雄性不育是高等植物中普遍存在的一种自然现象。目前已在43科162属320个种和297个种间杂交种中发现了雄性不育现象，且该数据还在不断增加[1]。雄性不育现象目前已将被广泛应用于育种工作，既可免除人工去雄，节约人力，降低种子成本，又在一定程度上提高了种子的纯度。因此，近年来，关于辣椒雄性不育形成机理的研究，成为了当今辣椒育种研究的热点。
1 辣椒雄性不育的类型雄性不育是指植物中雌蕊发育正常而雄性器官发生退化、发育不良或产生的花粉不能使其正常可育的现象[2]。其类型主要包括细胞核雄性不育（GMS）和核质互作雄性不育（CMS）。由于CMS这种类型的不育性既能筛选到保持系，又能找到恢复系，可以实现“三系配套”[3, 4]，因此在辣椒育种上，可以通过三系配套高效的进行人工制种，所以关于胞质雄性不育的形成机理，成为了广大研究者研究的热门。
在近年来的研究中，根据花粉败育的不同方式和时期，可将细胞质雄性不育进行不同的划分。对于败育方式，一般有以下几种情况：（1）雄蕊的变形或退化；（2）花药出现异常；（3）小孢子退化；（4）花粉功能缺陷；（5）受精部位异常。但不管哪种情况，在形态学上观察的雄性器官，均为花器小，花丝短，花药瘦。根据花粉的败育时期，将细胞质雄性不育（CMS）分为孢子体雄性不育和配子体雄性不育，两者都是在花粉发育的过程出现了异常。许多研究表明，绒毡层的功能紊乱造成了孢子体的雄性不育。而雄配子的雄性不育主要是母系的线粒体基因组通过控制雄配子引起的。两者均根据自己的基因型进行生长发育。在自然界中，水稻同时存在孢子体CMS和配子体CMS两种通路，这在一定程度上，说明了雄性不育机制的复杂性[5]。
2 雄性不育的细胞生物学研究植物的花粉发育是一个受时间和空间严格控制的多基因表达的生长过程，也是植物生殖生长过程的关键环节。在小孢子发生期间，对内外环境比较敏感，由于能量不足，导致雄性不育的发生。一些学者认为小孢子的败育时期发生在减数分裂四分体形成之前，绒毡层细胞高度液泡化，径向膨大，挤压小孢子母细胞，造成减数分裂不能正常进行，没有形成花粉粒而败育[6-10]。也有一些学者认为，小孢子的败育发生在发育后期，小孢子可以进行正常的减数分裂，也可形成正常的四分小孢子[11-14]。而李莹莹等[15]则在细胞学观察中均发现以上两种情况。他们认为小孢子的败育有可能发生在任何阶段，只是会由于实验材料的不同，而导致小孢子的败育方式和时期也不相同。王兰兰等[16]利用石蜡切片法对辣椒雄性不育和保持系8B小孢子的不同发育时期进行细胞形态学观察，发现不育系8A小孢子发生在四分体时期，花冠与花萼齐平，绒毡层细胞径向异常膨大并高度液泡化，挤压形成不规则四分体，有的小孢子四分体还出现粘连现象，不能产生正常小孢子，从而引起败育。但无论哪种，都是由于绒毡层发育和行为的异常。魏兵强等[17]通过比较以上的不同看法，得出小孢子败育发生在四分体时期前后的观点。
3 雄性不育的生理生化植物的生长发育过程涉及各种物质、能量间的相互代谢。雄性不育，作为自然界中普遍的一种变异现象，其生长自然也离不开物质和能量的合成、积累等代谢过程。在辣椒生长过程中，若各物质间代谢，酶的稳定活性水平或能量的供应等方面被破坏，都有可能导致花粉的不正常萌发，从而引起雄性不育。
3.1 雄性不育与物质代谢辣椒生长过程的所必需的一些物质，像核酸、氨基酸、蛋白质、糖类等物质，不仅可以维持辣椒生长过程中的形态构建，也可以通过物质代谢产生能量支撑植物的正常发育。对于不育系和保持系辣椒中，各物质含量的表达均存在差异。辣椒的不育系和保持系间的一些相关酶及其活性的表达，特别是SOD、POD、CAT的研究，并没有得到非常一致的结果。孙立全等[18]的研究结果表明，不育系POD的活性均显著高于可育株；刘莉等[19]也在水稻的不育系天丰A和保持系天丰B植株中发现了同种现象。但张子学和侯喜林对辣椒三系的研究结果却表明雄性不育系的POD的酶活性显著低于保持系，张子学和李莹莹等[20, 21]也得出类似结果。
3.2 雄性不育与能量代谢能量是植物生长过程的必要条件，只有足够的能量支撑植物才能进行正常的生长发育。植物的呼吸速率不仅可以表明植物代谢活动的强弱，也可以显示植物生长过程的能量代谢强度。一些研究表明，花药发育过程中，不育系的呼吸速率明显低于保持系[22, 23]。在辣椒不育系和保持系中，一些能量相关调控酶ACO、COD、GAPDH和MDH的活性也不尽相同。吕俊恒等[24]选取辣椒雄性不育系9704A与其保持系9704B，通过对花蕾发育不同阶段中的GAPDH基因的克隆与表达分析，证明辣椒CaG6PDH基因的表达量在花蕾发育不同阶段中，雄性不育系均高于保持系。邓明华等[25]通过对不育系9704A与其保持系9704B盛花期不同时期的花蕾中MDH基因的研究得出，MDH在花粉发育的第二阶段，不育系基因表达量低于保持系，不育系中的花蕾抑制MDH基因的表达，从而造成能量不足。
4 雄性不育与线粒体线粒体是植物细胞质中不可缺少的细胞器。其主要作用是通过三羧酸循环、糖酵解及氧化磷酸化途径创建电子传递梯度，从而产生ATP，为植物细胞的生长分化及分裂奠定能量基础。线粒体作为一种半自主的细胞器，其基因组具有高度的可变性，其大小会因植物种类的不同而有差异。线粒体基因组的构型复杂多变，可编码多种蛋白质，调节细胞的膜电位，控制细胞的程序性死亡，这在一定程度上决定了线粒体的重要性。
4.1 雄性不育与线粒体代谢自然界雌雄同体植物中，雄性不育被看做是线粒体编码的不育因子和核基因组编码的育性因子间的相互冲突，在自然选择的条件下，逐渐形成了雄性不育系的杂种优势。Touzet[26]指出一些研究表明花粉的生产中断是由于线粒体的呼吸作用能量缺乏而导致的。并就CMS的未知机制的相关研究提出排他性的假说：花粉生产中断被一种只存在花药中且能改变细胞结构的物质所作用[27]。在其他一些作物上，如拟南芥、玉米等都会因为复合体V亚基突变体的插入而对生殖器官造成影响[28, 29]。但是，呼吸突变体的产生只是降低了ATP的含量[30]，并没有彻底阻止花粉的生产，也就是说，呼吸突变体并不能够确定为雄性不育的引导因素。同此的ATP假说，通过诱导构造敲除ATP合酶2个亚基的突变体，感应观察到，ATP水平的降低并没有影响花粉的正常发育[31]。所以，花粉形成过程中，关于其败育的最大原因，极有可能是线粒体的某一重要功能被打破[26]。
4.2 雄性不育与线粒体结构和数量线粒体作为重要的功能细胞器，其结构和数量的改变都有可能引起植物的雄性不育。不同生物不同组织中的线粒体数量差异是巨大的，一般来说，细胞中的线粒体数量取决于细胞的代谢水平，代谢活动越强，其线粒体数量越多。胡适宜等[32]发现，在小麦的小孢子发育期间，有出现一些近似杯形的线粒体，并且这些近似杯形的线粒体，常常在不育系行将败育的小孢子中产生，且数量很多。王俐等通过研究高粱雄性不育系热激前后线粒体的变化与育性的关系，得出高粱发生CMS的主要原因是线粒体数量产生改变。当线粒体达到一定数量时，高粱不育系就转变为可育。相反，低于这个数量，就保持稳定的不育[33]。
4.3 雄性不育和线粒体的分子基础作用目前，大多数关于辣椒雄性不育形成机理的研究主要集中在线粒体基因上。在高等植物中，线粒体基因的未知序列和已知序列间的重组创造了新的开放阅读框[34]。并且该开放阅读框与CMS的发生有很大关系[35, 36]。例如，Dewey等[37]研究发现的玉米CMS-T中的urf13，Kim等[38]研究的萝卜Ψatp6-2及茎芥菜的orf220[39]等都是由于其他基因片段或者正常线粒体基因的缺失构成的开放阅读框引起的[40]。Kim等[41]通过选取辣椒细胞质雄性不育系和可育系为材料，对其线粒体基因组进行限制性长度多态性分析发现，atp6在不育系和保持系同时存在2个拷贝数，且在不育系中atp6的第二个拷贝数在3'端发生部分片段缺失。随后发现coxⅡ基因在3'侧翼区域存在差异，于是，Kim开发了两个可用于早期雄性不育辣椒细胞质鉴定的SCAR标记，且该标记只在不育系中出现。2006年，Kim根据已知的atp6的基因序列，通过反向PCR扩增，得到atp6两个拷贝数的全长序列，通过比对发现，第一个拷贝序列在不育系和保持系间基本相似，而第二个拷贝在5'端序列同源性较高[42, 43]。在辣椒不育系中COXⅡ基因的3'末端发现的新型开放阅读框orf456，是相关线粒体基因组中重组的结果[44]。在辣椒雄性可育和不育株系中的线粒体atp6基因，通过反向PCR进行扩增，检测不育系中的该基因在3'编码区域被截断[43]。新的开放阅读框可能来自线粒体NADH脱氢酶的基因，可能来自线粒体细胞色素氧化酶的基因，也可能是线粒体F0F1-ATP合酶的相关基因[45]。
5 不育基因的分子标记辣椒的雄性不育作为植物界中的一种普遍现象，其现象的发生多显现在花粉和花药的细胞学特征，而花粉的发育是由多个基因在时间和空间上严格控制表达调控的复杂过程。目前关于花药基因的表达模式的分析或花药不育基因的克隆研究知之甚少。分子标记作为一种新的遗传标记，直接反映了DNA水平的遗传多态性，目前被广泛应用于科研实验中[46]。虽然在生产应用中，RAPD、RFLP、SSR、SNP等分子标记技术存在着一定的限制，但这些技术在探索辣椒雄性不育的分子机制过程中发挥着举足轻重的作用。
王述彬等[47]从辣椒不育系21A及其相应的保持系21B的黄化苗中提取线粒体DNA，并通过RAPD技术，获得与雄性不育相关的RAPD标记CMSAG3-430。刘科伟等[48]利用AFLP技术，对辣椒不育系及其保持系的基因组进行多态性比较，在不育材料中获得2个特异片段340 bp和408 bp，并鉴定这两个片段编码的氨基酸序列与烟草基因组线粒体DNA序列同源性高达94%和96%。魏兵强等[49]则利用近等位系原理及RAPD技术，用200条RAPD引物对不育系和保持系基因组DNA进行PCR扩增，获得与不育基因连锁的RAPD标记BH19-S900，并通过设计合成双引物将该标记转化为SCAR标记SS730。袁稳[50]利用SRAP技术，分析不育系和保持系DNA差异，从64对引物扩增中观察到4个多态性位点，通过对不育材料中的差异片段进行回收克隆，得出2个SCAR标记Me7Em4-280和Me2Em7-230，并测出序列全长为283 bp和236 bp，与辣椒细胞质雄性不育基因紧密连锁。颜秀娟等[51]则利用ISSR技术，在宁夏羊角椒不育系和可育系中，找到了与不育基因连锁的ISSR标记的4个差异片段，ISSR-10850，ISSR-13850，ISSR-14800，ISSR-15180，并推测这4个差异片段与宁夏羊角椒雄性不育系的花粉败育有很大的关系。Kim等[43]也利用SCAR技术在辣椒雄性不育系开发到2个与辣椒雄性不育相关的基因点COX Ⅱ和atp6。
郭爽等[52]利用RACE技术从辣椒花药中获得一个控制辣椒花器官发育的MADS-box基因，命名为PPI；马宁等[53]通过对MADS-box家族基因中的PAP3基因进行克隆分析，利用系统进化树，得出该基因与辣椒花器官的发育相关；PAP3和PPI同属于辣椒花器官发育的B类基因，共同控制辣椒花器官和雄蕊的发育。马宁等[54]利用酵母双杂交系统和体外GST-pull down技术，对该两种蛋白的相互作用进行鉴定，结果表明，PAP3和PPI两蛋白之间存在特异性的相互作用。
6 雄性不育的蛋白质组学的研究目前，研究学者对于雄性不育的研究，往往倾向于相对比较成熟的分子技术，如分子杂交，DNA分离，分子克隆及序列分析等，而关于蛋白质组学的研究相对较少。但相关于雄性不育的分子机制，仅靠生理生化，转录水平的研究是远远不够的。通过蛋白质组学的相关技术对与不育相关的基因片段进行进一步的功能验证。从而为辣椒雄性不育的形成机理奠定一定的基础。
植物雄性不育的蛋白质组学的研究目前主要集中在线粒体蛋白，叶绿体蛋白组和花药蛋白组[55]。Zhang等[56]选取辣椒细胞质雄性不育系FS1030A及保持系FS1030B，在小孢子母细胞的败育阶段，通过TEM观察两者的花药蛋白组，2D-DIGE和LC-MS技术分析鉴定差异表达蛋白，在两株系间表达差异显著的蛋白中有92.3%可通过NCBI成功鉴定，该些蛋白涉及糖酵解过程的上下调酶，导致ATP的减少或阻止正常的PCD，从而导致雄性不育的发生。吕晓菡等[57]以辣椒胞质不育系和保持系花蕾发育的6个不同时期为材料，通过石蜡切片于显微镜下观察其发育差异，并通过SDS-PAGE技术，LC-MS质谱技术和蛋白质组学分析对差异蛋白条带进行鉴定发现，花粉败育发生在四分体形成以后，与绒毡层过度液泡化及四分体周围的胼胝质不能解体有关。并通过比较不育系和保持系中的花药蛋白条带，发现不育系中四条差异蛋白条带表达量下调，通过各种数据库搜索表明，四分体形成之后，不育系中的花药的物质和能量代谢出现异常，绒毡层异常膨大，四分体不能获得物质和能量从而败育。该实验也充分说明了根据蛋白质组学分析的鉴定结果可初步解释辣椒胞质不育系和保持系在细胞学上的差异表现。这在一定程度上肯定了蛋白质组学分析技术在生物研究实验中的价值。
7 展望辣椒雄蕊的发育是多基因共同参与调控的复杂生物学过程，同时受内外部环境条件的影响。其雄性不育的利用在我国农业生产上创造了巨大的经济价值。2013年，研究者们通过转录组学的范畴进行研究、测序发现，辣椒转录组学的差异表达基因主要参与信号转导、转录修饰等过程[58]。在不同的作物中，其雄性不育的作用机制存在一定的差异。目前。在CMS的通路研究中，PCD和ROS的作用在向日葵，辣椒及HL型水稻中都有一定的显现，甚至在HL型水稻中出现茉莉酸的合成途径受到损害[59-62]。线粒体基因组和核基因组的相互冲突，影响了转录水平，转录后水平基因的调控，造成了雄性不育的发生。在今后的研究中，可借助高通量测序技术，综合各种组学研究，从全基因组、转录组、蛋白学、代谢组等多个水平对辣椒雄性不育作用的分子机制进行更深一步的研究。
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