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西北植物学报Κ2005Κ25;8ΓΠ1685—1691
ActaBot.Boreal.-Occident.Sin.文章编号Π100024025;2005Γ0821685207
水稻叶绿素合成缺陷突变体及其生物学研究进展
黄晓群1Κ赵海新2Κ董春林1Κ孙业盈1Κ王平荣1Κ邓晓建13
;1四川农业大学水稻研究所Κ成都611130Μ2内蒙古民族大学农学院Κ内蒙古通辽028042Γ摘 要Π叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的重要色素Κ叶绿素合成缺陷突变是一类明显的性状突变Κ其在理论研究和实际应用方面均具有重要的意义Λ本文介绍了国内外在水稻叶绿素合成缺陷突变体的发掘、作用机理及其基因定位等方面的研究进展Λ关键词Π水稻Μ叶绿素合成缺陷突变体Μ机理+
中图分类号ΠQ943ΜQ949.714.2 文献标识码ΠA
Chlorophyll-deficitRiceMutantsandTheirResearchAdvancesinBiology
121
HUANGXiao2qunΚZHAOHai2xinΚDONGChun2linΚ1113SUNYe2yingΚWANGPing2rongΚDENGXiao2jian
;1RiceResearchInstituteΚ2AgronomyCollegeΚInnerMongoliaUni2SichuanAgriculturalUniversityΚChengdu611130ΚChinaΜ
versityforNationalitiesΚTongliaoΚInnerMongolia028042ΚChinaΓ
.AbstractΠChlorophyllistheimportantpigmentparticipatinginphotosynthesisinplantchloroplastsChlorophyll2deficitmutationisanobvioustraitmutationΚwhichplaysanimportantroleinboththeoreticalresearchandpracticaluses.ThepaperdealswiththeresearchadvancesintheexploitationΚactionmecha2.nismsandgenemappingofchlorophyll2deficitmutantsKeywordsΠriceΜchlorophyll2deficitmutantΜmechanism
叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的重要色
素Λ叶绿素合成缺陷突变是一类明显的性状突变Κ早在20世纪30年代就有所研究Λ叶绿素合成缺陷突变体不仅在高等植物的光合作用Κ叶绿素生物合成Κ叶绿体结构、功能、遗传、分化与发育以及细胞器的移植、细胞融合、遗传转化、基因表达调控等基础研究中具有重要意义Κ还可作为标记性状在杂种优势利用中应用Κ如利用淡绿叶作为标记性状可以较好地解决两系法杂交稻的制种纯度问题Κ为两系法杂交稻应用于生产提供一条新途径Λ因此Κ发掘和鉴定控制水稻叶绿素合成缺陷突变体的基因Κ开展叶绿素合成缺陷突变基因的定位、克隆及其突变体作用
机理等方面的研究Κ具有重要的理论意义和应用价
值Λ
1 水稻叶绿素合成缺陷突变体的遗传
分析
叶绿体有自己的遗传物质—叶绿体DNA;ctΚ能够相对独立于细胞核基因组而决定某些DNAΓ
性状的传递和表达Κ但叶绿体中许多重要的蛋白质是由核基因编码的Κ叶绿体性状能在核基因作用下发生变异Κ并稳定地遗传这些变异Λ叶绿素合成缺陷突变体可通过人工诱导;物理和化学诱变Γ或在自然环境等条件下产生Κ也能从转基因技术构建T2
收稿日期Π2004212217Μ修改稿收到日期Π2005205212作者简介Π黄晓群;1980-ΓΚ女;汉族ΓΚ在读硕士Κ主要从事作物遗传育种研究Λ3通讯联系人ΛCorrespondencetoΠ.sc.cninfo.netDENGXiao2jian.E2mailΠdengxj@mail
1686西 北 植 物 学 报25卷[1]DNA插入的植物突变体库中获得Λ迄今Κ在水稻[2]、大豆[3]、玉米[4]、大麦[5]、小麦[6]、番茄[7]、油菜[8]、烟草[9]等很多植物上均发现了叶绿素合成缺陷突变体Λ
关于水稻叶绿素合成缺陷突变性状的遗传Κ多数研究认为是由隐性核基因控制的ΛTomoko等[10]利用重离子照射水稻种子得到叶绿素突变系Κ研究表明控制白化突变体的是2个隐性核基因Λ现已证明水稻白化基因al1～al10均为隐性基因[11]Λ吴殿星等[12]利用60Co2Χ射线诱发籼型温敏核不育系2177S得到突变系LCM1～LCM8Κ遗传分析表明LCM1、LCM7和LCM8叶色突变受一隐性核基因控制Κ且突变在不同的位点上发生Λ谢戎等[13]研究了自然温敏叶绿素突变体1103SΚ其性状表现为间断失绿Λ分析表明1103S受两对隐性核基因控制Κ通过调查HS447??1103S和HS448??1103S的F2代Κ发现这两对核基因间存在互作Κ且遗传背景不同Κ互作方式也有所不同Π在HS447核背景中互作表现为重叠作用Κ在HS448核背景中互作则表现为抑制作用Λ因此Κ1103S所具有的间断失绿性状可通过基因重叠向其它两用系转移Λ胡忠等[2]利用EMS处理粳稻品种8126花药Κ在H1株系中得到黄绿色突变体Κ遗传分析表明该性状是由单一的隐性核基因所控制的Λ吴关庭等[14]、龚红兵等[15]分别报道的水稻叶绿素合成缺陷突变体也是由1对隐性核基因控制的Κ与细胞质无关Λ另外Κ一般认为Κ白化植物是隐性
单基因遗传的Κ这是由于白化基因在细胞质里产生了一种不利于质体发育的生理状态Κ在这种情况下突变是核控制的Λ但是Κ也有认为白化性状在某些植物中并不是核遗传的Κ而是细胞质遗传的Κ这是由于质体本身发生突变所致[16]Λ
许多研究表明Κ叶绿素突变的表型繁多Κ突变位点亦很多ΛGustafasson估计有250～300个位点ΚWettteih等估计仅对白化表型起作用的就有几百个位点ΛNilon比较了理化诱变剂诱发单位叶绿素合成缺陷突变体和幼苗生长突变体的频率Κ认为约有700个位点对叶绿素突变起作用[17]Λ
迄今Κ国内外已经报道了大约70个水稻叶绿素合成缺陷突变基因;表1ΓΚ但对这些基因进行等位性分析还不够系统、全面Λ吴殿星等[18]利用水稻转绿型白化突变系W25与已经定位的叶绿素缺失突变体SM21、SM214、CHL21、CHL28、V28、Pgl进行等位性检测Κ杂种F1的叶色均表现为绿色Κ说明W25的突变位点和这些已定位的突变位点不等位Κ但还没有完全证明W25和其它已定位突变体的突变位点是否等位ΛSanchez和Khush[19]将v12与分别携带v1～v11Ψ～st8等22个基fs1、fs2、rfs及st1因的突变体杂交Κ等位性分析表明v12与它们均不等位Λ已有研究表明Κ不同诱变剂诱发的突变位点往往不等位Κ即使相同的诱变剂诱变产生的突变位点
[21]
也极少是等位的[20]Λ然而ΚHsieh研究发现z14和ylb为1对等位基因Λ
表1 已报道的水稻叶绿素合成缺陷突变基因
Table1 Reportedchlorophyll2deficitgenesinchlorophyll2deficitricemutant类型Mutationtype
白化Albino失绿Chlorina
亮绿叶Brightgreenleaf
低温引起变色Chlorosiscausedbylowtemperature细条纹Finestripe
灰绿叶Fadedgreenleaf
浅绿色花序和叶Lightgreenpanicleandleaf浅绿叶Palegreenleaf
细纹卷叶Rolledfinestripedleaf条纹Stripe
淡绿色Virescent
黄绿叶Yellowgreenleaf
黄色边缘叶Yellowleafmargin黄色花序Yellowpanicle斑马Zebra
基因名称Nameofgene
ΨΨΨal1ΨalΨal3Ψal4Ψal5Ψal6?tΣal7?tΣal8Ψal9?tΣal10Ψal11[22]Ψal2v[23]
chlΨchl2Ψchl3Ψchl4Ψchl5Ψchl6Ψchl7Ψchl8Ψchl9Ψchl10ΨOsCHLHbgl
[24]
ΨΨΨchs1?tΣchs2?tΣchs3?tΣchs4?tΣ
fs1Ψfs2fgl?flΣlgppglrfs
Ψst1Ψst2Ψst3Ψst4Ψst5Ψst6?tΣst7Ψst8
v1Ψv2Ψv3Ψv4Ψv5Ψv6Ψv7Ψv8Ψv9Ψv10Ψv11Ψv12[19]yglΨyl?tΣ[25]Ψyl2v[26]Ψyl2stb[26]ylmyp
z1Ψz2Ψz3Ψz4Ψz5Ψz6Ψz7Ψz8Ψz9Ψz10Ψz11Ψz12Ψz13Ψz14?ylbΣ
NoteΠ????httpΠwww.gramene.org??newsletters??rice-genetics??rgn12??chloro.html
2 水稻叶绿素合成缺陷突变基因定位
对于水稻叶绿素合成缺陷突变基因的定位一般
都是由经典遗传学方法实现的ΛHeu用初级三体与黄绿色水稻辐射突变体进行杂交Κ结果表明该突变
8期黄晓群Κ等Π水稻叶绿素合成缺陷突变体及其生物学研究进展1687[25]
基因位于第10号染色体上ΛMisro用同样方法将一
水稻浅绿色早熟突变基因定位于第3号染色体上Κ该突变体整个生育期的叶片都呈现黄化性状[17Κ20]Λ
[24]
Jung等根据RGP分析发现ΚOsCHLH基因位于第3染色体上Κ与chl2基因位点接近Κ但它们是否为同一等位基因仍需鉴定ΛWang等[25]利用SSR标记将控制水稻黄绿色的基因yl?tΣ定位在第5染色体上Κ距RM3838为3.4cMΚ距RM169为13.9cMΛ
水稻叶绿素合成缺陷突变基因在染色体上的分布比较广泛Λ目前Κ第1～8、10及11号染色体上都发现了叶绿素合成缺陷突变基因Πal4、chl6、fs2、v6位于第1染色体上[chl10位于第2染色体上[al10、[24]
、位于chl1、chl2、chl3、st6?tΣv1、v2、z3、OsCHLH
第3染色体上[st4?ws22Σ、st5位于第4染色体上[
、al2、al3、al6、bgl、st2?gwΣv10、yl?tΣ
位于第5染
色体上[chl4、、fs1、st1?wsΣv3位于第6染色体上[
v11、z6位于第7染色体上[v8位于第8染色体上[
、fgl?flΣpgl位于第10染色体上[v4、v9、z1、z2位
于第11染色体上;httpΠ????www.gramene.org??
Λnewsletters??rice-genetics??rgn12??v12p93.htmlΓ随着分子生物学的发展Κ及RFLP、CAPS、
RAPD、SSR、AFLP、SNP等分子标记技术的广泛应用Κ许多控制水稻重要农艺性状的基因已被定位Λ迄今Κ利用分子标记手段定位的水稻叶绿素合成缺陷突变基因已达10个Λ至此Κ共有30多个控制水稻叶绿素突变基因已被定位在确切的染色体上;表2ΓΛ这些基因的定位为以后的基因克隆及基因功能组研究奠定了基础Λ
表2 分子标记定位的水稻叶绿素合成缺陷突变基因
Table2 Mappedchlorophyll2deficitgenesofchlorphyll2deficitricemutantsbymolecularmarker
基因名称
Nameofgene
fs2chl1v11rfsv8pglfglz2v9yl?tΣ
染色体
Chromosome
13778101011115
XNpb216;8.7cMΓ
连锁分子标记
Linkagetothegene
XNpb244-1;17.1cMΓ
XNpb164;7.1cMΓNearXNpb8521
XNpb20;1.4cMΓandXNpb152;7.0cMΓNearXNpb278
XNpb127;3.5cMΓandSpl210;7.5cMΓXNpb291CD0365
XNpb183;11.1cMΓandXNPb189;22.2cMΓRM3838;3.4cMΓandRM169;13.9cMΓ
参考文献
Reference[27][28][27][29][30][29][31][30][32][33][25]
3 水稻叶绿素突变机理研究
3.1 水稻叶绿素合成缺陷突变体表型与叶绿素含
3.2 水稻叶绿素合成缺陷突变体的叶绿体结构
叶绿体是植物进行光合作用的主要场所Κ多数研究发现由叶绿素合成缺陷而产生的突变体Κ其叶绿体内部结构也将发生一定的变化ΛSun等[37]对水稻白化苗叶片的质体观察表明Κ叶中有前质体存在Κ并可以发育出初始片层Κ但不能发育成基粒Κ质体中有DNA状纤丝存在Κ但没有核糖体Κ故认为核糖体的缺失不能合成蛋白质Κ可能是造成白化苗的直接原因Λ邵继荣等[38]观察了水稻间断失绿突变体1103SΚ在性状表达期间Κ淡黄区叶绿体的类囊体膜
量的关系
水稻叶绿素合成缺陷突变体的叶绿素;ChlΓ含量变化总是与突变体表型变化有一定的关系Λ夏英武等[34]的研究发现Chl含量的变化规律与叶色表型变化相符Κ白色转绿型突变系W25转绿前Chl含量明显低于正常株Κ随着叶色的加深ΚChl的含量逐渐增加Κ完全转绿时ΚChl含量达到正常植株的水平Λ随后Κ何瑞峰等[35]对:斑马Φ状水稻突变体的Chl含量分析表明Π叶片间断失绿Κ上Chl含量的下降、升与:斑马纹Φ的出现、消失相一致Λ一般认为叶色的深浅是叶绿素含量的外在表现Κ但林钰琼等研究发现突变体T157A4??1的叶色比野生型略淡Κ但Chla、Chlb和Chl的含量却明显高于野生型Λ
[1]
发生了退化Κ基粒垛叠片层数明显减少或者基粒消失Κ有的甚至整个叶绿体为囊泡状结构Λ但在同一叶片的绿区Κ只是基粒片层数减少Κ排列不规则Κ嗜锇小球聚集Λ在叶片复绿过程Κ失绿区的变化可以逆转Κ内部结构重组Κ最后恢复正常Λ吴殿星等[39]对白化转绿突变体W25的叶绿体结构分析发现Κ完全白化的叶绿体轮廓完好Κ但内部结构简单Κ缺乏丰富、
1688西 北 植 物 学 报25卷高度组织化的内膜系统Κ只有基粒及一些垛叠在一起的DNA状纤丝Κ尚未分化出基粒和基粒片层Μ部分转绿和完全转绿叶片的叶绿体已有基粒和基粒片层结构Κ但完全转绿的基粒片层数较多Λ此性状受细胞核内单基因控制Κ核基因位点的突变对叶绿体的发育产生不利影响Λ
3.3 水稻叶绿素合成缺陷突变体的氨基酸含量
[46]
Rubisco酶活性有关ΛKncetzel和Simpaon对水
稻V4白绿突变系的分析表明Κ小Rubisco酶的大、亚基缺失ΛLin等[47]在研究两个叶绿素b缺失的水稻突变体时发现Κ可溶性蛋白和Rubisco的含量明显比野生型的含量增高Κ特别是Rubisco酶的小亚基RSSΚ但其原因目前还不清楚Λ胡忠[48]对一水稻黄绿色突变体叶绿素蛋白质复合体进行了分析Κ发现突变体缺乏24kD的捕光叶绿素a??b蛋白质复合体Κ但富含28kD的叶绿素a蛋白质复合体CP47??
叶绿体片层的垛叠与捕光叶CP43Λ由此可以推论Κ绿素a??但b蛋白质复合体的含量存在正相关关系Κ非垛叠片层却富有叶绿素a蛋白质复合体CP7??
[49]
蛋白CP43Λ翁晓燕等在研究W25的白化期发现Κ
质含量极低Κ只为对照的32.16%Κ说明白化期蛋白质合成速率远远低于对照的绿叶ΛRubisco酶的含量Κ白化苗只有对照绿苗的36.43%Λ随叶片转绿Κ蛋白质含量增加Κ在类囊体合成的Rubisco大亚基也增加Κ说明白化期Rubisco低含量可能与缺乏类囊体片层有关Λ
3.5 水稻叶绿素合成缺陷突变体的叶绿素生物合成
植物的叶绿素如果因基因突变而使某一合成过程受阻Κ就会引起叶绿素含量的不正常Λ崔海瑞等为了揭示温度对水稻突变叶色机理的影响Κ研究了具有苗期白化可复绿的温敏型叶色突变体W1的叶绿素生物合成过程ΛW1在低温下叶色为白色Κ高温下叶色为绿色Κ研究发现低温下pchl;叶绿素酸Γ、Mg2proto??;Mg2原卟啉Γ和proto??;原卟啉Γ的含量都明显低于高温下野生型的含量Κ与叶色及Chla的变化趋势相同Μ但ALA;?2氨基酮戊酸Γ、PBG;胆色素原Γ的积累量却明显大于高温下的含量Κ且也高于同温度下野生型的含量Κ与叶色及Chla的变化趋势相反Κ根据叶绿素生物合成途径Glu;谷氨酸Γ→ALA→PBG→urogen??;尿卟啉原??Γ→copro2gen??;粪卟啉原??Γ→proto??→Mg2proto??→pchl→ChlaΚ可知叶绿素的合成受阻Κ部位在PBG缩合成卟啉原[50]Λ许多研究发现Mg离子在叶绿素的生物合成过程中具有重要的作用Κ它是proto??向Mg2proto??转化过程中形成四吡咯环最重要的螯合酶[24Κ51]Κ几乎所有的叶绿素缺失突变体都是由于镁螯合酶突变并导致proto??含量升高和
[6Κ7Κ51]
Λ多数研究认为具有失Mg2proto??含量下降
吴殿星等[40]研究了白化转绿型突变体W25在
转绿时两种不同温度下的氨基酸含量Κ结果表明ΠSer、Glu、Val、Arg、Pro、Thr变化较大ΚSer、Glu、
但Arg、Val在25℃比20℃时低ΚPro、Thr却相反Κ尤其是Thr变化较明显Κ其含量在20℃时很低Κ而在25℃时却接近亲本的水平Λ在20℃下W25三叶期完全不能转绿时Κ喷100mg?L-1的Thr有较好的转绿效果Κ这说明Thr与其转绿有密切的关系Λ谢戎等[41]对:斑马Φ突变体1103S的氨基酸含量进行了分析Κ结果表明在性状表达时Glu、Asp的含量较正常植株高Κ表现为相对积累Κ而其余氨基酸的含量下降Μ在复绿时Glu、Asp和Met的含量下降Κ其余氨基酸的含量上升Λ说明此期间氨基酸的代谢表现为部分阻遏调控作用Λ
3.4 水稻叶绿素合成缺陷突变体的蛋白质
对间断失绿的突变体1103S研究发现Κ在性状表达期间Κ蛋白质含量随性状的表达锐减Κ蛋白酶活性增高ΛPAEG扫描结果发现Κ处理前后25、20、41、50kD含量较高Κ特别是25kD蛋白Μ在性状表达期间Κ它们的含量都减少Κ且黄区比绿区减少更为明显Κ比较黄、绿区发现Κ黄区缺少18kD蛋白Κ绿区含量也极少Λ有的研究认为18、24、30kD是PS??中水裂解释放氧的酶系统重要多肽结构蛋白Κ因此Κ黄、绿区18kD蛋白的变化可能是造成同一叶片不同区域叶绿素失绿状态不同的重要原因[42Κ43]Λ随后Κ何瑞峰等[44]又对1103S及其转育的具:斑马Φ性状的武金4B的蛋白质含量进行分析Κ结果表明性状表达时Κ蛋白质含量降到最低点Κ仅为低温处理前的一半左右Κ且黄区的含量仅为绿区的一半左右Κ而此时对照的蛋白质含量则逐渐上升Λ进而Κ田红英等[45]又对叶绿体功能蛋白;RubiscoΓ进行分析Κ发现Ru2
小亚基的结构和分子量在降温前后和bisco酶的大、
表达时基本没有变化Κ但酶活性却不同Κ突变体的低于野生型Λ利用双向电泳对突变体和野生型研究发现Κ突变体Rubisco大亚基旁的一个56.2kD蛋白质位点随温度的降低而消失Κ但在降温前这一特异蛋白质却存在Κ说明这一特异蛋白质位点可能与
绿;chlorinaΓ性状突变体由于缺乏镁螯合酶通常都是隐性致死的[51]Λ镁螯合酶包含3个亚基Κ即