水稻白化转绿突变体研究进展

白化是水稻叶色突变中常见的叶绿素缺失突变,白化转绿突变体在光合作用机理、基因调控和遗传育种等理论研究和实际应用方面均有较大的利用价值。该文综述了近年来国内外有关水稻白化转绿突变体的研究进展,包括水稻白化转绿突变体的来源、白化转绿突变体与叶绿素合成的关系、影响白化的内外因素、相关基因的克隆以及作为标记性状在育种中的应用,为水稻白化转绿突变体的研究提供参考。     

利用BSA-Seq方法定位一个水稻早衰相关基因OsBRCA1

[目的]水稻早衰突变体是研究水稻衰老机制的良好载体.定位和克隆水稻早衰相关基因,有助于理解水稻早衰的遗传规律和分子机制,为相关基因的作用机制研究奠定基础.[方法]用EMS化学诱变处理粳稻云引,获得一个稳定遗传的早衰突变体w14,与日本晴杂交构建F2分离群体,并在群体中各选择100个隐性单株和显性单株的DNA等量混合,利...     

水稻白化转绿叶色突变体研究进展

水稻作为重要的粮食作物之一,随着人口增长、耕地减少及环境条件的不断恶化,进一步提高单位面积产量是育种家的重要目标。通过提高光合效率来增加生物量是进一步提高水稻产量的有效手段。叶绿体是植物光合作用的主要场所和细胞的能量供应中心,对植物的生长发育和细胞的新陈代谢至关重要。鉴定和克隆参与叶绿体发育和调控的关键基因,揭示其调控网络和分子机制,对于调控光合作用和植株的生长发育以及培育高光效水稻新品种均具有重要的科学意义和实践价值。植物叶色多种多样并且容易进行区分,因此叶色突变体常被用作探究植物光合作用机制、叶绿素生物合成、叶绿体结构和功能以及遗传发育调控等的重要材料。水稻叶色突变体较为常见,白化转绿突变体较容易区分,在研究水稻叶绿体发育、叶绿素合成、光合作用效率及遗传育种等领域具有重要的应用价值。从白化转绿突变体的表型、分类、来源、作用机制、遗传方式及影响因素等方面进行综述,以期为水稻白化转绿突变体的理论研究和实际应用提供参考。     

水稻叶片淀粉累积早衰突变体pls5的鉴定及基因定位

[目的]本研究旨在对水稻叶片淀粉累积早衰突变体pls5进行表型分析及基因定位,探讨水稻叶片早衰的分子机制。[方法]对pls5突变体进行田间农艺性状调查和光合速率测定;于抽穗期对倒2叶(无明显早衰表型)、倒3叶(出现早衰)和倒4叶(严重早衰表型)进行色素和活性氧含量测定,观察叶绿体超微结构;利用Real-time PCR对淀粉代谢和衰老相关基因进行表达分析,以及候选基因的图位克隆与测序。[结果]pls5突变体早期大田生长正常,早衰表型始于分蘖后期,至乳熟期所有叶片衰老。与野生型相比,pls5突变体色素含量和净光合速率极显著降低,同时每穗总粒数、结实率和千粒质量显著下降。倒3叶叶绿体中积累大量的淀粉粒,类囊体片层由于淀粉粒的大量积累被挤压到细胞膜周围;倒4叶叶绿体中积累大量嗜锇体,类囊体片层解体。同时,pls5中淀粉代谢和衰老相关基因的表达显著上调,活性氧积累。遗传分析表明,pls5的突变表型是由隐性单基因突变引起的;利用图位克隆将目标基因定位在第5染色体的长臂标记P7和P4之间,物理距离154 kb,共18个ORF;对区间内已报道基因ES5(Os05g0554400)测序,发现在第11个外显子存在437 bp的插入,导致移码突变翻译提前终止,推测其为候选基因。[结论]pls5是早衰突变体es5的等位变异,在衰老叶片中存在淀粉累积,这些有利于进一步理解叶片早衰的内在机制。     

水稻早衰突变体w14的鉴定和病程相关基因表达分析

【目的】叶片早衰影响水稻的产量和品质,早衰突变体是研究水稻衰老机制的良好载体,鉴定、分析早衰突变体的表型特征,有助于了解突变体的遗传规律,为相关基因的克隆和功能研究奠定基础。【方法】人工接种鉴定了早衰突变体w14的稻瘟病和水稻白叶枯病抗性,同时通过对离体叶片的黑暗诱导和叶绿素含量测定,鉴定了突变体w14的早衰表型;再分别对早衰突变体w14和野生型粳稻品种云引(简称‘YY’)中水稻早衰相关基因和病程相关基因的表达进行分析,研究早衰突变体w14的早衰类型及与野生型在防御系统上的差异。【结果】黑暗诱导处理24 h后,突变体w14的叶绿素含量显著低于野生型YY(P0.05)。黑暗诱导处理48 h以上,突变体w14的叶绿素含量极显著低于野生型YY(P0.01)。突变体w14中衰老相关基因SGR、 Osh36、 Osh69、 PAO、 NYC3和RCCR1的表达均显著高于野生型YY。分别接种水稻白叶枯和稻瘟病后,突变体w14均表现为比野生型YY更感病,且病程相关基因PR1a、PR4、Cth1、PR1b、PBZ1、PR3等的表达在突变体中显著上调。【结论】突变体w14具有典型的衰老和感稻瘟病、水稻白叶枯病的表型,与野生型相比,在突变体中与病程相关基因的表达发生了显著改变,即突变体防御系统的改变导致其出现感病的表型。     

水稻早衰突变体zs的鉴定与基因定位

[目的]本研究旨在对水稻叶片早衰突变体zs进行遗传分析及基因定位,探索水稻叶片早衰的分子机制。[方法]从甲基磺酸乙酯(EMS)诱变‘宁粳1号’突变体库中筛选鉴定了1个稳定遗传的早衰突变体zs,构建突变体zs与籼稻品种‘N22’的F2群体,对控制突变性状的基因进行定位,利用RT-q PCR对叶绿素合成以及质体发育相关基因的表达水平进行分析。[结果]突变体zs在28℃条件下生长14 d时,zs第2叶叶尖出现黄褐色斑点,并逐渐向叶基部蔓延。突变体zs叶绿素a和叶绿素b含量明显下降。zs叶肉细胞结构异常,叶绿体中类囊体片层结构排列松散。与野生型相比,zs的株高、分蘖数和千粒质量均显著降低。通过构建遗传分离群体,将突变基因定位在第12号染色体短臂上的600 kb的区间内。此区间内含有2个已报道的与叶片衰老相关的基因LOC_Os12g16410和LOC_Os12g16720,分别编码异黄酮还原酶和细胞色素单加氧酶(P450)。测序分析发现,仅在LOC_Os12g16720第2外显子上有1个单碱基突变,导致苏氨酸突变为甲硫氨酸。zs叶绿素合成相关基因和质体发育相关基因的表达量显著低于野生型。[结论]鉴定了1个早衰突变体zs,通过精细定位与序列分析,将LOC_Os12g16720作为候选基因,该基因可能参与调控叶绿素合成及质体的发育。     

番茄转录因子SlNAC29在调控植株衰老中的作用及机理

【背景】番茄（Solanum lycopersicum）作为连续发芽分化和坐果的重要园艺作物,早衰是限制其生长期长短、产量和品质的重要因素。NAC（NAM、ATAF1/2和CUC2）转录因子家族参与调控拟南芥、水稻等多种植物衰老进程,但在番茄中的研究尚不深入。目前已知,SlNAP2（NAC-like, activated by apetala3/pistillata）参与番茄植株衰老进程。【目的】SlNAC29为SlNAP2的同源基因,对其在番茄植株衰老中的功能及调控机制进行研究,以期为园艺栽培中番茄的衰老调控及种质创新提供科学依据。【方法】以野生型番茄（Condine Red,CR）为背景,采用qRT-PCR技术明确SlNAC29在不同衰老阶段叶片中的相对表达量,并分别利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和基因过表达技术构建Slnac29纯合突变体及OE: SlNAC29稳定过表达植株。在此基础上,在自然生长状态下和黑暗处理诱导衰老条件下,对野生型、Slnac29突变体和OE:SlNAC29过表达植株的生长、叶绿素含量、光合作用、叶片衰老和叶绿素降解相关基因的相对表达量等参数进行分析,明确SlNAC29转录因子在调控番茄植株衰老中的生物学功能;进一步利用聚类热图分析过表达植株OE: SlNAC29中29个衰老相关基因、叶绿素降解基因以及ABA合成/信号转导相关基因的相对表达量。并选取在黑暗诱导衰老条件下不同株系植株中表达差异明显的4个基因进行凝胶迁移阻滞分析（electrophoretic mobility shift analysis,EMSA）,以鉴定SlNAC29直接转录调控的靶标基因及其与衰老调控的关系。【结果】SlNAC29在初老叶和衰老叶片中的相对表达量较嫩叶和成熟叶显著上升。自然生长状态下,突变体材料Slnac29与野生型长势以及光合速率无明显差异,而过表达材料OE: SlNAC29株高则显著低于野生型植株,叶绿素含量和光合速率分别是野生型植株的25%和50%。在黑暗诱导衰老的条件下,野生型植株叶片明显变黄,叶绿素含量显著下降。Slnac29突变缓解了叶片衰老程度,叶片无明显变黄,叶绿素含量是野生型的3倍,衰老相关基因（senescence-associated genes,SAGs）和叶绿素降解基因的表达量均较低。OE: SlNAC29则相反,叶片衰老程度比野生型和Slnac29突变体均明显严重。基因聚类分析表明多个衰老相关基因和叶绿素降解基因在OE: SlNAC29植株中显著上调表达。EMSA鉴定到SlNAC29能够直接与衰老相关基因家族SAGs成员SlAGT1（Glyoxylate aminotransferase）启动子绑定,且SlAGT1在OE: SlNAC29中的相对表达量较野生型和Slnac29突变体显著增加。【结论】转录因子SlNAC29调控番茄植株的衰老,促进番茄叶片在黑暗诱导条件下的衰老进程。SlNAC29直接绑定衰老相关基因SlAGT1启动子区域调控其转录表达。     

水稻叶片融合基因LF1的图位克隆及功能分析

[目的]克隆并解析水稻叶片融合基因LF1(Leaf Fusion 1)的功能,为阐明水稻叶片发育的分子机制奠定基础.[方法]lf1为水稻品种'02428'组织培养获得的叶片融合突变体.利用水稻叶片融合突变体lf1与籼稻品种'N22'构建遗传分离群体,精细定位lf1;结合突变体重测序分析确定候选基因,经基因敲除克隆LF1...     

水稻色素基因遗传分析

为了研究水稻色素基因的遗传规律以及与叶绿素合成相关基因的功能,用诱变育种的方法获得 R30 白 化、黄化致死突变体,然后通过其杂合体与 R527、泸恢 17 等正反交,分析 F 1 代出现分离的情况和 F 2 代的分离比例, 同时对杂合体后代的分离比例进行分析。 根据卡方测定的结果,确定了水稻的白化、黄化突变符合孟德尔的遗传定 律,都是由 1个隐性单基因控制的遗传。     

水稻早衰突变体es5的鉴定及其突变基因的精细定位

【目的】对水稻叶片早衰突变体es5进行遗传分析及精细定位,探索水稻叶片衰老的分子机制。【方法】es5是嘉禾212经EMS诱变获得的一个叶片早衰突变体。利用es5与籼稻中恢8015杂交获得F1,F1自交获得分离群体F2。在杭州和海南观察F1和F2的表型,并分析该突变表型的遗传行为。取F2中隐性单株,利用图位克隆方法精细定位该基因。抽穗期时对突变体和野生型叶片进行SOD活性、MDA含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量、净光合速率测定、组织化学分析、透射电镜观察以及衰老相关基因的表达量分析。成熟后调查es5和嘉禾212的几个重要农艺性状。【结果】四叶期前es5表型与嘉禾212相比无明显差异,四叶期时下部叶片叶尖开始黄化衰老,随着植株的生长发育,叶片的衰老面积逐渐变大,至拔节期,中下部叶片黄化衰老严重。与野生型相比,es5的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和净光合速率均显著下降,es5的株高、有效穗数、每穗总粒数、千粒重、结实率等农艺性状都极显著下降。伊文思蓝染色和二氨基联苯胺染色分析结果表明,es5叶片中含有更多的死亡细胞和过氧化氢积累。酶活性和衰老相关参数的测量结果显示抽穗7 d和抽穗21d,es5叶片中的SOD活性均显著高于嘉禾212中SOD活性;抽穗21 d时,es5中MDA含量显著高于嘉禾212中MDA含量;抽穗7 d和抽穗21des5叶片中可溶性蛋白含量均极显著低于嘉禾212中可溶性蛋白含量。透射电镜观察结果表明es5衰老部位细胞质溶解,叶绿体结构异常,叶绿体膜溶解,基粒模糊,基质片层疏松,类囊体发育异常,淀粉体和嗜饿颗粒增多。qRT-PCR结果显示es5中促进衰老的基因Osh36、Osh69、OsI85、RCCR1表达量极显著上调。2个衰老的标志基因Osh69和OsI85表达量分别上调12.7和36.6倍。同时叶绿素降解相关基因SGR也显著上调。遗传分析结果表明该性状是由单隐性核基因控制。采用图位克隆的方法将该基因精细定位在第5染色体上的BF-10和RM3664两标记之间,物理距离约52.7 kb,该区间包含8个开放阅读框。【结论】es5由于叶片的过早衰老造成与产量相关的几个重要农艺性状显著下降。将该基因定位在第5染色体介于标记BF-10和RM3664之间52.7 kb的物理区间内。     

水稻白化转绿基因gra75的精细定位和生理特性分析

【目的】对水稻白化转绿突变体gra75（green-revertible albino 75）进行基因定位,并对其生理特性进行分析。【方法】利用EMS处理粳稻品种日本晴（Nipponbare）的迟熟突变体10079,从后代中获得一个白化转绿突变体gra75。对该突变体的形态特征、生理特性及主要农艺性状进行观察与分析,并应用（gra75/浙辐802）的F2群体精细定位目标基因,遴选候选基因。【结果】gra75突变体叶片从第4叶开始表现出白化性状,从第8叶开始恢复到正常绿色,之前白化的叶片也会逐渐转为淡绿色,成熟期主要农艺性状与野生型没有明显的差异。突变体苗期白化叶的叶绿素和类胡萝卜素含量显著下降,叶肉细胞中叶绿体数目减少,并且叶绿体形态发育不饱满,类囊体片层、基粒和淀粉粒数目减少。遗传分析表明该性状是由1对隐性核基因控制,该基因位于第6染色体短臂InDel标记HC1和HC2之间,遗传距离分别为0.06 cM和0.6 cM,物理距离为120 kb。对该区域候选基因分析和测序,发现LOC_Os06g07210基因（编码核糖核苷酸还原酶大亚基RNRL1）在编码区第716位碱基C突变成T,导致其编码蛋白第239位的丙氨酸（Ala）突变成缬氨酸（Val）。【结论】gra75突变体基因与已报道的水稻淡绿叶基因V3（Virescent3）为等位基因,但gra75突变体苗期的白化转绿性状能稳定表达,且白化表型对后期的主要农艺性状影响不显著,故该突变基因作为叶色标记基因在水稻遗传育种中具有较大的应用价值。     

水稻苗期叶片白化转绿性状研究进展

白化转绿突变体在基础理论研究和实际应用研究方面均具有重要意义.介绍了国内外在水稻白化转绿突变体材料的发掘、生理生化特性、性状遗传、基因定位及克隆、分子作用机理和作为标记性状基因应用等方面的研究进展.     

一个水稻早衰突变体基因的精细定位

【目的】对水稻叶片早衰突变体W330进行遗传分析及精细定位,获得控制突变表型的基因。【方法】用60Co-γ辐射诱变籼型水稻恢复系中恢8015,从突变体库获得一份叶片早衰突变体W330。对该突变体进行表型观察和主要农艺性状调查。利用多代自交稳定的突变体W330与粳稻品种02428杂交,观察F1和 F2的表型,并统计F2群体中早衰突变表型与正常野生型的分离情况,分析该突变表型的遗传行为。利用构建的F2群体进行精细定位和候选基因分析,然后对候选基因进行DNA测序、酶切分析、表达分析、酶活测定及进化分析。【结果】突变体W330从三叶期开始出现叶片衰老,直至抽穗期及黄熟期。与野生型相比,突变体W330株高变矮、分蘖减少、叶片变窄、抽穗期不变、每株有效穗数、每穗着粒数和结实率亦显著降低。W330与02418杂交的F1表现正常,F2群体中正常植株与早衰突变植株的分离比符合3﹕1,表明突变体W330的突变性状受1对隐性核基因控制。利用F2定位群体及SSR、Indel标记,最终将目标基因定位在第3染色体短臂上2个分子标记CD-5与CD-7之间,物理距离约为21.5 kb。基因预测表明该区域共有4个完整的ORFs。其中,LOC_Os03g0131200编码一个过氧化氢酶OsCATC,基因组序列分析表明,W330突变体中的该基因从ATG开始第109位,在第一个内含子的末位发生了一个C到G的颠换,造成第一个内含子没有剪切,最终导致翻译提前终止,酶切试验验证了这一突变位点。与野生型亲本中恢8015相比,W330突变体在三叶期叶片中的过氧化氢酶的活力下降了47.8%,而过氧化氢含量上升了2.7倍。由此,推定W330与OsCATC等位。系统进化分析发现,OsCATC与水稻中同源的过氧化氢酶不在同一进化分支上。实时荧光定量PCR发现,与其野生型相比,突变体W330叶片中的OsCATA和OsCATB的表达量显著上升,而OsCATC的表达量没有明显的变化。推测,这3个高度同源的基因在水稻体内可能存在互补机制。【结论】W330突变体基因是已报道的过氧化氢酶基因OsCATC的等位基因。W330突变体在第一个内含子上发生的一个点突变造成可变剪切的发生,使得水稻一个过氧化氢酶失活,导致突变体W330突变表型的出现。     

黄瓜白化突变体分析与突变基因al的精细定位

【目的】对黄瓜白化叶片突变体进行生理和遗传分析,并对该突变基因al进行精细定位,为阐明影响黄瓜叶绿体发育的重要代谢或调控机制提供参考。【方法】以2个不同背景的黄瓜材料Gy14和9930为亲本,分别与携带白化突变基因的杂合材料649构建F_2群体。对F_2群体中的野生型和白化突变体进行光合色素含量测定及叶绿体结构观察,同时筛选多态性分子标记引物,结合基因组重测序技术,对突变基因al进行精细定位。【结果】对al突变体进行表型观察,发现刚出土时其子叶颜色浅黄,之后逐渐白化,确定该白化突变为致死突变性状。与野生型相比,al突变体光合色素含量均极显著低于野生型,且叶绿素a、叶绿素b含量平均降低了90%以上。通过透射电镜对叶肉细胞内叶绿体结构进行观察发现,与野生型相比,al突变体子叶叶肉细胞中几乎无法观察到叶绿体的存在。对al突变体进行遗传分析发现,该白化性状是由一对隐性核基因控制的质量性状。通过BSA、分子标记定位、基因组重测序和染色体步移等方法,最终将al基因定位于黄瓜第7号染色体上约66 kb区间内。【结论】黄瓜白化突变的形成与叶绿体的形成密切相关,由单基因突变产生,定位于黄瓜第7号染色体上。     

水稻叶形遗传调控机理的研究进展

叶片是水稻光合作用的重要器官,水稻的叶形与产量密切相关。利用构建的多种遗传群体和突变体库,目前已定位和克隆到多个参与叶形调控的基因。综述了叶形遗传调控机理的研究进展,汇总了参与调控叶形相关的QTLs和基因,并对该领域的研究进行展望。     

萝卜紫红叶色突变体的色素含量及光合特性研究

萝卜作为重要的蔬菜作物,其叶色突变体是培育萝卜新品种的优良种质,是进行叶片色彩变异、色素合成、遗传发育调控机制等一系列研究的理想材料。以化学诱变获得的能够稳定遗传的萝卜叶色突变体mu17为材料,以突变亲本Ra9为对照,观测其植物学性状,测定了光合特性、色素含量、叶绿体超微结构,并采用qRT-PCR检测叶片花青素代谢与调控路径相关基因的表达差异。结果显示：相比于同一时期的对照Ra9植株,萝卜突变体mu17的叶片在整个营养生长期内表现为紫红色,生长较为缓慢,气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率明显升高,但净光合速率显著下降;叶绿素a、b与类胡萝卜素含量均低于对照Ra9,叶片花青素含量则显著高于对照Ra9。由此,推测花青素含量的积累和叶绿素含量的降低是突变体mu17叶色发生变化的主要因素,也是其光合作用下降、植株生长缓慢的主要原因。突变体mu17的花青素合成基因RsCHI、RsCHS、RsF3H及其调控基因RsMYB3、RsMYB4、RsMYB114、RsbHLH155表达水平,均与对照Ra9差异显著;推测RsMYB、RsbHLH等转录因子通过协同调控萝卜花青素合成相关基因RsCHS、RsCHI、RsF3H等的表达水平,促使紫红叶突变体花青素大量积累。上述从生理与分子水平上初步探究了萝卜彩叶突变体的叶色变化机理,为即将开展的突变基因精细定位与图位克隆奠定了良好基础,为改良和培育萝卜新品种提供了理论依据。     

水稻白化突变体alb24的遗传分析及其基因定位

[目的]对水稻叶色发育缺陷突变体的研究有助于阐释高等植物叶绿体发育和光合作用所必需的基因网络。[方法]从籼稻品种华粳籼74发展的一个株系中出现幼苗期叶片白化、四叶期枯死的表型分离,通过与粳稻中花11构建F_2群体和分子标记,对突变体进行遗传分析和基因定位。[结果]该白化突变体由一对隐性核基因控制,暂命名为alb24,定位于第6染色体SSR标记RM276和Indel标记ID4955-1之间,遗传距离分别为5．0和0．1cM。[结论]ALB24基因的初步定位为进一步的精细定位和克隆该基因奠定了基础。     

调控水稻产量性状的分子机理研究进展

随着水稻高产相关基因的克隆与功能分析,调控水稻产量的分子机理逐渐被人们了解与解读。株型控制由基因IPA1及4个直接控制分蘖的基因来共同完成。已报道的与穗发育相关的基因有11个,其中3个基因参与穗分化基本生物学过程,6个基因参与调控籽粒分化比率,2个基因参与调控穗分化期。控制水稻粒型和粒重的基因有5个,分别参与籽粒长、籽粒宽和灌浆过程。水稻产量基因的克隆与解读为水稻高产育种提供了理论指导。     

水稻粒形遗传调控研究进展

粒形影响水稻产量与品质,是受多基因控制的具有较高遗传率的重要农艺性状。目前,许多水稻粒形相关基因已被克隆并进行了功能解析,这些基因大多表现为一因多效,并与其他粒形相关基因共同协调表达,进而构成调控网络。对93个已克隆的水稻粒形相关基因进行了总结,并详细描述了主效粒形调控基因的克隆以及基因间的相互作用,揭示了水稻粒形调控网络,为水稻粒形基因间的互作分析、调控机制的解析以及作物优良育种奠定了重要的理论基础。     

一个水稻卷叶突变体zw209的遗传分析与精细定位

叶片是植物光合作用的主要场所,优良的叶片形态有利于塑造理想株型,提高光合效率。为了研究叶片形态建成的分子机制,从水稻T-DNA突变体库中筛选到1个叶片极度卷曲的突变体zw209,突变体有2个显著特征:1突变体泡状细胞数量和面积均变小;2突变体的叶绿素含量较高,具有较高的光合效率。遗传分析表明,zw209的突变性状由一对隐性核基因控制。通过图位克隆,将基因(ZW209)精细定位到9号染色体长臂上,位于In Del136和In Del140之间的92.3 kb区域内。在这个区域内,尚未见报告已克隆的卷叶基因,很可能是一个新的基因位点。上述结果明确了突变体的表型特征及遗传规律,为克隆ZW209基因和揭示其作用机理奠定基础。