烟草胞质雄性不育型线粒体基因及小孢子发育阶段基因表达差别分析

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1、烟草胞质雄性不育型线粒体基因及小孢子发育阶段基因表达差别分析第一章引言烟草细胞质雄性不育是一种理想的授粉控制系统，是烟草杂种优势得以广泛推广应用的基础，目前在农业生产上已经得到广泛的应用。伴随烟草农业发展进程，烟草雄性不育系及杂交种的推广种植，逐步成为烟叶生产的主要发展趋势和方向（李永平，2001）。1776年德国学者Koelreuter首先在烟草种间杂交的研究中发现了杂种优势现象，但烟草上利用人工去雄和人工授粉的方法来生产杂交种费工费时，且成本高效率低。而烟草利用雄性不育系配制杂交种有着明显优点，利用雄性不育系，可以省去人工去雄的环节

2、，从而节省了大量劳动力，也可繁育高纯度的杂交种子，开辟了烟草杂种优势利用的新前景（佟道儒等，1980；肖国樱等，1999）。美国、巴西等烟草雄性不育系的应用研究及技术体系的推广在烟草行业中处于领先地位（马文广等，2009），我国自1973年开始进行雄性不育系的研究（卢秀萍等，2005），先后转育成功的若干个雄性不育系，在我国烟草杂种利用方面起了巨大的作用。1.1植物雄性不育性概述1.1.1植物雄性不育性现象雄性不育（malesterility）是指植株的雄性生殖系统不能正常发育，无法产生有功能的花粉，而其雌性生殖系统生长完全正常的一种生

3、物学现象。雄性不育在自然界中普遍存在，其表现形式多样，一般为雄蕊缺失、畸形，雄性器官雌性化，花药不能正常开裂，小孢子发生异常，花粉无活力或无花粉等（何长征等，2002）。烟草雄性不育雄蕊的败育可划分为四种类型：雄蕊完全退化型；花丝萎缩畸形，无花药型；花药萎缩，无花粉囊型；花药颜色变淡，花粉囊合并，花粉粒为无内含物的空秕粒型（胡日华等，1999）。利用体细胞杂交获得的烟草新胞质雄性不育系，其花丝极短；无花药；或虽有花药，但花药中无花粉粒；或只有少数干瘪的花粉粒（孙玉合等，1999）。1.1.2植物雄性不育性类型目前，对植物雄性不育的解释存

4、在诸多学说，其中较具影响的有Sears的三型学说、Edicmalesterility，GMS）和核质互作雄性不育（cytoplasmicmalesterility，CMS）。GMS的不育特性受细胞核不育基因控制并且对细胞质基因不敏感，表现为不受正、反交影响的遗传效应，包括隐性核不育和显性核不育两大类。CMS的不育性是由细胞核不育基因和细胞质不育基因相互作用产生的，为了与细胞核雄性不育相对应，便称之为细胞质雄性不育。烟草雄性不育多为CMS类型，其不育细胞质多于野生种香甜烟草（Nicotiana.suaveolens）。1.1.3植物细胞质

5、雄性不育性机理绿色植物的细胞内存在3个遗传系统，即细胞核遗传系统、线粒体遗传系统和叶绿体遗传系统。高等植物细胞质雄性不育现象具有母性遗传特点，表明CMS可能同叶绿体或线粒体有关。1.1.3.1植物叶绿体与胞质雄性不育叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，具有叶绿体DNA（chloroplastDNA，ctDNA）和蛋白质合成体系。目前关于叶绿体DNA与细胞质雄性不育关系的看法仍存在分歧，很多研究认为，植物叶绿体基因组比较小且比较稳定，与雄性不育之间没有关系，但也有研究表明叶绿体DNA与雄性不育之间存在某种联系。李继耕（1983）利用菠菜、

6、玉米、小麦、油菜等多种作物，对叶绿体与CMS的关系进行研究，肯定了叶绿体DNA、叶绿体蛋白质以及叶绿体的超微结构与CMS间存在的联系。周长久等（1994）对萝卜不育系及保持系的叶绿体类囊体膜多肽和叶绿体DNA进行了分析研究，认为萝卜雄性不育性与叶绿体遗传系统有关。Komarnitskii等（1985）用限制性内切酶EcoRI酶切烟草胞质雄性不育系的叶绿体DNA，发现不育胞质于不同野生种的雄性不育系其叶绿体DNA发生频繁改变，推断叶绿体DNA与CMS的产生有关。1.1.3.2植物线粒体与胞质雄性不育植物线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，

7、其功能主要是通过氧化磷酸化作用合成ATP，为细胞的各种生理活动提供能量支持。大量研究表明，线粒体与CMS之间有着密切的关系（Schnable,etal,1998;Linke,etal,2005;S烟草花药原基中线粒体的体积密度显著地低于正常可育植株（Pollak,1992）。用Southern印迹杂交、RAPD、mtSSR等技术（Spangenberg,1992;刘齐元等，2005；李凤霞等，2011）发现，CMS烟草与保持系的mtDNA间存在明显的差异。线粒体内膜上含有氧化磷酸化过程所需的五个呼吸链膜蛋白复合体。线粒体复合体I又称作N

8、ADH脱氢酶（NADHdehydrogenase），是线粒体呼吸链电子传递系统的第一个酶，催化2个电子由NADH传递至辅酶Q，偶联4个质子跨膜转移，以提供ATP合成所需的质子转移动力（Sazanov,eta