)線粒體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。王學(xué)德等對我國6個棉花CMS和1個保持系的mtDNA進(jìn)行了RAPD分析,結(jié)果表明,不育系與保持系之間具有不同的帶型,而且6個不育系也存在明顯的帶型分化,帶型相似的不育系有中棉所12A、NM-1A和湘遠(yuǎn)4-A,帶型不同的有104-7A、NM-2A、NM-3A。除湘遠(yuǎn)4-A外,其余5個不育系在mtDNA的RAPD標(biāo)記上的歸類與細(xì)胞形態(tài)學(xué)上的劃分相似。同時也說明恢保關(guān)系相同的不育系間存在著細(xì)胞質(zhì)基因型的分化。隨后王學(xué)德以哈克尼西棉胞質(zhì)不育系和保持系的花藥及黃化苗為材料,分別對線粒體蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行SDS(Sodiumdodecylsulfate-polyacrylamidegelelectrophoresis)、RAPD和RFLP分析,與保持系及恢復(fù)系相比,在處于敗育時期的不育系花藥線粒體內(nèi)缺少一種約31kDa的多肽,這種多肽的缺失可能是不育系線粒體基因發(fā)生變異所致,但也不排除不育系核基因的表達(dá)產(chǎn)物抑制了線粒體基因的正常表達(dá)的可能性;在黃化苗線粒體DNA的RAPD分析中,發(fā)現(xiàn)至少有5個10聚體隨機(jī)引物能夠在不育系、保持系線粒體DNA之間擴(kuò)增出多態(tài)性條帶,其中引物OPAH1、OPAH20的擴(kuò)增產(chǎn)物反映出不育系、保持系線粒體基因組存在明顯差異;以4個線粒體基因為探針進(jìn)行的RFLP分析發(fā)現(xiàn),不育系線粒體DNA缺少1個分子量為1.9kb、與coxⅡ基因具有同源序列的片段,這1個片段的缺失可能是線粒體DNA分子內(nèi)或分子間重排所致。4哈克尼西棉胞質(zhì)對原代棉產(chǎn)量、農(nóng)藝及指標(biāo)的影響哈克尼西棉胞質(zhì)目前是陸地棉胞質(zhì)雄性不育系的主要胞質(zhì)來源,胞質(zhì)遺傳效應(yīng)關(guān)系到能否以胞質(zhì)不育系實現(xiàn)棉花雜種優(yōu)勢利用。自哈克尼西棉胞質(zhì)雄性不育系問世以來,異源胞質(zhì)對陸地棉產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳效應(yīng)一直備受育種家關(guān)注。Weaver在研究具有哈克尼西棉胞質(zhì)的陸地棉“三系”雜種優(yōu)勢時發(fā)現(xiàn),不育系×恢復(fù)系、恢復(fù)系×常規(guī)品種的雜種一代產(chǎn)量比常規(guī)品種間雜種二代及對照顯著減產(chǎn),不育胞質(zhì)使雜種F1減產(chǎn)5%~8%。Schoenhal等發(fā)現(xiàn),不育細(xì)胞質(zhì)與不同核基因互作可產(chǎn)生不同的遺傳效應(yīng),既有正效應(yīng)也有負(fù)效應(yīng),一些含有哈克尼西棉胞質(zhì)的雜種產(chǎn)量比陸地棉胞質(zhì)雜種增產(chǎn)10%以上。Meyer通過比較正、反交后代的差異發(fā)現(xiàn),亞洲棉、草棉、異常棉、長萼棉和哈克尼西棉等二倍體種胞質(zhì)的雜種比相應(yīng)陸地棉胞質(zhì)的雜種顯著減產(chǎn)。韋貞國對分別具有亞洲棉、草棉、異常棉、長萼棉、哈克尼西棉等二倍體種和海島棉、墨西哥野生棉、蓬蓬棉等四倍體種胞質(zhì)的陸地棉同核系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)包括哈克尼西棉在內(nèi)的二倍體及四倍體棉種胞質(zhì)對陸地棉基因型的產(chǎn)量及其它農(nóng)藝性狀無不良影響。并在所選育的三系雜種棉組合中,近半數(shù)組合的皮棉產(chǎn)量達(dá)到或超過競爭對照,少數(shù)組合競爭優(yōu)勢達(dá)15%左右;哈克尼西棉不育胞質(zhì)對雜種F1的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀沒有顯著的負(fù)效應(yīng),胞質(zhì)遺傳效應(yīng)除導(dǎo)致雄性不育外,還顯著增加了雜種一代的花藥數(shù)量。隨后韋貞國等以哈克尼西棉胞質(zhì)雄性不育系(A)、保持系(B)和恢復(fù)系(R)配制的雜交組合A×R、B×R、R×B為材料,在核基因型相同的情況下研究哈克尼西棉胞質(zhì)對雜種一代產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及纖維品質(zhì)的影響,結(jié)論認(rèn)為,哈克尼西棉胞質(zhì)對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響較大,但其影響與核基因型密切相關(guān),對大多數(shù)核基因型在產(chǎn)量及其構(gòu)成因素上沒有表現(xiàn)顯著的影響,只有對少數(shù)核基因型產(chǎn)生顯著的負(fù)效應(yīng),不利影響表現(xiàn)在每鈴不孕籽數(shù)的顯著增加;而對纖維品質(zhì)影響較小。王學(xué)德等研究認(rèn)為,(1)哈克尼西棉細(xì)胞質(zhì)與陸地棉細(xì)胞核互作不僅引起PMCs敗育,而且對雌配子育性也存在一定程度的損傷。但不育胞質(zhì)對來自不同保持系的核基因型有親和力的差異,優(yōu)良保持系提供的細(xì)胞核與不育胞質(zhì)具有高的親和力,表現(xiàn)為不育系不孕籽率低,種子生產(chǎn)力高。(2)不育系與恢復(fù)系雜交,F1的花粉育性接近正常,而自交結(jié)實率仍較低,哈克尼西棉胞質(zhì)對雜種一代育性有一定程度的負(fù)效應(yīng)。但不育胞質(zhì)對F1育性的影響在不同組合(A×R)間的表現(xiàn)也不一致,有些組合的花粉育性已接近或超過陸地棉常規(guī)品種。當(dāng)F1可育花粉率超過80%時,其花粉量可滿足雙受精的需要。(3)不育胞質(zhì)對F1產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在結(jié)鈴性弱,但這種負(fù)效應(yīng)可以通過優(yōu)良不育系和強(qiáng)恢復(fù)系的選配得以克服。在強(qiáng)優(yōu)勢組合中,不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)不足以使F1產(chǎn)量顯著降低,而且可以得到雜種優(yōu)勢的補(bǔ)償,使F1產(chǎn)量水平超過對照品種。李宗友等研究了雄性不育胞質(zhì)對配合力的影響,盡管不育胞質(zhì)對產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及其它性狀具有或正或負(fù)的效應(yīng),但并不影響配合力的分析以及根據(jù)配合力分析結(jié)果對親本所做出的評價,因此藉常規(guī)品種與恢復(fù)系雜交的配合力分析結(jié)果,以選擇保持系指導(dǎo)強(qiáng)優(yōu)勢組合選配。周曙霞等報道了哈克尼西棉細(xì)胞質(zhì)對陸海種間雜種優(yōu)勢的影響,以同核異質(zhì)系即哈克尼西棉胞質(zhì)不育系和陸地棉胞質(zhì)保持系作母本、海島棉作父本配制的雜交組合A×R、B×R為材料,研究結(jié)果表明,哈克尼西棉胞質(zhì)效應(yīng)廣泛存在,主要對F1單株結(jié)鈴數(shù)、皮棉產(chǎn)量、2.5%跨距長度、麥克隆值有顯著負(fù)效應(yīng),但不同的親本核基因型對F1表現(xiàn)各不相同,胞質(zhì)效應(yīng)與母本核基因型密切相關(guān),差異顯著。陸海“三系”雜種棉的選育成效取決于陸地棉親本和海島棉恢復(fù)系的選擇。5棉胞質(zhì)不育特性棉花CMS的胞質(zhì)類型包括亞洲棉、異常棉、哈克尼西棉、三裂棉和陸地棉等,大量研究結(jié)果表明,僅有哈克尼西棉、三裂棉和陸地棉胞質(zhì)不育系能夠穩(wěn)定表現(xiàn)出雄性不育特性。育性恢復(fù)是應(yīng)用CMS實現(xiàn)棉花雜種優(yōu)勢利用的關(guān)鍵,自Meyer等于20世紀(jì)70年代實現(xiàn)哈克尼西棉胞質(zhì)不育系“三系”配套以來,棉花“三系”雜種棉育種進(jìn)展緩慢,恢復(fù)系的恢復(fù)力不夠強(qiáng)是主要原因之一。5.1pimas-4基因的擴(kuò)增、克隆及測恢復(fù)系的建立CMS育性恢復(fù)系的類型通過遠(yuǎn)緣雜交以及回交等手段,目前已獲得恢復(fù)基因分別來自哈克尼西棉、三裂棉、異常棉、瑟伯氏棉的恢復(fù)系。Sheetz等以恢復(fù)系DES-HAF277為母本,與海島棉品種PimaS-4雜交,聚合恢復(fù)基因Rf和育性增強(qiáng)基因E,育成帶有育性增強(qiáng)基因E的恢復(fù)系。王學(xué)德等采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法,將谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(gst)導(dǎo)入恢復(fù)系DES-HAF277中,通過自交純合與測恢,育成一個對CMS具有強(qiáng)恢復(fù)力的恢復(fù)系“浙大強(qiáng)恢”。與受體品種DES-HAF277相比,“浙大強(qiáng)恢”對不育系的恢復(fù)力提高了25.8%,從而使雜種F1單株結(jié)鈴數(shù)多3.6個,不孕籽率降低了10.1%,皮棉產(chǎn)量提高了10.6%。5.2哈克尼西棉調(diào)更新后的育性恢復(fù)CMS育性恢復(fù)的遺傳方式多數(shù)植物CMS育性可被各自特定核基因組內(nèi)的恢復(fù)基因所恢復(fù)。迄今發(fā)現(xiàn)的棉花CMS可分為兩種類型:孢子體不育和配子體不育,除三裂棉CMS屬于配子體不育外,其余均為孢子體不育。Meyer首次報道了哈克尼西棉CMS恢復(fù)性的遺傳機(jī)理,研究結(jié)果認(rèn)為,該胞質(zhì)不育系的育性恢復(fù)受兩對獨(dú)立遺傳的基因控制,其中一個是顯性基因(F),另一個是隱性基因(s)。在哈克尼西棉胞質(zhì)背景下,當(dāng)核內(nèi)具有一個顯性基因F和一對純合隱性基因ss時表現(xiàn)可育,三系配套的基因型分別為:不育系S(ffSS)、保持系N(ffSS)和恢復(fù)系S(FFss)或N(FFss)。不育系與恢復(fù)系雜交,雜種F1可育,F2群體中可育株與不育株的分離比例符合13∶3,符合兩對獨(dú)立基因的遺傳方式。并發(fā)現(xiàn)在分離世代中,可育株個體之間的育性恢復(fù)程度呈連續(xù)性分布,除主基因F、s外,還有一些修飾基因或加性基因影響著育性的恢復(fù)程度。隨后daSilva等、Maranhao等報道,哈克尼西棉CMS的育性恢復(fù)受三對基因以及一些修飾基因控制,單體測驗表明,其中一個恢復(fù)基因位于第18染色體上。但來自Kohel等、Weaver等的遺傳研究表明,哈克尼西棉CMS育性恢復(fù)僅受一對基因Rf控制,且Rf基因與包括位于第18染色體上芽黃v1在內(nèi)的13個形態(tài)標(biāo)記不存在連鎖關(guān)系。王學(xué)德等以哈克尼西棉胞質(zhì)不育系DES-HAMS277及其恢復(fù)系DES-HAMF277為對照,對我國自育或回交轉(zhuǎn)育的7個棉花CMS進(jìn)行了育性恢復(fù)的遺傳研究,結(jié)果表明,7個不育系的育性恢復(fù)均受兩個獨(dú)立的顯性基因(Rf1和Rf2)控制,Rf1為完全顯性,Rf2為部分顯性,Rf1對育性恢復(fù)的遺傳效應(yīng)大于Rf2。經(jīng)育性基因的等位性測驗,可將供試的7個不育系分為兩類:第一類包括湘遠(yuǎn)4-A、中12A和顯無A,在2個育性恢復(fù)基因位點(diǎn)上與引自美國的哈克尼西棉細(xì)胞質(zhì)雄性不育系DES-HAMS277的2個育性恢復(fù)基因Rf1和Rf2等位且性質(zhì)相同;第二類包括104-7A、NM-1A、NM-2A和NM-3A,在rf1位點(diǎn)上有一個復(fù)等位基因rf1m,雜合等位基因rf1rf1m的不育效應(yīng)大于純合態(tài)rf1rf1或rf1mrf1m,即rf1rf1m對Rf2起隱性上位作用,從而使等位性測驗群體中的不育株比例有所上升。Zhang等在研究三裂棉胞質(zhì)不育系的育性恢復(fù)時發(fā)現(xiàn),其雄性不育性既能夠被三裂棉恢復(fù)系D8R所恢復(fù),又能夠被哈克尼西棉恢復(fù)系D2R所恢復(fù),且分別受1對顯性基因Rf2、Rf1所控制,但哈克尼西棉胞質(zhì)不育系的育性不能被三裂棉恢復(fù)系D8R所恢復(fù)。等位性測驗結(jié)果表明,恢復(fù)基因Rf2與Rf1是非等位的,兩者之間為緊密連鎖關(guān)系,其平均遺傳距離為0.93cM。5.3抗辯劑群體對棉性表現(xiàn)型的控制CMS恢復(fù)基因與育性增強(qiáng)基因間的互作效應(yīng)Weaver等和Sheetz等研究認(rèn)為,棉花CMS育性恢復(fù)受一個部分顯性基因控制,并受一個或若干個育性增強(qiáng)基因的修飾。Sheetz等以DES-HAF277為母本,與PimaS-4雜交,利用不具備花粉育性恢復(fù)因子的陸地棉類型進(jìn)行回交,然后以BC3F2群體與陸地棉CMS不育系雜交,研究育性增強(qiáng)因子的遺傳方式,結(jié)果表明,育性增強(qiáng)因子受一對完全顯性基因(E)控制,并在F2群體中觀察到3種育性表現(xiàn)型即強(qiáng)可育、弱可育和雄性不育,其分離比例與兩對基因(Rf/E)的重組比例相吻合。王學(xué)德等在研究棉花CMS育性恢復(fù)的遺傳方式時發(fā)現(xiàn),具有海島棉親緣關(guān)系的陸地棉CMS不育系104-7A、湘遠(yuǎn)4-A、NM3-A的育性易被恢復(fù)系所恢復(fù)。一些強(qiáng)恢復(fù)系如0-613-2R對不育系的恢復(fù)程度強(qiáng)于哈克尼西棉胞質(zhì)恢復(fù)系DES-HAMF277,原因在于0-613-2R含有一對能夠促進(jìn)恢復(fù)基因表達(dá)的顯性單基因即育性增強(qiáng)基因(E)。E基因與Rf1、Rf2基因無連鎖但存在互作,并提出首次恢復(fù)性和恢復(fù)度概念。恢復(fù)性是指不育系與恢復(fù)系雜交,恢復(fù)基因抑制雄性不育的表達(dá),使F1表型呈可育的特性;恢復(fù)度是指育性增強(qiáng)基因促進(jìn)恢復(fù)基因的表達(dá),使F1育性顯著提高的量。6陸地棉．調(diào)節(jié)型低分子rapd基因的分子標(biāo)記分析Weaver等首次發(fā)現(xiàn)1個形態(tài)學(xué)標(biāo)記基因Rc與恢復(fù)基因Rf1連鎖,且重組率為14.0%。DaSilva等、Maranhao等研究認(rèn)為,1個顯性恢復(fù)基因可能位于18D染色體上,同時一些修飾基因位于16D、25D染色體和第15染色體長臂上。此后未見有關(guān)恢復(fù)基因與其它形態(tài)標(biāo)記基因緊密連鎖的研究報道。分子標(biāo)記由于具有其它標(biāo)記不可比擬的優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用,目前在棉花CMS育性恢復(fù)基因分子標(biāo)記篩選領(lǐng)域,常用的分子標(biāo)記是RAPD、SSR和STS。郭旺珍等利用RAPD技術(shù),篩選得到1個與棉花CMS育性恢復(fù)基因Rf1連鎖的分子標(biāo)記OPV-15300,重組率為13.0%。隨后Lan等發(fā)現(xiàn)了1個與Rf1連鎖的RAPD標(biāo)記UBC6592,它們之間的遺傳距離為2.3cM。這個標(biāo)記已被克隆并部分測序,被轉(zhuǎn)化成RFLP標(biāo)記時,與恢復(fù)基因Rf1的遺傳距離為6.0cM。柳李旺等以中棉所12A-1等為不育系、0-613-2R等為恢復(fù)系、泗棉3號等為保持系建立F2群體,綜合運(yùn)用分離體分組分析(bulkedsegregationanalysis,BSA)、近等基因系(nearisogenicline,NIL)、基因型表現(xiàn)度分析(genotype-representationanalysis,GRA)等方法,對陸地棉CMS育性恢復(fù)基因的分子標(biāo)記進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)兩個RAPD標(biāo)記NAU/RAPD/Rf131480和NAU/RAPD/Rf15710,3個SSR標(biāo)記NAU/SSR/Rf11170、NAU/SSR/Rf12135和NAU/SSR/Rf14215與育性恢復(fù)基因Rf1緊密連鎖,其中NAU/RAPD/Rf15710、NAU/SSR/Rf12135和NAU/SSR/Rf14215為共顯性標(biāo)記。單體、端體及其分子標(biāo)記分析結(jié)果表明,Rf1基因位于第4染色體長臂上。Zhang等采用BSA法,分別以3個、2個測交后代為基礎(chǔ)群體,篩選與來自三裂棉D(zhuǎn)8恢復(fù)系恢復(fù)基因Rf2、哈克尼西棉D(zhuǎn)2恢復(fù)系恢復(fù)基因Rf1緊密連鎖的RAPD標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)兩個RAPD標(biāo)記UBC1113000和UBC188500在相引相中與恢復(fù)基因Rf2相聯(lián)系,其中UBC188500與Rf2緊密連鎖,其平均遺傳距離為2.9cM。在兩個所檢測的群體中,1個新的RAPD標(biāo)記UBC169700和1個以前鑒定的RAPD標(biāo)記UBC6591500與恢復(fù)基因Rf1表現(xiàn)為共分離。在已知序列信息的基礎(chǔ)上,將3個RAPD標(biāo)記UBC188500、UBC169700和UBC6591500轉(zhuǎn)換成可靠的、基因組特異性的序列標(biāo)簽位點(diǎn)(sequencetaggedsite,STS)標(biāo)記。利用陸地棉CMS-D8-Rf2配子體育性恢復(fù)系統(tǒng)產(chǎn)生的育性恢復(fù)雜合的F1植株中,僅具有Rf2等位基因的花粉粒是功能性的,因此所有F2植株是可育的。鑒于與Rf2連鎖的等位基因優(yōu)先通過花粉傳遞,而與rf2連鎖的等位基因傳遞頻率降低,Zhang等以可育的F2群體為材料,研究互斥相或互引相中Rf2基因與分子標(biāo)記之間的重組率。在互斥相組合(D8R×T586)F2和互引相組合(D8R×T582)F2連鎖分析中,形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)證實Rf2基因與T586中的9個顯性基因或與T582中的5個隱性基因無連鎖關(guān)系。但1個僅存在于恢復(fù)系D8R中的RAPD標(biāo)記UBC188500,在(D8R×T586)F2群體中表現(xiàn)出極端的偏態(tài)分布,76棵群體中僅有2棵沒有檢測到UBC188500,恢復(fù)基因Rf2與該標(biāo)記之間的重組率為5.26%。Feng等以回交群體(B416R×Ark8518)×Ark8518為基礎(chǔ)群體,采用BSA法研究與CMS-D2-2育性恢復(fù)基因Rf1緊密連鎖的STS標(biāo)記,通過RAPD分析鑒定出4個RAPD標(biāo)記,其中3個標(biāo)記UBC1471400、UBC607500、UBC679700與Rf1共分離,另1個標(biāo)記UBC169800與以往研究在互斥相中報道的UBC169700共分離,且與Rf1的遺傳距離為4.5cM。其他學(xué)者報道的1個RAPD標(biāo)記UBC6591500與Rf1的遺傳距離為2.7cM,且與UBC169800相距1.8cM。根據(jù)RAPD擴(kuò)增片段的序列信息設(shè)計了4套STS引物對,與UBC1471400、UBC607500擴(kuò)增片段相關(guān)的兩組STS引物對,兩者都擴(kuò)增出單一為可育植株特有的片段;而與UBC679700、UBC6591500擴(kuò)增片段相關(guān)的STS引物對,每組引物擴(kuò)增出1條為可育植株特有的片段和1條可育、不育植株共有的片段。這些與恢復(fù)基因緊密連鎖的STS標(biāo)記將為“三系”雜種棉育種中恢復(fù)系的選育提供準(zhǔn)確可靠的分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)。7棉屬抗蟲性能高的高效遺傳系統(tǒng)從李必湖發(fā)現(xiàn)野敗型不育系到大面積推廣應(yīng)用“三系”雜交水稻新品種僅利用了十多年,而自Meyer成功培育出哈克尼西棉胞質(zhì)不育系及其恢復(fù)系至今已有三十多年。作物細(xì)胞質(zhì)雄性不育及其育性恢復(fù)的原理是相同的,雖然目前“三系”雜種棉已有少量品種在我國、印度通過審定并種植,但其選育過程中仍然存在一些技術(shù)瓶頸和學(xué)術(shù)難題需要攻克。通過系統(tǒng)回顧棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、恢復(fù)系及“三系”雜種棉的選育歷史,筆者認(rèn)為“三系”雜種棉選育進(jìn)展緩慢的原因