園藝作物葉色黃化突變體研究進展

楊沖 姜鵬 魏新燕 軒淑欣

摘 要：葉色黃化是葉色突變的一種重要類型突變，是研究植物光合系統(tǒng)、葉綠體結構、葉綠素生物合成途徑等的重要材料，對育種工作有重要應用價值。該文綜述了園藝作物葉色黃化突變體的來源、突變發(fā)生的生理機制、遺傳機制、分子研究進展及其應用價值，旨在為園藝作物葉色黃化突變研究提供理論基礎。

關鍵詞：園藝作物；葉色黃化突變；研究進展

中圖分類號 S603 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）18-0023-04

Research Progress on Yellow Leaf Mutant in Horticultural Crops

Yang Chong1 et al.

（1Agricultural University of Hebei，National Engineering Research Center for Agriculture in Northern Mountainous Areas，Baoding 071000，China）

Abstract：Yellow leaf is an important type of leaf mutations and an important material for the study of plant photosynthetic system，the structure of chloroplasts，chlorophyll biosynthetic pathway，it also has important applications on breeding work. We review the research progress about source，physiological mechanism，genetic，molecular advances and application of yellow leaf mutant in horticultural crops，in order to provide theoretical basis for the research of yellow leaf mutant in horticultural crops.

Key words：Horticultural crops；Yellow leaf mutant；Research progress

植物葉色突變來源廣泛，主要來源于自發(fā)突變和人工誘導突變[1]。葉色突變大多在苗期表達，少部分植株在生長后期表現(xiàn)出葉色黃化現(xiàn)象[2]。Gustaffsson[3]將葉色突變體分為淺綠（virids）、白化（albina）、條紋（striata）、黃化（xanthan）、斑點（tigrina）五類；后來Awan[4]又將葉色突變體劃分為黃化、綠黃、白化和條紋等8種類型，其中，葉色黃化是一種重要突變類型。黃化突變體是由于葉片的葉綠素含量改變了，凈光合速率降低，植株的生產(chǎn)力降低，甚至死亡。過去葉色黃化突變總被認為無意義，但越來越多作物中發(fā)現(xiàn)了葉色黃化突變，其價值獲得了廣泛的重視，葉色黃化突變體不僅利用苗期黃化突變性狀快速鑒定品種純度[1]，還可以用于研究植物的葉綠素生物合成調控[5]、葉綠體超微結構及其發(fā)育趨勢[6-9]、光合生理和基因表達調控[5]等方面。目前，葉色黃化突變體的研究多見于大田作物，園藝作物相關報道較少，僅在甘藍型油菜[9-10]、芥菜型油菜[11]、甜瓜[12-13]、甘藍[14]、番茄[15-17]、辣椒[18]、黃瓜[19-22]、胡蘿卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、菊花[26]、蘭[27-28]、芹菜[29]、烤煙[30]、小白菜[31]等園藝作物中有報道。本文將近年來園藝作物葉色黃化突變體相關研究進行整理綜述。

1 園藝作物葉色黃化突變來源

園藝作物葉色黃化突變體主要來源于自發(fā)突變和人工誘導。其中自發(fā)突變的概率很低，突變基因很難獲得，但是這種自然突變不涉及轉基因等生物安全問題，可直接用于常規(guī)育種工作，甘藍型油菜[9]、芥菜型油菜[11]、甜瓜[13]、甘藍[14]、辣椒[18]、黃瓜[19]、胡蘿卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、菊花[26]、蘭[27]、小白菜[31]、番茄[32]等園藝作物中均已發(fā)現(xiàn)自發(fā)突變的葉色黃化突變體。利用組織培養(yǎng)方式、物理射線等、化學品亞硝酸等和太空誘變的人工誘導增大了獲得葉色黃化突變的幾率，可縮短獲得突變的時間。譚河林等[33]采用EMS誘變甘藍型油菜雙11，單株收獲誘變后第一代，第一代自交得到第二代，播種并篩選鑒定第二代，獲得葉片葉色穩(wěn)定突變的甘藍型油菜種質資源62份，其中葉色黃化突變株系較多，占得到的突變株系的34%。人工誘導獲得的園藝作物黃化突變還有油菜[34-36]和黃瓜[20-21，37]。目前在園藝作物中尚未發(fā)現(xiàn)基因沉默和插入突變獲得葉色黃化突變體的報道。

2 園藝作物葉色黃化突變的生理機制

2.1 色素組成與含量 高等植物葉片主要含葉綠素類、胡蘿卜素類和花色素苷化合物，葉片的顏色形成復雜，取決于色素化合物的種類、含量和分布的位置[38]，園藝作物葉色黃化突變體葉片中光合色素的組成沒有發(fā)生改變，是各種色素含量或比例發(fā)生了變化，葉綠素總含量明顯降低，大部分能夠完成整個生育期。苗晗等[39]對黃瓜黃綠葉突變體的研究表明黃化突變體在葉色素成分上與野生型無顯著差異，光合色素含量顯著低于野生型。大部分葉色黃化突變體的葉綠素a/b（Chl a/b）比值高于野生型[9，11，13]，還有些葉色黃化突變體的Chl a/b與野生型無顯著差異[14，39]。葉色黃化突變體的葉綠素缺乏造成光合能力下降，天線色素捕獲的光能量減少，從而導致凈光合速率（Pn）顯著下降[14，40]。

2.2 葉綠素合成中間物質 被子植物葉綠素合成途徑共有15步，15種酶[41]，中間任何一步反應變化都可能引起葉綠素含量變化，不同園藝作物葉色黃化突變體在不同反應中發(fā)生了變化，一旦葉綠素合成受阻，受阻位點之前的化合物含量顯著上升，位點之后的物質含量顯著下降。邵勤等[13]對甜瓜葉色黃化突變體9388-1的研究表明，突變體葉綠素的合成在膽色素原（PBG）轉化形成尿卟啉原Ⅲ（Urogen Ⅲ）過程之中受到阻礙；黃瓜葉色突變體9110Gt原葉綠素合成受阻造成了Chla、Chlb合成減少，光合色素含量降低，成分相對含量改變，導致葉色黃化[39]；王彩霞等[27]分析了10份文心蘭葉色黃化突變體的葉綠素生物合成，結果發(fā)現(xiàn)突變體Y1、Y2、Y3、Y5和Y6葉綠素合成在糞卟啉原Ⅲ（Coprogen Ⅲ）到原卟啉Ⅸ（Proto Ⅸ）位點受阻，突變體Y4在ProtoⅨ到鎂原卟啉Ⅸ（Mg-ProtoⅨ）這步反應受阻；呂明等[42]對芥菜型油菜黃化突變體進行研究，表明突變體的葉綠素合成受到阻礙的位點為在糞卟啉原Ⅲ（Coprogen Ⅲ）到原卟啉Ⅸ（Proto Ⅸ）之間。

2.3 葉綠體超微結構 類囊體存在于葉綠體基質中，膜上分布著光合色素，光合作用中光能到化學能的轉化在這里發(fā)生。園藝作物黃化突變體葉綠體的透射電鏡觀察說明，大多黃化突變體的葉綠體超微結構出現(xiàn)了不同程度的變異。甘藍葉色黃化突變體YL-1葉綠體透射電鏡觀察結果表明[14]，YL-1葉綠體的結構缺乏完整性，基粒數(shù)量少，基粒片層數(shù)少，基粒排列不整齊，部分細胞內(nèi)部結構模糊不清，沒有明顯的膜結構，發(fā)育后期，葉色恢復一些綠色之后，葉綠體的結構正常，但基粒數(shù)目和基粒片層仍然比野生型少，這與肖華貴等[9]對甘藍型油菜葉色黃化突變體葉綠體的研究結果一致。菊花葉色黃化突變體黃色葉片中類囊體膜的功效缺失，光系統(tǒng)Ⅱ和I不能完全發(fā)揮功效，導致光合能力降低[26]。

3 園藝作物葉色黃化突變的遺傳機制

目前發(fā)現(xiàn)的園藝作物葉色黃化突變多數(shù)是由細胞核隱性基因控制，在甘藍型油菜[9]、甘藍[14]、番茄[16]、辣椒[18]、黃瓜[19-21]、胡蘿卜[23]、花椰菜[24]、西瓜[25]、芹菜[29]等中均有報道。也有部分園藝作物的葉色黃化突變體是受兩對不同隱性細胞核基因所調控，田穎等[43]報道的芥藍型油菜黃化突變體L638-y即為此類型。還有一些葉色黃化突變體是受不完全顯性基因控制的，在馬蹄紋天竺葵和金魚草中有報道[44]，葉色黃化突變體與野生型雜交獲得F1，F(xiàn)1自交后代表型分離，葉色顏色表現(xiàn)為黃色（白色）、黃綠色和綠色，分離比為1∶2∶1，但葉色黃化（白化）大多是致死型。Hosticka等[45]在番茄中還發(fā)現(xiàn)了不同的突變類型，這種葉色突變是受細胞質體變異導致的。

4 園藝作物葉色黃化的分子機制

葉片呈色機理復雜，涉及到很多基因，與葉綠素合成相關的基因變異都可能改變?nèi)~色，相比大田作物葉色黃化突變而言，園藝作物黃化突變分子機制方面報道較少，僅在部分園藝作物中有報道。

Nothnagel等[23]利用BSA分析法混合胡蘿卜葉色黃化突變體群體，提取DNA，然后用分子標記技術對胡蘿卜葉色黃化突變體進行定位，獲得了與目的基因連鎖的10個AFLP分子標記。郭明[31]利用SSR標記初步定位番茄自發(fā)葉色突變體06883，篩選得到了3個與目的基因緊密連鎖的SSR標記，LEaat006、LEtat002和Tom196-197，與目標基因的連鎖距離分別為8.9cm、16.3cm和18.7cm，確定了目標基因位于第11號染色體上。王全等[46]利用BSA方法和AFLP技術，對黃瓜自發(fā)葉色黃化突變體及其野生型進行基因組篩選，得到了一個與葉色基因緊密連鎖的AFLP標記。楊沖[47]應用InDel標記和BSA法，確定目標基因位于第1號染色體，利用409個葉色黃化的F2隱性純合單株，篩選獲得了與突變基因連鎖緊密的兩翼InDel標記。祝利霞[48]精細定位了甘藍型油菜突變體BnC.ygl，該材料是人工運用EMS誘導得到的，在發(fā)育初期為黃色，隨著不斷生長，葉片轉綠，成功克隆了突變基因BnaC.HOl。

5 園藝作物葉色黃化突變的應用價值

5.1 園藝作物葉色黃化突變在育種中的應用 目前報道的園藝作物葉色黃化突變大多能夠穩(wěn)定遺傳，大多是隱性性狀，葉色變化性狀十分明顯，肉眼即可識別，且大多數(shù)突變體在其生長發(fā)育早期就表現(xiàn)黃化性狀，因此葉色黃化可作為標記性狀應用于育種工作中。馬志虎等[49-50]將葉色黃化突變應用于辣椒雄性不育系，利用葉色突變可以準確、快速地鑒定種子純度。甘藍型油菜葉色黃化突變體[1，9]、芥藍型油菜葉色黃化突變體[11]和甘藍葉色黃化突變體[47]雖然植株矮小、光合速率明顯降低、葉綠體結構不正常、光合色素含量顯著降低、株高產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀顯著低于正常葉色植株，但這些黃化突變體分別與葉色正常植株組合正反雜交，產(chǎn)生的F1子代這些指標與正常植株無顯著差異，與對育種工作有重要的實際意義。

5.2 園藝作物葉色黃化突變在光合系統(tǒng)和光形態(tài)建成研究中的應用 葉色黃化突變體的光合系統(tǒng)在不同方面出現(xiàn)了問題，可用作研究園藝作物光合系統(tǒng)結構、功能與調控機制的試驗材料。葉色黃化突變體可用于植物光形態(tài)建成的研究，Terry和Kendrick[16]對番茄葉色突變體yg-2研究中，發(fā)現(xiàn)yg-2葉色變異是由于光敏色素生色團合酶基因的突變所導致，這種缺失造成了葉色突變體yg-2對光不敏感，可用于光感受和信號轉導的研究。

5.3 園藝作物葉色黃化突變在分子生物學上的應用 近年來園藝作物分子生物學方面研究越來越受到重視，葉色黃化突變體是研究葉綠體發(fā)育和葉綠素合成相關基因的重要材料，以葉色黃化突變?yōu)闃擞浶誀詈Y選突變體，分析鑒定突變體，對于突變基因未知的葉色黃化突變體，可以采用圖位克隆分離獲得突變基因，之后可用反向遺傳學研究基因的功能，了解核質間基因互作[2]。到目前為止，不少園藝作物已經(jīng)完成基因組測序，可以結合生物信息學分析鑒定突變體，可大大加速葉色黃化突變基因的研究進展。

綜上所述，園藝作物葉色黃化突變體研究多在遺傳規(guī)律、農(nóng)藝性狀及光合特性等方面，對葉色黃化突變體的突變機理，突變基因的研究還很欠缺。雖然園藝作物黃化突變體的研究報道出現(xiàn)很早，但至今為止，葉色黃化突變在園藝作物上并沒有得到充分利用。隨著植物生理學、功能基因組學的不斷發(fā)展，各種測序技術的不斷更新，生物信息學的深入研究，園藝作物葉色黃化突變體的研究及應用將取得新的進展和突破。

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