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1、植物叶色突变体的研究进展植物叶色的表现受叶绿体中各种色素的综合影响,正常情况下,由于叶绿素在植物色素总量中占优势而表现为绿色.叶色突变体是植物中突变率较高且易于鉴定的突变性状,往往直接或间接影响叶绿素的合成与降解,导致植株的叶片颜色较正常的绿色发生变化.目前几乎所有的高等植物中都发现了叶色突变体.（陈艳丽）在本世纪三十年代就有关于叶绿素突变体的报道,但叶色变异通常伴随着植株矮小,并影响植株的光合作用造成减产,甚至在生长过程中出现死亡现象,因此叶色突变体常被认为是无意义的突变.直到1949年,Granick对失绿的小球藻突变体的研究并通过此突变解释了叶绿素合成过程1，人们才认识到叶色突变体对理论
2、研究具有重要的作用。并且最近几年，叶色突变体的研究越来越深入，也受到广泛的关注，已经被用于基础研究和生产实践，也取得了一定的成果。2叶色突变体的来源除自然突变可产生叶色突变体外，利用人工诱变，插入突变和基因沉默等均可得到叶色突变，其中人工诱变和插入突变的突变频率较高。自然突变就是在自然条件不经过人工处理情况下发生的突变，比如自然辐射，环境污染等。但是自然突变的频率极低，一般不超过1%（郭龙彪，2006），因此可供直接利用的突变很少。我国著名水稻良种矮脚南特就是在高杆品种南特号稻田里发现的自然突变，水稻的叶色突变体chl1和chl9（zhangetal.2006），棉花中的芽黄突变体（蒋博201
3、2），荠菜型油菜黄化突变体都是自发突变体。人工诱变人工诱变导致植物基因产生突变，是选育新品种、创造新种质的有效途径。根据产生诱变的来源，人工诱变分为物理、化学诱变及基因工程引起的突变，物理和化学诱变是主要的诱变方法。诱发植物发生突变的因素有诱变剂，物理诱变是通过各种射线（紫外线、X射线、丫射线、p射线、中子等）来处理植物某个器官（如种子、子房、愈伤组织等），诱发植物发生基因突变。种子是最常用的处理材料，其对环境适应能力很强，可以在极度干燥、低温、高温、真空等条件下进行处理，并且操作方便，便于运输和储藏。1934年日本首次利用X射线处理水稻种子，成功得到水稻早熟突变体（阳惠琴，1995）我国于1
4、987年开始航天搭载育种利用空间环境（微重力、高真空、微磁场等）进行诱变，通过地面选育得到有益变异创造出新种质、培育出新品种，已经成功在水稻种选出紫色、红色、茶色等叶色突变体（萨如拉，2009）。化学诱变是通过烷化剂、叠氮化钠、碱基类似物等对植物进行诱变，其中烷化剂是诱变效率最高和最常用的化学诱变剂。常用的烷化剂又包括甲基黄酸乙酯（EMS）、磺酸二乙酯、乙烯亚铵和亚硝基乙基脲。EMS诱变得到的突变体大多数为点突变，诱变机理：EMS带有1个或多个活性烷基，该基团能够转移到其他电子密度高的分子上去，使碱基许多位置上增加了烷基,可以改变氢键的能力,从而DNA在复制时导致碱基配对错误而引起突变。EMS
5、将鸟嘌呤的O6位置烷基化，在DNA复制过程中由于烷基化的鸟嘌呤与正常的胸腺嘧啶配对，使得碱基发生替换（赵用亮，1996）。EMS诱发的另外一个鸟嘌呤位点是N7位点，该位点是最易起反应的位点几乎可以与所有烷化剂起烷化作用，鸟嘌呤N7位点烷基化后，使核苷键发生水解导致断裂，鸟嘌呤从DNA链上脱落，造成DNA链碱基缺缺失，在复制的时候游离的碱基可能发生错配，以致发生碱基颠换即G：CA：T，G：CC：G，G：CT：A;另外烷基化的鸟嘌呤易离子化，使稳定的酮式变为不稳定的烯醇式，不与胞嘧啶配对而与胸腺嘧啶配对，从而发生G：CA：T转换。除此之外，EMS还可能使两个鸟嘌呤N7位点形成共价键，使得DNA双链
6、交联而造成变异甚至死亡。这些DNA结构上的变化都可能促使不表达的基因或区段被激活，而表现出被掩盖的性状。另外胸腺嘧啶O4位点也易发生烷基化，其次是鸟嘌呤N3,腺嘌呤N2，腺嘌呤N7和胞嘧啶N3位点，此四个位点发生烷基化后引起碱基置换突变只占烷化作用突变的10%。叶色突变体的分类由于叶色突变体通常在苗期出现叶色变异,因此,其分类常常根据苗期的叶色表型进行。目前分类方法较多，如Gustaftsson把叶色突变体分为五种类型：白化、黃化、浅绿、条纹、斑点。而Awan等将其分成八种类型：白化潢化,浅绿,白翠,绿白，黄绿，绿黄和条纹。二者的分类中，白化、黄化、浅绿类型相同,Awan将条纹和斑点两种类型按
7、表型的差异又分成了不同的类型16。walles将叶色突变体分成3类:1、单色突变,指叶片仅表现出浅绿、黄、白三种颜色中的一种;2、杂色突变,指叶片存在多种颜色,如白黄、白绿、斑等;3、阶段性失绿,指在植株发育的某个阶段,叶色发生突变,然后再恢复到正常颜色。然而,简单地以苗期表型为依据来进行分类具有一定的局限性。植物的表型性状与基因型并非一一对应的关系,一种表型性状可能受多个基因同时突变的共同影响,即使是同一个基因发生突变,损伤的程度不同基因功能也会表现出不同的表型性状。比如,au和yg2是番茄的黄叶突变体,其表现型非常相似,而研究表明an突变体的黄叶性状是由编码血红素加氧酶的基因发生突变引起的
8、，yg2突变体中编码光敏色素生成团合酶基因发生了突变17。另外,还有些叶色突变性状在苗期时无法识别,如常绿（staygreen突变体是常见的苗期后才表达的叶色变异18,此突变性状也存在于拟南芥、菊花等很多物种中,其最明显的特征是生育末期叶片保持绿色甚至出现完全不黄化现象。植物表型的表达不仅受基因的控制,也受环境因素的影响。因此,在对叶色突变体进行分类时,应根据不同的表型性状选择并结合多种分类方法对其进行科学的分类。叶色突变体的遗传研究叶色突变体的来源广泛,种类繁多,种类不同其遗传规律差别也较大。叶色变异性状可能受细胞核遗传,也可能受细胞质遗传;可能由单基因控制,也可能由多基因控制;可能是质量性
9、状,也可能是数量性状。为了确定叶色突变的遗传方式,在构建F1群体时必须进行正反杂交,并且需要进行测交试验。如果是细胞质遗传,正反杂交的子代叶色表型不同,总是和母本保持致且不发生性状分离;如果是细胞核遗传，正反交的子代叶色相同，在F2和BC1群体中发生叶色分离，并具有一定的性状分离比例,根据分离比便可知叶色变异是受单基因控制还是多对基因控制。甘蓝型油菜黄化突变体的基因定位3.1细胞核遗传对多种突变体的研究表明,叶色突变多是由单隐性核基因控制的13、19、20、21。胡远辉等对甘蓝型油菜叶色突变体Cr3529进行了研究，认为此突变性状受细胞核内1对隐性基因控制22。刘海衡等对芥菜型（召rassic
10、ajuneea五）油菜黄化突变体五“s少进行了研究，该黄化性状受2对隐性核基因控制23。何瑞锋等（2000）研究“斑马叶”叶色突变体,发现由于核基因改变其叶片间断失绿24。吴殿星等对水稻转绿型白化突变系W25进行研究,表明W25不育系的的叶色表型由单隐性核基因控制。253.2细胞质遗传细胞质遗传的叶色突变体与细胞核遗传的相比,数量比较少,且后代性状遗传以母性遗传方式进行。细胞质控制的叶色突变体最早在大豆中出现,刘友杰利用激光诱变处理早稻品种,获得了褪绿突变体,遗传分析表明该褪绿性状是由细胞质基因突变引起的26。此外,受细胞质遗传的叶色突变体仅在拟南芥27、小麦28（王保莉等，1996）、烟草1
11、5、29（Mondeetal,2000;Baraketal.,2001等植物中有报道。外部环境对叶色突变体的影响外部环境如温度、光照，水分等对叶色突变体都有影响，其中温度的影响最大。陈佳颖等（2010）利用60coY射线辐照处理粳稻品种嘉花1号的种子,得到了1个低温敏感叶色突变体InrZI,在较低温度（V25OC）条件下，该突变体幼苗叶色呈黄色；随着温度逐渐升高，叶色由黄色转化为绿色，出现转化现象的临界温度约为27，5Co30叶色突变体的分子机制叶绿素合成机制的稳定受突变基因直接或间接的影响，任何妨碍叶绿素素代谢稳定性的因素都会引起叶色变异，其分子机制非常复杂。叶绿素生物合成途径中的基因突变叶
12、绿素合成分为厌氧条件和有氧条件下的反应。的生物合成以谷氨酸与a一酮戊二酸为原料，然后合成厌氧条件下，高等植物叶绿素ALAo2分子ALA成1分子胆色素原，其具有毗咯环。4分子胆色素原经脱氨基缩合形成脱水缩合形成1分子尿琳原11，尿叶琳原111的4个乙酸侧链脱梭形成具有4个甲基的粪叶琳原mo在有氧条件下，粪叶琳原m再脱梭、脱氢、氧化形成原叶琳双，原叶琳IX是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭。如果与铁结合，就生成亚铁血红素；与镁结合,则形成Mg-原叶琳仄。Mg原叶琳IX的一个梭基被甲基酷化，在原叶琳IX上形成第五个环，接着B环上的一CH=CHZ侧链还原为一CHZ一CH3,即形成原叶绿酸酷。原叶绿酸酷经
13、光还原变为叶绿酸酷a,然后与叶醇结合形成叶绿素a,叶绿素b是由叶绿素a转化而成的。叶绿素合成的过程涉及多个酶的参与。DVR基因最先被鉴别后,参与高等植物叶绿素合成的所有基因逐一被鉴定,拟南芥中从谷氨酞一tRNA到叶绿素b的合成过程中，共有编码15种叶绿素合成酶的27个基因参与困31agatactaL,2005叶绿素合成过程中的任何一种酶的合成发生突变均可影响叶绿素的合成进程，进而改变叶绿体中各种色素的含量，引起植株叶色变异。血红素代谢途径中的基因突变叶绿素合成速率受细胞内血红素含量影响。当血红素的消耗大于合成时，血红素减少就会促进ALA的合成,ALA含量增加促使叶绿素的合成。当血红素的合成大于
14、消耗时，其浓度升高从而抑制ALA的形成,ALA含量减少便抑制叶绿素的合成。血红素经一系列的反应最终形成光敏色素生色团,若此途径任何反应受阻,细胞内血红素含量上升,血红素的积累反馈抑制叶绿素合成,突变体由于缺乏叶绿素使得叶色产生变异17o叶绿素合成过程中血红素反馈抑制是关键的调控步骤。最直接的证据是，在番茄aurea和yenow一green2突变体中，编码血红素氧化酶（hemeoxygenase和光敏色素生色团合酶的（PFBS”thase基因突变，使细胞内积累过量的血红素,其反馈抑制叶绿素前体氨基酮戊酸的合成,致使突变体表现为叶色黄化17o编码其他叶绿体蛋白的基因突变叶绿体的结构基础是蛋白质，约
15、占口卜绿体干重的30一40%o它亦是叶绿体功能的基础,几乎参与叶绿体全部的生命活动,如酶代谢过程中的催化剂、负责翻译的核糖体等，它们的主要成分均为蛋白质。电子传递链是由蛋白质与细胞色素、质体蓝素等相结合而构成的,对叶色起关键作用的光合色素同样需要与蛋白质结合形成复合体而存在,同时叶绿体内膜系统的主要成分也是蛋白质32,33（Kalmangara,1988;Yaronskaya,2003o）一些叶绿体蛋白的突变可导致叶绿体内部膜结构发育不完全,进而叶绿素及其他光合色素的合成及稳定性也受到影响,最终使叶绿体中各种色素的含量及比例发生改变34(June,1969)。叶绿体基因和细胞核基因共同编码叶绿
16、体中的蛋白质,其中大约80个叶绿体蛋白质由叶绿体基因组编码,而3000多个蛋白由核基因编码,在细胞质中合成后通过叶绿体外套上的异位子进入叶绿体中35、36(sat。，1999;Gray,2003K此外谷氨酞一tRNA还原酶催化叶绿素合成的第一步反应，而叶绿体核糖体的突变直接影响谷氨酞一tRNA还原酶的合成，减少叶绿素的含量33(Yaronskaya,2003)b叶绿体膜转运蛋白的突变可能阻碍叶绿体膜对蛋白及酶的识别、结合和转运,从而使叶绿素合成速率降低37。叶色突变体表型与叶绿素含量的关系叶色突变体的叶绿素含量发生变化，影响植株的光合作用，从而影响植株的多种生理活动。叶色突变体在植物生理研究中的应用已经很广泛，比如通过叶色突变体研究叶绿素生物合成、叶绿体分化与发育、光合作用和光形态建成等基础研究，尤其是对植物光合作用和光形态建成的研究中，叶色突变体是理想的材料。叶片是植株进行光合作用的场所，叶色突
