摘要：白化轉(zhuǎn)綠突變體在基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用研究方面均具有重要意義。介紹了國(guó)內(nèi)外在水稻白化轉(zhuǎn)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(jī)理和作為標(biāo)記性狀基因應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa）；突變體；白化轉(zhuǎn)綠；基因；標(biāo)記性狀

中圖分類號(hào)：S511；Q343.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jié)構(gòu)功能和遺傳發(fā)育調(diào)控機(jī)理等的重要材料[1，2]。在實(shí)際生產(chǎn)中，葉色變異也是培育新特品種的重要材料來(lái)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(lái)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(duì)個(gè)體的生長(zhǎng)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?、部分黃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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，待胚乳養(yǎng)分耗盡時(shí)植株就會(huì)死亡[5]。非致死突變?nèi)缁ò呷~、淺綠葉、斑馬葉、大部分白化轉(zhuǎn)綠突變體等。條件致死突變?nèi)缢局邪谆D(zhuǎn)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(zhuǎn)換而夭亡，當(dāng)溫度升高后可以白化轉(zhuǎn)綠完成生長(zhǎng)發(fā)育。

作為全球重要的糧食作物，同時(shí)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(duì)于開展相關(guān)基因的定位、克隆和作用機(jī)理研究以及開發(fā)簡(jiǎn)便易用的作物標(biāo)記性狀等具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。水稻葉色變異種類豐富，有整個(gè)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(dá)，表型明顯，如苗期葉片白化、黃化、條紋、斑馬葉以及白化轉(zhuǎn)綠等。有些葉色突變體如白化等光合作用能力嚴(yán)重減弱或喪失，突變體嚴(yán)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(jìn)行基礎(chǔ)性研究，在實(shí)際生產(chǎn)中沒什么實(shí)用價(jià)值[11]。但有些非致死突變體其個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育在生育進(jìn)程或溫度條件改變的情況下可以部分甚至完全恢復(fù)到正常水平，如水稻中的白化轉(zhuǎn)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(fù)綠色，繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育完成整個(gè)生育進(jìn)程。白化轉(zhuǎn)綠突變體一方面可以進(jìn)行植物光合作用機(jī)理、葉綠素生理生化、相關(guān)基因分子生物學(xué)等方面的基礎(chǔ)研究，另一方面在水稻生產(chǎn)、育種上也可以廣泛應(yīng)用于性狀標(biāo)記，為新培育的品種或重要育種材料打上標(biāo)記以利于鑒別。不僅可以加強(qiáng)品種知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，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(jié)實(shí)[12]。鑒于水稻白化轉(zhuǎn)綠突變體的特殊表現(xiàn)及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，下面將詳細(xì)介紹此類突變體的研究進(jìn)展，以期對(duì)該類突變體的研究和應(yīng)用提供幫助。

1 白化轉(zhuǎn)綠突變體的來(lái)源

水稻葉色白化轉(zhuǎn)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(shí)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(zhǎng)發(fā)育而逐漸復(fù)綠，葉片呈正常綠色。白化轉(zhuǎn)綠突變體主要來(lái)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(zhuǎn)綠突變表型上國(guó)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(xué)者發(fā)現(xiàn)的白化轉(zhuǎn)綠v1～v12（virescent-1～12）系列突變體，并對(duì)v1～v3進(jìn)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(jìn)程共同控制的突變體“259”。Chen等[15]報(bào)道一個(gè)在粳稻Qiufeng（秋豐）中自然突變產(chǎn)生的白化轉(zhuǎn)綠突變體QiufengM。張毅等[16]報(bào)道從G46B與意大利粳稻Sirio雜交后代中篩選到一個(gè)白化轉(zhuǎn)綠突變體gra。從W9641S×W6154S F1代花粉培養(yǎng)后代中獲得白化轉(zhuǎn)綠突變體rgr（t），賈銀華[17]、楊潔[18]將該性狀轉(zhuǎn)育到培矮64S及Y1S中培育出新的白化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)綠突變體gra。王軍等[20]從9311中獲得白化轉(zhuǎn)綠突變體v13（t）。鄭靜[21]研究的白化轉(zhuǎn)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(shù)進(jìn)行理化誘變[25]。浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)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(zhuǎn)綠突變體W1、W17、W24、W25和W27[26，27]，以及白化轉(zhuǎn)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(hào)種子經(jīng)60Co-γ射線輻照處理的后代中，發(fā)現(xiàn)了黃化轉(zhuǎn)綠突變體mr21。郭濤等[22]利用返回式衛(wèi)星搭載Francis種子進(jìn)行空間誘變，獲得一株白化轉(zhuǎn)綠、多分蘗矮稈突變體hfa-1。白化轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，基于轉(zhuǎn)基因操作技術(shù)為基礎(chǔ)的插入突變和基因沉默突變逐漸應(yīng)用于新的突變體發(fā)掘，插入突變是利用T-DNA、轉(zhuǎn)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(dá)調(diào)控技術(shù)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(kù)分別篩選到一份白化轉(zhuǎn)綠突變體并進(jìn)行了性狀鑒定和基因的精細(xì)定位研究。

2 白化轉(zhuǎn)綠突變體性狀表現(xiàn)及分類

2.1 白化轉(zhuǎn)綠突變體表型

白化轉(zhuǎn)綠突變體是在苗期某一時(shí)段葉片白化（或黃化、淡綠），隨著生育進(jìn)程及溫度等條件的變化，突變體植株逐步轉(zhuǎn)綠恢復(fù)至正常綠色。白化轉(zhuǎn)綠包含一個(gè)葉色變化過程及這一過程所經(jīng)歷的生育進(jìn)程。葉色變化過程即經(jīng)歷葉片白化和轉(zhuǎn)綠兩個(gè)階段：白化階段大部分研究材料都是在起始1～3葉白化，轉(zhuǎn)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(fù)正常。王兵[24]研究的白化轉(zhuǎn)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(fù)綠色，前面白化葉片也轉(zhuǎn)為淡綠色。

白化轉(zhuǎn)綠這一叫法只是體現(xiàn)了這類突變體的一個(gè)共同變化過程，在不同的研究材料中白化表型、轉(zhuǎn)綠過程及轉(zhuǎn)綠所依賴的條件也有不同。首先，白化程度上有細(xì)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(zhuǎn)綠過程中不同研究材料也表現(xiàn)多樣：從4葉以后轉(zhuǎn)綠，有的突變體前3葉也跟著轉(zhuǎn)綠，只是轉(zhuǎn)綠恢復(fù)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(zhuǎn)綠就直接枯死，4葉及以后葉片轉(zhuǎn)為綠色[15]。在4葉及以后復(fù)綠材料葉片顏色有的幾乎恢復(fù)至野生型對(duì)照水平，如gra[19]、G9[25]等。也有的葉片盡管復(fù)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(zhuǎn)綠突變體對(duì)溫光及生育進(jìn)程的反應(yīng)

從白化條件上看，有的突變體對(duì)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(dǎo)，但各自的低溫誘導(dǎo)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(bào)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(dá)。有的突變體則對(duì)溫度鈍感，其白化轉(zhuǎn)綠依賴生育進(jìn)程的推進(jìn)，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(duì)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(yán)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(zhuǎn)綠，此后30 d植株死亡；在25 ℃恒溫下葉片失綠持續(xù)整個(gè)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(gè)生育期葉片產(chǎn)生細(xì)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(jié)束前有完全白化的葉片，抽穗后白化葉基本完全轉(zhuǎn)綠，整個(gè)分蘗期基本都是白化葉，也有少量綠色葉片[38]。

2.3 白化轉(zhuǎn)綠突變體的分類

從上述分析可知，白化轉(zhuǎn)綠突變體其實(shí)也包含眾多的突變類型，暗示其復(fù)雜的遺傳多樣性，因此有研究者又將白化轉(zhuǎn)綠突變體依據(jù)對(duì)外界條件的依賴性再分類。舒慶堯等[26]根據(jù)水稻白化轉(zhuǎn)綠突變體白化性狀表達(dá)與溫度的關(guān)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(dá)白化性狀，而溫鈍型突變體則對(duì)溫度不敏感。根據(jù)突變體轉(zhuǎn)綠后的葉色程度，可分為白化轉(zhuǎn)淺綠、白化轉(zhuǎn)綠和白化轉(zhuǎn)黃綠突變體三類[25]。

3 白化轉(zhuǎn)綠突變體葉綠素含量及葉綠體結(jié)構(gòu)變化

3.1 白化轉(zhuǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)含量等影響著葉色表達(dá)[25]。白化轉(zhuǎn)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(gè)溫敏水稻葉色突變體W4、W11、W17和W25在不同溫度及轉(zhuǎn)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(yīng)一致。在轉(zhuǎn)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(duì)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(zhǎng)較緩慢。崔海瑞等[27]對(duì)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(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在低溫白化時(shí)（15～20 ℃）葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Caro）含量只相當(dāng)于對(duì)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(duì)照Caro/Chl比值從0.21降低到0.16，當(dāng)Caro/Chl比值在0.22以上時(shí)表現(xiàn)白化。夏九成[4]在2葉期測(cè)定白化突變體“259”及對(duì)照“9311”的葉綠素含量分別為12和25.3（SPAD值），差異顯著，待復(fù)綠后兩者葉綠素含量則無(wú)顯著差異。鄭靜[21]對(duì)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(duì)照02428的14.5%、19.1%和14.0%，返綠后（4葉期）各色素含量相對(duì)于對(duì)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(zhuǎn)綠前）、4葉期（轉(zhuǎn)綠中）和6葉期（轉(zhuǎn)綠后）測(cè)量突變體G9和野生型對(duì)照廣占63S葉綠素a、葉綠素b含量，結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)綠前突變體葉綠素含量很低，僅為對(duì)照的0.24%和0.40%；轉(zhuǎn)綠中相對(duì)于野生型比值分別提高到22.87%和42.66%，轉(zhuǎn)綠后則為97.34%和90.47%。在對(duì)秋豐M的研究中，3葉期測(cè)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(dāng)[15]。王培培[23]測(cè)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(shí)期野生型含量的13.93%、19.36%和28.34%，4葉期時(shí)差異明顯縮小，突變體上述色素含量相對(duì)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(shí)測(cè)量不同溫度處理下的供試材料的光合色素含量，結(jié)果顯示野生型親本嘉花1號(hào)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(shí)，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(duì)白化轉(zhuǎn)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?cè)~綠素含量?jī)H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(zhuǎn)綠期）葉綠素含量和凈光合速率與對(duì)照相比沒有顯著差異。郭士偉等[19]對(duì)源自宜香B的白化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)綠性狀轉(zhuǎn)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(jìn)程的發(fā)育，也有突變體同時(shí)受到溫度及生育進(jìn)程的協(xié)同調(diào)控[4，22]。

3.2 白化轉(zhuǎn)綠突變體超微結(jié)構(gòu)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(guān)系密切。通過對(duì)突變體v13（t）及其野生型親本對(duì)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，觀察不到類囊體基粒片層結(jié)構(gòu)存在，說(shuō)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(zhuǎn)綠葉片部分細(xì)胞中沒有葉綠體或者葉綠體發(fā)育不正常，而部分細(xì)胞中葉綠體發(fā)育正常，這兩種類型的細(xì)胞交替排列，表明隨著溫度的升高，部分細(xì)胞內(nèi)葉綠體發(fā)育恢復(fù)正常，葉片逐漸白化轉(zhuǎn)綠[20]。突變體hfa-1[22]和白01S[18]電鏡觀察結(jié)果與v13（t）類似。鄭靜[21]對(duì)突變體XGS的超微結(jié)構(gòu)觀察及吳殿星等[40]對(duì)W25葉綠體結(jié)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅有少量的片狀結(jié)構(gòu)，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(shí)期葉綠體發(fā)育滯后。當(dāng)突變體逐漸轉(zhuǎn)綠后，葉綠體基粒和基粒片層數(shù)量變多，結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)正常。

4 白化轉(zhuǎn)綠突變體的遺傳、基因定位及克隆情況

目前報(bào)道的水稻白化轉(zhuǎn)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(gè)白化轉(zhuǎn)黃綠突變體，其中只有21W1系由顯性基因控制。

在已報(bào)道的40多個(gè)白化轉(zhuǎn)綠突變體中，有17個(gè)進(jìn)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(xì)定位區(qū)間及相鄰標(biāo)記見表1。其中5個(gè)突變基因已經(jīng)被克隆，gra（t）精細(xì)定位并預(yù)測(cè)基因功能[38]。V1（VIRESCENT-1）編碼一個(gè)定位在葉綠體上的蛋白質(zhì)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(qiáng)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(jìn)質(zhì)體遺傳系統(tǒng)的建立[42]。v1突變體在早期遇低溫則會(huì)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(zhuǎn)錄和翻譯，結(jié)果導(dǎo)致葉片白化?；騐2（VIRESCENT-2）編碼一個(gè)定位在質(zhì)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(shí)期的信號(hào)向細(xì)胞核傳輸，是葉綠體分化所必需的。V2突變后質(zhì)體基因的時(shí)期特異表達(dá)性喪失，核基因組編碼的質(zhì)體蛋白的表達(dá)被抑制，同時(shí)質(zhì)體蛋白翻譯機(jī)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(jī)制，最終使葉綠體發(fā)育不能正常進(jìn)行，導(dǎo)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(gè)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(gè)單堿基的突變，使得甘氨酸錯(cuò)配為絲氨酸，從而影響了RNRL1的表達(dá)，結(jié)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(gè)含有16 個(gè)串聯(lián)PPR基序的三角狀五肽重復(fù)（pentatricopeptide repeat，PPR）蛋白[44]。YSA 在水稻幼葉和莖稈中高表達(dá)，并且其表達(dá)受光調(diào)節(jié)，它的突變導(dǎo)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(fù)成正常綠色，進(jìn)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(guān)。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(zhǎng)臂上兩個(gè)InDel標(biāo)記HW27和HW7間46.9 kb的物理距離內(nèi)，接著通過進(jìn)一步精細(xì)定位、區(qū)間內(nèi)預(yù)測(cè)基因、cDNA測(cè)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(zhuǎn)綠和多分蘗矮稈基因hw-1（t）[45]。推測(cè)該基因突變?cè)斐擅缙诠夂舷到y(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(shí)導(dǎo)致苗期類胡蘿卜素含量減少，缺少類胡蘿卜素保護(hù)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(hào)染色體的長(zhǎng)臂上[15]。進(jìn)一步通過來(lái)源于秈型光溫敏雄性不育系培矮64S與qiufengM雜交后的1 936個(gè)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(gè)ORF中預(yù)測(cè)ORF-6與葉綠體發(fā)育最可能有關(guān)。該基因編碼水稻中的一個(gè)葉綠體蛋白合成的延伸因子Tu。測(cè)序分析表明，該基因在編碼區(qū)有1個(gè)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(cuò)義突變[46]。

5 分子作用機(jī)理研究進(jìn)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(guān)系密切，一般認(rèn)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(gè)非常復(fù)雜的酶促生化反應(yīng)過程，由20 多個(gè)基因編碼的15 種酶完成，其中任何一個(gè)基因發(fā)生突變都可能導(dǎo)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(shí)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(gè)重要的功能就是在強(qiáng)光下保護(hù)細(xì)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(jìn)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(huì)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(chǎng)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(xì)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(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中合成后通過葉綠體被膜轉(zhuǎn)入葉綠體內(nèi)[50]。該過程中核基因轉(zhuǎn)錄翻譯、蛋白質(zhì)加工運(yùn)輸及葉綠體基因表達(dá)、蛋白質(zhì)折疊與降解、類囊體及色素蛋白復(fù)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(gè)RNA特異結(jié)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(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)途徑

作為半自主細(xì)胞器，葉綠體和細(xì)胞核基因組之間的協(xié)調(diào)表達(dá)對(duì)于葉綠體正確合成及功能維持十分重要，這就涉及到細(xì)胞質(zhì)與核基因之間信號(hào)的雙向傳導(dǎo)和應(yīng)答反饋機(jī)制的正確運(yùn)行。當(dāng)核-質(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)途徑遇阻，就會(huì)對(duì)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(shí)期的信號(hào)向細(xì)胞核傳輸，是葉綠體分化所必需的[43]。同時(shí)也參與到水稻葉綠體分化早期質(zhì)體遺傳系統(tǒng)中質(zhì)體轉(zhuǎn)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(zhì)體合成和發(fā)育為成熟的葉綠體等一系列復(fù)雜的生理生化過程，這其中還有細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)兩個(gè)場(chǎng)所間基因組的協(xié)調(diào)表達(dá)，這些過程之間存在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和敏感的反饋機(jī)制。根據(jù)對(duì)白化轉(zhuǎn)綠突變體的生理生化分析和已克隆基因的功能研究結(jié)果，筆者推測(cè)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(zhǎng)期進(jìn)化中形成的受損DNA修復(fù)機(jī)制或代謝旁路的補(bǔ)充作用以及苗期的胚乳自養(yǎng)作用可以在一定時(shí)期內(nèi)維持植物生命的延續(xù)，當(dāng)對(duì)突變產(chǎn)生的不利條件解除或生育進(jìn)程改變后，原有代謝過程恢復(fù)正?；虼x旁路逐漸成為主要代謝通道，植株就會(huì)漸漸恢復(fù)綠色，完成整個(gè)生命周期。葉片白化轉(zhuǎn)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(jī)理還未完全弄清楚。還需進(jìn)一步發(fā)掘相關(guān)突變體，對(duì)突變基因進(jìn)行克隆和功能研究，透徹研究白化轉(zhuǎn)綠突變基因的分子作用機(jī)理，為更加有效應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

6 遺傳育種中的應(yīng)用——理想的形態(tài)學(xué)標(biāo)記

作為眾多葉色變異中一種特殊的類型，白化轉(zhuǎn)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(jī)制和過程、植物光合作用機(jī)理等方面具有獨(dú)特的作用，在遺傳育種中作為一種理想的形態(tài)標(biāo)記材料也十分具有現(xiàn)實(shí)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(jiǎn)單快速，不育系繁殖時(shí)又可一系兩用；更重要的是兩系法配組自由，雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)。兩系雜交稻以其株型好、米質(zhì)優(yōu)和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)，在雜交種制種時(shí)會(huì)有遇低溫不育系育性擺動(dòng)及自交結(jié)實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)又存在高溫少量自交結(jié)實(shí)問題，也會(huì)影響種子純度。近年來(lái)，育種家利用隱性白化轉(zhuǎn)綠葉色標(biāo)記來(lái)標(biāo)記不育系[28-32，52]，不失為一種簡(jiǎn)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(shí)也可鑒定串粉混雜。標(biāo)記性狀在種子發(fā)芽1～2周即可出現(xiàn)，不僅可以提早預(yù)定種子純度，而且可以大大降低種子冬季在海南鑒定的費(fèi)用，有利于種子生產(chǎn)銷售企業(yè)提早進(jìn)行市場(chǎng)部署和降低種子成本。

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

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