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。     

油菜叶色突变种质资源筛选与遗传特征初步分析

作物叶片叶绿素含量与叶片光合能力密切相关,能影响农作物的产量。本研究通过EMS诱变甘蓝型油菜中双11,单株收获诱变后第一代并通过诱变后第二代大量筛选鉴定获得油菜叶片叶色稳定突变种质资源62份,分析了筛选获得的叶片叶色突变体的遗传分离比和测定了相关突变体的叶片叶绿素含量。结果显示,获得的突变体按照叶色分成五类,叶色深浅与其叶绿素含量相一致;突变株系60%由多位点突变导致,37%由少数位点突变导致;24%突变株系叶绿素含量明显高于对照,76%的叶绿素含量约低于对照;叶绿素含量低的突变株系中,70%的突变株系叶绿素b的改变程度大于叶绿素a,30%的突变株系叶绿素a的改变程度大于叶绿素b。这些叶色稳定突变体的获得为将来遗传基础研究以及作为种质资源培育高光效油菜新品种奠定材料基础。     

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)。     

小白菜(Brassica chinensis L.)黄苗突变体的叶绿素荧光特性栽

叶片失绿(黄化)突变体是研究高等植物叶绿素合成、叶绿体遗传和发育的好材料.用这种突变产生的叶色变异作为形态标记在生产上有广泛用途.目前已在玉米、小麦、水稻、大麦、大豆、白菜、油菜、棉花等多种作物中发现或利用诱变技术创造了一些这样的突变体,并分别对其遗传特点、超微结构、叶片蛋白、光合生理等进行了研究.在光合     

拟南芥失绿突变体生理特性及其基因定位

通过筛选T-DNA插入突变体库得到一种叶色失绿拟南芥突变体yg (yellow green),为了研究该失绿突变体的性状变化及发生原因,对其表型、光合色素含量、叶绿体超微结构进行观察或测量,并通过染色体步移法定位了突变基因和T-DNA插入位点。研究发现,突变体yg整个生长期均呈浅黄绿色或黄色,植株瘦弱,生长迟缓,干鲜比、植株高度、基部抽薹数均低于野生型;其叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量相对野生型分别减少了90.6%、89.6%、79.7%;透射电镜观察表明,该突变体叶绿体发育异常,类囊体排列松散,基粒片层断裂,淀粉粒较少,嗜锇颗粒数量显著增加;基因定位发现yg的CHLI1基因发生突变,T-DNA插入点位于5’UTR第24 bp后,导致该基因表达量显著降低。本研究明确了该突变体的失绿机制,进一步证实了CHLI1基因在叶绿素合成过程中的重要功能。     

水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响

突变体水稻叶绿素含量仅是其野生型水稻的51%,但是其饱和光合值在低氮、中氮、高氮处理下,却比对照野生型水稻分别高3.7%、20.4%与39.1%。为了探究其生理学机制,分别在大田与盆栽试验中,不同氮肥水平研究了突变体材料与野生型材料的叶片Rubisco酶含量、气孔导度、水通道蛋白表达水平、叶绿素荧光、叶片解剖结构和叶绿体超微结构。叶绿体超微结构表明突变体材料虽然叶绿素含量降低,叶绿体的发育并未受到影响;叶绿素荧光试验结果表明,高光强下,低叶绿素含量突变体并未受到光抑制,光反应电子传递未受影响。气孔导度数据、叶片显微结构观察与水通道蛋白基因表达数据表明叶黄突变体具有较高的气孔与叶肉导度;同时低叶绿素含量突变体内较高的Rubisco酶含量也是其在高光照条件下具有较高光合速率的重要原因。产量数据表明,叶黄突变体虽然生育期短,但其产量水平与对照无显著差别,这可能与其高光强条件下有较高的光合速率有关。上述试验结果表明高叶绿素含量并不是叶片高光合速率的必需条件。在今后的高光效育种中,挑选叶绿素含量适宜的品种更有利于叶片内氮素在其他光合器官中的分配,提高光合效率,最终获得高光效品种。在本研究中使用的叶绿素含量降低突变体在高光效育种中有潜在的研究价值。     

贵州黎平杂边禾突变体dss-1光合生理特性与保护酶活性研究

为探讨经EMS处理后获得的贵州黎平杂边禾小粒矮秆突变体dss-1(dwarf small seed-1)表观性状和生理生化变化,我们观测了突变体的农艺性状,测定了保护酶活性,并以LI-6400XT光合系统进行了光合生理特性分析。结果表明,与野生型相比,dss-1突变体表现出植株矮化、株型直立、叶色深绿、第二节间极度缩短、籽粒小而圆、穗长增加等性状。该突变体成熟期的光合速率(8.9μmol·m~(-2)·s~(-1))和叶绿素含量(4.8 mg/g FW)比野生型(光合速率为6.7μmol·m~(-2)·s~(-1),叶绿素含量为3.0 mg/g FW)高24.72%和37.5%;分蘖期突变体光合速率(18.7μmol·m~(-2)·s~(-1))和叶绿素含量(5.7 mg/g FW)比野生型(光合速率是16.8μmol·m~(-2)·s~(-1)和叶绿素含量是4.5 mg/g FW)增加了10.16%、21.05%。突变体dss-1的初始荧光产量(Fo)是175.1,最大光合效率(Fv/Fm)为0.79,比野生型(Fo为141.01,Fv/Fm为0.78)高19.50%和1.3%,电子传递速率(ETR)、PSII的光化学效率(ΦPSII)和光化学淬灭(q P)分别是96.73、0.16、0.71,均低于野生型(ETR是106.13、ΦPSII是0.20及q P是0.75)。dss-1突变体MDA含量为0.90 nmol/mg(FW),比野生型增加58%,差异达到极显著水平。说明dss-1突变基因与该突变体生理生化变化和表型特征具有一定相关性。     

水稻叶色突变体研究进展

光合作用是水稻生长发育的生理基础,叶片是水稻进行光能转化的主要组织,水稻叶色突变在一定程度上间接影响水稻产量。创制水稻新的叶色突变体,解析其基因突变的分子机制对水稻的功能基因组学研究和杂交水稻育种具有重要意义。本研究从已定位和克隆的部分叶色基因综述了水稻叶色突变体分类、产生、基因突变的分子机制(包括叶绿素合成与代谢途径,叶绿体发育途径以及其他途径)、水稻叶色突变体的应用与展望,并归纳了部分叶色基因在突变体中的表达情况,将有助于研究水稻光合作用途径和机制。     

2个水稻温敏感叶色突变体的光合特性研究

为了探究水稻突变体表观与其生理特征之间的相关性与联系,利用经60Co-γ射线辐射的粳稻品种‘嘉花1号’后代中的2个温敏感叶色突变体mr21和mr06作为研究对象,分别对其苗期的叶色、叶绿素含量、荧光特性和叶绿体超微结构进行研究。结果表明,突变体mr21在20℃条件下生长时幼苗表现为黄色,32℃高温时呈绿色;与之相反,突变体mr06在20℃时为正常绿色,而在高温时为白化;电镜观察结果表明低温下的mr21和高温下的mr06的叶绿体结构发育不完全,与其叶绿素含量和叶绿体与叶色变化相一致。光合作用参数研究表明无论低温还是高温的2个突变体的Fv/Fm,ΦPSⅡ值均低于其野生型对照,这说明突变体的光能捕捉效率和转换效率都有所降低,进一步快速光曲线分析表明,2个突变体及野生型之间对光强的响应能力具有特异性。     

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。     

Less Chlorophyll Does not Necessarily Restrain Light Capture Ability and Photosynthesis in a Chlorophyll‐Deficient Rice Mutant

A chlorophyll‐deficient rice mutant, yellow‐green leaf 1 (ygl1), with a photosynthetic rate similar to that of wild type (Oryza sativa L., cv. Zhenhui 249 China) is presented in this study. Forty percent of the chlorophyll in the mutant captured 70 % of the light in photosystem II (PSII) compared with wild type. The 30 % decreased light in the mutant was compensated for by a relatively higher quantum yield of PSII, which conferred a total electron transport rate (J_T) equal to that in wild type. More photons were absorbed by wild type and exhausted through thermal dissipation. Gene expression analysis of the thylakoid membrane showed that the chlorophyll deficiency in the mutant did not impair the electron transport chain. To determine why the photosynthetic rate was similar between the chlorophyll‐deficient mutant and wild type, the leaf nitrogen (N) and Rubisco contents, stomatal and mesophyll CO₂ conductance, and chloroplast development were investigated. Our results indicate that the chlorophyll deficiency in the mutant had no negative impact on the chloroplast development in terms of size and grana stacking; moreover, the chloroplastic CO₂ concentration and Rubisco content were comparable to those in wild type. We conclude that the light‐capturing ability of normal rice plants is not fully utilized and that absorbed light in the chlorophyll‐deficient mutant is more efficient in participating photosynthesis.     

芝麻黄化突变体YL1的叶片解剖学及光合特性

表型性状标记在作物遗传育种中具有重要的应用价值。在芝麻地方种质"庙前芝麻"中发现了能够稳定遗传的黄化突变体YL1,对该突变体的叶片解剖特征、光合特性及农艺性状的比较分析表明,突变体YL1黄化心叶和平展叶在各个发育时期的叶绿体结构均与同时期野生型存在明显差异,下表皮气孔保卫细胞数是正常叶的2倍左右。YL1的叶绿素a、总叶绿素、类胡萝卜素含量均只有同时期正常含量的30%~40%,叶绿素b含量只有正常叶的20%;光合速率在初花期及以前均显著低于同期正常叶,但到终花期与正常叶相当;YL1的生育期和初花期显著推迟,株高和单株蒴果数明显降低,每蒴粒数和千粒重略微降低。显微观察表明,YL1的叶绿体形态结构发育不规则,基粒和基粒片层数目明显少于野生型,使得叶绿素含量过低,属于叶绿体发育异常导致的叶绿素缺少型突变体。     

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。     

一个化学诱变的小麦斑点叶突变体的生理和遗传分析

通过EMS诱变普通小麦品系H261获得一个稳定遗传的斑点叶突变体LF2010。在自然条件下, 该突变体在三叶期叶片基部开始出现黄色斑点, 随后逐步扩散到全片叶、叶鞘、颖壳和麦芒。斑点部位不存在细胞死亡, 斑点性状的表达受光照和温度诱导, 突变体的色素含量、光合速率随着斑点的出现而显著下降。突变体的株高、有效穗数、单株产量、穗长、结实率和旗叶长等农艺性状显著下降, 但是千粒重和旗叶宽却与野生型无差异。将突变体与正常绿色品系杂交, 对其F₁、F₂和BC₁代的遗传分析表明, LF2010的突变性状由1对隐性核基因控制。     

水稻叶缘白化突变体mal的遗传分析与基因定位

植物叶色变化对叶绿体发育和叶绿素生物合成等光合系统结构和调控机制的研究有着重要的理论意义。水稻叶缘白化突变体mal (marginal albino leaf),来源于恢复系缙恢10号(Oryza sativa L.ssp. indica)的EMS诱变群体,经过多代自交,其突变性状遗传稳定。与野生型相比,mal突变体整个生育期叶片边缘白化且叶片变窄,抽穗期倒三叶叶片、倒二叶叶边缘以及倒三叶叶边缘的叶绿素含量极显著降低。透射电镜观察发现,mal突变体叶片绿色部位细胞与叶绿体发育完全,白化部分叶肉细胞大部分中空,无明显完整的细胞器,叶绿体内部完全降解。遗传分析表明该突变体受隐性核基因控制,MAL被定位在第8染色体上SSR标记M22和InDel标记ID27之间,物理距离为171 kb。本研究将为MAL基因的图位克隆及功能研究奠定基础。     

邓恩桉嫁接种子园开花生理生化特性比较

以邓恩桉嫁接种子园为研究材料,比较邓恩桉开花植株与未开花植株的叶绿体色素、光合生理特性、可溶性蛋白质、可溶性糖以及游离氨基酸。结果表明：邓恩桉未开花植株叶绿体色素含量、气孔导度、蒸腾速率、表观量子效率明显比开花植株高,而开花植株净光合速率、水分利用效率、胞间CO2浓度比未开花植株低,说明开花植株比未开花植株同化能力降低,异化能力增强,光合系数小;开花植株的可溶性蛋白质、可溶性糖以及游离氨基酸含量均高于未开花植株。通过比较开花和未开花邓恩桉嫁接植株光合生理和生理生化特性,为邓恩桉嫁接种子园开花结实研究提供理论基础。     

春性和半冬性甘蓝型油菜在春油菜区的光合性状比较

为研究春油菜生态区里春性和半冬性油菜光合性状的差异，本实验在甘肃张掖春油菜区分别测定了春性和半冬性甘蓝型油菜的光合气体交换参数、叶片叶绿素含量、绿叶面积、光响应曲线，CO2响应曲线等光合性状。结果表明：半冬性油菜的净光合速率、胞间CO2浓度和水分利用效率高于春性油菜，而气孔导度、蒸腾速率则低于春性油菜；春性油菜的绿叶面积明显高于冬性油菜，而叶绿素浓度则低于半冬性油菜；半冬性油菜对光的利用和转化能力优于春性油菜，在低光强和高光强下的净光合速率均高于春性油菜；春性油菜的CO2的羧化效率高于半冬性油菜，而冬性油菜的在高CO2浓度下的光合作用要明显高于春性油菜。本研究为春油菜区油菜种质资源扩充和高光效育种提供了重要的参考。