植物叶色变异分子机制研究进展

叶色变异是自然界中普遍存在的一种现象,叶色突变体不仅是研究光合系统、叶绿素代谢及叶绿体发育等通路的理想材料,对叶色变异突变体基因进行定位还有助于深入阐明叶色基因的调控机理,对作物遗传改良和提高产量具有重要的指导意义。本研究从叶绿素代谢、血红素代谢、叶绿体发育基因、核质转运途径、类胡萝卜代谢和嘌呤核苷酸合成途径等方面阐述了植物叶色变异的分子作用机制,为叶色突变体的研究提供了科学依据。     

水稻叶色突变体及其基因定位和克隆的研究进展

叶色突变是水稻中较常见的一种突变类型,在水稻功能基因组研究、植物光合作用的生理生化机制研究和遗传育种应用等方面具有无可替代的价值。本文综述了近年来有关水稻叶色突变的类型及来源、遗传机理、应用前景等,着重介绍水稻叶色突变相关基因的定位与克隆研究进展。     

水稻白化突变体遗传机理与发掘利用研究进展

在自然界中存在大量的叶色突变体,对叶色突变体的研究可以探索叶绿体发育进程、光合色素代谢及核质互作信号通路等。随着分子生物学的发展,越来越多的水稻叶色突变基因被挖掘利用。本研究从水稻白化突变体类型、产生原因及作用机理等方面进行论述,并介绍了白化突变体在水稻杂交育种及基础研究中的应用价值,为深入发掘利用水稻白化突变基因提供一些建议。     

水稻黄叶突变体ys94的鉴定与基因定位

水稻突变体ys94,是一个来源于化学诱变的叶色突变体。突变体在三叶期前出现明显的黄叶表型,叶绿素a、叶绿素b含量下降;透射电镜观察表明,突变体叶片叶绿体数量减少、类囊体片层退化。三叶期后叶色开始转绿。成熟期突变体ys94的分蘖数减少,但在结实率和株高等性状上与野生型相比并无明显差异。遗传分析表明,ys94的突变性状由一对隐性核基因控制。利用ys94×DJY组合的F_2定位群体,将突变基因定位在第8染色体短臂标记M8-3和M8-24之间,两标记间的物理距离为140kb,此区间包含11个候选基因。本研究结果为候选基因的克隆和功能分析奠定了基础。     

哈密瓜叶色黄绿突变体Cmygl-1的高光合生理特性分析

叶色突变体是研究植物光合系统的结构和功能、叶绿素生物合成及其调控机制的理想材料.为了探究哈密瓜叶色黄绿突变体Cmygl-1的光合生理特性,以突变体、野生型近等基因系及F2遗传群体为试材,对叶色表型、农艺性状指标分别进行调查统计,并采用分光光度计法和试剂盒法分别测定叶绿素含量和酶活性,利用LI-6400光合仪和透射电镜分...     

一个新的水稻细条纹叶色突变体特性分析和基因克隆

叶色突变体作为一种易于观察的性状突变,是开展光合系统的结构和功能、叶绿素生物合成及其调控机制研究的理想材料。本研究以水稻T-DNA插入细条纹叶色突变体为研究材料,通过叶片的形态鉴定、石蜡切片、叶绿素和光合速率测定,分析突变体的表型和光合特性;采用TAIL-PCR技术,定位和克隆该突变基因。结果表明:突变体苗期幼叶上呈现间断的白色细条纹,而叶鞘、叶脉表现正常,三叶期后至分蘖期叶片逐渐转绿;突变体叶色对温度变化敏感;是国内外尚未报道的一种新型水稻细条纹叶色突变体。根据T-DNA插入标签,确定突变候选基因位于第7染色体上,并对候选基因进行了克隆已获得部分cDNA序列,暂命名为fs3(t)。     

一个玉米叶色突变体的遗传分析与基因定位

在玉米自交系4H8中发现一个叶色突变体,自然条件下,该突变体幼苗叶色呈淡绿色,生长明显缓慢,逐渐萎蔫死亡.利用出现淡绿色幼苗的自交系4H8杂合体以及其与绿色自交系40-6构建的一套分离群体对叶色淡绿色突变体进行了遗传分析,发现4H8的淡绿色基因由1个隐性核基因控制,初步命名为vll(Virescent leaf 1),并用SSR 分子标记将该基因初步定位在第1染色体的长臂上,位于SSR标记umc1323和umc1709之间,与二者的遗传距离分别为2.1 cM和10.3 cM.该研究结果为今后该基因的克隆和功能分析奠定了基础.     

一个水稻温敏黄化突变体的表型分析和基因定位

对水稻叶色进行表型分析与基因定位,可为图位克隆该类基因和研究水稻光合系统功能奠定基础。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate,EMS)诱变的方法,从籼稻品种"南京11"(简称NJ11)中获得温敏黄化突变体dy1;与野生型相比,dy1在自然环境下,从苗期至成熟期始终表现叶片黄化,透射电镜显示dy1类囊体结构异常;同时株高、分蘖数、结实率等农艺性状也表现出极显著的差异;实验室光照培养箱条件下,dy1苗期在20℃下表现白化,在25℃表现黄化,在30℃下为浅绿的表型;遗传分析表明水稻温敏黄化突变体dy1的表型是由1对隐性基因控制;将突变体与粳稻广亲和品"02428"杂交,构建F2群体,从中选出隐性极端个体,通过基因定位,将控制黄化的基因限定在第1染色体长臂上标记Y-4和Y-35之间的115 kb的区间内,含有16个开放阅读框(ORF),测序发现,dy1中编码尿嘧啶核苷酸激酶的基因LOC_Os01g73450的第4个内含子与第5个外显子交界处存在单碱基替换,拟作为候选基因;且叶绿体合成相关基因表达量显著降低,猜测该基因可能参与了叶绿素合成途径。     

谷子条纹叶突变体wsl2的鉴定及候选基因分析

谷子叶色突变体是探究叶绿体发育机制和C4光能利用率的理想材料之一。为了研究谷子叶色突变的分子机制,从谷子主推品种长农35号的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变库中筛选鉴定到一个苗期条纹叶突变体wsl2,通过表型鉴定、遗传背景检测和遗传分析,同时利用MutMap方法快速精细定位突变基因,并根据突变位点开发共分离分子标记等方面对该突变体进行研究。结果表明,wsl2在苗期表现为条纹叶表型,但从拔节期开始恢复为正常叶片表型;wsl2与野生型遗传背景相同且wsl2受一个隐性核基因控制;MutMap精细定位的关联区间内包含9个非同义突变基因,其中,Seita.9G561800是一个编码与叶绿体相关的PsbP蛋白基因,含有6个外显子和5个内含子,在第1外显子77 bp处发生G/T碱基突变,导致一个精氨酸(R)突变成亮氨酸(L)。根据突变碱基设计了dCAPS标记MRI498-1(Cac8Ⅰ)和共分离标记MRI501-3,进一步验证了wsl2突变体的候选基因突变位点。研究鉴定了一个新的条纹叶突变体wsl2,对PsbP基因光合作用反应机制的进一步研究奠定了理论基础,丰富了谷子叶色突变体资源,同时验证了MutMap方法克隆谷子突变基因的有效性。     

水稻圆粒基因RS的鉴定和定位

阐明水稻籽粒大小相关基因的遗传和分子机制对水稻产量形成具有重要意义。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)诱变粳稻品种"宁粳3号"筛选获得圆粒突变体round seed (rs)。遗传分析表明,突变体rs圆粒表型由单隐性核基因控制。颖壳扫描电镜观察发现,rs籽粒变圆主要是细胞数目改变导致的。在突变体rs中,细胞周期相关基因的表达较野生型显著升高。将RS定位在第3染色体短臂标记RM3413与N3-5之间,物理距离约589 kb。RS突变影响BR信号途径,改变了粒型相关基因的表达。本研究有助于阐明水稻籽粒发育的分子机制。     

普通小麦颖壳蜡质缺失突变体glossy1的转录组分析

为了明确突变体颖壳蜡质含量显著变化的分子机制,本研究对源自济麦22颖壳蜡质缺失突变体glossy1与野生型进行了转录组分析。结果表明,在glossy1突变体中,共筛选到12,230个差异表达基因,其中5811个基因在突变体中上调表达,6419个下调表达。GO(gene ontology)功能富集分析发现,差异基因主要富集在蜡质合成和转运途径,具体分布在酰基转移酶活性、脂质结合和水解酶活性等条目,由此推测这些途径与小麦穗部蜡质缺失性状是紧密相关的。我们还利用RT-qPCR检测了参与蜡质代谢途径部分基因的表达,结果与转录组结果是一致的。本研究为今后探究小麦蜡质代谢的分子机制和基因调控网络提供了数据支持,同时也为抗逆小麦育种奠定了理论基础。     

水稻白条纹叶Gws基因的精细定位与遗传分析

叶色突变是一类十分明显的性状突变,在高等植物的叶绿素合成、叶绿体结构、功能、遗传、分化与发育等基础研究中均具有重要意义。到目前为止,已鉴定多个重要的水稻功能基因,据不完全统计,水稻中至少已定位了79个叶色突变位点,并已成功克隆出多个叶色相关基因,其中OsCHLH、OsCAO1、OsCAO2、chlorina1、chlorina9、ygl等直接参与编码叶绿素合成,其余基因均参与叶绿体发育调控。在日本晴(Nipponbare)T-DNA插入突变体库中筛选到一份对温度敏感的白条纹突变体gws(green-white-stripe),遗传分析表明它来自组织培养过程中的单隐性基因突变。利用gws与培矮64杂交组合的F2代群体,将Gws精细定位于第6染色体标记InDel15和InDel16之间,物理距离为73kb,此区间内包含13个基因。基因组序列分析发现,突变体在核糖核苷二磷酸还原酶小亚基(ribonucleoside-diphosphate reductase small chain,RNRS1)编码区第314～315碱基发生缺失,第316～317碱基由GC变为TT,导致该基因阅读框移码突变,蛋白质翻译提前终止。该基因是已经报道的水稻白条纹叶基因St1(Stripe1)的等位基因,gws突变体较st1突变体的白条纹出现早且明显,gws白条纹表型出现在第2片叶之后,而st1的白条纹表型仅出现在第4或5片叶之后。     

水稻温敏型叶片白化转绿突变体tsa2的表型鉴定与基因定位

水稻温敏型叶色突变体是研究植物光合作用、叶绿体结构和功能以及温度影响叶绿体发育的理想材料。利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼型水稻(OryzasativaL.)三系保持系西农1B,从其后代中筛选到一个突变性状稳定遗传的温敏型叶片白化转绿突变体tsa2 (temperature-sensitive green-revertible albino 2)。与野生型相比, tsa2突变表型受温度影响, 22°C条件下萌发的野生型幼苗表型正常,而tsa2幼苗完全白化,且约40%白化苗死亡,存活白化苗的光合色素含量、光合速率均显著降低,成熟期主要农艺性状均显著变劣;在28°C下萌发的tsa2幼苗叶片呈浅绿色并伴有白条纹,其光合色素含量显著降低,光合速率及主要农艺性状差异较小; 32°C下萌发的tsa2幼苗叶片无明显差异。透射电镜观察显示,与野生型相比,tsa2在22°C下叶肉细胞中无叶绿体或存在异常发育叶绿体(尚未分化出基粒和基层),在28°C下部分叶肉细胞含少量发育完整的叶绿体,在32°C下叶肉细胞数量及形态均正常。实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析表明,与野生型相比,tsa2突变体中部分光合色素代谢途径基因、叶绿体发育相关基因及光合作用相关基因的表达水平呈不同程度变化。遗传分析表明, tsa2突变表型受一对隐性核基因控制, TSA2被定位于第5染色体SSR标记S5-57和S5-119之间,物理距离为718 kb。本研究为水稻遗传改良及研究温度影响叶绿体发育机制奠定了基础。     

水稻温敏感失绿突变体tcd51的遗传分析及其基因定位

从粳稻品种‘嘉花1号’的60Coγ射线辐照的后代中筛选到一个水稻温敏感失绿突变体tcd51,该突变体在24℃条件以下,幼苗从三叶期开始呈白色失绿,而28℃以上条件下其表型与野生型‘嘉花1号’一致,呈正常绿色,表明其幼苗叶色失绿是一种温敏感性状。透射电镜观察表明,突变体tcd51的叶绿体在20℃条件下发育不全,且光合色素含量明显下降,而在32℃条件下叶绿体结构和光合色素含量与野生型基本一致。遗传分析表明,该温敏感失绿突变表型受1对隐性核基因(tcd51)控制。利用该突变体与‘培矮64S’杂交构建F2群体以及InDel和SSR分子标记,将tcd51基因定位在水稻第5染色体上的ID5与ID7分子标记之间的507 kb的区间内,跨越6个BACs,包含26个ORFs。转录表达分析表明,tcd51突变体在20℃低温条件下叶绿素合成、光合作用和叶绿体发育相关基因(PORA,psa A,psb A,rpo B,rpo C)转录水平大幅度下调,而在32℃条件下与野生型无明显差异,说明TCD51可能是一个低温响应且受低温影响的水稻苗期生长的关键基因。本研究为tcd51基因的进一步克隆和功能探索提供了一定的参考。     

水稻短根白化突变体sra1生理生化分析及基因定位

叶色突变体是研究光合作用及叶绿素合成与降解途径的理想材料,有助于了解高等植物叶绿体发育和光合作用的调控机制。利用甲基磺酸乙酯(EMS)处理西农1B,获得一个短根白化突变体sra1 (short radicle and albino 1),从出芽至第三叶期叶片始终为白色,胚根较同时期野生型明显变短。对相同位置的叶片观察发现,西农1B叶肉细胞叶绿体含量丰富且膜系统发育完整,而sra1叶肉细胞液泡化严重,叶绿体数目明显减少或没有,基粒类囊体垛叠松散且稀少。生理生化分析发现sra1叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量接近于零,净光合速率为负值。遗传分析表明该短根白化表型由单个隐性核基因控制,最终将SRA1定位于水稻第3染色体长臂InDel标记Z-20和Z-42间,物理距离约657 kb,是一个未报道的新基因。     

水稻新黄绿叶基因YGL9的分子定位

叶色突变体是研究高等植物光合作用、叶绿素代谢途径、叶绿体结构与功能分子机制的理想材料。本研究从EMS(ethyl methane sulfonate)处理的缙恢10号(Oryza sativa L.ssp.indica)诱变群体中发现了一个苗期呈现黄绿色、抽穗期渐变为淡绿色的叶色突变体,命名为yellow green leaf 9(ygl9)。与野生型相比,ygl9苗期和分蘖期光合色素极显著降低,抽穗期光合色素显著降低,气孔长度、气孔导度和蒸腾速率极显著增加,净光合速率无明显变化。透射电镜观察表明,ygl9的嗜锇小体增多、基粒模糊、基质片层减少且疏松,但叶绿体结构基本完整。遗传分析显示该突变性状受1对隐性核基因调控。利用西农1A/ygl9 F2群体中的759株隐性单株,最终将YGL9定位在第3染色体短臂SSR标记S03-1和In Del标记Ind03-19之间,遗传距离分别为0.13 c M和0.07 c M,物理距离为63 kb。本研究为YGL9基因的克隆和功能分析奠定了基础。     

水稻类病斑突变基因的克隆及其机制研究进展

水稻类病斑的形成过程受到基因突变、代谢絮乱、活性氧积累、激素失衡、离子通道受阻、细胞程序性死亡过程失控、非生物因素胁迫等影响。类病变过程通常伴随植株抗病性的提高,并且防御系统相关基因的表达也会上升。目前,类病斑突变体的研究主要集中在突变基因的定位、克隆以及功能分析等方面。本研究综述了水稻类病斑突变体的发生机制,特别对目前已克隆的类病斑基因位置、编码、功能等进行了梳理,并对水稻类病变细胞程序性死亡的发生机制进行了提炼,最后提出类病斑突变体研究以及水稻育种实践的展望。本研究对进一步分析水稻类病斑突变基因的防御反应调控机制以及育种应用具有重要意义。     

水稻白穗突变体wp7的鉴定及基因定位

水稻白穗变体可用于研究穗部叶绿体发育机制及光合作用机理,进而指导产量性状的改良。在水稻育种材料中发现一个白穗突变体wp7 (White panicle 7),对其进行表型观察、光合色素含量与光合指标测定、显微结构观察、遗传分析和基因定位。结果表明:其抽穗期颖壳白化,枝梗和穗轴绿色。wp7的颖壳叶绿素与类胡萝卜素含量均低于正常材料,而叶绿素a差异最显著,说明白穗wp7叶绿素a偏低造成其颜色异常。wp7白穗净光合速率低于正常绿穗而气孔导度、胞间CO2浓度均高于正常绿穗,表明wp7相关基因突变严重损害穗部光合作用。通过透射电镜(TEM)观察发现突变严重影响叶绿体发育,wp7中白色部分质体数量少且结构异常,无正常类囊体片层,绿色部分的叶绿体片层结构稍有异常。遗传分析表明很可能是两对隐性核基因控制wp7的白化表型。采用回交群体结合InDel标记,将其中一个基因WP7-1定位于第2染色体的C02D089和C02D095之间,其遗传距离分别为1.6和15.5 cM。本研究为WP7-1的克隆和功能分析提供基础,丰富了研究水稻颖壳中叶绿体发育机制和光合作用机理的材料。     

水稻叶色白化转绿及多分蘖矮秆突变体hfa-1的基因表达谱分析

hfa-1的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw-1(t)控制。该基因编码含线粒体交替氧化酶AOX结构的叶绿体蛋白,通过参与叶绿体呼吸电子传递链,对类胡萝卜素生物合成途经及其次生代谢途径进行调控。本研究对hfa-1突变体叶色白化转绿过程中的类胡萝卜素生物合成途径、与该途径有关的植物激素代谢途径的相关基因进行表达分析,并分析了hfa-1突变体在白化、转绿两个时期的基因表达谱。结果表明,类胡萝卜素、植物激素(GA、ABA和SL)生物合成相关基因在hfa-1突变体白化期叶片中表达量减低,暗示hw-1(t)基因的突变抑制了苗期类胡萝卜素合成,同时还对涉及该过程相关多个次生代谢途径产生影响。通过基因表达谱芯片和功能分类分析,发现hfa-1叶色白化转绿过程中上调和下调表达基因涉及的生理过程主要在光合作用、应对内源刺激物和胁迫响应等方面;其中电子传递体Cytb6/f复合蛋白合成相关基因上调表达明显,推测Cytb6/f蛋白复合体在电子传递和质醌库还原氧化上对hw-1(t)起一定的补偿功能。     

水稻淡黄叶突变体-标810S叶色标记的应用研究

对水稻淡黄叶自然突变体安农标810S的SPAD值（叶绿素含量）及叶色标记在生产中的应用进行了研究,结果表明．突变体的SPAD值在整个生育阶段,与对照相比存在极显著差异．而安农标810S的杂交后代与安农810S及恢复系之间,全生育期SPAD值没有显著差异。由于安农标810S淡黄叶标记性状明显．且全生育期稳定表达．在杂交水稻生产田和不育系繁殖田．利用淡黄叶标记进行去杂．效果非常显著。以淡黄叶色标记为识别手段．可以,陕速准确地鉴定杂交种纯度以及不育系纯度,从而确保生产用种安全．