茄子雄性不育应用基础研究进展

李冰 潘秀清 武彦荣 高秀瑞 张敬敬 史宇凡 赵建军 申书兴

摘 要： 茄子是世界上重要的蔬菜作物之一，杂种优势明显。雄性不育系的利用为杂交制种提供了有效途径。笔者回顾了茄子雄性不育系的创制和遗传特征，及其在细胞学、生理生化和分子生物学等方面取得的重要研究进展，并对不育系利用和研究中存在的问题进行了探讨，对其今后的发展方向进行了展望。

关键词： 茄子;雄性不育;杂交制种

Abstract： Eggplant （Solanum melongena L.） is one of the most important vegetable crops in the world. Eggplant has a strong heterosis， and male sterility is one of the important ways to utilize heterosis. In this paper， the creation and genetic characteristics of eggplant male sterile lines and the important research progress in cytology， physiology and molecular biology were reviewed. Moreover， the existing problems and future development directions were prospected.

茄子（Solanum melongena L.）為茄科茄属蔬菜作物，起源于热带，世界各地均有栽培，据FAO统计，中国茄子种植面积和产量均居世界第一位。茄子杂种优势明显，目前生产上主要为杂交种，但杂交种生产需人工去雄授粉，费时费力成本高[1]。因此，利用雄性不育系作为母本生产杂交种子，既可简化制种程序，又可降低成本，提高种子纯度，所以长期以来备受育种家重视。

雄性不育是指植物在有性生殖过程中植物雄蕊发育异常而雌蕊能正常授粉受精的现象[2]。近年来，我国虽育成了一系列茄子不育系材料，但至今没有大面积应用于生产。笔者对茄子雄性不育的遗传机制和败育机制研究进行了回顾和总结，并对雄性不育利用中存在的问题进行了探讨，对其发展方向进行了展望，旨在为茄子雄性不育利用和杂交制种提供理论依据。

1 茄子雄性不育创制及分类

雄性不育在植物界普遍存在，1947年，Sears提出了经典的“三型学说”，即细胞核不育、细胞质不育和核质互作不育。随着研究的深入，科研人员发现，单纯的细胞质不育只是核质互作不育中的一个短暂过程，因此，1956年Edwardson[3]将细胞质不育及核质互作不育2个类型归为一类，称作“二型学说”。“二型学说”很好地解释了雄性不育现象，目前被更多的人接受[4-5]。

1.1 茄子细胞质雄性不育

细胞质雄性不育（CMS）是由胞质基因和核基因共同控制的不育类型，因此又称核质互作型[6]。1974年意大利学者通过将刺天茄和栽培茄杂交，在F2中发现了花药瓣化型细胞质雄性不育株[7]。1985年方木壬等[8]通过将吉洛茄和栽培茄杂交，连续回交后获得了2个CMS类型不育系，其中‘9334A为花药瓣化型，而‘2518A为花药退化型。2002年日本学者Isshiki和Kawajiri[9]通过将变种刺天茄和栽培茄杂交，连续回交后获得了2种CMS类型不育系，一种为花药不开裂型，另一种为低花粉粒型。2004年郭丽娟等[10]通过将赤茄和栽培茄杂交，获得了3个CMS类型不育系，其中655为花药退化型，679为花药瓣化型，704为花药顶端瓣化型。2004年刘选明[11]研究1个自然突变的茄子雄性不育材料‘正兴1号，经DNA分析，初步表明该不育系可能是由核质互作引起。日本学者Khan和Isshiki[12-14]分别在2008年通过将栽培茄和黄果茄杂交，2010年通过将栽培茄和刚果茄杂交，2011年通过将栽培茄和非洲茄杂交，获得了3个CMS类型不育系。2009年日本学者Saito等[15]通过将栽培茄和大叶茄杂交，获得了1个无花粉型CMS系。2012年Zhuang等[16]通过将栽培茄和刚果茄杂交，连续回交后获得了1个花药退化型CMS系。综上，茄子CMS类型多是通过栽培茄和野生茄杂交而获得。

1.2 茄子细胞核雄性不育

细胞核雄性不育（GMS）是由细胞核基因单独控制的一种遗传现象。其育性不受细胞质基因影响，遗传和表达完全遵循孟德尔遗传定律。细胞核雄性不育分为环境敏感雄性不育（EGMS）和环境不敏感雄性不育，其中EGMS又分为光敏雄性不育（PGMS）、温敏雄性不育（TGMS）和光温敏雄性不育（PTGMS）3种类型。1954年Jasmin[17]发现了茄子雄性不育突变体，经鉴定属于花药不开裂型，认为是由核基因控制的功能性雄性不育。1963年加拿大学者Nuttall[18]在栽培品种‘渥太华茄子中发现1个雄性不育突变体，经鉴定为花药不开裂类型，由1对单隐性核基因控制。1989年美国学者Phatak和Jaworski[19]在栽培茄子品种‘佛罗里达茄子中发现1个雄性不育突变体UGA1-MS，经鉴定为花药不开裂类型，由1对单隐性核基因控制;刘进生等[20]在1992年对UGA1-MS进一步研究，证明不育性由1对单隐性基因控制，并与果色基因紧密连锁;田时炳等[21]在2001年利用UGA1-MS通过杂交与回交获得了7份稳定的茄子功能性雄性不育系。2013年李冰等[22]在栽培长茄自交系中发现了1个雄性不育突变体，经鉴定该不育系‘05ms育性主要受温度控制，表现为低温不育、高温可育，由1对隐性核基因控制，属温敏核雄性不育类型。综上，茄子GMS类型多是通过栽培茄自然突变而获得。

2 茄子雄性不育败育机制

对茄子雄性不育机制的研究多集中在遗传、细胞和生理生化方面，分子机制方面的报道比较少。

2.1 茄子雄性不育的細胞学

花药发育过程中细胞学分析是全面认识不育基因调控花粉败育过程的基础。2013年陈雪平等[23]以花药退化（655A）、花药瓣化（679A）和花药顶端瓣化（704A）3种CMS茄子雄性不育系为试材观察花粉母细胞减数分裂过程，发现3类不育系花药败育的关键时期均为前期Ⅰ，但679A花药败育还可发生于小孢子时期;还发现3类不育系的绒毡层细胞均液泡化，其他药壁细胞增生且排列不整齐，药室缢缩为条带状，孢母细胞被挤压变形而败育，药隔内维管束增生，药壁组织及薄壁细胞内淀粉粒积累，分析认为绒毡层结构与功能异常可能是导致3类不育系雄性败育的共性原因。2010年卢阳[24]曾对上述不育材料的线粒体进行观察，发现线粒体空泡化严重，认为线粒体结构异常是造成茄子不育系败育的重要原因。丁泽琴[25]在2014年对茄子核不育的功能性雄性不育系花药进行细胞学观察，发现不育系花药中环形细胞簇的解体时期比可育株系晚2个发育时期，且解体程度不如可育株系;开花当天不育系裂口细胞及绒毡层细胞不解体，推测花药中环形细胞簇和裂口细胞的异常解体可能与茄子花药败育有关。2019年李冰等[26]对茄子反向温敏核雄性不育（rTGMS）系‘05ms不育时期的花药进行细胞学观察，发现花粉母细胞减数分裂异常，不能形成正常四分体，绒毡层细胞液泡化并延迟解体，胼胝质沉积等异常现象。综上所述，无论是CMS还是GMS类型，茄子雄蕊败育均与绒毡层发育异常有关。

2.2 茄子雄性不育的生理生化特性

国内学者对茄子雄性不育的生理生化研究较多。2004年郭丽娟[27]分别以长茄和圆茄CMS系及其保持系为材料，在盛花期对不同发育时期花蕾中可溶性糖、淀粉、游离氨基酸、脯氨酸和内源激素含量进行了比较，发现随花药发育可溶性糖含量在不育系和保持系中均呈上升趋势，且不育系高于保持系;不育系中淀粉含量变化不大，而保持系在减数分裂期有1个淀粉积累高峰，其后又迅速下降;不育系的可溶性蛋白、游离总氨基酸和脯氨酸含量均低于保持系;成熟花粉期不育系的谷氨酸含量高于保持系，其他氨基酸含量低于保持系;不育系中IAA、GA3和ABA含量高于保持系，而ZR含量低于保持系;从小孢子单核期开始，随着花药发育，不育系的POD酶活性高于保持系;然而，在叶片中不育系的可溶性糖和淀粉、可溶性蛋白含量均高于保持系，而游离脯氨酸含量低于保持系;不育系的游离总氨基酸含量、POD和SOD酶活性与保持系差异不显著。2006和2008年李冰等[28-29]对上述圆茄材料进行了全生育期生理生化特性研究，发现叶片中不育系的可溶性糖含量在幼苗期低于保持系，在结果期极显著高于保持系，在盛花期含量最高，但两系差异不显著;不育系的游离总氨基酸含量在幼苗期低于保持系，但在其他时期两系差异不显著;不育系的叶绿素含量在幼苗期低于保持系，结果期高于保持系，在盛花期两系差异不显著;幼苗期IAA和GA3含量不育系低于保持系，ZR含量高于保持系，ABA含量两系差异不显著;比较ABA/（IAA+ZR+GA3），不育系约为保持系的1.3倍;光合特性研究发现，两系净光合速率Pn日变化均呈双峰曲线，不育系中午光抑制现象明显，苗期和盛花期均为不育系Pn低于保持系，结果期不育系Pn高于保持系，苗期两系Pn值差异最大;不育系Pn值为幼苗期<盛花期<结果期，而保持系Pn值为幼苗期<结果期<盛花期;3个时期不育系光饱和点均高于保持系，在幼苗期和盛花期不育系光补偿点高于保持系，而结果期比保持系低;在花蕾中，不育系的IAA和ZR含量均低于保持系，而ABA含量则高于保持系，分析认为GA含量与不育系关系不大;不育系ABA/（IAA+ZR+GA）的比值变化浮动较大，且不育系的高于保持系。综上所述，茄子花药败育涉及一系列物质、能量以及酶系统等生理生化变化，任何一个环节出现异常，均有可能导致雄性不育。

2.3 茄子雄性不育的分子生物学

目前关于茄子雄性不育分子机制的研究报道较少，分子败育机制还不清楚。Cao等[30]通过构建Cre/loxP位点特异性重组系统，在烟草的绒毡层特异性启动子TA29的控制下，用cre或barnase转化茄子获得了4株转Barnase基因茄子，发现均为无花粉类型雄性不育，5株转Cre基因植株可以正常开花结果;将转Barnase基因雄性不育材料与转Cre基因材料杂交，产生雄性不育的Barnase基因被切除，获得了表型与野生型相同，花粉育性完全恢复的F1。基于TAF的雄性不育系统是通过无水乙醇诱导表达amiRNA（artificial microRNA）不敏感形式的TAF靶基因而使雄性不育系统可逆的。Toppino等[31]通过抑制花药特异性的内源转录因子基因TAFs（TBP-associated factors），结合amiRNA技术诱导了茄子的雄性不育;用乙醇短处理诱导靶基因中不敏感型amiRNA的表达可以完全恢复转基因植株的雄性不育性。CMS由线粒体基因组决定，产生CMS的基因通常涉及部分ATP合成酶基因（atp）或细胞色素氧化酶基因（cox），或者位于其中1个基因附近[32]。Yoshimi等[33]测定了atp1区域约4 000 bp片段的DNA序列，虽然编码区和3侧翼区在细胞质中几乎一致，但5侧翼区完全不同，并为每一种CMS类型和栽培茄子找到了新的开放阅读框（ORF）。诱导花药不裂型CMS的为orf312，诱导无花粉型CMS的为orf218。这些orfs的转录模式与雄性不育表型之间有很高的相关性，表明这些orfs可能是茄子产生CMS的关键基因。安礼渝[34]对茄子雄性不育系F16-5-6和可育系142，通过双向电泳和质谱技术进行花药蛋白质组分析，获得了4个雄性不育相关差异表达蛋白，分别为GTP酶开关蛋白、铁超氧化物歧化酶、COI1蛋白和丙酮酸激酶，并对编码COI1蛋白的基因及其途径中的2个基因JAZ1和MYC2进行了同源克隆、生物信息学分析和荧光定量PCR表达分析，认为在茄子花药的整个发育过程中，茉莉酸信号转导通路中的受体基因COI1与茄子花药开裂关系密切;同时JAZ1和MYC2导致了JA信号通路受阻，从而影响花药开裂。Yang等[35]利用RNA-seq技术对茄子CMS系EP26A和保持系EP26三个不同发育时期花蕾进行了转录组分析，发现差异表达基因主要富集在氧化还原、糖和氨基酸代谢、转录调控等途径。Li等[26]利用RNA-seq和BSA-seq技术对茄子rTGMS系‘05ms和其同源可育系‘S63进行研究，发现差异表达基因主要被富集到植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷生物合成通路;并鉴定了2个rTGMS相关候选基因4CLL1 （Sme2.5_00368.1_g00010.1）和CKI1（Sme2.5_10056.1_g0000

2.1）。然而與其他茄果类蔬菜相比，茄子雄性不育研究还远远滞后，目前还没有茄子雄性不育分子标记的报道，还有很多雄性不育基因有待挖掘。

3 茄子雄性不育的利用

利用细胞质雄性不育系制种生产F1代种子的方法为“三系法”，即不育系、保持系和恢复系。目前，虽然茄子CMS系已经得到了广泛研究，但由于缺乏恢复系或强优势组合等原因，这些材料还没有成功应用到商业生产中。利用细胞核雄性不育系配制杂交种由于找不到保持系，在不育系制种中需要拔除50%的可育株，制种步骤繁琐、成本高，因此在应用中受到一定限制。环境敏感雄性不育系在适宜的外界条件下雄蕊可育，可以自交授粉留种，而在不育条件下接受外来花粉进行杂交种生产，在杂交育种中具有明显优势，但其不育条件或多或少存在一定波动性，且制种过程受气候影响较大，大面积应用具有一定风险。目前茄子雄性不育系制种还没有广泛应用，因此，若要在茄子雄性不育系利用上有所突破，仍需广大科研工作者和育种家们的大量深入研究和不懈努力。

4 茄子雄性不育的总结与展望

茄子雄性不育相关的研究与其他茄科作物相比仍较少，研究基础相对薄弱[36]。目前发现的茄子雄性不育资源少，遗传背景狭窄，不利于茄子雄性不育系的开发研究和强优势杂交组合的选配。为了更好地将雄性不育系应用在茄子杂种优势上，需要在以下几个方面加强研究。

4.1 雄性不育资源创制

研究工作者应注重对茄子野生或现有资源进行观察与筛选，以鉴定寻找天然不育材料，并尝试通过对种子进行诱变（例如化学诱变、射线诱变）和基因工程等技术获得具有不同遗传基因的茄子不育源;也要重视利用远缘杂交等常规育种方法来获得尽量多的不育系，从中选取新的不育材料，取得理想的茄子雄性不育资源。

4.2 强优势组合选配

加强对雄性不育系遗传机制的研究，从亲本产量、品质、抗逆、抗病等多个农艺性状角度对其组合选配，并在亲本一般配合力高的基础上选择特殊配合力高的组合，以期获得更好的杂交组合。

4.3 加强雄性不育基础理论研究

随着植物基因组学和现代分子生物技术的快速发展，借助高通量测序平台，人们已经从表达调控方面对茄子雄性不育基因和其表达调控模式进行了探讨，但细胞质雄性不育系线粒体基因和核基因的互作模式，雄性不育基因的鉴定和功能分析等基础研究和不育标记的开发等工作还远远不够，需要从多方面多角度对茄子雄性不育机制进行深入探索，加快茄子雄性不育分子机制研究进展。

相信利用现代先进的育种手段，通过科技工作者的不懈努力，必将推进茄子雄性不育的育种进程，极大地提高茄子杂种优势利用效率。

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