水稻黄绿叶突变体研究进展

李素贞 杨文竹 陈茹梅

（中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081）

植物叶绿素合成是一个非常复杂的过程。叶绿素的合成从谷氨酰-tRNA开始，共经过16个步骤，由20多个基因编码的16种酶完成［1］。该途径中任何一个基因发生突变都有可能影响叶绿素的合成，从而改变叶绿体中各种色素的含量与比例，引起叶片颜色的变化。水稻叶色突变体的类型非常丰富。目前，在水稻中已经发现白化、黄叶、淡绿、常绿、深绿、条纹和斑马纹等叶色突变体160多种，已开展研究的有134个基因。它们分布在相应的染色体上，其中124个基因有紧密连锁的分子标记，已有35个基因被克隆［2］。这些基因主要参与叶绿体的分化与发育、叶绿素的合成与分解等。在基础研究中，叶色突变体是研究植物光合作用和光形态建成［3-4］、激素生理以及抗病机制［5-6］等一系列生理代谢过程的理想材料；在育种工作中，叶色可作为标记性状，用于良种繁育和杂交育种［7-8］；某些叶色突变体具有特殊的优良性状，可作为良好的种质资源［9］。此外，利用此种突变体可分析鉴定基因功能［10］，了解基因间互作等［11］；用叶色突变体还可培育观赏植物［12］。本文综述了水稻黄绿叶（Yellow green leaf，YGL）突变体的研究现状，旨为进一步探讨YGL基因的功能及其应用潜力奠定基础。

1 水稻黄绿叶突变体

ygl1突变体是以水稻栽培品种镇恢24为背景的材料，该突变体与野生型相比在幼叶中叶绿素含量降低，但是叶片中四吡咯中间体含量增加，从而延迟了叶绿体的发育。遗传学分析表明，ygl1的表型是由隐性核基因控制的。YGL1基因定位在第5染色体上，序列分析显示在水稻基因组中YGL1基因有一个拷贝，其编码叶绿素合成酶，催化叶绿素酸酯植醇化，生成叶绿素a。YGL1基因的突变导致叶绿体类囊体膜和基粒片层垛叠数减少，且基粒排列不规则。在产量方面，虽然ygl1突变体植株生长量和单穗重均低于野生型，但由于其成穗率升高，所以YGL1基因的突变对产量无影响。然而，编码叶绿素a/b结合蛋白的cab1R基因mRNA的表达量在ygl1突变体幼苗中被严重的抑制。并且，与叶绿素合成及叶绿体发育相关的核基因表达量严重受到影响。这些结果表明，编码各种叶绿体蛋白的核基因受到叶绿素或者叶绿素前体水平的反馈调节［13］。

陈红等［14］在Co60辐射的群体中分离到ygl2的突变体，正常生长条件下，ygl2突变体表现为黄绿叶，并且叶绿素和四吡咯中间体含量降低。然而，叶绿素a与叶绿素b的比率增加，最终导致叶绿体发育不发达。YGL2基因定位于第6染色体，序列分析显示YGL2编码水稻的血红素加氧酶，并且用转基因互补及RNA干扰实验证实了该功能。YGL2在水稻各组织中均有表达，而在叶片中高表达并且受温度调节。在YGL2/HO1（Heme oxygenase 1）基因的第一个外显子处有一个7 kb的插入，导致YGL2在ygl2突变体中的表达量显著降低。此外，与叶绿素光合作用相关基因的表达水平在ygl2突变体中也发生了变化。这些结果表明，YGL2在叶绿素合成过程中有重要的作用［14］。

ygl3是以水稻恢复系缙恢10号为背景的黄绿叶突变体，其叶片在整个生育期均表现为黄绿色，且叶鞘也表现为黄色。ygl3突变体能正常结实，但有效穗和主穗重与野生型相比分别降低43%和30%。突变体苗期的叶绿体基粒类囊呈现空的片层状，且排列不规则。ygl3突变体的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较野生型均降低，且突变体的超氧物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）酶活性也显著升高。杂交实验证明该黄叶性状由一对隐性核基因控制。YGL3定位于第3染色体长臂末端，镁离子螯合酶D亚基（Magnesium-chelatase subunit ChlD）与该突变性状高度相关，但有待进一步研究［15］。

刘梦梦等［16］通过甲基磺酸乙酯（Ethyl methanesulfonate，EMS）诱变获得了ygl4的黄绿叶突变体，其叶片在整个生育过程中均表现为黄绿色，叶绿素总含量较野生型降低，仅为对照的38.2%-50.5%。ygl4突变体的主穗长、主穗实粒数、一次枝梗数、结实率、千粒重与野生型相比无显著性差异，而有效穗和株高均显著下降。遗传分析表明该性状受1对隐性核基因控制。微卫星标记证明YGL4定位于第10染色体上，进一步研究将该基因定位于RM1162和RM7093之间，分别距其1.8 cM和4.0 cM。该研究为YGL4基因的图位克隆和分子标记辅助选择育种奠定了基础。

ygl6是以缙恢为背景通过EMS诱变产生的黄绿叶突变体，其幼苗期叶片表现为黄绿色，而在拔节期叶片为淡绿色。ygl6突变体中叶绿素a、叶绿素b，以及类胡萝卜素的含量在苗期和抽穗期均比野生型低，突变体叶肉细胞的超微结构与野生型无明显差异。而突变体叶绿体的类囊体发育不发达，并且基粒叠加也减少。遗传学分析表明ygl6突变体是受隐性单基因控制的。YGL6位于第12染色体的着丝粒处。RNA干扰YGL6基因的表达实验证明Os12g23180是候选基因［17］，以上关于YGL6基因的研究结果对于我们理解叶绿体的发育机制有重要作用。

ygl7是一个自然的叶片黄绿色突变体，其叶片在水稻的整个生育周期均表现为黄绿色，而不会影响水稻的农艺性状和产量性状。YGL7编码镁螯合酶的ChlD亚基，位于第3染色体长臂上。YGL7突变后叶片颜色由绿变黄，而RNAi介导的YGL7的沉默会导致转基因植物致死。这表明YGL7在水稻生长发育过程中有重要作用。而ygl7突变体的光合色素较野生型降低，但其光合效率略有升高，表明YGL7的突变没有导致其功能的丧失，反而具有另一种新的功能。说明YGL7蛋白既有螯合酶D亚基的功能，也可能具有上调与光合作用相关基因表达的功能，从而提高水稻的光合效率。Chl1、YGL98、YGL3与OsChlD是等位基因，等位基因突变体与ygl7的杂交实验表明它们杂交后代也表现黄绿叶片。ygl7近等基因系的叶色为黄色而非黄绿色，ygl7回交后代的叶色也为黄色。以上结果表明ygl7突变体是一个理想的叶色标记，ygl7组合的杂交后代叶色呈更明显的黄色，可作为培育优良不育系的叶色标记，更方便快捷地服务于杂交制种提纯工作［18-19］。

ygl8是通过EMS诱变得到的突变体，该突变体整个生育期植株的叶绿素a、b及总叶绿素含量均低于野生型，然而叶绿素a与b的比例没有明显变化。ygl8突变体的叶绿体片层膨胀，并且杂乱无章。叶片的气孔导度、胞间二氧化碳浓度、光合速率、蒸腾速率均低于野生型。说明YGL8基因的突变对于叶绿体的发育以及叶片执行的功能有重要的影响。YGL8主要在叶片中表达，定位于第1染色体上。YGL8编码叶绿体定位的尿苷酸激酶，在水稻的叶色调解中起重要作用。互补实验能够恢复ygl8突变体的表型，并且RNA干扰YGL8植株表现为黄绿叶片。光合体系质体基因组编码的PsaA、PsaB、PsbC和核基因组编码的HEMC、HEME、PORA的表达量在ygl8突变体中均降低［20］。因此，YGL8可能通过调解质体基因组编码的类囊体膜组成基因的表达影响叶绿体基质片层，间接影响叶绿素的生物合成。

用EMS处理的缙恢10号诱变群体中发现ygl9黄绿色叶片突变体，其抽穗期叶片渐变为淡绿色。ygl9突变体苗期、分蘖期和抽穗期光合色素与野生型相比均显著降低，而在抽穗期气孔长度、气孔导度和蒸腾速率比野生型显著增加，净光合速率无明显变化。透射电镜观察发现ygl9突变体的叶绿体结构基本完整，而嗜锇小体增多、基粒模糊、基质片层减少且疏松。遗传分析表明该突变性状受1对隐性核基因控制。YGL9定位在第3染色体短臂上。推测可能编码叶绿体信号识别颗粒cpSRP43。YGL9蛋白定位至叶绿体，主要在叶鞘及叶片中表达，并且该基因的表达与色素的代谢相关。此外，叶绿体的发育及植株的光合作用在突变体中均受到影响［21-22］。以上结果表明，YGL9可能参与水稻色素的代谢、叶绿体的发育及光合作用。

ygl10是以籼稻93-11为背景的黄绿叶突变体，其株高、穗长、结实率与野生型相比均有下降。突变体中叶绿素a、b及类胡萝卜素含量也比野生型低，其中叶绿素b的含量下降比较显著，仅为野生型的2%。叶绿体超微结构表明，ygl10突变体中类囊体和基粒片层数量比野生型显著减少。遗传分析表明，该突变性状由1对隐性核基因控制。分子标记将YGL10定位在水稻第10染色体。序列分析发现该基因编码叶绿素a氧化酶（Chlorophyll a oxygenase），基因（OsCAO1）的第9个外显子处存在5个碱基的缺失。因此，OsCAO1为可能的候选基因［23］。

突变体ygl13的叶片在整个生育期均表现为黄绿色，其苗期和孕穗期叶绿素a、b和类胡萝卜素含量较野生型均显著降低。透射电镜结果显示，突变体ygl13叶绿体结构异常，类囊体片层减少，基质片层减少退化，分布不规则。突变体ygl13与野生型相比穗总粒数增加，但结实率和株高均降低。而有效穗、穗长、穗实粒数和千粒重与野生型无显著差异。F2群体分离比表明，ygl13的黄绿叶性状由一对隐性核基因控制。YGL13定位于第8染色体短臂上。测序分析发现，ygl13突变体在OsSIG1（LO_OsOSg06630）编码区发生突变导致蛋白翻译提前终止。qRT-PCR结果表明，ygl13突变体中部分光合色素代谢途径及光系统相关基因的表达发生紊乱［24］。

ygl63是以粳稻日本晴为背景的突变体，其整个生育期叶片均表现为黄绿色。ygl63突变体中叶绿素a、b和总叶绿素含量与野生型相比均下降，而叶绿素a/b值较野生型增加。结果表明叶绿素含量的降低是导致叶色变化的主要原因，并且叶绿素b比叶绿素a降低的幅度大。对农艺性状调查发现，ygl63单株有效穗数和结实率较野生型均下降，而千粒重增加10.4%。株高，穗长和每穗着粒数与野生型无显著差异。微量元素测定发现，ygl63种子中的铁和锌含量较野生型也降低。遗传分析发现，ygl63突变性状受1对隐性基因控制，YGL63基因定位到第11条染色体的长臂［25］。以上结果为后续研究YGL63基因的功能奠定基础。

通过化学诱变水稻品系10079获得ygl80突变体，其叶色为黄绿色，植株与野生型相比单株分孽减少，株高略微矮化。突变体从幼苗至抽穗结实收获都呈现黄化表型。在苗期和孕穗期ygl80突变体中光合色素含量较野生型下降。遗传分析结果表明该黄绿叶性状由1对隐性核基因控制。定位分析结果表明该黄绿叶突变基因位于水稻第5染色体长臂上，为克隆该基因奠定了基础［26］。基因组序列分析发现，ygl80突变体在编码叶绿素合酶的YGL1（LOC_Os05g28200）基因编码区发生突变，该基因是水稻ygl1黄绿叶突变基因的等位基因。但表型与ygl1有所区别，可能是突变位点不同造成的［27］。

ygl82突变体也是通过化学诱变水稻品系10079得到的，该突变体整个生长周期均表现为黄绿色，但能结实。ygl82突变体的生育期与野生型相比有所延迟，生长势较弱，除剑叶宽增加外，株高、单株有效穗、穗长、每穗着粒数、剑叶长、结实率、千粒重均减少。突变体拔节期叶片中总叶绿素含量、叶绿素a、b及类胡萝卜素的含量均低于野生型，而叶绿素a/叶绿素b比值增加。说明该突变体的光合色素的合成受到抑制。透射电镜观察分析表明，ygl82突变体的类囊体片层比野生型减少，线粒体结构异常，嵴变少甚至消失。说明该突变体的叶绿体和线粒体的发育均受到抑制。遗传分析表明ygl82的突变性状由1对隐性核基因控制。ygl82突变体的基因定位在第6染色体短臂上的InDel标记ST-1和ST-2之间116 kb的区域内，与两标记的遗传距离分别为0.44 cM和0.55 cM［28］。以上结果为克隆目的基因及探明该黄绿叶突变体的分子机制奠定了基础。

ys83苗期表现出黄绿叶，至分蘖期表现出亮绿色。叶片中光和色素含量降低，并且叶绿体发育迟缓。突变表型受核隐性基因控制，定位至第2染色体短臂上。图位克隆和测序分析发现YS83编码的基因为含165个氨基酸的LOC_Os02g05890。YS83在各种组织中均有表达，其编码蛋白存在于叶绿体中。突变体有效穗数、穗粒数稍有降低。结实率和千粒重没有受到影响［29］，因此突变基因ys83可以作为标记性状用于杂交水稻生产。

突变体ygl98也是来自10079品系，该突变体整个生育期叶片均表现为黄绿色。突变体中的叶绿素和类胡萝卜素含量较野生型均下降，株高、有效穗数和结实率均降低。透射电镜观察显示，ygl98突变体中叶绿体形状不规则，且其中有许多空的囊泡状结构，类囊体数目减少。遗传分析表明，ygl98的突变性状由1对隐性核基因控制。突变基因定位在第3染色体长臂上。序列分析发现，ygl98突变体中编码镁离子螯合酶ChlD亚基的OsChlD基因发生突变［30］。说明OsChlD为候选基因。

突变体yg1209是从国91与镇稻88的BC4F3后代中分离得到的黄绿叶突变体，该突变体在苗期、分蘖期及抽穗期叶片中叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量与野生型相比均降低，其中叶绿素b的含量降幅最大。株高、抽穗期、有效穗数、主茎穗总粒数、结实率和千粒重与野生型相比无显著差异。遗传分析表明，yg1209的黄绿叶性状由1对隐性核基因控制。yg1209的叶色突变基因定位于第1染色体着丝粒附近。由测序结果推测LOC_Os0lg31110即为yg1209的候选基因［31］。

ygl4（t）是利用EMS诱变籼稻恢复系缙恢10号得到的突变体，该突变体全生育期表现为黄绿叶，植株的剑叶长、有效穗与每穗粒数与野生型相比无明显差异，而株高、千粒质量、结实率等均显著低于野生型。叶绿素a质量分数、净光合速率、蒸腾速率与野生型无显著差异，而叶绿素b与总叶绿素的质量分数、Chla/Chlb、气孔导度与胞间CO2浓度均显著低于野生型。此外，突变体的叶绿体基粒片层减少，排列不规则，导致叶绿体的发育受到抑制。遗传分析表明，该性状受1对隐性核基因控制，YGL4（t）定位于水稻第10染色体。序列分析表明，ygl98突变体中编码叶绿素a氧化酶的OsCAO1基因发生了突变，推测OsCAO1即为YGL4（t）的候选基因［32］。以上结果为研究YGL4（t）基因的功能奠定了基础。

ygl11（t）是一个黄绿叶自然突变体，其整个生育期叶片都表现为黄绿色。苗期、分蘖盛期、齐穗期突变体叶绿素a、b及类胡萝卜素的含量均低于野生型。该突变体在分蘖盛期的净光合速率显著高

于野生型，而花后10 d，其净光合速率与野生型相比稍微降低。叶绿体的超微结构观察显示，突变体叶绿体的类囊体基粒片层数目减少且不规则。遗传分析表明，ygl11（t）叶色性状受1对隐性核基因控制。分子标记将YGL11（t）定位于水稻第10染色体的长臂上。序列分析发现ygl11（t）突变体中编码叶绿素a氧化酶的OsCAO1基因发生突变，初步分析OsCAO1可能为突变体中的候选基因［33］。以上结果对进一步研究该基因的功能有重要作用。

表1 水稻黄绿色突变体基因的定位及表型

ygl138（t）是以水稻日本晴为背景的突变体，其在整个生育期叶片均表现为黄绿色，叶绿素含量降低，叶绿体发育受阻。该突变表型受核基因控制。YGL138（t）定位于第11染色体上。突变体中Os11g05552基因发生突变，其编码叶绿体信号识别颗粒cpSRP54参与叶绿体的发育，并且用转基因互补实验也验证了该基因的功能，所以Os11g05552基因为候选基因［34］。以上结果对进一步研究YGL138（t）基因的功能以及SRP54蛋白参与叶绿体发育的机制具有重要作用。

2 水稻黄绿叶突变体基因的定位及突变表型总结

根据以上对水稻黄绿叶突变体的研究现状，对19个突变体中基因的定位以及基因突变后对植株叶片光合色素含量、叶绿体发育以及对植株农艺性状的影响进行了总结（表1）。其中从染色体分布上除4、7、9号染色体外，在其它染色体上均有YGL基因突变导致的叶色变化。在19个突变体材料中由于不同基因发生突变导致叶色的变化，其中有2个是由于叶绿素合成酶发生突变、3个由于镁离子螯合酶的D亚基（OsChlD）发生突变、1个是由于RNA聚合酶的σ因子OsSIG的等位基因发生突变、1个是由于血红素加氧酶（HO1）发生突变、1个是由于尿苷酸激酶发生突变、2个是由于叶绿体信号识别颗粒（cpSRP43和cpSRP45）发生突变、3个是由于叶绿素a氧化酶（OsCAO1）发生突变导致叶色的变化。并且这19个突变体材料可以分为3大类，Ⅰ 类 包 括YGL1、YGL7、YGL13、YGL83、YGL209这5个基因发生突变对水稻产量未造成影响；Ⅱ类包 括YGL2、YGL3、YGL6、YGL8、YGL9、YGL10、YGL82、YGL98、YGL4（t）、YGL11（t）、YGL138（t）这11个基因发生突变影响叶绿体的发育；Ⅲ类包括YGL4、YGL63、YGL80这3个基因发生突变影响叶绿素的含量。

3 结语

叶绿素生物合成基因的突变会影响叶绿素合成，从而影响植物体内光合色素的含量及比例产生叶色突变体。目前，叶色突变体已广泛应用于基础研究和生产实践。通过以上对水稻黄绿叶突变体研究的总结可知，YGL1、YGL7、YGL13、YS83、YGL209基因突变导致水稻叶片呈现黄绿色，而对水稻的产量没有影响。因此，上述5个基因的突变体可作为可视化叶色标记，应用于良种繁育和杂交育种，还可以作为优良种质资源。YGL6、YGL138（t）等11个基因的突变影响水稻叶绿体的发育，对于理解叶绿体的发育机制有重要作用。YGL4、YGL63、YGL80基因突变影响叶绿素含量，为研究叶绿素合成过程中的基因功能奠定基础。同时，上述黄绿叶突变材料对研究水稻叶绿素生物合成途径和光合作用机制有重要作用。此外，通过对水稻黄绿叶突变体基因功能的研究，可筛选出高光合效率的基因提高作物产量。总之，随着植物生理学以及生物信息学、分子生物学、功能基因组学研究的不断深入，叶色突变体的分子机理研究将会取得更大的进展，各种叶色突变体将会进一步有效的应用到农业生产中。