植物CMS与线粒体基因的亚化学计量位移

王姗 胡骏

摘 要 细胞质雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility，CMS）是在经典遗传学时代即被发现的尤为普遍的生物学现象，其主要表现为雄配子异常，花粉败育，但是雌配子可以正常发育。细胞质雄性不育不仅为植物生殖发育、核质互作、线粒体基因组等方面提供了基础生物科学研究系统，也在农作物杂种优势利用方面展现出了重大的经济价值。大量研究表明，多数CMS基因是线粒体嵌合基因，而线粒体DNA分子不仅在结构上有频繁改变的倾向，而且时有亚化学计量位移事件发生。基于此，将主要围绕植物CMS与线粒体基因亚化学计量位移的关系进行简要分析，以期在基因组水平上提供一些见解。

关键词 细胞质雄性不育;基因组水平;线粒体基因;亚化学计量位移

中图分类号：Q37 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.11.003

1 植物CMS简介

植物无法产生正常功能的雄配子而雌配子发育正常，此种现象在经典遗传学时代即被多次提及，当前研究中一般将其称之为雄性不育，当这种雄性不育采用胞质遗传（母系遗传）方式时即为细胞质雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility， CMS）。细胞质雄性不育是由于核基因和线粒体基因之间的互作影响了植物花药的绒毡层和正在进行减数分裂的细胞，从而导致植物体花粉败育，且此种雄性不育以胞质遗传。据统计，通过自发突变或者人工突变而产生细胞质雄性不育现象的植物已经超过150种[1-2]。细胞质雄性不育不仅为植物生殖发育、核质互作、线粒体基因组等方面提供了基础生物科学研究系统，也在农作物杂种优势利用方面展现出了重大的经济价值。自20世纪20年代获取首批商业化的杂交种子以来，已经在水稻、大麦和油菜等農作物中建立了杂交育种系统，其在实际生产应用中对于提高农作物产量的意义不容小觑，小麦、大麦、水稻、油菜和菜豆的产量分别提高了3.5%～15%、11%、55%、200%和47%[2-3]。

雄性不育现象无论是在经典遗传学方面还是现代分子生物学水平上，一直以来都是科学家们研究的热点，而CMS作为雄性不育的类型之一，其在杂交育种上的优良表现促使人们不断挖掘和鉴定更多CMS基因及其分子机理并加以利用。在众多不同的农作物中，解析不育基因功能将成为杂交育种这一目标达成的首要内容。尽管研究人员已经在确定大量CMS基因及其恢复机制模型等领域取得了一定成效，但在植物雄性育性的复杂性和多样性方面，仍然留有较多问题亟待阐明。值得注意的是，基于大量研究分析和试验事实，多数CMS基因是线粒体基因组重排的结果，且部分CMS基因可以编码跨膜蛋白，有较多重要的线粒体基因参与了CMS基因的形成过程[4]。

2 植物线粒体基因组

对于真核生物而言，线粒体是非常重要的细胞器。尽管有关线粒体起源的问题仍然存在争议，但目前内共生理论相较于其他假说理论似乎得到了较为广泛的认可，该理论倾向于支持线粒体的α-变形菌起源假说[5]。Fan等开创性地运用了系统性物种替换和交叉验证的策略，再一次验证了线粒体的α-变形菌起源说，同时第一次对α-变形菌的4个进化主类群进行了定义，其认为线粒体有着起源于α-变形菌Ⅱb分支的较大可能[6]。

大部分被子植物的细胞质基因组都是母系遗传。由于线粒体缺乏用来检查复制错误的能力，因此线粒体DNA（mtDNA）的变异速率比细胞核DNA（一般所指的DNA）更快。线粒体的突变速率快，使mtDNA能够用来较为精确地追溯出母系祖先，并作为种属分类依据。

含有大量不同大小和数目的重复序列是植物线粒体基因组十分重要的特征。研究人员通常将这些重复序列划分为大重复片段（大于500 bp，可能参与频繁的同源重组）、中等重复片段（大小介于50～500 bp，参与不频繁的异位重组）以及小重复片段（小于50 bp，可能促进非常规的微同源介导的重组）。通常认为植物线粒体基因组的进化速度较叶绿体基因组、核基因组低，且同一基因组内基因之间的进化速率较为一致，但植物的线粒体基因突变速率低于叶绿体基因，研究植物DNA条形码更多使用的是叶绿体基因组。部分研究报道提示，有关植物线粒体基因组组织结构形式方面的争议仍然存在，目前已经普遍达成共识的是其与一些噬菌体基因组的结构类似的环形表示方式很有可能是人为虚构的。同时，植物线粒体基因组替代速率具有多样性特点，对线粒体基因组内同义替代速率异质性产生的机制进行的有关研究为其复杂性演化理论提供了支持。研究者认为，植物营养组织中的线粒体基因组主要由分支分子、线性串联体和环形可置换线性分子的混合物构成[7]。

3 植物CMS与线粒体基因的亚化学计量

位移

植物线粒体基因组中存在重排DNA分子化学计量的急剧变化，导致线粒体DNA构型浓度相对于主导构型浓度有显著变化的现象称为亚化学计量位移。目前，已经在部分植物中对此种现象进行了探讨，包括玉米、烟草、菜豆、甘蓝型油菜等，在水稻中偶有提及[8]。

具有细胞质雄性不育特性的玉米是杂种优势利用的重要种质资源，是研究核质互作的理想材料，具有重要的应用价值，且玉米CMS-C具有抗玉米小斑病T小种和育性相对稳定等优点。研究人员在比较玉米的雄性不育和可育细胞质中保守基因atpA的结构和拷贝数时，对亚化学计量位移这种现象进行了描述。研究发现，占据主导地位的atpA类型取决于所研究品系的细胞质，甚至在N、T、C或S的分类内部也有所不同。此外，对许多不同细胞核或者细胞质组合形式的调查研究表明，细胞核基因型似乎并不影响哪种atpA类型在任何细胞质中均占主导地位。另外，研究结果还显示，大多数（但不是全部）的N和S细胞质包含两种主要的atpA类型，在那些仅包含一种主要的atpA类型的N和S细胞质中，另一种含量水平很低但总是可以检测到的预期类型似乎存在。基于后续试验，进一步推测这些亚化学计量分子有着起源于由线粒体基因组同源区域之间比较罕见的重组事件的可能[9]。

类似地，在研究菜豆自发逆转育性事件时，采用PCR扩增的方法，使用位于atpA基因3'端（位于pvs的5'端）和pvs-orf239 3'端的序列作为引物来扩增pvs构型独特的4 437 bp的片段。结果发现，来自育性回复系WPR-3的PCR扩增片段在溴化乙锭染色后的凝胶电泳中几乎是不可见的，但在随后的DNA印迹杂交试验Southern blotting中又可以证实该片段的确存在。上述结果表明，pvs序列在逆转后不会从CMS系的线粒体基因组中丢失，而是以亚化学计量形式存在。同时，试验中向细胞器孵育试验的反应体系中分别添加线粒体DNA复制抑制剂和细胞核DNA复制抑制剂时，获取到的试验结果证实了上述过程是从头开始的线粒体DNA合成，还发现一旦DNA拷贝数增加，pvs-orf239序列在回复体中就具有转录活性，而考虑到从回复体的整个植物组织纯化得到的线粒体中均没有检测到pvs-orf239转录本，足见这一发现十分关键[10]，说明其中pvs-orf239的亚化学计量形式的拷贝数足够低，以使其有效沉默。但是基于这些试验尚且无法得出pvs-orf239序列在回复子中是完全沉默的结论，因为也有可能转录本是以低于检测水平的形式存在。在线粒体孵育后的细胞器翻译试验中，也证明了孵育后ORF239蛋白的积累。在WPR-3系中检测到较低但其含量清晰可见的水平，该结果表明，即使在孵育前和在从整个植物组织制备的线粒体中都检测不到pvs-orf239序列的表达，也可以在pvs-orf239序列扩增后检测到pvs-orf239序列的表达[11]。综上所述，这些结果倾向于支持这样的假设，即线粒体基因组位移是一种可逆的事件，某分子维持在低于化学计量水平（即亚化学计量水平）时，其表达可能处于受抑制的状态，但是一旦扩增到阈值以上的水平，其转录和翻译能力就会逐步显现甚至开始增强[12]。

4 总结与展望

在许多物种的细胞质雄性不育植株中，都有自发的恢复生育的记录，其频率受核遗传背景的影响。被子植物线粒体基因组在大小、结构、基因及内含子数量等方面均具有多样性，这一特征使得线粒体基因组成为研究基因组复杂性的理想系统。尽管大量CMS基因已经得以鉴定，但在植物雄性育性的复杂性和多样性方面，仍然留有较多问题亟待阐明。植物细胞的线粒体基因组的大小差别很大，最小的为100 kb左右，大部分由非编码的DNA序列组成，且有许多短的同源序列，同源序列之间的DNA重组会产生较小的亚基因组环状DNA，与完整的“主”基因组共存于细胞内，因此植物线粒体基因组的研究更为困难。同时，多数CMS基因是线粒体嵌合基因的试验事实表明，有必要从线粒体基因组水平对相关问题加以探讨。有研究报道证明，亚化学计量位移事件的发生是由于特定中等重复片段的重组活性发生了变化，这种重组通常是采取不对称的形式进行，尽管不对称重组已得到充分证实，但尚不清楚其是否包含构成亚化学计量位移事件基础的唯一机制，相关科学问题的透彻解析仍需更多研究加以阐明。

参考文献：

[1] YAMAGISHI H，BHAT S R.Cytoplasmic male sterility in Brassicaceae crops[J].Breeding Science，2014，64（01）：38-47.

[2] KIM Y J，ZHANG D. Molecular Control of Male Fertility for Crop Hybrid Breeding[J].Trends Plant Sci，2018，23（01）：53-65.

[3] BRISSON A M. Recombination and the maintenance of plant organelle genome stability[J].New Phytologist，2010，186（02）：299-317.

[4] MARECHAL A，BRISSON N. Recombination and the maintenance of plant organelle genome stability[J].New Phytologist，2010，186（02）：299-317.

[5] WANG Z，WU M. An integrated phylogenomic approach toward pinpointing the origin of mitochondria[J].Scientific Reports，2015：5.

[6] FAN L，WU D，VADIM G，et al. Phylogenetic analyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch within Alphaproteobacteria.[J].Nature ecology & evolution，2020，4（09）：1213-1219.

[7] SLOAN D B. One ring to rule them all？ Genome sequencing provides new insights into the ‘master circle model of plant mitochondrial DNA structure[J].New Phytologist，2013，200（04）：978-985.

[8] BENTOLILA S， STEFANOV S. A reevaluation of rice mitochondrial evolution based on the complete sequence of male-fertile and male-sterile mitochondrial genomes[J].Plant Physiol，2012，158（02）：996-1017.

[9] SMALL I D，ISAAC P G，LEAVER C J. Stoichiometric differences in dna-molecules containing the atpa gene suggest mechanisms for the generation of mitochondrial genome diversity in maize[J].Embo Journal，1987，6（04）：865-869.

[10] CHASE C D. Expression of cms-unique and flanking mitochondrial-dna sequences in phaseolus-vulgaris l[J].Current Genetics，1994，25（03）：245-251.

[11] ABAD A R，MEHRTENS B J，MACKENZIE S A. Specific expression in reproductive tissues and fate of a mitochondrial sterility-associated protein in cytoplasmic male-sterile bean[J].Plant Cell，1995，7（03）：271-285.

[12] JANSKA H，SARRIA R，WOLOSZYNSKA M， et al. Stoichiometric shifts in the common bean mitochondrial genome leading to male sterility and spontaneous reversion to fertility[J].Plant Cell，1998，10（07）：1163-1180.

（責任编辑：刘 昀）