芝麻黃化突變體YL1的葉片解剖學(xué)及光合特性

劉紅艷 周 芳 李 俊 楊敏敏 周 婷 郝國(guó)存 趙應(yīng)忠

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芝麻黃化突變體YL1的葉片解剖學(xué)及光合特性

劉紅艷 周 芳 李 俊 楊敏敏 周 婷 郝國(guó)存 趙應(yīng)忠

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所 / 農(nóng)業(yè)部油料作物生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢430062

表型性狀標(biāo)記在作物遺傳育種中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在芝麻地方種質(zhì)“廟前芝麻”中發(fā)現(xiàn)了能夠穩(wěn)定遺傳的黃化突變體YL1, 對(duì)該突變體的葉片解剖特征、光合特性及農(nóng)藝性狀的比較分析表明, 突變體YL1黃化心葉和平展葉在各個(gè)發(fā)育時(shí)期的葉綠體結(jié)構(gòu)均與同時(shí)期野生型存在明顯差異, 下表皮氣孔保衛(wèi)細(xì)胞數(shù)是正常葉的2倍左右。YL1的葉綠素、總?cè)~綠素、類胡蘿卜素含量均只有同時(shí)期正常含量的30%~40%, 葉綠素含量只有正常葉的20%; 光合速率在初花期及以前均顯著低于同期正常葉, 但到終花期與正常葉相當(dāng); YL1的生育期和初花期顯著推遲, 株高和單株蒴果數(shù)明顯降低, 每蒴粒數(shù)和千粒重略微降低。顯微觀察表明, YL1的葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育不規(guī)則, 基粒和基粒片層數(shù)目明顯少于野生型, 使得葉綠素含量過(guò)低, 屬于葉綠體發(fā)育異常導(dǎo)致的葉綠素缺少型突變體。

芝麻; 黃化突變體; 葉綠體顯微和超微結(jié)構(gòu); 光合特性; 生理生化特性

葉片是植物進(jìn)行光合作用的最重要器官, 其形狀、大小、直立的角度、顏色的深淺都會(huì)影響光合作用的效率進(jìn)而影響產(chǎn)量, 因此葉型和葉色變異方面的研究受到遺傳學(xué)家和育種學(xué)家的高度重視[1]。葉色變異發(fā)生的頻率較高、變異類型較為豐富、表型直觀, 在高等植物中發(fā)現(xiàn)得較多[2], 它主要是通過(guò)基因突變直接或間接地影響葉綠素的合成和降解, 進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞色素含量、組成和比例發(fā)生改變[3-4]。葉綠素出現(xiàn)缺陷的可能原因有兩種, 一是催化葉綠素合成酶的基因突變, 造成葉綠素合成受阻和葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育異常; 二是編碼葉綠體結(jié)構(gòu)蛋白的基因突變, 導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育受阻, 葉綠素合成減少[5]。葉色突變的種類很多, 按苗期表現(xiàn), 可分為白化、黃化、淺綠、斑點(diǎn)、條紋等類型[6]; 按葉色變異后能否轉(zhuǎn)綠則可分為轉(zhuǎn)綠和非轉(zhuǎn)綠兩種類型[2]。這些突變性狀在生產(chǎn)上可能具有重要的應(yīng)用潛力, 如可將突變材料作為形態(tài)標(biāo)記應(yīng)用于農(nóng)作物遺傳改良, 尤其是應(yīng)用于雜交制種時(shí)顯著提高除雜效率, 確保種子純度[7-8]。因此研究葉色突變體的細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)、生理生化特性和光合特性之間的關(guān)系具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。葉色突變方面的研究早在20世紀(jì)30年代就有報(bào)道[9], 在大豆[10]、小麥[11]、煙草[12-13]、擬南芥[14]、菊花[15]等很多物種中都有發(fā)現(xiàn), 且對(duì)發(fā)現(xiàn)的葉色突變體的葉綠體超微結(jié)構(gòu)、光合色素含量組成及光合特性也都進(jìn)行了相應(yīng)的報(bào)道。研究表明, 葉綠素缺陷型突變分為總?cè)~綠素缺陷和葉綠素缺陷兩種[16], 與正常野生型相比, 它們的光合色素含量偏低, 葉綠體數(shù)目減少, 葉綠體內(nèi)部基粒數(shù)減少, 基粒片層垛疊數(shù)減少, 基粒排列不整齊[17], 或未分化出基粒和基粒片層, 光合膜系統(tǒng)發(fā)育程度低[18]; POD活性和MDA含量顯著高[19]; 光合速率大多明顯低[20-21], 但也有相反的報(bào)道[22-23]。盡管前人對(duì)已發(fā)現(xiàn)的葉色突變體進(jìn)行了形態(tài)結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、光合特性、生理特性、生化特性等方面的研究, 但結(jié)果也千差萬(wàn)別。2010年本課題組在湖北武漢及河南正陽(yáng)試驗(yàn)基地的地方種質(zhì)“廟前芝麻”中發(fā)現(xiàn)了黃化苗突變體, 該突變體終身黃化, 長(zhǎng)勢(shì)明顯比野生型差, 開花期和生育期明顯晚于野生型, 其他農(nóng)藝性狀基本與野生型相同。目前關(guān)于芝麻黃化苗突變體的研究還未見報(bào)道。本研究在參考前人研究的基礎(chǔ)上, 對(duì)芝麻黃化葉突變體的農(nóng)藝性狀、光合色素含量及組成、葉綠體細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)、氣孔特征參數(shù)、光合特性、生化特性等進(jìn)行研究與剖析, 旨在明確該突變材料的黃化機(jī)制, 為芝麻育種和生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

為芝麻地方種質(zhì)“廟前芝麻”及由其自發(fā)突變的黃化突變體YL1。YL1經(jīng)多代隔離繁殖后性狀穩(wěn)定, 與廟前芝麻配制不同分離群體, 初步遺傳分析表明, 該黃化性狀受1對(duì)隱性基因控制(另文發(fā)表)。將材料種植于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所武昌試驗(yàn)基地, 共20行, 行長(zhǎng)2.40 m, 行距0.40 m, 株距0.15 m, 三至四葉期定苗, 每行13株, 常規(guī)管理。

1.2 成熟期主要農(nóng)藝性狀調(diào)查

2014年夏季, 在生育后期至成熟期測(cè)定葉片長(zhǎng)度、葉片寬度(最寬處)、株高、單株蒴果數(shù)、每蒴粒數(shù)、千粒重, 每性狀測(cè)5株, 求平均值。

1.3 光合色素含量的測(cè)定

參照Arnon 的方法[24]分別于苗期、初花期、盛花期測(cè)定葉綠素含量。從每材料取樣5株, 每株取中部全展葉, 用打孔器沿主葉脈兩側(cè)快速打數(shù)量相等的小圓片(直徑為1 cm ), 快速稱重后放到事先準(zhǔn)備好的提取液(50% 丙酮: 50% 無(wú)水乙醇=1︰1)中, 在常溫(25~35℃)遮光條件下充分提取約24 h。用Beckman DU 650紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)645 nm 和663 nm 下浸出液的光密度值, 再用修正的Arnon 公式[24]計(jì)算出葉綠素、及總?cè)~綠素(+)的含量[25]。

1.4 光合作用參數(shù)測(cè)定

在苗期和盛花期, 分別選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的突變體和野生型植株各5株, 利用Li-COR-6400便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定植株中部全展葉光合作用相關(guān)參數(shù), 設(shè)置LED紅藍(lán)光源, 光強(qiáng)800 μmol m–2s–1, 葉室溫度25℃, CO2濃度400 μmol m–2s–1。測(cè)定儀軟件自動(dòng)計(jì)算得到凈光合速率(n)、氣孔導(dǎo)度(s)、胞間CO2濃度(i)、蒸騰速率(Tr)等光合作用相關(guān)參數(shù)。選晴朗天氣, 在上午9:00— 11:00測(cè)定, 3次重復(fù), 在讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)值, 取3次平均值為一個(gè)觀測(cè)值。

1.5 氣孔數(shù)量調(diào)查

在六對(duì)真葉期, 分別取突變體和野生型植株的心葉和中部全展葉各5片, 在葉片中部, 用尖頭鑷子撕取下表皮, 立即放入事先滴有1~2滴1% I2-KI溶液的載玻片上染色3~5 min, 再用Olympus BX61光學(xué)顯微鏡觀察氣孔(10′、20′和40′), 測(cè)量氣孔大小并照相。每葉片觀察4個(gè)視野, 統(tǒng)計(jì)視野內(nèi)氣孔數(shù)。

1.6 葉片顯微和亞顯微結(jié)構(gòu)觀察

在初花前分別取突變體和野生型的心葉和六葉期平展葉, 于葉片中部避開葉脈切取長(zhǎng)5 mm、寬5 mm的小片, 立即投入FAA固定液固定24 h以上, 用真空泵抽真空, 常規(guī)石蠟切片法包埋, LKB超薄切片機(jī)切片, 厚度1.5~2.0 μm, 甲基藍(lán)染色, 加拿大樹膠封片, Olympus BX61顯微鏡下觀察并照相。

在苗期、初花期、終花期分別取突變體和野生型植株中部全展葉, 于葉片中部避開葉脈切取長(zhǎng)5 mm、寬5 mm的小片, 每材料剪取20片, 立即投入2.5%的戊二醛固定液固定24 h以上, 以真空泵抽氣消除氣泡使固定液滲入。先用0.1 mol L–1磷酸緩沖液(pH 7.2)連續(xù)沖洗6次, 每次2 h, 再用1%餓酸固定4 h。乙醇系列梯度脫水, 環(huán)氧丙烷過(guò)渡2次, Epon812樹脂包埋, 最后制成超薄切片, 在JEM-2000EX透射電子顯微鏡下觀察并照相[26]。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用SPSS6.0軟件進(jìn)行方差分析, LSD法進(jìn)行多重比較, Microsoft Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 芝麻黃化突變體YL1農(nóng)藝性狀分析

芝麻黃化突變體YL1從出苗開始子葉即表現(xiàn)黃化, 之后長(zhǎng)出的每片真葉也都表現(xiàn)出明顯的黃化, 且終身黃化(圖1); 突變體的莖稈、蒴果均出現(xiàn)不同程度的黃化現(xiàn)象; 突變體還表現(xiàn)出株型變小、生長(zhǎng)緩慢, 初花期滯后16 d左右, 花期短、開花時(shí)間集中, 生育期變長(zhǎng)的現(xiàn)象; 突變無(wú)致死效應(yīng), 能正常開花結(jié)實(shí), 但種子千粒重略微降低, 主要經(jīng)濟(jì)性狀比野生型差。野生型葉片、蒴果、莖桿全生育期為正常綠色(表1和圖1)。

表1 黃化突變體與野生型主要農(nóng)藝性狀的比較

圖1突變體與野生型不同生長(zhǎng)時(shí)期的性狀對(duì)比

A: 左邊綠葉為野生型剛出土幼苗, 右邊黃葉為突變體YL1剛出土幼苗; B: 左邊綠葉為野生型幼苗, 右邊黃葉為突變體YL1幼苗; C: 左邊綠葉為野生型盛花期植株, 右邊黃葉為突變體YL1盛花期植株; D: 左邊綠葉為野生型植株下部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株下部葉片; E: 左邊綠葉為野生型植株中部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株中部葉片; F: 左邊綠葉為野生型植株上部葉片, 右邊黃葉為突變體YL1植株上部葉片; G: 左邊為野生型成熟期蒴果綠色, 右邊為突變體YL1成熟期蒴果黃色。

A: emergence of green seedlings is wild type WTMQ, emergence of yellow seedlings is mutant YL1; B: the green seedling is wild type WTMQ, the yellow seedling is mutant YL1; C: the full bloom plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; D: the lower leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; E: the middle leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; F: the upper leaves of plant for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow; G: the mature capsules for wild type WTMQ is green, that for mutant YL1 is yellow.

2.2 芝麻黃化突變體光合色素含量分析

在芝麻整個(gè)生育期內(nèi), 突變體YL1的葉綠素、葉綠素、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量一直低于同期野生型(圖2)。其中葉綠素含量在苗期、初花期和終花期, YL1分別比野生型低66.46%、67.46%和67.41%; 葉綠素分別低79.88%、77.50%和78.97%; 總?cè)~綠素含量分別低69.69%、69.60%和70.00%; 類胡蘿卜素含量分別低62.61%、59.50%和61.34%, 表明該突變體是葉綠素缺乏突變體, 光合色素含量比野生型低60%~80%。

2.3 芝麻黃化突變體光合作用參數(shù)分析

突變體YL1在苗期和初花期n顯著低于同期野生型, 分別低45.91%和51.19%, 但在終花期卻差異不大;s在初花期顯著低于野生型(低25.00%), 但在其他時(shí)期均差異不顯著; 胞間CO2濃度在苗期和初花期均顯著高于野生型, 分別高10.49%和6.59%, 但在終花期卻差異不大;r在初花期顯著低于野生型(28.34%), 但在苗期和終花期卻差異不明顯。由此可見, YL1與野生型在生育早期光合特性存在顯著差異, 且在初花期差異最大, 到終花期時(shí)突變體光合功能增強(qiáng), 與野生型沒有明顯差異。

2.4 黃化突變體與野生型葉綠體結(jié)構(gòu)比較

2.4.1 芝麻黃化突變體的葉片解剖結(jié)構(gòu) 突變體YL1的葉片和葉脈的顯微結(jié)構(gòu)與野生型在心葉期無(wú)較大差異。野生型最外層的葉脈表皮細(xì)胞排列整齊而緊密, 且呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形, 中部皮層由多層細(xì)胞構(gòu)成, 最里面的維管束組織結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)(圖3-A1), 突變體YL1的葉脈表皮細(xì)胞與野生型基本相同(圖3-B1)。野生型葉片較厚, 上下表皮細(xì)胞排列較為緊密, 下表皮的氣孔較多, 氣孔結(jié)構(gòu)明顯, 柵欄組織細(xì)胞排列整齊而又緊密, 呈規(guī)則的長(zhǎng)圓柱形, 海綿組織發(fā)育良好, 排列相對(duì)較為疏松, 輸導(dǎo)組織通暢且清晰(圖3- A2, A3, A4); 而突變體YL1葉片厚度減小, 海綿組織排列更為緊密, 無(wú)通暢的輸導(dǎo)組織(圖3-B2, B3, B4)。

圖2 突變體與野生型不同發(fā)育時(shí)期光合色素含量及相對(duì)比值

3次重復(fù)。*在0.05水平上差異顯著; **在0.01水平上差異顯著。

Three biological repeats. * significantly different at＜0.05; ** significantly different at＜0.01.

表2 不同發(fā)育時(shí)期突變體與野生型葉片的光合作用相關(guān)參數(shù)比較

表中標(biāo)以不同小字母的同列數(shù)值在0.05水平差異顯著。

Values within a column followed by a different small letter are significantly different at the 0.05 probability level.

突變體YL1平展葉的葉片和葉脈的顯微結(jié)構(gòu)與同期野生型相比表現(xiàn)出較大的差異。野生型和突變型YL1的平展葉葉脈表皮細(xì)胞與同材料心葉比均無(wú)變化, 但突變型YL1的維管束細(xì)胞層數(shù)更少(圖3-C1, D1); 野生型柵欄組織、海綿組織、輸導(dǎo)組織與心葉比也無(wú)明顯的變化, 但突變型YL1的上下表皮細(xì)胞呈不規(guī)則形, 排列不整齊, 結(jié)構(gòu)松散(圖3-D2, D4), 沒有明顯的一層上下表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)(圖3-C2, C4), 少量輸導(dǎo)組織開始出現(xiàn)(圖3-D3)。

2.4.2 芝麻黃化突變體的葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察 野生型苗期葉綠體細(xì)胞緊貼細(xì)胞壁內(nèi)側(cè)分布, 發(fā)育較為成熟, 呈明顯的紡綞形或梭形(圖4-A1), 中間稍微膨大, 其中的基粒、基粒片層、基質(zhì)片層清晰, 基粒片層數(shù)較多, 垛疊較高, 基粒之間有較多的基質(zhì)片層相連, 淀粉粒較大(圖4-A2, A3), 過(guò)氧化物體體積較大, 呈規(guī)則的圓球形(圖4-A3)。突變體苗期葉綠體細(xì)胞數(shù)目與野生型基本無(wú)差異, 但大多為不正常細(xì)胞, 細(xì)胞瘦小(圖4-B1)或呈圓形(圖4-B3), 細(xì)胞之間沒有清晰的界線(圖4-B1)。葉綠體大多能緊貼細(xì)胞壁分布(圖4-B1), 少數(shù)葉綠體游離分布于細(xì)胞內(nèi)側(cè), 片層結(jié)構(gòu)明顯, 但片層數(shù)量明顯比同期野生型少(圖4-B2); 在初花期, 野生型葉綠體發(fā)育良好, 與前期相比, 葉綠體數(shù)目基本維持不變(圖4-C1)。此期基粒片層垛疊層數(shù)較多, 且分布較為均勻(圖4-C2, C3), 淀粉粒大小不一, 結(jié)構(gòu)清晰(圖4-C2)。與前期相比, 突變體葉綠體數(shù)目基本維持不變(圖4-D1), 葉綠體中的基粒片層結(jié)構(gòu)清晰, 但片層數(shù)量明顯變少, 且排列不規(guī)則, 無(wú)淀粉粒形成(圖4-D2, D3), 周圍的雜質(zhì)較多(圖4-D2); 在終花期, 野生型葉綠體與前期相比, 數(shù)目沒有明顯的變化, 但淀粉粒明顯變多(圖4-E1), 少數(shù)淀粉粒體積明顯變大(圖4-E3), 但基粒片層與基質(zhì)片層的數(shù)量及體積卻無(wú)明顯變化(圖4-E2)。突變體葉綠體與前期相比, 葉綠體數(shù)目似有減少的趨勢(shì), 但不明顯(圖4-F1), 淀粉粒數(shù)量明顯減少(圖4-F3), 基粒與基質(zhì)片層無(wú)明顯的變化(圖4-F3)。但突變體與野生型相比, 基粒和基質(zhì)片層的數(shù)量明顯少得多, 淀粉粒數(shù)量也明顯偏少。

圖3 芝麻YL1突變體及其野生型心葉和平展葉解剖結(jié)構(gòu)

A1~A4: 綠心葉; B1~B4: 黃心葉; C1~C4: 綠展葉; D1~D4: 黃展葉。A1~D1為20×, 其他均為40×。UP: 上表皮; LP: 下表皮; PT: 柵欄組織; BS: 維管束鞘; ST: 海綿組織; CO: 厚角組織; Pa: 薄壁組織; X: 木質(zhì)部; Ph: 韌皮部; Ca: 形成層; EH: 表皮毛

A1–A4: green heart leaf; B1–B4: yellow heart leaf; C1–C4: green flat leaf; D1–D4: yellow flat leaf. A1–D1 were under 20× scope and others were under 40× scope. UP: upper epidermis; LP: lower epidermis; PT: palisade tissue; BS: bundle sheath; ST: spongy tissue; Co: collenchyma; Pa: parenchyma; X: xylem; Ph: phloem; Ca: cambium; EH: epidermal hair.

圖4 芝麻YL1突變體及其野生型不同發(fā)育時(shí)期中部平展葉的葉綠體超微結(jié)構(gòu)

A1~A3: 野生型苗期; B1~B3: 突變體苗期; C1~C3: 野生型初花期; D1~D3: 突變體初花期; E1~E3: 野生型終花期; F1~F3: 突變體終花期。CH: 葉綠體; CW: 細(xì)胞壁; G: 基粒; GL: 基粒片層; S: 基質(zhì); SL: 基質(zhì)片層; SG: 淀粉粒; O: 嗜餓顆粒; PE: 過(guò)氧化物體。

A1–A3: wide type at seedling stage; B1–B3: mutant at seedling stage; C1–C3: wide type at initial flowering stage; D1–D3: mutant initial flowering stage; E1–E3: wide type at end flowering stage; F1–F3: mutant at end flowering stage; CH: chloroplast; CW: cell wall; G: granum; GL: gramum lamella; S: stroma; SL: stroma lamella; SG: starch grain; O: osmiophilic granules; PE: peroxisome.

3 討論

植物黃化突變的來(lái)源廣泛, 但它們大多與葉綠素含量和葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。目前已發(fā)現(xiàn)的葉色突變體種類繁多, Falbel等[16]按葉綠素比值將葉綠素突變體分為兩類, 一類完全不含葉綠素, 如擬南芥突變體[27]、大麥突變體chlorina f2[28]; 另一類總?cè)~綠素及葉綠素合成減少, 目前報(bào)道的突變體多為此類。比如肖華貴等[18]發(fā)現(xiàn), 甘藍(lán)型油菜黃化突變體NY的葉綠體數(shù)目和基粒片層數(shù)減少是導(dǎo)致葉色黃化的主要原因; 董遵等[29]用氮離子處理獲得了一株失綠黃化而后復(fù)綠的甘藍(lán)型油菜突變體, 該黃化突變體葉綠體數(shù)量少, 膜結(jié)構(gòu)解體, 無(wú)類囊體。本研究發(fā)現(xiàn)的黃化突變體YL1屬于后者, 在芝麻中未見類似報(bào)道。YL1來(lái)源于自然變異, 從出苗開始即表現(xiàn)黃化, 一直持續(xù)到成熟期, 葉綠體數(shù)量始終變化不大, 但形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的改變, 基粒片層數(shù)的明顯減少, 直接導(dǎo)致葉綠素含量大幅度降低, 葉片黃化。由于黃化持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 植株的生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)藝性狀受到較大影響, 主要表現(xiàn)為生育期推遲, 產(chǎn)量相關(guān)性狀變差, 這與很多作物突變體特性相似[18, 30-31]。但該黃化性狀穩(wěn)定, 容易辨認(rèn), 可作為標(biāo)記性狀在芝麻雜種優(yōu)勢(shì)中加以利用。

關(guān)于植物的黃化機(jī)制, 不同學(xué)者有不同發(fā)現(xiàn)。Von Wettstein 等[32]指出, 高等植物葉綠素合成途徑中的任何一個(gè)步驟出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致葉綠素合成受阻。李燕群等[33]研究表明, 水稻黃綠葉突變體507ys中葉綠素含量大幅度降低, 編碼葉綠素酸酯a加氧酶OsCAOI的基因發(fā)生突變, 導(dǎo)致突變體黃化; 該突變體在OsCAOI編碼區(qū)的堿基序列中一個(gè)G突變?yōu)锳, 使谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼? 導(dǎo)致葉綠素酸酯加氧酶失活, 葉綠素合成受阻。崔海瑞等[34]發(fā)現(xiàn)水稻黃化突變體W1的黃化是葉綠素合成受阻造成的, 受阻部位發(fā)生在由PBG轉(zhuǎn)變?yōu)閁rogen III的過(guò)程中。本研究中, 芝麻葉色黃化突變體材料YL1在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中葉綠素、葉綠素、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均基本穩(wěn)定, 比同期野生型低60%~80%, 葉綠素比值明顯高于野生型, 而總?cè)~綠素/類胡蘿卜素比值卻略低于同期野生型。根據(jù)高等植物葉綠素合成途徑, 初步推測(cè)造成芝麻黃化突變體材料YL1葉片黃化的主要原因是在葉綠素合成之前就出現(xiàn)了異常, 而葉綠素在向葉綠素轉(zhuǎn)化過(guò)程中也受到了不同程度的阻礙。這一推論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外, YL1在不同發(fā)育時(shí)期類胡蘿卜素的含量始終只有正常的40%左右, 有可能是乙酰丙酸途徑異常造成的[35]。

氣孔是植物進(jìn)行光合作用和呼吸作用時(shí)與外界氣體交換的通道, 它同時(shí)影響著蒸騰作用、光合作用和呼吸作用等過(guò)程。本研究中, 突變體YL1平展葉中氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)高于野生型, 但各發(fā)育時(shí)期心葉氣孔數(shù)量卻無(wú)顯著差異, 這可能是因?yàn)辄S化突變體葉片較薄, 上表皮接收陽(yáng)光強(qiáng)烈, 水分易蒸發(fā), 為了減少蒸騰作用鎖住水分, 氣孔向下表皮移動(dòng), 導(dǎo)致下表皮氣孔數(shù)量大量增加。在光合特性上, 不同時(shí)期葉片的凈光合速率表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì), 其中突變體YL1苗期和初花期平展葉的凈光合速率顯著低于野生型, 分別為同時(shí)期野生型的54.09%和48.81%, 但到終花期時(shí)2種基因型的光合速率相近。這是因?yàn)檫M(jìn)入終花期后芝麻葉片開始衰老, 光合速率明顯下降(表2), 而且野生型下降更快, 因而與突變體持平, 在后續(xù)的生長(zhǎng)發(fā)育中部分光合作用將由蒴果完成。突變體YL1的胞間CO2濃度在苗期和初花期均顯著高于同時(shí)期的野生型, 但氣孔導(dǎo)度除初花期達(dá)到顯著水平外, 其他兩個(gè)時(shí)期均與野生型差異不大。結(jié)合氣孔數(shù)量及光合測(cè)定結(jié)果, 初步推測(cè)氣孔數(shù)量不是導(dǎo)致黃化突變體YL1光合速率降低的主要原因, 其主要因素可能與葉肉細(xì)胞光合活性降低有關(guān)。黃化苗葉片中葉綠體結(jié)構(gòu)明顯異于正常綠葉, 葉綠體基粒數(shù)目和基粒片層數(shù)目明顯少于同期正常綠葉, 葉綠素含量只有正常綠葉的30%左右, 因此導(dǎo)致葉綠素在捕捉光能時(shí)效率低下, 光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能時(shí)效率也降低, 最終光合速率降低。

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Anatomical Structure and Photosynthetic Characteristics of a Yellow Leaf Mutant YL1 in Sesame (L.)

LIU Hong-Yan, ZHOU Fang, LI Jun, YANG Min-Min, ZHOU Ting, HAO Guo-Cun, and ZHAO Ying-Zhong

Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Oil Crops, Ministry of Agriculture, Wuhan 430062, China

Phenotypic markers play an important role in crop breeding and genetic studies. A yellow leaf 1 (YL1) mutant has been found from sesame landrace “Miaoqian Zhima”, which can be inherited stably. In this study, we compared YL1 mutant and its wild type (WT) in leaf anatomical structure, photosynthetic characteristics and biological traits. The structures of chloroplast in both top leaf and expanded leaves of YL1 were greatly different from those of WT at various development stages. The stomatal guard cell number in abaxial epidermis in YL1 was twice that in WT. In addition, the contents of chlorophyll, total chlorophyll and carotenoid in YL1 were 30%–40% of that in WT, and the chlorophyllcontent in YL1 even as low as 20% of that in WT. At early flowering stage, YL1 showed significantly lower photosynthetic rate than WT, but the difference was not significant at end flowering stage. Compared with WT type, YL1 had significantly longer growth duration, delayed initial flowering time and shorter plant height, but capsules per plant and thousand-seed weight was slightly reduced. The microscopic observation revealed that YL1 is the chlorophyll deficiency mutant due to chloroplast defect, which was characterized with irregular chloroplast structure and reduced grana and granum lamella.

Sesame; Yellow leaf mutant; Chloroplast microstructure and ultrastructure; Photosynthetic characteristics; Physiological and biochemical characteristics

10.3724/SP.J.1006.2017.01856

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31771877), 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-14)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS- ASTIP-2013-OCRI)資助。

This study was supported by the National Science Foundation of China (31771877), China Agriculture Research System (CARS-14), and Agricultural Science and Technology Innovation Program, CAAS (CAAS-ASTIP-2013-OCRI).

趙應(yīng)忠, E-mail: zhaoyz63@163.com

E-mail: liuhongyan@caas.cn

2017-05-20; Accepted(接受日期): 2017-09-10; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-09-30.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170930.1146.002.html