为揭示赤皮青冈叶色黄化变异机制,该研究以赤皮青冈叶色变异植株和正常植株的叶片为试验材料,采用超高效液相色谱串联质谱法和高通量RNA测序技术分别进行代谢组和转录组分析.结果表明:(1)代谢组在正离子(POS)、负离子(NEG)模式下分别检测出正常植株和突变体之间存在 257 个和 357 个显著差异代谢物(SCMs),其中槲皮素、白矢车菊素、杨梅素等多种黄酮类化合物及其糖苷衍生物(吡喃酮啡肽A、异鼠李素 3-葡糖苷酸等)在突变体中显著上调,而叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素等色素含量则显著下降.(2)转录组测序检测出 4 146 个差异表达基因(DEGs),其中 1 711 个基因上调表达,2 435 个基因下调表达.(3)KEGG富集分析表明,SCMs和DEGs显著富集到光合作用、卟啉与叶绿素代谢、类黄酮生物合成等途径.综上表明,突变体叶色黄化可能是受到叶绿素合成受阻、叶绿体发育异常及黄酮物质合成增加等因素的综合影响.此外,MYB和bHLH家族基因在突变体中显著上调,证实该两类转录因子参与调控类黄酮生物合成.该研究结果为植物黄化突变的分子机制研究提供了新的见解,也为叶色功能基因挖掘与园林植物育种工作提供了参考.

为阐明珍珠芦荟叶色突变的变异机制,以珍珠芦荟(Aristaloe aristata)叶色失绿突变体'MT-1'及其叶色正常种质'WT-18'为试材,对其表型特征、叶片超微结构、光合色素含量、叶绿素荧光参数、差异代谢产物等方面进行了对比研究.结果表明,与'WT-18'相比,突变体'MT-1'从幼叶开始呈现出黄化条斑现象,且株型变小、生长缓慢;气孔数量少且小,形状由长方形变成正方形;叶绿体数量及内部片层数量变少、体积也明显变小;光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)含量和叶绿素荧光动力参数(Fo、Fm、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP、qN和ETR)均显著降低.'MT-1'和'WT-18'的代谢产物差异明显,KEGG代谢通路分析表明,大多数差异代谢物富集到氨基酸代谢、糖代谢、脂类代谢、核酸代谢、次级代谢产物生物合成等途径.因此,叶绿体相关基因的改变可能是发生叶色失绿突变的重要原因.

[目的]维生素B1(vitamin B1,VB1)是生物所必需的微量元素,其作为多个酶的辅因子,参与重要的细胞代谢途径,而水稻中维生素B1 合成途径还有待深入研究.本研究旨在解析水稻维生素B1 合成相关基因OsTHIC的生物学功能.[方法]综合运用诱变技术、色素测定、Mutmap+、基因编辑及非靶向代谢组分析等手段克隆目的基因并解析其功能.[结果]从EMS诱变的水稻突变体库中发现一个心叶白化致死突变体wll1(white leaf and lethal 1).wll1 从四叶期开始出现心叶白化表型,白化表型逐渐扩展到其他叶片并导致幼苗死亡.与野生型相比,wll1 的叶绿素含量与类胡萝卜素含量显著降低.利用Mutmap+及基因编辑技术,确定目的基因为维生素B1 合成相关基因OsTHIC.OsTHIC在叶片具有较高表达量,OsTHIC蛋白定位于叶绿体.wll1 及OsTHIC的敲除突变体中维生素B1 含量均显著低于野生型,外施维生素B1 可以恢复wll1 的突变表型.外施维生素B1 及OsTHIC突变均会影响维生素B1 合成相关基因的表达.非靶向代谢组测序分析表明,野生型与wll1差异代谢物在氨基酸的生物合成、辅因子的生物合成、ABC转运器及氨酰基-tRNA的生物合成等方面显著富集.[结论]OsTHIC通过调控维生素 B1 含量,参与氨基酸合成等代谢过程,在水稻生长发育过程中发挥重要作用.

叶色突变体是研究高等植物光合系统结构、叶绿素代谢、叶绿体发育、光合作用及激素生理等一系列生理代谢过程的理想材料,也是遗传和育种研究的重要材料.辐射作为植物叶色诱变的重要手段,培育出的叶色突变体具有理论研究和实际应用价值.本文介绍了不同辐射源诱导下植物叶色突变的类型,并对叶色突变的生理与分子机制研究进行了概述,最后探讨了辐射诱导叶色突变研究存在的问题并进行了展望,以期为提高植物辐射诱变育种效率和促进叶色突变体的利用提供参考.

以兰属春剑(Cymbidium tortisepalum Fukuy.var.longibracteatum)叶色突变体‘隆昌素’及其亲本为材料,采用石蜡切片、扫描电镜及透射电镜对叶片的组织结构、扫描结构和超微结构进行了观察.结果显示,春剑叶色突变体叶片的表皮厚度和叶肉细胞面积均大于亲本,但导管数量少于亲本;叶片上、下表皮纹饰与亲本具有明显差异;气孔密度和面积均小于亲本,且气孔闭合度较大,占总气孔数的56％;突变体的叶绿体呈高密度的囊泡状结构,内部严重解体,体积较小的嗜锇滴聚集分布,无基粒片层,无淀粉粒.本研究表明经组培诱变的春剑叶色突变体的叶片结构与亲本存在明显差异.

以G117为父本、RG13为母本,杂交获得F1群体.系谱法常规选择过程中,在F3株系内发现黄绿自然隐性突变株.该突变体的叶色在旺长期前呈现正常绿色,进入旺长期后,叶色逐渐发黄,叶脉呈乳白色,与正常烟株差别明显.遗传分析表明该突变体性状受1对隐性基因控制从来源于一个连续自交单株的分离群体中分别选取10份隐性纯合烟株和10份显性烟株,利用430K烟草高密度SNP芯片进行基因型分析,快速确定了与目标性状相关联的标记.进而利用该分离群体验证相关分子标记,将该基因定位在烟草第5号染色体M7和M18之间,并与M7标记共分离.相关研究为进一步克隆该基因奠定了基础,同时也为烟草其他重要性状的定位提供了一种有效、快速的方法.

本研究从贵州地方粳稻(Oryza sativa ssp.japonica)品种‘黎平杂边禾’甲基磺酸乙酯(EMS)突变体库中筛选获得一份能稳定遗传的矮秆小粒突变体,暂命名为dss1 (dwarf and small seed 1).与野生型相比,dss1表现为植株矮化、株型直立、叶色深绿、籽粒变小、第二节间严重缩短、穗长增加等典型油菜素内酯(BR)缺陷突变体的性状.显微观察结果表明dss1叶鞘表皮细胞的长度变短,可能是突变体第二叶鞘长度比野生型短的原因.对突变体的暗形态建成与BR敏感性研究表明,黑暗条件下突变体表现为去黄化表型,对外源BR敏感.遗传特性分析证明dss1突变体由一个隐性单基因位点控制.利用MutMap技术将dss1基因定位于3号染色体上,筛选获得一个候选基因,测序结果表明,dss1候选基因为BR合成途径关键酶基因OsDWARF,dss1是由于该基因第5个外显子上第335位的氨基酸由苏氨酸(ACT)突变为异亮氨酸(ATT)所引起的.定位得到的矮化小粒基因DSS1为一个新的OsDWARF等位基因.

植物叶色突变体是研究植物光合作用机制、叶绿素生物合成分解途径的理想材料.为了研究白桦T-DNA突变株(yl)叶色与叶绿素含量的关系及yl苗高生长特性,实验以yl突变株为材料,测定其叶绿素与叶色的时序变化规律,分析生长特性.实验结果显示,白桦在生长季的不同发育时期,yl突变株的叶色一直呈现深黄绿色,色度计测定发现其叶片黄色程度及亮度均高于对照株系,叶色参数b*值分布于CIELab系统色拼图的黄色区域;从早春到9月中旬,yl突变株的叶绿素SPAD值一直显著低于对照株系(P＜0.05),该值与a*值呈显著的负相关.yl突变株苗高显著低于对照株系,苗高年生长仅是对照株系均值的35.15％,其速生期内苗高日生长量均值(GD)也显著低于对照株系,是对照株系均值的58.50％,认为苗高生长量的降低是由于T-DNA插入突变影响了叶绿素生物合成的结果.

玉米叶色与叶绿体及结构相关,调控光合产量,因而对调控叶色基因的遗传研究或克隆将有助于玉米光合产量的遗传改良和植物光合作用理论机制的解析.本研究以玉米W22::Mu介导的综31为遗传背景的导入系群体为材料,获得了细胞核单隐性基因控制、叶绿体结构和数目异常、色素缺失和PSII显著降低的叶色突变体.使用覆盖B73基因组的SSR标记将突变位点定位于约2.95 Mb区间(bnlg1863～ umc2075).基于区段标记开发和1200单株分离群体将突变位点精细定位于约900 kb区间(B73 RefGen_V4;S1～S7区间),经区段内基因表达和功能分析获得了候选基因Zm00001d010000,该基因编码硫氧还蛋白,与突变体表型形成相关.该研究将为光合产量的遗传改良和植物光合作用理论机制解析提供重要的基因或标记资源.

叶绿素是植物光合作用的重要色素,叶绿素的合成决定植物的光合效率,并且直接影响作物的产量和品质.叶绿素的合成及分解代谢是一个非常复杂的过程,在此过程中有较多的基因参与,其中任何一个基因发生突变都有可能影响叶绿素的合成及分解,从而使叶片表现出各种叶色变化或者会影响植物的生长.叶色突变体研究是探明叶绿体发育过程中基因功能的有效途径.因此,发掘和鉴定叶色突变基因,开展与叶绿素相关基因的定位、克隆及功能研究均具有重要的理论意义和应用价值.综述了水稻黄绿叶突变体的研究进展,旨在为研究水稻叶绿素生物合成途径和光合作用机制提供理想的材料,同时还可作为标记性状在杂种优势中进行利用.