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1、作物化学杂交剂及其应用研究进展李文，王国槐摘要摘要：本文综述了作物化学杂交剂的发展概况、作用机理及其利用优势，并展望了其应用前景。关键词关键词：化学杂交剂；发展概况；作用机理；优势利用杂种优势是生物界的普遍现象，杂种优势的利用途径主要有人工去雄、自交不亲和性、雄性不育性和化学杀雄等。化学杀雄利用杂种优势是作物杂种优势利用的重要途径，也是克服人工去雄困难的一种有效途径。它不通过人工去雄而选用化学杂交剂（Chemical Hybridizing Agent，简称 CHA）在作物生长发育的一定时期喷洒于母本上，直接杀死或抑制雄性器官，造成生理不育以达到杀雄目的。和细胞质、细胞核雄性不育等其他遗传性途
2、径相比，化学杀雄法具有简单易操作、亲本来源广泛、无胞质不良效应、配组自由、杀雄败育性稳定等优点。在一般情况下，只要杀雄技术措施实施到位，大面积制种可诱导 95%以上雄性不育株率。 根据国内外研究，下面简要介绍化学杂交剂的发展概况、作用机理以及应用状况。1 国内外化学杂交剂的发展概况 在 1950 年 Moore 和 Naylor 首次分别在玉米中用生长调节剂（Plant Growth Regulator,简称 PGR）马来酰肼（MH）成功地诱导出雄性不育1,2，随后 40 多年来，世界各国的科学工作者研制、筛选了大量的化学杂交剂，并在几乎所有的作物上进行了实验。1951 年 Laibach 和
3、 Kribben 报道 NAA 诱导番茄雄性不育,1952 年 Rehm 报道 2,4-D 和三碘苯甲酸诱导西瓜雄性不育3，1953 年Hoogland，1960 年 Chopra 等先后用 MH 处理小麦获得雄性不育株4，1971 年Rowell 和 Miller 最先报道了乙烯利对小麦的去雄作用4，但是这些已知的 PGR或因去雄率不高，对雌性可育性的影响，或者对植株的其他不良影响，而不具备用于商业制种的价值5。研究新型化学杂交剂的成为广大科技工作者和生物农化公司的新任务，1971 年我国江西农业大学首先筛选出水稻化学杀雄剂 1 号即甲基砷酸锌(稻脚青)，此后广东杂交水稻协作组筛选出第二个化
4、学杀雄剂甲基砷酸钠6,7，用它配制的杂种，产量优势显著8，但是这两种药剂一是含砷，用药操作不安全，有残留，毒性大，二是施药有效期短，易受气候影响，技术难掌握，三是对植株雌蕊有损伤，异交结实率低。美国 Du Pont 公司开发了 DPX37739,10，中国代号为KMS-1，曾经用于水稻、小麦、油菜的去雄试验，由于用药量大且药害严重而停止开发。Shell 公司开发的 WL84811，用于小麦雄性不育的研究，具有不育度高、效果稳定、喷药适宜期长等特点11，但是存在毒性问题9。SC20539,12由天津市农作物研究所和美国 Sogetal 公司长期合作鉴定筛选，为我国第一个小麦化学杂交剂，商品名“津
5、奥林”，已进行商业化经营，具有诱导不育率高，副作用小，制种产量高等优点13,14,15，是我国目前使用较多的杂交剂，但是价格较贵，制种成本较高。Hybrex9是 RohmHass 开发的品种，代号 RH0007，还称fenridazon-k，已商品化，但对某些小麦品种有引起种子干瘪的现象。Mon212509（通称 clofencet）和 Mon212009（商品名 Genesis）由 Monsanto 公司研发，其中 Genesis 正在欧美许多国家用于杂交小麦育种和大面积杂交小麦种子生产，特点是对作物安全，但用药量大16，且对某些品种基因型反应敏感，杀雄的同时也杀伤了雌蕊，降低了杂交种子质量
6、。中国农大于 20 世纪 90 年代初开始研究和仿制化学杂交剂，先后研制出 BAU-1,BAU-217，BAU-940318，其中 BAU-9403 已经申请国家专利，具有自主知识产权。既可以用于育种研究又可以用于杂交小麦制种，与国外同类产品相比具有结构相对简单、生产成本较低和单位面积用量较低、使用成本较低、诱导不育率高的优势。对 BAU-9403 毒理学研究表明，原药为低毒化合物；田间残留试验表明。在植物中无残留。并且 BAU9403 诱导不育后的异交结实率及制种产量与 Genesis 比较,BAU9403 诱导不育后的异交结实率及制种产量相对高于 GENESIS19。西北农林科技大学张改生
7、教授率领的小组研制的小麦新型化学杂交剂 SQ120, 研究表明 SQ-1 与小麦不同基因型品种之间无明显互作效应,化学杂交剂 SQ-1 诱导小麦雄性不育具有广谱性,在适宜的剂量下都能诱导产生接近于完全的雄性不育率，且对小麦植株安全,无其他不良影响,可用于大规模的育种计划中。 西北农林科技大学油菜研究中心筛选的化学杂交剂 EXP21,用于甘蓝型油菜效果较好，芥菜型油菜和白菜型油菜也可诱导雄性不育,但芥菜型油菜不育持续时段较短,白菜型油菜结实性不好，表明此类杀雄剂杀雄效果不稳定，不具广谱性。陕西勉县种子管理站筛选复配的化杀灵22,23,24（亦即定军 1 号25） ，在单核期用定军 1 号杀雄剂处
8、理甘蓝型油菜细胞质雄性不育系(CMS)可显著降低不育系的微粉花朵数,微粉量和育性指数,提高不育度,有效减少或消除微粉的产生,提高种子纯度 5% 10%;该杀雄剂用药幅度较宽,成本低廉,大面积易操作,在甘蓝型三系油菜 CMS制种领域,对提高种子纯度,降低制种风险具有较好的应用价值。杨交礼26用化杀灵和草甘膦用于甘蓝型油菜的杀雄研究表明该药对雄性组织识别性强,对其它结构少药害,体现出了很好的对象选择性及作用专一性,是具有很高利用价值和发展前途的杀雄药物。陕西杂交油菜研究中心发现一种新药 SX-127,28，用适量浓度于适宜时期喷施杀雄比较彻底。以及其他油菜化学杂交剂 EN29, ,ESP30，GS
9、-131,水稻化学杂交剂号32,33，CM26834，引 335，TO336等报道。由于商业利益和技术保密等目前很少有化学杂交剂的公开配方报道，王秋叶37等报道过小麦化学杂交剂的不同配方试验效果，其中筛选的 HS4 杀雄效果较好，可作为SC2053 补救措施，也可单独使用。目前化学杂交剂主要有磺酰脲类、哒嗪酮类和吡啶酮类衍生物及其复配物。2 化学杂交剂作用机理与遗传性雄性不育表现特征不同的是,化学药物诱导的雄性不育同时表现出多种形式:雄蕊畸形、小孢子发生异常、形成无活力的花粉、不能形成花粉。近几十年来，国内外学者对化学杀雄和植物雄性不育进行了广泛的研究，主要集中在化学杂交剂的筛选、化学杀雄育种
10、等方面，但对化学杂交剂诱导雄性不育机理研究比较少。目前已经有一些化学杂交剂可能作用机理的研究报道。2.1 基因特异表达机制官春云等38用杀雄剂 1 号处理不同时期的甘蓝型油菜试验时得出，杀雄剂的作用与毡绒层的形成有密切关系，而毡绒层与花粉粒的形成有密切关系，毡绒层所具有的功能与一个叫 RA 基因的 DNA 片段有关，杀雄剂 1 号诱导雄性不育主要作用于 RA 基因，控制毡绒层和花粉粒间的协调关系，它还可能作用于控制小孢子发育过程中的特异基因,而且这些基因是在单核期才开始表达，所以这时使用杀雄剂 1 号，从而加速花粉不育。沈银柱39等研究不同的化学杂交剂对小麦花药同工酶影响的动态变化表明，在减数
11、分裂期和单核早期是它们的有效作用时间（这正是田间施药的关键时期） ，它们的作用方式均通过干扰基因的正常表达，进而扰乱物质和能量代谢，最终导致雄性生理不育。2.2 内源激素紊乱机制范宝磊23 等用化杀灵处理油菜试验结果表明内源激素和乙烯释放量的显著变化导致了雄性不育的发生。刘志勇24等试验结果证明了不同浓度不同化学杂交剂杀雄后油菜体内内源乙烯释放量有明显区别,而且化学杀雄效果越好,乙烯释放量越高,故内源乙烯释放的增加,可能导致了雄性不育的发生。刘宏伟等40用 Genesis 和 Sc2053 诱导小麦雄性不育与幼穗中乙烯释放量的关系也显示 GENESIS 诱导小麦雄性不育的主要原因是小孢子发育的
12、单核期乙烯释放量迅速增加,导致小孢子败育。乙烯释放量的变化与雄性不育有重要关系，其利用乙烯合成抑制剂 AVG 处理，结果发现乙烯释放率大幅下降，不育性部分恢复，自交结实率提高，从而对雄性不育性进行调控。李德红等41发现，过高的乙烯释放速率是光敏核不育水稻农垦 58S 在长日照条件下花粉败育的关键因子之一。夏涛等42对玉米细胞质雄性不育性研究中发现，不育细胞质材料在整个小孢子发生和败育过程中，花粉组织中乙烯释放量的变化趋势与正常细胞质材料中的变化趋势相反。张爱民等43用 Sc2005 和 BAU2 诱导小麦雄性不育，研究了花药组织中内源激素的变化，结果表明生长素、细胞分裂素类激素、脱落酸、赤霉素
13、类含量发生变化，认为花粉败育是多种激素作用的结果。汤日圣等44研究 TO3诱导水稻雄性不育和内源激素的关系，表明水稻幼穗、花药等器官中的内源 ABA 含量显著增加，IAA 和 GAs 含量明显减少，IAA+GAs 与 ABA 比值明显变小，激素水平发生变化，阻碍了育性正常表达，认为激素间的正常平衡关系失调导致水稻雄性器官败育。2.3 花药营养匮乏机制官春云等45于 1990 年通过过氧化物酶和同工酶的活力测定，表明酶的活力下降，是败育原因之一，且其叶片中脯氨酸积累不运往花药导致营养缺乏，毡绒层是花药的哺育组织，通过细胞形态学观察得出其发育异常直接导致花粉败育，这三者可能是发生雄性不育的一系列连
14、续的反应。方正武46等用 Genesis 诱导小麦不育时，通过测定处理株和未处理株花药的总呼吸量、细胞色素途径呼吸活性、交替途径实际呼吸活性进行比较，认为是呼吸过程中电子传递途径运行的改变而造成处理株花药呼吸代谢紊乱，引起花药发育过程中能量合成不足和供应短缺，影响花粉正常发育，可能是 Genesis诱导小麦雄性不育的直接原因。黄雪清33等用化学杀雄剂号诱导水稻雄性不育过程中幼穗、颖花、花药中核酸和蛋白质代谢研究中，显示杀雄剂号处理时使核酸和蛋白质代谢相关的水解酶活性增强，导致分解代谢大于合成代谢，造成核酸和蛋白质含量等信息大分子匮乏，进而影响各种生理生化代谢，可能是水稻雄性不育的生化基础。伊藤
15、延男47报道在水稻植株花粉母细胞减数分裂阶段,经低温处理(12,4天)后,花药中氨基酸总量减少,其中脯氨酸含量减少最为明显,指出水稻生理性雄性不育,与花药中脯氨酸含量减少有关。广西师范学院生物系48测定了水稻不育系花药中脯氨酸含量均比正常植株少,表明遗传性不育的花药脯氨酸含量也少。陶龙兴34等用 CM268诱导水稻雄性不育时得出 CM268是降低花粉活力，阻碍花药中淀粉和蛋白质的积累，抑制植物营养体向花药运输脯氨酸及花药自身脯氨酸的合成，引起花药营养匮乏导致花粉败育。谢学民49等研究化学杀雄剂对水稻花药氨基酸含量与育性的影响时，亦发现经杀雄剂处理,相对含量减少的有甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、甲硫氨
16、酸与脯氨酸,其中以脯氨酸减少最明显，而脯氨酸含量的减少会影响其物质代谢作用。王强50等用化学杂交剂 1 号对棉花可溶性糖淀粉及叶绿素影响的研究，推测化学杀雄剂 1 号阻止了淀粉和可溶性糖从叶片中向花粉运输，导致花粉缺少能量，引起不育。同时王强也通过花药中氨基酸含量的测定，发现谷氨酸，丙氨酸，甘氨酸等氨基酸含量发生变化，其中脯氨酸的含量是喷药后前期高于对照，后期显著低于对照，并且喷药后期叶绿素含量下降，叶片发黄，据此得出杀雄剂 1 号对棉花存着一定毒性作用。通过改良配方，脯氨酸和其他氨基酸含量能够恢复到对照水平51。罗昌敏52等用 SX-1 处理的油菜植株叶片和对照相比，叶绿素总体含量下降，叶绿素 a 和叶绿素 b 下降最明显，花蕾中脯氨酸含量也低于对照。其处理株中叶片脯氨酸含量高于花药中脯氨酸含量。有研究认为,叶片失绿会影响蛋白质及碳水化合物向生殖器官中运转5
