楊慧麗，楊 露，張懷勝，林亞楠，李 冰，薛亞?wèn)|

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）是指植物的生殖器官不能產(chǎn)生花藥、花粉、雄配子體或雖有花粉但花粉無(wú)活性，但雌器官發(fā)育正常，可接受外來(lái)花粉正常結(jié)實(shí)的一種生物學(xué)現(xiàn)象。自Kolreuter 1763年觀(guān)察到雄性不育現(xiàn)象以來(lái)，已在43科162屬617個(gè)物種中發(fā)現(xiàn)了雄性不育現(xiàn)象［1-2］。細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料是研究核質(zhì)互作的重要材料，同時(shí)是作物生產(chǎn)中的寶貴資源。雜種優(yōu)勢(shì)是指兩親本的雜交后代體型、生長(zhǎng)率、產(chǎn)量、繁殖力及行為特征方面均比親本優(yōu)越的一種生物學(xué)現(xiàn)象，在全世界范圍內(nèi)的作物生產(chǎn)上，對(duì)于雜種優(yōu)勢(shì)的利用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，有一半以上的農(nóng)作物種子如玉米、水稻、高粱、油菜和向日葵等都來(lái)源于雜交種，因此雜交育種對(duì)于世界糧食安全起到了巨大的作用。對(duì)于自花授粉作物，如果要生產(chǎn)雜交種子，就要把植株的雄穗去掉，防止自交。去雄包括人工去雄、機(jī)械去雄和化學(xué)去雄，但都需要投入大量的人力、物力、財(cái)力并且污染環(huán)境。然而，如果利用雄性不育系材料作親本來(lái)生產(chǎn)雜交種子則免去了人工去雄這項(xiàng)體力勞動(dòng)，細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料已在水稻、玉米等作物的雜交種生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。利用CMS生產(chǎn)的種子具有更強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等方面都得到了顯著的改良與提高［3］。盡管CMS在生產(chǎn)上已得到廣泛的應(yīng)用，但其機(jī)理的研究卻相對(duì)滯后，例如水稻野敗型不育系材料早在20世紀(jì)70年代就已發(fā)現(xiàn)并利用，但其不育基因WA352的功能與機(jī)理直到最近幾年才被研究清楚［4-5］。另外，在研究細(xì)胞質(zhì)雄性不育的過(guò)程中不斷深入探究線(xiàn)粒體的功能，對(duì)理解核質(zhì)間的互作及細(xì)胞器之間信號(hào)通路等方面都具有重要意義，同時(shí)也促進(jìn)了細(xì)胞質(zhì)雄性不育在雜種優(yōu)勢(shì)利用、不育化制種中的應(yīng)用［6］。本文對(duì)近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的研究進(jìn)行了概述，并探討了植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育研究的發(fā)展前景。

1 細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的來(lái)源及分類(lèi)

植物細(xì)胞質(zhì)雄性不育現(xiàn)象的產(chǎn)生不但與植物體自身內(nèi)在的因素有關(guān)，有些也受環(huán)境因素如溫度、光照等的影響。因此不育的表型是環(huán)境因素與植物體自身的細(xì)胞核基因組、細(xì)胞質(zhì)基因組綜合作用后而產(chǎn)生的結(jié)果。目前已被發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞質(zhì)雄性不育主要有3種來(lái)源：一是遠(yuǎn)緣雜交核置換造成的核質(zhì)不親和性，二是植物自然繁殖過(guò)程中的突變和基因重組，三是回交過(guò)程中親本核恢復(fù)座位的丟失［52］。目前發(fā)現(xiàn)的眾多不育材料在形態(tài)及細(xì)胞學(xué)上的敗育表現(xiàn)主要有以下5種形式：一是雄蕊退化或變形；二是孢子囊退化，花藥外形看似正常但不能產(chǎn)生花粉；三是小孢子退化，形成異?；ǚ叟c花粉敗育；四是產(chǎn)生的花粉存在功能缺陷，不能正常萌發(fā)；五是產(chǎn)生的花粉雖然有活力但花藥不開(kāi)裂［8］。隨著研究的不斷拓展，越來(lái)越多不育材料的發(fā)現(xiàn)表明雄性不育現(xiàn)象在高等植物中普遍存在［7］。

盡管不育系種類(lèi)繁多，遺傳機(jī)理多樣且復(fù)雜，就細(xì)胞質(zhì)雄性不育的特點(diǎn)而言，主要分為孢子體不育和配子體不育兩種類(lèi)型。孢子體雄性不育是花粉的育性，受孢子體即植株的基因型所控制，植物的花粉是否正常生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是由孢子體供給的，而與花粉本身基因無(wú)關(guān)。配子體雄性不育是受配子體（花粉）基因型所決定。敗育時(shí)間發(fā)生在雄胚子階段，花粉可以形成小孢子但在形成雄配子體時(shí)，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏而走向敗育［50］。不管是植物體的孢子體還是配子體的花藥組織發(fā)生雄性不育突變后均可以導(dǎo)致其發(fā)育異常，導(dǎo)致雄性不育的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)雄性不育植株中，大多數(shù)的孢子體不育首先影響了花藥的絨氈層結(jié)構(gòu)和正在進(jìn)行減數(shù)分裂的細(xì)胞，從而導(dǎo)致植物體花粉敗育，相反配子體雄性不育類(lèi)型中主要是影響了孢子體或花粉粒的發(fā)育而引起的敗育［12］。

2 細(xì)胞質(zhì)雄性不育與雜種優(yōu)勢(shì)

雜種優(yōu)勢(shì)是指兩親本雜交后，產(chǎn)生的雜交種子在生長(zhǎng)勢(shì)、生長(zhǎng)率、品質(zhì)、產(chǎn)量、抗逆性、繁殖力等其他方面均優(yōu)于兩親本的一種生物學(xué)現(xiàn)象，生產(chǎn)實(shí)踐中培育出的一些雜交品種與自交系品種相比產(chǎn)量可以提高15%～50%［13］。然而，在玉米、水稻、小麥等作物的雜交制種過(guò)程中，需要將母本植株的雄穗除去，以阻止其自身的花粉落在雌蕊的柱頭而影響制種的純度與質(zhì)量。因此常規(guī)的雜交種生產(chǎn)過(guò)程中，需要消耗大量的人力、物力進(jìn)行人工去雄，致使制種成本過(guò)高。雄性不育植株不能產(chǎn)生有活力的花粉，不能自交繁殖后代，但其雌器官發(fā)育正常，因此可在雜種生產(chǎn)中用來(lái)作母本，接受其他外源花粉授精而生產(chǎn)雜交一代種子。育種家們利用不育系的這一特性， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的雜交育種和雜種優(yōu)勢(shì)的利用。因此，植物雄性不育材料是作物利用雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳基礎(chǔ)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生了重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著對(duì)雄性不育的進(jìn)一步研究，生產(chǎn)中利用雄性不育系材料做母來(lái)生產(chǎn)雜交種子則免去了人工去雄這項(xiàng)體力勞動(dòng)，節(jié)約勞動(dòng)成本，提高制種純度與質(zhì)量，最大幅度地利用雜種優(yōu)勢(shì)提高產(chǎn)量。利用細(xì)胞質(zhì)雄性不育，我國(guó)水稻從普通雜交稻生產(chǎn)到“三系法”的雜交稻生產(chǎn)，再到 “兩系法”雜交稻的生產(chǎn)， 使我國(guó)的水稻生產(chǎn)一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平［14］。雜交水稻生產(chǎn)模式的突破、推廣與利用正是得益于我國(guó)的農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者對(duì)雄性不育遺傳材料的發(fā)現(xiàn)、研究、利用和推廣。

生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的“三系法”制種指的是細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、細(xì)胞質(zhì)雄性不育保持系和細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系（圖1）［16］。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系中有包含引起不育表型的細(xì)胞質(zhì)基因和缺乏恢復(fù)育性的細(xì)胞核基因，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上被用作母本。細(xì)胞質(zhì)雄性不育保持系的核基因組與不育系相同，但細(xì)胞質(zhì)是正常的，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上用于與不育系雜交來(lái)繁殖不育系從而保持不育系的不育表型。細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系包含正常的細(xì)胞質(zhì)基因和具有恢復(fù)育性的核基因，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上用來(lái)做父本與不育系雜交產(chǎn)生F1代雜交種子，這種雜交模式產(chǎn)生的F1代種子不僅育性得到了恢復(fù)而且具有比親本更高的雜種優(yōu)勢(shì)，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于品質(zhì)、產(chǎn)量等其他農(nóng)藝性狀的需求［16］。

圖1 細(xì)胞質(zhì)雄性不育三系法在生產(chǎn)上的應(yīng)用

自細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科研工作者們?cè)诶糜谛坌圆挥牧细纳婆c提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，也對(duì)其分子生物學(xué)的功能與不育機(jī)制進(jìn)行了大量的研究。細(xì)胞質(zhì)雄性不育性狀是通過(guò)胞質(zhì)遺傳的，細(xì)胞核基因與線(xiàn)粒體基因可能是決定細(xì)胞質(zhì)雄性不育的關(guān)鍵因素。

隨著現(xiàn)代生物測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)一些作物的線(xiàn)粒體基因組測(cè)序相繼完成，發(fā)現(xiàn)高等植物線(xiàn)粒體基因組具有高度的重組型與可變性［17-19］。植物線(xiàn)粒體基因組的大小從200 kb到2 500 kb不等，基因組構(gòu)型主要有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、超螺旋、線(xiàn)狀等。植物線(xiàn)粒體基因組包含大約60個(gè)基因，分別與電子傳遞鏈、核糖體蛋白、tRNA、核糖體核糖核酸相關(guān)，涉及到呼吸作用、能量傳遞等方面［20-21］。進(jìn)一步對(duì)植物線(xiàn)粒體的蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體包含了超過(guò)1 000種蛋白，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其自身的基因數(shù)目，其中大部分蛋白是由細(xì)胞核基因所編碼，說(shuō)明線(xiàn)粒體基因在行使其功能的同時(shí)，與核基因組存在著復(fù)雜的相互作用［21］。Levings等［22］首次證明了玉米 T 型細(xì)胞雄性不育系和正常胞質(zhì)的線(xiàn)粒體基因組之間的不同，提出線(xiàn)粒體DNA的重組是導(dǎo)致不育表型的的原因。進(jìn)一步的研究驗(yàn)證了植物線(xiàn)粒體DNA 的變異與CMS 相關(guān)，即線(xiàn)粒體基因組的變異、重組、特異的線(xiàn)粒體基因表達(dá)、線(xiàn)粒體基因重排等會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)雄性不育的表型［23-24］。

迄今為止，研究者已經(jīng)在13種作物上發(fā)現(xiàn)了28個(gè)細(xì)胞質(zhì)雄性不育相關(guān)基因［16］。這些不育基因主要來(lái)源是線(xiàn)粒體基因組內(nèi)保守基因或非編碼RNA的自我重排后產(chǎn)生的新的嵌合基因。這類(lèi)重組后的orf或產(chǎn)生毒性蛋白危害細(xì)胞、或干擾線(xiàn)粒體正常功能引起線(xiàn)粒體能量代謝紊亂，造成絨氈層細(xì)胞異常凋亡，中斷小孢子體的發(fā)育，從而導(dǎo)致植物的雄性不育［16］。

3 主要作物上發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因

3.1 玉米CMS不育基因

玉米是世界上重要的糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料、深加工農(nóng)作物，同時(shí)也是最早利用細(xì)胞質(zhì)雄性不育進(jìn)行雜交種生產(chǎn)的作物之一。玉米的細(xì)胞質(zhì)雄性不育主要分為CMS-T、CMS-S、CMS-C 3種主要類(lèi)型。其中T 和C 型屬于孢子體不育類(lèi)型，敗育徹底，敗育發(fā)生在花粉小孢子形成過(guò)程中；S 型屬于配子體不育類(lèi)型，育性不穩(wěn)定，敗育發(fā)生在單核花粉期。玉米T型胞質(zhì)不育相關(guān)基因T-urf13編碼一個(gè)分子量為13 kDa的蛋白，命名為URF13，是玉米中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的不育相關(guān)蛋白［25］。研究表明，通過(guò)刪除或移碼改變和影響urf13基因的表達(dá)能夠使T 型不育系的不育表型得到恢復(fù)，明確了該基因與CMS-T的相關(guān)性［26］。URF13定位在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上，推測(cè)其在T 型不育系中的表達(dá)可能影響了線(xiàn)粒體內(nèi)膜的通透性，導(dǎo)致電子傳遞與化學(xué)梯度的紊亂，進(jìn)而引起花粉敗育［27］。隨后研究發(fā)現(xiàn)URF13在玉米各個(gè)組織中普遍存在，為組成型表達(dá)的模式，但其蛋白只在玉米T型不育系的花藥中才產(chǎn)生毒性，可能存在某些特異的蛋白因子誘導(dǎo)了其在花藥中特異毒性的產(chǎn)生。在有CMS-T類(lèi)型的核恢復(fù)基因存在時(shí)，urf13的轉(zhuǎn)錄水平受到抑制，蛋白的表達(dá)豐度下降，不育的表型被抑制，育性得到恢復(fù)［28］。在玉米S型的細(xì)胞質(zhì)雄性不育中發(fā)現(xiàn)一個(gè)R區(qū)域與其不育的表型存在聯(lián)系。R區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)重組后的線(xiàn)粒體嵌合基因orf335和orf77，在恢復(fù)基因RF3存在的情況下，該轉(zhuǎn)錄本被剪切并降解，從而使不育系的育性得以到恢復(fù)［29］。玉米C型細(xì)胞質(zhì)雄性不育中與不育表型相關(guān)的基因可能與來(lái)源于線(xiàn)粒體atp9、coxII的重組嵌合基因atp6c相關(guān)，但目前并未得到進(jìn)一步的證實(shí)［30］。

3.2 水稻CMS不育基因

水稻（Oryza sativa）是世界上最重要的糧食作物，其產(chǎn)量的穩(wěn)定與提高直接關(guān)系到全世界的口糧安全。雜交水稻的大面積生產(chǎn)正是發(fā)掘和利用了水稻的細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料。我國(guó)水稻中目前發(fā)現(xiàn)的CMS依據(jù)不育細(xì)胞質(zhì)的來(lái)源不同主要分為5類(lèi)：包臺(tái)型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（BT-CMS），紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（HL-CMS），野生敗育細(xì)胞質(zhì)雄性不育（WA-CMS），Lead型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（LD-CMS），中國(guó)野生稻型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CW-CMS）。目前生產(chǎn)上利用較多的為前3種類(lèi)型。水稻不育基因的生產(chǎn)應(yīng)用一直優(yōu)先于分子生物學(xué)機(jī)制的研究，但隨著第一個(gè)水稻線(xiàn)粒體基因組測(cè)序完成，水稻不育基因的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展［31］。野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育（WA-CMS）是被最早發(fā)現(xiàn)與利用的一類(lèi)不育胞質(zhì)類(lèi)型，也是推廣面積與影響最大的一類(lèi)不育胞質(zhì)類(lèi)型。1970年，袁隆平課題組在海南三亞南紅農(nóng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)雄性不育野生稻，自此雜交水稻的生產(chǎn)發(fā)生了巨大變化。以野生敗育材料為基礎(chǔ)，成功選育了野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育的保持系和不育系，打破了“自花授粉作物無(wú)法利用雜種優(yōu)勢(shì)”的束縛，使三系雜交稻得以推廣利用，為世界的糧食生產(chǎn)作出了巨大的貢獻(xiàn)［4］。人們?cè)诶肅MS-WA于雜交稻育種的同時(shí)，也對(duì)其分子生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行了不斷的研究。根據(jù)已測(cè)序的水稻線(xiàn)粒體基因組，把水稻線(xiàn)粒體490 kb的基因組分成43個(gè)片段，每個(gè)片段特異的引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，并以這些擴(kuò)增片段作為覆蓋了全部線(xiàn)粒體基因組的43個(gè)片段的探針，對(duì)野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、保持系及恢復(fù)系進(jìn)行大量Northern blotting分析，對(duì)差異結(jié)果進(jìn)行測(cè)序、比對(duì)與分析后發(fā)現(xiàn)不育系中存在一條特異的轉(zhuǎn)錄本［4］。對(duì)轉(zhuǎn)錄本進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其由多個(gè)功能未知的線(xiàn)粒體片段重組后而產(chǎn)生的一個(gè)嵌合基因，編碼352個(gè)氨基酸，位于線(xiàn)粒體rpl5基因的下游，是一個(gè)具有3個(gè)跨膜區(qū)的跨膜蛋白，實(shí)驗(yàn)證明這些跨膜區(qū)是其蛋白對(duì)大腸桿菌產(chǎn)生毒性的必須結(jié)構(gòu)［5］。通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化含靶向線(xiàn)粒體信號(hào)肽的載體實(shí)驗(yàn)顯示，該基因是導(dǎo)致CMS-WA不育表型的關(guān)鍵基因，并命名為WA352［5］。Wa352與玉米的T-urf13表達(dá)模式相似，為一個(gè)組成型表達(dá)基因，但是WA352蛋白特異性的在花粉母細(xì)胞期的花藥絨氈層積累。以WA352為誘餌蛋白進(jìn)行酵母雙雜交篩選酵母文庫(kù)，發(fā)現(xiàn)COX11（核基因編碼的線(xiàn)粒體細(xì)胞色素c氧化酶的一個(gè)亞基）是WA352的互作蛋白，研究證明COX11不但與呼吸鏈的能量代謝有關(guān)還有清除細(xì)胞內(nèi)活性氧的功能。WA352 蛋白在花粉母細(xì)胞期的絨氈層特異積累后與COX11 互作，兩者結(jié)合后抑制COX11清除活性氧的功能，進(jìn)而引起了絨氈層活性氧的爆發(fā)和細(xì)胞色素c從線(xiàn)粒體的釋放。這些刺激信號(hào)誘發(fā)絨氈層過(guò)早的發(fā)生細(xì)胞程序性死亡，影響花粉正常發(fā)育，導(dǎo)致花粉敗育而產(chǎn)生不育的表型［5］。水稻CMS-HL與CMS-BT的不育基因都與線(xiàn)粒體嵌合基因atp6-orf79轉(zhuǎn)錄本相關(guān)，其序列相似性達(dá)到98%。當(dāng)ORFH79表達(dá)時(shí)，ATP與NADH的水平下降。在線(xiàn)粒體內(nèi)，ORFH79與核編碼的線(xiàn)粒體電子傳遞鏈復(fù)合物3的亞基P61互作，降低了復(fù)合物3的活性，導(dǎo)致ATP產(chǎn)量的下降而引起不育的表型［45-46］。

3.3 油菜CMS 不育基因

油菜是我國(guó)重要的油料作物同時(shí)也是重要的深加工作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中具有重要地位。目前油菜中的細(xì)胞質(zhì)雄性不育應(yīng)用較多的主 要 有 CMS-pol、CMs-nap、CMS-ogu 3種 類(lèi)型［32］。波里馬細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS-pol）是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)傅廷棟教授于1972年發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)不育系的典型特點(diǎn)就是在不同核背景下育性容易受溫度的影響而產(chǎn)生育性的變化，因此CMS- pol的不育系又被分成低溫不育、高溫不育和穩(wěn)定不育3種類(lèi)型［33］。研究發(fā)現(xiàn)CMS-pol胞質(zhì)的雄性不育基因?yàn)橐粋€(gè)線(xiàn)粒體開(kāi)放閱讀框orf244與線(xiàn)粒體基因atp6的嵌合復(fù)合物，即orf224-atp6；在線(xiàn)粒體基因組上orf224位于atp6的上游，與atp6基因共轉(zhuǎn)錄［34］。CMS-nap胞質(zhì)也是在1972年發(fā)現(xiàn)的，但在生產(chǎn)上沒(méi)有被大面積推廣利用，其主要原因一是此類(lèi)胞質(zhì)不育材料對(duì)溫度十分敏感，育性不穩(wěn)定；二是該型胞質(zhì)不育材料的保持系少，僅有Bronowski能夠保持CMS- nap 的不育表型。CMS- nap胞質(zhì)的不育基因?yàn)閛rf222，與CMS-pol類(lèi)型的不育基因orf224高度同源，兩者編碼的蛋白序列相似性高達(dá)到79%。不育基因orf222與線(xiàn)粒體基因nad5c以及orf139共轉(zhuǎn)錄，造成不育的表型［35］。CMS-ogu是首先在蘿卜中發(fā)現(xiàn)然后導(dǎo)入到油菜的一種不育胞質(zhì)，CMS-ogu的不育相關(guān)基因?yàn)閛rf138，編碼一個(gè)大小約20 kDa的蛋白，并在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上形成一個(gè)大小約750 kDa的蛋白復(fù)合體，該蛋白是一種毒蛋白，可抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)［36］。

3.4 蘿卜CMS不育基因

目前蘿卜上發(fā)現(xiàn)的不育胞質(zhì)類(lèi)型主要有CMS-Don與CMS-Kos兩種類(lèi)型。兩種類(lèi)型胞質(zhì)的不育基因同樣是線(xiàn)粒體基因組重組產(chǎn)生的。CMS-Kos型的不育基因?yàn)閛rf125-atp8，與油菜CMS-ogu的不育基因orf138是同源基因，其基因序列與orf138相比，在編碼區(qū)只存在兩個(gè)氨基酸的替換與一段39 bp的缺失。與多個(gè)不育基因相似，orf125-atp8編碼一個(gè)跨膜蛋白，對(duì)大腸桿菌具有毒性［37］。通過(guò)比較不育胞質(zhì)與正常胞質(zhì)整個(gè)線(xiàn)粒體基因組序列發(fā)現(xiàn)CMS-Don型的不育相關(guān)基因是orf463，編碼含有12個(gè)跨膜域跨膜蛋白，研究發(fā)現(xiàn)同樣對(duì)大腸桿菌有毒［38］。

3.5 向日葵CMS不育基因

向日葵中不育相關(guān)基因?yàn)閍tp1-orf522，是由于線(xiàn)粒體基因組在atp1位點(diǎn)重組過(guò)程中產(chǎn)生了一個(gè)1 kb 倒位與一個(gè)5 kb 的插入造成的。重組的結(jié)果是形成新編碼區(qū)orf522，orf522與atpA基因編碼一個(gè)大小約為15 kDa有毒性的膜蛋白，導(dǎo)致不育的表型［39］。

3.6 其他作物的CMS不育基因

小麥CMS-AP型的不育相關(guān)基因是orf256，位于線(xiàn)粒體基因cox1的上游，編碼一個(gè)大小約7 kDa的蛋白，可能是影響了線(xiàn)粒體膜的功能而產(chǎn)生不育表型［40］；菜豆的不育相關(guān)基因是一個(gè)重組后的嵌合基因atp1-orf98-orf239，編碼一個(gè)大小約27 kDa的蛋白［41］；辣椒CMSPeterson型的不育相關(guān)基因有cox2-orf456 與cox2-orf507，分別編碼大小約為17 kDa與19.5 kDa的蛋白，決定著不育的表型［42-43］。

綜上所述，相比水稻不育基因WA352，其他作物上關(guān)于不育基因的研究還不是很深入。通過(guò)對(duì)比不育胞質(zhì)與正常胞質(zhì)的DNA、RNA及蛋白找到一些差異，并定義和確定了與不育相關(guān)的一些基因，但這些相關(guān)不育基因的功能與導(dǎo)致花粉敗育的機(jī)制還需要進(jìn)一步的探索與研究［4］。目前已知的不育基因均與線(xiàn)粒體相關(guān)。線(xiàn)粒體基因組自身重組，或與核基因組發(fā)生重組后產(chǎn)生新的開(kāi)放閱讀框，新的閱讀框編碼的蛋白可導(dǎo)致細(xì)胞毒性的產(chǎn)生，從而引起線(xiàn)粒體膜系統(tǒng)的運(yùn)輸、代謝與功能的紊亂而殺死細(xì)胞，導(dǎo)致花粉生長(zhǎng)異?；虿幻劝l(fā)，最終導(dǎo)致敗育的產(chǎn)生［44］。

4 細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的相同點(diǎn)

4.1 細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的來(lái)源相似性

目前發(fā)現(xiàn)的不育基因來(lái)源于線(xiàn)粒體基因組的重組，一般會(huì)與線(xiàn)粒體呼吸鏈的基因嵌合或重排，最終形成一個(gè)共轉(zhuǎn)錄的orf或單個(gè)有毒的orf。目前所鑒定的CMS不育基因多通過(guò)比較不育系與保持系之間線(xiàn)粒體基因（組）在基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組之間的差異最終確定為CMS基因。例如，水稻CMS-WA的不育基因WA352的發(fā)現(xiàn)就是通過(guò)野敗型不育系、保持系、恢復(fù)系進(jìn)行Northern blotting分析，通過(guò)整個(gè)基因組的比對(duì)而發(fā)現(xiàn)的；玉米CMS-T型細(xì)胞質(zhì)雄性不育蛋白URF13是從蛋白水平通過(guò)比較CMS與可育材料間蛋白質(zhì)組差異來(lái)確認(rèn)的［44］；水稻中CMS-HL中的ORFH79與CMS-BT中的ORF79為同源基因，且同源性很高，兩者有相同的不育機(jī)制［46］；高粱上CMS-A3的ORF107的N端31個(gè)氨基酸與ATP9 N端存在84%的相似性，C端49個(gè)氨基酸與水稻ORF79 C端具有80%的相似性［47］；其他已經(jīng)確認(rèn)的CMS基因如蘿卜里的CMS-Kos型的orf125和蕓薹屬植物里的CMS-Ogu型的orf138僅在編碼區(qū)有兩個(gè)氨基酸的替換與一個(gè)39 bp的缺失［37］；甜菜CMS-G型中突變了的cox2引發(fā)不育表型，基因序列來(lái)自于線(xiàn)粒體基因［38］。

4.2 細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的蛋白功能相似性

多數(shù)的不育系基因編碼大小約為10～35 kDa的跨膜蛋白，至少包含有一個(gè)疏水區(qū)域。這些跨膜蛋白可以融合到線(xiàn)粒體內(nèi)膜，破壞質(zhì)子梯度從而影響能量的合成，導(dǎo)致敗育的產(chǎn)生。即細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的蛋白影響了花藥細(xì)胞中線(xiàn)粒體的正常功能導(dǎo)致了植物孢子體或胚子體的雄性敗育［16］，如玉米中的CMS-T型的URF13是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的CMS蛋白，研究顯示URF13蛋白不但對(duì)大腸桿菌有毒且對(duì)另外的真核細(xì)胞也具有毒害作用。自玉米T-URF13后陸續(xù)報(bào)道的CMS蛋白，包括向日葵CMS-PET1的ORF522［39］，蘿卜CMS-Ogu的ORF138［37］，蕓薹屬植物CMS-Hau的ORF288［49］，水稻CMS-BT的ORF79都對(duì)大腸桿菌具有毒性作用［47］。水稻中CMS-WA的WA352同樣是一種毒性蛋白，對(duì)大腸桿菌的轉(zhuǎn)化結(jié)果顯示有一定程度的毒性［44］。

5 細(xì)胞質(zhì)雄性不育的研究展望

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)革命日新月異，新技術(shù)正越來(lái)越大的影響著傳統(tǒng)育種并推進(jìn)著作物育種科學(xué)向前發(fā)展。新技術(shù)、新方法如基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、表觀(guān)基因組、表形組等多水平的全面整合，可加快CMS機(jī)理研究。利用這些新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并鑒定多個(gè)細(xì)胞質(zhì)雄性不育不育相關(guān)基因，進(jìn)行了初步的分子生物學(xué)功能分析。這些研究對(duì)于理解CMS的功能機(jī)制提供了一些分子基礎(chǔ)。然而對(duì)于大多數(shù)的CMS系統(tǒng)，CMS蛋白的作用機(jī)理是怎樣產(chǎn)生不育的表型，以及是如何與CMS的恢復(fù)蛋白發(fā)生作用任然不清楚［4］。盡管水稻CMS-WA的不育基因經(jīng)過(guò)大量的科學(xué)研究已揭示其功能機(jī)制，但在其他主要糧食作物如小麥、高粱、玉米等的研究則一直比較緩慢，它們的不育機(jī)理是否和水稻相同或相似還需要科研工作者付出更多的努力。目前細(xì)胞質(zhì)雄性不育不育機(jī)制的理論認(rèn)識(shí)仍然落后于其生產(chǎn)應(yīng)用。CMS的利用與雜種優(yōu)勢(shì)的利用緊密相連，盡早闡述CMS的功能及不育機(jī)理有利于促進(jìn)雜種優(yōu)勢(shì)的利用，提高作物產(chǎn)量，推動(dòng)糧食安全生產(chǎn)起著巨大推動(dòng)作用［16］。