全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19( 1) : 1～5
Journal of WuhanBotanical Research
水稻温敏叶绿素突变体叶片超微结构的研究
何瑞锋　丁 毅
　余金洪　祖明生
(武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉　430072)
摘　要: 对温敏转绿型叶绿素突变体 1103S 和武金 4B“斑马叶”性状表达过程中叶绿素含
量、叶绿体超微结构的变化进行了比较研究。结果表明,在一定条件下, 叶片的失绿、复绿与叶
绿素含量的下降、上升变化趋势一致;叶绿体结构在失绿区表现为严重退化,基粒和基粒片层
减少, 淀粉粒和嗜锇粒增多;复绿后, 其叶绿体结构重建和恢复。
关键词: 水稻; 叶绿素缺失突变体; 叶绿素含量; 叶绿体; 超微结构
中图分类号: Q943　文献标识码: A　文章编号: 1000-470X ( 2001) 01-0001-05
Study on Leaf Ultrastructure of the Thermo-sensitive
Chlorophyll Deficient Mutant in Rice
HE Rui-Feng, DING Yi, YU Jin-Hong, ZU Ming-Sheng
( K ey L abor atory of MOE f or Plant Dev elop mental Biology, Wuhan Univ ersity , Wuhan　430072, C hina)
Abstract: T he changes of chlorophyll content and chloroplast ultr ast ructur e
w er e studied dur ing the per iod o f appearing zebra-leaf char acter fr om the ther-
mo-sensit ive chlorophyll deficient mutants of rice 1103S and Wujin4B. The r e-
sults show n that content of chlorophyll decreased after appear ing zebra-leaf
character. Ult rast ructural changes occur red in the chloroplasts in the yellow
part including grana lamellae and gr ana decr easing and signif icant accumulation
of starch g rains and osm iophilic globules. However, the chlo roplast st ructur e
renew ed and rest ructur ed normally af ter recovery of the yellow par t o f leaves
into green.
Key words: Rice; Chlorophyll deficient mutants; Content of chlo rophy ll;
Chlo roplast ; Ult rast ructure
温敏转绿型叶绿素突变体是众多叶绿素突变体中较为特殊的一类, 其失绿的部分可
以随着环境温度的变化而逐渐复绿。水稻温敏转绿型叶绿素突变新类型 1103S最初是从


收稿日期: 2000-03-01,修回日期: 2000-05-15。
基金项目:国家“九五”科技攻关项目(960200202) ;湖北省自然科学基金资助项目。Foundation item s: T he State
Key Project du ring th e Ninth-Five-Year Plan (N o. 960200202) ; Hubei Natural Science Foundation .
作者简介:何瑞锋( 1968- ) ,男,博士研究生,从事植物基因工程研究。
通讯联系人。E-mail : yid ing@ w hu. ed u. cn
温敏不育系 8902S 中发现的。这种突变体的特点是: 植株生长前期由于自然变温和昼夜温
差的影响,叶片上出现垂直于叶脉的镶嵌失绿, 形同“斑马纹”,故又称“斑马叶”。叶片上失
绿的部分经一段时期又可自然复绿, 使叶片呈现一致的绿色。虽然在水稻 [ 1]、小麦 [ 2]、大
麦[ 3]、玉米[ 4]等多种作物中已对叶绿素突变体进行了广泛研究,但这类转绿型具“斑马叶”
性状的叶绿素突变体少见报道。迄今为止, 对这一性状表达机制研究尚少 [ 5 7] , 在不同的
核质背景下该性状的表现则未见报道。为此,我们以 1103S 及以其转育的具“斑马叶”性状
的武金 4B为材料, 对该性状表达及复绿全过程中叶片叶绿素含量变化及叶绿体超微结
构进行了较系统的研究,以期进一步揭示这一特异性状的表达机制。
1　材料与方法
1. 1　材料
以从温敏型核不育系 8902S中选育的自然突变体 1103S,和由 1103S×武金 3B,再经
多代选育而成的武金4B为材料( 1103S 和武金4B 均具“斑马叶”性状) ,以武金 3B为对照
(以上材料均由武汉大学遗传研究所提供) , 于 4月下旬播种于武汉大学遗传育种实验基
地, 5月下旬移栽。本地区从 5月至 6月这段时间会出现一些温差的明显变化,自然诱导
“斑马叶”性状的表达。我们将整个性状表达过程前后分为 4个时期,即降温前( B)、降温
结束( E)、“斑马叶”性状表达( Z)及复绿( G)。于不同时期分别选取代表性植株的高位全展
叶制样及测定。
1. 2　方法
叶绿素含量及叶绿素 a/ b值的测定　称取各期新鲜叶片 200 mg, 剪成 2 mm 长的片
段,加入 80%的丙酮,在黑暗处浸提 48 h 后,取适量浸提液进行稀释,再用日立 UV -120
型紫外-可见分光光度计测定各自的光吸收值, 按 Porr a等的方法计算叶绿素的含量和叶
绿素 a / b值[ 8]。
叶绿体超微结构的透射电镜观察　按扫描电镜法取样,用 4%戊二醛固定液于 4℃固
定 12 h,经冲洗后, 再用 1%锇酸于 4℃固定 6 h。样品经冲洗、酒精逐级脱水、环氧丙烷中
置换,最后渗透并包埋于Epon-812环氧树脂中,于LKB-4800型超薄切片机上切片。经醋
酸双氧铀和柠檬酸铅双染色后, 于 JEM -1200EX 和 JEM 100型透射电镜下观察、拍照。
2　结果
2. 1　“斑马叶”性状表现及其特征
在正常季节( 4月中下旬)播种条件下, 武金 4B 和 1103S 生长前期,一般会出现自然
气温骤降骤升和昼夜温差的明显变化。在经过较高温( 28℃左右) - 降温( 20～23℃) - 恢
复( 26℃左右)短时变温后, 会在植株的叶片及叶鞘上出现垂直于叶脉方向的绿、黄镶嵌的
“斑马纹”。这一性状经 10～20 d左右逐渐消失。这与邵继荣等对 1103S 的观察结果基本
一致[ 6]。经多年多地(湖北武汉、襄樊,四川泸州、乐山,海南三亚等)及不同季节分期播种
实验观察,在自然条件下,该性状表现稳定。而对照武金 3B则不受季节性变温影响,自然
条件下生长前期叶片一直保持绿色。
2. 2　性状表达过程中叶绿素(Chl )含量及叶绿素 a/ b 值的变化
降温结束后, 随着“斑马叶”性状的表达, Chl a 和 Chl b 含量均下降, 在性状表达中
2 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19卷　
期, 1103S和武金 4B Chl总量降到最低值, 其中主要是由于 Chl a 的大幅度下降所至, 而
对照武金 3B此期总 Chl有所回升。对 1103S 和武金 4B“斑马叶”表达期同一叶片绿区与
黄区 Chl含量的比较表明,绿区比黄区分别高 5. 23倍和 4. 84倍。说明该性状表达期 Chl
含量的减少主要发生在黄区。随着1103S和武金 4B叶片复绿,其 Chl含量也迅速回升,接
近对照水平。另从 Chl a/ b 值的变化也反映, “斑马叶”性状表达及复绿全过程, Chl a 和
Chl b的消长不同步, 与对照武金 3B相比也存在明显差异(表 1)。以上结果表明: 叶片间
断失绿,“斑马纹”出现主要是因为叶绿素的降低所致, 叶绿素含量的下降、上升与“斑马
纹”的出现、消失相一致。
表 1　性状表达过程中叶片叶绿素含量和叶绿素 a/ b值的变化
Table 1　Changes o f Chl content and Chl a/ b in the leaves during
the per iod o f appear ing zebra-leaf char acter ( mg / g FW)　
品种
Variety
色素
Pig ment
时期　　　S tage
B E Z G
1103S
Chl
Chl a
Chl b
Chl a/ b
3. 089±0. 120
2. 355±0. 069
0. 734±0. 004
3. 207±0. 012
1. 502±0. 032
1. 065±0. 136
0. 437±0. 005
2. 435±0. 033
0. 971±0. 001
0. 650±0. 009
0. 321±0. 002
2. 023±0. 101
3. 245±0. 036
2. 475±0. 010
0. 770±0. 004
3. 214±0. 129
武金 4B
Wu jin 4B
Chl
Chl a
Chl b
Chl a/ b
2. 703±0. 057
2. 082±0. 186
0. 621±0. 021
3. 353±0. 010
2. 031±0. 134
1. 438±0. 001
0. 593±0. 003
2. 424±0. 105
1. 427±0. 076
0. 953±0. 008
0. 474±0. 001
2. 011±0. 014
3. 239±0. 093
2. 527±0. 087
0. 712±0. 040
3. 547±0. 156
武金 3B
Wu jin 3B
Chl
Chl a
Chl b
Chl a/ b
2. 831±0. 260
2. 211±0. 032
0. 620±0. 001
3. 565±0. 124
2. 314±0. 180
1. 713±0. 010
0. 601±0. 003
2. 850±0. 040
2. 715±0. 132
2. 104±0. 021
0. 611±0. 006
3. 442±0. 221
3. 507±0. 143
2. 764±0. 202
0. 743±0. 138
3. 719±0. 236
　　注: B、E、Z、G 分别代表降温前、降温结束、“斑马叶”表现、复绿。
　　Note: B. Before temp erature declined; E. End of temperature decl ined
Z.Zebra-leaf appeared; G. Re-gr eening.
2. 3　性状表达过程
中叶绿体超微结构
降温前, 武金
4B、1103S 的叶片
与对照武金 3B 一
样, 表现为一致的
绿色, 其叶绿体结
构无明显差异, 多
呈梭形或椭圆形,
在 5 环复式细胞
中,常有 13～18 粒
(多则 20 余粒 ) 叶
绿体, 每个叶绿体
有完整被膜包裹;
基粒丰富, 基质浓
厚, 并含有少量淀
粉粒(图版Ⅰ: 1)。此
外,根据 Goodenough 等改进的 Feichler-Zallen 法 [ 9] , 对武金 4B随机检测 100个基粒片
层,并进行统计。结果表明,每个叶绿体低片层( 10个片层以下)组成的基粒垛叠所占比例
为 50. 6% ,由多片层( 20个片层以上)组成的基粒垛叠占 18. 7%。对 1103S 和武金 3B 的
观察结果基本一致。降温结束后,叶绿体中基粒片层有所减少,但叶绿体形态未发生改变
(图版Ⅰ: 2)。
“斑马叶”性状表达期, 在叶片的失绿变黄部分,叶绿体体积变小、形状改变、被膜模
糊,内部基粒和片层明显减少, 整个片层系统的排列表现一定程度的紊乱,有的甚至退化
解体形成空泡,而淀粉粒明显增多(图版Ⅰ: 3)。有些叶绿体内基粒片层模糊,仅有少数低片
层基粒,几乎看不到多片层的基粒,但嗜锇粒明显(图版Ⅰ: 4)。还有些叶绿体成为囊泡状,
几乎看不到片层结构, 基质稀疏,电子透明度大(图版Ⅰ: 5) ,表明结构已经退化。而绿色部
分与降温结束后相似, 叶绿体的基粒和片层数比低温前有所减少, 有少量嗜锇粒和淀粉粒
(图版Ⅰ: 6) ,说明同一叶片的绿色部分保持基本正常的光合功能。
随着叶片失绿部分的复绿, 叶绿体内片层出现并增多,多片层基粒的比例增大,基粒
3　第 1期　　　　　　　　　 　何瑞锋等:水稻温敏叶绿素突变体叶片超微结构的研究
数目渐多且按同一方向排列,并有少量淀粉粒存在(图版Ⅰ: 7)。表明叶绿体的光合能力逐
渐恢复。完全复绿的部分, 其叶绿体结构与对照基本相似。
3　讨论
目前已发现的叶绿素突变体主要包括缺总 Chl型和缺 Chl b 型[ 10]。水稻武金 4B 和
1103S“斑马叶”性状表达期,总Chl含量急剧下降, Chl a 和Chl b均减少(表 1) ,表明该突
变体属于阶段性缺总 Chl型的。导致叶片间断失绿呈现“斑马叶”的主要原因可能是叶绿
素代谢异常所致。
叶绿体结构的观察结果与叶绿素含量的测定结果基本一致。失绿区叶绿体结构退化,
叶绿素含量减少, 复绿后叶绿体结构重建, 叶绿素含量上升。说明叶绿素的形成与叶绿体
的结构密切相关。Li(李继耕)等在研究大麦黄花突变体的叶绿体超微结构时发现,突变体
的叶绿体中基粒数目和基粒垛叠层数明显减少,片层排列系统出现紊乱等[ 3]。但这种叶绿
体的改变在正常环境条件下是不能恢复和重建的,也即不能正常复绿。苏小静等在小麦返
白系的研究中发现,该突变系在由绿变白,再由白变绿过程中,伴随有叶绿体结构的严重
退化和重新修复过程, 随叶片复绿,基粒片层出现并增多[ 11]。我们对武金 4B和 1103S“斑
马叶”性状表达整个过程叶绿体的观察结果与他们的研究基本一致,但“斑马叶”性状所表
现的形态特征及出现的温度条件与小麦返白系是明显不同的。
我们还观察到,“斑马叶”性状表达期叶片失绿部分的叶绿体内淀粉粒明显增多(图版
Ⅰ: 3)。左宝玉、马淑英等分别对谷子和藻类等叶绿体超微结构的研究中发现类似现
象[ 12 , 13]。这可能是类囊体膜构像或嵌于膜上的组分发生变化(已发现失绿区缺少一种特
异蛋白,另文报道)而致使前期正常光合作用形成的淀粉粒不能及时地转运。因为淀粉粒
的及时转运需要 ATP 等能量源源不断地供给, 而产生 ATP 的部位是在基质类囊体膜
区。这也许是有些报道认为淀粉粒积累会改变叶绿体的结构和功能[ 14]或使光合膜受到一
定的损伤而变形[ 15]。在失绿前和复绿后的叶绿体中也有淀粉粒存在, 但数量相对较少。说
明复绿的叶片光合作用功能和淀粉的转运能力得到恢复。此外,在失绿部分的叶绿体中还
发现嗜锇粒增多(图版Ⅰ: 4) , 可能是由于平时以储存的方式存在并结合于膜中的脂类物
质,当膜破坏或解体时它又以游离的方式出现在叶绿体基质中的缘故。
叶绿素突变体在高等植物的光合作用、叶绿素的生物合成、叶绿体的遗传、分化和发
育等研究中具有重要意义[ 9]。武金 4B 和 1103S 这种特殊的温敏转绿型突变特性,是一种
基因发育过程中表达的特异性状,所以, 它有可能成为研究基因表达调控、叶绿体的结构
和功能关系以及育种上选育或转育带遗传标记性状的良好材料。
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图 版 说 明
图版Ⅰ: 武金 4B“斑马叶”性状表达过程中叶绿体超微结构观察。G:基粒; O :嗜锇粒; S:淀粉粒; V :囊泡。　 1.低温处
理前的叶绿体( 30 000×) ,示多片层基粒和淀粉粒; 2. 低温处理后的叶绿体( 32 000×) ; 3.性状表达期失绿区叶绿体
( 36 000×) ,示基粒退化,淀粉粒增多,有空泡出现; 4.性状表达期失绿区叶绿体( 32 000×) ,示基粒为低片层结构或退
化,嗜锇粒增多; 5.性状表达期失绿区叶绿体( 32 000×) ,示片层退化,基质稀疏; 6.性状表达期绿区叶绿体( 30 000×) ,
示基粒正常存在; 7.复绿后叶绿体( 40 000×) ,示多片层基粒和淀粉粒
Explanation of plate
Plate Ⅰ: Ob ser vat ion of chloroplast u lt ras t ructure of Wuj in 4B. G: granum ( pl . grana ) ; O : osmiophilic globule; S:
starch g rain ; V: vesicle. 　 1. Chloroplast before cold shock , show ing grana of more lamellae and s tarch grain in th e
ch loroplast ( 30 000×) ; 2. Chloroplas t af ter cold shock ( 32 000×) ; 3. C hloroplast of the yel low part , show ing m ore
starch grains and vesicles ( 36 000×) ; 4. Ch loroplast of the yellow part , sh ow ing grana lam ellae decreased or dis inte-
grated and number of osmiophil ic globule incr ease ( 32 000×) ; 5. Ch loroplast of the yel low part , sh owin g thylakoid
sys tem degenerated or disappeared an d st roma w ith high elect ronic density ( 32 000×) ; 6. Chloroplas t of the green part
during zebra-leaf express ion, show ing normal g rana ( 30 000×) ; 7. Ch loroplast af ter the recovery th e yel low part into
green, show ing g rana and s tarch grain ( 40 000×)
5　第 1期　　　　　　　　　 　何瑞锋等:水稻温敏叶绿素突变体叶片超微结构的研究