园艺作物叶色黄化突变体研究进展

杨冲 姜鹏 魏新燕 轩淑欣

摘 要：叶色黄化是叶色突变的一种重要类型突变，是研究植物光合系统、叶绿体结构、叶绿素生物合成途径等的重要材料，对育种工作有重要应用价值。该文综述了园艺作物叶色黄化突变体的来源、突变发生的生理机制、遗传机制、分子研究进展及其应用价值，旨在为园艺作物叶色黄化突变研究提供理论基础。

关键词：园艺作物；叶色黄化突变；研究进展

中图分类号 S603 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）18-0023-04

Research Progress on Yellow Leaf Mutant in Horticultural Crops

Yang Chong1 et al.

（1Agricultural University of Hebei，National Engineering Research Center for Agriculture in Northern Mountainous Areas，Baoding 071000，China）

Abstract：Yellow leaf is an important type of leaf mutations and an important material for the study of plant photosynthetic system，the structure of chloroplasts，chlorophyll biosynthetic pathway，it also has important applications on breeding work. We review the research progress about source，physiological mechanism，genetic，molecular advances and application of yellow leaf mutant in horticultural crops，in order to provide theoretical basis for the research of yellow leaf mutant in horticultural crops.

Key words：Horticultural crops；Yellow leaf mutant；Research progress

植物叶色突变来源广泛，主要来源于自发突变和人工诱导突变[1]。叶色突变大多在苗期表达，少部分植株在生长后期表现出叶色黄化现象[2]。Gustaffsson[3]将叶色突变体分为浅绿（virids）、白化（albina）、条纹（striata）、黄化（xanthan）、斑点（tigrina）五类；后来Awan[4]又将叶色突变体划分为黄化、绿黄、白化和条纹等8种类型，其中，叶色黄化是一种重要突变类型。黄化突变体是由于叶片的叶绿素含量改变了，净光合速率降低，植株的生产力降低，甚至死亡。过去叶色黄化突变总被认为无意义，但越来越多作物中发现了叶色黄化突变，其价值获得了广泛的重视，叶色黄化突变体不仅利用苗期黄化突变性状快速鉴定品种纯度[1]，还可以用于研究植物的叶绿素生物合成调控[5]、叶绿体超微结构及其发育趋势[6-9]、光合生理和基因表达调控[5]等方面。目前，叶色黄化突变体的研究多见于大田作物，园艺作物相关报道较少，仅在甘蓝型油菜[9-10]、芥菜型油菜[11]、甜瓜[12-13]、甘蓝[14]、番茄[15-17]、辣椒[18]、黄瓜[19-22]、胡萝卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、菊花[26]、兰[27-28]、芹菜[29]、烤烟[30]、小白菜[31]等园艺作物中有报道。本文将近年来园艺作物叶色黄化突变体相关研究进行整理综述。

1 园艺作物叶色黄化突变来源

园艺作物叶色黄化突变体主要来源于自发突变和人工诱导。其中自发突变的概率很低，突变基因很难获得，但是这种自然突变不涉及转基因等生物安全问题，可直接用于常规育种工作，甘蓝型油菜[9]、芥菜型油菜[11]、甜瓜[13]、甘蓝[14]、辣椒[18]、黄瓜[19]、胡萝卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、菊花[26]、兰[27]、小白菜[31]、番茄[32]等园艺作物中均已发现自发突变的叶色黄化突变体。利用组织培养方式、物理射线等、化学品亚硝酸等和太空诱变的人工诱导增大了获得叶色黄化突变的几率，可缩短获得突变的时间。谭河林等[33]采用EMS诱变甘蓝型油菜双11，单株收获诱变后第一代，第一代自交得到第二代，播种并筛选鉴定第二代，获得叶片叶色稳定突变的甘蓝型油菜种质资源62份，其中叶色黄化突变株系较多，占得到的突变株系的34%。人工诱导获得的园艺作物黄化突变还有油菜[34-36]和黄瓜[20-21，37]。目前在园艺作物中尚未发现基因沉默和插入突变获得叶色黄化突变体的报道。

2 园艺作物叶色黄化突变的生理机制

2.1 色素组成与含量 高等植物叶片主要含叶绿素类、胡萝卜素类和花色素苷化合物，叶片的颜色形成复杂，取决于色素化合物的种类、含量和分布的位置[38]，园艺作物叶色黄化突变体叶片中光合色素的组成没有发生改变，是各种色素含量或比例发生了变化，叶绿素总含量明显降低，大部分能够完成整个生育期。苗晗等[39]对黄瓜黄绿叶突变体的研究表明黄化突变体在叶色素成分上与野生型无显著差异，光合色素含量显著低于野生型。大部分叶色黄化突变体的叶绿素a/b（Chl a/b）比值高于野生型[9，11，13]，还有些叶色黄化突变体的Chl a/b与野生型无显著差异[14，39]。叶色黄化突变体的叶绿素缺乏造成光合能力下降，天线色素捕获的光能量减少，从而导致净光合速率（Pn）显著下降[14，40]。

2.2 叶绿素合成中间物质 被子植物叶绿素合成途径共有15步，15种酶[41]，中间任何一步反应变化都可能引起叶绿素含量变化，不同园艺作物叶色黄化突变体在不同反应中发生了变化，一旦叶绿素合成受阻，受阻位点之前的化合物含量显著上升，位点之后的物质含量显著下降。邵勤等[13]对甜瓜叶色黄化突变体9388-1的研究表明，突变体叶绿素的合成在胆色素原（PBG）转化形成尿卟啉原Ⅲ（Urogen Ⅲ）过程之中受到阻碍；黄瓜叶色突变体9110Gt原叶绿素合成受阻造成了Chla、Chlb合成减少，光合色素含量降低，成分相对含量改变，导致叶色黄化[39]；王彩霞等[27]分析了10份文心兰叶色黄化突变体的叶绿素生物合成，结果发现突变体Y1、Y2、Y3、Y5和Y6叶绿素合成在粪卟啉原Ⅲ（Coprogen Ⅲ）到原卟啉Ⅸ（Proto Ⅸ）位点受阻，突变体Y4在ProtoⅨ到镁原卟啉Ⅸ（Mg-ProtoⅨ）这步反应受阻；吕明等[42]对芥菜型油菜黄化突变体进行研究，表明突变体的叶绿素合成受到阻碍的位点为在粪卟啉原Ⅲ（Coprogen Ⅲ）到原卟啉Ⅸ（Proto Ⅸ）之间。

2.3 叶绿体超微结构 类囊体存在于叶绿体基质中，膜上分布着光合色素，光合作用中光能到化学能的转化在这里发生。园艺作物黄化突变体叶绿体的透射电镜观察说明，大多黄化突变体的叶绿体超微结构出现了不同程度的变异。甘蓝叶色黄化突变体YL-1叶绿体透射电镜观察结果表明[14]，YL-1叶绿体的结构缺乏完整性，基粒数量少，基粒片层数少，基粒排列不整齐，部分细胞内部结构模糊不清，没有明显的膜结构，发育后期，叶色恢复一些绿色之后，叶绿体的结构正常，但基粒数目和基粒片层仍然比野生型少，这与肖华贵等[9]对甘蓝型油菜叶色黄化突变体叶绿体的研究结果一致。菊花叶色黄化突变体黄色叶片中类囊体膜的功效缺失，光系统Ⅱ和I不能完全发挥功效，导致光合能力降低[26]。

3 园艺作物叶色黄化突变的遗传机制

目前发现的园艺作物叶色黄化突变多数是由细胞核隐性基因控制，在甘蓝型油菜[9]、甘蓝[14]、番茄[16]、辣椒[18]、黄瓜[19-21]、胡萝卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、芹菜[29]等中均有报道。也有部分园艺作物的叶色黄化突变体是受两对不同隐性细胞核基因所调控，田颖等[43]报道的芥蓝型油菜黄化突变体L638-y即为此类型。还有一些叶色黄化突变体是受不完全显性基因控制的，在马蹄纹天竺葵和金鱼草中有报道[44]，叶色黄化突变体与野生型杂交获得F1，F1自交后代表型分离，叶色颜色表现为黄色（白色）、黄绿色和绿色，分离比为1∶2∶1，但叶色黄化（白化）大多是致死型。Hosticka等[45]在番茄中还发现了不同的突变类型，这种叶色突变是受细胞质体变异导致的。

4 园艺作物叶色黄化的分子机制

叶片呈色机理复杂，涉及到很多基因，与叶绿素合成相关的基因变异都可能改变叶色，相比大田作物叶色黄化突变而言，园艺作物黄化突变分子机制方面报道较少，仅在部分园艺作物中有报道。

Nothnagel等[23]利用BSA分析法混合胡萝卜叶色黄化突变体群体，提取DNA，然后用分子标记技术对胡萝卜叶色黄化突变体进行定位，获得了与目的基因连锁的10个AFLP分子标记。郭明[31]利用SSR标记初步定位番茄自发叶色突变体06883，筛选得到了3个与目的基因紧密连锁的SSR标记，LEaat006、LEtat002和Tom196-197，与目标基因的连锁距离分别为8.9cm、16.3cm和18.7cm，确定了目标基因位于第11号染色体上。王全等[46]利用BSA方法和AFLP技术，对黄瓜自发叶色黄化突变体及其野生型进行基因组筛选，得到了一个与叶色基因紧密连锁的AFLP标记。杨冲[47]应用InDel标记和BSA法，确定目标基因位于第1号染色体，利用409个叶色黄化的F2隐性纯合单株，筛选获得了与突变基因连锁紧密的两翼InDel标记。祝利霞[48]精细定位了甘蓝型油菜突变体BnC.ygl，该材料是人工运用EMS诱导得到的，在发育初期为黄色，随着不断生长，叶片转绿，成功克隆了突变基因BnaC.HOl。

5 园艺作物叶色黄化突变的应用价值

5.1 园艺作物叶色黄化突变在育种中的应用 目前报道的园艺作物叶色黄化突变大多能够稳定遗传，大多是隐性性状，叶色变化性状十分明显，肉眼即可识别，且大多数突变体在其生长发育早期就表现黄化性状，因此叶色黄化可作为标记性状应用于育种工作中。马志虎等[49-50]将叶色黄化突变应用于辣椒雄性不育系，利用叶色突变可以准确、快速地鉴定种子纯度。甘蓝型油菜叶色黄化突变体[1，9]、芥蓝型油菜叶色黄化突变体[11]和甘蓝叶色黄化突变体[47]虽然植株矮小、光合速率明显降低、叶绿体结构不正常、光合色素含量显著降低、株高产量等农艺性状显著低于正常叶色植株，但这些黄化突变体分别与叶色正常植株组合正反杂交，产生的F1子代这些指标与正常植株无显著差异，与对育种工作有重要的实际意义。

5.2 园艺作物叶色黄化突变在光合系统和光形态建成研究中的应用 叶色黄化突变体的光合系统在不同方面出现了问题，可用作研究园艺作物光合系统结构、功能与调控机制的试验材料。叶色黄化突变体可用于植物光形态建成的研究，Terry和Kendrick[16]对番茄叶色突变体yg-2研究中，发现yg-2叶色变异是由于光敏色素生色团合酶基因的突变所导致，这种缺失造成了叶色突变体yg-2对光不敏感，可用于光感受和信号转导的研究。

5.3 园艺作物叶色黄化突变在分子生物学上的应用 近年来园艺作物分子生物学方面研究越来越受到重视，叶色黄化突变体是研究叶绿体发育和叶绿素合成相关基因的重要材料，以叶色黄化突变为标记性状筛选突变体，分析鉴定突变体，对于突变基因未知的叶色黄化突变体，可以采用图位克隆分离获得突变基因，之后可用反向遗传学研究基因的功能，了解核质间基因互作[2]。到目前为止，不少园艺作物已经完成基因组测序，可以结合生物信息学分析鉴定突变体，可大大加速叶色黄化突变基因的研究进展。

综上所述，园艺作物叶色黄化突变体研究多在遗传规律、农艺性状及光合特性等方面，对叶色黄化突变体的突变机理，突变基因的研究还很欠缺。虽然园艺作物黄化突变体的研究报道出现很早，但至今为止，叶色黄化突变在园艺作物上并没有得到充分利用。随着植物生理学、功能基因组学的不断发展，各种测序技术的不断更新，生物信息学的深入研究，园艺作物叶色黄化突变体的研究及应用将取得新的进展和突破。

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