核質互作雄性不育

核質互作雄性不育（cytoplasmic-nuclear male sterility，亦作質核互作雄性不育、細胞質—細胞核雄性不育）是植物雄性不育的一種類型，由細胞質遺傳因子與細胞核遺傳因子相互作用而產生。其典型表現為植株不能形成正常花粉、花葯或雄配子，因而不能以雄性親本完成正常受精，但雌蕊發育和結實能力通常保持正常。核質互作雄性不育在英文文獻中常歸入細胞質雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）範圍，但該概念更強調細胞質不育因子與核基因之間的不協調互作，以及核恢復基因對不育性的抑制或補償作用。

核質互作雄性不育是作物雜種優勢利用的重要遺傳基礎。由於不育植株不能自花授粉，又能接受外來花粉形成種子，育種中可利用不育系、保持系和恢復系建立三系制種體系，減少人工去雄，提高雜交種生產效率。水稻、玉米、高粱、珍珠粟、油菜、向日葵、甜菜、洋蔥、辣椒等作物均發現或利用了核質互作雄性不育系統。

## 概念與遺傳特徵

核質互作雄性不育不同於單純的細胞核雄性不育。細胞核雄性不育主要由核基因突變控制，通常遵循孟德爾遺傳規律；核質互作雄性不育則由細胞質中的不育因子和細胞核中的保持或恢復基因共同決定，表現為細胞質遺傳與核基因調控的結合。多數已解析的核質互作雄性不育系統中，不育因子位於線粒體基因組，核基因組中的育性恢復基因（fertility restorer gene，縮寫為Rf）可抑制不育相關線粒體基因的表達或作用，使植株重新產生可育花粉。

在遺傳符號上，不育細胞質常記作S，正常可育細胞質常記作N。S細胞質處於缺乏恢復基因的核背景中時，植株通常表現為雄性不育；S細胞質與有效恢復基因結合時，雄性育性可恢復；N細胞質在一般核背景下通常表現為雄性可育。因此，核質互作雄性不育並不是單一細胞質因子的簡單表達，而是線粒體基因組、核基因組和花葯發育過程共同作用的結果。

核質互作雄性不育具有母系遺傳特徵。高等植物的線粒體多經卵細胞傳遞，帶有不育細胞質的母本與正常父本雜交後，後代通常仍繼承母本的不育細胞質。細胞核基因則通過父母雙方共同傳遞，因而核基因型會影響不育性是否表現、表現程度以及能否恢復。保持系的核基因型不能恢復不育性，恢復系則含有能恢復雜交後代花粉育性的Rf基因。

## 與細胞質雄性不育的關係

中文文獻中，「細胞質雄性不育」和「核質互作雄性不育」有時交替使用。嚴格來說，細胞質雄性不育強調不育性隨細胞質遺傳，核質互作雄性不育則強調細胞質不育因子與核基因之間的互作關係。作物育種中常用的CMS/Rf系統通常屬於核質互作型：不育細胞質提供不育因子，核恢復基因決定不育能否被恢復。

核質互作雄性不育也不同於光溫敏核雄性不育。後者的不育性主要由核基因控制，並隨光照、溫度等環境條件改變而轉換，可用於兩系雜交制種；核質互作雄性不育依賴不育細胞質、保持系和恢復系配套，通常用於三系制種。

## 分子機制

核質互作雄性不育的細胞質因子多數來源於線粒體基因組。植物線粒體基因組含有大量重複序列，容易發生重組、重排、序列插入和嵌合開放閱讀框形成。許多不育細胞質中出現新的線粒體開放閱讀框，這些序列常與ATP合酶、細胞色素氧化酶或其他線粒體功能基因相鄰、融合或共轉錄，產生異常蛋白或異常轉錄本，進而破壞花葯和花粉發育。

花葯發育對能量供應、線粒體功能和細胞程序性死亡十分敏感。絨氈層細胞為小孢子發育提供營養和花粉壁物質，其過早退化、延遲退化或異常死亡均可能造成花粉敗育。向日葵PET1型不育細胞質可引起絨氈層細胞提前發生程序性死亡，並伴隨細胞色素c釋放；水稻野敗型不育細胞質中的WA352蛋白可造成不利的線粒體—核互作，引起花葯細胞異常死亡並導致花粉敗育。

核基因組中的育性恢復基因多編碼線粒體靶向蛋白。許多已克隆Rf基因屬於PPR蛋白家族，其產物可結合特定線粒體RNA，影響轉錄本的加工、剪接、編輯、切割、穩定性或翻譯，降低不育相關線粒體基因的表達。矮牽牛Rf基因是較早克隆的PPR型恢復基因；水稻Rf4、Rf5、Rf6和油菜Ogura系統中的Rfo等恢復基因也體現了PPR蛋白在核質互作雄性不育恢復中的重要作用。

少數育性恢復基因並非典型PPR基因。玉米T型細胞質雄性不育的rf2恢復基因編碼線粒體乙醛脫氫酶，說明恢復過程除RNA加工外，還可涉及線粒體代謝、解毒反應和花葯發育調控。

## 三系制種體系

核質互作雄性不育在育種上的典型應用是三系制種。三系包括不育系、保持系和恢復系。不育系又稱A系，含不育細胞質和不能恢復育性的核基因型，不能產生正常花粉；保持系又稱B系，核基因型與不育系相同或相近，但含正常可育細胞質，能給不育系授粉並繁殖不育系；恢復系又稱R系，含有恢復基因，能與不育系雜交產生可育且具有雜種優勢的雜交一代。

三系制種通常包括不育細胞質源鑑定、不育系轉育和評價、保持系篩選、恢復系選育、親本配合力測定和制種田管理等環節。商業制種還需要隔離距離、去雜去劣、父母本花期相遇、父母本行比、授粉條件和種子純度檢測等配套措施。不育性若受環境影響而不穩定，或恢復基因表達不足，均會提高制種成本並降低雜交種純度。

## 袁隆平與雜交水稻

袁隆平對核質互作雄性不育在水稻育種中的應用作出重要貢獻。1964年，袁隆平開始在水稻中尋找天然雄性不育材料；1966年，他在《科學通報》發表《水稻的雄性不孕性》，提出利用水稻雄性不育解決大規模雜交制種問題。該論文把水稻雜種優勢利用與雄性不育材料選育聯繫起來，為後來三系雜交水稻研究奠定了理論基礎。

1970年，在袁隆平指導下，李必湖、馮克珊等人在海南發現花粉敗育的普通野生稻材料，後稱「野敗」材料。野敗型細胞質雄性不育成為中國三系雜交稻早期發展的關鍵不育細胞質來源。1972年，相關研究育成不育系和保持系；1973年，恢復系的發現使不育系、保持系和恢復系配套完成，三系雜交水稻由此進入實用化階段。1976年以後，雜交水稻在中國大面積推廣，三系法成為水稻核質互作雄性不育商業化應用的代表。

袁隆平的貢獻不只在於發現或利用雄性不育材料，也在於把雄性不育、保持關係、恢復關係和雜種優勢利用結合為可操作的制種體系。他後來提出雜交水稻由三系法向兩系法、再向一系法發展的技術路線，使水稻雄性不育研究從核質互作雄性不育擴展到光溫敏核雄性不育等方向。

## 主要作物系統

### 水稻

水稻核質互作雄性不育是三系雜交稻的遺傳基礎。三系雜交稻利用不育系與恢復系雜交生產雜交一代，恢復系中的核恢復基因使雜交一代花粉育性恢復。中國雜交水稻生產中常見的細胞質雄性不育類型包括野敗型、紅蓮型和包台型。

野敗型水稻細胞質雄性不育是三系雜交稻中應用廣泛的類型。不育相關線粒體基因WA352編碼的蛋白可造成不利的線粒體—核互作，引起花葯細胞異常死亡；Rf4編碼線粒體定位PPR蛋白，可降低WA352轉錄本積累並恢復育性。

紅蓮型不育系統中，RF5可與GRP162形成複合體並影響線粒體不育相關轉錄本，RF6等因子也參與育性恢復。包台型不育系統中，線粒體不育因子及其恢復基因的互作體現了RNA沉默和PPR蛋白調控在線粒體育性恢復中的作用。

### 玉米

玉米核質互作雄性不育主要包括T型、C型和S型細胞質。T型細胞質曾在美國雜交玉米制種中大規模利用，但帶T型細胞質的玉米對玉米小斑病菌T小種毒素敏感。1970年美國南方玉米葉斑病大流行後，單一不育細胞質造成的遺傳脆弱性受到廣泛重視，T型細胞質在商業制種中的使用大幅減少。

玉米不育性恢復涉及多個核恢復位點，其中T型細胞質的rf2基因編碼線粒體乙醛脫氫酶，顯示核恢復基因可通過線粒體代謝途徑影響育性恢復。玉米T型細胞質的歷史也顯示，核質互作雄性不育的利用需要同時重視制種效率和遺傳多樣性。

### 油菜、向日葵與其他作物

油菜中Ogura細胞質雄性不育是重要的不育來源，最初來源於蘿蔔細胞質，後經遠緣雜交、回交和細胞質替換等方法導入油菜育種體系。Ogura系統中的恢復基因Rfo編碼PPR蛋白，可恢復不育細胞質引起的花粉敗育。向日葵PET1型細胞質雄性不育、高粱A1型細胞質雄性不育、珍珠粟A1和A4等不育細胞質、洋蔥S細胞質雄性不育等系統，也被用於雜交種生產和育性恢復研究。

## 應用價值與局限

核質互作雄性不育的主要應用價值在於降低雜交制種成本。對於自花授粉或雌雄同花作物，人工去雄費工費時，且容易因去雄不徹底產生自交種子。不育系作為母本不能產生正常花粉，只能接受父本或恢復系花粉，因而有利於保持雜交種純度。

核質互作雄性不育的商業利用也存在局限。首先，不育性需要在不同環境下保持穩定；低溫、高溫、高濕或特定核遺傳背景均可能影響不育性表達。其次，恢復基因資源不足會限制親本組合配置；若恢復基因與不良農藝性狀連鎖，恢復系選育難度增加。再次，長期依賴單一不育細胞質可能造成遺傳基礎狹窄，增加對特定病原物或逆境的脆弱性。玉米T型細胞質與南方玉米葉斑病的關係，是作物遺傳多樣性風險的典型案例。

隨著分子標記、線粒體基因組測序、基因克隆和基因編輯技術的發展，核質互作雄性不育研究已從傳統遺傳分析擴展到線粒體基因組結構、核恢復基因演化、RNA加工、花葯發育和細胞死亡調控等方向。對CMS/Rf系統的解析不僅服務於雜交制種，也有助於理解植物細胞器—細胞核協同進化和植物生殖系統演化。