植物叶色突变体的研究进展 植物叶色的表现受叶绿体中各种色素的综合 影响 , 正常情况下 ,由于叶绿素在植物色素总 量中占优势而表现为绿色 .叶色突变体是植物中突变 率较高且易于鉴定的突变性状,往往直接或间接影响叶绿素的合成与降解 ,导致植株的叶片颜色较正常的绿色发生变化 .目前几乎所有 的高 等植物中都发现了叶色突变体 .（陈艳丽 ）在本世纪三十年代就有关于叶绿素突变体的报 道 ,但 叶色变异通常伴随着植株矮小 ,并影响植株的光合作用造成减产 ,甚至在生长过程中出 现死亡现象 , 因此叶色突变体常被认为是无意义的突变 .直到 1949 年 ,Granick 对失绿的小球藻 突变体的研究 并通过此突变解释了叶绿素合成过程 1 ，人们才认识到叶色突变体对理论研 究具有重要的作用。 并且最近几年， 叶色突变体的研究越来越深入，也受到广泛的关注，已 经 被用于基础研究和生产实践，也取得了一定的成果。 2 叶色突变体的来源除自然突变可产生叶色突变体外，利用人工诱变，插入突变和基因沉默等均可得到叶色 突变， 其中人工诱变和插入突变的突变频率较高。自然突变就是在自然条件不经过人工处理情况下发生的突变，比如自然辐射，环境污染 等。 但是自然突变的频率极低，一般不超过1%（郭龙彪， 2006），因此可供直接利用的突变很少。 我国著名水稻良种矮脚南特就是在高杆品种南特号稻田里发现的自然突变， 水稻的 叶 色突变体 chl1 和 chl9 （ zhang et al .2006 ），棉花中的芽黄突变体（蒋博 2012），荠菜型油 菜 黄化突变体都是自发突变体。人工诱变 人工诱变导致植物基因产生突变，是选育新品种、创造新种质的有效途径。根据产生诱 变 的来源， 人工诱变分为物理、 化学诱变及基因工程引起的突变， 物理和化学诱变是主要的 诱变 方法。诱发植物发生突变的因素有诱变剂，物理诱变是通过各种射线（紫外线、X射线、丫射线、 p射线、中子等）来处理植物某个器官（如种子、子房、愈伤组织等），诱发植物发生基因突变。 种子是最常用的处理材料，其对环境适应能力很强，可以在极度干燥、低温、高 温、真空等条件 下进行处理，并且操作方便，便于运输和储藏。 1934 年日本首次利用 X 射 线处理水稻种子，成 功得到水稻早熟突变体（阳惠琴，1995）我国于 1987 年开始航天搭载育种利用空间环境（微重力、高真空、微磁场等）进行诱变，通过地面选育得到有益变异创 造出 新种质、培育出新品种，已经成功在水稻种选出紫色、红色、茶色等叶色突变体（萨如 拉， 2009）。 化学诱变是通过烷化剂、 叠氮化钠、 碱基类似物等对植物进行诱变， 其中烷化剂是诱变效率 最 高和最常用的化学诱变剂。常用的烷化剂又包括甲基黄酸乙酯（ EMS ）、磺酸二乙酯、乙 烯亚 铵和亚硝基乙基脲。EMS诱变得到的突变体大多数为点突变，诱变机理：EMS带有1个或多个 活性烷基， 该基团能够转移到其他电子密度高的分子上去， 使碱基许多位置上增加 了烷基 ,可 以改变氢键的能力 ,从而 DNA 在复制时导致碱基配对错误而引起突变。 EMS 将鸟 嘌呤的 O6 位 置烷基化，在 DNA 复制过程中由于烷基化的鸟嘌呤与正常的胸腺嘧啶配对， 使得碱基发生替换（赵用亮， 1996）。 EMS 诱发的另外一个鸟嘌呤位点是 N7 位点，该位点 是最易起反应的位点 几乎可以与所有烷化剂起烷化作用，鸟嘌呤 N7 位点烷基化后，使核苷 键发生水解导致断裂，鸟 嘌呤从DNA链上脱落，造成DNA链碱基缺缺失，在复制的时候游离的碱基可能发生错配，以致 发生碱基颠换即G： C A： T， G： CC： G， G： CT：A ;另外烷基化的鸟嘌呤易离子化，使稳定的酮式变为不稳定的烯醇式，不与胞嘧啶配对而与胸腺 嘧啶配对，从而发生G： CA： T转换。除此之外，EMS还可能使两个鸟嘌呤N7位点形成共价键，使得DNA双链交联而造成变异甚至死亡。这些DNA结构上的变化都可能促使 不表达的基因或区段被激活，而表现出被掩盖的性状。另外胸腺嘧啶O4 位点也易发生烷基化，其次是鸟嘌呤N3,腺嘌呤N2，腺嘌呤N7和胞嘧啶N3位点，此四个位点发生烷基化 后引起碱基置换突变只占烷化作用突变的10%。1.1.2 叶色突变体的分类由于叶色突变体通常在苗期出现叶色变异 ,因此 ,其分类常常根据苗期的叶色 表型 进行。目前分类方法较多，如 Gustaftsson 把叶色突变体分为五种类型：白化、 黃化、 浅绿、条纹、斑点。而Awan等将其分成八种类型：白化 潢化,浅绿,白翠,绿白，黄绿， 绿黄和条纹。二者的分类中，白化、黄化、浅绿类型相同,Awan将条纹和斑点两种类 型按表型的差异又分成了不同的类型 16。 walles 将叶色突变体分 成 3 类:1、单色 突变 ,指叶片仅表现出浅绿、黄、白三种颜色中的一种 ;2、杂色突 变,指叶片存在多种 颜色 ,如白黄、白绿、斑等 ;3、阶段性失绿 ,指在植株发育的某 个阶段,叶色发生突变 , 然后再恢复到正常颜色。然而,简单地以苗期表型为依据来 进行分类具有一定的局限性。 植物的表型性状与基因型并非一一对应的关系,一种表型性状可能受多个基因同时突变的共同影响 ,即使是同一个基因发生突变 ,损 伤的 程度不同基因功能也会表现出不同的表型性状。比如,au和yg 2是番茄的黄叶突变体 ,其表现型非常相似 ,而研究表明 an 突变体的黄叶性状是由编码血红 素加 氧酶的基因发生突变引起的， yg 2 突变体中编码光敏色素生成团合酶基因 发生了突 变 17 。另外 ,还有些叶色突变性状在苗期时无法识别 ,如常绿 （staygree n 突变 体是常见的苗期后才表达的叶色变异 18,此突变性状也存在于拟 南芥、菊花等很多物 种中 ,其最明显的特征是生育末期叶片保持绿色甚至出现完 全不黄化现象。植物表型的 表达不仅受基因的控制 ,也受环境因素的影响。因此 , 在对叶色突变体进行分类时 ,应 根据不同的表型性状选择并结合多种分类方法对 其进行科学的分类。1.1.3 叶色突变体的遗传研究叶色突变体的来源广泛 ,种类繁多 ,种类不同其遗传规律差别也较大。 叶色变异 性 状可能受细胞核遗传 ,也可能受细胞质遗传 ;可能由单基因控制 ,也可能由多基 因控制 ; 可能是质量性状 ,也可能是数量性状。 为了确定叶色突变的遗传方式 ,在构 建 F1 群 体时必须进行正反杂交 ,并且需要进行测交试验。 如果是细胞质遗传 ,正反 杂交的子 代叶色表型不同 ,总是和母本保持致且不发生性状分离 ;如果是细胞核 遗传， 正反交 的子代叶色相同，在F2和BC1群体中发生叶色分离，并具有一定的性状分离比例, 根据分离比便可知叶色变异是受单基因控制还是多对基因控制。甘 蓝型油菜黄化突变 体的基因定位 3.1 细胞核遗传对多种突变体的研究表明 ,叶色突变多是由单隐性核基因控制的 13、19、20、21。胡远辉等对甘蓝型油菜叶色突变体Cr3529进行了研究，认为此突变性状受细胞 核内1对隐性基因控制22。刘海衡等对芥菜型（召rassicajuneea五）油菜黄化突变 体五“s少进行了研究，该黄化性状受2对隐性核基因控制23。何瑞锋等（2000）研 究“斑马叶”叶色突变体 ,发现由于核基因改变其叶片间断失绿 24。吴殿星等 对水 稻转绿型白化突变系 W25 进行研究 ,表明 W25 不育系的的叶色表型由单隐 性核基因 控制。 25 3.2 细胞质遗传细胞质遗传的叶色突变体与细胞核遗传的相比 ,数量比较少 ,且后代性状遗传 以 母性遗传方式进行。细胞质控制的叶色突变体最早在大豆中出现,刘友杰利用激光诱变处理早稻品种 ,获得了褪绿突变体 ,遗传分析表明该褪绿性状是由细胞质 基因 突变引起的 26 。此外 ,受细胞质遗传的叶色突变体仅在拟南芥27 、小麦28（王保莉等，1996）、烟草15、29 （Mondeetal,2000;Baraketal.,2001 等植物中 有 报道。1.1.3.3 外部环境对叶色突变体的影响外部环境如温度、 光照， 水分等对叶色突变体都有影响 ， 其中温度的影响最大。 陈佳颖等（2010）利用60coY射线辐照处理粳稻品种嘉花1号的种子,得到了 1个低 温敏感叶色突变体InrZI,在较低温度（V25OC ）条件下，该突变体幼苗叶色呈黄 色； 随着温度逐渐升高， 叶色由黄色转化为绿色， 出现转化现象的临界温度约为27， 5Co 301.1.4 叶色突变体的分子机制 叶绿素合成机制的稳定受突变基因直接或间 接的影响 ， 任何妨碍叶绿素素代 谢稳定性的因素都会引起叶色变异 ， 其分子机制非 常复杂。1.1.4.1 叶绿素生物合成途径中的基因突变叶绿素合成分为厌氧条件和有氧条件下的反应。的生物合成以谷氨酸与a一 酮戊二酸为原料，然后合成厌氧条件下，高等植物叶绿素ALA。2分子ALA成1 分子胆色素原 ， 其具有毗咯环。4分子胆色素原经脱氨基缩合形成脱水缩合形成 1 分 子尿琳原11,尿叶琳原111的4个乙酸侧链脱梭形成具有4个甲基的粪叶琳原m。 在有氧条件下，粪叶琳原m再脱梭、脱氢、氧化形成原叶琳双，原叶琳IX是形成叶绿素 和亚铁血红素的分水岭。如果与铁结合， 就生成亚铁血红素 ;与镁结合,则形成Mg-原叶琳仄。Mg 原叶琳IX的一个梭基被甲基酷化，在原叶琳IX上形成 第五个环，接着B环上的一 CH=CHZ侧链还原为一 CHZ 一 CH3,即形成原叶绿酸酷。 原叶绿酸酷经光还原变为叶绿酸酷a,然后与叶醇结合形成叶绿素a,叶绿素b是由叶绿素a转化而成的。叶绿素合成的过程涉及多个酶的参与。DVR基因 最先被鉴别后 ,参与高等植物叶绿素合成的所有基因逐一被鉴定,拟南芥中从谷氨酞一 tRNA到叶绿素b的合成过程中，共有编码15种叶绿素合成酶的27个基 因参与困31agatactaL,2005叶绿素合成过程中的任何一种酶的合成发生突变均可影 响叶绿素的合成进程 ,进而改变叶绿体中各种色素的含量 ,引起植株叶色变 异。 1.1.4.2血红素代谢途径中的基因突变叶绿素合成速率受细胞内血红素含量影响。当血红素的消耗大于合成时,血红素减少就会促进ALA的合成,ALA含量增加促使叶绿素的合成。当血红素的合成大 于消耗时，其浓度升高从而抑制ALA的形成,ALA含量减少便抑制叶绿素的合成。血 红素经一系列的反应最终形成光敏色素生色团 ,若此途径任何反应受 阻,细胞内血红素 含量上升 ,血红素的积累反馈抑制叶绿素合成 ,突变体由于缺乏 叶绿素使得叶色产生变 异 17。叶绿素合成过程中血红素反馈抑制是关键的调控 步骤。最直接的证据是， 在 番茄aurea和yenow 一 green 2突变体中，编码血红素 氧化酶（hemeoxygenase 和光敏色素生色团合酶的（PFBS” thase基因突变，使细胞内积累过量的血红素, 其反馈抑制叶绿素前体氨基酮戊酸的合成 ,致使突变体表现 为叶色黄化 17。 1.1.4.3编码其他叶绿体蛋白的基因突变叶绿体的结构基础是蛋白质 ,约占口卜绿体干重的 30 一 40%。它亦是叶绿体 功 能的基础 ,几乎参与叶绿体全部的生命活动 ,如酶代谢过程中的催化剂、负责翻 译的核 糖体等 ,它们的主要成分均为蛋白质。 电子传递链是由蛋白质与细胞色素、 质体蓝素 等相结合而构成的 ,对叶色起关键作用的光合色素同样需要与蛋白质结合形成复合体而 存在,同时叶绿体内膜系统的主要成分也是蛋白质 32,33（Kalmangara,1988;Yaronskaya,2003。 ） 一些叶绿体蛋白的突变可导致叶绿体内部膜结构发育不完全 ,进而叶绿素及其他光合色素的合成及稳定性也受到影响