植物的胞系雄性不育的机理十分复杂，国内外学者从细胞形态学、组织化学以及生理生化等各方面对败育的机理进行了广泛研究，但败育的机理仍是个难解的谜。从理论上讲，胞质雄性不育系经多代回交转育后同保持系在核基因组成上是一致的，因此雄性不育系和保持系育性的表达差异肯定是集中在细胞质中遗传物质的携带者叶绿体DNA（cpDJNA）或线粒体DNA（mtDNA）上。现已明确得出叶绿体和线粒体DNA控制的一些基因，如cpDNA中特定片段是编码叶绿体组分蛋白（RUBP羧化酶）的大亚基，cpDNA中rpoC2基因位点编码RNA聚合酶的一个亚基等。
早在1970年。Edwardson就是用原始的基因分析办法指出了保持系和不育系线粒体DNA存在着差异，从此启发和开阔了研究者的思路。1982年 RFLP技术的发展和电泳技术的结合，大大刺激了分子生物学的研究进程，而1990年Williams（1990）等人创造的RAPD（or APPCR）分析技术更是大大方便了对基因的研究，从而也为胞质雄性不育机理的探讨提供了一个崭新的方法。因此，直接比较两系mtDNA和cpDNA多态性，或通过其产物（即所编码的蛋白）两个方面来比较、间接推断基因结构差异，对于直接揭示胞质雄性不育的本质是非常有益的，而这是生理生化研究所不能比拟的。
一、叶绿体DNA及其产物与CMS
一些研究者曾在烟草、棉花、高粱、甘蓝等作物的雄性不育和保持系的叶缘体DNA电泳研究中发现，两者间存在限制性内切片段长度多态性，据此认为这种叶绿体 DNA差异可能与细胞质雄性不膏性有显著相关性。李继耕（1983、1986）发现小麦雄性不育系和保持系叶绿体DNA限制性内切酶图谱有明显的差异，结合电镜观察利叶绿体类囊体膜（组分蛋白）双向电泳表明这两系间确实存在差异。周长久（1994）等比较萝卜雄性不育系和保持系叶绿体的DNA的RFLP的图谱有差异。
二、线粒体DNA及其产物与CMS
胞质雄性不育已在几个作物上进行了大量的研究，都一致认为，无论不育源如何，不育的机理都是由于核质不协调，尽管在不同的雄性不育体系中可能有不同的机制。与叶绿体DNA不同，线粒体DNA具有较高程度的多态性，因此近年来有关细胞质雄性不育的机理研究，基本上集中在线粒体与雄性不育关系上（沈毓渭， 1994）。比如在玉米、珍珠米、甜菜、高粱、向日葵、矮牵牛及菜豆等许多作物的RFLP限制性内切酶图谱均表现很高程度的多态性。近年发展的RAPD技术应用于雄性不育机理的研究中也愈来愈多，M.Lernz等（1994）在对甜菜研究中发现其mtDNA的RAPD有很强的多态性，而cpDNA则没有多态性，蛋白质离体翻译试验结果一样。
大量的研究除了发现不育系及保持系mtDNA的多态性外，研究者还发现两系线粒体的质粒样DNA（plasmd like DNA）它们在不育系和保持系中表现出特异性分布，似乎与细胞质雄性不育有关，许多学者对此作了大量的研究。在水稻上，Yamaguchi等（1983）首先发现BT型不育系线粒体中，存在大小为1.5kb（Bl）和1．2Kb（B2）的两种质粒样DNA，而在相应的保持系65的线粒体中，仅有主DNA即大分子DNA，而无质粒样DNA。随后，其他水稻不育系和保持系中都发现有质粒DNA，但在大小和数量上彼此有差异。
另一个注意的问题是，在发现保持系同雄性不育系多态性的同时，许多研究也发现了在细胞质相同的各不育系之间也在差异。虽然各不育系之间粒体基因大小相似，但其中一些基因的拷贝数和核苷酸顺序却迥然不同。也就是说这种结构的差异可能来源于进化过程中线粒体DNA的重组或重排，其差异并不真正代表不育的本质。现在许多作物都已发现了多种不同类型的胞质雄性不育源，因此单单从比较不育系和保持系mtDNA差异来了解雄性不育的机理也许同样是困难的。
近年来，这方面的研究又有了新的进展。利用先进的技术门口原生质体融合，反义RNA技术），通过人为地调控育性的表达，以及利用恢复系恢复CMS育性，并直接检测基因组片段的变化以及基因组产物的变化，可以提供令人信服和确凿的证据。许多研究者都已发现了某特定基因片段或其基因产物一定同不育有关，大多数的实验结果认为CMS是由线粒体DNA的嵌合基因（或小重复序列）突变而引起的。
在发现线粒体的嵌合基因造成作物雄性不育的同时，还发现线粒体的某特殊片段基因的缺失也是造成某些作物胞质雄性不育的原因。Magali Pla（1995）等发现，烟草（Nicotianasvlverstris）的两个CMS突变体，由于缺失了mtDNA的nad7基因的最后两个外显子，导致NAD7多肽的缺失。从而导致花粉的败育。其实早在1988年，Li等就发现xicotiana sylverstris存在两个不同的CMS缺失突变体，只是当时证据不够确凿而已。现在看来，线粒体的嵌合基因造成的拮抗作用，或缺失基因造成功能的不足，可能是胞质雄性不育的主要原因，毕竟它提供了最为确凿的证据，但胞质雄性不育的机理可能更为复杂。比如说，近年来在水稻、向日葵等作物中也发现了 dsDNAr的存在（Brown CG，1986），有学者也认为它们在不育性产生的过程中可能有某些相同的作用，无论是在胞质不育还是核不育，均存在dsDNA，这可能与雄性不育有关（张学文、王斌，1990），但究竟如何造成雄性不育则还不清楚。
综上所述，分析cpDNA和mtDNA的研究在解释胞质雄性不育机理方面已取得一定的进展，这是生理生化研究所达不到的，其中一些作物的特定基因座位（线粒体基因组）已明确肯定同雄性不育有关，但其中大部分雄性不育植物不育的基因座位还在探索之中。令人振奋的是最近在核不育的研究中已取得了突破性进展，现已克隆到雄性不育的基因，通过转育核糖核酸酶基因barase及其抑制蛋白barstar基因可达到人为调控育性目的（Mariani等，l990、 1992），该项技术在中国也已处于生产实践的研究和验证之中（曹光诚等，1996）。因此，有理由相信，同样全面弄清胞质雄性不育的机理，人为调控育性，并把它用于生产实际中去、前景是光明的。