張效霏 張利國(guó)

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086）

1904年K.Koppehc確定了香薄荷屬雄性不育性狀的事實(shí)，揭開(kāi)了在雄性不育方面開(kāi)展深入研究的序幕。研究人員在多種植物上發(fā)現(xiàn)雄性不育現(xiàn)象，目前已在玉米、糖甜菜、高粱、番茄等農(nóng)作物上得到實(shí)際應(yīng)用[1]。大麻植株在生育期間會(huì)形成大量雄花，這些花在花序上出現(xiàn)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。在大麻雜交育種中，若將雌雄異株大麻類(lèi)型用作原始材料，開(kāi)花前須拔除全部雄性植株，這項(xiàng)作業(yè)需要進(jìn)行多次，且要求特別精細(xì)[2]；若將雌雄同株大麻類(lèi)型用作原始材料，則在整個(gè)開(kāi)花期間須每天人工除掉雄花，這只能在數(shù)量有限的植株上行得通。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行大麻雜交育種時(shí)，去除雄花或拔除雄株需要花費(fèi)大量人工勞動(dòng)。用乙烯利給雄花化學(xué)去雄技術(shù)已在大麻上得到應(yīng)用。但是，植株用乙烯利處理一段時(shí)間后，在幼芽上又會(huì)形成可育雄花，需要用乙烯利重復(fù)多次處理植株去雄。因此，研究大麻雄性不育性有重要意義。

1 大麻雄性不育性的表型性狀

大麻雄性不育性狀遺傳在1969年被首次報(bào)道，后來(lái)在大麻種群中發(fā)現(xiàn)了6個(gè)基因型的雄性不育源[3]，其雌花發(fā)育正常、可育。家系IOCO-3和T10-5植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在盛蕾期和始花期，家系IOCO-2和IOCO-21植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在盛花期，家系Oih5-4植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在可育個(gè)體雄花謝花期，IOCO-14-6植株清晰顯現(xiàn)不育形態(tài)是在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)末期向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的階段。不育植株少量雄花在濕冷天氣能稍開(kāi)放或完全開(kāi)放，開(kāi)放花與可育植株不同的是花被片薄而蒼白，花藥空或半空、有皺褶、不散粉[4]。研究表明，大麻所有家系的雄性不育植株上雄花構(gòu)件的體積比可育植株小得多，最明顯的差異表現(xiàn)在家系T10-5上。雄性不育系IOCO-3的特征是植株低矮，植株上部特別是花序生長(zhǎng)受抑制。其莖直徑與株高的比值略高，節(jié)間縮短，植株濃綠色，葉片較普通可育植株大。雄性不育系IOCO-14-6的表型性狀與其他雄性不育系有本質(zhì)區(qū)別。 IOCO-3、T10-5、IOCO-2、IOCO-21 和 Oih5-4 等雄性不育系的雄花發(fā)育未表現(xiàn)出與生殖器官性變異有關(guān)的任何異常，但雄性不育系IOCO-14-6表現(xiàn)出間性類(lèi)型的雌雄同株大麻雄性不育性：雄花轉(zhuǎn)變成兩性花，在兩性花上生殖器官不育；而雌花則發(fā)育正常，能結(jié)出全價(jià)種子。

雄性不育系IOCO-14-6在植株現(xiàn)蕾期雄花花蕾生長(zhǎng)緩慢，既小又表現(xiàn)大小一致，著綠色；然后雌蕊的柱頭從花蕾中伸出，雄花花被片加大，逐漸變?yōu)榛?、無(wú)序張開(kāi)或脫落?；ㄐ蛏仙虚g性花的區(qū)域呈現(xiàn)畸形性狀，這種性狀到植株成熟時(shí)表現(xiàn)更明顯[5]。雄性不育系IOCO-14-6的花間性程度因天氣條件而變化。在高溫干旱年份，雌蕊發(fā)育較弱，柱頭不伸出花蕾，花能以花蕾形態(tài)脫落；相反，濕冷的天氣條件促進(jìn)雌蕊形成，雌蕊柱頭從花蕾向外伸出并明顯超過(guò)被片長(zhǎng)度，然后逐漸干枯。在濕冷的天氣條件下，花會(huì)牢固地留在花序上直到植株成熟。所有6個(gè)雄性不育系植株的共同特征是生育期比可育個(gè)體略長(zhǎng)。

2 大麻雄性不育性的細(xì)胞胚胎學(xué)特點(diǎn)

大麻可育植株的雄花一開(kāi)始胚組織呈小突起狀，花原基周邊出現(xiàn)增生物，這些增生物后來(lái)發(fā)育成花被片；對(duì)著花被片在花原基的中心部也形成相似的增生物，這些增生物進(jìn)一步分化成花藥和花絲。在雄花發(fā)育初期，花被片和雄蕊平行發(fā)育。后來(lái)花被片超過(guò)雄蕊的發(fā)育速度，頂端合攏形成閉合的花蕾。雄蕊原基橫斷面上一開(kāi)始呈半圓形，但其頂端很快變平坦而基部稍微加粗。接著幾乎同時(shí)形成4條花藥裂紋，把花藥分隔成4個(gè)花藥室，花藥縱斷面呈4裂輪廓，花藥形成后才發(fā)育花絲。大麻幼小花藥一開(kāi)始由分生細(xì)胞構(gòu)成，被表皮覆蓋。花藥初始分化過(guò)程中在離表面不遠(yuǎn)的4個(gè)角分出4組細(xì)胞，由這些細(xì)胞形成花藥室的初生孢原組織。初生孢原組織通過(guò)分裂形成周壁層和次生孢原組織，細(xì)胞周壁層繼續(xù)分裂而形成2個(gè)新層：一個(gè)是貼向表皮、發(fā)育成藥室內(nèi)壁的外層，另一個(gè)是與孢原組織毗鄰的內(nèi)層。3層花藥階段持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，因?yàn)閮?nèi)層很快分裂形成2個(gè)中間層和1個(gè)絨氈層。由此可見(jiàn)，大麻花藥壁完全形成后由5層構(gòu)成，即表皮、藥室內(nèi)壁、2個(gè)中間層和1個(gè)絨氈層。大麻不育植株的雄花與正常發(fā)育雄花的區(qū)別不僅在外表，還發(fā)生深刻的內(nèi)部改造，而且花藥的外形變異與雄蕊原基胚組織的內(nèi)部改造密不可分，這最終導(dǎo)致花粉不育甚至根本無(wú)花粉。

2.1 花藥壁層發(fā)育異常

小孢子研究顯示，不同大麻家系雄性不育植株與可育植株的區(qū)別在于花藥壁層形成的實(shí)質(zhì)性反常。大麻家系雄性不育的雄花上，表皮和藥室內(nèi)壁等的細(xì)胞退化過(guò)程比可育花更明顯[6]，細(xì)胞壁變薄，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核被破壞。不育花藥的藥室內(nèi)壁細(xì)胞的纖維化加厚表現(xiàn)較弱，阻礙了花藥裂縫的形成，影響花粉從花藥中逸出。與此同時(shí)，花藥的中間層不退化，與正常發(fā)育雄花一樣。不育花藥的內(nèi)中間層保持到花發(fā)育結(jié)束，內(nèi)中間層的細(xì)胞含流態(tài)細(xì)胞質(zhì)，核不清晰。外中間層細(xì)胞退化程度較低，只有一部分內(nèi)容物損失，細(xì)胞基本上保持原狀。

雄性不育植株花藥中間層退化過(guò)程的弱化原因是花藥壁的相鄰層（花藥內(nèi)壁和絨氈層）正常功能失調(diào)。如家系Fayxobcka不育花絨氈層細(xì)胞核分裂不活躍，使絨氈層組織的形成晚于可育花。另外，還發(fā)現(xiàn)其他類(lèi)型的絨氈層異常：一是絨氈層細(xì)胞衰亡。絨氈層細(xì)胞異常開(kāi)始于單核階段，具體表現(xiàn)是核體積縮小、顏色發(fā)暗。二是形成同質(zhì)型絨氈層。絨氈層細(xì)胞溶解，變成既無(wú)細(xì)胞又無(wú)核的松散暗色物質(zhì)，逐漸進(jìn)入花藥室腔，占據(jù)單核花粉粒之間的空間。

2.2 減數(shù)分裂發(fā)育異常

從大麻雄性不育植株上還發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂失調(diào)，這雖與可育個(gè)體情況相同，但前者比率明顯高。最常遇到的減數(shù)分裂失調(diào)包括中期和后期分裂中的染色體脫離、分裂后期出現(xiàn)染色體滯后、形成后期染色體橋和在末期形成染色體小核。前一種減數(shù)分裂反常性狀及表現(xiàn)程度，在不育植株的不同花上有所不同。在絨氈層組織衰亡情況下，減數(shù)分裂明顯反常，花藥變空。在絨氈層肥大（經(jīng)常發(fā)生）的情況下，小孢子發(fā)生實(shí)質(zhì)變化發(fā)生于單核花粉粒階段。與可育植株相比，雄性不育植株花藥內(nèi)減數(shù)分裂波的方向變化明顯?？捎?lèi)型減數(shù)分裂開(kāi)始于花藥中部，然后向2個(gè)對(duì)立端擴(kuò)展；而不育類(lèi)型的減數(shù)分裂則開(kāi)始于花藥基部，然后向頂端擴(kuò)展[7]。

由此可見(jiàn)，基因雄性不育大麻植株在減數(shù)分裂中存在實(shí)質(zhì)性異常，不育源之間存在某些特殊差異，并且花粉母細(xì)胞核分裂失調(diào)特性在許多方面取決于花藥壁絨氈層的發(fā)育狀態(tài)。絨氈層細(xì)胞失調(diào)越嚴(yán)重，減數(shù)分裂過(guò)程異常頻率越高。

2.3 花粉粒、雄花輸導(dǎo)系統(tǒng)等異常

花粉粒異常表現(xiàn)為被研究的大麻雄性不育源沒(méi)有花粉或者花粉粒完全無(wú)生活力，雄性不育源之間大麻花的花粉數(shù)量差別明顯。雄花不育過(guò)程涉及所有生殖器官成員，其中包括輸導(dǎo)系統(tǒng)。研究表明，大麻不育雄花花梗、花絲、花被片和藥隔的輸導(dǎo)束出現(xiàn)小面積斷裂，與可育花相比導(dǎo)管數(shù)量少、直徑小。雄性不育植株兩性花發(fā)育異常，出現(xiàn)畸形花被片，而重瓣花畸形花被片總是產(chǎn)生于里層（正常發(fā)育的花被片既產(chǎn)生于外層，也產(chǎn)生于里層）。

3 大麻基因雄性不育性的實(shí)際應(yīng)用

就大麻雄性不育性的實(shí)際應(yīng)用而言，研究雄性不育系的經(jīng)濟(jì)性狀具有重要意義。研究結(jié)果顯示，不同大麻雄性不育家系的生產(chǎn)率不同，取決于雄性不育性基因與決定生產(chǎn)率因素的遺傳因子之間的相互作用。雄花花蕾發(fā)育不良的家系Ohom-2I1、IOCO-1I3、Ohom-5表現(xiàn)為植株生長(zhǎng)和發(fā)育退化。莖高度和直徑的降低會(huì)導(dǎo)致原莖和種子減產(chǎn)。雄性不育植株的莖中纖維含量略高，種子生產(chǎn)率的差異不顯著。雄性不育性的間性類(lèi)型（家系IOCO-14），其基因ms對(duì)重要經(jīng)濟(jì)性狀的形成不起多效抑制作用，反而使其生產(chǎn)率超過(guò)原始品種。

雌雄同株大麻的基因雄性不育性可用于2個(gè)方向的育種：一是培育普通的可育品種，二是培育新的雄性不育系。2種情況下育種的首要環(huán)節(jié)是大麻雄性不育系與可育大麻原始類(lèi)型的雜交。雄性不育系用于雜交主要采取以下方式：在1個(gè)隔離圃內(nèi)播種雄性不育系（母本）和可育類(lèi)型（父本）的種子，父本選擇應(yīng)針對(duì)制定的育種目標(biāo)；用寬行法播種，行距50 cm，株距5～10 cm；小區(qū)交替布置，每小區(qū)5～10行，這樣能使父本類(lèi)型兼顧到圃的兩面；開(kāi)花前拔除母本中的可育植株，只留不育植株。

把雌雄同株大麻基因雄性不育植株用作雜交母本類(lèi)型，與采用乙烯利給可育植株去雄的差別在于，雄性不育植株不產(chǎn)生正常發(fā)育的雄花[8]，而用乙烯利處理的植株過(guò)一定時(shí)間仍能長(zhǎng)出正常發(fā)育的雄花而且強(qiáng)烈散粉。在稀植條件下大麻植株高大繁茂，分枝旺盛，恢復(fù)到可育花的可能性特別大。此種情況下，或者用乙烯利反復(fù)處理植株，導(dǎo)致植株畸形和明顯延長(zhǎng)生育期；或者給雄花進(jìn)行人工補(bǔ)充去雄以及干脆拔除恢復(fù)可育花危險(xiǎn)性大的部分植株。通常情況下，雌化雄麻屬于這類(lèi)危險(xiǎn)植株。

4 結(jié)語(yǔ)

在大麻基因雄性不育性研究方面，應(yīng)特別重視雄性不育性與植株其他性狀之間的相互聯(lián)系的研究。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2種大麻雄性不育性表現(xiàn)型：雄花花蕾在一定階段停止生長(zhǎng)發(fā)育，逐漸枯萎和脫落；雄花花蕾上形成不育雌蕊取代花藥，即形成兩性（間性）花。由此可見(jiàn)，雄性不育性不同類(lèi)型的出現(xiàn)提醒人們，在探索新雄性不育源時(shí)必須關(guān)注生殖器官發(fā)育中的異常，因?yàn)樗鼈兛赡苁沁z傳性狀。

在雌雄同株大麻上，應(yīng)用基因雄性不育性的好處是顯而易見(jiàn)的，可減少用于排除母本植株上雄花的大量勞動(dòng)，省工省力。與此同時(shí)，尋找細(xì)胞質(zhì)不育源也是十分必要的，它能解決雜種繁育的實(shí)際問(wèn)題。