全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (9): 1401~1405　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0194 1401
收稿 2014-04-25　　修定 2014-07-30
资助 国家现代农业产业技术体系任务和高粱重要抗性资源鉴
定筛选与种质创新(CARS-06-01-06)。
* 共同通讯作者(E-mail: lwyzxr@163.com, Tel: 13909823038;
E-mail: zhanglx993@sohu.com, Tel: 024-31021081)。
高粱浅绿叶突变体sll1的农艺性状和生理生化特性
张灵敏1,2, 吕文彦1,*, 张丽霞2,*
1沈阳农业大学农学院, 沈阳110866; 2辽宁省农业科学院, 沈阳110161
摘要: 通过EMS诱变野生型高粱BTx623种子获得浅绿叶突变体sll1 (Sorghum Light-green Leaf 1)。以野生型BTx623为对照,
进行成熟期农艺性状调查和苗期生理生化指标测定。结果表明, 突变体sll1茎粗和穗柄长与BTx623相比没有显著差异, 而
株高、穗长、粒数和千粒重均低于BTx623, 存在极显著差异, 且抽穗期延迟15~20 d。苗期叶片叶绿素测定结果显示, 突变
体sll1叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均极显著低于BTx623, 其中叶绿素b含量只有野生型的1/10, 推测该突变体是叶绿
素b减少型突变体。突变体sll1蛋白总量显著低于BTx623, 但脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶
活性均极显著高于BTx623, 说明突变体sll1具有较强的渗透调节能力和清除活性氧的能力以维持自身正常生长。
关键词: 高粱; 浅绿叶突变体; 农艺性状; 生理生化特性
Agronomic Traits and Physiological-Biochemical Characteristics of Light-
Green Leaf Mutant sll1 of Sorghum bicolor
ZHANG Ling-Min1,2, LÜ Wen-Yan1,*, ZHANG Li-Xia2,*
1College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2Liaoning Academy of Agricultural Sciences,
Shenyang 110161, China
Abstract: A sorghum light-green leaf mutant, sll1, was isolated by EMS treating BTx623 seeds. The agronomic
traits were surveyed in mature period and the physiological-biochemical characteristics were studied in seedling
stage between the wild type BTx623 and sll1. Compared with BTx623, the stem diameter and spike stem length
were no significant difference in sll1. However, the plant height, spike length, grain yield and 1 000-grain weight
of sll1 were significantly lower than those in BTx623. In addition, the heading date delayed 15–20 days. The
contents of chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll of mutant sll1 were extremely lower than those in
BTx623, especially the content of chlorophyll b (1/10). So, sll1 mutant was presumed the chlorophyll b reduction
mutant. Although the protein content of sll1 was obviously lower than that in BTx623, the proline content and the
activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) of sll1 were significantly higher
than those in BTx623, indicating that the mutant sll1 had the strong abilities to adjust osmosis and scavenge active
oxygen in order to maintain their normal growth.
Key words: Sorghum bicolor; light-green leaf mutant; agronomic traits; physiological-biochemical characteristics
植物叶色突变是很常见的一种性状突变, 自
然条件和理化条件下均可诱发叶色突变, 其主要
原因是控制叶绿素代谢和叶绿体发育的重要基因
发生突变, 直接或间接影响叶绿素的合成和降解,
从而改变叶绿素含量以致叶色发生变异。这种由
于植株体内叶绿素减少所引起的叶色突变, 几乎
所有作物都有报道, 如水稻(吴伟等2006; Wu等
2007)、小麦(Ansari等2013)、油菜(黄泽素等2006)
等, 而且叶色突变体的利用价值受到越来越多的
关注。叶色突变体不仅在植物光合作用(Fambrini
等2004)、叶绿素生物合成、植物的结构与 功能
以及细胞器的移植、细胞融合、遗传转化、植物
衰老等基础研究中具有重要意义, 而且在育种工
作中, 叶色变异可作为标记性状, 简化良种繁育(马
志虎等2001)和杂交种生产(Zhao等2000)。
高粱是全世界种植的第五大禾谷类作物, 具
有C4植物高光效的特征, 遗传多样性丰富, 杂种优
势强, 杂优利用广泛, 而且具有抗旱、耐盐碱和耐
瘠薄等特点。因此, 作为粮食作物, 高粱在干旱和
植物生理学报1402
半干旱农业生产中占有极其重要的位置(梁小红等
2005)。并且高粱具有较小的基因组, 约750 Mb, 稍
大于水稻基因组(440 Mb), 远小于玉米(约2 500
Mb)、小麦(16 695~17 423 Mb)、大麦(4 600 Mb)和
甘蔗(930~7 440 Mb), 是进一步研究谷类作物基因
组结构、功能和进化的模型。据不完全统计, 目
前已定位的水稻叶色突变基因有134个, 如ygl2
(Chen等2013)、bgl11 (Wang等2013)和lyl1 (Zhou等
2013)等。在玉米数据库中, 已经报道的叶色突变
基因有165个, 如nec-t (韩帅2012)等。但是关于高
粱叶色突变体的报道比较少, 本研究利用已获得
的高粱浅绿叶突变体sll1, 进行农艺性状统计分析
和苗期生理生化指标测定, 为后续基因定位和功
能研究提供重要依据。
材料与方法
1 材料
浅绿叶突变体sll1 (Sorghum Light-green Leaf 1)
是利用0.2% EMS诱变处理野生型高粱[Sorghum
bicolor (L.) Moench] BTx623种子20 h后获得的稳
定遗传的叶色突变体, 该突变体从苗期直至成熟
期叶片都呈现浅绿色。本文研究以野生型BTx623
为对照。
2 农艺性状调查
在辽宁省农业科学院科研基地种植供试材
料野生型BTx623和突变体sll1。待蜡熟期, 随机取
10株进行田间农艺性状调查, 包括株高、穗长、
穗柄长和茎粗; 种子收获后统计粒数和千粒重。
连续2年调查农艺性状, 测得数据用SAS进行统计
分析。
3 生理生化指标测定
3.1 幼苗培养
选取籽粒饱满、均匀一致且无病虫害的风干
BTx623和突变体sll1种子, 用75%酒精浸泡5 min消
毒, 再用无菌水冲洗3遍, 用滤纸吸干。将种子均
匀放入铺有2 层滤纸的培养皿(直径9 cm)中, 加入
8 mL无菌水。将培养皿放入温度30 ℃、相对湿度
60%、恒温恒湿培养箱中暗培养, 进行萌发。第2天
待露白后将萌发的种子移至营养液, 放入30 ℃/25
℃、16 h/8 h昼夜交替、相对湿度60%、光照强度
54 μmol·m-2·s-1的恒温恒湿培养箱中进行营养液培
养, 每2 d更换一次营养液, 并且每天添加水以保持
营养液中各离子的浓度恒定, 第6天取幼苗的全部
叶片进行苗期生理生化指标测定。
3.2 测定方法
叶绿素含量的测定参照陈福明和陈顺伟
(1984)的混合液法。蛋白质含量测定使用上海生
工生物工程的Bradford法蛋白浓度测定试剂盒
(SK3031)。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,
SOD)活性测定使用南京建成生物工程的超氧化物
歧化酶WST-1法测定试剂盒(A001-3)。过氧化物
酶(peroxidase, POD)活性测定使用南京建成生物工
程的过氧化物酶测定试剂盒(A084-3)。过氧化氢
酶(catalase, CAT)活性测定参考Verma和Mishra
(2005)的方法, 略做修改。取1 mL 0.1% H2O2和2
mL 50 mmol·L-1 pH为7.0的磷酸缓冲液于石英比色
皿中, 加入蛋白提取液0.05 mL迅速混匀, 立即测定
A240吸光度值, 每1 min记录1次吸光度值, 连续记录
5 min。以1 min每克鲜重的吸光值的降低来表示酶
活性大小, 用浸提缓冲液代替蛋白提取液调零。
脯氨酸含量测定参照李合生(2000)的方法。
实验结果
1 高粱的农艺性状统计分析
本实验室在建立高粱BTx623饱和突变体库的
过程中, 发现了一个在整个生育期叶片都呈现浅
绿色的突变体sll1 (图1), 且经过数代的繁种, 叶色
保持一致, 没有分离出其他介于BTx623 (绿色)和
sll1 (浅绿色)之间的颜色。
经过2年农艺性状的连续统计分析发现, sll1与
BTx623相比, 茎粗与穗柄长没有显著差异之外, 株
高、穗长、粒数和千粒重都极显著降低(表1), 尤其
是突变体sll1的粒数仅是BTx623的1/2, 而且抽穗期
延后15~20 d, 籽粒较小, 没有BTx623饱满。上述结
果显示, 突变体sll1与BTx623相比, 农艺性状出现明
显降低, 说明突变体sll1叶片呈现浅绿色致使光合
能力减弱, 明显影响了植株各项农艺指标。
2 高粱的生理生化特性分析
2.1 苗期BTx623与突变体sll1叶片叶绿素含量比较
如图2所示, 突变体sll1叶片叶绿素总量为1.1
mg·g-1 (FW), 是BTx623叶绿素总量的1/2, 说明突变体
sll1呈现浅绿色是由于叶绿素含量减少所致。其
张灵敏等: 高粱浅绿叶突变体sll1的农艺性状和生理生化特性 1403
中, 突变体sll1叶绿素a含量为1.02 mg·g-1 (FW), 极显
著低于BTx623的叶绿素a含量[1.5 mg·g-1 (FW)]。
突变体sll1叶绿素b含量[0.072 mg·g-1 (FW)]较野生
型[0.75 mg·g-1 (FW)]降低幅度最大, 两者之间差值
达到0.7 mg·g-1 (FW), 叶绿素b含量只有野生型的
1/10。并且sll1的叶绿素a/b值为14.32, 极显著高于
BTx623。因此, 推测浅绿叶突变体sll1是叶绿素b
减少型突变体。
2.2 苗期BTx623与突变体sll1叶片蛋白和脯氨酸
含量比较
如图3所示, 突变体sll1叶片蛋白含量为8.4
mg·g-1 (FW), 显著低于BTx623蛋白含量[9.1 mg·g-1
(FW)], 但没有达到极显著水平。虽然突变体sll1的
叶绿素含量和蛋白含量都降低, 但还能正常生长,
说明突变体存在利于正常生长的优势。突变体sll1
叶片脯氨酸含量为14.7 μg·g -1 (FW), 明显高于
BTx623 [11.1 μg·g-1 (FW)], 且差异达到极显著水平,
由此可以初步推断突变体sll1能够通过增加脯氨酸
含量, 来抵抗自身的缺陷以维持正常生长。
2.3 苗期BTx623和突变体sll1叶片抗氧化酶活性
比较
研究证明, 光氧化产生的过氧化氢(H2O2)参与
光系统II (PSII)中D1蛋白的降解, 抑制碳同化中的
巯基酶类, 从而导致光化学效率的下降。植物内
源抗氧化酶如SOD、POD和CAT等, 可以有效清除
活性氧分子(Suzuki和Mittler 2006)。因此, 抗氧化
酶在缓解光氧化伤害中发挥着重要作用。
如图4所示 , 突变体sll1的抗氧化酶SOD、
POD和CAT活性均高于BTx623, 如突变体sll1的
SOD和POD活性分别为26.9 U·mg-1 (蛋白)和46.9
U·mg-1 (蛋白), 极显著高于BTx623, 且突变体sll1的
CAT活性是BTx623的2倍。从实验结果可以得出,
sll1清除活性氧的能力比较强, 能够减轻氧化损伤
以更好的保护植株正常生长。而Fry (1998)认为植
图1 BTx623和sll1整个生育期的表型比较
Fig.1 Comparison of the phenotypes between BTx623 and sll1 during the whole growing period
表1 BTx623与sll1成熟期农艺性状的比较
Table 1 Comparison of the agronomic traits between BTx623 and sll1 in mature period
高粱 株高/cm 穗长/cm 穗柄长/cm 粒数 千粒重/g 茎粗/cm
BTx623 121.3 34.62 43.45 2 733 26.98 1.75
sll1 97.5** 28.75** 43.00 1 355** 15.61** 1.75
*表示差异显著(P<0.5), **表示差异极显著(P<0.01)。
图2 BTx623与sll1苗期叶片的叶绿素含量
Fig.2 The chlorophyll contents between BTx623
and sll1 in seedling leaves
植物生理学报1404
物细胞体内的活性氧、羟基等是细胞扩大过程中
的关键因子, 它们可能有助于增加细胞透性而使
细胞壁更加松弛, 矮化植物体内高活性的SOD和
CAT可以通过阻止细胞的扩大, 而增加植物细胞壁
硬度阻止植物生长, 因此, SOD和CAT活性测定结
果与突变体sll1的株高低于BTx623相一致。
讨　　论
Awan等(1980)将叶色突变体细分为白化、黄
化、浅绿、绿白、白翠、黄绿、绿黄和条纹8种
类型, 而本研究中sll1突变体在整个生育期叶片都
呈现浅绿色。根据减少色素的种类, 目前将叶色
突变体主要分为总叶绿素缺失和叶绿素b缺失两
种类型(龚红兵等2001)。叶绿素含量测定结果显
示, 虽然叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均减
少, 但是与BTx623相比, 突变体sll1叶绿素a/b比值
大幅度增高, 主要由于叶绿素b含量下降幅度较大
造成。而Terao等(1985)按照叶绿素a/b值将水稻叶
绿素b减少突变体进行过分类, 即叶绿素a/b值大于
或等于20甚至不含有叶绿素b的突变体、叶绿素a/
b值在10.0~15.6之间的突变体及叶绿素a/b值在
6~10之间的突变体。本研究中sll1突变体的叶绿
素a/b值为14.321, 因此推测该浅绿叶突变体为叶
绿素b减少突变体。叶绿素缺失突变体的叶绿素
含量下降, 导致光合作用不同程度的变化, 主要表
现为光合能力减弱, 光合效率降低, 光合特性发生
改变, 进而引起植株的生长发育缓慢, 作物减产,
如小麦叶绿素缺失突变体Mt135条纹株的农艺性
状调查值显著低于原始亲本(赵洪兵等2011), 本实
验结果显示突变体sll1的许多农艺性状调查值都减
少, 且抽穗期推迟与突变体sll1的叶绿素含量测定
结果相一致。
图3 BTx623与sll1苗期叶片的蛋白和脯氨酸含量
Fig.3 The protein and proline contents between BTx623 and sll1 in seedling leaves
图4 BTx623与sll1苗期叶片的SOD、POD和CAT活性
Fig.4 The SOD, POD and CAT activities between BTx623 and sll1 in seedling leaves
张灵敏等: 高粱浅绿叶突变体sll1的农艺性状和生理生化特性 1405
叶绿素缺失突变体的突变性状大多受隐性核
基因控制(张力科等2010; 李娜等2007), 或者半显
性基因控制(曹莉等2008), 还有细胞质基因控制或
核质基因互作, 但是多数突变体都伴有其他性状
发生变化, 本研究也出现此现象, 不仅叶绿素含量
发生变化而且伴随许多其他性状变化。本研究中
突变体sll1蛋白含量低于BTx623的, 这可能是色素
蛋白表达量的降低影响叶绿体结构的完整性, 导
致叶绿素合成减少, 也可能是由于突变体的叶绿
素缺失导致光合能力减弱, 以致合成的光合产物
减少, 具体原因有待进一步的研究证明。而脯氨
酸是植物体内最有效的渗透调节物质, 几乎所有
的逆境都会造成植物体内脯氨酸的积累。本文的
结果显示 , 突变体s l l1叶片中的脯氨酸含量比
BTx623高, 表明突变体sll1能够较好的抵抗自身的
缺陷, 其主要作用可能与其能够保持膜结构的完
整性有关。通常细胞内产生的活性氧自由基会受
到植物体内产生的抗氧化酶调节与控制, 如O2¯·由
SOD清除, H2O2由POD和CAT等清除, 而突变体sll1
的SOD、POD和CAT活性均高于BTx623, 表明该
突变体具有较强的清除内源活性氧的能力, 可能
在减轻光氧化伤害中起作用, 以维持植株的正常
生长。本研究结果表明, 虽然浅绿叶突变体sll1叶
绿素含量降低, 而且大部分农艺性状也降低, 但是
脯氨酸含量以及抗氧化酶的活性增强来抵抗内源
损伤, 使突变体sll1具有光合稳定性以维持正常生
长。这不仅为研究高粱叶色突变体提供一些重要
理论依据, 而且可以为进一步深入研究叶色相关
基因定位、克隆以及后期功能验证提供实验证据。
参考文献
曹莉, 王辉, 孙道杰, 冯毅, 李学军, 闵东红(2008). 一个新的小麦黄
化突变体的遗传研究. 遗传学报, 30 (12): 1603~1607
陈福明, 陈顺伟(1984). 混合液法测定叶绿索含量的研究. 林业科技
通讯, (2): 4~8
龚红兵, 陈亮明, 刁立平, 盛生兰, 林添资, 杨图南, 张荣铣, 曹树青,
翟虎渠, 戴新宾等(2001). 水稻叶绿素b减少突变体的遗传分
析及其相关特性. 中国农业科学, 34 (6): 686~689
韩帅(2012). 玉米黄绿叶基因nec-t的遗传分析及基因定位. 泰安:
山东农业大学
黄泽素, 王通强, 杨晓蓉, 代文东, 李德珍(2006). 甘蓝型油菜紫红叶
标记性状的遗传及利用探讨. 种子, 25 (3): 47~48
李合生(2000). 植物生理生化实验原理和技术. 第1版. 北京: 高等
教育出版社, 258~260
李娜, 储黄伟, 文铁桥, 张大兵(2007). 水稻白色中脉Oswm突变体的
遗传分析与基因定位. 上海农业学报, 23 (1): 1~4
粱小红, 仪治本, 赵威军(2005). 高粱重要抗性性状的基因定位研究
综述. 作物杂志, (3): 7~9
马志虎, 颜素芳, 罗秀龙, 郝华忠(2001). 辣椒黄绿苗突变体对良种
繁育及纯度鉴定作用. 北方园艺, (3): 13~14
吴伟, 刘鑫, 舒小丽, 舒庆尧, 夏英武, 吴殿星(2006). 携带白化转绿
型叶色标记两系杂交水稻不育NHR111S. 核农学报, 20 (2):
103~105
张力科, 李志彬, 刘海燕, 李如海, 陈满元, 陈爱国, 钱益亮, 华泽田,
高用明, 朱苓华等(2010). 两个新的水稻叶色突变体形态结构
与遗传定位研究. 中国农业科学, 43 (2): 223~229
赵洪兵, 郭会君, 赵林姝, 古佳玉, 赵世荣, 李军辉, 刘录祥(2011). 空
间环境诱变小麦叶绿素缺失突变体的主要农艺性状和光合特
性. 作物学报, 37 (1): 119~126
Ansari MJ, AL-Ghamdi A, Kumar R, Usmani S, AL-Attal Y, Nuru A,
Mohamed AA, Singh K, Dhaliwal HS (2013). Characterization
and gene mapping of a chlorophyll-deficient mutant clm1 of
Triticum monococcum L. Biol Plant, 57 (3): 442~448
Chen H, Cheng ZJ, Ma XD, Wu H, Liu YL, Zhou KN, Chen YL, Ma
WW, Bi JC, Zhang X et al (2013). A knockdown mutation of
YELLOW-GREEN LEAF2 blocks chlorophyll biosynthesis in
rice. Plant Cell Rep, 32 (12): 1855~1867
Fambrini M, Castagna A, Vecchia FD (2004).Characterization of a
pigment-deficient mutant of sunflower (Helianthus annuus L.)
with abnormal chloroplast biogenesis, reduced PS II activity and
low endogenous level of abscisic acid. Plant Sci, 167 (1): 79~89
Fry SC (1998). Oxidative scission of plant cell wall polysaccha-
rides by ascorbate-induced hydroxyl radicals. Biochem J, 332:
507~515
Suzuki N, Mittler R (2006). Reactive oxygen species and temperature
stresses: a delicate balance between signaling and destruction.
Physiol Plant, 126: 45~51
Terao T, Yamashita A, Katoh S (1985). Chlorophyll b-deficient
mutants of rice I. absorption and fluoresce spectra and chloro-
phyll a/b ratios. Plant Cell Physiol, 26: 1361~1367
Verma S, Mishra SN (2005). Putrescine alleviation of growth in salt
stressed Brassica juncea by inducing antioxidative defense
system. J Plant Physiol, 162 (6): 669~677
Wang ZK, Huang YX, Miao ZD, Hu ZY, Song XZ, Liu L (2013).
Identification and characterization of BGL11(t), a novel gene
regulating leaf-color mutation in rice (Oryza sativa L.). Genes
Genom, 35 (4): 491~499
Wu ZM, Zhang X, He B, Diao LP, Sheng SL, Wang JL, Guo XP, Su
N, Wang LF, Jiang L et al (2007). A chlorophyll-deficient rice
mutant with impaired chlorophyllide esterification in chlorophyll
biosynthesis. Plant Physiol, 145 (1): 29~40
Zhao Y, Wang ML, Zhang YZ, Du LF, Pan T (2000). A chloro-
phyll-reduced seedling mutant in oilseed rape, Brassica
napus, for utilization in F1 hybrid production. Plant Sci, 119 (2):
131~135
Zhou Y, Gong ZY, Yang ZF, Yuan Y, Zhu JY, Wang M, Yuan FH, Wu
SJ, Wang ZQ, Yi CD et al (2013). Mutation of the light-induced
yellow leaf 1 gene, which encodes a geranylgeranyl reductase,
affects chlorophyll biosynthesis and light sensitivity in rice.
PLoS One, 8 (9): 1~14