劉紅艷 周 芳 李 俊 楊敏敏 周 婷 郝國存 趙應忠

?

芝麻黃化突變體YL1的葉片解剖學及光合特性

劉紅艷 周 芳 李 俊 楊敏敏 周 婷 郝國存 趙應忠

中國農業(yè)科學院油料作物研究所 / 農業(yè)部油料作物生物學與遺傳育種重點實驗室, 湖北武漢430062

表型性狀標記在作物遺傳育種中具有重要的應用價值。在芝麻地方種質“廟前芝麻”中發(fā)現了能夠穩(wěn)定遺傳的黃化突變體YL1, 對該突變體的葉片解剖特征、光合特性及農藝性狀的比較分析表明, 突變體YL1黃化心葉和平展葉在各個發(fā)育時期的葉綠體結構均與同時期野生型存在明顯差異, 下表皮氣孔保衛(wèi)細胞數是正常葉的2倍左右。YL1的葉綠素、總葉綠素、類胡蘿卜素含量均只有同時期正常含量的30%~40%, 葉綠素含量只有正常葉的20%; 光合速率在初花期及以前均顯著低于同期正常葉, 但到終花期與正常葉相當; YL1的生育期和初花期顯著推遲, 株高和單株蒴果數明顯降低, 每蒴粒數和千粒重略微降低。顯微觀察表明, YL1的葉綠體形態(tài)結構發(fā)育不規(guī)則, 基粒和基粒片層數目明顯少于野生型, 使得葉綠素含量過低, 屬于葉綠體發(fā)育異常導致的葉綠素缺少型突變體。

芝麻; 黃化突變體; 葉綠體顯微和超微結構; 光合特性; 生理生化特性

葉片是植物進行光合作用的最重要器官, 其形狀、大小、直立的角度、顏色的深淺都會影響光合作用的效率進而影響產量, 因此葉型和葉色變異方面的研究受到遺傳學家和育種學家的高度重視[1]。葉色變異發(fā)生的頻率較高、變異類型較為豐富、表型直觀, 在高等植物中發(fā)現得較多[2], 它主要是通過基因突變直接或間接地影響葉綠素的合成和降解, 進而導致細胞色素含量、組成和比例發(fā)生改變[3-4]。葉綠素出現缺陷的可能原因有兩種, 一是催化葉綠素合成酶的基因突變, 造成葉綠素合成受阻和葉綠體結構發(fā)育異常; 二是編碼葉綠體結構蛋白的基因突變, 導致葉綠體結構發(fā)育受阻, 葉綠素合成減少[5]。葉色突變的種類很多, 按苗期表現, 可分為白化、黃化、淺綠、斑點、條紋等類型[6]; 按葉色變異后能否轉綠則可分為轉綠和非轉綠兩種類型[2]。這些突變性狀在生產上可能具有重要的應用潛力, 如可將突變材料作為形態(tài)標記應用于農作物遺傳改良, 尤其是應用于雜交制種時顯著提高除雜效率, 確保種子純度[7-8]。因此研究葉色突變體的細胞學結構、生理生化特性和光合特性之間的關系具有十分重要的現實意義。葉色突變方面的研究早在20世紀30年代就有報道[9], 在大豆[10]、小麥[11]、煙草[12-13]、擬南芥[14]、菊花[15]等很多物種中都有發(fā)現, 且對發(fā)現的葉色突變體的葉綠體超微結構、光合色素含量組成及光合特性也都進行了相應的報道。研究表明, 葉綠素缺陷型突變分為總葉綠素缺陷和葉綠素缺陷兩種[16], 與正常野生型相比, 它們的光合色素含量偏低, 葉綠體數目減少, 葉綠體內部基粒數減少, 基粒片層垛疊數減少, 基粒排列不整齊[17], 或未分化出基粒和基粒片層, 光合膜系統(tǒng)發(fā)育程度低[18]; POD活性和MDA含量顯著高[19]; 光合速率大多明顯低[20-21], 但也有相反的報道[22-23]。盡管前人對已發(fā)現的葉色突變體進行了形態(tài)結構、顯微結構、光合特性、生理特性、生化特性等方面的研究, 但結果也千差萬別。2010年本課題組在湖北武漢及河南正陽試驗基地的地方種質“廟前芝麻”中發(fā)現了黃化苗突變體, 該突變體終身黃化, 長勢明顯比野生型差, 開花期和生育期明顯晚于野生型, 其他農藝性狀基本與野生型相同。目前關于芝麻黃化苗突變體的研究還未見報道。本研究在參考前人研究的基礎上, 對芝麻黃化葉突變體的農藝性狀、光合色素含量及組成、葉綠體細胞學結構、氣孔特征參數、光合特性、生化特性等進行研究與剖析, 旨在明確該突變材料的黃化機制, 為芝麻育種和生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

為芝麻地方種質“廟前芝麻”及由其自發(fā)突變的黃化突變體YL1。YL1經多代隔離繁殖后性狀穩(wěn)定, 與廟前芝麻配制不同分離群體, 初步遺傳分析表明, 該黃化性狀受1對隱性基因控制(另文發(fā)表)。將材料種植于中國農業(yè)科學院油料作物研究所武昌試驗基地, 共20行, 行長2.40 m, 行距0.40 m, 株距0.15 m, 三至四葉期定苗, 每行13株, 常規(guī)管理。

1.2 成熟期主要農藝性狀調查

2014年夏季, 在生育后期至成熟期測定葉片長度、葉片寬度(最寬處)、株高、單株蒴果數、每蒴粒數、千粒重, 每性狀測5株, 求平均值。

1.3 光合色素含量的測定

參照Arnon 的方法[24]分別于苗期、初花期、盛花期測定葉綠素含量。從每材料取樣5株, 每株取中部全展葉, 用打孔器沿主葉脈兩側快速打數量相等的小圓片(直徑為1 cm ), 快速稱重后放到事先準備好的提取液(50% 丙酮: 50% 無水乙醇=1︰1)中, 在常溫(25~35℃)遮光條件下充分提取約24 h。用Beckman DU 650紫外-可見分光光度計測定波長645 nm 和663 nm 下浸出液的光密度值, 再用修正的Arnon 公式[24]計算出葉綠素、及總葉綠素(+)的含量[25]。

1.4 光合作用參數測定

在苗期和盛花期, 分別選取長勢基本一致的突變體和野生型植株各5株, 利用Li-COR-6400便攜式光合作用測定儀測定植株中部全展葉光合作用相關參數, 設置LED紅藍光源, 光強800 μmol m–2s–1, 葉室溫度25℃, CO2濃度400 μmol m–2s–1。測定儀軟件自動計算得到凈光合速率(n)、氣孔導度(s)、胞間CO2濃度(i)、蒸騰速率(Tr)等光合作用相關參數。選晴朗天氣, 在上午9:00— 11:00測定, 3次重復, 在讀數穩(wěn)定后讀取數值, 取3次平均值為一個觀測值。

1.5 氣孔數量調查

在六對真葉期, 分別取突變體和野生型植株的心葉和中部全展葉各5片, 在葉片中部, 用尖頭鑷子撕取下表皮, 立即放入事先滴有1~2滴1% I2-KI溶液的載玻片上染色3~5 min, 再用Olympus BX61光學顯微鏡觀察氣孔(10′、20′和40′), 測量氣孔大小并照相。每葉片觀察4個視野, 統(tǒng)計視野內氣孔數。

1.6 葉片顯微和亞顯微結構觀察

在初花前分別取突變體和野生型的心葉和六葉期平展葉, 于葉片中部避開葉脈切取長5 mm、寬5 mm的小片, 立即投入FAA固定液固定24 h以上, 用真空泵抽真空, 常規(guī)石蠟切片法包埋, LKB超薄切片機切片, 厚度1.5~2.0 μm, 甲基藍染色, 加拿大樹膠封片, Olympus BX61顯微鏡下觀察并照相。

在苗期、初花期、終花期分別取突變體和野生型植株中部全展葉, 于葉片中部避開葉脈切取長5 mm、寬5 mm的小片, 每材料剪取20片, 立即投入2.5%的戊二醛固定液固定24 h以上, 以真空泵抽氣消除氣泡使固定液滲入。先用0.1 mol L–1磷酸緩沖液(pH 7.2)連續(xù)沖洗6次, 每次2 h, 再用1%餓酸固定4 h。乙醇系列梯度脫水, 環(huán)氧丙烷過渡2次, Epon812樹脂包埋, 最后制成超薄切片, 在JEM-2000EX透射電子顯微鏡下觀察并照相[26]。

1.7 數據統(tǒng)計與分析

用SPSS6.0軟件進行方差分析, LSD法進行多重比較, Microsoft Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 芝麻黃化突變體YL1農藝性狀分析

芝麻黃化突變體YL1從出苗開始子葉即表現黃化, 之后長出的每片真葉也都表現出明顯的黃化, 且終身黃化(圖1); 突變體的莖稈、蒴果均出現不同程度的黃化現象; 突變體還表現出株型變小、生長緩慢, 初花期滯后16 d左右, 花期短、開花時間集中, 生育期變長的現象; 突變無致死效應, 能正常開花結實, 但種子千粒重略微降低, 主要經濟性狀比野生型差。野生型葉片、蒴果、莖桿全生育期為正常綠色(表1和圖1)。

表1 黃化突變體與野生型主要農藝性狀的比較

圖1突變體與野生型不同生長時期的性狀對比

A: 左邊綠葉為野生型剛出土幼苗, 右邊黃葉為突變體YL1剛出土幼苗; B: 左邊綠葉為野生型幼苗, 右邊黃葉為突變體YL1幼苗; C: 左邊綠葉為野生型盛花期植株, 右邊黃葉為突變體YL1盛花期植株; D: 左邊綠葉為野生型植株下部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株下部葉片; E: 左邊綠葉為野生型植株中部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株中部葉片; F: 左邊綠葉為野生型植株上部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株上部葉片; G: 左邊為野生型成熟期蒴果綠色, 右邊為突變體YL1成熟期蒴果黃色。

A: emergence of green seedlings is wild type WTMQ, emergence of yellow seedlings is mutant YL1; B: the green seedling is wild type WTMQ, the yellow seedling is mutant YL1; C: the full bloom plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; D: the lower leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; E: the middle leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; F: the upper leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; G: the mature capsules for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow.

2.2 芝麻黃化突變體光合色素含量分析

在芝麻整個生育期內, 突變體YL1的葉綠素、葉綠素、總葉綠素和類胡蘿卜素含量一直低于同期野生型(圖2)。其中葉綠素含量在苗期、初花期和終花期, YL1分別比野生型低66.46%、67.46%和67.41%; 葉綠素分別低79.88%、77.50%和78.97%; 總葉綠素含量分別低69.69%、69.60%和70.00%; 類胡蘿卜素含量分別低62.61%、59.50%和61.34%, 表明該突變體是葉綠素缺乏突變體, 光合色素含量比野生型低60%~80%。

2.3 芝麻黃化突變體光合作用參數分析

突變體YL1在苗期和初花期n顯著低于同期野生型, 分別低45.91%和51.19%, 但在終花期卻差異不大;s在初花期顯著低于野生型(低25.00%), 但在其他時期均差異不顯著; 胞間CO2濃度在苗期和初花期均顯著高于野生型, 分別高10.49%和6.59%, 但在終花期卻差異不大;r在初花期顯著低于野生型(28.34%), 但在苗期和終花期卻差異不明顯。由此可見, YL1與野生型在生育早期光合特性存在顯著差異, 且在初花期差異最大, 到終花期時突變體光合功能增強, 與野生型沒有明顯差異。

2.4 黃化突變體與野生型葉綠體結構比較

2.4.1 芝麻黃化突變體的葉片解剖結構 突變體YL1的葉片和葉脈的顯微結構與野生型在心葉期無較大差異。野生型最外層的葉脈表皮細胞排列整齊而緊密, 且呈現出規(guī)則的圓形, 中部皮層由多層細胞構成, 最里面的維管束組織結構較為發(fā)達(圖3-A1), 突變體YL1的葉脈表皮細胞與野生型基本相同(圖3-B1)。野生型葉片較厚, 上下表皮細胞排列較為緊密, 下表皮的氣孔較多, 氣孔結構明顯, 柵欄組織細胞排列整齊而又緊密, 呈規(guī)則的長圓柱形, 海綿組織發(fā)育良好, 排列相對較為疏松, 輸導組織通暢且清晰(圖3- A2, A3, A4); 而突變體YL1葉片厚度減小, 海綿組織排列更為緊密, 無通暢的輸導組織(圖3-B2, B3, B4)。

圖2 突變體與野生型不同發(fā)育時期光合色素含量及相對比值

3次重復。*在0.05水平上差異顯著; **在0.01水平上差異顯著。

Three biological repeats. * significantly different at＜0.05; ** significantly different at＜0.01.

表2 不同發(fā)育時期突變體與野生型葉片的光合作用相關參數比較

表中標以不同小字母的同列數值在0.05水平差異顯著。

Values within a column followed by a different small letter are significantly different at the 0.05 probability level.

突變體YL1平展葉的葉片和葉脈的顯微結構與同期野生型相比表現出較大的差異。野生型和突變型YL1的平展葉葉脈表皮細胞與同材料心葉比均無變化, 但突變型YL1的維管束細胞層數更少(圖3-C1, D1); 野生型柵欄組織、海綿組織、輸導組織與心葉比也無明顯的變化, 但突變型YL1的上下表皮細胞呈不規(guī)則形, 排列不整齊, 結構松散(圖3-D2, D4), 沒有明顯的一層上下表皮細胞結構(圖3-C2, C4), 少量輸導組織開始出現(圖3-D3)。

2.4.2 芝麻黃化突變體的葉綠體超微結構觀察 野生型苗期葉綠體細胞緊貼細胞壁內側分布, 發(fā)育較為成熟, 呈明顯的紡綞形或梭形(圖4-A1), 中間稍微膨大, 其中的基粒、基粒片層、基質片層清晰, 基粒片層數較多, 垛疊較高, 基粒之間有較多的基質片層相連, 淀粉粒較大(圖4-A2, A3), 過氧化物體體積較大, 呈規(guī)則的圓球形(圖4-A3)。突變體苗期葉綠體細胞數目與野生型基本無差異, 但大多為不正常細胞, 細胞瘦小(圖4-B1)或呈圓形(圖4-B3), 細胞之間沒有清晰的界線(圖4-B1)。葉綠體大多能緊貼細胞壁分布(圖4-B1), 少數葉綠體游離分布于細胞內側, 片層結構明顯, 但片層數量明顯比同期野生型少(圖4-B2); 在初花期, 野生型葉綠體發(fā)育良好, 與前期相比, 葉綠體數目基本維持不變(圖4-C1)。此期基粒片層垛疊層數較多, 且分布較為均勻(圖4-C2, C3), 淀粉粒大小不一, 結構清晰(圖4-C2)。與前期相比, 突變體葉綠體數目基本維持不變(圖4-D1), 葉綠體中的基粒片層結構清晰, 但片層數量明顯變少, 且排列不規(guī)則, 無淀粉粒形成(圖4-D2, D3), 周圍的雜質較多(圖4-D2); 在終花期, 野生型葉綠體與前期相比, 數目沒有明顯的變化, 但淀粉粒明顯變多(圖4-E1), 少數淀粉粒體積明顯變大(圖4-E3), 但基粒片層與基質片層的數量及體積卻無明顯變化(圖4-E2)。突變體葉綠體與前期相比, 葉綠體數目似有減少的趨勢, 但不明顯(圖4-F1), 淀粉粒數量明顯減少(圖4-F3), 基粒與基質片層無明顯的變化(圖4-F3)。但突變體與野生型相比, 基粒和基質片層的數量明顯少得多, 淀粉粒數量也明顯偏少。

圖3 芝麻YL1突變體及其野生型心葉和平展葉解剖結構

A1~A4: 綠心葉; B1~B4: 黃心葉; C1~C4: 綠展葉; D1~D4: 黃展葉。A1~D1為20×, 其他均為40×。UP: 上表皮; LP: 下表皮; PT: 柵欄組織; BS: 維管束鞘; ST: 海綿組織; CO: 厚角組織; Pa: 薄壁組織; X: 木質部; Ph: 韌皮部; Ca: 形成層; EH: 表皮毛

A1–A4: green heart leaf; B1–B4: yellow heart leaf; C1–C4: green flat leaf; D1–D4: yellow flat leaf. A1–D1 were under 20× scope and others were under 40× scope. UP: upper epidermis; LP: lower epidermis; PT: palisade tissue; BS: bundle sheath; ST: spongy tissue; Co: collenchyma; Pa: parenchyma; X: xylem; Ph: phloem; Ca: cambium; EH: epidermal hair.

圖4 芝麻YL1突變體及其野生型不同發(fā)育時期中部平展葉的葉綠體超微結構

A1~A3: 野生型苗期; B1~B3: 突變體苗期; C1~C3: 野生型初花期; D1~D3: 突變體初花期; E1~E3: 野生型終花期; F1~F3: 突變體終花期。CH: 葉綠體; CW: 細胞壁; G: 基粒; GL: 基粒片層; S: 基質; SL: 基質片層; SG: 淀粉粒; O: 嗜餓顆粒; PE: 過氧化物體。

A1–A3: wide type at seedling stage; B1–B3: mutant at seedling stage; C1–C3: wide type at initial flowering stage; D1–D3: mutant initial flowering stage; E1–E3: wide type at end flowering stage; F1–F3: mutant at end flowering stage; CH: chloroplast; CW: cell wall; G: granum; GL: gramum lamella; S: stroma; SL: stroma lamella; SG: starch grain; O: osmiophilic granules; PE: peroxisome.

3 討論

植物黃化突變的來源廣泛, 但它們大多與葉綠素含量和葉綠體形態(tài)結構變化有關。目前已發(fā)現的葉色突變體種類繁多, Falbel等[16]按葉綠素比值將葉綠素突變體分為兩類, 一類完全不含葉綠素, 如擬南芥突變體[27]、大麥突變體chlorina f2[28]; 另一類總葉綠素及葉綠素合成減少, 目前報道的突變體多為此類。比如肖華貴等[18]發(fā)現, 甘藍型油菜黃化突變體NY的葉綠體數目和基粒片層數減少是導致葉色黃化的主要原因; 董遵等[29]用氮離子處理獲得了一株失綠黃化而后復綠的甘藍型油菜突變體, 該黃化突變體葉綠體數量少, 膜結構解體, 無類囊體。本研究發(fā)現的黃化突變體YL1屬于后者, 在芝麻中未見類似報道。YL1來源于自然變異, 從出苗開始即表現黃化, 一直持續(xù)到成熟期, 葉綠體數量始終變化不大, 但形態(tài)和結構發(fā)生了不同程度的改變, 基粒片層數的明顯減少, 直接導致葉綠素含量大幅度降低, 葉片黃化。由于黃化持續(xù)時間長, 植株的生長發(fā)育和農藝性狀受到較大影響, 主要表現為生育期推遲, 產量相關性狀變差, 這與很多作物突變體特性相似[18, 30-31]。但該黃化性狀穩(wěn)定, 容易辨認, 可作為標記性狀在芝麻雜種優(yōu)勢中加以利用。

關于植物的黃化機制, 不同學者有不同發(fā)現。Von Wettstein 等[32]指出, 高等植物葉綠素合成途徑中的任何一個步驟出現問題都會導致葉綠素合成受阻。李燕群等[33]研究表明, 水稻黃綠葉突變體507ys中葉綠素含量大幅度降低, 編碼葉綠素酸酯a加氧酶OsCAOI的基因發(fā)生突變, 導致突變體黃化; 該突變體在OsCAOI編碼區(qū)的堿基序列中一個G突變?yōu)锳, 使谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼? 導致葉綠素酸酯加氧酶失活, 葉綠素合成受阻。崔海瑞等[34]發(fā)現水稻黃化突變體W1的黃化是葉綠素合成受阻造成的, 受阻部位發(fā)生在由PBG轉變?yōu)閁rogen III的過程中。本研究中, 芝麻葉色黃化突變體材料YL1在整個發(fā)育過程中葉綠素、葉綠素、總葉綠素和類胡蘿卜素含量均基本穩(wěn)定, 比同期野生型低60%~80%, 葉綠素比值明顯高于野生型, 而總葉綠素/類胡蘿卜素比值卻略低于同期野生型。根據高等植物葉綠素合成途徑, 初步推測造成芝麻黃化突變體材料YL1葉片黃化的主要原因是在葉綠素合成之前就出現了異常, 而葉綠素在向葉綠素轉化過程中也受到了不同程度的阻礙。這一推論有待進一步驗證。另外, YL1在不同發(fā)育時期類胡蘿卜素的含量始終只有正常的40%左右, 有可能是乙酰丙酸途徑異常造成的[35]。

氣孔是植物進行光合作用和呼吸作用時與外界氣體交換的通道, 它同時影響著蒸騰作用、光合作用和呼吸作用等過程。本研究中, 突變體YL1平展葉中氣孔保衛(wèi)細胞的數量遠高于野生型, 但各發(fā)育時期心葉氣孔數量卻無顯著差異, 這可能是因為黃化突變體葉片較薄, 上表皮接收陽光強烈, 水分易蒸發(fā), 為了減少蒸騰作用鎖住水分, 氣孔向下表皮移動, 導致下表皮氣孔數量大量增加。在光合特性上, 不同時期葉片的凈光合速率表現出先升后降的趨勢, 其中突變體YL1苗期和初花期平展葉的凈光合速率顯著低于野生型, 分別為同時期野生型的54.09%和48.81%, 但到終花期時2種基因型的光合速率相近。這是因為進入終花期后芝麻葉片開始衰老, 光合速率明顯下降(表2), 而且野生型下降更快, 因而與突變體持平, 在后續(xù)的生長發(fā)育中部分光合作用將由蒴果完成。突變體YL1的胞間CO2濃度在苗期和初花期均顯著高于同時期的野生型, 但氣孔導度除初花期達到顯著水平外, 其他兩個時期均與野生型差異不大。結合氣孔數量及光合測定結果, 初步推測氣孔數量不是導致黃化突變體YL1光合速率降低的主要原因, 其主要因素可能與葉肉細胞光合活性降低有關。黃化苗葉片中葉綠體結構明顯異于正常綠葉, 葉綠體基粒數目和基粒片層數目明顯少于同期正常綠葉, 葉綠素含量只有正常綠葉的30%左右, 因此導致葉綠素在捕捉光能時效率低下, 光能轉化為化學能時效率也降低, 最終光合速率降低。

[1] 王新其, 殷麗青, 沈革志. 2個水稻黃葉突變體的遺傳初步分析. 上海交通大學學報(農業(yè)科學版), 2005, 24: 392–400 Wang X Q, Yin L Q, Shen G Z. Genetic primary analysis of two yellow mutants in rice (L.).(Agric Sci), 2005, 24: 392–400 (in Chinese with English abstract)

[2] 譚炎寧, 孫學武, 袁定陽, 孫志忠, 余東, 何強, 段美娟, 鄧華風, 袁隆平. 水稻單葉獨立轉綠型黃化突變體的鑒定與基因精細定位. 作物學報,2015, 41: 831–837 Tan Y N, Sun X W, Yuan D Y, Sun Z Z, Yu D, He Q, Duan M J, Deng H F, Yuan L P. Identification and fine mapping of green-revertible chlorina genein rice (L.)., 2015, 41: 831–837 (in Chinese with English abstract)

[3] Beale S I. Green genes gleaned., 2005, 10: 309–312

[4] 何冰, 劉玲瓏, 張文偉, 萬建民. 植物葉色突變體. 植物生理學通訊, 2006, 42: 1–9 He B, Liu L L, Zhang W W, Wan J M. Plant leaf color mutants., 2006, 42: 1–9 (in Chinese with English abstract)

[5] William C T, Alice B, Robert A M. Use of nuclear mutants in the analysis of chloroplast development., 1987, 8: 305–320

[6] Awan A M, Konzak D F, Rutger J N. Mutagenic effect of sodium azide in rice., 1980, 20: 663–668

[7] 沈圣泉, 舒慶堯, 吳殿星, 陳善福, 夏英武. 白化轉綠型水稻三系不育系白豐A的選育. 雜交水稻, 2005, 20(5): 10–11 Shen S Q, Shu Q Y, Wu D X, Chen S F, Xia Y W. Breeding of new rice CMS line Baifeng A with a green-revertible albino leaf color marker., 2005, 20(5): 10–11 (in Chinese with English abstract)

[8] 賀治洲, 尹明, 謝振宇, 王悅, 沈建凱, 李莉萍. 水稻新型黃化轉綠葉色突變體的遺傳分析與育種利用. 熱帶作物學報, 2013, 34: 2145–2149 He Z Z, Yin M, Xie Z Y, Wang Y, Shen J K, Li L P. Genetic analysis and breeding application of a novel rice mutant with virescent yellow leaves., 2013, 34: 2145–2149 (in Chinese with English abstract)

[9] Suzuki J Y, Bollivar D W, Bauer C E. Genetic analysis of chlorophyll biosynthesis., 1997, 31: 61–89

[10] 馬國榮, 劉佑斌, 蓋鈞鎰. 大豆細胞質遺傳芽黃突變體的發(fā)現. 作物學報, 1994, 20: 334–338 Ma G R, Liu Y B, Gai J Y. Discovery of a cytoplasmically inherited virescent mutant of soybean., 1994, 20: 334–338 (in Chinese with English abstract)

[11] 王保莉, 郭藹光, 汪沛洪. 小麥突變體返白系返白階段葉綠素代謝的變化. 植物學報, 1996, 38: 557–562 Wang B L, Guo A G, Wang P H. Chinese of chlorophyll metabolism during the albinic stage of a wheat mutant., 1996, 38: 557–562 (in Chinese with English abstract)

[12] Monde R A, Zito F, Olive J, Wollman F A, Stem D B. Posttranscriptional defects in tobacco chloroplast mutants lacking the cytochrome b 6/f complex., 2000, 21: 61-72

[13] Barak S, Heimer Y, Nejidat A, Volkita M. The peroxisomal glycolate oxidase gene is differentially expressed in yellow and white sectors of the DP1 variegated tobacco mutant., 2000, 110: 120-126

[14] Sung A O, Joo-Hyun P, Gyu I L, Kyung H P, Soon K P, Hong G N. Identification of three loci controlling leaf senescence in., 1997, 12: 527–535

[15] Reyes-Arribas T, Barrett J E, Huber D J, Nell T A, Clark D G. Leaf senescence in a non-yellowing cultivar of chrysanthemum ()., 2001, 111: 540–544

[16] Falbel T G, Meehl J B, Staehelin L A. Severity of mutant phenotype in a series of chlorophyll-deficient wheat mutants depends on light intensity and the severity of the block in chlorophyll synthesis., 1996, 112: 821–832

[17] 楊沖, 張揚勇, 方智遠, 劉玉梅, 楊麗梅, 莊木, 孫培田. 甘藍葉色黃化突變體YL-1的光合生理特性及其葉綠體的超微結構. 園藝學報, 2014, 41: 1133–1144 Yang C, Zhang Y Y, Fang Z Z, Liu Y M, Yang L M, Zhuang M, Sun P T. Photosynthetic physiological characteristics and chloroplast ultrastructure of yellow leaf mutant YL-1 in cabbage., 2014, 41: 1133–1144 (in Chinese with English abstract)

[18] 肖華貴, 楊煥文, 饒勇, 楊斌, 朱英, 張文龍. 甘藍型油菜黃化突變體的葉綠體超微結構、氣孔特征參數及光合特性. 中國農業(yè)科學,2013, 46: 715–727 Xiao H G, Yang H W, Rao Y, Yang B, Zhu Y, Zhang W. Analysis of chloroplast ultrastructure, stomatal characteristic parameters and photosynthetic characteristics of chlorophyll-reduced mutant inL.., 2013, 46: 715–727 (in Chinese with English abstract)

[19] 鐘振泉, 羅文龍, 劉永柱, 王慧, 陳志強, 郭濤. 一份新的水稻斑點葉突變體的鑒定和基因定位. 作物學報, 2015, 41: 861–871 Zhong Z Q, Luo W L, Liu Y Z, Wang H, Chen Z Q, Guo T. Characterization of a novel spotted leaf mutantand mapping ofgene in rice ()., 2015, 41: 861–871 (in Chinese with English abstract)

[20] 譚新星, 許大全. 葉綠素缺乏的大麥突變體的光合作用和葉綠素熒光. 植物生理學報,1996, 22: 51–57 Tan X X, Xu D Q. Leaf photosynthesis and chlorophyll fluorescence in a chlorophyll-deficient mutant of barley., 1996, 22: 51–57 (in Chinese with English abstract)

[21] 張建農, 滿艷萍, 燕麗萍. 黃化西瓜葉片葉綠體結構與光合作用特性. 果樹學報, 2004, 21: 50–53 Zhang J N, Man Y P, Yan L P. Chloroplast structure and photosynthesis characteristics of leaves in the chlorophyll-deficient watermelon plant., 2004, 21: 50–53 (in Chinese with English abstract)

[22] 呂典華, 宗學風, 王三根, 凌英華, 桑賢春, 何光華. 兩個水稻葉色突變體的光合特性研究. 作物學報,2009, 35: 2304–2308 Lyu D H, Zong X F, Wang S G, Ling Y H, Sang X C, He G H. Characteristics of photosynthesis in two leaf color mutants of rice., 2009, 35: 2304–2308 (in Chinese with English abstract)

[23] 歐立軍. 水稻葉色突變體的高光合特性. 作物學報, 2011, 37: 1860–1867 Ou L J. High photosynthetic efficiency of leaf colour mutant of rice (L.)., 2011, 37: 1860–1867 (in Chinese with English abstract)

[24] 張憲政, 譚桂茹, 黃元極. 植物生理學實驗技術. 沈陽: 遼寧科學技術出版社,1989. pp 103–109 Zhang X Z, Tan G R, Huang Y J. Experiment Technology for Plant Physiology. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishers, 1989. pp 103–109 (in Chinese)

[25] 劉紅艷, 趙應忠. 芝麻花期葉綠素含量變化及其與產量性狀的相關分析. 中國油料作物學報,2007, 29: 443–447 Liu H Y, Zhao Y Z. Dynamic analysis of leaf chlorophyll content during blossom and their correlation with yield traits in sesame., 2007, 29: 443–447 (in Chinese with English abstract)

[26] Liu H. Y, Xu C. G, Zhang Q F. Male and female gamete abortions, and reduced affinity between the uniting gametes as the causes for sterility in anhybrid in rice., 2004, 17: 55–62

[27] Murray D L, Kohorn B D. Chloroplasts of Arabidopsis thaliana homozygous for thelocus lack chlorophyll, lack stable LHCPII and have stacked thylakoids., 1991, 16: 71–79

[28] Bellemare G, Bartlett S G, Chua N H. Biosynthesis of chlorophyll/-binding polypeptides in wild type and the chlorinemutant of barley., 1982, 257: 7762–7767

[29] 董遵, 劉敬陽, 馬紅梅, 許才康, 孫華, 張建棟. 甘藍型油菜黃化(苗)突變體的葉綠素含量及超微結構. 中國油料作物學報,2000, 22(3): 27–29 Dong Z, Liu J Y, Ma H M, Xu C K, Sun H, Zhang J D. Chlorophyll contents and chloroplast ultrastructure of chlorophyll deficient mutant in., 2000, 22(3): 27–29 (in Chinese with English abstract)

[30] 李瑋, 于澄宇, 胡勝武. 芥菜型油菜葉片黃化突變體的初步研究. 西北農林科技大學學報(自然科學版),2007, 35(9): 79–82 Li W, Yu C Y, Hu S W. Primary investigation on a chlorsis mutant inL.(Nat Sci Edn), 2007, 35(9): 79–82 (in Chinese with English abstract)

[31] 林宏輝, 何禮, 晏嬰才, 代其林, 杜林方, 梁厚果, 湯澤生, 何興金. 葉綠素缺乏大麥突變體葉綠體結構功能及生化特性的研究. 四川大學學報(自然科學版),2001, 38: 899–904 Lin H H, He L, Yan Y C, Dai Q L, Du L F, Liang H G, Tang Z S, He X J. Studies on the structure and function of chloroplast in a chlorophyll-less barley mutant (NYB).(Nat Sci Edn), 2001, 38: 899–904 (in Chinese with English abstract)

[32] Von Wettstein D, Gough S, Kannangara C G. Chlorophyll biosynthesis., 1995, 7: 1039–1057

[33] 李燕群, 蒲翔, 李春梅, 鐘萍, 孫昌輝, 李秀蘭, 鄧曉建, 王平榮. 水稻507ys黃綠葉突變體的遺傳鑒定與候選基因分析. 中國農業(yè)科學, 2014, 47: 221–229 Li Y Q, Pu X, Li C M, Zhong P, Sun C H, Li X L, Deng X J, Wang P R. Genetic identification and candidate gene analysis of yellow-green leaf mutant 507ys in rice.2014, 47: 221–229

[34] 崔海瑞, 夏英武, 高明尉. 溫度對水稻突變體W1葉色及葉綠素生物合成的影響. 核農學報, 2001, 15: 269–273 Cui H R, Xia Y W, Gao M W. Effects of temperature on leaf color and chlorophyll biosynthesis of rice mutant W1., 2001, 15: 269–273 (in Chinese with English abstract)

[35] Jilani A, Kar S, Bose S, Tripathy B C. Regulation of the carotenoid content and chloroplast development by levulinic acid., 1996, 96: 139–145

Anatomical Structure and Photosynthetic Characteristics of a Yellow Leaf Mutant YL1 in Sesame (L.)

LIU Hong-Yan, ZHOU Fang, LI Jun, YANG Min-Min, ZHOU Ting, HAO Guo-Cun, and ZHAO Ying-Zhong

Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Oil Crops, Ministry of Agriculture, Wuhan 430062, China

Phenotypic markers play an important role in crop breeding and genetic studies. A yellow leaf 1 (YL1) mutant has been found from sesame landrace “Miaoqian Zhima”, which can be inherited stably. In this study, we compared YL1 mutant and its wild type (WT) in leaf anatomical structure, photosynthetic characteristics and biological traits. The structures of chloroplast in both top leaf and expanded leaves of YL1 were greatly different from those of WT at various development stages. The stomatal guard cell number in abaxial epidermis in YL1 was twice that in WT. In addition, the contents of chlorophyll, total chlorophyll and carotenoid in YL1 were 30%–40% of that in WT, and the chlorophyllcontent in YL1 even as low as 20% of that in WT. At early flowering stage, YL1 showed significantly lower photosynthetic rate than WT, but the difference was not significant at end flowering stage. Compared with WT type, YL1 had significantly longer growth duration, delayed initial flowering time and shorter plant height, but capsules per plant and thousand-seed weight was slightly reduced. The microscopic observation revealed that YL1 is the chlorophyll deficiency mutant due to chloroplast defect, which was characterized with irregular chloroplast structure and reduced grana and granum lamella.

Sesame; Yellow leaf mutant; Chloroplast microstructure and ultrastructure; Photosynthetic characteristics; Physiological and biochemical characteristics

10.3724/SP.J.1006.2017.01856

本研究由國家自然科學基金項目(31771877), 國家現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項(CARS-14)和中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程(CAAS- ASTIP-2013-OCRI)資助。

This study was supported by the National Science Foundation of China (31771877), China Agriculture Research System (CARS-14), and Agricultural Science and Technology Innovation Program, CAAS (CAAS-ASTIP-2013-OCRI).

趙應忠, E-mail: zhaoyz63@163.com

E-mail: liuhongyan@caas.cn

2017-05-20; Accepted(接受日期): 2017-09-10; Published online(網絡出版日期): 2017-09-30.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170930.1146.002.html