李秦 杜何為

摘? ?要? ?葉色突變體是研究玉米光合作用和光建成的寶貴材料，對于玉米葉色相關(guān)基因的克隆和功能分析，以及提高光合效率和玉米產(chǎn)量方面具有重要意義。簡介了elm1淡綠葉突變體、elm2黃綠葉突變體、ygl-1黃綠葉突變體、vyl黃葉突變體、nec-t黃化類病變突變體這五個典型的葉色突變體，以及玉米葉色突變體誘變方法;根據(jù)玉米葉色突變體的研究現(xiàn)狀及玉米突變體數(shù)據(jù)庫，對23個已知的玉米突變體基因名、基因ID、性狀描述及相關(guān)圖片進(jìn)行整理總結(jié)，并對其基因在染色體上的位置進(jìn)行了標(biāo)注。以圖片和表格的形式歸納了玉米葉色突變形成機理研究成果。最后，提出問題并做了展望。

關(guān)鍵詞? ?玉米;葉色突變體;基因突變

中圖分類號：S513;Q812? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.28.005

玉米光合作用的效率直接決定其產(chǎn)量的高低，而高效的光合作用依賴于玉米葉片中葉綠體的正常發(fā)育和光合色素的合成與代謝。葉色是葉綠體中各種色素的綜合體現(xiàn)，正常生長的玉米葉片中葉綠體發(fā)育完整，含量豐富，色素正常合成，通常表現(xiàn)為深綠色。近年來相繼發(fā)現(xiàn)多種玉米葉色突變材料，本文綜述該方面的研究進(jìn)展。

1 玉米葉色突變體

葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所，葉綠體發(fā)育和葉綠素的合成效率可顯著影響植物的光合作用[1]。葉色突變體往往與葉綠素合成途徑及葉綠體的分化和發(fā)育有關(guān)[2]。而葉色突變是玉米在種植過程突變頻率較高且容易鑒定的突變性狀，突變基因往往是直接或者是間接影響到葉綠素的合成、降解，導(dǎo)致葉綠素含量變化，所以葉色突變體也稱為葉綠素突變[3-4]。目前，在玉米數(shù)據(jù)庫中（http：//www.maizegdb.org）已經(jīng)報道或分離克隆了200多個與玉米葉色相關(guān)基因或QTL位點，其中有白葉突變基因18個、黃綠葉突變基因65個、斑葉突變基因26個、條紋葉突變基因58個，在黃綠葉突變體中致死型的突變有9個[5]。但是其中對絕大多數(shù)突變體中的突變位點都是定位在某條染色體或染色體上的某個局部區(qū)域，并沒有學(xué)者進(jìn)行深入的研究[6]。葉色突變體是研究玉米光合作用和光建成的寶貴材料[7]，對于玉米葉色相關(guān)基因的克隆和功能分析，以及提高光合效率和玉米產(chǎn)量方面具有重要意義。

1.1 elm1（elongated mesocotyl 1）淡綠葉突變體

elm1突變體是在玉米的紫外線誘變?nèi)后w中篩選得到的，該突變體的幼苗呈淡綠色，中胚軸伸長明顯。研究人員發(fā)現(xiàn)elm1突變體光敏色素積累的活性下降。在長日照的生長環(huán)境下，elm1葉色突變體比野生型植物開花更早，這表明玉米的光敏色素信號可調(diào)節(jié)玉米開花時間。盡管elm1突變體光敏色素的光感受器受損，但是elm1突變體可以在田間生長至成熟。而且玉米的elm1突變體成為植物色素介導(dǎo)開花時間的直接證據(jù)[8]。玉米elm1基因又被稱為ZmHY2（as defined by homology to AtHY2）基因，位于玉米的8號染色體，編碼34 kDa的297個氨基酸的蛋白，該蛋白是一種玉米植物色素活性所需的PFB（3E-phytochromobilin）合成酶[9]。序列對比發(fā)現(xiàn)，玉米elm1突變體在該基因的第3個內(nèi)含子的3′剪切點的G突變?yōu)锳，導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯的提前終止，從而產(chǎn)生了突變體對光的不敏感性[10]。

1.2 elm2（elongated mesocotyl 2）黃綠葉突變體

玉米elm2突變體是從玉米自交群體中分離的黃綠葉突變體，該突變體葉片呈黃綠色，在連續(xù)紅色或遠(yuǎn)紅色光照射條件下中胚軸更加細(xì)長。幼苗在第一次暴露在光下的同時，開始葉綠體基粒堆積和葉綠素生物合成，與此同時植物開始快速綠化[11]，這也被稱為光形態(tài)的發(fā)生[12]。功能性植物色素的生物合成有兩種途徑，一種是合成光敏色素用于脫輔基蛋白，另一種是合成的發(fā)色團(tuán)[13]，其包括血紅素加氧酶（Heme oxygenase，HO）。研究人員在elm2突變體中HO1同源基因的cDNA測序中發(fā)現(xiàn)31 bp的缺失。在elm2幼苗中，紅色和遠(yuǎn)紅光的去黃化反應(yīng)被破壞，中胚軸明顯伸長。在elm2突變體中，內(nèi)源血紅素加氧酶活性顯著下降。轉(zhuǎn)基因互補實驗進(jìn)一步證實了黃化玉米HO1基因的功能障礙。此外，觀察發(fā)現(xiàn)未貼壁的類囊體特異性地堆積在elm2突變體的幼苗期。分析發(fā)現(xiàn)，該突變體葉片黃化的原因是HO1基因存在31 bp的缺失導(dǎo)致內(nèi)源HO活性降低并破壞對紅光和遠(yuǎn)紅光的去黃化反應(yīng)。非貼壁類囊體的特定堆積表明HO1基因調(diào)節(jié)的葉綠素生物合成是通過協(xié)調(diào)血紅素水平與梯形堆積的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。ELM2編碼玉米中HO1的同源基因，elm2突變體中非貼壁類囊體的特異性堆積表明葉綠素生物合成受HO1調(diào)節(jié)，是通過血紅素水平的協(xié)調(diào)與梯形堆積實現(xiàn)的[14]。

1.3 ygl-1（yellow-green leaf-1）黃綠葉突變體

玉米黃綠葉突變體ygl-1是從玉米自交系Ye478和Yuanwu02雜交后自花授粉獲得的一種新的葉色突變體，突變體在所有生長階段呈現(xiàn)黃綠色葉表型。與野生型相比，突變體的葉綠素和類胡蘿卜素的含量顯著降低，葉綠體的發(fā)育嚴(yán)重受阻，光合作用的能力降低，遺傳分析顯示該突變表型受隱性核基因控制。通過基因圖譜的克隆，研究人員獲得了突變體ygl-1的基因。葉色黃化的原因是編碼cpSRP43蛋白的GRMZM2G007441基因在突變體ygl-1的編碼區(qū)發(fā)生單堿基的缺失，導(dǎo)致葉綠體前體合成異常。并且生理和微觀分析表明葉綠體發(fā)育受到顯著影響。在ygl-1突變體生長六周時，與葉綠體發(fā)育相關(guān)的一些基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著改變。研究結(jié)果直接證明了YGL1基因在玉米葉綠體發(fā)育中起著重要作用[15]。ygl-1突變體在水稻中也有發(fā)現(xiàn)，該突變體的葉片在生長發(fā)育過程中，葉綠素積累速度較野生型慢，隨著葉片的成熟，葉綠素含量逐漸增加到接近野生型的水平。由于ygl-1突變體對光系統(tǒng)Ⅰ高效率響應(yīng)，光系統(tǒng)Ⅱ與野生型無異，使其表現(xiàn)出更高的光合效率。導(dǎo)致該突變的原因是葉綠素合成酶基因YGL1的編碼區(qū)發(fā)生單堿基的突變使葉綠素合成酶催化活性下降，葉綠素積累速率減慢，呈現(xiàn)黃綠葉表型[16]。

光系統(tǒng)的兩個主要成分是捕光復(fù)合物（LHC）和光反應(yīng)中心復(fù)合物。葉綠素酸酯a經(jīng)CAO氧化形成葉綠素酸酯b是合成葉綠素b的主要途徑，葉綠素b的變化會影響LHCⅡ的含量[39-40]。植物缺乏葉綠素b會導(dǎo)致葉綠體類囊體的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基粒減少，基質(zhì)增多[41]。葉綠素b缺乏突變體對高溫及強光均有響應(yīng)，強光下突變體比野生型具有更強的適應(yīng)能力[42]，葉綠素b缺乏突變體對高溫較野生型更敏感，影響植物組織中H2O2的積累水平[43-44]。

4.2 葉綠體的遺傳發(fā)育

葉綠體普遍存在于綠色植物界，其發(fā)育受到核基因調(diào)控，同時葉綠體發(fā)育及功能狀態(tài)會形成質(zhì)體反向信號（Plastid retrograde signaling）傳達(dá)到細(xì)胞核，它們相互協(xié)調(diào)，相互制約，使得葉綠體得到充分發(fā)育[45]。玉米葉色突變體由于核基因發(fā)生突變，影響相關(guān)蛋白的表達(dá)，嚴(yán)重影響葉綠體的正常發(fā)育，導(dǎo)致其葉色發(fā)生變化。

光敏色素相互作用因子家族（PIFs）影響葉綠體的發(fā)育和葉綠素的合成，如elm1葉色突變體。Enamul等人發(fā)現(xiàn)PIF1可以負(fù)調(diào)控葉綠素的生物合成，而且PIF1能夠特異地與光敏色素A（phyA）和光敏色素B（phyB）的光活化異構(gòu)體相互作用，調(diào)節(jié)植物光形態(tài)建成階段葉綠素的合成速率[46]。光敏色素能夠在光下結(jié)合PIFs啟動自身磷酸化進(jìn)而調(diào)節(jié)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，如HEMA1、HEMB1、LHCA1[47-48]。PIF1則能夠與原葉綠素酸酯氧化還原酶（PORC）的啟動子相互作用，影響葉綠素的合成（見圖3）[45， 49]。

葉綠體類囊體的發(fā)育缺陷同樣地會導(dǎo)致玉米葉色的變化。不同植物的類囊體形態(tài)各異[50]，類囊體的發(fā)育受到核基因、轉(zhuǎn)運蛋白的控制，同時囊泡的聚集與增殖是形成基粒片層的關(guān)鍵[51]。該過程有許多酶及蛋白因子的催化和驅(qū)動，任何一個功能的缺失都會導(dǎo)致葉綠體發(fā)育不良，如elm2、ygl-1、csr1葉色突變體。

此外，葉綠體DNA是否表達(dá)還要受到葉綠體中DNA的拷貝數(shù)的影響。玉米編碼預(yù)測的細(xì)胞器DNA聚合酶基因white2發(fā)生不同區(qū)域的突變會引起質(zhì)體DNA拷貝數(shù)呈現(xiàn)梯度降低，導(dǎo)致玉米幼苗產(chǎn)生從白化到淺綠的梯度表型[6]。

5 問題與展望

雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多玉米葉色突變體材料，部分網(wǎng)站也對其做了相關(guān)性狀和基因的統(tǒng)計，但是大多數(shù)葉色性狀的相關(guān)基因還沒被找到。突變體材料葉色形成機理和途徑還未得到充分了解和深入研究。在玉米品種的改良過程中，其光合作用效率會直接影響產(chǎn)量，玉米葉色突變體材料對研究光合作用具有非常重要的科研價值和應(yīng)用價值，未來對玉米葉色突變基因的研究還有很大空間。加大對玉米葉色突變基因的研究投入，積極探索其作用機理和調(diào)控機制，對提高玉米光合效率具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）