粳稻9522中脈白化突變體的生物學(xué)特性

摘 要：為揭示所獲葉色突變體的特征特性，對(duì)上海交通大學(xué)通過60Coγ-射線輻射誘變獲得的粳稻9522中脈白化突變體及野生型進(jìn)行生物學(xué)特性的比較觀察，以期為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。結(jié)果表明，突變體葉色表現(xiàn)為中脈白化。突變體與野生型的生育時(shí)期、主莖總?cè)~片數(shù)及葉齡動(dòng)態(tài)均無明顯差異。突變體形態(tài)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較明顯的負(fù)效應(yīng)的是倒4葉夾角>倒2葉夾角>有效穗數(shù)>株高，正效應(yīng)的是綠葉總面積>主莖綠葉數(shù)>倒4葉面積>劍葉面積。突變體產(chǎn)量性狀表現(xiàn)較明顯的負(fù)效應(yīng)的是空粒數(shù)>二次枝梗數(shù)≈單株產(chǎn)量>穗頸粗>總粒數(shù)>結(jié)實(shí)率，正效應(yīng)的是一次枝梗數(shù)。

關(guān)鍵詞：粳稻9522；野生型；中脈白化；突變體；生物學(xué)特性

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）15-13-04

The Biological Characteristics of White Midrib Mutant Derived from Japonica Rice 9522

Gong Jianming1 et al.

（1 Agricultural Bureau of Hengfeng County，Hengfeng 334300，China）

Abstract：Comparative observations of biological characteristics between japonica rice 9522（wild type）and white midrib mutant derived from japonica rice 9522 with 60Co γ-ray radiation induction by Shanghai Jiao Tong University were conducted in order to reveal their characteristics to provide theoretical basis and application gudiement for the future researches. The results showed that midrib color of mutant leaf was white. The differences of growth stage，total leaves in main stem and leaf age dynamics between mutant and wild type weren’t obvious. Comparing with wild type，the obviously negative effects of morphological and agronomic traits in mutant were the order of reciprocal 4th leaf angle>reciprocal 2th leaf angle>effective panicles>plant height，the greatly positive effects were the rank of total areas of green leaves>total leaves in main stem>reciprocal 4th leaf area>flag leaf area；the markedly negative effects of yield traits in mutant were the order of empty grains>the second branches of panicle≈yield per plant>the width of panicle neck>total grains>seed-setting rate，the positive effects was the first branches of panicle.

Key words：Japonica rice 9522；Wild-type；White midrib；Mutant；Biological characteristics

水稻（Oryza sativa L.）是一種重要的糧食作物，由于它具有較小的基因組（430Mb）并建立了比較完善的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及與其他禾本科植物較好的共線性，使其成為研究植物功能基因的一種重要的單子葉模式生物[1]。葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，屬于半自主型細(xì)胞器，在高等植物中，葉綠體由前質(zhì)體發(fā)育而來。葉綠體除了參與光合作用外，還參與了氨基酸、脂肪酸、植物生長(zhǎng)物質(zhì)、核苷酸、維生素等的生物合成[2]。葉綠體的正常發(fā)育需要葉綠體基因和相關(guān)核基因的相互協(xié)調(diào)，這些基因的突變都將可能導(dǎo)致葉綠體發(fā)育的缺陷，并由此導(dǎo)致植物葉片表現(xiàn)出白色斑點(diǎn)。李娜等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，白斑部位細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)體不能正常發(fā)育，表明這些突變基因可能參與了葉綠體的發(fā)育調(diào)控。目前，在擬南芥[4-6]、馬鈴薯[7]、金魚草[8]、煙草[9]、玉米[10]、水稻[11]等植物中都已發(fā)現(xiàn)了白斑或白化突變體的存在，并且部分控制該性狀的基因已被克隆，例如擬南芥中的IM，玉米中的IOJAP和水稻中的OsCHLH，OsPPR1[12-15]。因此，發(fā)掘植物葉綠體發(fā)育缺陷相關(guān)的突變體，并利用突變體對(duì)相關(guān)的正常調(diào)控基因進(jìn)行定位、克隆及功能研究，均具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)以前的研究可知，水稻葉色突變主要有wp1和wp2[16]、wp（t）[17]、virescent-l（v1）、virescent-2（v2）[18-19]和Oswm[3]等幾種，通過60Coγ-射線輻射誘變獲得的粳稻9522中脈白化突變體的表現(xiàn)型與它們存在較明顯的差異，為了更好地揭示所獲葉色突變體的特征特性，筆者對(duì)其進(jìn)行了生物學(xué)特性的觀察，以期為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料 粳稻9522（野生型）及其60Coγ-射線輻射誘變獲得的中脈白化突變體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2009年6～10月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理研究室進(jìn)行，土壤肥力中等偏上。6月20日播種，7月10日選擇葉齡和分蘗數(shù)等基本一致的秧苗移栽入塑料盆中，每盆4穴，每穴3株。株行距15cm×20cm，田間管理同栽培大田，注意防治病蟲草害。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法[20]

1.3.1 葉色變化 整個(gè)生育期觀察野生種和突變種的每一片葉及其穗的顏色變化。

1.3.2 葉齡動(dòng)態(tài)和生育時(shí)期 從播種至成熟的各個(gè)生育時(shí)期觀察野生種和突變種的葉齡動(dòng)態(tài)變化情況。

1.3.3 成熟期形態(tài)農(nóng)藝性狀 成熟期觀測(cè)株高、主莖葉數(shù)、劍葉面積、莖基角等形態(tài)農(nóng)藝性狀。

1.3.4 產(chǎn)量及其性狀 在水稻成熟期調(diào)查中間2行的中部10株，考察單株有效穗、每穗實(shí)粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、單穗質(zhì)量、單株產(chǎn)量等產(chǎn)量性狀。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析 對(duì)獲取的野生種和突變種的諸多指標(biāo)的原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算綠葉葉面積、結(jié)實(shí)率和理論產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中主要農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)的處理用國(guó)際通用的統(tǒng)計(jì)軟件SPSS13.0來完成[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉色變化 突變體種子萌發(fā)到幼苗3葉期之前，葉片中脈和側(cè)脈出現(xiàn)白化但不夠明顯；3葉期以后中脈的白化現(xiàn)象明顯，側(cè)脈的白化現(xiàn)象依舊不明顯；移栽后，秧苗處于分蘗期，中脈和側(cè)脈均沒有表現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)綠跡象；分蘗盛期，中脈的葉頂端部位有轉(zhuǎn)綠跡象，并有向葉基部發(fā)展的趨勢(shì)，側(cè)脈則表現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)綠跡象；幼穗發(fā)育期和開花結(jié)實(shí)期，中脈和側(cè)脈均沒有較明顯的轉(zhuǎn)綠跡象，中脈的基部及以上區(qū)域仍表現(xiàn)較明顯的白化現(xiàn)象。野生種的葉脈則在整個(gè)生長(zhǎng)生育期表現(xiàn)正常的綠色且生長(zhǎng)良好。與野生型植株相比，突變型植株的株高會(huì)矮一些，其突變表型主要為葉的近軸面的中脈和部分側(cè)脈表現(xiàn)為白色，相對(duì)應(yīng)的野生型則為綠色。而葉的遠(yuǎn)軸面以及其它部位的表型與野生型無明顯差異。

2.2 葉齡動(dòng)態(tài)和生育時(shí)期 通過觀察記錄粳稻9522中脈白化突變體和野生型從播種到成熟整個(gè)生育時(shí)期的葉齡動(dòng)態(tài)變化情況，結(jié)果表明，兩者的生育時(shí)期無明顯的差異，葉齡動(dòng)態(tài)也基本保持一致，無明顯差異（表1和圖1）。

表1 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的生育時(shí)期（月/日）

[材料＼移栽＼分蘗期＼孕穗期＼抽穗期＼成熟期＼野生型＼7/10＼7/13＼8/5＼8/20＼9/27＼突變體＼7/10＼7/15＼8/9＼8/23＼9/30＼]

圖1 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的葉齡

2.3 成熟期的形態(tài)農(nóng)藝性狀 成熟期觀測(cè)突變體和野生型的株高、主莖葉數(shù)、劍葉面積、莖基角等株型性狀。結(jié)果表明：突變體形態(tài)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較明顯的負(fù)效應(yīng)的是倒4葉夾角>倒2葉夾角>有效穗數(shù)>株高，正效應(yīng)的是綠葉總面積>主莖綠葉數(shù)>倒4葉面積>劍葉面積（表2和圖2）。

表2 粳稻9522中脈白化突變體和野生型成熟期的形態(tài)農(nóng)藝性狀

[ 項(xiàng)目＼株高

（cm）＼莖基粗

（cm）＼有效穗

（個(gè)）＼主莖

綠葉數(shù)＼劍葉長(zhǎng)

（cm）＼劍葉寬

（cm）＼劍葉夾角（°）＼劍葉面積（cm2）＼倒2葉長(zhǎng)（cm）＼倒2葉寬（cm）＼倒2葉夾角（°）＼野生型＼58.51±1.23＼1.73±0.13＼2.33±0.13＼3.47±0.14＼19.94±1.07＼1.58±0.04＼10.40±0.60＼22.92±1.60＼30.59±1.47＼1.45±0.02＼14.00±0.89＼突變體＼51.82±1.39＼1.80±0.10＼2.00±0.00＼3.87±0.14＼20.57±0.81＼1.69±0.03＼10.87±0.76＼25.17±1.35＼30.54±1.00＼1.53±0.04＼16.40±0.92＼]

[項(xiàng)目＼倒2葉面積（cm2）＼倒3葉長(zhǎng)（cm）＼倒3葉寬（cm）＼倒3葉夾角（°）＼倒3葉面積（cm2）＼倒4葉長(zhǎng)（cm）＼倒4葉寬（cm）＼倒4葉夾角（°）＼倒4葉面積（cm2）＼綠葉總面積（cm2）＼野生型＼31.79±1.51＼33.19±0.54＼1.35±0.02＼19.87±1.56＼32.33±0.90＼34.94±0.80＼1.27±0.03＼17.13±0.71＼28.44±0.02＼104.10±0.02＼突變體＼33.70±1.50＼34.47±0.66＼1.39±0.02＼20.47±0.83＼34.70±1.10＼34.48±1.01＼1.27±0.02＼21.75±0.90＼31.55±0.01＼118.81±0.01＼]

圖2 粳稻9522中脈白化突變體成熟期形態(tài)農(nóng)藝性狀

比野生型增加的百分?jǐn)?shù)

2.4 產(chǎn)量及其性狀 表3和圖3表明，突變體產(chǎn)量性狀表現(xiàn)較明顯的負(fù)效應(yīng)的是空粒數(shù)>二次枝梗數(shù)≈單株產(chǎn)量>穗頸粗>總粒數(shù)>結(jié)實(shí)率，正效應(yīng)的是一次枝梗數(shù)。由于產(chǎn)量是有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量構(gòu)成因素綜合作用的最終表現(xiàn)[22]，而突變種的諸多產(chǎn)量構(gòu)成因素均較野生種的差，因而理論單株產(chǎn)量上存在較大的差異。

表3 粳稻9522中脈白化突變體和野生型的產(chǎn)量及其性狀

[項(xiàng)目＼穗頸粗

（mm）＼穗長(zhǎng)

（cm）＼一次枝梗＼二次枝梗＼總枝梗數(shù)＼總粒數(shù)＼空粒數(shù)＼著粒密度＼結(jié)實(shí)率

（%）＼千粒重

（g）＼單株產(chǎn)量

（g）＼野生型＼1.12＼12.23±0.44＼7.83±0.40＼5.74±0.71＼13.60±1.00＼63.20±4.21＼3.86±0.62＼46.43±2.14＼92.62±1.35＼23.73±0.05＼3.49±0.20＼突變體＼1.10＼12.02±0.41＼8.30±0.42＼4.50±0.68＼12.80±.00＼58.60±4.12＼5.90±0.83＼47.39±2.10＼88.57±1.86＼24.10±0.14＼2.82±0.20＼]

圖3 粳稻9522中脈白化突變體產(chǎn)量及其性狀比野生型增加的百分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 植物葉色突變及其產(chǎn)生機(jī)理 基因突變是生物體遺傳物質(zhì)發(fā)生改變的一種形式，它常給生物體帶來明顯而有害的變化，但有些突變是對(duì)生物體有利的。針對(duì)一個(gè)發(fā)生了基因突變的個(gè)體，突變的效應(yīng)往往是弊大于利，但對(duì)整個(gè)生物界而言，有害性與有利性則是相對(duì)的，在一定條件下可以轉(zhuǎn)化[23]。突變體的中脈白化突變對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育是不利的，但近年來，人們一直沒有中斷過對(duì)白化轉(zhuǎn)綠突變體的研究，并取得了一定的成就。葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，其正常發(fā)育需要葉綠體基因和核基因相互協(xié)調(diào)，這些基因的突變將導(dǎo)致葉綠體發(fā)育的缺陷。多數(shù)研究認(rèn)為，這些突變基因可能參與了葉綠體發(fā)育的調(diào)控，并且該基因可能特異性地調(diào)控葉片近軸面中脈部分葉綠體的發(fā)育[3]。研究表明，葉色相關(guān)的突變基因大多參與了葉綠體的發(fā)育調(diào)控。例如，在水稻中，OsCHLH、Chlorina-1和Chlorina-9[24]分別編碼了鎂離子螯合酶的3個(gè)不同亞基，V1基因調(diào)控早期葉片發(fā)育關(guān)鍵質(zhì)體基因（起激活后續(xù)質(zhì)體基因表達(dá)的作用）的實(shí)時(shí)表達(dá)，V2基因調(diào)控葉綠體發(fā)育早期質(zhì)體基因的表達(dá)，它的突變導(dǎo)致質(zhì)體基因所編碼蛋白質(zhì)的翻譯受阻，Lee等[25]研究則發(fā)現(xiàn)OsCAO1和OsCAO2基因與葉綠體氧化酶基因具有高度的同源性。推測(cè)OsWM2基因的異常表達(dá)影響了葉綠體的正常發(fā)育，葉片葉綠素含量的減少則使得植株光合能力減弱，進(jìn)而引起整個(gè)植株農(nóng)藝性狀的改變。

3.2 粳稻9522中脈白化突變體的特征及應(yīng)用 葉色突變體是自然界常見的突變類型，以其性狀明顯、易于區(qū)分辨認(rèn)的特點(diǎn)，很早就被人們關(guān)注。水稻白化轉(zhuǎn)綠突變體是一類新的葉色突變體，其性狀大多受1對(duì)隱性核基因控制。突變基因往往直接或間接影響葉綠素的合成和降解，從而影響水稻光合作用，造成植株減產(chǎn)甚至死亡。因此，在生產(chǎn)應(yīng)用上可作為形態(tài)標(biāo)記性狀導(dǎo)入不育系，在兩系雜交稻育種中形成純度快速檢測(cè)和去雜保純新技術(shù)，同時(shí)，也是深入開展植物葉綠體的遺傳發(fā)育、葉綠素的合成和調(diào)控途徑、核質(zhì)間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及光合作用分子機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究的理想材料。本研究表明，粳稻9522中脈白化突變體可用于進(jìn)行葉綠體遺傳發(fā)育方面的進(jìn)一步研究，還可以作為形態(tài)標(biāo)記性狀導(dǎo)入不育系，同時(shí)還可以通過對(duì)其有效穗等產(chǎn)量因素的改良和提高，培育高產(chǎn)品種。

參考文獻(xiàn)

[1]Han Bin，Xue Yongbiao，Li Jiayang，et al. Rice functional genomicsresearch in China[J]. Phil Trans R Soc B，2007，362（1 482）： 1 009-1 021.

[2]Leister D. Chloroplast research in the genomicage[J]. Trends Genetics，2003，19（1）： 47-56.

[3]李娜，儲(chǔ)黃偉，文鐵橋，等. 水稻白色中脈Oswm突變體的遺傳分析與基因定位[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，23（1）： 1-4.

[4]Sundberg E，Slagter J G，F(xiàn)ridborg I，et al. ALBINO3，an Arabidopsis nuclear gene es-sential for chloroplast differentiation，encodes a chloro-plast protein that shows homology to proteins present inbacterial membranes and yeast mitochondria[J]. Plant Cell，1997，9（5）： 717-730.

[5]Estévez J M，Cantero A，Romero C，et al. Analysis of the expression of CLA1，a gene that encodes the 1-de-oxyxylulose 5-phosphate synthase of the 2-C-methyl-d-erythritol-4- phosphate pathway in Arabidopsis[J]. Plant Physiol，1997，124（1）： 95-104.

[6]Gutiérrez-Nava Mde L，Gillmor C S，Jiménez L F，et al. Chloroplast biogenesis genes actcell and noncell autonomously in early chloroplast development[J]. Plant Physiol，2004，135（1）： 471-482.

[7]Keddie J S，Carroll B，Jones J D，et al. The DCLgene of tomato is required for chloroplast developmentand palisade cell morphogenesis in leaves[J]. EMBO J，1996，15（16）： 4 208-4 217.

[8]Hudson A，Carpenter R，Doyle S，et al.A key gene required for chlorophyll biosynthesis in Antirrhinum majus[J]. EMBO J，1993，12（10）： 3 711-3 719.

[9]Wang Y C，Duby G，Purnelle B，et al. Tobacco VDLgene encodes a plastid DEAD box RNA helicase and isinvolved in chloroplast differentiation and plant morpho-genesis[J].Plant Cell，2000，12（11）： 2 129-2 142.

[10]Han C D，Patrie W，Polacco M，et al. Aberrations inplastid transcripts and deficiency of plastid DNA instriped and albino mutants in maize[J].Planta，1993，191（4）： 552-563.

[11]Kensuke K，Hisayo K，Hikaru S，et al. Characterization of a zebra mutant of rice with increased susceptibility tolight stress[J]. Plant Cell Physiol，2000，41（2）： 158-164.

[12]Carola P，Stevensonb D，Bisanza C，et al. Mutationsin the Arabidopsis gene IMMUTANS cause a variegatedphenotype by inactivating a chloroplast terminal oxidaseassociated with phytoene desaturation[J]. Plant Cell，1999，11（1）： 57-68.

[13]Gothandam K M，Kim E S，Cho H J，et al.OsPPR1，apentatricopeptide repeat protein of rice is essential for thechloroplast biogenesis[J]. Plant Mol Biol，2005，58（3）： 421-433.

[14]Han C D，Coe E H，Martienssen R A. Molecular cloning and characterization of iojap（ij），a pattern striping gene of maize[J]. EMBO J，1992，11（11）： 4 037-4 046.

[15]Jung K H，Hur J H，Ryu C H，et al. Characterization of a rice chloro-phyll-deficient mutant using the T-DNA gene-trap system[J]. Plant Cell Physiol，2003，44（5）： 463-472.

[16]Sanchez A C，Khush G S. Chromosomal location of some marker genes in rice using the primary trisomics[J]. J Hered，1994，85（4）： 297-300.

[17]李紅昌，錢前，王斌，等. 水稻白穗突變體基因的鑒（下轉(zhuǎn)61頁(yè)）定和染色體定位[J].科學(xué)通報(bào)，2003，48（3）： 268-270.

[18]Sugimoto H，Kusumi K，Tozawa Y，et al.The virescent-2 mutation inhibits translation of plastid transcripts for the plastid genetic system at an early stage of chloroplast differentiation[J]. Plant Cell Physiol，2004，45（8）： 985-996.

[19]Kensuke K，Akiko M，Mitsuo N，et al.A virescent geneV1 determines the expression timing of plastid genes for transcription/translation apparatus during early leaf development in rice[J]. Plant J，1997，12（6）： 1 241-1 250.

[20]湖南農(nóng)學(xué)院. 作物栽培學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京： 農(nóng)業(yè)出版社，1988.

[21]周仁郁. SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件[M]. 成都： 西南交通大學(xué)出版社，2005.

[22]蔣開鋒，鄭家奎，趙甘霖，等. 雜交水稻產(chǎn)量性狀穩(wěn)定性及其相關(guān)性研究[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2001，15（1）： 67-69.

[23]王海燕. 論基因突變的有害性與有利性[J].新疆教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（4）： 142-144.

[24]Zhang H T，Li J J，Yoo J H，et al.Rice Chlorina-1 and Chlorina-9 encode ChlD and ChlI subunits of Mg-chelatase，a key enzymefor chlorophyll synthesis and chloroplast development[J]. Plant Mol Biol，2006，62（3）： 325-337.

[25]Lee S，Kim J H，Yoo E S，et al.Differential regulation of chlorophyll a oxygenase genes in rice[J]. Plant Mol Biol，2005，57（6）： 805-818.

（責(zé)編：徐世紅）