方希林 ，王 悅 ，朱敏敏 ，鄧躍軍 ，張 晶 ，李恩宇 *

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2湖南希望種業(yè)科技股份有限公司，長沙 410128）

水稻葉色突變基因的遺傳研究進展

方希林1，王 悅1，朱敏敏1，鄧躍軍2，張 晶2，李恩宇1*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2湖南希望種業(yè)科技股份有限公司，長沙 410128）

介紹了水稻葉色突變體的類型及來源，綜述了水稻葉色突變相關(guān)基因的發(fā)掘、定位和克隆進展情況，從細(xì)胞核遺傳的突變、細(xì)胞質(zhì)遺傳的突變以及核質(zhì)互作的突變等方面詳細(xì)闡述了水稻葉色突變的遺傳機理，并對其作為標(biāo)記性狀在育種上的應(yīng)用提出了展望，旨在為水稻葉色突變體的研究與應(yīng)用提供參考。

水稻；葉色；突變基因；遺傳

水稻產(chǎn)量所需的物質(zhì)基礎(chǔ)90%～95%來自葉片葉綠體的光合作用積累，因此增強光和效率是提高水稻產(chǎn)量潛力的有效途徑之一［1］。而水稻葉色對光合作用有較大的影響，因此對水稻葉色的相關(guān)研究顯得十分重要。在雜交水稻生產(chǎn)過程和育種過程中，因葉色突變體區(qū)別明顯，易于識別，可以用來作為一種標(biāo)記性狀，能夠廣泛應(yīng)用于雜交水稻繁殖制種和F1種子純度鑒定中。因此，發(fā)掘更多的葉色突變體，以及鑒定新的水稻葉色突變基因，有助于深入揭示水稻光合作用的分子機理，為培育高光效新品種奠定理論基礎(chǔ)，同時也可用于提高雜交水稻的種子生產(chǎn)純度［2］。

1 水稻葉色突變體的分類

葉色突變在自然界中常有發(fā)生，是一種突變頻率較高的突變形式。水稻葉色突變體種類很多，表型也各不相同。因水稻葉色突變一般在幼苗時期就開始顯露，所以大多數(shù)研究都是根據(jù)突變體苗期的葉色表型來進行分類。Awan等［3］在前人基礎(chǔ)上將葉色突變體細(xì)分為黃化，黃綠，綠黃，白化，淺綠，條紋，白翠，綠白 8 種類型。 Gustafsson［4］將葉色突變體分為黃化，白化，淺綠，斑點，條紋五大類。此外，鄧曉娟等［5］在研究中將葉色突變體表型分為黃化，溫敏變色，白化，亮綠，轉(zhuǎn)綠和紫色，常綠，條斑條紋。隨著對葉色突變體的研究不斷深入，以及越來越多的突變體發(fā)現(xiàn)，僅以苗期葉色表型對突變體進行分類的方法并不完全適應(yīng)所有的突變類型。如Falbel等［6］根據(jù)葉綠素發(fā)生變異的生理機制，將葉色突變體分為缺葉綠素b型和缺葉綠素a型、總?cè)~綠素增加型、缺總?cè)~綠素型等。由于水稻葉色變異同時受到遺傳規(guī)律與環(huán)境條件的影響，如光強、光照時間和光質(zhì)的差異影響葉色突變體發(fā)育的調(diào)控［7-9］。 此外，劉艷霞等［10］將葉色突變體歸納為高溫敏感型、低溫敏感型，以及特殊溫敏感型。隨著越來越多的葉色突變體被發(fā)現(xiàn)，缺乏一種行之有效的分類方法，能夠恰當(dāng)?shù)倪M行突變體類型的劃分，有研究提出最好的分類方法應(yīng)該是表型與基因功能結(jié)合，但由于葉色調(diào)控機理還未完全明了，該方法仍存在一定的局限性［5］。

2 水稻葉色突變體的來源

自然突變和人工誘變是水稻葉色突變體的主要來源。雖然水稻自然突變率低，但是近年來，也相繼有該類型的突變材料的報道。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)的白化轉(zhuǎn)綠突變體 v1～v12 系列［11-13］。 王軍等［14］從秈稻9311中獲得了一個白化轉(zhuǎn)綠自然突變體v13（t）。 賀治洲等［15］利用 T98B／金 23B／／宜香 1B雜交后獲得新葉黃化后轉(zhuǎn)綠型的自然突變株系熱農(nóng)1A。吳書俊等［16］在水稻品種南粳41中發(fā)現(xiàn)的一個黃綠葉自然突變體ygl11（t）。

人工誘變的方法多種多樣，60Co-γ射線的應(yīng)用較為廣泛，譚炎寧等［17］利用60Co-γ 射線誘變秈型三系保持系T98B后獲得的單葉獨立轉(zhuǎn)綠型黃化突變體 grc2。董青等［18］利用60Co-γ對秈稻中恢8015進行輻射誘變，獲得突變體w390，該突變體在全生育期葉片均呈黃綠色。此外，王丹霞等［19］用甲基磺酸乙脂（EMS）分別處理粳稻品種日本晴和Kitaate獲得的黃綠葉突變體507ys與yl1。zjw［20］、gra75［21］、YGL9［22］、wpsm［23］、Ygl［24］、Osyl1［25］等突變體材料也均由類似方法得到。除了常規(guī)的物理方法和化學(xué)方法，利用基因工程技術(shù)也獲得了一批重要的葉色突變體材料。張澤民等［26］在篩選和鑒定水稻T-DNA（含Basta抗性基因Bar）插入純合體的過程中發(fā)現(xiàn)了一個白化苗性狀突變體。Jung等［27］從構(gòu)建的水稻T-DNA突變體庫中篩選到一個OsCHLH突變的白化轉(zhuǎn)綠突變體。Miyao等［28］用粳稻品種日本晴建立了一個包含47196個株系的Tos17插入突變體庫，從突變體庫中篩選獲得白葉、條紋葉、黃葉、斑馬葉、斑點葉等多種類型的Tos17插入突變體。

3 水稻葉色突變相關(guān)基因的定位及克隆情況

迄今為止，已有至少190份水稻葉色變異材料被發(fā)現(xiàn)，已定位到具體染色體的水稻葉色相關(guān)突變基因逾145個，這些基因廣泛分布于水稻全基因組十二條染色體上［29］。其中以3號染色體上發(fā)現(xiàn)和定位的基因最多，該染色體上有超過30個基因被發(fā)現(xiàn)，第12號染色體上的葉色基因最少，僅2個，即ETL2和tcm12。ETL2被定位在12號染色體斷臂上209kb范圍內(nèi)，與在11號染色體上的黃化基因ETL1高度同源，功能冗余，有一段相同的復(fù)制片段，其編碼產(chǎn)物蛋白序列與擬南芥中參與葉綠體RNA加工的HCF152蛋白類似，并且這兩個基因都為隱性基因［30］。tcm12是一個在溫敏感突變體中篩選出來的一個隱性基因，最終被定位在12號染色體上，分子標(biāo)記ID2119D到ID21436之間的237kb內(nèi)［31］。此外，在所有定位到的葉色突變基因中，又以黃化表型最為常見，有超過40個被定位，并不斷有新的基因被定位。初志戰(zhàn)等［32］利用60Co-γ射線誘變的M1材料中發(fā)現(xiàn)一個黃綠葉突變體（ygl8951），利用黃華占和突變體雜交獲得F2代分離群體后，將該基因定位在了第6號染色體上，位于InDel標(biāo)記607489到607611 之間，物理距離為 191kb。 王付華等［33］將突變體白784中的葉色基因Abt6定位在第6號染色體上，位于InDel標(biāo)記Y15420到Y(jié)15648之間，物理距離為278kb，該基因為溫敏感隱性基因。

至今，據(jù)不完全統(tǒng)計至少約有37個葉色基因被克隆，由于葉綠素的合成途徑復(fù)雜，各個環(huán)節(jié)的調(diào)控基因都可能引起葉色的變化，主要分為兩類，即葉綠素合成降解途徑上的基因和葉綠素發(fā)育途徑上的基因。目前，已克隆的葉色基因除第8號染色體上外，在其他染色體上都有分布。NYC1、OsDOS、OsHAP3A、SPL28（1號染色體）；OsGluRS、ASL2、Cga1（2號染色體）；OsCHLH、OsCHLD、OsCHLI、VYL、OsDVR、V1、V2、YSA、OscpSRP43、NOL、OsCLpP5（3號染色體）；PL、MPR25（4 號染色體）、OsRopGEF10、YGL1（5號染色體）；SPP、NYC3、V3（6號染色體）；NTRC、OsCHR4（7號染色體）；SGR、YLC1、OsPPR1（9號染色體）；OsCAO1、OsCAO2、FGL（10號染色體）；OsCRTISO、ETL1、YGL138（t）（11號染色體）；ETL2（12號染色體）。其中ASL2和VYL是近年來新克隆的葉色基因。Lin等［34］利用ASL2（白化突變體）與秈稻品種培矮64S構(gòu)建F2代分離群體，最終將ASL2定位在2號染色體146kb區(qū)域內(nèi)，ASL2編碼葉綠體50S核糖體蛋白L21（RPL21c）是葉綠體核糖體大亞基的一個組分，定位在葉綠體上，與擬南芥RPL21c序列相似性為57.9%，并且ASL2有較強的組織表達特異性，在胚芽和葉片中具有較高水平。VYL［35］基因編碼一個與擬南芥ClpP6亞基同源的蛋白，是葉綠體Clp蛋白酶的亞基之一，能與Clp蛋白酶亞基OsClpP3和OsClpP4分別互作，在水稻葉綠體生物合成中起重要作用并證實了LOC＿Os03g29810為候選基因，并且VYL基因的表達量與光介導(dǎo)的葉綠體發(fā)育進程相關(guān)，在葉綠體發(fā)育的早期表達量最高。根據(jù)鄧曉娟等［5］、孫亞利等［29］的報道發(fā)現(xiàn)水稻葉色突變體材料以及突變基因的定位和克隆逐年增多，但至于水稻葉色突變基因在各染色體上的分布規(guī)律尚未發(fā)現(xiàn)很好的理論加以充分的解釋，對已克隆的基因研究也尚未透徹。

4 水稻葉色突變的遺傳機理

水稻葉色突變的遺傳機理包括細(xì)胞核遺傳突變，細(xì)胞質(zhì)遺傳突變以及核-質(zhì)互作而引起的突變。

4.1 細(xì)胞核遺傳的突變

大多數(shù)研究表明水稻葉色突變由核基因控制，其中，顯性核基因及多基因控制的葉色突變報道較少。如房賢濤等［36］對6個光溫敏核不育系的白化轉(zhuǎn)綠突變體的生物學(xué)特性研究和遺傳分析，發(fā)現(xiàn)僅21W1由顯性基因控制，其他皆為隱性遺傳。鐘振泉等［37］通過對水稻斑點葉突變體spl32的鑒定與遺傳分析發(fā)現(xiàn)該葉色突變由一對顯性核基因控制。此外，自然間斷失綠溫敏葉色突變體1103s是通過原生質(zhì)培養(yǎng)獲得的淡綠葉色標(biāo)記粳稻光溫敏不育系，由兩對隱性基因控制［38］。

4.2 細(xì)胞質(zhì)遺傳的突變

由細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的基因決定的遺傳現(xiàn)象與規(guī)律叫做細(xì)胞質(zhì)遺傳，也稱為非染色體遺傳、非孟德爾遺傳、母體遺傳等。細(xì)胞質(zhì)遺傳的特點為遺傳方式是非孟德爾式的，雜交后代一般不按固定的比例分離。細(xì)胞質(zhì)基因突變引起的葉色突變較少，最早見于 Palmer［39］等人的研究。在小麥中，蘇小靜等［40］發(fā)現(xiàn)的小麥返白系階段性返白特性是受細(xì)胞質(zhì)基因控制的。在水稻中，劉友杰［41］對激光誘發(fā)的褪綠突變體實驗研究證實了其葉色突變體由細(xì)胞質(zhì)基因突變引起。

4.3 核質(zhì)互作的突變

一般認(rèn)為，核基因組與質(zhì)體基因組之間存在聯(lián)系，并且相互作用，這種相互作用也稱為核質(zhì)互作。一方面，核基因控制著質(zhì)體的發(fā)育進程，如水稻核基因OsDVR發(fā)生突變后，葉綠體發(fā)育受到抑制，突變體表現(xiàn)黃綠葉，植株生長緩慢［29］。另一方面，葉綠體發(fā)育停滯或損傷會通過反饋信號途徑調(diào)控核基因的表達，如葉綠體發(fā)育不良的轉(zhuǎn)綠型白葉突變基因V2抑制了葉綠體分化早期質(zhì)體遺傳體系中質(zhì)體轉(zhuǎn)錄本的翻譯［42］。葉綠體是水稻重要的細(xì)胞器，核基因編碼的10%～15%蛋白在葉綠體中表達，葉綠體內(nèi)的基因由細(xì)胞核和葉綠體共同編碼，因此它們之間的相互協(xié)調(diào)對于葉綠體行使正常功能是必需的。此外，在現(xiàn)有的研究報道中，尚未提出適宜合理的核質(zhì)互作機理來闡述葉色突變體遺傳與形態(tài)變異機制，有待進一步研究。

5 問題與展望

目前，水稻中已經(jīng)克隆到許多葉綠素代謝途徑及葉綠體發(fā)育缺陷相關(guān)的基因，但這些突變體材料對深入探究葉綠素合成與代謝途徑的機理及葉綠體發(fā)育過程的機制還遠遠不夠，特別是水稻兩用核不育系葉色突變基因克隆報道不多，對兩用核不育系葉片轉(zhuǎn)色等光合特性的分子機理研究更少。在水稻遺傳改良中，葉色和育性變異材料具有重要的應(yīng)用價值，如攜帶葉色標(biāo)記的不育系能給雜交稻制種過程中的親本除雜帶來便利，而具有光溫敏特性的雄性不育材料能提高雜種優(yōu)勢的利用效率。因此，發(fā)掘和利用水稻兩用核不育系葉色突變基因資源具有重要科學(xué)價值。

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(責(zé)任編輯：王丹)

Research Progress of Rice Leaf Color Mutation Genetic Analysis

FANG Xi-lin1,WANG Yue1,ZHU Min-min1,DENG Yue-jun2,ZHANG Jin2,LI En-yu1*
(1 College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2 Hunan Hoping Seeds Science and Technology Incorporated Company,Changsha,Hunan 410128,China)

The types and sources of rice leaf color mutants were introduced and the evolution,localization and cloning progress of rice leaf color mutation related genes were reviewed. Simultaneously, it detailedly elaborates genetic mechanism of leaf color mutants in rice from these aspects including the nucleus of genetic mutations,the cytoplasmic genetic mutations as well as mutations of nuclear mass interactions.Furthermore,it proposes prospects in the application on rice breeding as amarker trait,aiming to provide references for the research and application of leaf color mutants in rice.

Rice;Leaf color mutant;Mutations genes;Genetic

S188 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673－6737（2016）06－0004－05

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（16B27）；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（XCX1549）。

2016-09-20

方希林（1995-），男。

*通訊作者：李恩宇（1990-），助教，主要從事水稻分子育種研究。