辣椒雄性不育的分子研究进展

摘    要：辣椒（Capsicum annuum L.）是世界上重要的蔬菜作物之一，杂种优势明显。利用雄性不育系制种可有效解决人工去雄的难题，简化制种工序，降低生产成本。而辣椒雄性不育是一个快速发展的研究领域。综述了近几年在辣椒雄性不育的类型与特点、细胞学特征、细胞核雄性不育的分子机制，以及细胞质雄性不育的机制解析等方面所取得的重要进展，并对辣椒雄性不育中存在的问题以及未来发展方向进行了讨论和展望，旨在为辣椒三系配套制种提供理论参考。

关键词：辣椒；细胞核雄性不育；细胞质雄性不育；细胞学特征

中图分类号：S641.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）02-001-07

Molecular research progress of male infertility in Capsicum annuum L.

ZHANG Yiwen1， 2， XU Lanting1， 2， WANG Fei2， 3， LIU Yiqing1， 2， YAO Minghua1， 2， 3， XU Kai2

（1. Spice Crops Research Institute， Yangtze University/College of Horticulture and Gardening， Yangtze University， Jingzhou 434025， Hubei， China; 2. Hubei Province Key Laboratory of Vegetable Germplasm Innovation and Genetic Improvement/Institute of Economic Crops， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， Hubei， China; 3. Hubei Hongshan Laboratory， Wuhan 430070， Hubei， China）

Abstract： Pepper （Capsicum annuum L.） is one of the important vegetable crops in the world， with obvious heterosis. Using the male sterile line to produce hybrids can effectively replace manual emasculation， thereby simplifying the seed production process and reducing production costs. The research on male infertility in pepper is a rapidly developing field. We reviewed the important progress in the types， characteristics and cytological features of male infertility， the molecular mechanism of genic male sterile and cytoplasm male sterility in pepper. Further， the problems and development directions of male infertility in pepper were discussed and prospected， aiming to provide a theoretical reference for the three-line system of hybrid seed production for pepper.

Key words： Capsicum annuum L.; Genic male sterile; Cytoplasm male sterility; Cytological features

辣椒为茄科辣椒属园艺植物，是全球规模最大的香料作物和调味品，也是我国栽培面积最大的蔬菜之一，常年栽培面积达3200万hm2，年产值逾2500亿元，栽培面积和总产量居世界首位，且有继续增加的趋势[1]。杂交品种被广泛应用于辣椒生产，可显著提高辣椒的产量、抗性和品质。然而，目前辣椒杂交种的生产仍以人工去雄为主，授粉过程技术性强且劳动密集，成本巨大，种子纯度难以保证。因此，利用雄性不育系可有效解决人工去雄的难题，简化制种工序，降低生产成本，进而应用于辣椒杂交种的商业化高效生产[2]。

1 辣椒雄性不育的类型与特点

辣椒雄性不育主要包括两种类型，细胞质雄性不育（cytoplasm male sterility，CMS）和细胞核雄性不育（genic male sterile，GMS）[3-4]。GMS只由细胞核基因控制，不受细胞质影响，且育性遗传符合孟德尔遗传定律；而CMS是一种母系遗传性状，雄性不育由细胞核和线粒体基因共同决定[5]。CMS通常是由线粒体基因组开放阅读框的重排引起的，来自核基因组的育性恢复基因Rf可抑制不育表型，促使育性恢复[6]。

CMS和GMS均已应用于辣椒的杂交种生产，带来了巨大的经济和社会效益[7]。其中，GMS的选育和转育较为简单，育性稳定、恢复源广，制种过程中母本通常需要拔除50%的可育株，但第三代杂交水稻育种技术[8]的推出为GMS的应用提供了新的思路。CMS/Rf系统可提供100%的雄性不育株用于杂交制种，在生产上具备独特优势，是植物杂种优势利用的重要途径之一[9]。但CMS/Rf系统的恢复源较少，在大多数大果型甜椒和少量微辣甜椒中较难选配到合适的恢复系，需通过转育恢复基因的方式来人工创制恢复系[10]。

2 辣椒雄性不育的细胞学特征

育性与植物复杂的花药和花粉发育过程紧密相关，该过程的终止或异常都可能引起雄蕊发育不良，最终导致雄性不育。一般而言，不育系、恢复系和保持系三者花药的形态存在明显差异。辣椒不育系的花药瘦小、干瘪、无花粉或花粉粒极少，花粉粒碘化反应不着色或着色极淡，恢复系和保持系的花药大而饱满，成熟花粉中充满淀粉粒。不同作物发生败育的时期和形态学变化都有较大的差异，但雄性不育通常是由花药组织特别是绒毡层细胞的提前降解或过早细胞程序性死亡所导致的[11]。花粉在发育过程中从小孢子母细胞到四分体，经历单核期、双核期和三核期的整个过程都可能导致花粉发育异常[6]。其中，辣椒CMS不育系HZ1A的雄性不育开始于小孢子发育的四分体阶段，不育系中仅能观察到极少数异常和不规则的小孢子[12]。CMS不育系A-line的绒毡层细胞表现出空泡化和过早死亡，紧紧包围并挤压小孢子，从而抑制胼胝体降解和小孢子释放，最终导致小孢子在单核晚期破裂和死亡[13]。辣椒GMS不育系16C1369A花粉败育的关键阶段发生在四分体时期，也是由于绒毡层过度空泡化并发生过早死亡，抑制胼胝体降解和小孢子在四分体时期的正常释放[14]。通过石蜡切片观察GMS不育系18Q5431A，发现绒毡层细胞过度空泡化并挤压小孢子，抑制胼胝体降解和小孢子释放，最终导致绒毡层细胞塌陷[15]。核不育突变体msc-3的花粉败育发生在小孢子发育的早期阶段，主要发生在第3～6期，由于绒毡层的发育异常，致使四分体的形成延迟和胼胝质壁残留，最终导致小孢子败育[4]。由此可见，辣椒雄性不育的发生通常与绒毡层和胼胝体的异常发育紧密相关，但小孢子败育的时期不尽相同。

3 辣椒细胞核雄性不育的分子机制

辣椒细胞核雄性不育的研究相对深入，大多数辣椒GMS突变体的不育表型由单隐性基因控制，目前已对多个候选基因进行精细定位和功能验证。等位关系测验表明，ms1到ms4、ms6到ms8均为非等位基因，ms1、ms3和ms10彼此之间为非等位基因，ms12与ms1和ms2为非等位基因，ms3与msw为非等位基因，msc-2与msc-1为非等位基因，但很可能与ms1为等位基因[4，15-17]。对核不育基因进行精细定位与克隆，筛选与GMS表型共分离或基于不育基因序列差异的分子标记，可以在苗期对不育株进行鉴别以减少定植株数，降低生产成本和缩短育种年限[18]。

Jeong等[16]利用1118个单株的F2群体结合HRM标记，将ms1基因缩小至CM334基因组869.9 kb的物理区间内，包含11个开放阅读框，其中编码PHD型转录因子、可能参与花粉和绒毡层发育调节的CA05g06780基因被确定为ms1候选基因，并开发了1个共分离标记32187928-HRM。Cheng等[19]利用BSA测序结合1110个单株群体的标记进行共分离检测后，Capana02g002096（CaDYT1）被确定为msc-1基因的候选基因，且通过VIGS（virus induced gene silencing）技术降低该基因的表达量后出现了雄性不育的表型，该基因编码bHLH转录因子，可能参与了辣椒绒毡层的早期发育，外显子7 bp的缺失导致该转录过程提前终止和功能丧失。Guo等[20]通过RNA原位杂交试验，发现CaAMS（CaAMS1和CaAMS2-2）在四分体时期和单核期在绒毡层中高表达，CaAMS的下调会导致辣椒花丝缩短、雄蕊萎缩和花粉败育。因此推测CaAMS可能通过调节复杂的遗传网络在辣椒绒毡层和花粉发育中发挥着重要作用。

Cheng等[15]利用BSA结合图位克隆，将msc-2基因精细定位至Zunla-1基因组336 kb的候选区间内，其中Capana05g000766（CaMS1）基因在辣椒花药中特异表达，推测该基因T碱基的缺失导致转录提前终止，致使不育系18Q5431A出现不育表型，并通过VIGS验证了msc-2候选基因的功能。对等位基因检测的结果表明msc-1和msc-2为非等位基因，且通过双分子荧光互补证实了这2个基因在蛋白质水平上没有发生直接互作。Dong等[4]发现了1个新的隐性核不育突变体msc-3，并利用改进的MutMap方法和分子标记连锁分析对msc-3位点进行精细定位，将其锁定在Zunla-1基因组10号染色体139.91 kb的区间内，共包含10个注释基因。比较测序结果，发现不育系Capana10g000198基因的第三外显子存在163 bp的LTR转座子插入，并据此开发了Ind198功能标记，且该基因在保持系和不育系花蕾的第3～7阶段差异表达，因此Capana10g000198（CaMYB80）被确定为msc-3位点的候选基因。笔者通过10个组织的qRT-PCR分析，发现该基因只在花药中特异性表达。通过VIGS技术使Capana10g000198表达量下调后，出现明显的雄性不育表型，且沉默单株中无法观察到花粉粒。综上所述，目前已在辣椒中图位克隆和功能验证了3个细胞核雄性不育基因（msc-1、msc-2和msc-3）。3个基因均在辣椒花药中特异表达，通过编码转录因子（bHLH、MYB）或PHD-finger蛋白，参与了辣椒绒毡层发育和育性调控的整个过程，因外显子区的序列缺失或转座子插入，最终导致了突变体的雄性不育表型。

4 辣椒细胞质雄性不育的分子机制

4.1 辣椒细胞质雄性不育基因

细胞质雄性不育是高等植物杂种优势利用的主要途径之一，因其母系遗传的特点在杂交制种上具备独特优势。CMS不育基因通常编码具有细胞毒性的跨膜蛋白，导致线粒体功能改变从而出现雄性不育[21]。例如，WA352与COX11互作影响过氧化物代谢，引发水稻绒毡层细胞程序性死亡和花粉败育，从而使水稻呈现野败型CMS表型[11]（图1）。ORFH79可与复合物III结合，并通过与P61亚基的相互作用降低其活性，引起线粒体能量代谢障碍和氧化应激，导致水稻红莲型CMS的花粉败育[22]。辣椒不育表型的产生主要来源于自然突变。迄今为止，国内外研究人员围绕辣椒CMS突变体开展了大量研究[23]。1958年，Peterson[24]首次在引进材料PI 164835中发现了辣椒的CMS现象。在国内，杨世周等[25]率先从品种向阳椒中分离到雄性不育株，并选育出不育系8021A及保持系8021B，成功实现辣椒的三系配套制种。