水稻葉色突變基因的遺傳研究進展

方希林 ，王 悅 ，朱敏敏 ，鄧躍軍 ，張 晶 ，李恩宇 *

（1湖南農業大學農學院，長沙 410128；2湖南希望種業科技股份有限公司，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湖南農業大學農學院，長沙 410128；2湖南希望種業科技股份有限公司，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基因的發掘、定位和克隆進展情況，從細胞核遺傳的突變、細胞質遺傳的突變以及核質互作的突變等方面詳細闡述了水稻葉色突變的遺傳機理，并對其作為標記性狀在育種上的應用提出了展望，旨在為水稻葉色突變體的研究與應用提供參考。

水稻；葉色；突變基因；遺傳

水稻產量所需的物質基礎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研究顯得十分重要。在雜交水稻生產過程和育種過程中，因葉色突變體區別明顯，易于識別，可以用來作為一種標記性狀，能夠廣泛應用于雜交水稻繁殖制種和F1種子純度鑒定中。因此，發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，同時也可用于提高雜交水稻的種子生產純度［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，所以大多數研究都是根據突變體苗期的葉色表型來進行分類。Awan等［3］在前人基礎上將葉色突變體細分為黃化，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現，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所有的突變類型。如Falbel等［6］根據葉綠素發生變異的生理機制，將葉色突變體分為缺葉綠素b型和缺葉綠素a型、總葉綠素增加型、缺總葉綠素型等。由于水稻葉色變異同時受到遺傳規律與環境條件的影響，如光強、光照時間和光質的差異影響葉色突變體發育的調控［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現，缺乏一種行之有效的分類方法，能夠恰當的進行突變體類型的劃分，有研究提出最好的分類方法應該是表型與基因功能結合，但由于葉色調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。日本學者發現的白化轉綠突變體 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綠型的自然突變株系熱農1A。吳書俊等［16］在水稻品種南粳41中發現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。除了常規的物理方法和化學方法，利用基因工程技術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現了一個白化苗性狀突變體。Jung等［27］從構建的水稻T-DNA突變體庫中篩選到一個OsCHLH突變的白化轉綠突變體。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現，已定位到具體染色體的水稻葉色相關突變基因逾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號染色體上發現和定位的基因最多，該染色體上有超過30個基因被發現，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，與在11號染色體上的黃化基因ETL1高度同源，功能冗余，有一段相同的復制片段，其編碼產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，分子標記ID2119D到ID21436之間的237kb內［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。初志戰等［32］利用60Co-γ射線誘變的M1材料中發現一個黃綠葉突變體（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標記Y15420到Y15648之間，物理距離為278kb，該基因為溫敏感隱性基因。

至今，據不完全統計至少約有37個葉色基因被克隆，由于葉綠素的合成途徑復雜，各個環節的調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構建F2代分離群體，最終將ASL2定位在2號染色體146kb區域內，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的葉綠體發育進程相關，在葉綠體發育的早期表達量最高。根據鄧曉娟等［5］、孫亞利等［29］的報道發現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律尚未發現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胞核遺傳突變，細胞質遺傳突變以及核-質互作而引起的突變。

4.1 細胞核遺傳的突變

大多數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綠突變體的生物學特性研究和遺傳分析，發現僅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現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是通過原生質培養獲得的淡綠葉色標記粳稻光溫敏不育系，由兩對隱性基因控制［38］。

4.2 細胞質遺傳的突變

由細胞質內的基因決定的遺傳現象與規律叫做細胞質遺傳，也稱為非染色體遺傳、非孟德爾遺傳、母體遺傳等。細胞質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。細胞質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］發現的小麥返白系階段性返白特性是受細胞質基因控制的。在水稻中，劉友杰［41］對激光誘發的褪綠突變體實驗研究證實了其葉色突變體由細胞質基因突變引起。

4.3 核質互作的突變

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

5 問題與展望

目前，水稻中已經克隆到許多葉綠素代謝途徑及葉綠體發育缺陷相關的基因，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用價值，如攜帶葉色標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勢的利用效率。因此，發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價值。

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(責任編輯：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 文獻標志碼：A 文章編號：1673－6737（2016）06－0004－05

湖南省教育廳科學研究項目（16B27）；湖南農業大學大學生創新性實驗計劃項目（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。