水稻叶色突变基因的遗传研究进展

方希林 ，王 悦 ，朱敏敏 ，邓跃军 ，张 晶 ，李恩宇 *

（1湖南农业大学农学院，长沙 410128；2湖南希望种业科技股份有限公司，长沙 410128）

水稻叶色突变基因的遗传研究进展

方希林1，王 悦1，朱敏敏1，邓跃军2，张 晶2，李恩宇1*

（1湖南农业大学农学院，长沙 410128；2湖南希望种业科技股份有限公司，长沙 410128）

介绍了水稻叶色突变体的类型及来源，综述了水稻叶色突变相关基因的发掘、定位和克隆进展情况，从细胞核遗传的突变、细胞质遗传的突变以及核质互作的突变等方面详细阐述了水稻叶色突变的遗传机理，并对其作为标记性状在育种上的应用提出了展望，旨在为水稻叶色突变体的研究与应用提供参考。

水稻；叶色；突变基因；遗传

水稻产量所需的物质基础90%～95%来自叶片叶绿体的光合作用积累，因此增强光和效率是提高水稻产量潜力的有效途径之一［1］。而水稻叶色对光合作用有较大的影响，因此对水稻叶色的相关研究显得十分重要。在杂交水稻生产过程和育种过程中，因叶色突变体区别明显，易于识别，可以用来作为一种标记性状，能够广泛应用于杂交水稻繁殖制种和F1种子纯度鉴定中。因此，发掘更多的叶色突变体，以及鉴定新的水稻叶色突变基因，有助于深入揭示水稻光合作用的分子机理，为培育高光效新品种奠定理论基础，同时也可用于提高杂交水稻的种子生产纯度［2］。

1 水稻叶色突变体的分类

叶色突变在自然界中常有发生，是一种突变频率较高的突变形式。水稻叶色突变体种类很多，表型也各不相同。因水稻叶色突变一般在幼苗时期就开始显露，所以大多数研究都是根据突变体苗期的叶色表型来进行分类。Awan等［3］在前人基础上将叶色突变体细分为黄化，黄绿，绿黄，白化，浅绿，条纹，白翠，绿白 8 种类型。 Gustafsson［4］将叶色突变体分为黄化，白化，浅绿，斑点，条纹五大类。此外，邓晓娟等［5］在研究中将叶色突变体表型分为黄化，温敏变色，白化，亮绿，转绿和紫色，常绿，条斑条纹。随着对叶色突变体的研究不断深入，以及越来越多的突变体发现，仅以苗期叶色表型对突变体进行分类的方法并不完全适应所有的突变类型。如Falbel等［6］根据叶绿素发生变异的生理机制，将叶色突变体分为缺叶绿素b型和缺叶绿素a型、总叶绿素增加型、缺总叶绿素型等。由于水稻叶色变异同时受到遗传规律与环境条件的影响，如光强、光照时间和光质的差异影响叶色突变体发育的调控［7-9］。 此外，刘艳霞等［10］将叶色突变体归纳为高温敏感型、低温敏感型，以及特殊温敏感型。随着越来越多的叶色突变体被发现，缺乏一种行之有效的分类方法，能够恰当的进行突变体类型的划分，有研究提出最好的分类方法应该是表型与基因功能结合，但由于叶色调控机理还未完全明了，该方法仍存在一定的局限性［5］。

2 水稻叶色突变体的来源

自然突变和人工诱变是水稻叶色突变体的主要来源。虽然水稻自然突变率低，但是近年来，也相继有该类型的突变材料的报道。日本学者发现的白化转绿突变体 v1～v12 系列［11-13］。 王军等［14］从籼稻9311中获得了一个白化转绿自然突变体v13（t）。 贺治洲等［15］利用 T98B／金 23B／／宜香 1B杂交后获得新叶黄化后转绿型的自然突变株系热农1A。吴书俊等［16］在水稻品种南粳41中发现的一个黄绿叶自然突变体ygl11（t）。

人工诱变的方法多种多样，60Co-γ射线的应用较为广泛，谭炎宁等［17］利用60Co-γ 射线诱变籼型三系保持系T98B后获得的单叶独立转绿型黄化突变体 grc2。董青等［18］利用60Co-γ对籼稻中恢8015进行辐射诱变，获得突变体w390，该突变体在全生育期叶片均呈黄绿色。此外，王丹霞等［19］用甲基磺酸乙脂（EMS）分别处理粳稻品种日本晴和Kitaate获得的黄绿叶突变体507ys与yl1。zjw［20］、gra75［21］、YGL9［22］、wpsm［23］、Ygl［24］、Osyl1［25］等突变体材料也均由类似方法得到。除了常规的物理方法和化学方法，利用基因工程技术也获得了一批重要的叶色突变体材料。张泽民等［26］在筛选和鉴定水稻T-DNA（含Basta抗性基因Bar）插入纯合体的过程中发现了一个白化苗性状突变体。Jung等［27］从构建的水稻T-DNA突变体库中筛选到一个OsCHLH突变的白化转绿突变体。Miyao等［28］用粳稻品种日本晴建立了一个包含47196个株系的Tos17插入突变体库，从突变体库中筛选获得白叶、条纹叶、黄叶、斑马叶、斑点叶等多种类型的Tos17插入突变体。

3 水稻叶色突变相关基因的定位及克隆情况

迄今为止，已有至少190份水稻叶色变异材料被发现，已定位到具体染色体的水稻叶色相关突变基因逾145个，这些基因广泛分布于水稻全基因组十二条染色体上［29］。其中以3号染色体上发现和定位的基因最多，该染色体上有超过30个基因被发现，第12号染色体上的叶色基因最少，仅2个，即ETL2和tcm12。ETL2被定位在12号染色体断臂上209kb范围内，与在11号染色体上的黄化基因ETL1高度同源，功能冗余，有一段相同的复制片段，其编码产物蛋白序列与拟南芥中参与叶绿体RNA加工的HCF152蛋白类似，并且这两个基因都为隐性基因［30］。tcm12是一个在温敏感突变体中筛选出来的一个隐性基因，最终被定位在12号染色体上，分子标记ID2119D到ID21436之间的237kb内［31］。此外，在所有定位到的叶色突变基因中，又以黄化表型最为常见，有超过40个被定位，并不断有新的基因被定位。初志战等［32］利用60Co-γ射线诱变的M1材料中发现一个黄绿叶突变体（ygl8951），利用黄华占和突变体杂交获得F2代分离群体后，将该基因定位在了第6号染色体上，位于InDel标记607489到607611 之间，物理距离为 191kb。 王付华等［33］将突变体白784中的叶色基因Abt6定位在第6号染色体上，位于InDel标记Y15420到Y15648之间，物理距离为278kb，该基因为温敏感隐性基因。

至今，据不完全统计至少约有37个叶色基因被克隆，由于叶绿素的合成途径复杂，各个环节的调控基因都可能引起叶色的变化，主要分为两类，即叶绿素合成降解途径上的基因和叶绿素发育途径上的基因。目前，已克隆的叶色基因除第8号染色体上外，在其他染色体上都有分布。NYC1、OsDOS、OsHAP3A、SPL28（1号染色体）；OsGluRS、ASL2、Cga1（2号染色体）；OsCHLH、OsCHLD、OsCHLI、VYL、OsDVR、V1、V2、YSA、OscpSRP43、NOL、OsCLpP5（3号染色体）；PL、MPR25（4 号染色体）、OsRopGEF10、YGL1（5号染色体）；SPP、NYC3、V3（6号染色体）；NTRC、OsCHR4（7号染色体）；SGR、YLC1、OsPPR1（9号染色体）；OsCAO1、OsCAO2、FGL（10号染色体）；OsCRTISO、ETL1、YGL138（t）（11号染色体）；ETL2（12号染色体）。其中ASL2和VYL是近年来新克隆的叶色基因。Lin等［34］利用ASL2（白化突变体）与籼稻品种培矮64S构建F2代分离群体，最终将ASL2定位在2号染色体146kb区域内，ASL2编码叶绿体50S核糖体蛋白L21（RPL21c）是叶绿体核糖体大亚基的一个组分，定位在叶绿体上，与拟南芥RPL21c序列相似性为57.9%，并且ASL2有较强的组织表达特异性，在胚芽和叶片中具有较高水平。VYL［35］基因编码一个与拟南芥ClpP6亚基同源的蛋白，是叶绿体Clp蛋白酶的亚基之一，能与Clp蛋白酶亚基OsClpP3和OsClpP4分别互作，在水稻叶绿体生物合成中起重要作用并证实了LOC＿Os03g29810为候选基因，并且VYL基因的表达量与光介导的叶绿体发育进程相关，在叶绿体发育的早期表达量最高。根据邓晓娟等［5］、孙亚利等［29］的报道发现水稻叶色突变体材料以及突变基因的定位和克隆逐年增多，但至于水稻叶色突变基因在各染色体上的分布规律尚未发现很好的理论加以充分的解释，对已克隆的基因研究也尚未透彻。

4 水稻叶色突变的遗传机理

水稻叶色突变的遗传机理包括细胞核遗传突变，细胞质遗传突变以及核-质互作而引起的突变。

4.1 细胞核遗传的突变

大多数研究表明水稻叶色突变由核基因控制，其中，显性核基因及多基因控制的叶色突变报道较少。如房贤涛等［36］对6个光温敏核不育系的白化转绿突变体的生物学特性研究和遗传分析，发现仅21W1由显性基因控制，其他皆为隐性遗传。钟振泉等［37］通过对水稻斑点叶突变体spl32的鉴定与遗传分析发现该叶色突变由一对显性核基因控制。此外，自然间断失绿温敏叶色突变体1103s是通过原生质培养获得的淡绿叶色标记粳稻光温敏不育系，由两对隐性基因控制［38］。

4.2 细胞质遗传的突变

由细胞质内的基因决定的遗传现象与规律叫做细胞质遗传，也称为非染色体遗传、非孟德尔遗传、母体遗传等。细胞质遗传的特点为遗传方式是非孟德尔式的，杂交后代一般不按固定的比例分离。细胞质基因突变引起的叶色突变较少，最早见于 Palmer［39］等人的研究。在小麦中，苏小静等［40］发现的小麦返白系阶段性返白特性是受细胞质基因控制的。在水稻中，刘友杰［41］对激光诱发的褪绿突变体实验研究证实了其叶色突变体由细胞质基因突变引起。

4.3 核质互作的突变

一般认为，核基因组与质体基因组之间存在联系，并且相互作用，这种相互作用也称为核质互作。一方面，核基因控制着质体的发育进程，如水稻核基因OsDVR发生突变后，叶绿体发育受到抑制，突变体表现黄绿叶，植株生长缓慢［29］。另一方面，叶绿体发育停滞或损伤会通过反馈信号途径调控核基因的表达，如叶绿体发育不良的转绿型白叶突变基因V2抑制了叶绿体分化早期质体遗传体系中质体转录本的翻译［42］。叶绿体是水稻重要的细胞器，核基因编码的10%～15%蛋白在叶绿体中表达，叶绿体内的基因由细胞核和叶绿体共同编码，因此它们之间的相互协调对于叶绿体行使正常功能是必需的。此外，在现有的研究报道中，尚未提出适宜合理的核质互作机理来阐述叶色突变体遗传与形态变异机制，有待进一步研究。

5 问题与展望

目前，水稻中已经克隆到许多叶绿素代谢途径及叶绿体发育缺陷相关的基因，但这些突变体材料对深入探究叶绿素合成与代谢途径的机理及叶绿体发育过程的机制还远远不够，特别是水稻两用核不育系叶色突变基因克隆报道不多，对两用核不育系叶片转色等光合特性的分子机理研究更少。在水稻遗传改良中，叶色和育性变异材料具有重要的应用价值，如携带叶色标记的不育系能给杂交稻制种过程中的亲本除杂带来便利，而具有光温敏特性的雄性不育材料能提高杂种优势的利用效率。因此，发掘和利用水稻两用核不育系叶色突变基因资源具有重要科学价值。

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(责任编辑：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 文献标志码：A 文章编号：1673－6737（2016）06－0004－05

湖南省教育厅科学研究项目（16B27）；湖南农业大学大学生创新性实验计划项目（XCX1549）。

2016-09-20

方希林（1995-），男。

*通讯作者：李恩宇（1990-），助教，主要从事水稻分子育种研究。