植物基因工程雄性不育策略概述

韩福平

摘要：作物雄性不育系的选育是杂交育种中的重要环节。基因工程雄性不育与用常规方法选育雄性不育相比具有选育周期缩短、育性相对稳定、受环境影响少、对基因型依赖少、环境污染小等特点，在农业上具有广泛的实际应用前景。本文通过对基因工程雄性不育策略进行了介绍，总结了基因工程雄性不育的技术起源和发展历史。

关键词：杂交育种；基因工程；雄性不育；专利技术综述

1.基因工程雄性不育概述

长期以来，人们一直利用常规育种的方法选育不育系、保持系和恢复系，或者把不育性从一个品种转育到品质好的品种中，这些方法周期长、见效慢，不能满足生产发展的迫切需要。目前，也有许多控制植物雄性不育性的基因被克隆，但是，由于植物的不育性受核基因、线粒体基因、叶绿体基因和环境因素的影响，作用机理比较复杂，人们对其认识还不足，所以难在短期内获得明显的效果.基因工程雄性不育与用常规方法选育雄性不育相比具有选育周期缩短、育性相对稳定、受环境影响少、对基因型依赖少、环境污染小等特点。

1.1 Mariani策略

随着生物技术的发展及其在植物遗传育种中的应用，Mariani等人在1990年开创了一个创造植物雄性不育的新途径。他们应用来自于烟草的花药绒毡层特异性启动子（TA29）和核糖核酸酶基因（Barnase）嵌合后转化烟草和油菜，由于核糖核酸酶的作用，转基因烟草和油菜的花药绒毡层被破坏，形成花粉败育，而转基因烟草的其他器官发育正常。为了解决雄性不育的恢复问题，1992年Mariani等又将Barnase的抑制剂Barstar的基因与烟草花药绒毡层特异性的启动子TA29串联构成嵌合基因转化油菜，获得了带TA29-Barstar的转基因油菜，这些油菜作为母本与带TA29-Barnase的油菜杂交，使雄性不育恢复。带TA29-Barstar的转基因油菜雄性可育，花药绒毡层发育良好，无任何不良反映。Barnase基因是Hartley（1989）等在淀粉芽抱杆菌的“RNA酶/RNA酶抑制因子”防御系统中的发现的。这种芽抱杆菌合成一种叫Barnase的细胞外RNA酶，以保护本身不受其他微生物捕食者的危害。而Barstar则是Barnase特异的抑制因子，被淀粉芽抱杆菌用于保护白身不受Barnase细胞毒素的影响。在Barnase和Barstar成功的应用于创造植物的不育系和恢复系后，为了解决不育系的保持问题，人们一直以未转化的正常植株为其保持系保持育性，但是，由于带TA29-Barnase的转基因植株为显性杂合不育系，当与正常植株杂交后，其杂交后代中会有50%的可育株。为了解决这个问题，1994年ZouJ等将TA29-Barnase嵌合基因与抗除草剂基因串联在一起，构建在同一个植物表达载体上转化植物。这样，我们可以筛选到TA29-Barnase与抗除草剂基因紧密连锁的转基因植株，二者可能同时存在同时消失，人们可以通过施用除草剂有选择的将丢失TA29-Barnase嵌合基因的雄性可育植株杀死，将雄性不育植株保留下来而保持不育性。目前，由美国加州大学和比利时PGS公司合作进行的转基因油菜杂交系研究，应用了Mariani的不育性系统，已经成功地实现了“三系”配套。Mariani的成功得益于找到了花药特异性启动子。受到他的启发，各国科学家纷纷在各种植物中寻找特异性启动子。目前，陆续克隆了许多与花粉或花药形成有关的特异性启动子，例如Osg6B、TA29等。

1.2 通过影响植物的正常生理代谢形成雄性不育

通过单一基因或一系列基因的转化，改变植物产生正常花粉所需要的生理代谢.从而形成花粉的败育。例如，影响植物内部氨基酸、糖、黄碱醇、茉莉酮酸和生长素的代谢形成花粉败育。这些花粉的败育可以通过弥补上述物质的代谢水平来进行育性恢复。

1.3 通过互补系统来形成雄性不育或育性恢复

将两个基因或一个基因的两个部分分别转化植物，通过两个转基因植物的杂交在后代中两个基因共同作用形成不育系或恢复系。例如Oiane G等（2002）将Barnase基因拆分成两部分，分别用花药特异性启动子127a驱动转化马铃薯，转基因植株杂交结果显示带有Barnase基因两个部分的杂交后代表现为雄性不育，而只带Barnase基因单一部分的杂交后代则表现为可育，带有Barnase基因两个部分的不育植株与野生型植株杂交，由于基因分离使3/4的后代植株育性恢复。Luo等（2000）利用位点特异性重组系统FLP/FRT从组成型表达雄性不育基因的转基因植物基因组中删除不育基因从而达到对雄性不育的恢复。这种策略要求通过转基因植物的杂交来形成雄性不育或育性恢复，这限制了这种策略在大面积制种中的应用。

1.4 利用反义技术获得转基因雄性不育

反义技术就是将一段DNA（或cDNA）反向装入启动子和终.比子，使反向DNA像正常的DNA一样转录RNA。但它不能像mRNA那样翻译出蛋白，而是与有关的mRNA通过碱基互补，形成反义RNA/mRNA杂交分子，以便抑制或封闭mRNA正常的翻译和表达，达到特异性抑制或下向调节目的基因的表达。花粉发育是一个极复杂的过程，许多基因与花粉发育有关。通过反义RNA片段与花药或花药特异性启动子嵌合，反义RNA特异性阻断与花粉发育有关的基因的表达，从而获得雄性不育植株。目前，通过反义RNA技术获得雄性不育植株的成功的例子有许多。

1.5 其他策略

除了以上一些策略还可以利用天然的或诱导的突变体来形成雄性不育。可以通过突变遗传因子作为育性恢复基因，这种育性恢复基因可以通过化学方法进行诱导。例如，如上所述，现在己经在玉米、矮牵牛、油菜等植物的线粒体DNA中找到了与细胞质雄性不育（CMS）有关的基因。通过基因工程的方法扰乱线粒体与细胞核之间的信息交流，便可导致植物雄性不育。在植物中，ATP合成酶亚基9（atp9）是线粒体编码的，其转录产物需要进行编辑后才能形成成熟mRNA。Hernould（1993）等分别在atp9基因（未编辑）和它的cDNA（编辑）前融合了酵母的信号肤序列后连接上CaMV35s启动子，转化烟草.在转基因植株中，由于基因前端信号肤的作用，表达产物可以被运送到线粒体中，未编辑的atp9的表达产物是异常的，该异常产物与止常的atp9产物竞争，形成有功能和无功能的ATP合成酶的混合物，从而影响线粒体的功能，结果转atp9基因的烟草有绝大多数不育、半不育、可育3种类型。

2. 结语

利用杂种优势可以显著地提高作物产量，改善作物品质，因此雜种优势利用在农业生产中占有重要的地位。杂交优势育种已成为许多作物的主要育种方法之一。为了得到更加方便、高效、稳定的雄性不育植物用于杂交育种，转基因雄性不育育种策略应用而生，近年来基因工程雄性不育技术发展迅猛。当前，利用基因工程雄性不育进行杂交育种发展迅速，生产出来的杂交种子长势好、生活力高、繁殖力强、抗逆性强、产量高和品质佳，将来基因工程雄性不育在杂交育种方面的应用将越来越广泛。