水稻苗期葉片白化轉綠性狀研究進展

摘要：白化轉綠突變體在基礎理論研究和實際應用研究方面均具有重要意義。介紹了國內(nèi)外在水稻白化轉綠突變體材料的發(fā)掘、生理生化特性、性狀遺傳、基因定位及克隆、分子作用機理和作為標記性狀基因應用等方面的研究進展。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa）；突變體；白化轉綠；基因；標記性狀

中圖分類號：S511；Q343.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5241-07

Research Advances on Green Revertible Albino Mutants of Rice Leaves in Seeding Stage

DONG Hua-lin，F(xiàn)EI Zhen-jiang，WEI Lei，WU Xiao-zhi，ZHOU Peng

（Institute of Food Crop Research of Hubei Academy of Agriculture Sciences / Hubei Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement， Wuhan 430064，China）

Abstract： The gra（green revertible albino） mutant is very important in theoretical research and practical applications. The research advances both at home and abroad in aspects of mutant’s discovering， characters of physiology and biochemistry， hereditary of trait， gene mapping and cloning， molecular mechanism and its application as a trait marker gene were reviewed. Key words： rice； mutant； green revertible albino（gra）； gene； trait marker

葉片是植物最主要的光合作用器官，其顏色變異類型豐富且易于鑒定，因此葉色突變體是研究植物光合作用、葉綠素生物合成、葉綠體結構功能和遺傳發(fā)育調(diào)控機理等的重要材料[1，2]。在實際生產(chǎn)中，葉色變異也是培育新特品種的重要材料來源，如園藝作物中的金（銀）邊吊蘭、金邊黃楊，煙草中的白肋型煙，茶葉中的安吉白茶等。葉色突變體的來源十分廣泛，包括自發(fā)突變、人工誘發(fā)突變、插入突變和基因沉默突變[2]。葉色變異直觀表現(xiàn)為不正常的黃化、白化、白翠、綠白、淺綠、黃綠、綠黃和條紋等[3]。從突變性狀對個體的生長發(fā)育影響上可以分為致死突變、非致死突變[4]及條件致死突變；致死突變?nèi)缑缙诎谆⒉糠贮S化突變體在苗期光合作用完全受阻，幼苗僅靠種子中胚乳營養(yǎng)生長，待胚乳養(yǎng)分耗盡時植株就會死亡[5]。非致死突變?nèi)缁ò呷~、淺綠葉、斑馬葉、大部分白化轉綠突變體等。條件致死突變?nèi)缢局邪谆D綠突變體W25[6]、v3[7]等，在較低溫度下（低于20 ℃）則不發(fā)生葉色轉換而夭亡，當溫度升高后可以白化轉綠完成生長發(fā)育。

作為全球重要的糧食作物，同時又是重要的模式研究植物的水稻（Oryza sativa），在其中發(fā)現(xiàn)了眾多的葉色突變體。水稻葉色突變體的發(fā)掘和鑒定對于開展相關基因的定位、克隆和作用機理研究以及開發(fā)簡便易用的作物標記性狀等具有重要的理論意義和應用價值。水稻葉色變異種類豐富，有整個生育期均呈葉色異常的如黃綠葉[8]、常綠葉[9]、紫色葉[10]等。更多的葉色突變常在苗期表達，表型明顯，如苗期葉片白化、黃化、條紋、斑馬葉以及白化轉綠等。有些葉色突變體如白化等光合作用能力嚴重減弱或喪失，突變體嚴重發(fā)育不良甚至不能存活，只能通過雜合狀態(tài)保留隱性的突變基因進行基礎性研究，在實際生產(chǎn)中沒什么實用價值[11]。但有些非致死突變體其個體生長發(fā)育在生育進程或溫度條件改變的情況下可以部分甚至完全恢復到正常水平，如水稻中的白化轉綠突變體（Green revertible albino mutant，GRA），這類突變體在一定條件下白化失綠，待條件改變后可以恢復綠色，繼續(xù)生長發(fā)育完成整個生育進程。白化轉綠突變體一方面可以進行植物光合作用機理、葉綠素生理生化、相關基因分子生物學等方面的基礎研究，另一方面在水稻生產(chǎn)、育種上也可以廣泛應用于性狀標記，為新培育的品種或重要育種材料打上標記以利于鑒別。不僅可以加強品種知識產(chǎn)權的保護，更重要的是在兩系不育系的繁殖和制種中可以方便快速地鑒別串粉混雜和不育系自交結實[12]。鑒于水稻白化轉綠突變體的特殊表現(xiàn)及實際應用價值，下面將詳細介紹此類突變體的研究進展，以期對該類突變體的研究和應用提供幫助。

1 白化轉綠突變體的來源

水稻葉色白化轉綠型突變體是眾多葉色突變體中較為特殊的一類，在一定溫度條件或生育期時其葉片表現(xiàn)為白化狀，但以后則可正常合成葉綠素，失綠的葉片組織隨著外界溫度的變化或者植株的生長發(fā)育而逐漸復綠，葉片呈正常綠色。白化轉綠突變體主要來源于自然變異和人工誘變。自然變異是在自然條件下發(fā)生的基因突變，一般發(fā)生頻率較低，在白化轉綠突變表型上國內(nèi)外研究者還是發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的自然突變體。如日本學者發(fā)現(xiàn)的白化轉綠v1～v12（virescent-1～12）系列突變體，并對v1～v3進行深入研究[7，13，14]。董彥君等[11]在水稻育種材料中發(fā)現(xiàn)苗期低溫敏感的突變體Fan5。夏九成[4]從D702B×D香B的雜交后代中選育出受溫度和發(fā)育進程共同控制的突變體“259”。Chen等[15]報道一個在粳稻Qiufeng（秋豐）中自然突變產(chǎn)生的白化轉綠突變體QiufengM。張毅等[16]報道從G46B與意大利粳稻Sirio雜交后代中篩選到一個白化轉綠突變體gra。從W9641S×W6154S F1代花粉培養(yǎng)后代中獲得白化轉綠突變體rgr（t），賈銀華[17]、楊潔[18]將該性狀轉育到培矮64S及Y1S中培育出新的白化轉綠不育系白01S、白02S。郭士偉等[19]在宜香B中發(fā)現(xiàn)了白化轉綠突變體gra。王軍等[20]從9311中獲得白化轉綠突變體v13（t）。鄭靜[21]研究的白化轉綠突變體XGS系光溫敏不育系材料。人工誘變包括輻射、衛(wèi)星搭載[22]、離子束、EMS[23，24]、疊氮化鈉等誘變技術進行理化誘變[25]。浙江大學原子核農(nóng)業(yè)科學研究所利用60Co-γ輻照處理兩系不育系培矮64S、廣占63S、2177S及三系保持系II-32B、龍?zhí)馗等，獲得了一系列白化轉綠突變體W1、W17、W24、W25和W27[26，27]，以及白化轉綠不育系全龍A、玉兔S、白豐A和NHR111S等[28-32]。陳佳穎等[33]在粳稻品種嘉花1號種子經(jīng)60Co-γ射線輻照處理的后代中，發(fā)現(xiàn)了黃化轉綠突變體mr21。郭濤等[22]利用返回式衛(wèi)星搭載Francis種子進行空間誘變，獲得一株白化轉綠、多分蘗矮稈突變體hfa-1。白化轉綠突變體zjw[23]、gra75[24]分別由中9B、日本晴經(jīng)EMS處理得到。隨著生物技術的發(fā)展，基于轉基因操作技術為基礎的插入突變和基因沉默突變逐漸應用于新的突變體發(fā)掘，插入突變是利用T-DNA、轉座子元件等插入到植物基因組中誘發(fā)突變，基因沉默突變是在染色體水平利用基因表達調(diào)控技術沉默某些基因區(qū)段產(chǎn)生變異[4]。Jung等[34]、Liu等[35]利用T-DNA突變體庫分別篩選到一份白化轉綠突變體并進行了性狀鑒定和基因的精細定位研究。

2 白化轉綠突變體性狀表現(xiàn)及分類

2.1 白化轉綠突變體表型

白化轉綠突變體是在苗期某一時段葉片白化（或黃化、淡綠），隨著生育進程及溫度等條件的變化，突變體植株逐步轉綠恢復至正常綠色。白化轉綠包含一個葉色變化過程及這一過程所經(jīng)歷的生育進程。葉色變化過程即經(jīng)歷葉片白化和轉綠兩個階段：白化階段大部分研究材料都是在起始1～3葉白化，轉綠從第4葉以后。不過也有例外，突變體v3[7]在自然條件下第1、2葉呈正常綠色，從3葉以后至分蘗盛期葉片退綠變白，抽穗后基本恢復正常。王兵[24]研究的白化轉綠突變體gra75 1～3葉表現(xiàn)正常綠色，從第4～7葉開始白化，從第8葉又恢復綠色，前面白化葉片也轉為淡綠色。

白化轉綠這一叫法只是體現(xiàn)了這類突變體的一個共同變化過程，在不同的研究材料中白化表型、轉綠過程及轉綠所依賴的條件也有不同。首先，白化程度上有細微差異：有的突變體白化期葉片完全白化，如gra[16]和白01S[18]等，有的白化程度輕如淡綠gra[19]或黃化mr21[33]以及葉片部分白化，如秋豐M[15]和v13（t）[20]等。有的是從葉片邊緣開始白化[18]，有的則相反， 從葉片基部和中脈向外蔓延白化，僅葉尖和邊緣留有少許綠色[20]。在轉綠過程中不同研究材料也表現(xiàn)多樣：從4葉以后轉綠，有的突變體前3葉也跟著轉綠，只是轉綠恢復程度不及以后葉片，這可能也有葉片逐漸衰老、葉綠素降解的原因，有的前面白化葉片不轉綠就直接枯死，4葉及以后葉片轉為綠色[15]。在4葉及以后復綠材料葉片顏色有的幾乎恢復至野生型對照水平，如gra[19]、G9[25]等。也有的葉片盡管復綠但仍較野生型顏色稍淺，如秋豐M[15]，甚至其谷殼顏色在抽穗期也呈淺綠色。

2.2 白化轉綠突變體對溫光及生育進程的反應

從白化條件上看，有的突變體對溫度敏感，如v1[13]、v2[14]、v13（t）[20]、W1[27]、W17[26]、W25[6]、Fan5[11]、259[4]、mr21[33]、白01S[18]等均受低溫誘導，但各自的低溫誘導臨界溫度又不同，從20～28 ℃不等。突變體hfa-1[22]、W4、W11[25]則在較高溫度下（25～30 ℃）完全白化，較低溫度（20～25 ℃）表現(xiàn)黃化，與此類似的還有房賢濤等[36]及Yatou等[37]報道的水稻溫敏感葉綠素突變體，表現(xiàn)為高溫有利于白化特征的表達。有的突變體則對溫度鈍感，其白化轉綠依賴生育進程的推進，如從宜香B中發(fā)現(xiàn)的突變體gra[19]、秋豐M[15]、XGS[21]及廣占63S中經(jīng)輻射篩選的突變體G9[25]等。突變體v3[7]則表現(xiàn)對溫度和光周期敏感，在人工控制20 ℃或30 ℃恒溫下，至3葉期，突變體2～3葉表現(xiàn)嚴重失綠；在持續(xù)20 ℃的光照培養(yǎng)箱中，突變體在2葉期后葉片完全白化，葉片不再轉綠，此后30 d植株死亡；在25 ℃恒溫下葉片失綠持續(xù)整個生育期。但在變溫條件下（白天30 ℃光照12 h， 晚上20 ℃光照12 h）下，突變體葉片顏色幾乎和野生型差不多，只是整個生育期葉片產(chǎn)生細微的白條紋。在大田條件下，突變體在3葉期前葉片都是綠色的，此后到分蘗結束前有完全白化的葉片，抽穗后白化葉基本完全轉綠，整個分蘗期基本都是白化葉，也有少量綠色葉片[38]。

2.3 白化轉綠突變體的分類

從上述分析可知，白化轉綠突變體其實也包含眾多的突變類型，暗示其復雜的遺傳多樣性，因此有研究者又將白化轉綠突變體依據(jù)對外界條件的依賴性再分類。舒慶堯等[26]根據(jù)水稻白化轉綠突變體白化性狀表達與溫度的關系，將其分為高溫敏感型、低溫敏感型和溫鈍型。溫度敏感型突變體只在一定的溫度范圍內(nèi)表達白化性狀，而溫鈍型突變體則對溫度不敏感。根據(jù)突變體轉綠后的葉色程度，可分為白化轉淺綠、白化轉綠和白化轉黃綠突變體三類[25]。

3 白化轉綠突變體葉綠素含量及葉綠體結構變化

3.1 白化轉綠突變體葉綠素含量變化情況

水稻葉綠體中所含的光合色素主要是葉綠素（a、b）和類胡蘿卜素，它們以色素蛋白復合體的形式存在于葉綠體中[39]，光合色素各成分的含量及比例、葉綠體的超微結構及蛋白質含量等影響著葉色表達[25]。白化轉綠突變體在白化階段葉綠素含量顯著降低，舒慶堯等[26]研究了4個溫敏水稻葉色突變體W4、W11、W17和W25在不同溫度及轉綠過程中葉綠素a、b含量及兩者比值，其中W4和W11在較低溫度（15～25 ℃）下葉綠素含量較高，而W17和W25則在較高溫度下（30～35 ℃）葉綠素含量最高，與兩種類型材料葉色變化溫度反應一致。在轉綠過程中25 ℃條件下W4和W17從1.5葉期至3.5葉期葉綠素含量迅速增加，分別從相對于野生型親本2177S的7.5%和4.1%增加到86.6%和81.1%，尤其是葉綠素a含量幾乎接近野生型親本。而W25葉綠素含量增長較緩慢。崔海瑞等[27]對溫敏突變體W1在2.5葉期的葉綠素含量、各組分含量及比例進行研究發(fā)現(xiàn)，在低溫白化時（15～20 ℃）葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Caro）含量只相當于對照2177S的7.7%～10.5%和8.5%～17.7%，在處理溫度范圍內(nèi)（15～35 ℃）突變體Caro/Chl比值變化于0.38～0.16之間，隨溫度的升高而降低，而對照Caro/Chl比值從0.21降低到0.16，當Caro/Chl比值在0.22以上時表現(xiàn)白化。夏九成[4]在2葉期測定白化突變體“259”及對照“9311”的葉綠素含量分別為12和25.3（SPAD值），差異顯著，待復綠后兩者葉綠素含量則無顯著差異。鄭靜[21]對白化突變體XGS研究發(fā)現(xiàn)，白化期突變體2葉期葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量分別為對照02428的14.5%、19.1%和14.0%，返綠后（4葉期）各色素含量相對于對照02428的比值已提高到76.8%、56.65%和93.25%。李瑞清[25]分別在2葉期（轉綠前）、4葉期（轉綠中）和6葉期（轉綠后）測量突變體G9和野生型對照廣占63S葉綠素a、葉綠素b含量，結果顯示在轉綠前突變體葉綠素含量很低，僅為對照的0.24%和0.40%；轉綠中相對于野生型比值分別提高到22.87%和42.66%，轉綠后則為97.34%和90.47%。在對秋豐M的研究中，3葉期測定的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量為同期野生親本秋豐的1/3左右，4葉期三種光合色素含量分別為野生型的47.3%、74.6%和84.6%，至抽穗期倒三葉色素含量與野生型的比例與第四葉相當[15]。王培培[23]測定突變體zjw 3葉期的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量，僅為同時期野生型含量的13.93%、19.36%和28.34%，4葉期時差異明顯縮小，突變體上述色素含量相對于野生型的比值分別提高到69.88%、55.53%和69.70%，在23、26和30 ℃溫度下，zjw突變體三種色素含量隨著溫度而逐漸升高。陳佳穎等[33]在苗齡4周時測量不同溫度處理下的供試材料的光合色素含量，結果顯示野生型親本嘉花1號光合色素含量幾乎不受溫度影響，在高溫（30 ℃）處理中突變體mr21和野生型親本葉綠素含量差異也不大，但在低溫（20 ℃）時，mr21葉綠素a和葉綠素b均顯著低于野生型親本。突變體的葉綠素a/葉綠素b比值及類胡蘿卜素含量在不同溫度處理下差異不明顯，但均低于野生型親本。郭濤等[22]對白化轉綠伴隨矮稈多分蘗突變體hfa-1葉綠素含量及凈光合速率分析顯示，在二葉期（白化期）突變體葉綠素a、b和總葉綠素含量僅為野生型親本Francis的3.57%、1.41%和3.05%，凈光合速率減少35.3%，在拔節(jié)期（轉綠期）葉綠素含量和凈光合速率與對照相比沒有顯著差異。郭士偉等[19]對源自宜香B的白化轉綠突變體gra葉綠素含量的分析顯示，從苗齡4周到12周，突變體/野生型葉綠素含量比值從34.5%逐漸升高到99.4%。從上述可以看出白化轉綠性狀轉變伴隨著葉綠素總含量的大幅變化，這種變化有的是受溫度調(diào)控，有的是依賴生育進程的發(fā)育，也有突變體同時受到溫度及生育進程的協(xié)同調(diào)控[4，22]。

3.2 白化轉綠突變體超微結構變化情況

在葉綠體發(fā)育過程中，葉綠素的合成與類囊體膜的形成關系密切。通過對突變體v13（t）及其野生型親本對照9311在不同溫度下處理的透射電鏡分析，發(fā)現(xiàn)9311在不同溫度下葉綠體內(nèi)部具有明顯的類囊體基粒片層結構，數(shù)量豐富，排列緊湊；突變體在24 ℃下，白化葉片中沒有葉綠體或葉綠體發(fā)育極不正常，只能看到一些空的囊泡結構，觀察不到類囊體基粒片層結構存在，說明突變體葉綠體在低溫下發(fā)育異常，最終影響葉綠素的合成而使葉片白化；在28 ℃條件下，白化轉綠葉片部分細胞中沒有葉綠體或者葉綠體發(fā)育不正常，而部分細胞中葉綠體發(fā)育正常，這兩種類型的細胞交替排列，表明隨著溫度的升高，部分細胞內(nèi)葉綠體發(fā)育恢復正常，葉片逐漸白化轉綠[20]。突變體hfa-1[22]和白01S[18]電鏡觀察結果與v13（t）類似。鄭靜[21]對突變體XGS的超微結構觀察及吳殿星等[40]對W25葉綠體結果觀察分析發(fā)現(xiàn)，完全白化的葉片葉綠體輪廓完好，但是內(nèi)部結構簡單，僅有少量的片狀結構，缺乏豐富的、高度組織化的內(nèi)膜系統(tǒng)，尚未分化出基粒和基粒片層，顯示白化時期葉綠體發(fā)育滯后。當突變體逐漸轉綠后，葉綠體基粒和基粒片層數(shù)量變多，結構基本恢復正常。

4 白化轉綠突變體的遺傳、基因定位及克隆情況

目前報道的水稻白化轉綠突變體絕大多數(shù)由隱性核基因控制，且主要為單基因遺傳。由顯性基因控制的此類突變體較少，房賢濤等[36]用輻照處理兩系不育系SE21S得到6個白化轉黃綠突變體，其中只有21W1系由顯性基因控制。

在已報道的40多個白化轉綠突變體中，有17個進行了基因定位，除第7、12染色體外的其他10條均有基因分布，詳細定位區(qū)間及相鄰標記見表1。其中5個突變基因已經(jīng)被克隆，gra（t）精細定位并預測基因功能[38]。V1（VIRESCENT-1）編碼一個定位在葉綠體上的蛋白質NUS1。NUS1蛋白特異地在未露出的未成熟葉片中積累，低溫處理能增強其積累。NUS1 參與了葉綠體RNA 的代謝調(diào)控過程，在冷脅迫下早期（即葉片露出前）葉綠體發(fā)育過程中，能促進質體遺傳系統(tǒng)的建立[42]。v1突變體在早期遇低溫則會引起NUS1蛋白缺乏，從而影響葉綠體rRNA的積累以及葉綠體基因的轉錄和翻譯，結果導致葉片白化。基因V2（VIRESCENT-2）編碼一個定位在質體和線粒體上的新型鳥苷酸激酶（GK），參與調(diào)節(jié)葉綠體發(fā)育時期的信號向細胞核傳輸，是葉綠體分化所必需的。V2突變后質體基因的時期特異表達性喪失，核基因組編碼的質體蛋白的表達被抑制，同時質體蛋白翻譯機制也喪失功能，引起葉綠體分化受到影響，尤其在葉片發(fā)育早期破壞了葉綠體的蛋白翻譯機制，最終使葉綠體發(fā)育不能正常進行，導致出現(xiàn)白化的葉片[43]。Yoo等[7]通過圖位克隆發(fā)現(xiàn)V3編碼了核苷酸還原酶中的一個大亞基（RNRL1），序列分析發(fā)現(xiàn)v3突變體在RNRL1的第5外顯子處發(fā)生了1個單堿基的突變，使得甘氨酸錯配為絲氨酸，從而影響了RNRL1的表達，結果影響了葉片發(fā)育過程中葉綠素的合成。YSA基因編碼一個含有16 個串聯(lián)PPR基序的三角狀五肽重復（pentatricopeptide repeat，PPR）蛋白[44]。YSA 在水稻幼葉和莖稈中高表達，并且其表達受光調(diào)節(jié)，它的突變導致水稻幼苗產(chǎn)生白化突變體ysa。ysa在3葉期以前白化，之后葉片逐漸變綠，到6 葉期完全恢復成正常綠色，進一步分析表明ysa葉色的改變和葉綠素含量以及葉綠體發(fā)育的變化相關。郭濤等[22]利用突變體hfa-1與粳稻品種02428雜交獲得的F2 群體，將hw-1（t）基因定位在水稻第4 染色體長臂上兩個InDel標記HW27和HW7間46.9 kb的物理距離內(nèi)，接著通過進一步精細定位、區(qū)間內(nèi)預測基因、cDNA測序以及候選基因同源性分析，逐步確定編碼IMMUTANTS（IM）蛋白的LOC_Os04g57320為白化轉綠和多分蘗矮稈基因hw-1（t）[45]。推測該基因突變造成苗期光合系統(tǒng)Ⅱ（PSII）的電子傳遞受阻，PSII能量持續(xù)積累，產(chǎn)生大量單線態(tài)氧；PSII電子傳遞受阻同時導致苗期類胡蘿卜素含量減少，缺少類胡蘿卜素保護的葉綠體遭單線態(tài)氧破壞，失綠變白[22]。

gra（t）基因定位在水稻2號染色體的長臂上[15]。進一步通過來源于秈型光溫敏雄性不育系培矮64S與qiufengM雜交后的1 936個F2白化性狀的隱形單株定位群體，最終把該基因定位到RM2-97與RM13553之間的42.4 kb區(qū)間。在11個ORF中預測ORF-6與葉綠體發(fā)育最可能有關。該基因編碼水稻中的一個葉綠體蛋白合成的延伸因子Tu。測序分析表明，該基因在編碼區(qū)有1個C到T的堿基替換，即造成gra（t）中的蘇氨酸到異亮氨酸的錯義突變[46]。

5 分子作用機理研究進展

5.1 光合色素的生物合成與代謝

水稻葉片顏色的變化和葉綠素含量關系密切，一般認為葉色的深淺是葉綠素含量的外在表現(xiàn)。高等植物葉綠素生物合成是一個非常復雜的酶促生化反應過程，由20 多個基因編碼的15 種酶完成，其中任何一個基因發(fā)生突變都可能導致葉綠素合成受阻，從而引起葉色變異[48]。崔海瑞等[27]在研究溫敏突變體W1時發(fā)現(xiàn)，低溫下葉綠素a（Chl a）合成途徑下游中間產(chǎn)物如葉綠素酸（pchl）、Mg-原卟啉（Mg-proto IX）、原卟啉（proto IX）的含量都明顯低于高溫下及野生型的含量，而上游產(chǎn)物δ-氨基酮戊酸（ALA）和膽色素原（PBG）的積累量卻明顯大于高溫下的含量，且也高于同溫度下野生型的含量，根據(jù)葉綠素生物合成途徑Glu（谷氨酸）→ALA→PBG→urogen Ⅲ（尿卟啉原Ⅲ）→coprogen Ⅲ（糞卟啉原Ⅲ）→proto IX→Mg-proto IX→pchl→Chl a，可知葉綠素的合成受阻部位在PBG縮合成卟啉原。除葉綠素外，光合色素中的類胡蘿卜素不僅輔助吸收光能，還有一個重要的功能就是在強光下保護細胞及葉綠體免遭氧自由基的損傷[49]。hw-1基因突變影響光合系統(tǒng)Ⅱ（PSII）的電子傳遞，進而影響了胡蘿卜素含量，類胡蘿卜素代謝過程的異常同樣會引起葉片顏色的變化[22]。

5.2 葉綠體的形成和發(fā)育

葉綠體作為光合作用的主要場所，其形成和發(fā)育過程中需要的葉綠體蛋白由葉綠體和細胞核基因共同編碼，而且主要由核基因編碼，核基因編碼蛋白質在細胞質中合成后通過葉綠體被膜轉入葉綠體內(nèi)[50]。該過程中核基因轉錄翻譯、蛋白質加工運輸及葉綠體基因表達、蛋白質折疊與降解、類囊體及色素蛋白復合體形成等某一環(huán)節(jié)受阻，均可引起葉綠體發(fā)育不良，產(chǎn)生各種葉色變異[51]。已克隆的突變體基因V1編碼一個RNA特異結合蛋白NUS1，參與到葉片發(fā)育早期葉綠體RNA的代謝途徑，突變體早期遇低溫后rRNA含量改變，葉綠體發(fā)育受到抑制。

5.3 核-質信號傳導途徑

作為半自主細胞器，葉綠體和細胞核基因組之間的協(xié)調(diào)表達對于葉綠體正確合成及功能維持十分重要，這就涉及到細胞質與核基因之間信號的雙向傳導和應答反饋機制的正確運行。當核-質信號傳導途徑遇阻，就會對葉綠素或葉綠體生物合成造成影響，引起葉色變異。V2基因編碼的新型鳥苷酸激酶（GK），參與調(diào)節(jié)葉綠體發(fā)育時期的信號向細胞核傳輸，是葉綠體分化所必需的[43]。同時也參與到水稻葉綠體分化早期質體遺傳系統(tǒng)中質體轉錄本的翻譯。

葉色變異涉及到色素分子的合成、色素蛋白體形成、前質體合成和發(fā)育為成熟的葉綠體等一系列復雜的生理生化過程，這其中還有細胞核和細胞質兩個場所間基因組的協(xié)調(diào)表達，這些過程之間存在復雜的調(diào)控網(wǎng)絡和敏感的反饋機制。根據(jù)對白化轉綠突變體的生理生化分析和已克隆基因的功能研究結果，筆者推測突變產(chǎn)生后可能在某一代謝過程中斷或減弱，葉綠素生物合成或葉綠體形成發(fā)育等受阻產(chǎn)生白化；但植物在長期進化中形成的受損DNA修復機制或代謝旁路的補充作用以及苗期的胚乳自養(yǎng)作用可以在一定時期內(nèi)維持植物生命的延續(xù)，當對突變產(chǎn)生的不利條件解除或生育進程改變后，原有代謝過程恢復正常或代謝旁路逐漸成為主要代謝通道，植株就會漸漸恢復綠色，完成整個生命周期。葉片白化轉綠突變體類型多種多樣，在水稻大多數(shù)染色體上均有基因定位，目前克隆的還是少數(shù)，分子作用機理還未完全弄清楚。還需進一步發(fā)掘相關突變體，對突變基因進行克隆和功能研究，透徹研究白化轉綠突變基因的分子作用機理，為更加有效應用于生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

6 遺傳育種中的應用——理想的形態(tài)學標記

作為眾多葉色變異中一種特殊的類型，白化轉綠突變體不僅在研究葉綠素合成代謝的調(diào)控、葉綠體發(fā)育機制和過程、植物光合作用機理等方面具有獨特的作用，在遺傳育種中作為一種理想的形態(tài)標記材料也十分具有現(xiàn)實意義。利用光溫敏核不育系選育雜交稻的兩系法，在不育系選育上較三系法簡單快速，不育系繁殖時又可一系兩用；更重要的是兩系法配組自由，雜種優(yōu)勢強。兩系雜交稻以其株型好、米質優(yōu)和產(chǎn)量高等優(yōu)點在近期發(fā)展迅速[52]。然而由于其雄性不育性通過光溫調(diào)控來實現(xiàn)，在雜交種制種時會有遇低溫不育系育性擺動及自交結實的風險，影響種子的純度。而部分常用的三系不育系如Ⅱ-32A、龍?zhí)馗以及紅蓮型不育系在制種和繁殖時又存在高溫少量自交結實問題，也會影響種子純度。近年來，育種家利用隱性白化轉綠葉色標記來標記不育系[28-32，52]，不失為一種簡便、快捷的種子純度鑒定方法。在制種后可快速鑒定雜交種中混雜的不育系自交種子，在親本繁殖時也可鑒定串粉混雜。標記性狀在種子發(fā)芽1～2周即可出現(xiàn)，不僅可以提早預定種子純度，而且可以大大降低種子冬季在海南鑒定的費用，有利于種子生產(chǎn)銷售企業(yè)提早進行市場部署和降低種子成本。

舒慶堯等[12]認為葉色突變的標記性狀在雜交水稻生產(chǎn)中應用需滿足以下條件：標記性狀明顯，在苗期即可明顯鑒別；標記性狀為隱性核基因控制；標記性狀表達對不育系及其雜種后代的農(nóng)藝性狀應無負效應。前述白化轉綠基因中，溫度鈍感的、無連鎖累贅的基因如gra[28]基本符合上述條件，已經(jīng)應用于品種標記。對于一些溫度敏感類型的白化轉綠基因，在葉色轉綠后不影響植株的正常生長發(fā)育，也可用作標記性狀，只需在其溫度敏感期控制好溫度，讓標記性狀得以表達。

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