谷子條紋葉突變體A36-S的細胞學特性分析及基因定位

張碩，智慧，唐嬋娟，羅明昭，湯沙，賈冠清，賈彥超，刁現民

谷子條紋葉突變體的細胞學特性分析及基因定位

張碩1,2，智慧1，唐嬋娟1，羅明昭1，湯沙1，賈冠清1，賈彥超1，刁現民1

1中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081；2湖北省農業科學院糧食作物研究所，武漢 430064

【】谷子是C4模式植物，其葉色突變體是研究C4光合途徑的良好材料。通過研究谷子條紋葉突變體的細胞學特性并對突變基因進行定位，為克隆突變基因、解析谷子葉綠體合成及發育機理、進一步理解C4光合調控機制奠定基礎。谷子條紋葉突變體是由育種創制的中間材料A36自然變異而來。對比及其正常表型等基因系的表型特征，調查二者的株高、葉寬、葉長、穗重、千粒重、結實率等農藝性狀指標；測定和的葉綠素含量、凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率等光合指標，分析的光合特性；觀察和對照品種豫谷1號的葉片半薄橫截切片和超薄切片，分析葉片解剖結構特征，分別統計葉肉細胞和維管束鞘細胞中葉綠體的數量和面積，從而分析葉綠體合成及發育情況；構建×SSR41的F2分離群體，統計群體中正常表型單株與條紋葉單株的數量，進行遺傳分析；分別構建F2分離群體正常單株與條紋葉單株的DNA混池，采用集團分離分析法（BSA法）進行突變基因的定位；篩選、開發多個SSR標記及In-Del標記，掃描F2群體中條紋葉單株，進行進一步基因定位。谷子條紋葉突變體在全生育期表現出葉片不規則白色條紋的表型。農藝性狀分析表明，相比其近等基因系，在株高、葉寬、穗重、千粒重、結實率等表型上均顯著下降。光合指標測定表明葉片中葉綠素含量明顯降低，尤其是葉綠素b含量下降更為嚴重，同時凈光合速率也明顯下降。葉片解剖結構觀察發現，與對照豫谷1號相比，的Kranz結構變化并不明顯，但葉綠體數量和大小都顯著低于對照。觀察葉綠體超微結構，發現的不同細胞間葉綠體發育狀況差異較大，依據葉綠體發育情況可將葉片細胞可分為3類：Ⅰ類細胞具有正常發育的葉綠體；Ⅱ類細胞葉綠體基粒及片層結構減少；Ⅲ類細胞則葉綠體結構嚴重異常甚至不含有葉綠體。遺傳分析表明表型受隱性單基因控制，利用F2分離群體將突變基因定位在第4染色體7.66—27.90 Mb區間內。谷子條紋葉突變體表現為農藝性狀及光合能力下降，葉片細胞葉綠體的數量、大小及結構均表現出顯著異常。條紋葉性狀受隱性單基因控制，利用分子標記將候選基因定位于第4染色體7.66—27.90 Mb區間內。

谷子；條紋葉突變體；葉綠體；基因定位

0 引言

【研究意義】谷子（(L.) P. Beauv.）屬于禾本科（Granineae）黍亞科（Panicoideae）狗尾草屬（），是中國北方傳統糧食作物[1]。谷子為二倍體植物，基因組小（僅430 Mb左右）。近年來，隨著谷子高質量基因組序列的獲得[2-4]，以及一些矮稈早熟品種高效遺傳轉化的突破[5]，谷子作為功能基因組研究的模式作物而逐漸受到重視[6-7]。谷子同時也是典型的C4植物，隨著環境問題及糧食安全問題的日趨嚴重，科學家提出將C4光合途徑引入C3水稻及其他C3主要糧食和經濟作物中，從而提高其產量和耐逆性的設想。谷子與傳統的C4模式植物玉米和高粱相比，生育期短且基因組簡單，加之其與水稻具有高度的基因組共線性，使其成為研究C4光合途徑、構建水稻C4光合系統的新的模式植物。突變體是基因挖掘與功能研究的重要工具，目前，許多國內外機構都在廣泛開展谷子及其野生近緣種狗尾草（(L.) P. Beauv.）C4光合相關突變體的篩選及研究工作[8-10]。葉色突變體通常具有光合能力下降、光合器官結構異常等特點，是研究光合作用的重要材料。利用谷子葉色突變體開展光合生理學及細胞學觀察，進而開展葉色調控基因的功能研究，對于進一步理解C4光合途徑機理具有重要意義。【前人研究進展】植物葉色突變體具有多種類型，調控葉色的基因及機理也各不相同。目前，研究較為廣泛且深入的葉色調控基因主要包括以下幾類：（1）參與葉綠素合成及代謝的基因，比較典型的包括鎂離子螯合酶D/I/H亞基的編碼基因、和[11-12]、葉綠素a加氧酶基因[13]、葉綠素b還原酶基因[14]等，這些基因的變異往往導致葉片發生白化、黃化或持綠等均勻的葉色變化，有些還伴隨葉綠體結構的異常；（2）參與葉綠體形成及發育的基因，這些基因中有些是直接編碼某些葉綠體蛋白或結構組分的，例如葉綠體蛋白酶基因[15]、類囊體結合蛋白基因[16]等，這些基因變異會導致葉綠體結構異常，有些則參與調控葉綠體基因的轉錄，從而影響葉綠體的形成及發育，這類基因的突變很多都會導致白化甚至致死等嚴重后果，例如葉綠體核糖體L13蛋白基因[17]、質體RNA聚合酶相關蛋白基因[18]、參與葉綠體RNA編輯及剪切的[19]等；（3）一些參與鉀、鐵等金屬離子吸收及運輸的基因，這些基因突變后，通常會影響葉綠體的正常發育，導致葉色變異，例如鐵螯合物運輸基因[20]、鉀離子外排逆向轉運蛋白基因[21]等；（4）一些參與核酸合成及代謝的基因，在其功能喪失后，機體為保證核基因及線粒體基因的正常復制，會被迫犧牲葉綠體基因的復制與轉錄，從而導致葉綠體合成發育受到抑制，發生條紋或白化等葉色異常，例如尿嘧啶核苷酸激酶基因[22]、核糖核苷酸還原酶小亞基基因/[23]等。【本研究切入點】目前，已經在谷子上克隆了若干調控葉色的基因，包括鎂離子螯合酶D亞基編碼基因[24]、核糖核苷酸還原酶大亞基基因[25]、脫氧胞苷脫氨酶基因[26]、金屬肽鏈內切酶[27]、類PsbP蛋白編碼基因[28]等。然而，對于C4模式植物谷子而言，目前克隆的葉色調控基因尚少，C4植物葉綠體合成、發育及光合作用相關基因的研究基礎仍然缺乏。【擬解決的關鍵問題】本研究中谷子突變體是來源于育種創制材料A36的一個自然突變體，葉片具有不規則白色條紋。通過對的光合參數、葉片細胞葉綠體合成發育情況進行觀察分析，以探究葉色變異造成的光合生理和細胞學影響，并利用BSA圖位克隆技術對條紋葉致變基因進行定位，以期為谷子光合作用相關基因的鑒定和功能分析提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

谷子突變體由育種創制的中間材料A36（1066A×創62后代穩定系）自然變異而來，其葉片全生育期表現出不規則白條紋，經多代自交后表型穩定。與A36系回交多代后，分離得到的正常表型等基因系，在農藝性狀及光合參數測定中作為對照。豫谷1號為華北夏谷區廣泛栽培的品種，也是最早完成基因組測序的谷子品種，在以往各研究中廣泛作為參照品種使用，在本研究中用作葉片解剖結構和葉綠體超微結構觀察的對照。

1.2 表型及農藝性狀調查

突變體及其正常表型的等基因系于2017年夏季種植于中國農業科學院作物科學研究所網室（北京，116°20′E，39°56′N）進行表型觀察，并于抽穗后調查株高、葉長、葉寬、穗長、穗粗等農藝性狀，待成熟且籽粒自然風干后，測定穗重、千粒重、結實率等產量相關性狀。每組性狀測定時取5個重復，結果采用檢驗進行統計分析。

1.3 葉綠素含量測定

取和拔節期相同葉位的新鮮葉片各0.2 g，剪碎后于95%乙醇中避光震蕩48 h直至葉片完全變白，充分提取葉綠素。采用Lichtenthaler[29]的方法，分別測定665和649 nm波長下的OD值，并計算葉綠素a與葉綠素b的含量。計算公式為：Chl a=13.95OD665—6.88OD649，Chl b=24.96OD649—7.32OD665。設定3個重復，結果采用檢驗進行統計分析。

1.4 光合參數測定

選擇晴朗天氣，于上午9：00—11：00，利用Li-6400便攜式光合測定儀分別測定抽穗期與旗葉的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度及蒸騰速率。設定5組重復，結果采用檢驗進行統計分析。

1.5 葉片橫截切片制作及葉綠體數量、面積的統計

取苗期表型特征明顯的葉片及豫谷1號葉片，剪成2 mm×1 mm的長方形碎片，于2.5%的戊二醛固定液中抽真空，并過夜固定。固定好的材料經脫水透明后，包埋于樹脂中，并使用切片機進行葉片橫截切片，切片厚度10 μm。切片用0.2%甲苯胺藍染色后，于顯微鏡下觀察葉片解剖結構。統計視野中所有葉肉細胞及維管束鞘細胞中葉綠體的數量，分別統計了117個豫谷1號葉片細胞和318個葉片細胞，并對葉綠體數量進行統計分析。對橫截切片進行拍照后，利用Image-Pro plus 6.0軟件分別統計照片中所有維管束鞘細胞葉綠體和葉肉細胞葉綠體的面積，計算平均值，并利用檢驗進行統計分析。

1.6 透射電鏡觀察

取苗期表型特征明顯的葉片及豫谷1號葉片，小心剪成2 mm×1 mm的長方形碎片，于2.5%戊二醛固定液中抽真空固定，并包埋于樹脂中。之后用超薄切片機切片并用醋酸雙氧鈾（uranyl acetate，UA）染色。使用JEM-1230透射電鏡觀察，并照相。

1.7 遺傳分析及基因定位

以作為母本，以谷子品種SSR41作為父本，進行雜交。觀察F1表型并自交產生F2。對F2分離群體中正常表型及條紋葉植株數量進行統計，并取F2中所有條紋葉后代共881株的葉片用于基因定位。

基因定位首先采用集團分離分析法（BSA法），選取條紋葉表型的F2代20株，采用CTAB法提取DNA，測定濃度后等量混合構建混池。在谷子基因組9條染色體上篩選與SSR41間存在多態性的SSR標記共60個，以、SSR41、F1、混池DNA為模板，利用這些標記分別進行擴增，根據帶型判斷標記與目標基因的連鎖情況。找到連鎖標記后，在連鎖標記上下游選取多態性標記，掃描所有的F2條紋葉單株，并統計連鎖交換事件，以確定目標基因所在區間。

2 結果

2.1 A36-S條紋葉突變體的表型特征分析

谷子突變體是由A36系自然突變而來的條紋葉突變體，其葉片全生育期表現出白色不規則條紋（圖1）。是與1066A恢復系經多代回交后獲得的等基因系，其葉片表型正常，理論上具有與相同的遺傳背景。通過調查比較與的農藝性狀，發現株高和葉寬顯著下降（分別下降15.08%和25.40%），而植株莖節數和葉長與沒有顯著差異。在產量性狀上，的穗長、主穗重、穗粒重、千粒重、結實率均顯著低于（表1），其中結實率下降幅度最大，達到38.34%，說明的育性受到較嚴重影響，產量下降主要原因是育性降低。

2.2 A36-S突變體的光合特性分析

為分析條紋葉表型對光合特性的影響，對拔節期與葉片葉綠素含量進行測定。結果顯示，與相比，的葉綠素a含量顯著下降（=0.031，下降8.99%），而葉綠素b含量極顯著下降（=7.170×10-4，下降52.33%）（圖2-A）。的葉綠素a/b值為1.357，而的葉綠素a/b值為2.591。上述結果表明，的葉綠素含量受到影響，尤其是葉綠素b受到影響更加嚴重，葉綠素a/b值升高。

A：抽穗期植株；B：抽穗期葉片；C：抽穗期葉片細節；D：成熟后穗部

對抽穗期與的光合參數進行測定，發現的凈光合速率相比顯著降低了29.09%（圖2-B）；雖然的氣孔導度平均值比有所下降（9.89%），胞間CO2濃度平均值有所上升（19.02%），但在統計學上，與的這兩項指標無顯著差異（圖2-C和圖2-D）；與的蒸騰速率沒有顯著差異（圖2-E）。這些結果說明葉片光合能力明顯降低。

表1 A36-S與A36-N的主要農藝性狀對比

*表示在<0.05水平差異顯著；**表示在<0.01水平差異極顯著 *: significant difference at0.05 level; **: significant difference at0.01 level

圖2 A36-S與A36-N的葉綠素含量及光合參數

2.3 A36-S突變體的葉片解剖結構分析

為了進一步分析導致突變體葉片條紋表型的細胞學原因，對及具有正常葉片的谷子品種豫谷1號的苗期葉片進行橫截半薄切片觀察。谷子屬于NADP-ME亞型C4植物，葉片具有典型的Kranz結構，即維管束鞘細胞形態飽滿，內含許多體積大且不含基粒的葉綠體（圖3-A，藍色箭頭指示豫谷1號維管束鞘細胞葉綠體），一層葉肉細胞整齊地圍繞維管束鞘細胞排列，內含許多具豐富基粒的葉綠體（圖3-A，紅色箭頭指示豫谷1號葉肉細胞葉綠體）。相比而言，的葉片Kranz結構變化并不明顯，但葉綠體的發育情況明顯異常。雖然部分細胞含有正常數量的葉綠體（圖3-B，紅色和藍色箭頭分別指示正常葉肉細胞及維管束鞘細胞葉綠體），然而也有許多維管束鞘細胞（圖3-B，藍色星號）及葉肉細胞（圖3-B，紅色星號）不含有葉綠體，這可能是葉片呈現白色條紋的主要原因。

對切片不同視野中所有葉肉細胞及維管束鞘細胞中葉綠體數量進行統計（圖4-A）。豫谷1號葉片細胞中葉綠體數量分布較離散，從1個到7個不等，葉綠體數中值為4個；相比而言，葉片細胞葉綠體數量從0個到8個不等，中值為2個，但數據在0 個處密集分布，說明部分細胞中葉綠體數量正常，但大量細胞中不含有葉綠體。通過對數據進行了統計學分析，結果表明，細胞中葉綠體數量顯著低于豫谷1號（=4.98×10-17）。進而，對豫谷1號和的葉綠體大小進行了比較。由于維管束鞘細胞與葉肉細胞的葉綠體體積存在明顯差異，因此對這兩種類型細胞的葉綠體分別進行統計，結果表明，的維管束鞘細胞葉綠體和葉肉細胞葉綠體面積均顯著小于豫谷1號（圖4-B）。上述結果說明在葉綠體形成及發育方面均受到抑制。

A：豫谷1號葉片橫截切片（標尺50 μm）；B：A36-S葉片橫截切片（標尺50 μm）；紅色箭頭指示正常葉肉細胞葉綠體；藍色箭頭指示正常維管束鞘細胞葉綠體；紅色星號指示不含葉綠體的葉肉細胞；藍色星號指示不含葉綠體的維管束鞘細胞

圖4 豫谷1號與A36-S葉綠體數量和面積的統計

2.4 A36-S突變體的葉綠體超微結構分析

對及豫谷1號苗期葉片葉綠體超微結構進行觀察，由于谷子葉片維管束鞘細胞與葉肉細胞的葉綠體存在結構及功能差異，因此對二者分別進行觀察分析（圖5）。豫谷1號的維管束鞘細胞葉綠體具有排列整齊的基質片層，且包含許多淀粉顆粒（圖5-A）；葉肉細胞葉綠體則含有大量的基粒，淀粉粒含量也十分豐富（圖5-B）。的情況則較為復雜，不同細胞間葉綠體發育情況存在較大差異。根據細胞中葉綠體的發育情況將其分為3類：

Ⅰ類細胞：包含發育正常的葉綠體。的有些細胞中，葉綠體數量相對正常，葉綠體的超微結構也與對照豫谷1號無明顯差異（圖5-C為維管束鞘細胞及內部的葉綠體，圖5-D為葉肉細胞及內部的葉綠體），推斷這些細胞位于條紋葉的綠色部分。

Ⅱ類細胞：葉綠體結構基本完整，但基粒及片層結構減少。表現為維管束鞘細胞葉綠體片層結構排列松散（圖5-E），葉肉細胞葉綠體基粒數量及囊狀堆疊層數明顯減少（圖5-F），并且葉綠體中僅含有少量或不含有淀粉粒（圖5-E和圖5-F），說明光合作用積累的糖類減少，光合能力下降。

Ⅲ類細胞：不含葉綠體或含有嚴重異常的葉綠體。表現為有些細胞中完全沒有葉綠體形成，有些細胞雖含有葉綠體（圖5-G），但葉綠體不含有基質片層及基粒結構，僅含有一些泡狀結構（圖5-H，白色箭頭指示泡狀結構）。

綜上所述，盡管部分細胞中葉綠體結構正常，A36-S的葉綠體形成及發育依然受到較嚴重影響。

2.5 A36-S突變基因的定位

為定位突變基因，以為母本構建了F2代分離群體。選擇的雜交父本SSR41具有正常葉片表型，其株高、生育期等性狀與相近似，且育性良好。前期研究表明，SSR41與豫谷1號、遼谷1號、大青秸等谷子品種都具有較高的遺傳多態性，因此，長期以來被作為構建作圖群體的主要親本材料，廣泛進行雜交組合的組配，并成功定位了若干基因[25-27, 30]。選擇SSR41作為作圖群體父本。對F2代分離群體進行遺傳統計發現，群體中正常后代455株，條紋葉后代130株，分離比例符合3﹕1（表2），說明的條紋葉性狀由隱性單基因控制。

A：豫谷1號維管束鞘細胞葉綠體；B：豫谷1號葉肉細胞葉綠體；C：A36-S的Ⅰ類維管束鞘細胞；D：A36-S的Ⅰ類葉肉細胞；E：A36-SⅡ類維管束鞘細胞葉綠體；F：A36-SⅡ類葉肉細胞葉綠體；G：A36-S的Ⅲ類細胞；H：A36-S Ⅲ類細胞中的葉綠體，白色箭頭指示泡狀結構；SG：淀粉顆粒；SL：基質片層；GR：基粒；CLP：葉綠體

采用集團分離分析法（BSA法）進行突變基因的初定位。選取F2分離群體中條紋葉單株20株，提取DNA構建混池。在谷子基因組9條染色體上均勻選取與SSR41間多態性良好的SSR標記60個，用于基因初定位。結果顯示，使用第4染色體標記SiCAAS4019（9 999 146 bp）、SiCAAS4054（15 511 536 bp）、SiCAAS4033（23 843 301 bp）擴增混池DNA得到條帶與母本帶型一致（圖6），說明突變基因與這幾個標記緊密連鎖。

表2 A36-S與SSR41雜交F2代分離比統計

♀：A36-S突變體；♂：SSR41；F1：A36-S×SSR41；P：F2群體條紋葉單株混池DNA

利用上述3個標記檢測40株F2條紋葉單株，發現所有單株均與母本帶型一致。因此，為確定定位區間邊界，在這三個標記的上下游再次選取和開發了多個SRR及In-Del標記，用來檢測上述40株F2條紋葉單株（表3），將突變基因定位于InDel 14與SiCAAS4034之間26.2 Mb區間內。

為了進一步定位突變基因，一方面擴大群體，將F2條紋葉單株增加至881株，另一方面根據現有基因組In-Del數據信息，在定位區間內開發In4-3、In4-17、In4-20、In4-21、In4-29、In4-32、In4-33共7對In-Del標記（標記物理位置及引物序列見表4）。對881個F2條紋葉單株進行掃描，統計各標記處雜合帶型的數量（表4）。將突變基因定位于In4-20（7 661 828 bp）與In4-32（27 896 330 bp）之間20.13 Mb區間內。

3 討論

3.1 對A36-S葉綠素a/b值升高原因的分析

本研究中，與對照相比，的葉綠素含量顯著下降，且葉綠素b下降的幅度更大，葉綠素a/b值明顯升高。發現谷子的幾個葉色變異材料[24]、[27]、黃金苗[32]等也存在類似的情況。有報道指出葉綠素a/b值與總葉綠素含量及光合速率呈負相關，即總葉綠素含量越高，葉綠素b的占比越大，葉綠素a/b值越低，葉片光合速率越高[33]。這可能與葉綠素a和葉綠素b在光合作用原初反應中的功能差異有關。葉綠素a與葉綠素b都負責吸收與傳遞光能，而少數激發態的葉綠素a還具有將光能轉化為電能及化學能的作用。因此，葉綠素b相對含量升高有利于在光照不足狀態下增加光能的吸收，葉綠素a相對含量升高有利于在強光狀態下提高光合速率[34]。由此推測，等葉色突變體中葉綠素a/b值的升高，可能是植物應對葉片光合能力下降的一種適應性機制。

表3 40株F2代條紋葉單株標記檢測結果

S：母本帶型；H：雜合子帶型 S: The band of female parent; H: The band of heterozygous individual

加粗字體：突變基因定位區間 Bold fonts: The locating region of the mutant gene

另外，還有研究指出，由于分子結構不同，葉綠素a與葉綠素b對于不同脅迫的敏感程度不同，例如葉綠素a對活性氧的增加更加敏感[35]，葉綠素b對于酸脅迫更加敏感[36]。中的基因突變有可能通過損害某一代謝通路對植株造成某種脅迫，使得葉綠素b的含量受到更嚴重的影響，這一推測還需要在完成基因克隆后進一步證實。

3.2 A36-S突變基因可能參與調控葉綠體合成發育的上游途徑

谷子突變體葉片呈現不規則白色條紋（圖1-B和圖1-C）。對葉片解剖結構及葉綠體超微結構觀察發現，葉綠體的大小和數量與豫谷1號相比均顯著下降（圖4），且部分葉綠體結構異常，有些細胞中甚至不含有葉綠體（圖5），說明的某些細胞中，葉綠體在早期合成及發育時即受到抑制，這可能是葉片呈現白色條紋的原因。目前谷子報道的相似表型突變體有[25]、[26]，二者均表現為不規則白色條紋葉，并且葉片中同樣包含部分不含有葉綠體的葉肉細胞及維管束鞘細胞，葉綠體發育也受到了阻礙，二者的突變基因分別為核糖核苷酸還原酶大亞基編碼基因和脫氧胞苷脫氨酶基因[25-26]，但這兩個基因均不在本研究的初定位區間內，可排除為或等位突變體的可能性。

水稻等其他禾本科植物中也報道了許多與表型類似的白條紋葉突變體，例如水稻[37]、[38]、[39]、[40]、[41]等，這些突變體均表現出葉片不規則白色條紋、葉綠體發育不良、部分細胞葉綠體缺失等表型，它們的突變基因分別參與葉綠體核糖體合成、葉綠體RNA剪切、核酸代謝等通路，通過控制葉綠體關鍵基因的合成、轉錄、翻譯上游途徑來調控葉綠體的合成及發育。結合谷子及的表型和突變基因功能，推測A36-S的突變基因也可能參與核酸代謝、葉綠體基因轉錄及翻譯調控等葉綠體合成及發育的上游途徑。

另外，在葉片橫截切片及葉綠體超微結構觀察中使用的對照品種豫谷1號與突變體之間存在一定的遺傳背景差異，有可能會影響葉綠體大小和數量。然而相比豫谷1號，表現出大量細胞葉綠體缺失，葉綠體結構明顯異常，C4植物固有的葉片解剖結構不完整等嚴重缺陷，遺傳背景的差異很難導致這樣的缺陷。因此，認為在葉片解剖結構及葉綠體發育上的異常的確是由基因突變導致的。在后續研究中，為使結果更加準確嚴謹，將以近等基因系為對照，進一步研究在葉片解剖結構、葉綠體大小數量及結構上的變化，以確認突變基因功能。

3.3 A36-S突變基因的精細定位

本研究將突變基因定位在第4染色體20.13 Mb區間內。沒能完成精細定位的主要原因是作圖群體中交換株過少，盡管群體數量已經足夠多，但在定位區間內染色體重組的頻率非常低。是一個來源于育種中間材料的自然突變體，推測在定位區間內存在與作圖親本SSR41差別較大的復雜的染色體結構差異，干擾這一段染色體與SSR41對應染色體片段的正常配對，從而導致重組交換率偏低。而這種染色體結構變異可能是由于自然突變導致的，也可能本來就存在與的野生型中。為解決這一問題，本研究計劃一方面使用與遺傳關系更近的材料重新構建作圖群體，進行基因定位，但這很有可能導致在定位區間內找不到足夠的多態性標記；另一方面對及其近等基因系進行初定位區間的高通量測序，通過比對二者在區間內的序列差異來尋找突變基因。

3.4 A36-S突變基因功能與C4光合途徑的關系

決定C4植物高效光合作用的關鍵之一在于其具有獨特的Kranz解剖結構及CO2濃縮機制。目前已報道一些可能調控Kranz結構及維管束鞘細胞葉綠體發育的蛋白，例如玉米GLK轉錄因子可誘導水稻產生pro-Kranz結構并促使維管束鞘細胞中葉綠體的發育[42]，SCR/SHR轉錄因子調控維管束鞘細胞發育和葉脈排列模式[43]。通過葉片橫截切片觀察，發現的維管束鞘細胞與葉肉細胞中都發生了葉綠體的數量減少、面積下降以及結構異常，說明突變基因對葉綠體的影響不存在細胞類型特異性。而的Kranz結構不完整是由于維管束鞘細胞及葉肉細胞中葉綠體的喪失導致的，Kranz結構的細胞數量、細胞排列方式等沒有明顯異常。因此我們推測的突變基因可能并不直接參與C4解剖結構的構建，而是通過控制葉綠體合成及發育間接參與其中。而在C4生化途徑上發生了哪些變化，C4通路上關鍵基因的表達是否受到影響尚未證實。谷子是C4模式植物，其葉綠體發育異常突變體對于C4光合途徑仍然具有較高的研究價值。下一步應在初定位的基礎上進行基因精細定位并克隆候選基因，進一步研究基因生物功能，以及其與C4途徑的相互關系，對于加深人們對葉綠體合成發育調控機理以及C4光合作用的理解具有一定意義。

4 結論

與正常表型的等基因系相比，谷子條紋葉突變體在株高、葉寬、穗重、千粒重、結實率等農藝性狀上顯著下降，葉片葉綠素含量及凈光合速率顯著降低。葉片細胞中葉綠體數量減少且體積變小，不同細胞間葉綠體發育狀況差異較大：部分細胞具有正常發育的葉綠體，部分細胞葉綠體基粒及片層結構減少，有些細胞則葉綠體結構嚴重異常甚至不含有葉綠體。的突變表型受隱性單基因控制，利用分子標記將該基因定位于第4染色體7.66—27.90 Mb區間內。

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Cytological Characters Analysis and Low-resolution Mapping of Stripe-Leaf Mutantin Foxtail Millet

ZHANG Shuo1,2ZHI Hui1, TANG ChanJuan1, LUO MingZhao1, TANG Sha1, JIA GuanQing1, JIA YanChao1, DIAO XianMin1

1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081;2Food Crop Research Institute, Hubei Academy of Agricultural Science, Wuhan 430064

【】Foxtail millet is a C4model plant, and its leaf color mutants are good materials for C4photosynthetic pathway research. Through the cytological characters analysis and gene initial mapping of the stripe-leaf mutantin foxtail millet, it laid the foundation for cloning the mutant gene, analyzing the chloroplast biogenesis and development, and further understanding the C4photosynthetic regulation mechanism in foxtail millet. 【】The stripe-leaf mutant of foxtail milletwas naturally mutated from intermediate material A36 created by breeding. Comparing the phenotypic characteristics ofand its isogenic line, which showed normal phenotypes, and investigating the agronomic traits, such as plant height, leaf width, leaf length, panicle weight, thousand-grain weight, and seed setting rate. To analyze the photosynthetic characters of, the chlorophyll content, net photosynthetic rate, intercellular CO2concentration, stomatal conductance, and transpiration rate ofandwere determined. By observing the leaf transverse section and ultrathin section ofand the control variety Yugu1, the leaf anatomical structure characters were analyzed, by counting the numbers and areas of the chloroplasts in mesophyll cells and bundle sheath cells respectively, the chloroplast biogenesis and development were assessed. An F2segregation population of×SSR41 were created, and genetic analysis was conducted by counting the number of normal phenotype single plant and stripe-leaf single plant in the population. The DNA mixed pools of normal single plants and stripe-leaf single plants of the F2segregation population were constructed separately, and the method of Bulked Segregation Analysis (BSA) was used to locate the mutant gene. By screening the stripe-leaf plants in the F2generation using SSR and In-Del markers, the mutant gene were furtherly located.【】The stripe-leaf mutant of foxtail milletshowed the phenotype of irregular white stripe-leaf in the whole growth period. Agronomic traits analysis showed that compared with its isogenic line,decreased significantly in plant height, leaf width, panicle weight, thousand-grain weight, and setting percentage. Photosynthetic index measurement showed that the chlorophyll contents ofwere also reduced significantly, especially the chlorophyll b content declined more severely, additionally, the net photosynthetic rate was also decreased significantly. Observation of the leaf anatomical structure showed that the chloroplasts number and area were significantly lower than that of the contrast Yugu1, while the changes in Kranz structure were not obvious. Furtherly, the ultrastructure of chloroplast was observed and showed that the chloroplast development situation in different cells was quite different. And the leaf cells ofcould be classified into three types: type Ⅰ cells had normal chloroplasts, type Ⅱ cells had chloroplasts with reduced grana and lamellar structures, while type Ⅲ cells had severely abnormal chloroplasts or even had no chloroplast. Genetic analysis suggested that the stripe-leaf trait ofwas controlled by a single recessive gene, and the mutant gene was located to the region from 7.66 Mb to 27.90 Mb of chromosome 4 by F2population. 【】Stripe-leaf mutant of foxtail milletrepresented decreased agronomic traits and photosynthetic capacity, and the number, size, and ultrastructure of leaf cell chloroplast were significantly abnormal. The stripe-leaf trait ofwas controlled by a single recessive gene, which was mapped to a region from 7.66 Mb to 27.90 Mb of chromosome 4.

(L.) P. Beauv.; stripe-leaf mutant; chloroplast; gene mapping

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.003

2020-12-11；

2021-02-01

國家重點研發計劃（2019YFD1000704，2019YFD1000700）、中國農業科學院科技創新工程協同創新任務“作物高光效育種生物學基礎及核心材料創制”（CAAS-XTCX2016002）、國家現代農業產業技術體系（CARS-06-13.5-A4）、中國農業科學院科技創新工程（特色農作物優異種質資源發掘與創新利用創新團隊）、湖北省農科院青年科學基金（2020NKYJJ02）

張碩，E-mail：zhangshuo0728@126.com。通信作者刁現民，E-mail：diaoxianmin@caas.cn

（責任編輯 李莉）