粳稻9522中脈白化突變體的生物學特性

摘 要：為揭示所獲葉色突變體的特征特性，對上海交通大學通過60Coγ-射線輻射誘變獲得的粳稻9522中脈白化突變體及野生型進行生物學特性的比較觀察，以期為后續的研究提供理論基礎和應用指導。結果表明，突變體葉色表現為中脈白化。突變體與野生型的生育時期、主莖總葉片數及葉齡動態均無明顯差異。突變體形態農藝性狀表現較明顯的負效應的是倒4葉夾角>倒2葉夾角>有效穗數>株高，正效應的是綠葉總面積>主莖綠葉數>倒4葉面積>劍葉面積。突變體產量性狀表現較明顯的負效應的是空粒數>二次枝梗數≈單株產量>穗頸粗>總粒數>結實率，正效應的是一次枝梗數。

關鍵詞：粳稻9522；野生型；中脈白化；突變體；生物學特性

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）15-13-04

The Biological Characteristics of White Midrib Mutant Derived from Japonica Rice 9522

Gong Jianming1 et al.

（1 Agricultural Bureau of Hengfeng County，Hengfeng 334300，China）

Abstract：Comparative observations of biological characteristics between japonica rice 9522（wild type）and white midrib mutant derived from japonica rice 9522 with 60Co γ-ray radiation induction by Shanghai Jiao Tong University were conducted in order to reveal their characteristics to provide theoretical basis and application gudiement for the future researches. The results showed that midrib color of mutant leaf was white. The differences of growth stage，total leaves in main stem and leaf age dynamics between mutant and wild type weren’t obvious. Comparing with wild type，the obviously negative effects of morphological and agronomic traits in mutant were the order of reciprocal 4th leaf angle>reciprocal 2th leaf angle>effective panicles>plant height，the greatly positive effects were the rank of total areas of green leaves>total leaves in main stem>reciprocal 4th leaf area>flag leaf area；the markedly negative effects of yield traits in mutant were the order of empty grains>the second branches of panicle≈yield per plant>the width of panicle neck>total grains>seed-setting rate，the positive effects was the first branches of panicle.

Key words：Japonica rice 9522；Wild-type；White midrib；Mutant；Biological characteristics

水稻（Oryza sativa L.）是一種重要的糧食作物，由于它具有較小的基因組（430Mb）并建立了比較完善的轉化系統及與其他禾本科植物較好的共線性，使其成為研究植物功能基因的一種重要的單子葉模式生物[1]。葉綠體是植物進行光合作用的場所，屬于半自主型細胞器，在高等植物中，葉綠體由前質體發育而來。葉綠體除了參與光合作用外，還參與了氨基酸、脂肪酸、植物生長物質、核苷酸、維生素等的生物合成[2]。葉綠體的正常發育需要葉綠體基因和相關核基因的相互協調，這些基因的突變都將可能導致葉綠體發育的缺陷，并由此導致植物葉片表現出白色斑點。李娜等[3]通過研究發現，白斑部位細胞的內質體不能正常發育，表明這些突變基因可能參與了葉綠體的發育調控。目前，在擬南芥[4-6]、馬鈴薯[7]、金魚草[8]、煙草[9]、玉米[10]、水稻[11]等植物中都已發現了白斑或白化突變體的存在，并且部分控制該性狀的基因已被克隆，例如擬南芥中的IM，玉米中的IOJAP和水稻中的OsCHLH，OsPPR1[12-15]。因此，發掘植物葉綠體發育缺陷相關的突變體，并利用突變體對相關的正常調控基因進行定位、克隆及功能研究，均具有重要的理論意義和應用價值。根據以前的研究可知，水稻葉色突變主要有wp1和wp2[16]、wp（t）[17]、virescent-l（v1）、virescent-2（v2）[18-19]和Oswm[3]等幾種，通過60Coγ-射線輻射誘變獲得的粳稻9522中脈白化突變體的表現型與它們存在較明顯的差異，為了更好地揭示所獲葉色突變體的特征特性，筆者對其進行了生物學特性的觀察，以期為后續的研究提供理論基礎和應用指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料 粳稻9522（野生型）及其60Coγ-射線輻射誘變獲得的中脈白化突變體。

1.2 試驗設計 試驗于2009年6～10月在江西農業大學植物生理研究室進行，土壤肥力中等偏上。6月20日播種，7月10日選擇葉齡和分蘗數等基本一致的秧苗移栽入塑料盆中，每盆4穴，每穴3株。株行距15cm×20cm，田間管理同栽培大田，注意防治病蟲草害。

1.3 測定項目與方法[20]

1.3.1 葉色變化 整個生育期觀察野生種和突變種的每一片葉及其穗的顏色變化。

1.3.2 葉齡動態和生育時期 從播種至成熟的各個生育時期觀察野生種和突變種的葉齡動態變化情況。

1.3.3 成熟期形態農藝性狀 成熟期觀測株高、主莖葉數、劍葉面積、莖基角等形態農藝性狀。

1.3.4 產量及其性狀 在水稻成熟期調查中間2行的中部10株，考察單株有效穗、每穗實粒數、每穗總粒數、結實率、千粒重、單穗質量、單株產量等產量性狀。

1.4 數據處理與分析 對獲取的野生種和突變種的諸多指標的原始記錄數據進行處理，計算綠葉葉面積、結實率和理論產量等數據。試驗中主要農藝性狀數據的處理用國際通用的統計軟件SPSS13.0來完成[21]。

2 結果與分析

2.1 葉色變化 突變體種子萌發到幼苗3葉期之前，葉片中脈和側脈出現白化但不夠明顯；3葉期以后中脈的白化現象明顯，側脈的白化現象依舊不明顯；移栽后，秧苗處于分蘗期，中脈和側脈均沒有表現明顯的轉綠跡象；分蘗盛期，中脈的葉頂端部位有轉綠跡象，并有向葉基部發展的趨勢，側脈則表現較明顯的轉綠跡象；幼穗發育期和開花結實期，中脈和側脈均沒有較明顯的轉綠跡象，中脈的基部及以上區域仍表現較明顯的白化現象。野生種的葉脈則在整個生長生育期表現正常的綠色且生長良好。與野生型植株相比，突變型植株的株高會矮一些，其突變表型主要為葉的近軸面的中脈和部分側脈表現為白色，相對應的野生型則為綠色。而葉的遠軸面以及其它部位的表型與野生型無明顯差異。

2.2 葉齡動態和生育時期 通過觀察記錄粳稻9522中脈白化突變體和野生型從播種到成熟整個生育時期的葉齡動態變化情況，結果表明，兩者的生育時期無明顯的差異，葉齡動態也基本保持一致，無明顯差異（表1和圖1）。

表1 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的生育時期（月/日）

[材料＼移栽＼分蘗期＼孕穗期＼抽穗期＼成熟期＼野生型＼7/10＼7/13＼8/5＼8/20＼9/27＼突變體＼7/10＼7/15＼8/9＼8/23＼9/30＼]

圖1 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的葉齡

2.3 成熟期的形態農藝性狀 成熟期觀測突變體和野生型的株高、主莖葉數、劍葉面積、莖基角等株型性狀。結果表明：突變體形態農藝性狀表現較明顯的負效應的是倒4葉夾角>倒2葉夾角>有效穗數>株高，正效應的是綠葉總面積>主莖綠葉數>倒4葉面積>劍葉面積（表2和圖2）。

表2 粳稻9522中脈白化突變體和野生型成熟期的形態農藝性狀

[ 項目＼株高

（cm）＼莖基粗

（cm）＼有效穗

（個）＼主莖

綠葉數＼劍葉長

（cm）＼劍葉寬

（cm）＼劍葉夾角（°）＼劍葉面積（cm2）＼倒2葉長（cm）＼倒2葉寬（cm）＼倒2葉夾角（°）＼野生型＼58.51±1.23＼1.73±0.13＼2.33±0.13＼3.47±0.14＼19.94±1.07＼1.58±0.04＼10.40±0.60＼22.92±1.60＼30.59±1.47＼1.45±0.02＼14.00±0.89＼突變體＼51.82±1.39＼1.80±0.10＼2.00±0.00＼3.87±0.14＼20.57±0.81＼1.69±0.03＼10.87±0.76＼25.17±1.35＼30.54±1.00＼1.53±0.04＼16.40±0.92＼]

[項目＼倒2葉面積（cm2）＼倒3葉長（cm）＼倒3葉寬（cm）＼倒3葉夾角（°）＼倒3葉面積（cm2）＼倒4葉長（cm）＼倒4葉寬（cm）＼倒4葉夾角（°）＼倒4葉面積（cm2）＼綠葉總面積（cm2）＼野生型＼31.79±1.51＼33.19±0.54＼1.35±0.02＼19.87±1.56＼32.33±0.90＼34.94±0.80＼1.27±0.03＼17.13±0.71＼28.44±0.02＼104.10±0.02＼突變體＼33.70±1.50＼34.47±0.66＼1.39±0.02＼20.47±0.83＼34.70±1.10＼34.48±1.01＼1.27±0.02＼21.75±0.90＼31.55±0.01＼118.81±0.01＼]

圖2 粳稻9522中脈白化突變體成熟期形態農藝性狀

比野生型增加的百分數

2.4 產量及其性狀 表3和圖3表明，突變體產量性狀表現較明顯的負效應的是空粒數>二次枝梗數≈單株產量>穗頸粗>總粒數>結實率，正效應的是一次枝梗數。由于產量是有效穗數、每穗粒數、千粒質量和結實率等產量構成因素綜合作用的最終表現[22]，而突變種的諸多產量構成因素均較野生種的差，因而理論單株產量上存在較大的差異。

表3 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的產量及其性狀

[項目＼穗頸粗

（mm）＼穗長

（cm）＼一次枝梗＼二次枝梗＼總枝梗數＼總粒數＼空粒數＼著粒密度＼結實率

（%）＼千粒重

（g）＼單株產量

（g）＼野生型＼1.12＼12.23±0.44＼7.83±0.40＼5.74±0.71＼13.60±1.00＼63.20±4.21＼3.86±0.62＼46.43±2.14＼92.62±1.35＼23.73±0.05＼3.49±0.20＼突變體＼1.10＼12.02±0.41＼8.30±0.42＼4.50±0.68＼12.80±.00＼58.60±4.12＼5.90±0.83＼47.39±2.10＼88.57±1.86＼24.10±0.14＼2.82±0.20＼]

圖3 粳稻9522中脈白化突變體產量及其性狀比野生型增加的百分數

3 結論與討論

3.1 植物葉色突變及其產生機理 基因突變是生物體遺傳物質發生改變的一種形式，它常給生物體帶來明顯而有害的變化，但有些突變是對生物體有利的。針對一個發生了基因突變的個體，突變的效應往往是弊大于利，但對整個生物界而言，有害性與有利性則是相對的，在一定條件下可以轉化[23]。突變體的中脈白化突變對水稻的生長發育是不利的，但近年來，人們一直沒有中斷過對白化轉綠突變體的研究，并取得了一定的成就。葉綠體是植物進行光合作用的場所，其正常發育需要葉綠體基因和核基因相互協調，這些基因的突變將導致葉綠體發育的缺陷。多數研究認為，這些突變基因可能參與了葉綠體發育的調控，并且該基因可能特異性地調控葉片近軸面中脈部分葉綠體的發育[3]。研究表明，葉色相關的突變基因大多參與了葉綠體的發育調控。例如，在水稻中，OsCHLH、Chlorina-1和Chlorina-9[24]分別編碼了鎂離子螯合酶的3個不同亞基，V1基因調控早期葉片發育關鍵質體基因（起激活后續質體基因表達的作用）的實時表達，V2基因調控葉綠體發育早期質體基因的表達，它的突變導致質體基因所編碼蛋白質的翻譯受阻，Lee等[25]研究則發現OsCAO1和OsCAO2基因與葉綠體氧化酶基因具有高度的同源性。推測OsWM2基因的異常表達影響了葉綠體的正常發育，葉片葉綠素含量的減少則使得植株光合能力減弱，進而引起整個植株農藝性狀的改變。

3.2 粳稻9522中脈白化突變體的特征及應用 葉色突變體是自然界常見的突變類型，以其性狀明顯、易于區分辨認的特點，很早就被人們關注。水稻白化轉綠突變體是一類新的葉色突變體，其性狀大多受1對隱性核基因控制。突變基因往往直接或間接影響葉綠素的合成和降解，從而影響水稻光合作用，造成植株減產甚至死亡。因此，在生產應用上可作為形態標記性狀導入不育系，在兩系雜交稻育種中形成純度快速檢測和去雜保純新技術，同時，也是深入開展植物葉綠體的遺傳發育、葉綠素的合成和調控途徑、核質間信號轉導以及光合作用分子機理等基礎理論研究的理想材料。本研究表明，粳稻9522中脈白化突變體可用于進行葉綠體遺傳發育方面的進一步研究，還可以作為形態標記性狀導入不育系，同時還可以通過對其有效穗等產量因素的改良和提高，培育高產品種。

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（責編：徐世紅）