植物细胞质雄性不育育性恢复基因研究进展

在水稻中，水稻 CMS-BT 的恢复基因 Rf-1 位于 第 10 号染色体，该基因位点包括 2 个紧密连锁(相距 约 105 kb)开放阅读框，命名为 Rf1a 和 Rf1b，并精细 定位 (Wang et al., 2006b)；水稻 CMS-L 的恢复基因 Rf2 位于第 2 号染色体(Shinjyo and Sato, 1994)；水稻 CMS-WA 恢复主基因 Rf3、Rf4 分别位于第 1 号、第 10 号染色体，且 Rf3 的恢复效应大于 Rf4，存在加性 效应，另外 2 个恢复基因 Rf6、Rf7 分别被定位在第 7 号、第 12 号染色体上(Sattari et al., 2007; Bazrkar et al., 2008)；水稻 CMS-HL 的恢复基因 Rf5、Rf6(t)位于 第 10 号染色体(Liu et al., 2004)。Zhang 等(1997)推测 Rf4 与 Rf-1 可能等位，因此将这一位点命名为 Rf(u)。 小麦 CMS-T 恢复基因 Rf3 和 Rf4 分别被定位在第 1 号、第 6 号染色体上(张萃等, 2003)；小麦 CMS-K 的 恢复基因被定位在第 1 号染色体上(Liu et al., 2002)。 玉米 CMS-T 育性恢复基因的 2 对显性基因 Rf1 和 Rf2、Rf1 和 Rf2 分别位于第 3 号、第 9 号染色体上 (Wise and Schnable, 1994)；玉米的 S 型和 C 型的育 性分别由 Rf3 和 Rf4 恢复，其中 Rf3 位于第 2 号染色
Abstract Plant heterosis that leads to higher yields and fine quality has been wildly utilized, and cytoplasmic male sterility and fertility restorer (Rf) is essential to produce hybrid seeds. To develop elite fertility restorer lines is essential to selecting a hybrid combination with high heterosis. In recent years, the mechanism of fertility restoration has become a study hot spot. This paper reviewed the major development of molecular biological research on the Rf gene for cytoplasmic male sterility in plant. Based on analysis of the Rf gene heredity and the localization, it concluded the fertility restorer genes are the single gene or the minority dominant effect gene of main effect gene, and the interaction between genes showed diversification. Up to now, the Rf2, Rf, Rf-1 and Rfo have been cloned from maize, petunia, radish and rice respectively. Based on the basis of cloning and separating these Rf genes, the paper discussed the molecular structure and their potential mechanism of fertility restoration, and assumed that one of the possible molecular mechanism is the expression of CMS special ORF is suppressed by Rf gene, the other is the function flaw of mitochondrial of Rf gene compensation. Some viewpoints were brought forward on the prospect of the utilization of Rf genes in the molecular breeding in plants. Keywords Plant, Cytoplasmic male sterility (CMS), Restoring gene, Molecular biologyl
2 恢复基因的克隆
恢复基因与 CMS 相关基因相互作用机理的最 终阐明，有赖于恢复基因的克隆与分离。目前在恢复 基因的克隆方面取得的主要成就有：第一，转座子标 签法克隆玉米 Rf2 基因(Cui et al., 1996)；第二，图位法 克隆矮牵牛 Rf 基因(Bentolila et al., 2002)和水稻 Rf-1 基因(Komori et al., 2004; Akagi et al., 2004)；第三，图 位法与比较基因组相结合克隆萝卜 Ogura-CMS 的 Rfo 基 因 (Brown et al., 2003; Desloire et al., 2003; Wang et al., 2006a)。但是这些恢复基因种只有少数的 功能被测定，他们的分子机理仍然不清楚(Hanson and Bentolila, 2004)。玉米 Rf2 是核编码线粒体定位 的乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenaes, ALDH)基因 (Liu et al., 2001)，其他恢复基因的编码蛋白都含有 PPR (pentatricopeptide repeat)基序(Small and Peeters, 2000)。大多数 PPR 基因被认为编码一种 RNA 结合 蛋白，以线粒体为作用目标，Bentolila 等(2002)将矮 牵牛 Rf 基因 5' 端含 44 个密码子的片段与绿色荧光 蛋白融合，并与一个已知线粒体靶向的绿色荧光蛋 白融合蛋白一起导入洋葱表皮细胞，发现两者均被 定位到线粒体，因此证实恢复基因确实存在靶向线

分子植物育种，2008 年，第 6 卷，第 4 期，第 733-738 页 Molecular Plant Breeding, 2008, Vol.6, No.4, 733-738
专题介绍 Review
植物细胞质雄性不育育性恢复基因研究进展
马勇 邢朝柱 * 吴建勇 郭立平
基金项目：本研究由国家支撑计划项目(2006BAD01A00)资助
分子植物育种 734 Molecular Plant Breeding

选育上提供重要依据。在此，我们综述了恢复基因的 遗传、定位、克隆、结构特征以及可能作用机理方面 的研究进展。
1 恢复基因的遗传与定位
2005; Horn et al., 2003; Pring et al., 2006; Wen et al., 2002; Wang et al., 2006b)。
上述植物细胞质雄性不育恢复基因的遗传与定 位的研究表明，细胞质雄性不育恢复基因一般为单 基因或少数显性效应主效基因控制，并且不同物种 的恢复基因类型较为丰富，主效恢复基因之间的作 用方式多样化。
体，已被精细定位(Kamps and Chase, 1997; Zhang et al., 2006)。油菜 CMS Polima 恢复基因的 2 对主效基 因 Rfp1 和 Rfp2 均位于第 18 号染色体上(Jean et al., 1997)；油菜 CMS Ogura 对应的恢复基因为 Rfo，它位 于第 15 号染色体上，已被精细定位(Delourme, 1998; Lei et al., 2007)，CMS Tour 型的育性恢复由 2 对连 锁基因 Rft1 和 Rft2 控制(Janeja et al., 2003)。棉花育 性恢复受 1 对显性基因控制，其中来自于 D2 的恢复 基因 Rf1 可恢复 CMS-D2 和 CMS-D8 2 种不育胞质 的 育 性 ，而 来 自 于 D8 的 恢 复 基 因 Rf2 仅 能 恢 复 CMS-D8 的育性。2 个恢复基因非等位，但在同一染 色体上，相距 0.93 cM，且都被精细定位 (Liu et al.,
Advances in the Fertility Restoration Gene for Cytoplasmic Male Sterility in Plants
Ma Yong Xing Chaozhu * Wu Jianyong Guo Liping
Cotton Research Institute of the Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory for Cotton Improvement, Affiliated to Ministry of Agriculture, Anyang, 455000 * Corresponding author, xingcz@
利用细胞质雄性不育系进行三系配套育种是作 物杂种优势利用的重要途径，而恢复系的选育是利 用 CMS 配制杂交种的前提之一。选育恢复系比常规 育种具有更多的困难，主要表现在恢复基因的有无
只能在测交后代中鉴定，加上分离世代不可能逐株 测交，造成农艺性状优良的品系常常不含有恢复基 因，且恢复力稳定较慢。因而，从分子水平上揭示恢 复基因的作用机理，将为生物技术应用到恢复系的
中国农业科学院棉花研究所, 农业部棉花遗传改良重点实验室, 安阳, 455000 * 通讯作者, xingcz@
摘 要 植物杂种优势在生产上已被广泛应用，对提高产量和改善品质有重要意义，而生产杂交种的重要途 径是细胞质不育及其恢复系统。在杂交品种选育过程中，优良恢复系选育至关重要。近年来植物细胞质雄性 不育性恢复的分子机理一直是分子生物学的研究热点。本文综述了目前恢复基因研究的主要进展，讨论了 恢复基因的遗传与定位。认为细胞质雄性不育恢复基因一般为单基因或少数显性效应主效基因，且恢复基 因间作用方式多样化。目前，玉米 Rf2 基因、矮牵牛 Rf 基因、水稻 Rf-1 基因、萝卜 Rfo 基因都已被克隆。在这 些恢复基因的克隆与分离基础上，本文讨论了恢复基因的结构特征及分子机理，认为恢复基因的可能分子机 理，一种是恢复基因抑制细胞质雄性不育(CMS)特异 ORF 的表达，另一种是恢复基因补偿线粒体功能的缺 陷。本文最后对恢复基因在植物分子育种上的应用前景提出了看法。 关键词 植物, 细胞质雄性不育, 恢复基因, 分子生物学