全 文 ：　文章编号 :100028551 (2001) 0520269205
温度对水稻突变体 W1 叶色及叶绿素
生物合成的影响
崔海瑞　夏英武　高明尉
(浙江大学原子核农业科学研究所 ,浙江 杭州　310029)
摘 　要 :本文研究了温度对水稻突变体 W1 叶色及叶绿素 (Chl) 生物合成的影响。W1
是温敏型叶色突变体 ,叶色转变的临界温度约为 23 ℃。在高温下 ,突变体 W1 的 Chl
和类胡萝卜素 (Caro)含量与对照无显著的差异 ,幼苗呈绿色 ;低温 (15～20 ℃) 下 W1
的 Chl 和类胡萝卜素 (Caro) 含量明显较低 ,表现白化。突变体 W1 白化苗中的 Chl a
和 Chl b 含量同时下降 ,CaroΠChl 的比值增大 ,说明该突变体属于不是由 Caro 降低而
导致的总叶绿素缺陷型。白化苗中 Chl 生物合成的中间产物原叶绿素 (酸) (Pchl) 、镁
原卟啉 (Mg2proto) 、原卟啉 IX( ProtoIX) 含量减少 ,而δ2氨基酮戊酸 (ALA) 和胆色素原
(PBG)大量积累 ,证明突变体 W1 低温下 Chl 生物合成卟啉原形成部位受阻。
关键词 :水稻 ;叶色突变体 ;低温白化 ;叶绿素 ;合成受阻
收稿日期 :1999202209
基金项目 :国家九五攻关 (96 - B12 - 02 - 01 - 02)和中国博士后科学基金 ( I29801)资助研究项目
作者简介 :崔海瑞 (1963～) ,男 ,安徽怀远人 ,博士 ,浙江大学原子核农业科学研究所副研究员 ,从事植物诱变遗传育种
与生物技术的方面的研究
近年来 ,通过人工诱变或自发突变 ,在水稻中已得到几例可转绿的温敏型叶色突变体 ,明
确了其温敏特性和遗传控制[1～4 ] ,分析了突变体与对照在碳水化合物、蛋白质、氨基酸及同工
酶等方面的差异[5 ] ,但温度影响这些突变体叶色变化的原因尚不明了。本文从叶绿素生物合
成途径的角度来揭示温度影响水稻突变体叶色变化的机理 ,为将其利用育种提供科学依据。
1 　材料与方法
111 　材料及处理
供试材料为温敏型核不育籼稻 2177S 及叶色突变体 W1。2177S 由安徽省广德县农科所提
供 ,W1 是利用γ射线处理 2177S 诱发的叶色突变体 ,具有苗期白化的可复绿特性 ,受一对隐性
核基因控制[1 ] 。将对照 2177S 和 W1 的种子浸种后 ,置于培养皿中在 15、18、20、23、26、30 和 35 ℃
下发芽 ,每天光照 12h ,光强约 6000Lux。每处理用种 150～200 粒 ,长至 215 叶期时取样分析。
112 　叶绿素 a( Chl a) 、叶绿素( Chl b)和类胡萝卜素( Caro)的测定
取 012g 叶片 ,以 80 %丙酮碾磨提取 ,用 Beckman DV7 型分光光度计在波长 440、645 和
962　核 农 学 报　2001 ,15 (5) :269～273Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
663nm 处测光密度 ,3 次重复 ,按有关公式计算含量[6 ] ,以 mgΠg 鲜重表示。
113 　δ2氨基酮戊酸( ALA)和胆色素原( PBG)的测定
取 015g 叶片 ,按 Stobart 等的方法测定 ALA[7 ] ,按 Bogorad 的方法测定 PBG[8 ] ,含量均以
nmolΠg 鲜重表示。
114 　原卟啉 IX( Proto IX) 、原叶绿素(酸) ( Pchl) 、镁原卟啉( Mg2proto)的测定
取 015g 叶片 ,按 Rebeiz 等的方法测定 Proto IX 和 Pchl[9 ] ,含量均以 nmolΠg 鲜重表示。Mg2
proto 的测定按 Smith 等的方法进行[10 ] ,以 400nm 激发光下波长 592～620nm 间的荧光积分来表
示其相对含量。
2 　结果与分析
211 　突变体 W1 的低温敏感特性
不同温度下突变体 W1 和对照 2177S 的叶色变化见表 1。对照 2177S 除在 15 ℃下叶片呈
浅绿色外 ,在其它几种温度下均表现为正常的绿色 ;而突变体 W1 在温度低于 20 ℃时 ,叶片均
表现白化 ,在 23 ℃下呈淡黄色 ,随着温度的升高 ,叶片由 26 ℃下的淡绿色逐步转变成 30 ℃和
35 ℃下的正常绿色。可见突变体 W1 是对低温敏感的叶色突变体 ,在低温下叶片表现白化 ,叶
色转变的临界温度约在 23 ℃左右。
表 1 　不同温度下突变体 W1 和对照 2177S的叶色变化
Table 1 　The leaf color changes of mutant W1 and 2177S(CK) under different temperatures
材料
materials
温度　temperature ( ℃)
15 18 20 23 26 30 35
W1
白色
white
白色
white
白色
white
淡黄色
yellowish
淡绿色
greenish
绿色
green
绿色
green
2177S
浅绿色
light green
绿色
green
绿色
green
绿色
green
绿色
green
绿色
green
绿色
green
212 　不同温度下突变体 W1 光合色素含量及组分的变化
21211 　Chl 和 Caro 含量的变化 　从表 2 可见 ,W1 在低温下光合色素严重匮乏 ,如 15 ℃下 ,W1
的 Chl 和 Caro 含量只相当于对照 2177S 的 717 %和 815 % ,可以认为 W1 属低温诱导的总叶绿
素缺陷型突变体。W1 为对照的 Chl 和 Caro 含量均随温度的下降而降低 ,而突变体 W1 的降低
幅度大于对照 ;但 CaroΠChl 比值随着温度的降低而升高 ,对照 CaroΠChl 比值变化于 0115～0121
之间 ,而突变体 W1 的 CaroΠChl 比值则由 0116 升至 0138 ,且 CaroΠChl 比值在 0122 以上时 ,表现
白化 ,可见低温白化的突变体 W1 幼苗中 Caro 相对含量并不低。
21212 　Chl 组分的变化 　不同温度下突变体 W1 和对照 2177S 的 Chl a 和 Chl b 的含量变化见
表 1。高温 (30 和 35 ℃)下 ,突变体 W1 的 Chl a 和 Chl b 含量与对照相近 ,随着温度的降低 ,Chl
a 和 Chl b 含量都逐渐降低 ,与对照的差异增大 ,当低温低于 20 ℃幼苗发生白化时 ,Chl a 和 Chl
b 含量均比对照显著下降。在 Chl aΠChl b 比值上 ,突变体 W1 和对照 2177S 均有随温度降低而
升高的趋势 ,反映了 Chl a 和 Chl b 在不同温度下代谢速率的差别。
072 核　农　学　报 15 卷
表 2 　不同温度下突变体 W1 和 2177S的 Chl 和 Caro 含量的变化
Table 2 　Changes of Chl and Caro content in mutant W1 and 2177S(CK)
under different temperatures (mgΠg FW)
材料
materials
色素
pigments
温度　temperature ( ℃)
15 18 20 23 26 30 35
W1
Chl 3 0. 048 0. 086 0. 096 0. 409 0. 823 1. 409 1. 259
Caro 0. 018 0. 024 0. 028 0. 090 0. 139 0. 221 0. 210
CaroΠChl 0. 38 0. 28 0. 29 0. 22 0. 17 0. 16 0. 17
2177S
Chl 0. 621 0. 785 0. 916 1. 021 1. 273 1. 630 1. 379
Caro 0. 128 0. 148 0. 152 0. 158 0. 192 0. 256 0. 219
CaroΠChl 0. 21 0. 19 0. 17 0. 16 0. 15 0. 16 0. 16
表 3 　不同温度下突变体 W1 和 2177S( CK) Chl a 和 Chalb含量的变化
Table 3 　Changes of Chl a and Chl b content in mutant W1 and 2177S under
different temperatures (mgΠg FW)
材料
materials
色素
pigments
温度　temperature ( ℃)
15 18 20 23 26 30 35
W1
Chl a 0. 034 0. 057 0. 064 0. 263 0. 532 0. 962 0. 830
Chl b 0. 014 0. 027 0. 032 0. 146 0. 291 0. 483 0. 429
Chl aΠChl b 2. 43 2. 11 2. 00 1. 80 1. 83 1. 92 1. 93
2177S
Chl a 0. 416 0. 524 0. 604 0. 664 0. 802 1. 062 0. 878
Chl b 0. 205 0. 261 0. 312 0. 357 0. 471 0. 568 0. 501
Chl aΠChl b 2. 03 2. 23 1. 94 1. 86 1. 70 1. 94 1. 75
213 　温度对突变体 Chl 生物合成的影响
为了查明突变体 W1 在低温下缺乏叶绿素的原因 ,对其在不同温度下叶绿素生物合成的
几种中间产物 ,如 Pchl、Proto IX、Mg2proto、ALA 和 PBG等的含量进行了测定。测定结果表明 ,
这些中间产物量的变化与叶绿素含量及叶色的转变有密切的对应关系。
21311 　Pchl 含量的变化 　温度越低 ,Pchl 积累的量越低 (图 1) ,变化趋势与 Chl 相同 ,二者呈
正相关。在 18 ℃下幼苗叶片 (白化) 的 Pchl 含量最低 ,只有对照在 30 ℃(绿色) 的 1Π3 左右 ;随
着温度的升高 ,叶片颜色由白到淡黄 (23 ℃) 再至浅绿 (26 ℃) ,Pchl 含量逐步增加 ;到 30 ℃叶色
完全转绿时 ,Pchl 积累量已接近对照。
图 1 　不同温度下突变体 W1 的 Pchl 含量
Fig. 1 　Pch content of mutant W1 under
different temperatures
图 2 　不同温度下突变体 W1 的 Mg2Proto 含量
Fig. 2 　Mg2proto content of mutant W1
under different temperatures
172　5 期 温度对水稻突变体 W1 叶色及叶绿素生物合成的影响
图 3 　不同温度下突变体 W1 的 Proto IX含量
Fig. 3 　Proto IX content of mutant
W1 under different temperatures
图 4 　不同温度下突变体 W1 的 ALA 和 PBG含量
Fig. 4 　ALA and PBG content of mutant
W1 under different temperatures
21312 　Mg2proto 和 Proto IX含量的变化 　突变体 W1 在不同温度下的 Mg2proto 和 Proto IX含量
分别如图 2 和图 3 所示。18 ℃时 W1 白化苗叶片的 Mg2proto 和 Proto IX含量只有对照 2177S 在
30 ℃的 1Π2～1Π3 ;随温度的升高 ,二者均逐步增加 ;到 30 ℃时绿叶中积累量也已接近对照。
21313 　ALA 和 PBG含量的变化 　与 Pchl、Mg2proto 和 Proto IX含量的变化趋势相反 ,除在 30 ℃
时与对照相近外 ,其它温度下突变体 W1 的 ALA 和 PBG含量均高于对照 (图 4) ,而且温度越
低 ,ALA 和 PBG的积累量越高 ,与 Chl 含量的变化呈负相关。
3 　讨　论
在本研究中 ,当温度低于 23 ℃时 ,突变体 W1 叶片白化 ,在 23 ℃时叶色呈介于白2绿之间的
淡黄色 ,当温度高于 23 ℃时叶色逐渐复绿 ;而对照 2177S 在相应的温度下叶色始终保持或接近
绿色 ,说明 W1 是温敏型的低温白化突变体 ,叶色转变的临界温度在 23 ℃左右 ;另一方面 ,突变
体 W1 在高温下 Chl 总量、Chl a、Chl b 和 Caro 的量均与对照相近 ,但在低温下 Chl 总量降低 ,
Chl a、Chl b 和 Caro 的量均同时下降 ,表明该突变体是低温敏感的总 Chl 缺陷型。
那么 ,突变体 W1 在低温下为什么会缺乏 Chl 呢 ? 首先 ,从 Caro 来看 ,它在光合器官中的
重要作用有两个方面 ,一是辅助捕光色素扩大吸收光谱的范围 ,二是保护 Chl 分子免遭光氧化
的破坏[11 ] 。尽管低温下白化苗叶片中 Chl 和 Caro 含量都比高温下正常绿苗要低得多 ,但 CaroΠ
Chl 比值要比高温下的大 ,也高于对照 ,可见 Caro 的相对含量并不缺乏 ,证明低温下突变体 W1
的 Chl 缺乏不是由 Caro 下降所造成的。其次 ,从 Chl a 的生物合成来看 ,高等植物的 Chl a 生物
合成是按照如下途径进行的[12 ] : Glu (谷氨酸) →ALA →PBG→Urogen Ⅲ(尿卟啉原 Ⅲ) →Coprogen
Ⅲ(粪卟啉原 Ⅲ) →Proto IX→Mg2proto IX →Pchl →Chl a。根据这种合成途径 ,如果 Chl a 的生物
合成在某一部位受阻 ,那么受阻部位前的中间产物量就会明显积累 ,而受阻部位后的中间产物
量就会明显减少。对不同温度下突变体 W1 叶片中的 5 种中间产物量分析的结果显示 ,低温
下 W1 叶片的 Pchl、Mg2proro IX和 Proto IX的含量都明显低于高温下对照的含量 ,与叶色及 Chl
a 的变化趋势相同 ;而LAL 和 PBG积累的量却明显大于高温下的含量 ,且高于对照 ,与叶色及
Chl a 的变化趋势相反。这种 Chl 生物合成中间产物量的变化情况表明 ,水稻叶色突变体 W1
低温下总 Chl 缺乏的原因是其 Chl 合成受阻 ,受阻的部位在由 PBG缩合生成卟啉原。
272 核　农　学　报 15 卷
参考文献 :
[ 1 ] 　夏英武 ,刘贵付 ,舒庆尧 ,等. 籼型温敏核不育水稻叶绿素突变体的诱发及其初步研究. 核农学报 ,1995 ,9 (3) :129～133
[ 2 ] 　吴跃进 ,王学栋 ,吴敬德 ,等. 水稻温敏型叶绿素突变体生理特性研究. 安徽农业科学 ,1991 , (1) :1～3
[ 3 ] 　董彦君 ,董文其 ,张小明 ,等. 突变体 Fan5 苗色低温敏感性状的遗传分析. 中国水稻科学 ,1995 ,9 (4) :249～250
[ 4 ] 　Yatou O Xiongying Cheng. Temperature sensitive chlorophyll . Rice Genetics Newsletter. 1989 ,6 :131～132
[ 5 ] 　吴殿星 ,舒庆尧 ,夏英武 ,等. 转绿型白化突变系 W25 转绿过程中幼苗叶片内碳水化合物和氨基酸组分的变化. 植物生
理学报 ,1997 ,23 :209～212
[ 6 ] 　朱广廉 ,钟诲文 ,张爱琴编. 植物生理学实验. 北京 :北京大学出版社 ,1990 ,51～54
[ 7 ] 　Stobart K,Ameen2Buckari I. Photoreduction of protochlorophylide and its relationship to 52aminolaevulinic acid synthesis in leaves of
barley(Hordeum vulgare) . In“Regulation of chloroplast”,Alan R Liss ,Inc ,1986 ,71～80
[ 8 ] 　Bogorad L. Porphyrin synthesis. In“Methods in enzymology ,Vol . 5”,New York Academic Press ,1962 ,885～895
[ 9 ] 　Rebeiz C A ,Mattheis J R Smith B B ,et al . Chloroplast Biogenesis :Biosynthesis and accumulation of protochlorophyll by isolated etio2
plasts and developing chloroplast . Arch Biochem Biophys ,1975 ,171 :549～567
[10 ] 　Smith B B ,Rebbeiz C A. Chloroplast biogenesis :Detection of Mg2protoporphyring chelatease in vitro. Arch Biochem Biophys. 1977 ,
180 :178～185
[11 ] 　Andrew J Y. The photoprotection role of carotenoids in higher plants. Physiol Plant ,1991 ,83 :702～708
[12 ] 　Reinbothe S Reinbothe C. Regulation of chlorophysll biosynthesis in angiosperns. Plant Physiol ,1996 ,111 :1～17
EFFECTS OF TEMPERATURE ON LEAF COLOR AND CHLOROPHYLL
BIOSYNTHESIS OF RICE MUTANT W1
CUI Hai2rui 　XIA Ying2wu 　GAO Ming2wei
( Institute of Nuclear Agricultural Science , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang prov . 　310029)
ABSTRACT :Effects of temperature on leaf color and chlorophyll ( Chl) biosynthesis of mutant W1
in rice were studied. The mutant W1 belonged to a temperature2sensitive type and the critical tem2
perature for the change of leaf color was about 23 ℃. Under high temperature the seedlings of the
mutant W1 were green and there was no signif icant difference between W1 and 2177S( CK) in the
content of Chl and Caro. However , under low temperatures( 15～20 ℃) the leaves of W1 were albi2
no with very little amount of Chl and Caro. The decrease of Chl a and Chl b at the same time and
the increase in the ratio of CaroΠChl in albino seedlings showed that the mutant W1 belonged to
the total Chl2deficient type that was not caused by the decrease of Caro content. The content of in2
termediates such as protochlorophyll ( Pchl) , Mg2protoporphyrin( Mg2proto) and protoporphyrin
IX( proto IX) were reduced andδ2aminolevulinc acid( ALA) and porphohilinogen ( PBG) were
markedly accumulated in albino seedlings of W1 , which proved that there was a blockage in the
formation of uroporphyrinogen or coproporphyrinogen during Chl biosynthesis under lower tem2
perature.
Key words :rice ;leaf color mutant ;albino under low temperature ; chlorophyll ; biosynthesis block
372Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2001 ,15 (5) :269～273