核质互作雄性不育

核质互作雄性不育（cytoplasmic-nuclear male sterility，亦作质核互作雄性不育、细胞质—细胞核雄性不育）是植物雄性不育的一种类型，由细胞质遗传因子与细胞核遗传因子相互作用而产生。其典型表现为植株不能形成正常花粉、花药或雄配子，因而不能以雄性亲本完成正常受精，但雌蕊发育和结实能力通常保持正常。核质互作雄性不育在英文文献中常归入细胞质雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）范围，但该概念更强调细胞质不育因子与核基因之间的不协调互作，以及核恢复基因对不育性的抑制或补偿作用。

核质互作雄性不育是作物杂种优势利用的重要遗传基础。由于不育植株不能自花授粉，又能接受外来花粉形成种子，育种中可利用不育系、保持系和恢复系建立三系制种体系，减少人工去雄，提高杂交种生产效率。水稻、玉米、高粱、珍珠粟、油菜、向日葵、甜菜、洋葱、辣椒等作物均发现或利用了核质互作雄性不育系统。

## 概念与遗传特征

核质互作雄性不育不同于单纯的细胞核雄性不育。细胞核雄性不育主要由核基因突变控制，通常遵循孟德尔遗传规律；核质互作雄性不育则由细胞质中的不育因子和细胞核中的保持或恢复基因共同决定，表现为细胞质遗传与核基因调控的结合。多数已解析的核质互作雄性不育系统中，不育因子位于线粒体基因组，核基因组中的育性恢复基因（fertility restorer gene，缩写为Rf）可抑制不育相关线粒体基因的表达或作用，使植株重新产生可育花粉。

在遗传符号上，不育细胞质常记作S，正常可育细胞质常记作N。S细胞质处于缺乏恢复基因的核背景中时，植株通常表现为雄性不育；S细胞质与有效恢复基因结合时，雄性育性可恢复；N细胞质在一般核背景下通常表现为雄性可育。因此，核质互作雄性不育并不是单一细胞质因子的简单表达，而是线粒体基因组、核基因组和花药发育过程共同作用的结果。

核质互作雄性不育具有母系遗传特征。高等植物的线粒体多经卵细胞传递，带有不育细胞质的母本与正常父本杂交后，后代通常仍继承母本的不育细胞质。细胞核基因则通过父母双方共同传递，因而核基因型会影响不育性是否表现、表现程度以及能否恢复。保持系的核基因型不能恢复不育性，恢复系则含有能恢复杂交后代花粉育性的Rf基因。

## 与细胞质雄性不育的关系

中文文献中，“细胞质雄性不育”和“核质互作雄性不育”有时交替使用。严格来说，细胞质雄性不育强调不育性随细胞质遗传，核质互作雄性不育则强调细胞质不育因子与核基因之间的互作关系。作物育种中常用的CMS/Rf系统通常属于核质互作型：不育细胞质提供不育因子，核恢复基因决定不育能否被恢复。

核质互作雄性不育也不同于光温敏核雄性不育。后者的不育性主要由核基因控制，并随光照、温度等环境条件改变而转换，可用于两系杂交制种；核质互作雄性不育依赖不育细胞质、保持系和恢复系配套，通常用于三系制种。

## 分子机制

核质互作雄性不育的细胞质因子多数来源于线粒体基因组。植物线粒体基因组含有大量重复序列，容易发生重组、重排、序列插入和嵌合开放阅读框形成。许多不育细胞质中出现新的线粒体开放阅读框，这些序列常与ATP合酶、细胞色素氧化酶或其他线粒体功能基因相邻、融合或共转录，产生异常蛋白或异常转录本，进而破坏花药和花粉发育。

花药发育对能量供应、线粒体功能和细胞程序性死亡十分敏感。绒毡层细胞为小孢子发育提供营养和花粉壁物质，其过早退化、延迟退化或异常死亡均可能造成花粉败育。向日葵PET1型不育细胞质可引起绒毡层细胞提前发生程序性死亡，并伴随细胞色素c释放；水稻野败型不育细胞质中的WA352蛋白可造成不利的线粒体—核互作，引起花药细胞异常死亡并导致花粉败育。

核基因组中的育性恢复基因多编码线粒体靶向蛋白。许多已克隆Rf基因属于PPR蛋白家族，其产物可结合特定线粒体RNA，影响转录本的加工、剪接、编辑、切割、稳定性或翻译，降低不育相关线粒体基因的表达。矮牵牛Rf基因是较早克隆的PPR型恢复基因；水稻Rf4、Rf5、Rf6和油菜Ogura系统中的Rfo等恢复基因也体现了PPR蛋白在核质互作雄性不育恢复中的重要作用。

少数育性恢复基因并非典型PPR基因。玉米T型细胞质雄性不育的rf2恢复基因编码线粒体乙醛脱氢酶，说明恢复过程除RNA加工外，还可涉及线粒体代谢、解毒反应和花药发育调控。

## 三系制种体系

核质互作雄性不育在育种上的典型应用是三系制种。三系包括不育系、保持系和恢复系。不育系又称A系，含不育细胞质和不能恢复育性的核基因型，不能产生正常花粉；保持系又称B系，核基因型与不育系相同或相近，但含正常可育细胞质，能给不育系授粉并繁殖不育系；恢复系又称R系，含有恢复基因，能与不育系杂交产生可育且具有杂种优势的杂交一代。

三系制种通常包括不育细胞质源鉴定、不育系转育和评价、保持系筛选、恢复系选育、亲本配合力测定和制种田管理等环节。商业制种还需要隔离距离、去杂去劣、父母本花期相遇、父母本行比、授粉条件和种子纯度检测等配套措施。不育性若受环境影响而不稳定，或恢复基因表达不足，均会提高制种成本并降低杂交种纯度。

## 袁隆平与杂交水稻

袁隆平对核质互作雄性不育在水稻育种中的应用作出重要贡献。1964年，袁隆平开始在水稻中寻找天然雄性不育材料；1966年，他在《科学通报》发表《水稻的雄性不孕性》，提出利用水稻雄性不育解决大规模杂交制种问题。该论文把水稻杂种优势利用与雄性不育材料选育联系起来，为后来三系杂交水稻研究奠定了理论基础。

1970年，在袁隆平指导下，李必湖、冯克珊等人在海南发现花粉败育的普通野生稻材料，后称“野败”材料。野败型细胞质雄性不育成为中国三系杂交稻早期发展的关键不育细胞质来源。1972年，相关研究育成不育系和保持系；1973年，恢复系的发现使不育系、保持系和恢复系配套完成，三系杂交水稻由此进入实用化阶段。1976年以后，杂交水稻在中国大面积推广，三系法成为水稻核质互作雄性不育商业化应用的代表。

袁隆平的贡献不只在于发现或利用雄性不育材料，也在于把雄性不育、保持关系、恢复关系和杂种优势利用结合为可操作的制种体系。他后来提出杂交水稻由三系法向两系法、再向一系法发展的技术路线，使水稻雄性不育研究从核质互作雄性不育扩展到光温敏核雄性不育等方向。

## 主要作物系统

### 水稻

水稻核质互作雄性不育是三系杂交稻的遗传基础。三系杂交稻利用不育系与恢复系杂交生产杂交一代，恢复系中的核恢复基因使杂交一代花粉育性恢复。中国杂交水稻生产中常见的细胞质雄性不育类型包括野败型、红莲型和包台型。

野败型水稻细胞质雄性不育是三系杂交稻中应用广泛的类型。不育相关线粒体基因WA352编码的蛋白可造成不利的线粒体—核互作，引起花药细胞异常死亡；Rf4编码线粒体定位PPR蛋白，可降低WA352转录本积累并恢复育性。

红莲型不育系统中，RF5可与GRP162形成复合体并影响线粒体不育相关转录本，RF6等因子也参与育性恢复。包台型不育系统中，线粒体不育因子及其恢复基因的互作体现了RNA沉默和PPR蛋白调控在线粒体育性恢复中的作用。

### 玉米

玉米核质互作雄性不育主要包括T型、C型和S型细胞质。T型细胞质曾在美国杂交玉米制种中大规模利用，但带T型细胞质的玉米对玉米小斑病菌T小种毒素敏感。1970年美国南方玉米叶斑病大流行后，单一不育细胞质造成的遗传脆弱性受到广泛重视，T型细胞质在商业制种中的使用大幅减少。

玉米不育性恢复涉及多个核恢复位点，其中T型细胞质的rf2基因编码线粒体乙醛脱氢酶，显示核恢复基因可通过线粒体代谢途径影响育性恢复。玉米T型细胞质的历史也显示，核质互作雄性不育的利用需要同时重视制种效率和遗传多样性。

### 油菜、向日葵与其他作物

油菜中Ogura细胞质雄性不育是重要的不育来源，最初来源于萝卜细胞质，后经远缘杂交、回交和细胞质替换等方法导入油菜育种体系。Ogura系统中的恢复基因Rfo编码PPR蛋白，可恢复不育细胞质引起的花粉败育。向日葵PET1型细胞质雄性不育、高粱A1型细胞质雄性不育、珍珠粟A1和A4等不育细胞质、洋葱S细胞质雄性不育等系统，也被用于杂交种生产和育性恢复研究。

## 应用价值与局限

核质互作雄性不育的主要应用价值在于降低杂交制种成本。对于自花授粉或雌雄同花作物，人工去雄费工费时，且容易因去雄不彻底产生自交种子。不育系作为母本不能产生正常花粉，只能接受父本或恢复系花粉，因而有利于保持杂交种纯度。

核质互作雄性不育的商业利用也存在局限。首先，不育性需要在不同环境下保持稳定；低温、高温、高湿或特定核遗传背景均可能影响不育性表达。其次，恢复基因资源不足会限制亲本组合配置；若恢复基因与不良农艺性状连锁，恢复系选育难度增加。再次，长期依赖单一不育细胞质可能造成遗传基础狭窄，增加对特定病原物或逆境的脆弱性。玉米T型细胞质与南方玉米叶斑病的关系，是作物遗传多样性风险的典型案例。

随着分子标记、线粒体基因组测序、基因克隆和基因编辑技术的发展，核质互作雄性不育研究已从传统遗传分析扩展到线粒体基因组结构、核恢复基因演化、RNA加工、花药发育和细胞死亡调控等方向。对CMS/Rf系统的解析不仅服务于杂交制种，也有助于理解植物细胞器—细胞核协同进化和植物生殖系统演化。