陆地棉细胞质雄性不育系的细胞学观察研究现状

康浩东

摘 要 在生物界中，棉花与众多作物相似，杂种优势趋于明显。目前研究棉花雄性不育利用的有效途径主要集中于杂种优势、细胞学观察等有关方面。基于此，从棉花雄性不育系的杂种优势及细胞学观察方面进行综述，介绍了棉花杂种优势的特点及利用途径，阐述了棉花细胞质雄性不育系的败育时期及特征。

关键词 陆地棉;细胞质雄性不育;杂种优势;细胞学观察

在利用杂种互补效应中，实现棉花产能高、品质好、抗逆性强等方面同步突破已成为棉花育种研究的一个重要方向，且杂种优势在提高棉花抗逆性、棉花产量及纤维品质等方面起着重要作用[1-2]。近年来，利用杂种优势已逐渐成为提高动植物产量及品质等的有效措施。而雄性不育是利用杂种优势的基础，细胞质雄性不育系为杂种优势利用提供了有效途径。但由于目前棉花不育胞质的负效应，棉花的杂种优势并没有得到广泛利用，选育棉花细胞质雄性不育系仍是目前研究的主要任务，而研究棉花CMS败育机制则可以为棉花CMS的种质资源创新提供理论依据。韩宗福等[3]从棉花质核互作雄性不育与育性恢复方面进行了相关阐述，但未包括棉花细胞学观察的研究内容。为此，本文除补充研究领域的最新成果外，从棉花的杂种优势特点、途径及细胞学观察现状方面进行了综述，分析了棉花细胞质雄性不育系细胞学观察现状及存在的问题，为棉花的深入研究和利用提供有利依据。

1 棉花杂种优势的特点

前人研究的水稻、油菜等大宗农作物的杂种优势主要体现在产量、品质及生长抗逆性等方面，在这一定程度上对满足市场需求、提高经济效益和保障粮食安全具有重要作用。张进忠[4]认为在杂种棉制种上需尽快解决制种烦琐的问题，以便于从根本上提高制种效率，有效控制制种质量，降低制种成本。张小全等[5]在组配海陆棉种间杂种和种内杂种时，主要选用棉花细胞质雄性不育系及其恢复系，并以常规棉品种作为对照，发现两者具有明显的杂种优势。朱东生等[6]以不育系德A2为母本，选用丰产性强的3个品系为恢复系配制杂交组合，在丰产性和纤维品质方面对杂交组合进行分析，结果表明该不育系配制的杂交组合德杂1和德杂2在纤维品质及产量上均优于对照中棉所49。

2 棉花杂种优势利用的途径

2.1 人工去雄授粉法

人工去雄授粉法获得杂交种常规制种采用单花授粉，授粉时间因棉花花期而定，以人工方式把雄蕊从母本中去除，然后给父本授粉。棉花花器大，较易去雄，在选配杂交组合上较易选出育种周期短且应变能力强的杂交种子，但在人工上较为费时费工、成本高，相比之下，更适用于劳动力价格较低的地区。

2.2 化学杀雄法制种

主要是指在棉花开花初期，将配置适当比例的化学药剂喷洒于植株上，使得雄配子被杀死而造成雄性不育，而雌配子不受药剂影响正常发育。这种用化学药剂致使棉花雄性不育的方式称为化学杀雄法[7]。將化学药剂处理后的植株作为母本，给父本授以正常可育的花粉，从而获得育性好的杂交种子。利用化学杀雄法制种既省去了人工去雄的琐碎环节，也大大降低了制种的成本。

2.3 利用核雄性不育的“两系法”制种

利用核雄性不育的“两系法”制种主要指利用棉花细胞核雄性不育的制种方法。该种制种方法恢复系来源广泛，较为容易选配强优组合，且组合更换也相对较易，但在制种时，可育株与不育株需要仔细鉴别，在此基础上需要拔除50%左右的可育株，在资源利用上造成了人工、肥料、农药等的浪费，并降低了制种母本的种植密度。如中国洞A雄性不育系主要是受1对核隐性基因msms控制，并可被含MSMS的恢复系恢复育性，这种利用核不育系与相应恢复系杂交而产生的种子称为“两系法”制种[8]。

2.4 “三系法”制种法

“三系”指不育系、保持系和恢复系，“三系”制种法主要是利用棉花细胞质雄性不育性（cytoplasmic male sterility，CMS）进行杂交种子生产。与核雄性不育系所述不同，棉花细胞质雄性不育既受核基因控制，也受细胞质基因控制，是质核互作的不育，其育性既可被保持系保持（不育系的繁殖），也可被恢复系恢复（杂种F1的制种）。

3 棉花细胞质雄性不育细胞学观察研究

3.1 不育系花药的特点

棉花细胞质雄性不育系的花朵普遍偏小，花冠张开的角度及面积较小，花丝短且细小，仅有少量花粉粒或无花粉粒可见。有些看似饱满，但无生活力，且从表型上很易辨别不育株和可育株。

3.2 不育系花药的细胞学特点

正常小孢子发育都是由每一个小孢子母细胞经过减数分裂产生四个一群的单倍体细胞。棉花细胞质雄性不育是不能产生花粉的遗传现象，败育过程较为清晰，且在小孢子母细胞形成前及其减数分裂时期就出现异常，致使棉花细胞质雄性不育趋向稳定，并不受外界环境的影响，且从花粉母细胞开始至各时期都存在有败育的可能性，不集中于某一时期。植物雄性不育小孢子的败育时期各有异同，棉花败育发生时期主要分为以下3种类型。1）造孢时期出现败育迹象。李悦有等[9]在对哈克尼西棉不育系的细胞学研究后发现不育系造孢细胞核有增大，同时细胞质液泡化严重且细胞形状有畸形导致在造孢时期就开始出现败育迹象。2）减数分裂时期开始败育。王学德等[10]对104-7A、湘远4-A、NM-2A和NM-3A三个不育系的花药发育过程进行细胞学观察，在观察时并未发现花粉母细胞的四分体，分析得出它们的败育发生时期均为减数分裂时期。3）败育时期贯穿于造孢细胞增殖至减数分裂期。童旭宏等[11]对3个不育系G22A、H109A和1793A（具有相同的不育胞质）的小孢子发育过程进行细胞学观察，发现它们的小孢子均发生在造孢细胞增殖期至小孢子母细胞减数分裂前，同时也说明了在其败育时期，小孢子并未受核基因的影响。目前多数研究认为小孢子发育过程中影响因素众多，如黄晋玲等[12]对棉花晋A细胞质雄性不育系小孢子进行超显微观察，发现该不育系大部分小孢子在减数分裂期开始大量解体，且绒毡层的提前退化与小孢子母细胞解体有关;周仲华[13]对“特棉S-1”棉花温敏雄性不育系进行研究分析，得出四分体质核分裂不同步等;孔祥军[14]确定了海岛棉CMS系H276A花药败育开始于四分体时期，其败育特征主要是四分体细胞核液泡化，绒毡层在花药发育过程中完整、不发生降解。花药细胞超微结构观察发现，四分体时期不育系绒毡层细胞部分线粒体出现内膜降解现象。

4 结语

棉花雄性不育在杂种优势上有着重要作用，而细胞学观察是研究植物雄性不育的重要渠道，虽然关于棉花的细胞质雄性不育研究在一定程度上取得了成果，但仍有一系列问题有待深入研究。如在植物雄性不育中，植物的败育时期主要因材料而异，且棉花CMS胞质来源单一，产生的败育时期及败育原因都各有不同。目前，现阶段分子生物集中发展，但进一步研究棉花细胞质雄性不育的分子相关基因测序还未取得显著成果，相信随着科学技术手段的完善与完备，棉花雄性不育机理能进一步得到深度研究。

参考文献：

[1] 邢朝柱，靖深蓉，邢以华.中国棉花杂种优势利用研究回顾和展望[J].棉花学报，2007（5）：337-345.

[2] 高俊平，韩广津，宫永超，等.棉花雄性不育的分子生物學研究进展[J].现代农业科技，2008（2）：116-117.

[3] 韩宗福，王景会，申贵芳，等.棉花质核互作雄性不育与育性恢复的研究及利用现状[J].中国农业大学学报，2011，16（3）：36-41.

[4] 张进忠.棉花雄性不育杂种优势利用研究及进展[J].中国棉花，2005（8）：6-8.

[5] 张小全，王学德，朱云国，等.细胞质雄性不育海岛棉的选育和细胞学观察[J].中国农业科学，2007（1）：34-40.

[6] 朱东生，廖雪，邓云秀，等.棉花雄性核不育系德A2的选育与初步应用研究[J].中国棉花，2013，40（7）：26-27.

[7] 廖雪，朱东生.棉花杂种优势利用的回顾与展望[J].江西棉花，2009，31（5）：7-10.

[8] 王学德.棉花细胞质雄性不育的研究与利用[J].中国农业科学，2019，52（8）：1341-1354.

[9] 李悦有，王学德，徐亚浓.棕色棉细胞质雄性不育花药的细胞学观察[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2002（1）：13-17.

[10] 王学德，张天真，潘家驹.细胞质雄性不育棉花小孢子发生的细胞学观察和线粒体DNA的RAPD分析[J].中国农业科学，1998（2）：70-75.

[11] 童旭宏，秦利，孔广超，等.新型陆地棉细胞质雄性不育系花器形态学和细胞学观察[J].棉花学报，2009，21（2）：83-88.

[12] 黄晋玲，杨鹏，李炳林，等.棉花晋A细胞质雄性不育系小孢子发生的显微和超微结构观察[J].棉花学报，2001（5）：259-263.

[13] 周仲华.棉花温敏雄性不育的细胞学特征、生化基础及其分子标记的研究[D].长沙：湖南农业大学，2006.

[14] 孔祥军.海岛棉H276A雄性不育的细胞学与分子生物学基础研究[D].南宁：广西大学，2017.

（责任编辑：赵中正）