全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(11): 2122−2130 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家航天育种工程(发改高技[2003]138 号), 国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2012AA101202), 农业部农业公益性行业
科研专项(201103007)和国际原子能机构项目(CRP14195和 RAS5056)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 刘录祥, E-mail: luxiang@263.net.cn, Tel: 010-62122719
Received(收稿日期): 2012-04-19; Accepted(接受日期): 2012-06-20; Published online(网络出版日期): 2012-09-10.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120910.1359.019.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.02122
小麦叶绿素缺失突变体Mt135的叶绿体基因差异表达分析
夏家平 郭会君 谢永盾 赵林姝 古佳玉 赵世荣 李军辉 刘录祥*
中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程 / 国家农作物航天诱变技术改良中心, 北京
100081
摘 要: 小麦叶绿素缺失突变体 Mt135 自交后代稳定表现绿株、条纹株和白化株 3 种类型, 其中条纹株白色组织和
白化株的叶绿体数目和结构发生突变, 完全失去光合能力。为研究该突变体叶绿体基因表达与光合作用的关系, 采用
实时荧光定量 PCR技术, 分析了白化株和条纹株的叶绿体基因表达。在白化株中共检测到 40个差异表达基因, 涉及
4 类功能(编码光反应相关蛋白、编码叶绿体内能量代谢相关酶、核糖体合成和 tRNA 合成), 包括 18 个上调表达和
22个下调表达基因; 在条纹株中共检测到 13个上调表达基因, 其表达变化趋势与在白化株中一致。白化株的差异表
达基因中, 编码光系统 II、I结构蛋白的 psb、psa和 ycf等基因家族的基因表达量显著下调; 多个编码核糖体蛋白大、
小亚基的基因表达量改变, 尤其是核糖体蛋白小亚基编码基因 rps14和 23S rRNA的编码基因 23S rDNA表达量显著
下调。推测 Mt135突变性状与参与光反应相关蛋白的编码基因、叶绿体内能量代谢相关酶的编码基因、核糖体合成
相关基因以及 tRNA合成相关基因表达量的改变密切相关。
关键词: 小麦; 叶绿素缺失突变体; 叶绿体基因; 表达差异
Differential Expression of Chloroplast Genes in Chlorophyll-Deficient Wheat
Mutant Mt135 Derived from Space Mutagenesis
XIA Jia-Ping, GUO Hui-Jun, XIE Yong-Dun, ZHAO Lin-Shu, GU Jia-Yu, ZHAO Shi-Rong, LI Jun-Hui, and
LIU Lu-Xiang*
Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement /
National Center of Space Mutagenesis for Crop Improvement, Beijing 100081, China
Abstract: The leaf color of chlorophyll-deficient mutant Mt135 (Triticum aestivum L.) shows albino, striped, and green pheno-
types. The number and structure of chloroplasts in the albino plant and albino tissue of striped plants are significantly different
from those in the wild type, which results in the complete loss of photosynthetic function in albino plant/tissue. The expression
alteration of chloroplast genes in young seedlings of albino Mt135 and wild type was studied using RT-PCR technique, and 40
genes were identified to be differentially expressed in the albino plant/tissue, including 18 genes up-regulated and 22 genes
down-regulated. These genes categorized into four groups encoded proteins responding photoreaction (31%), enzymes of energy
metabolism in chloroplast (27%), ribosome biogenesis (25%), and tRNA biosynthesis (17%). The alteration trends of 13
up-regulated genes detected in the striped plants were similar to those in albino seedlings. Among these differentially expressed
genes, gene families of psb, psa, and ycf encoding structural proteins of photosystem II and I were down-regulated significantly,
genes encoding ribosomal protein subunits were altered, especially expressions of gene rps14 encoding small ribosomel subunit
protein and 23S rDNA encoding 23S rRNA were down-regulated significantly. It was concluded that the differential expression of
these genes related with proteins responding photoreaction, enzymes of energy metabolism in chloroplast, ribosome biogenesis
and tRNA biosynthesis may induce the phenotype of mutant Mt135.
Keywords: Triticum aestivum L.; Chlorophyll-deficient mutant; Chloroplast gene; Differential expression
叶片是植物光合作用的主要器官, 叶片的突变对光
合作用及整个生长过程都有重要的影响。研究叶色突变体,
尤其是细胞质基因突变引起的叶色突变体 , 发掘与叶绿
体形成相关的新基因并研究其功能 , 对揭示叶绿素合成
第 11期 夏家平等: 小麦叶绿素缺失突变体 Mt135的叶绿体基因差异表达分析 2123


与降解途径具有重要意义。
目前, 已在水稻[1]、大豆[2]、玉米[3]、棉花[4]、油菜[5]、
大麦[6]等多种作物中鉴定出大量叶绿素缺失突变体, 且大
多受细胞核基因控制[7]。小麦(Triticum aestivum L.)是异源
六倍体植物, 基因组复杂, 已经报道的叶色突变体尤其是
细胞质基因控制的叶绿素缺失突变体较少[8]。小麦返白系
是较早发现的细胞质基因控制的叶绿素缺失突变体 , 已
对其进行了生理和蛋白质组学研究[9]。返白初期叶绿素合
成中间物含量减少尤其是尿卟啉Ⅲ含量最低 , 阻碍叶绿
素的合成, 从而导致返白期叶绿素总量下降; 同时返白过
程中叶绿体前质体发育停滞 , 质体内部结构不能形成甚
至退化, 造成叶片白化[10-11]。返白过程中蒸腾、光合作用
及呼吸作用的代谢水平下降, 植株的生理活动减弱[13]。突
变体表达差异蛋白的功能涉及碳循环、能量代谢、应激反
应和信号传导 4个方面[9], 目前尚不明确细胞质基因与小
麦返白系叶绿素缺失性状的内在关系。
植物叶绿体基因组高度保守, 是重要的细胞质基因,
已鉴定出大量参与叶绿体形态建成和光合作用的叶绿体
基因。YCF12 蛋白是叶绿体中的一个低分子量疏水跨膜
蛋白, 由叶绿体基因 ycf12 编码, 参与光系统 II 核心复合
物的形成。psbZ 基因编码蛋白通过稳定 PsbK 和 YCF12
蛋白, 从而保证光系统 II复合物功能的完整。该基因缺失
后, 植株的类胡萝卜素含量下降[13-14]。叶绿体内蛋白水解
酶由叶绿体 ClpP 基因和一个核基因家族共同编码, ClpP
基因参与叶绿体发育的一系列过程 , 对植株成活起着不
可替代的作用。ClpP基因缺失后, 植株叶片畸形, 叶绿体
类囊体膜流动及前质体的分化均受到抑制[15]。参与编码
核糖体蛋白的叶绿体基因 rps2、rps4和 rpl20缺失后, 烟
草植株不能正常生长。rpl33 基因缺失后, 植株在低温逆
境中生长受到显著抑制[16]。同时, 叶绿体基因也参与植株
不同生育时期的调控。Siniauskaya等[17]研究发现, 小麦不
同生长阶段的叶绿体基因表达量差异显著, 其中 PSI 和
PSII编码基因表达量改变最为明显。小麦叶绿体基因组信
息的公布加速了小麦叶绿体基因组结构和系统发育学的
研究 [18-19], 但是将小麦叶绿体基因组信息应用于突变体
的研究则鲜有报道。
Mt135 是经“实践八号”育种卫星搭载处理获得的小
麦叶绿素缺失突变体 , 叶绿素缺失性状受核基因与细胞
质基因共同控制 [20], 叶色性状及遗传方式均与小麦返白
系不同, 是一种特独的叶色突变类型。该突变体条纹株自
交后代稳定分离出绿株、白化株和条纹株 3种表型。条纹
株白色组织和白化株叶绿体数目在苗期和拔节期减少 ,
基粒类囊体数减少或消失, 基质类囊体清晰可见, 并在抽
穗期出现空化叶绿体[21]。对该突变体叶绿体基因组的基
因表达进行系统分析有助于揭示小麦叶绿体基因表达与
光合作用的关系。本研究以 Mt135 的白化株和条纹株为
材料 , 根据 NCBI 数据库 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
nuccore/13928184)中小麦品种中国春的叶绿体基因组信
息, 采用实时荧光定量 PCR 技术, 检测叶绿体基因在突
变体和野生型之间的表达差异 , 旨在分析叶绿体基因表
达与光合作用的关系 , 解析小麦叶绿素缺失对叶绿体形
态建成与光合作用的影响。
1 材料与方法
1.1 植物材料
2011年 10月, 随机取套袋自交的突变体Mt135及其
野生型 60135的种子各 100粒, 于 21℃发芽床培养 7 d, 取
白化株和条纹株的整张叶片 , 迅速经液氮冷却 , 用于
RNA提取。取样设 3次生物学重复。
1.2 RNA提取、纯化与反转录
利用 Trizol试剂盒(北京天根生化), 按说明书步骤提
取小麦叶片总RNA, 然后用DNase I (RNase free, TaKaRa)
去除 RNA样品中的 DNA。用 Nanodrop 2000分光光度计
(Thermo, 美国)测定 RNA 浓度, 以 0.8%琼脂糖凝胶电泳
检测 RNA的纯度和完整性。参照 iScript cDNA Synthesis
Kit (Bio-Rad, 美国)反应体系, 每样品取 1 µg总RNA进行
反转录。
1.3 引物设计及筛选
根据 NCBI 提供的中国春小麦叶绿体基因组信息
(GenBank登录号为 AB042240), 采用 Beacon Designer7.9
软件对 80 个叶绿体基因设计引物, 分析融解曲线, 选出
峰值单一的引物, 并用 2%琼脂糖凝胶电泳检测其 PCR产
物, 经标准曲线分析, 选择扩增效率在 90%~110%之间的
67 对引物为特异引物(表 1)。这 67个叶绿体基因包含 2
个 rDNA基因、6个 tRNA编码基因、55个蛋白编码基因
和 4 个开放读读码框。采用多内参法 [22]检测目标基因的
相对表达量, 3个内参基因分别是 Gapdh (F: 5′-TTAGACT
TGCGAAGCCAGCA-3′; R: 5′-AAATGCCCTTGAGGTTT
CCC-3′)、β-Actin (F: 5′-GTAGGAAATGGCTGACGGTG-3′;
R: 5′-ATGCTAGGGAAAACAGCCCT-3′)和 18S (F: 5′-CC
ATCCCTCCGTAGTTAGCTTCT-3′; R: 5′-CCTGTCGGCC
AAGGCTATATAC-3′) [23-24]。由生工生物工程(上海)有限公
司合成所有引物序列。
1.4 实时荧光定量 PCR检测
在 BioRad CFX96 荧光定量 PCR 仪(BioRad, 美国)
中进行扩增反应。采用 SsoFast EvaGreen Supermix试剂盒
(BioRad, 美国), 反应体系含 2×SsoFast EvaGreen Super-
mix 10 μL, 上、下游引物(10 μmol L−1)各 0.8 μL, 模板
cDNA (50 ng L−1) 1 µL, 超纯水 7.4 µL。反应程序为: 95℃
预变性 10 min; 94℃变性 5 s, 退火 5 s (由温度梯度实验确
定), 45 个循环。绘制熔解曲线时, 先将样品从 65℃加热
到 95℃, 然后温度每下降 0.5℃停留 1 s 检测荧光强度。
每样品 3次重复。
1.5 数据分析
利用 CFX96 系统软件采集和分析实时荧光数据, 以
2−ΔΔCT值表示相对表达量[25], 选择相对表达量相差 1倍以
上的基因。用 SAS8.0软件分析数据的差异显著性。
2124 作 物 学 报 第 38卷

表 1 用于分析叶绿体基因表达差异的基因及其引物序列
Table 1 Genes and their primer sequences used in chloroplast gene expression
引物序列 Primer sequence (5′–3′) 基因
Gene 正向 Forward 反向 Reverse
psbA CCTCATTAGCAGATTCAT CAGAGCATAACATCCTTA
psbB GGCTTATTCCATCTTAGTG CCATACCACATAGTTCCA
psbC GGATTGTTAGTGTAGATG GCTGTATTATTGAACCAT
psbD ACTATGGATGACTGGTTAC AAGCGAAATAAGCACAAG
psbE GCCTAAGACTTCCAAACAC ATTCATAGCATTACTATACCTTCC
psbH CCGTTGAAGATAGTTCTA TAAAATTCCGTCCAGTAA
psbI ATGCTTACTCTCAAACTTT GTCCTGGGTCATTAGATA
psbK TCTGTTATTTATCCGACTA AAGAATAGAGGTATGACA
petB TCCTCGGTTCAATACATAA ATCATACTTGCTGACCAT
petD ATACCAACTAATCAAGAGACAT GCACCTACAACTACTCATT
psaA ATAATGCTCAAGGCTCTA ATTCAGTCTTATGGTTCTTC
psaB GCCAATACATTATCCTCAT CATTCATAGCACAAGACT
psaC TACATAAGATAGAGCCATG ATGTAAAGCCAAGCAAAT
ycf3 ATAGAGCCTTCGTTCAAAT TAAGCAGCGGTGTAGTAT
ycf4 GGGTCGTGATGTCTTTCTA TAACCACTACCTACATTC
ycf5 TACCTGCTCTACAATCTC ATGACACGATAACTCCAA
ycf9 CTTCCTCAGTCTTAGTAAT TAGTCCAATCCATAATGA
atpA TTAGGCGAAGGAAGTATG TGGAGATTACATTAGTAGGA
atpB ATCACTTCCATTCCTCTCA TAGAGACACTGACGATAAG
atpE GTATTCTCAAAGGACCCAT GGATTGTGAGGTGAAAGA
atpF TGCGTAGAGGGACCATTGA CAGAGTATCCATTCATTCG
atpH TCTATTGGACCTGGAGTT TTTACCTTCTGCTTCTGG
atpI AGTCGTTGTTGTTCTTGTT GCTTGAATACCGCTTGT
clpP AACTTTGTGTAACTCTTCTA AGGATTATGCTTCACCAA
infA ATCTTCGCTATCCTTCAA AGTCGTTATGATTCAAGCA
ndhA AAGTTGAGAAGAGGTTGTTA CCGAGGATGAGAATGGAT
ndhB AATCCTTCATCAGTGGTTG AAGAATCGGACTAATGAC
ndhC AACCAACAACTAAGATAAG AGCCTTATTCCTATTTTGG
ndhD TGACAGCATAAGCAATAAGGAA CCAACGAACCAGGATTAGATT
ndhE CTATTACGATGGATGGAA AATCTAAATCTCGTAACAT
ndhF CACTCTTCGTTGTTGATA TCCTTAGTAATAGTTGGTT
ndhG CCATCTCCAATAGTCCAATA GTCGCACAACTTCTTATTT
ndhH ATTGGTTGTAAGACTCATA TTATTAGCGGAGAAGAAG
ndhI ACAAACTCCGAAATCAATAC ATAACGATTCACTACCCTT
ndhJ CTACATCATAAGCACATTGG ATCACCGAGGAATAGAGA
ndhK TAGATGGTGATTGATAGA TGTTCGGGGAGTTGATAAG
rbcL GCCTACTTCTTCACATTCAC CCTTCTAACTTACCTACTACTG
rps2 ATGATAGAAGCAGGAGTT TAACATACCACTGAACCA
rps3 TCGGAACTTGAGTCTGAT TCGGAAGGTCTACAGGAA
rps8 AAGTTGAAACCAAGAAATA AGGACACTATTGCTGATT
rps11 CGGCATAGGTGTTACATC GCTGGTAGTGGAAGAGAT
rps12 TTCCTCCTCTTACTAATACTACA AAACCCAACTCTGCCTTA
rps14 CGATGAAGGCGTGTAGGT GGAGAAGAAGCGGCAGAA

第 11期 夏家平等: 小麦叶绿素缺失突变体 Mt135的叶绿体基因差异表达分析 2125


(续表 1)
引物序列 Primer sequence (5′–3′) 基因
Gene 正向 Forward 反向 Reverse

rps15 ACCAATAAGATACGGAGACT CCAAATAAGCCAGCAAAC
rps16 TCAAGGAAATAGAGAATAGC TGTCTATCGAATCGTTGC
rps16-1 GGACGAATAGAACAGACT AAACGATGTGGTAGAAAG
rps18 CGTTTCGTAACTATGAGA CATCAACAATCGGAACTTA
rps19 AACGACGAGATTTAGTAT TATGAAGGAGGAGAAAGAA
rpl2 GAATCGTAACCATAGAATCC GAAACAATAGTATCTCCAAT
rpl14 CATTGTCATCATAGCGGA GATGTTATTGTTGCTGTA
rpL16 ATTCATAGACCATACATAGTG CCTATTGCTTCGTATTGT
rpL20 TTGGAAATCGTGTAAAGA GAGATAGAGGTAGGCAAA
rpl22 GAATCTCGTCAAGAACTCT AAAGTGGGCTAAGGAAAC
rpL23 TAGAAGTGGAATAGAATAAC GGGATTCACTAAGACAGA
rpL33 AAGGTGCCAATGAGGAAT TCGTGATGAGTCGTATGC
16S rDNA GACACTGAGAGACGAAAG ATGTCAAGCCCTGGTAAG
23S rDNA GATTGTCACTGCTTATGG ACCTCTGCTTAGTTTCAT
trnA CAACGATAGACAATAACTC AGGGCAATCACTCGTTCT
trnG CTAAATCCATCTAATCTACTT TAGAACCATCCGCATA
trnI CCTTATCAGTGTATGGAGAG TGTGAAGATGCGTTGTTA
trnK ATTCTGCTGATACATTCG TCAACAATACTTCGTCTAC
trnL GTATTGAGCCTTGGTATG TTCCACTAACAACACAAC
trnV ATCAGTTAGTCCACCATA TAGGCGTAATGAGGATAA
rpoA GGAAGGCGGTAAGATGATA AGCAGGTATTGAAGAATCC
rpoB GAATGCTAAGGAGAAGAAG CTCGTGGTAACAAGAATG
rpoC1 ACTCTGCTTGGGAAACGG CTGTATGCCTAATCTATGC
rpoC2 TAGACGGAACTGGTATGA ATGTAGTAGTGGCTTGATG

2 结果与分析
2.1 差异基因及其分类
在白化株与野生型之间共筛选出差异表达基因 40 个,
分属 13个基因家族, 主要涉及 4种功能。以编码光反应相
关蛋白的 psb、pet、psa和 ycf基因家族数量最多; 其次是
atp、clp、ndh、rbcL 基因家族和 rps、rpl、rDNA 基因家
族 , 分别编码叶绿体内能量代谢相关酶和参与合成叶绿
体核糖体; 数量最少的是编码 tRNA 合成相关基因的 trn
和 rpo基因家族(图 1)。
在检测到的 40 个差异表达基因中, 有 22 个下调表达,
18个上调表达。不同基因间表达量差异幅度不一致, rpoB
基因表达量差异最大, 上调达 33 倍。条纹株中共检测到
13个差异表达基因, 均为上调表达, 差异基因表达量均上
调 2倍以上, 这些差异基因在白化株中亦上调表达。
2.2 差异基因表达分析
2.2.1 光反应相关蛋白编码基因 在白化株中, 编码
光系统 II和 I蛋白复合物的 psb和 psa基因家族的 8个基
因均下调表达, 编码细胞色素蛋白的 petB 基因下调表达;
3 个开放阅读框中, 除 ycf3 上调表达以外, 其余 2 个基因
均下调表达。在条纹株中, 该组基因表达量均无显著变化
(图 2-A)。



图 1 差异表达基因功能分类
Fig. 1 Function of differential expressed genes
每类功能后百分数表示该类基因占差异基因总数的比例。
The percentages in parentheses indicate the proportion of the type
of genes to the total differentially expressed genes.
2126 作 物 学 报 第 38卷



图 2 小麦叶绿素缺失突变体 Mt135与野生型差异表达基因的分类及其相对量
Fig. 2 Types categorization and relative expressions of differentially expressed genes between chlorophyll-deficient wheat mutant
Mt135 and its wild-type
A: 光反应相关蛋白编码基因; B: 叶绿体内能量代谢相关酶编码基因; C: 叶绿体核糖体的编码基因; D: 叶绿体 tRNA合成相关基因。
图中误差线表示 3次生物学重复的标准误。*表示突变体与野生型有显著差异(P < 0.05)。
A: Genes encoding light response protein; B: Genes encoding enzymes of energy metabolism in chloroplast; C: Ribosome biogenesis genes;
D: Genes involved in tRNA biosynthesis. Error bars show the standard errors of three biological repeats.
* Significantly different between mutant and its wild type (P < 0.05).
第 11期 夏家平等: 小麦叶绿素缺失突变体 Mt135的叶绿体基因差异表达分析 2127


2.2.2 叶绿体内能量代谢相关酶编码基因 在白化株
中, 4个编码 ATP合酶的 atp基因家族的基因均下调表达,
编码蛋白酶的 clpP 基因表达量则显著上调; 编码 NADH
脱氢酶的 ndh 基因家族中, 除 ndhB 上调表达外, 其余 4
个基因的表达量均下降; 编码 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/
加氧酶的 rbcL 基因表达量也显著下调。在条纹株中, atp
基因家族和 ndh基因家族的基因表达量均无显著变化, 而
clpP基因表达量显著上调(图 2-B)。
2.2.3 叶绿体核糖体的编码基因 在白化株中, 编码
核糖体蛋白小亚基的 rps家族的 6个基因中, 除 rps14外,
其余 5个表达量均上调。编码核糖体蛋白大亚基的 rpl14、
rpl22基因表达量均明显上调, 在 6~8倍之间, rpl2基因的
表达量上调高达 10倍以上。编码 23S rRNA的 23S rDNA
基因表达量显著下调。在条纹株中, 核糖体大亚基编码基
因 rpl2、rpl14和 rpl22表达量也显著上调。6个核糖体小
亚基编码基因中, 仅有 rps3、rps11 和 rps19 表达量上调,
其余基因表达量则无显著变化(图 2-C)。
2.2.4 叶绿体 tRNA合成相关基因 在白化株中, 此组
基因均上调表达, 其中, 编码转运 RNA 的 trnA 和 trnI 基
因表达量上调 2~4 倍, 而 trnK 基因表达量上调高达 23.7
倍。编码转运 RNA 聚合酶的 rpo 族 4 个基因表达量显著
上调, 其中, rpoB基因的表达量上调高达 33.3倍。在条纹
株中, 3个转运 RNA编码基因中, trnI和 trnK基因表达量
显著上调。编码转运 RNA 聚合酶的 rpo 族基因表达量均
显著上调, 以 rpoB基因的表达量上调幅度最高(图 2-D)。
3 讨论
3.1 光反应相关蛋白编码基因表达量的改变影响叶绿体
光系统的形成
光合作用中吸收光能并传递电子, 主要涉及电子传
递链的 PSII、细胞色素 b6f蛋白复合物和 PSI三部分。此
类基因对叶绿体结构和功能的完整起着重要作用。叶绿体
psbA、psbB、psbC和 psbD基因用于编码光系统 II核心复
合物, psbE用于编码细胞色素 b559的 α亚基。petB基因编
码细胞色素 b6f蛋白复合物的核心组分 b6蛋白[26], 叶绿体
psa族基因编码 PSI合成相关亚基[27], 其中, PsaA和 PsaB
蛋白结合形成光合电子传递链的最初电子供体 P700 [28]。
本研究显示, Mt135白化株中此类基因均下调表达。关于
此类基因在光合作用过程中的作用的研究已有较多报道。
抑制 psbA 基因转录后, 灌浆期小麦植株的 PSII活性和电
子传递速率降低[29]。细胞色素 b559参与光系统 II 核心复
合物的形成, 是其结构稳定的必须组成成分[30]。psbM 基
因编码蛋白参与 PSII 的电子传递的起始过程, 该基因缺
失后, 植株 PSII 核心复合物 D1、D2 蛋白含量锐减, PSII
活性显著减弱[31]。psbTc基因编码蛋白参与 PSII的聚合作
用, psbTc 失活后, 烟草突变体内 PSII 二聚体含量显著下
降, 其中 PSII的 4.7 kD蛋白完全缺失[32]。在 petB基因表
达被抑制的植株内, 叶片 petB 基因的 mRNA 含量降低,
细胞色素 b6f蛋白复合物含量显著下降[33]。推测该类基因
的下调表达有可能阻碍 Mt135 白化株叶绿体内光合电子
传递链的形成和稳定 , 从而降低光合电子传递速率和光
系统活性。我们前期研究表明, 白化株叶绿体内膜结构具
严重缺陷, 基粒类囊体完全消失, 光合电子传递速率为 0,
失去光合能力[21]。
ycf 同源基因编码的产物在四吡咯合成和光合作用
中有多种作用 , 已发现了大量与光系统形成相关的该类
同源基因, 如参与 psbC 和 psbD 基因转录过程的 ycf9 基
因[34-35]、调节光系统内能量转移的 ycf27基因[36]、参与叶
绿素合成的 ycf53基因和编码叶绿素合成过程中镁原卟啉
环化酶主要亚基的 ycf59基因[37]以及编码 PSI重要亚基的
ycf3 和 ycf4 基因。ycf3 和 ycf4 基因失活导致突变体类囊
体膜上 PSI 不稳定, 含量减少且活性降低, 使植株不能正
常生长[28]。推测 Mt315 白化株叶绿体结构的缺陷以及叶
绿素缺失可能与该类基因表达量的改变有关。
3.2 叶绿体内能量代谢相关酶编码基因表达量的改变影
响叶绿体的能量供给
ATP 合酶是光合作用中的能量生成部位。编码 ATP
合酶 δ亚基的 atpD基因失活后, 植株 ATP合酶含量减少,
电子传递速率降低[38]。Shen等[39]发现 ATP合酶的半胱氨
酸残基被丝氨酸取代后, 其活性减弱, 降低细胞色素 C的
表达和生成。叶绿体 Clp蛋白水解酶在叶绿体内膜系统的
形成过程中起着降解蛋白和基因表达调节因子的作用[15]。编
码 Clp蛋白水解酶亚基的叶绿体 clpP1基因缺失后, 突变
体幼苗发育迟缓, 细胞核基因编码亚基不能替代其发挥作
用[40]。本研究中, 白化株的 clpP基因表达量上调, 促进了
蛋白水解酶的合成过程 , 这可能导致包含光系统蛋白复
合物、ATP 合酶、RBCL 酶和 NADH 脱氢酶在内的蛋白
降解的加强 , 打破叶绿体内的蛋白代谢平衡。白化株中
atp家族基因均下调表达, 可能导致白化株中 ATP合酶的
含量降低 , 包括光合电子传递在内的耗能过程不能正常
进行, 这与光反应相关蛋白表达结果一致。
3.3 叶绿体核糖体的编码基因表达量改变影响叶绿体内
的蛋白转译水平
核糖体由核糖体大、小亚基和核糖体 RNA组成, 是
核酸转译过程中的蛋白合成场所。高等植物叶绿体中含有
一组保守的核糖体蛋白编码基因 , 该类基因参与叶绿体
基因的表达和光合作用过程。敲除叶绿体核糖体小亚基编
码基因 rps18 后, 叶片发生不同程度的畸形并出现白化,
植株不能存活[41]; 核糖体大亚基编码基因 rpl36 缺失后,
叶片发育受到显著影响, 形态发生明显变化, 植株生长和
光合速率都显著下降 [42]; 此外 , 核糖体蛋白编码基因
rps2、rps4和 rpl20对细胞生长也有重要作用, rpl33可以
保证叶绿体的蛋白转译过程在低温条件下正常进行[16]。
本研究中, 白化株中多个编码核糖体蛋白大、小亚基
的基因表达量显著改变 , 推测该类基因表达量的改变影
响了核糖体的形成和功能行使。尤其是 rps14基因的下调
2128 作 物 学 报 第 38卷

表达, 可能导致该核糖体蛋白小亚基合成减弱, 抑制叶绿
体内核糖体的形成。此外, 白化株中编码 23S rRNA的基
因下调表达, 也可能导致核糖体的形成受到抑制, 叶绿体
内的蛋白转译过程受阻。这与相关蛋白编码基因的下调表
达结果一致, 电镜观察结果发现叶绿体内膜结构缺陷[21],
进一步说明叶绿体内蛋白含量降低。
3.4 叶绿体 tRNA 合成相关基因表达量的改变影响相关
氨基酸的合成
tRNA基因 trnA、trnI和 trnK分别编码丙氨酸-tRNA、
异亮氨酸-tRNA和赖氨酸-tRNA。我们发现这 3个基因在
白化株中均上调表达 , 推测白化株叶绿体核糖体蛋白转
译功能受到抑制, 导致 tRNA基因编码产物积累。
tRNA的合成需要 tRNA聚合酶的参与。植物叶绿体
中具有 4个 tRNA聚合酶基因, rpoA、rpoB、rpoC1和 rpoC2,
tRNA 聚合酶基因缺失后, 植株色素合成量降低, 质体内
膜系统发育不完整[43]。有研究表明, rpoB基因缺失后, 质
体中含有形状、大小不规则的囊泡, 缺乏进行光合作用所
必需的排列整齐的类囊体膜[44]。但我们发现白化株中该
类聚合酶基因表达量均显著上调 , 推测白化株中叶绿体
核糖体的蛋白质转译过程不能正常进行, tRNA 编码产物
大量积累, tRNA合成过程减弱, tRNA聚合酶消耗量减少,
导致 tRNA聚合酶编码基因表达量上调。
3.5 相关核基因对叶绿体形成发育的影响
叶绿体的形成及光合作用过程受到细胞核基因和细
胞质基因的共同作用。大量研究发现, 叶绿体中发挥作用
的功能蛋白 , 很多是由细胞核基因和细胞质基因共同编
码的, 细胞核基因 ndhM、ndhN 和 ndhO 编码产物是叶绿
体 NDH复合物高级结构的重要亚基[45]。拟南芥生长过程
中, 核基因编码的叶绿体核糖体循环因子 AtcpRRF 对种
胚的形成和叶绿体的形成具有重要作用[46]。光系统 I中的
PsaD、PsaH、PsaE、PsaF, 光系统 II 中的 PsbP、PsbO、
PsbR 以及细胞色素蛋白复合物中的 PetC 和 PetM 等蛋白
亚基均由细胞核基因编码[26]。叶绿体功能的发挥需要相
关核基因的调节 [48], 同时叶绿体基因的表达对细胞核基
因也有一定的反馈调节[48]。遗传分析表明, Mt135叶绿素
缺失性状受细胞核基因和细胞质基因的共同作用 [20], 本
研究仅分析讨论了叶绿体基因的差异表达与叶绿素缺失
性状的关系, 有关细胞核基因与 Mt135 叶绿素缺失性状
表达的关系有待进一步研究。
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