1、毕业论文 文献综述 生物 工程 水稻叶色突变体研究 进展 摘要： 叶色突变是比较常见的突变性状。叶色突变体在基础研究和育种工作中越来越显得重要。本文从水稻叶色突变体的产生方法、类型、遗传规律、光合特性及应用等方面系统综述了水稻叶色突变体的研究进展，并对叶色突变体的应前景做了进一步分析。 关键词： 水稻；叶色突变体；应用 叶色突变是自然界普遍存在的一种突变，早在 20 世纪 30 年代就已在水稻、大豆、大麦、小麦、棉花等多种植物上发现 1。 正常叶色是植物长期进化的结果，而叶色变异通常影响突变体光合速率，往往使植物发育迟缓、 竞争力下降，造成作物减产，严重时甚至导致植株死亡。过去大量的报道认为叶
2、色突变体在基础研究中具备一定的意义，但缺乏实际的生产应用价值，因此常被认为是无意义的突变 2。但随着技术的发展，这种过去被认为是无意义的突变，现在已经受到越来越多的关注。 1 叶色突变体产生原因、产生方法及分类 1.1 产生的原因 根据现有对高等植物叶片呈色原因的研究表明，叶片呈色过程相当复杂，与叶片细胞内色素的种类、含量以及在叶片中的分布有关，是各种色素的综合表现，其中主要是绿色的叶绿素和黄色的类胡萝卜素两大类色素的比例 3。总的来 说，植物的叶色突变主要是叶片中各种色素的分配不同而产生的。 1.2 叶色突变体的产生方法 叶色突变体的来源十分广泛，基本上可以分为自然突变、人工诱发突变两大类。
3、 自然突变就是指在自然条件下自发形成的突变，未经复杂的生物技术手段，将其直接用于常规育种，不会产生安全性问题。但自然突变的频率极低，可利用率不高。 人工诱发植物基因突变是创造新种质、选育新品种的主要途径。人工诱变又分为物理诱变、化学诱变以及基于基因操作技术导致的突变 4。 物理诱变是指利用电离辐射（ X 射线、 射线及紫外线，及粒子，质子及中子等） 处理水稻种子或幼苗使其产生突变体的一种常规方法。魏玉波等 5将日本优质、耐冷性水稻品种干种子经 50Gy60Co-射线处理，在 T2 代群体中选育出茎叶超绿突变体。 化学诱变法是指利用化学诱变剂处理水稻种子使其诱变产生突变体的一种方法。国际水稻研究
4、所 （ IRRI） 收集了大量由快速中子、 射线和化学诱变剂诱变产生的突变体6，并开始用生物胁迫或非生物胁迫的方法来筛选形态缺失突变体。 Meskauskiene 等 7采用 EMS 诱变技术得到控制叶绿素合成负调控的 flu 突变体。 基因操作技术诱变主要是指基因插入突变，主 要包括 T-DNA 插入突变 、转座子插入突变。插入突变最大的优点在于，可将插入元件作为标签从基因组中分离出相应的基因。 T-DNA 标签技术是以农杆菌介导的遗传转化为基础的一种插入突变研究方法。由于农杆菌的寄主范围较广，转化技术成熟，故是创造插入突变体的有效途径。该法的最大优点是产生的突变体稳定、拷贝数低以及便于进行
5、遗传和分子分析。而且， T-DNA 的插入热点多集中在基因组的活跃转录或具有转录潜力的区域，是理想的基因标记工具 8。 转座子 （ transposon） 是染色体上一段可移动的 DNA 片段，可从染色体的一个位 置跳到另一个位置 9。当转座子跳跃而插入到某个功能基因时，就会引起该基因的失活，并诱导产生突变型 8。 1.3 叶色突变体的分类 水稻叶色突变体的主要特点是叶色表型发生了变异，突变成不正常的绿色，易于观察，它的突变主要发生在苗期，根据突变体苗期的叶色表型加以分类可分为白化（ albina） 、黄化 （ xanthan） 、浅绿 （ virids） 、条纹 （ striata） 、斑点
6、 （ tigrina） 5 大主要类型。另外 Awan 等则将叶色突变体细分为白化、黄化、浅绿、绿白、白翠、黄绿、绿黄和条纹 8 种类型 10。 根据温度对叶色 标记表达的影响，吴殿星等将 8 个温敏核不育系叶色突变体分为高温表达型，低温表达型和温钝型 3 种 11。 然而苗期的叶色突变一般以植株的表型作为分类依据，具有一定的局限性，因为植物的表型与植物内部的遗传性质并不一定是一一对应的，同一表型并不是由同一基因突变引起的，同一基因的突变不一定会引起植株表现出同一表型，还有一些突变性状在苗期不表达。根据很多研究表明仅仅以突变体的叶子颜色来分类，很可能会不利于基因生物功能的研究。随着叶色突变类型
7、的逐渐增多，实际应用中常结合多种分类方法对其进行科学的分类。 2 水稻叶色突变体 的遗传研究 叶色突变的种类繁多，不同突变体之间的差异很大。叶色突变有可能是数量性状，也有可能是质量性状。有可能是细胞核遗传，也有可能是细胞质遗传。 水稻叶色突变受细胞核和细胞质 2 类不同遗传体系的控制。大多数研究表明，水稻叶色突变性状多受 1对隐性核基因控制。水稻叶色突变基因在染色体上的分布比较广泛。目前，第 1-8、 10 及 11 号染色体上都发现了叶色突变基因 12-13。张力科等 14对两个新的水稻叶色突变体形态结构与遗传定位研究中，通过对各杂交组合的 F1 和 F2 群体的叶色分离情况进行统计分析，表
8、明白色条纹性状 是由 1 对隐性的核基因控制，了黄色突变性状也是由 1 对隐性核基因控制，且与控制白色条纹性状的基因不等位。吴关庭等 15对 PLM12 紫叶突变体的研究也表明，水稻叶色突变体受单隐性核基因遗传控制。 植株的叶绿体变异受内部基因和外部环境的共同作用。外部环境对叶绿体变异的影响研究最多的是温度对叶绿体变异的影响。刘贵富等用辐射诱变的水稻叶色突变体中。发现有 4 个突变体的叶色表达与温度有关。突变体 W17 和 W25 在低温条件下（ 20-25）叶片表现在白色，在高温条件下（ 30-35）叶片转化为浅绿色；相反，突变体 W4 和W11 在高温条件下（ 30-35）叶片呈白色，在低
9、温条件下（ 20-25）叶片表现为黄色或浅黄色 （ 刘贵富等， 1996；赵海军等， 2004） 。 3 水稻叶色突变体的光合特性 目前对于水稻叶绿素缺失突变体的光合特性研究也比较多，结果也不尽相同。己有研究表明，叶绿素缺乏会引起光能吸收的下降，叶色突变体许多因为 Rubisco 酶等酶活性下降或失活影响光合能力但也有报道突变体表现出较好的光合性能。龚红兵等 16对水稻镇恢 249 叶绿素缺失突变体的遗传分析表明，与镇恢 249 相比，突变体的叶绿素含量降低，光合速率降低。胡忠等 17在研究水稻黄绿色突变体的光合特性时的结果表明，叶绿体基粒结构与捕光叶绿素确蛋白含量成正相关，它并非为光合作用基
10、本过程所必需。张玉麟等 18经研究发现除水稻白化苗植株体内有游离叶绿素存在外，所有高等植物中叶绿素都是与蛋白质结合在一起的，并以叶绿素蛋白质复合体的形式存在和行使功能。 4 水稻叶色突变体的应用 近年来，随着分子生物学、基因组学和生物学研究的不断深入，水稻叶色突变体的利用价值愈加受到重视，其不但可以进行植物生理、基因功能等基础研究，而且在实际生产中也有很大的应用潜力。 4.1 叶色标记在水稻杂 交育种中的应用 在杂交水稻生产过程中，由于不育系的育性不稳定而严重影响杂交种子或是亲本的纯度，给农业生产带来重大损失。利用叶色标记将易于识别的叶色标记性状转育到水稻三系或两系不育系上，从而根据叶色标记可
11、以在苗期便捷的去除杂株，保证种子的纯度。 因此，开展水稻叶色突变体理论与应用研究，对于提高杂交稻生产的田间纯度具有重要意义。 4.2 叶色突变体在植物激素生理中的应用 激素含量与叶色间有着较为密切的联系。因为叶色突变体的突变基因可直接或间接影响激素的合成，所以鉴定缺失激素的叶色突变体，不但可以增强对激素合成途 径的了解，而且可以克隆出参与激素生物合成的基因 19。水稻植株 ABA（脱落酸）生物合成途径中的基因突变，可直接抑制 ABA 的合成，从而影响突变体的生长发育，造成叶色突变。叶片介于灰绿和绿色之间， Agrawal 等 20通过正向遗传学的方法从中分离出了 1个参与 ABA 生物合成的基
12、因。 植物激素影响叶片的颜色，也影响植物体的生长、成熟和衰老。缺乏 ABA 的叶色突变体则通常表现出下列性状 :过早萌发、易于萎蔫及可在高渗培养基上萌发和生长等19。 4.3 叶色突变体在品种改良中的应用 培育高光效水稻是实现水稻增产的重 要途径之一。叶绿素是光合作用的必要条件，常绿突变体因为叶绿素降解途径受到阻碍，可以延缓叶片衰老，所以功能型常绿突变体的叶片在生育后期叶绿素含量和光合能力保持不变 21， 若将常绿突变基因导入正常植株，则可以延长植株光合作用时间，进而提高光合效率，最终达到增产的目的。如 Gan和 Amasino 曾用转基因技术诱发了 1 个烟草常绿突变体，此种突变体的生物量和
13、种子产量分别增加了 40%和 52%22。 4.4 叶色突变体在功能基因组学研究中的应用 叶色突变体可以导致控制叶绿素生物合成和叶绿体发育的重要基因的沉默或失活23。 通过对叶色突变体基因的研究，将多个控制叶绿素合成和发育的基因从缺失色素的叶色突变体中分离鉴定出来 ， 因此叶色突变体是研究叶绿体结构、功能的理想材料。 叶色突变体可用于研究单个基因的功能，也可用于研究基因间的互作。可用于叶绿体、线粒体、细胞核之间遗传分子信号的传导追踪及他们之间的协同作用。 5 展望 综上所述 ， 叶绿素突变作为一种明显的性状突变 ， 不仅容易被识别也容易获得。尽管人们很早就进行这方面的研究 ， 但在实际生产中却
14、未能充分利用 ， 相信 ， 随着对植物叶色突变发生机制的深入了解 ， 植物生理学研究手段的不断发展 ， 以及分子生物学、功能基因组学和生物信息学研究的不断深入 ， 对叶色突变体的应用研究将不断取得新的突破。 参考文献 1 苗晗 ,顾兴芳 ,张圣平等 .蔬菜叶色突变体研究进展 J.中国蔬菜 ,2007,(6):39-42. 2 吕典华 .水稻叶色突变体的光合和生理生化特性研究 D.西南大学硕士论文 ,2010. 3 何奕昆 ,代庆阳 ,苏学辉 .雁来红叶色转变与超微结构及色素含量的关系 J.四川师范学院 学报 :自然科学版 ,1995,16(3):195-197. 4 张力科 ,高用明 .水稻叶
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