全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-02-27
基金项目:本研究受重庆市科技项目(CSTC2007AA10464、AC1060)资助
作者简介:邢才(1980-),男,山东肥城,在读硕士研究生,主要从事植物分子生物学研究;E-mali:sdxzc@163.com
通讯作者:王贵学,男,教授,E-mali:guixue_wang@126.com
叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的重要
色素。叶绿素突变是辐射诱发与组织培养过程中发
生的一种普遍现象,它最明显的特点是叶色发生了
变异。叶色突变往往直接或间接影响叶绿素的合成
和降解途径,因此叶色突变体又被称为叶绿素缺陷
突变。叶绿素突变研究开始较早,本世纪 30年代就
有报道,它是一种非常明显的性状突变,具有十分
重要的价值。目前,关于植物叶色突变的表型描述
已有很多,在拟南芥、水稻、玉米、高粱、棉花、小
麦、大麦和大豆等植物中均有报道[1,2]。叶色突变体
在对叶绿素的合成和降解代谢途径,植物的光合作
用以及叶绿体生物发生等生命过程的研究中发挥
着重要作用。在水稻上,叶色突变体也被应用于杂
交育种。因此,发掘和鉴定控制水稻叶绿素合成突
变体的基因,开展叶绿素合成突变基因的定位、克
隆及其突变体作用机理等方而的研究,具有重要的
理论意义和应用价值。
1 叶色突变体的种类
植物中的叶色突变体种类很多,从表型来看包
括白化、黄叶、淡绿、深绿、常绿、条纹和斑马等类
型。大部分叶色突变体在苗期就能观察到突变性
状,但常绿突变体直到生育后期才能观察到突变性
状,其最明显的特征是生育末期叶片保绿时间较长
甚至完全不黄化,在拟南芥、水稻、高粱、玉米、小
麦、菊花和羊茅[3,4]等很多物种中都发现了常绿突
变体。一些突变体对温度、光周期等环境因素敏感,
还有些叶色突变体的表型和营养环境以及自身的
生理代谢水平有关。以表型分类虽然比较直观,但
植物的表型和内部的遗传物质之间的关系不总是
一一对应。相同的叶色突变性状可能是不同的基因
突变引起的,同一个基因发生不同突变也可能导致
植物叶绿素突变体及其分子机理的研究进展
邢才 王贵学 黄俊丽 吴金钟
(重庆大学生物工程学院,重庆 400044)
摘 要: 叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的重要色素,叶绿素突变是一种明显的性状突变,其在理论研究和
实际应用方面具有重要的意义。综述了植物叶绿素突变体的种类、遗传及突变的分子机理研究进展,着重介绍了突变的
分子机理研究进展。
关键词: 叶绿素 突变体 分子机理
ResearchonChlorophylMutationofPlants
andMolecularMechanism
XingCaiWangGuixue HuangJunliWuJinzhong
(BioengineeringColegeofChongqingUniversity,Chongqing400044)
Abstract: Chlorophylisimportantpigmentparticipatingin photosynthesisin plantchloroplasts.Chlorophyl
mutationisanobvioustraitmutation,whichplaysanimportantroleinboththeoreticalresearchandpracticaluses.The
paperdealedwiththeresearchadvancesofspecies,heredityandmolecularmechanism ofchlorophylmutation,and
emphaticalyintroducedthemolecularmechanismofchlorophylmutation.
Keywords: Chlorophyl Mutation Molecularmechanism
2008年第5期
不同的突变表型。例如,au和 yg-2是番茄的两个黄
叶突变体,它们的表型性状极为相似,但研究表明
在这两个突变体中分别发生了血红素加氧酶和植
物光敏色素合酶基因突变[5]。另外,利用 RNA干涉
技术干涉同一个基因往往获得不同表型的转基因
植株,Kumar和 Sol[6]将谷氨酞-tRNA还原酶(HEMA
基因)反义 RNA转入拟南芥后,转基因植株间即存
在明显的叶色差异,并且叶色变异程度与 HEMA
基因的表达水平成反比。由此可见,简单以叶色为
标准对突变体进行划分,从研究基因功能的角度来
看并不科学。对叶色突变体的明确归类,还要有赖
于功能基因组的研究。只有彻底了解与叶色突变有
关的分子机理后,才能按基因的不同、相同基因不
同受损程度以及调控方式的不同,从分子水平上对
叶色突变做出清晰,科学的分类。
许多研究表明,叶绿素突变的表型繁多,突变
位点亦很多。Gustafasson估计有 250~300个位点,
Wetteih等估计仅对白化表型起作用的就有几百个
位点。Nilon比较了理化诱变剂诱发单位叶绿素合
成缺陷突变体和幼苗生长突变体的频率,认为约有
700个位点与叶绿素突变有关[7]。
2 叶色突变体的遗传
叶绿素整个合成过程是在植物的叶绿体内完
成的,因此叶色突变跟叶绿体的形态、结构、组成以
及生理状态的异常有关,而这些叶绿体的异常通常
是由叶绿体蛋白的改变引起的。目前知道,定位于
叶绿体内的蛋白只有很小一部分是由叶绿体 DNA
编码的,而大部分叶绿体蛋白是由核基因编码的,
它们是在细胞质中合成以后转运到叶绿体内的。与
叶绿体蛋白的来源相吻合,大部分叶色突变是由核
基因突变引起的,拟南芥中克隆的 PIFl[8],PCB2[9],
DVR[10],ATHCORI[11]基因以及大麦中克隆的 Xantha-
1基因[12],水稻中克隆的 ygl1[13]叶色突变相关基因
均为核基因。核基因控制的叶色突变有单基因控制
的,也有多基因控制的,但大部分突变为隐性突变,
由显性基因控制的叶色突变体报道极少,Wang等[14]
发现的高叶绿素含量基因 Gc经遗传分析确定为单
基因显性控制。还有少部分叶色突变体与叶绿体或
线粒体 DNA突变有关,这类突变体在水稻、大麦、
小麦、大豆和烟草等作物中均有少量报道[15,16]。
3 叶色突变的分子机理
导致叶色突变的基因种类较多,叶色突变的分
子机制也较为复杂。总的来说,突变基因通过不同
的调控方式,直接或间接影响叶绿素的代谢途径,
引起植物体内叶绿素含量的变化,最终导致叶色突
变表型。根据已有的研究结果,目前对叶色突变的
发生机制归纳为以下几点。
3.1 叶绿素生物合成和降解途径中的基因突变
绿色植物和某些藻类的叶绿素合成从谷氨酸
开始到叶绿素 b的合成结束一共包括了 16步,这
16步由 20多个基因编码的 16种酶来完成[17]。目
前,高等植物中叶绿素合成途径中所有的关键酶都
已被鉴定出来,该途径中某一个环节发生突变都可
能影响叶绿素的形成,从而引起叶色变异。例如:叶
绿素 a氧化酶(CAO)是合成叶绿素 b所必需的,该
酶功能异常将导致植物叶绿素 b含量的迅速减少,
甚至不能合成叶绿素 b[18,19]。谷氨酸 tRNA合成酶是
叶绿素合成的第一个酶,利用 VIGS(virusinduced
genesilencing)技术减少谷氨酸 tRNA合成酶的合
成导致整个叶绿素合成途径受阻,植株叶片严重黄
化[20]。另外,据报道镁鳌合酶 H亚基基因[21],镁鳌合
酶 I亚基基因[21]、谷氨酰-tRNA还原酶基因[22],NAD-
PH:原叶绿素酸酯氧化还原酶基因[23],叶绿素合成
酶基因[13,24]等直接参与叶绿素合成的基因突变均能
产生叶色异常的突变体。
常绿突变体是叶绿素降解途径受阻的突变体,
研究表明,在高羊茅和黑麦草的常绿突变体中,脱
镁叶绿素甲酯酸 a氧化酶的活性丧失导致植物色
素的积累,从而产生常绿表型突变体[25,26]。
3.2 叶绿体发育相关基因突变
高等植物叶绿体的正常发育需要叶绿体基因
和核基因相互协调,这些基因的突变将导致叶绿体
发育的异常,进而影响叶绿素合成代谢,导致叶色
突变表型的产生。在拟南芥中己经发现 12个 arc
基因(accumulationandreplicationofchloroplasts),这
些基因的突变导致叶绿体数目和大小的异常[27]。
FtsZ基因是叶绿体分化所必需的,该基因突变导致叶
绿体分化受阻,FtsZ突变体每个细胞内仅有一个大的
叶绿体。另报道 AtMinD1,AtMinE1,ARTEMIS,PGP1
和GC1等蛋白质均参与叶绿体的生物发生[27,28]。
邢才等:植物叶绿素突变体及其分子机理的研究进展 11
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
3.3 血红素代谢途径的基因突变
血红素是含铁的环状四吡咯,它普遍存在于血
红蛋白(hemoglobin)、肌红蛋白(myoglobin)、细胞色
素(cytochromes)、过氧化物酶(peroxidases)和过氧
化氢酶 (catalases)中,同时它也是植物光敏色素
(phytochromobiline)和藻胆素(phycobilins)合成途径
的中间产物。血红素和叶绿素的生物合成是四吡咯
生物合成途径的两个分支,原卟啉 IX与 Fe2+鳌合
形成血红素,与 Mg2+鳌合产生镁原卟啉 IX,镁原卟
啉 IX进一步合成叶绿素。叶绿素合成速率受细胞
内血红素含量影响,如果血红素合成植物光敏色素
的途径受阻、细胞内血红素含量上升,过剩的血红
素将反馈抑制叶绿素合成,引起突变体叶色变异[29]。
己经报道的突变体 au、hy1、pcdl、pcd2和 yg-2均是
植物光敏色素合成途径受阻引起的叶色突变体[30]。
3.4 编码其它叶绿体蛋白的基因突变
蛋白质是叶绿体结构和功能的基础,代谢过程
的催化剂—酶以及叶绿体中的翻译机器—核糖体
的主要成分是蛋白质,蛋白与细胞色素、质体蓝素
等结合构成电子传递链,包括叶绿素在内的所有色
素都与蛋白质结合形成复合体,同时蛋白质也是叶
绿体内膜系统的主要成分[31,32]。叶绿体蛋白大约有
80个是由叶绿体基因组编码的,而超过3000个叶绿
体蛋白则是由核基因编码在细胞质中合成的[33,34]。
叶绿体核糖体的突变将影响叶绿体的翻译系
统,进而削弱或阻断叶绿素合成的第一步反应[35]。
叶绿体膜转运蛋白的变异可能干扰叶绿体膜对蛋
白和酶的识别、结合或转运,从而降低叶绿素合成
速率[36]。还有一些突变基因影响光合色素的稳定性,
几乎所有的光合色素都包埋在类囊体膜中,与蛋白
质以非共价键结合。叶绿体蛋白突变可导致叶绿体
内部膜结构发育缺陷,进而影响叶绿素及其它光合
色素的稳定性,最终改变叶绿体中各种色素的含量
及比例[37]。另外还有一些叶绿体蛋白突变的叶色突
变体与叶片衰老和光合功能有关[38,39]。
4 结语
目前,叶色突变体己广泛应用于基础研究和生
产实践。叶色标记可以作为标记性状,应用于良种
繁育和杂交育种;还可以作为优良种质资源,例如,
利用常绿突变体提高生物产量,利用叶绿素缺失突
变体改变作物品质性状,用叶色突变体培育观赏植
物;利用叶色突变体探测植物的各项生理活动;以
叶色突变性状为标记性状筛选突变体,进而对突变
体进行分析鉴定,可较为直接而有效的研究基因功
能,了解细胞内核-质间基因互作[40]。随着植物生理
学研究手段的不断发展,以及分子生物学、功能基
因组学和生物信息学研究的不断深入,叶色突变体
的分子机理研究将会取得很大的进展,各种叶色突
变体将会更加有效的应用到人们的生产和生活中,
造福于人类。
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