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植物细胞质雄性不育的分子机理研究进展

来源:九壹网
维普资讯 http://www.cqvip.com 自.显科乎遗展第1 2卷第1 0期2002年1 0 EJ *专题评述* 植物细胞质雄性不育的分子机理研究进展* 王永飞 , 马三梅 张鲁刚 王 鸣 郑学勤 1烟台师范学院生物系,烟台264025;2西北农林科技大学园艺学院,杨陵712100; 3热带作物生物技术国家重点实验室,海口571101 摘要 对细胞质雄性不育(CMS)的研究不仅在杂种优势利用上具有重要的实践意义,而且在研 究核质互作方面具有重要理论意义,文中主要 CMS的胞质基因载体和核基因组对CMS的影响 两个方面综述了近年来植物CMS分子饥理的研究进展,并对今后的研究方向进,;亍了讨论. 关键词 细胞质雄性不育 分子机理线粒体基因组叶绿体基因组核质互作 细胞质雄性不育(CMS)是植物界普遍存在的一 种现象.由于CMS在植物杂种优势利用方面具有 极其重要的作用,而且在研究核质互作方面具有重 的形成.Franke E J的研究表明,烟草的CMS与 cpDNA有关.Li等_4]以玉米、小麦和油菜为材料 对cpDNA和CMS的关系进行了探讨,结果发现, cpDNA的改变可能与这3种作物的CMS有关. Chen等_5 J研究高粱CMS系和其保持系及其他两个 可育品种的cpDNA片段多态性时发现,在HindⅢ 要理论意义,因此这一课题引起了国内外科学家们 的普遍关注,并对它进行了深入的研究,为揭示 CMS的机制奠定了遗传学、细胞学、生理生化等方 面的基础_1 J.遗传学研究证实CMS由细胞质遗传物 酶切的cpDNA图谱上,可育系均有一条3.8 kb的 质和细胞核遗传物质的共同作用控制,那么CMS 的胞质基因的载体是什么,它又是如何与核基因相 互作用导致不育的.本文将有关这两方面的研究进 展作一综述. 条带,而CMS材料的cpDNA图谱上都有一条 3.7 kb的条带.进一步通过测序比较发现,CMS的 3.7 kb的cpDNA片段缺失了165个碱基对.缺失 片段位于编码RNA聚合酶B亚基基因rpoC2中间. 缺失片段所决定的氨基酸序列是单子叶植物特有的 1 CMS胞质基因的载体 由于植物细胞质遗传物质主要包括叶绿体基因 (cpDNA)、线粒体基因组(mtDNA)和质粒基因组 肽链区域,它可能形成一个亲脂分子的a一螺旋,这 个特殊结构可能与花的形成有关.高洁等_6 J对萝卜 CMS系和其保持系的cpDNA酶切图谱进行比较, (pdDNA),人们自然而然地就将CMS与这些遗传 物质联系起来. 1.1 cpDNA与CMS 发现在EcoR I酶切图谱中,保持系比不育系多一 条3.2 kb的片段.孙威等 以pUC19为载体克隆 了该3.2 kb的片段并以该片段为探针与12 kb的 rRNA基因片段杂交.根据杂交结果,该片段被定 位于cpDNA的反向重复区16S rRNA基因5 端前 4.0~2.0 kb之间,不过该片段是否与油菜CMS有 关,还有待研究.因为这个差异也可能与两系之间 其他细胞质性状差异有关. 从叶绿体系统的角度对CMS机理进行研究, 主要是比较CMS系和可育系之间cpDNA及叶绿体 蛋白质的差异.刘一农等_2 J通过研究发现,油菜 CMS系和其保持系的cpDNA之间存在明显的差异, 因此认为在长期进化过程中,cpDNA在核苷酸序列 方面发生了某些变异,这些变异可能破坏了叶绿体 与细胞核及线粒体之间的固有平衡,从而导致CMS 2001.10—25收稿,2001—12—10收修改稿 从上面的论述中可以看出,cpDNA的缺失、重 复或突变可能引起cpDNA与核DNA及mtDNA之 *高等学校博士学科点专项科研基金(960701)和热带作物生物技术国家重点实验室开放资助项目(NKBLTC199802) E mail:Sanmeiyongfei@sina.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 自.釜科手遗展第1 2卷第1 0期2002年1 0月 间的不协调,从而导致CMS的发生.但也有例外 素,但质粒DNA无疑增加了mtDNA的多态性,为 mtDNA的重组突变提供了机会. 关于油菜的质粒是否与CMS有关的看法不一. Palmer等[”]认为质粒的存在和油菜的CMS有关. 但Handa等[18 和Keruble等[ ]的研究结果表明质粒 与油菜CMS无关. 另外,Powling等[ o_在甜菜CMS系中也发现 的报道,例如Powling等 分析了甜菜CMS系和其 保持系cpDNA的Sal I,Barn H I和 £I的酶切 图谱,结果发现CMS与cpDNA无关,而与mtDNA 有关. 1.2质粒DNA与CMS Pring等_9 J在玉米S型胞质的线粒体中发现, 除了常见的mtDNA大分子外,还含有两个自主复 制的mtDNA小分子S1和S2质粒,其大小分别为 6.4和5.4 kb,并含有“开放阅读框架”(ORF), 编码1个125~130 ku和1个103 ku的多肽,这些 了4种质粒状分子;Pring等_2 在高粱CMS中也发 现了质粒状小分子N1和N2,他们与CMS的关系 有待研究. 综合以上的研究结果可以认为,质粒或其中的 一多肽可能在S因子的保存和复制过程中起一定的作 用.S1,S2质粒为CMS—S胞质所特有,其他类型 胞质中均不含S1,S2质粒.因此认为它们是控制 玉米S型CMS的因子. 些序列也许与CMS有某些联系,但并不是决定 不育性状的关键因子. 1.3 mtDNA与CMS 有关mtDNA与CMS的关系,Leavings等[ J 最早于1976年发现玉米T型CMS系和保持系的 mtDNA不同.据此他们认为mtDNA也许就是 CMS因子的载体.此后的研究表明玉米的3种不育 类型CMS—S,CMS—T和CMS—C的mtDNA的限制 性酶切图谱与它们相应的保持系之间存在明显的差 异,并且3种不育型的酶切图谱彼此之间也不相 同[23]. 随着研究范围的扩大,人们逐渐发现情况并非 如此简单,因为并非所有育性恢复的CMS-S系都失 去了S1和S2.在具有WF9核背景的育性恢复植株 中,S因子仍然存在.可见核遗传背景对S因子有 一定的影响.在不同核背景的CMS-S材料中,质粒 DNA序列不一致,核基因影响线粒体基因组的变 异.另外的研究结果也表明核基因影响S1和S2的 相对含量. 由于mtDNA具有复杂性和易变性,并且mtD— Yamaguchi等_11_首次报道BT型水稻不育系的 mtDNA中存在质粒状DNA B1和B2,长度分别为 1.5和1.2 kb,其保持系则不存在B1和B2.Nawa NA与核基因组之间存在着广泛的信息交流;而 epDNA具有一定的保守性,因而人们认为mtDNA 可能是绝大多数CMS突变的来源.目前人们已在 等_1 J研究了BT型不育系和育性回复突变体后,认 为线粒体中B1,B2质粒的变化与水稻CMS存在某 种联系.通过比较B1,B2质粒和mtDNA及核 DNA的序列同源性后认为,质粒DNA可能来自于 玉米、矮牵牛、萝卜、油菜、向日葵和水稻等不育 胞质mtDNA上找到了可能与CMS有关的基因位 点.研究最深入和最引人注目的为玉米CMS—T的 T-urf13基因.T一“r厂13是一个嵌合基因,由106 个来源于T'T';r/26的密码子及9个未知来源的密码子 组成,其5 上游和atp6的5 端上游序列几乎完全 一mtDNA,其自行复制,并以转座子的形式再整合到 mtDNA的不同位点上,这种重组过程也许与CMS 有关.梅启明等[ J研究了水稻红莲青四矮不育系和 保持系的mtDNA,发现不育系比保持系多了7.9和 致.它编码一个13 ku的多肽(URF13).后来证 明URF13是线粒体内膜的一种结构蛋白,这种蛋 白只在CMS-T植株的线粒体中存在,分布于线粒 4.1 kb的质粒分子.涂君等_1 J发现水稻红莲丛广 41保持系比不育系的mtDNA多了6.3,3.8和3.1 kb的3种质粒DNA,说明水稻CMS系中的质粒 体内膜上,并与电子传递链系统及ATP酶有某种 联系_2 .在显性核基因Nil,Rf2的共同作用下, 不育的表型被抑制,花粉育性恢复.其中Rfl影响 DNA存在多样性和复杂性.Mignouna等_1 ]通过研 究认为质粒DNA同水稻的CMS有关.但Saleh 丁_“r厂13的转录,并降低URF13蛋白的含量. URF13蛋白含量的降低对育性的恢复是必不可少 的,但如果没有R厂2基因的作用,育性仍无法恢 复_2 .通过大量的研究证实了以下几点:(1) 丁_“r厂13基因导致了玉米T型雄性不育l ;(2) 等_1 6l发现在水稻野败型不育系和保持系中质粒 DNA并不存在差异,他们认为质粒DNA与CMS 并不存在简单的联系.近年来,多数研究者认为质 粒DNA的存在和丢失并非致水稻CMS的重要因 维普资讯 http://www.cqvip.com 自.鞋科荸连屋第1 2卷第1 0期2002年1 0月 7"-.rf13导致CMS—T植株x ̄1J,斑病T小种的专化感 病性_2 ;(3)CMS—T玉米中不育性和专化感病性 是不可分割的[28 ;(4)URF13是一种毒性蛋白,高 效表达的URF13也可以杀死大肠杆菌和昆虫细 胞_2引.URF13是线粒体内膜上的整合蛋白,它存 在于玉米各组织中,包括花粉发育各个阶段的线粒 体-3 .组成型表达的URF13蛋白能显著影响花药 发育而不影响其他组织器官发育的原因还有待研 究. 对矮牵牛CMS的研究也比较深入.通过研究 发现矮牵牛的CMS与线粒体的一个嵌合基因S—pcf 有关_3 .该嵌合基因中含有一个未知来源的ORF— URF—S Nirison等_3 J利用URF—S专一性的抗血清, 在不育系及不育系的体细胞杂种后代中检测出了25 和20 ku特异蛋白.并发现恢复基因尺厂可降低该两 种蛋白的含量.20 ku蛋白为膜间蛋白,25 ku蛋白 则与膜松散结合.核酸序列分析发现,25 ku蛋白 质可能是由S—pcf编码的39 ku前体经切割加工而 成的.25 ku的特异蛋白可能干扰造孢组织中的 ATP酶的功能,而ATP酶对于减数分裂和小孢子 发生是十分重要的.也有人认为,25 ku的特异蛋 白可能破坏造孢组织的抗氰呼吸氧化酶活性,从而 损伤花粉发育中的NAD 再生及碳骨架的生物发 生[3 . 对油菜CMS机理研究较清楚的为Polima不育 胞质.L’Homme等_3 ]在Polima胞质线粒体中发 现了一个与CMS相关的ORF结构,该ORF位于 atp6基因的上游,编码224个氨基酸,因此称之为 orf224.Wang等[351通过体细胞杂交实验也证实了 orf224一atp6座位与CMS性状是紧密连锁的.另 外,王永飞等_3 6l在陕2A不育系的胞质线粒体中发 现了一个与CMS相关的ORF结构——0rf224—1, 把orf224—1和orf224的序列进行比较,结果表明: 两序列的核苷酸及推导出的氨基酸同源性分别为 99.9%和99.6%,在+398处两者有一个碱基的差 异(AAC-- ̄AGC)和一个氨基酸的差异(Asn—Ser). 从而证实了Polima不育系和陕2A不育系为线粒体 上同一座位的不同等位基因的差异. 关于orf224引起CMS的可能原因主要有两种 假说.一种认为orf224与其下游基因&tp6的共转 录减少了atp6转录进而减少ATP6蛋白量,从而 损伤了线粒体的正常生理功能,引起花粉败育.另 一种假说认为orf224可能产生出一个毒性蛋白, 引起不育.为了确定o ̄/224是否编码蛋白及该蛋白 质的性质,赵荣敏等[。 ]将o ̄/224克隆后在大肠杆 菌中表达.结果表明,PBV220系统表达的特异蛋 白虽然用SDS—PAGE检测不到,但重组菌株在诱导 条件下的生长受到了明显的抑制,从而为深入研究 or/224与CMS的关系提供了可能. 萝卜的Ogura不育胞质除可引起萝卜不育外, 还可引起甘蓝型油菜的不育,但两者的不育表型显 著不同[38 J.Ogura胞质的mtDNA相对于正常萝卜 胞质的mtDNA而言发生了过高度重排,并含有不 存在于正常胞质的DNA序列.通过甘蓝型油菜原 生质融合再生植株的重组mtDNA分析,找到了一 个与Ogura不育性连锁的DNA区域,该区域含有 一个0r厂138和一个0r ,这两个基因共转录产生 嵌合的mRNA.0r厂138及其转录本仅存在于萝卜和 油菜Ogura胞质线粒体中,这表明0r厂138在Ogura CMS中可能起着重要的作用.然而与别的CMS系 不同,Ogura CMS的恢复基因不改变orf138的转 录本丰度和大小_3 .利用制备的抗血清在Ogura萝 卜的线粒体膜上检测到了20 ku特异蛋白.恢复基 因可特异性地降低该蛋白在Ogura萝卜花及叶中的 含量,但对根中的蛋白含量没有影响,而ORF138 蛋白在根中含量最高,在花蕾中含量最少[40]. 在水稻CMS中也发现,CMS—B0型水稻的atp6 下游区域的一个嵌合序列“r 川 可能抑制。tp6基 因的正常表达.这种嵌合基因可能是导致水稻CMS 的重要原因.“r rf的5 端上游+426位至+511 位的序列和正常的atp6基因完全相同,下游序列 和任何已知序列无同源性,恢复基因可改变“r mrc的转录但对atp6的转录无影响[41].Akaki 等_4 通过对CMS—B0型水稻和其他水稻体细胞杂种 后代的研究发现,杂种后代不育株mtDNA上有一 个额外atp6拷贝,该atp6编码区序列和正常atp6 序列完全同源,但终止子后49 bp处出现重排,206 bp处出现一个和Coa:1I基因部分序列有同源性的 off79.不育株除产生一个正常的atp6转录本外, 还产生atp6下游的正义RNAs和反义RNAs.当 RU不存在时,不育株产生高丰度的atp6反义 RNAs;R厂存在时,反义RNAs丰度很低,正常胞 质只产生atp6的正义RNAs.这些结果说明,&tp6 基因不正常的反义RNAs可能与CMS有关. 除了以上发现的CMS线粒体基因座位之外, 在向日葵中找到一个与CMS有关的基因 维普资讯 http://www.cqvip.com lr1.a: ̄ea.At第1 2卷第1 0期2002年1 0月 orfH522 E 3 ;在菜豆中发现了一个24 kb mtDNA限 制性片段与CMS紧密连锁_4 ;在玉米CMS—C的线 粒体中发现atp9,atp6,Co II的重排可能与不育 S—pcf基因的转录产物在CMS系和育性恢复的植株 中不存在差别,可见核恢复基因是在蛋白质水平上 发挥作用而影响S—pcf表达的[521. Walbot[531发现,在一个小麦的CMS系中, atp9基因的RNA编辑存在异常现象.与保持系相 比不仅编辑不完全,而且出现新的编辑形式,即 G—u,A—G,u—A,在第37位密码子处,一个 c—u的编辑产生一终止密码,截断了阅读框架.当 性有关[ ;在小麦的mtDNA中发现了与CMS有 关的orf256基因及off25基因_4 ;以及高粱的 Cox I基因[47],Senda等[48]认为甜菜的Coz II位点 也与CMS有关. 2核基因组对CMS的影响 上面主要从cpDNA,pdDNA和mtDNA 3个方 面论述了细胞质遗传物质与CMS的关系.但 cpDNA和mtDNA及pdDNA作为一个半自主的遗 传系统,其组织结构的维持和生理功能的发挥均受 到核基因的调控,并且3个遗传系统(核遗传系统、 线粒体遗传系统和叶绿体遗传系统)之间相互渗透, 它们之间存在着广泛的信息交换.例如mtDNA中 含有经重排的cpDNA序列;核基因组中发现了线 粒体类质粒DNA的同源序列.所以核基因组对 CMS的表达有着重要的影响. 核基因对CMS的最明显影响表现为当CMS植 株被授以恢复系的花粉,即引入核恢复基因后, CMS相关基因的结构和表达受到调控作用,这可矫 正CMS的异常,从而导致了花粉育性的恢复,表 现为雄性可育.例如玉米CMS—T的恢复基因是显 性基因Rfl和Rf2,分别位于玉米的第3和第9染 色体上,这两个显性基因同时作用才能产生正常花 粉;CMS-S的恢复基因是位于第2染色体的显性基 因Rf3;CMS—C型的恢复基因为Rf4,Rf5和 Rf6,Rf4对育性恢复起决定作用,而Rf5和Rf6 是重叠基因,与Rf4有互补作用,只要有Rf4和 另外两个(Rf5和Rf6)中的任何一个互补就能起到 恢复作用[49j. 大多数植物的恢复基因不影响mtDNA的一级 结构,它对育性的调控作用发生在转录或转录后水 平上,而菜豆核恢复基因Fr则直接影响CMS系线 粒体基因组的结构,通过选择性地消除与CMS相 关的序列而使育性恢复.另外研究发现,菜豆CMS 系常发生自发回复育性的情况,这种育性回复也伴 随着与引入核恢复基因后同样的mtDNA结构的变 化,即CMS相关序列的缺失_5 . 对玉米CMS—T的 “r厂13而言,核恢复基因 通过改变T-“r厂13转录后的加工过程而影响其表达 活性,使13 ku蛋白降低80%_5 .矮牵牛CMS的 显性核恢复基因存在时,正常的编辑被恢复.这说 明RNA编辑在小麦CMS的形成中起了重要作用. Hernould等-5 J将来自小麦的未经编辑的atp9基因 与一个酵母线粒体的信号肽序列及CaMV35S启动 子构建成嵌合基因转化烟草,得到了全不育、半不 育和可育植株;而将该嵌合基因中未经编辑的atp9 换为atp9的cDNA(已完成编辑)再进行转化,转基 因植株全部可育.这一实验进一步证实了RNA编 辑与CMS的关系.嵌合基因在烟草的核基因组中 进行转录和翻译,而核中不具备线粒体中的编辑机 制,因此,带有未经编辑的atp9的表达产物是异 常的,该异常产物进入线粒体与正常的atp9产物 竞争,形成有功能和无功能的ATP合成酶的混合 物,从而影响线粒体的功能,故有全不育、半不育 和可育3种类型. 陈建南等l55 J发现,高粱3197A花药中,一个 由核基因编码并运输到线粒体中去的转录本 HSC70mRNA的缺乏,将导致线粒体中蛋白质减 少,并导致雄性不育;Hsc70mRNA在保持系中为 组成型,在不育系中却成为诱导型. 另外,核基因编码的植物肌动蛋白也与CMS 有一定的关系.CMS系植株的花粉比其保持系花粉 中的肌动蛋白含量低得多.通过构建肌动蛋白反义 基因的植物表达载体,并转移到小麦和番茄原生质 体中,以抑制花粉中肌动蛋白基因的表达,获得了 雄性不育植株[56 J. 从以上的实验中我们可以看出恢复基因可影响 CMS座位的表达.在转录水平上,可改变转录起始 位点,改变转录本的丰度,或改变RNA编辑加工 程度;在翻译水平上,可改变翻译产物的含量,或 对翻译产物进行加工(包括组成型或组织发育特异 型),从而影响CMS座位的表达. 3 展望 植物正常花粉的发育需要经历一系列的过程, 维普资讯 http://www.cqvip.com 自.驻科荸建展第1 2卷第1 0期2002年1 0月 1013 其中任何关键环节发生功能障碍都可导致不育.因 此引起植物雄性不育的原因是错综复杂的,3个相 对独立而又相互渗透的遗传系统对CMS可能都有 自己的贡献,3个遗传系统的研究为解释CMS提供 了分子水平的证据,并取得相当大的进展,但还有 许多问题有待于解决,例如细胞质不育基因产物如 何与核基因产物相互作用导致CMS、恢复基因及其 产物又是怎样恢复育性的等等,目前都知之甚少. 加之CMS本身类型多样,其发生机制也肯定复杂 多样,这就要求研究者们在今后的工作中采取新的 方法和新的手段,为揭示植物CMS之谜提供更有 力的证据. 参考文献 1凌杏元,等.植物细胞质雄性不育分子机理研究进展.植物学 通报,2000,17(4):319 2刘一农,等.叶绿体DNA与细胞质雄性不育性遗传学报, 1983,10(2):114 3 Franke R,et a1.Chloroplast DNA variation of isonuclear male sterile lines of Nicotiand.Mol Gen Genet,1979,169:129 4 Li T.et a1.Chloroplsat DNA and cytoplasmic male sterility.Theor Appl Genet,1983,64:231 5 Chen Z.et a1.A chloroplast DNA deletion located in RNA poly merase gene rpoC2 in CMS lines of sorghum Mol Gen Genet, 1993,236:251 6高 洁,等.油菜细胞质雄性不育系叶绿体DNA特异片段的 分子克隆.遗传学报,1987,14(5):337 7孙威.等.油菜cpDNA基因组雄性不育特异DNA片段的定 位遗传学报,1992,19(1):55 8 Powling A,et al Restriction endonuclease analysis of cpDNA from sugarbeet with normal and male sterile cytoplasm.Heredity,1982, 49:117 9 Pring D R,et al Unique DNA associated with mitcohondria in the …S type cytoplasm of male sterile maize.Prco Natl Acad Sci USA, 1977.74(7):2904 10 Schardl C I ,et a1.Mitochondrial DNA rearrangements associated with fertile revertgrits of S type male sterile maize Cell,1985, 43:361 1 1 Yamaguchi H,et a1.Electrophoretic analysis of mitcohondrial DNA from normal and male sterile cytoplasms in rice.Jpn J Genet,1983, 58:607 12 Nawa S.et a1.Cloning of plasmids in cytoplsamic male sterile rice and changes of organization of mitcohondrial and nuclaer DNA in cy— toplasmic reversion.Jpn J Genet,1987,42:301 13梅启明.等.红莲型和野败型水稻细胞质雄性不育系线粒体 DNA的比较研究.武汉植物研究,1990,8(1):25 14涂君,等.水稻线粒体基因组与细胞质雄性不育研究进展. 遗传,19(5):45 15 Mignouna H,et al Mitochondrial DNA modifications asosciated with cytoplasmic male sterility in rice.Thmr Appl Genet,1987, 74:666 16 Saleh N M.et al Small mitochondrial DNA molecules of wild abortive cytoplasm in rice not necessarily associated with CMS The— or Appl Genet,1989,7:617 17 Palmer J D。et a1.An unusual mitochondrial DNA plsamid in the genus Brassica Nature,1983,301:725 18 Handa H.et a1.Mitochondrial genome of rapeseed(Brassica na— pus I )I.Intrsapecies variation of mitcohondrila DNA.Jpn J Genet,1990,65:7 19 Kemble R J,et al The Brassica mitochondrial DNA plsaimd large RNAs are not exclusively associated with cytoplasmic male sterility. 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