《南方农业学报》：植物叶色黄化突变分子机理的研究进展

南方农业学报 Journal of Southen Agriculture2017,48(8):1358-1366 IsSN 2095-1191: CODEN NNXAAB http://www.nfnyxb.com DOI:10.3969/ I.Issn.2095-1191.2017.08.05 植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 刘新亮!,李先民2,何小三,邱凤英!,章挺 (江西省林业科学院,南昌330032;2广西农业科学院花卉研究所,南宁530007 摘要:植物叶色黄化突变具有突变频率高、易鉴别等特点,不仅是基础研究的理想材料,在品种选育和改良中也 有重要的利用价值。文章从叶绿素生物合成、血红素代谢、叶绿体发育及叶绿体蛋白代谢等方面,对植物叶色突变相 关基因的功能和作用机理进行综述,发现目前对叶色突变分子机理的研究主要集中在叶色突变相关基因功能方面 针对质核信号转导、转录因子及调控元件的研究较少,因此,今后在相关研究中可利用叶色突变体这一理想材料分析 鉴定相关基因功能及其互作关系,从对单一基因的研究转向对多个基因甚至功能基因组的系统研究,尤其加强对质 核信号转导、转录因子及调控元件的研究;叶色突变体作为作物品种改良的一类特殊种质资源,可通过人工诱导方式 增加植物突变频率,在较短时间内获得大量叶色突变体,应用于基因功能及基因间的互作关系等研究,为黄叶植株的 选育和遗传改良提供参考 关键词:叶色黄化突变;叶绿素合成;叶绿体发育;叶绿体蛋白代谢 中图分类号:S311 文献标志码:A 文章编号:2095-1191(2017)08-1358-09 A review: Molecular mechanism of plant vellow leaf mutation LIU Xin-liang, LI Xian-min, HE Xiao-san', QIU Feng-ying, ZHANG Ting (Jiangxi Academy of Forestry, Nanchang 330032, China: Flowers Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China) Abstract: Yellow leaf mutation are ideal materials for basic research with high mutation frequency and easily identi fied in nature. They also have important value in variety breeding and improvement. Functions and mechanisms of genes related to leaf color mutation were reviewed from perspectives of chlorophyll synthesis, heme metabolism, chloroplast development and chloroplast protein metabolism. The current researches on mechanism of leaf mutants focused on the functions of genes related to leaf color mutation, but nucleoplasm signal transduction, transcription factor and regulatory element were only studied by a few. Therefore, in the future, leaf mutants, which is ideal materials, can be used to study the function of the related genes and their interactions, and switch the research from single gene to multiple genes or even functional genomes, especially strengthen the study in nucleoplasm signal transduction, transcription factor and regulato- ry element. As a special germplasm resource, leaf mutants can increase plant mutation frequency through artificial induc- ion, obtain large amount of leaf mutants within short period of time and apply them into the study in interactions between gene functions and genes, and proude reference for yellow leaf plants breeding and gentic improvement Key words: yellow leaf mutation; chlorophyll synthesis; chloroplast development; chloroplast protein metabolism 0引言 斑、白黄和白绿等类型( Sanjaya,2009; Vairam et 植物叶色突变是植物在生长过程中叶色发生al,2014)。1933年, Killough和 Horlacher发现了陆地 变化的现象,由叶绿素合成受阻或降解加快所引棉( Gossypium hirsutum)芽黄突变体,但由于叶色突 起。植物叶色突变的种类较多,性状较明显,通过观变会造成作物减产甚至死亡,故被认为是有害突变, 察叶片颜色即可鉴别。根据叶色表型可将其分为白在当时未引起重视。自1948年 Granick利用小球藻 化、条纹、黄化、淡黄绿、淡绿、常绿、斑叶、紫叶、类病( Chlorella vulgaris)失绿突变体W验证原卟啉9是叶 收稿日期:2017-03-27 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFD0600605);江西省林业科技创新专项项目(201406);广西农业科学院基本科研业务 专项项目(2017YT47)。 作者简介:*为通讯作者,章挺(1981-),副研究员,主要从事林木栽培及育种研究工作,E-mal:zhangtycx@l63.com。刘新亮 (1986-)博士,主要从事观赏植物选育及栽培研究工作,E-mail: liuxinliang l988@163com

·1358· 南 方 农 业 学 报 48卷 0 引言 植物叶色突变是植物在生长过程中叶色发生 变化的现象，由叶绿素合成受阻或降解加快所引 起。植物叶色突变的种类较多，性状较明显，通过观 察叶片颜色即可鉴别。根据叶色表型可将其分为白 化、条纹、黄化、淡黄绿、淡绿、常绿、斑叶、紫叶、类病 斑、白黄和白绿等类型（Manjaya，2009；Vairam et al.，2014）。1933年，Killough和Horlacher发现了陆地 棉（Gossypium hirsutum）芽黄突变体，但由于叶色突 变会造成作物减产甚至死亡，故被认为是有害突变， 在当时未引起重视。自1948年Granick利用小球藻 （Chlorella vulgaris）失绿突变体W5验证原卟啉9是叶 收稿日期：2017-03-27 基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0600605）；江西省林业科技创新专项项目（201406）；广西农业科学院基本科研业务 专项项目（2017YT47）。 作者简介：*为通讯作者，章挺（1981-），副研究员，主要从事林木栽培及育种研究工作，E-mail：zhangtycx@163.com。刘新亮 （1986-），博士，主要从事观赏植物选育及栽培研究工作，E-mail：liuxinliang1988@163.com 植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 刘新亮1 ，李先民2 ，何小三1 ，邱凤英1 ，章 挺1* （1江西省林业科学院，南昌 330032；2广西农业科学院 花卉研究所，南宁 530007） 摘要：植物叶色黄化突变具有突变频率高、易鉴别等特点，不仅是基础研究的理想材料，在品种选育和改良中也 有重要的利用价值。文章从叶绿素生物合成、血红素代谢、叶绿体发育及叶绿体蛋白代谢等方面，对植物叶色突变相 关基因的功能和作用机理进行综述，发现目前对叶色突变分子机理的研究主要集中在叶色突变相关基因功能方面， 针对质核信号转导、转录因子及调控元件的研究较少，因此，今后在相关研究中可利用叶色突变体这一理想材料分析 鉴定相关基因功能及其互作关系，从对单一基因的研究转向对多个基因甚至功能基因组的系统研究，尤其加强对质 核信号转导、转录因子及调控元件的研究；叶色突变体作为作物品种改良的一类特殊种质资源，可通过人工诱导方式 增加植物突变频率，在较短时间内获得大量叶色突变体，应用于基因功能及基因间的互作关系等研究，为黄叶植株的 选育和遗传改良提供参考。 关键词：叶色黄化突变；叶绿素合成；叶绿体发育；叶绿体蛋白代谢 中图分类号：S311 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）08-1358-09 A review: Molecular mechanism of plant yellow leaf mutation LIU Xin-liang1 ，LI Xian-min2 ，HE Xiao-san1 ，QIU Feng-ying1 ，ZHANG Ting1* ( 1 Jiangxi Academy of Forestry，Nanchang 330032，China；2 Flowers Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning 530007，China) Abstract：Yellow leaf mutation are ideal materials for basic research with high mutation frequency and easily identi￾fied in nature. They also have important value in variety breeding and improvement. Functions and mechanisms of genes related to leaf color mutation were reviewed from perspectives of chlorophyll synthesis，heme metabolism，chloroplast development and chloroplast protein metabolism. The current researches on mechanism of leaf mutants focused on the functions of genes related to leaf color mutation，but nucleoplasm signal transduction，transcription factor and regulatory element were only studied by a few. Therefore，in the future，leaf mutants，which is ideal materials，can be used to study the function of the related genes and their interactions，and switch the research from single gene to multiple genes or even functional genomes，especially strengthen the study in nucleoplasm signal transduction，transcription factor and regulato￾ry element. As a special germplasm resource，leaf mutants can increase plant mutation frequency through artificial induc￾tion，obtain large amount of leaf mutants within short period of time and apply them into the study in interactions between gene functions and genes，and proude reference for yellow leaf plants breeding and gentic improvement. Key words：yellow leaf mutation；chlorophyll synthesis；chloroplast development；chloroplast protein metabolism DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2017.08.05 http://www.nfnyxb.com 南方农业学报 Journal of Southern Agriculture 2017，48（8）：1358-1366 ISSN 2095-1191；CODEN NNXAAB

刘新亮等:植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 1359 绿素合成前体以来,叶色突变体研究逐渐受到关注,酮戊酸(ALA),其反义转基因能降低油菜( brassica 尤其是叶绿素合成途径研究( Beale and Appleman,naps)叶绿素含量。Kim等(2005)诱导烟草(Ncon 1971)。近年来,叶色突变体被广泛应用于遗传模 ana tabacun)谷氨酰-tRNA合成酶( GluRS)基因沉 式、色素合成、光合作用、细胞结构与发育等基础研默,从而导致叶片呈严重的黄化表型,表明其表达量 究,已成为分子生物学和发育生物学的热点之 降低导致叶绿素含量降低。 Kumar和Soll(2000、 ( Wang et al,2014; Wu et al.,2014; Zhu et al.,2014; Hedtke等(2007)研究发现,谷氨酰-tRNA还原酶 Brestic et al.,2016)。在园林植物中,叶色黄化突变(HEMA)基因沉默会导致拟南芥叶绿素和血红素含 较为常见,将叶片呈现不同程度黄色的植物称金叶量降低,抑制HEMA/基因表达从而降低ALA和叶绿 植物,品种名常冠以 Aurea(种培芳和杨江山,素含量。 Ayliffe等(2009)在大麦( Hordeum vulgare) 2013)。金叶植物色彩明亮、观赏周期长、易形成大突变体0a3中发现,尿卟啉Ⅲ合酶(UROS)基因突 色块景观,在淡花季节起到以叶代花的作用,具有较变受发育调控,成熟叶呈坏死表型。 Tanaka等 高的观赏价值和特殊园林用途。因此,叶色黄化突(2011)研究发现,5-氨基酮戊酸脱水酶(ALAD)基 变植物已成为园林造景和道路绿化的首选物种,如因突变明显降低拟南芥植株中叶绿素含量,导致叶 金叶女贞( Ligustrum vicaryi)、金叶榆( UImuspumila片呈淡绿色。 cv. Jinye)、金叶国槐( Sophora japonica)、金边黄杨 镁螯合酶(MgCh)是由 Chll ChlD和ChH3个 ( Euonymus japonicus cv.Aueo-ma)等。叶色突变体亚基组成的蛋白复合体,催化Mg“与原卟啉IX形成 呈色是遗传因素和环境因素共同作用的结果,突变镁原卟啉ⅨX,是叶绿素生物合成的另一个重要调控 基因自发或受外界环境影响可直接或间接干扰叶绿位点,在叶绿素合成和叶绿体发育中起重要作用。 素合成及其稳定性,从而影响色素的含量及比例,最目前已有大量研究证实,叶色突变体多由镁鳌合酶 终导致叶片颜色异常。因此,遗传因素是叶色变异活性降低引起叶绿素合成受阻。Jung等(2003)研究 的根本原因。目前,叶色突变体调控基因研究主要发现,水稻突变体CHLH缺乏叶绿素,叶色表现黄绿 集中在少数模式植物和蔬菜作物上,其中对拟南芥色。 Zhang等(2006)研究发现,在水稻黄化突变体 ( Arabidopsis thaliana)和水稻(onη ca sativa)的研究 chlorina-/中镁原卟啉I含量显著低于对照,说明从 较透彻。本文拟从叶绿素合成、血红素代谢、叶绿体原卟啉X到镁原卟啉X的反应受阻,使叶绿素合成 发育及叶绿体蛋白代谢等方面,对叶色突变相关基减少;其表型是由CHLD基因错义突变引起,导致叶 因的功能进行综述,并剖析植物叶色黄化突变的分片中叶绿素含量下降。 Huang和Li(2009)对拟南芥 子机理,提出今后的研究方向,以期为黄叶植株的选T-DNA敲除突变体CHL/开展研究,结果发现CHL2 育和遗传改良提供参考。 在叶绿素合成过程中与CHL起到类似的作用。此 1叶绿素生物合成途径 外,参与叶绿素合成的其他酶基因突变体也有研究 报道。 Frick等(2003)研究发现,拟南芥双基因突变 叶绿素普遍存在于植物的绿色组织中,是绿色体PORB/PORC(编码POR蛋白)在子叶期呈致死的 植物中含量最多的色素,在叶片中常结合在叶绿体黄化表型,叶绿素a含量明显降低,叶绿体中含较多 的类囊体膜上( Kobayashi et al,2014)。叶绿素合成非堆积的类囊体膜。 Nakanishi等(2005)研究发现 与降解的主要场所是叶绿体,其代谢途径中任何基拟南芥淡绿突变体pcb2缺乏基粒片层结构,且乙烯 因突变均可能会影响叶绿素的正常代谢,改变叶绿叶绿素含量较高,由此推测突变基因产物为乙烯原 体中色素比例,引起植物叶色变异。高等植物叶绿叶绿素酯8-乙烯基还原酶(DVR)。 Pontier等(2007) 素的合成以谷氨酸为前体,最终合成叶绿素a和叶绿研究发现,拟南芥敲除镁原卟啉Ⅸ甲基转移酶 素b,共经过20步反应,由30多个基因编码的18种关(CHLM)基因后,突变体呈白化表型,其镁原卟啉Ⅸ 键酶参与(图1)( Tanaka and Tanaka,200;apaz-含量较野生型高,且主要的叶绿素蛋白复合体含量 Saad et al,2007; Tanaka et al,2011)。Hu等(1998) 较低。wu等(2007)研究发现,黄绿水稻叶绿素缺陷 Williams等(2006)研究发现,尿卟啉Ⅲ脱羧酶(UROD 突变体植株中叶绿素含量极低,但四吡咯中间体(叶 基因突变使玉米(2eams)叶片呈病斑表型,而粪绿素合成前体物质)含量较高,叶绿体发育滞后,经 卟啉原氧化酶(HEMF)基因突变导致苗期玉米呈黄研究证实该突变是由一个编码叶绿素合酶(CHLG) 化坏死表型。Tng等(2003)研究发现,谷氨酰1半基因突变所引起。杨海莲等(2014)发现了一个水稻 醛转氨酶(GSA-AT)催化谷氨酸1半醛生成5氨基黄绿叶突变体yg10,突变体中叶绿素a、b和类胡萝

8期 ·1359· 绿素合成前体以来，叶色突变体研究逐渐受到关注， 尤其是叶绿素合成途径研究（Beale and Appleman， 1971）。近年来，叶色突变体被广泛应用于遗传模 式、色素合成、光合作用、细胞结构与发育等基础研 究，已成为分子生物学和发育生物学的热点之一 （Wang et al.，2014；Wu et al.，2014；Zhu et al.，2014； Brestic et al.，2016）。在园林植物中，叶色黄化突变 较为常见，将叶片呈现不同程度黄色的植物称金叶 植 物 ，品 种 名 常 冠 以 Aurea（种 培 芳 和 杨 江 山 ， 2013）。金叶植物色彩明亮、观赏周期长、易形成大 色块景观，在淡花季节起到以叶代花的作用，具有较 高的观赏价值和特殊园林用途。因此，叶色黄化突 变植物已成为园林造景和道路绿化的首选物种，如 金叶女贞（Ligustrum vicaryi）、金叶榆（Ulmuspumila cv. jinye）、金叶国槐（Sophora japonica）、金边黄杨 （Euonymus japonicus cv. Aureo-ma）等。叶色突变体 呈色是遗传因素和环境因素共同作用的结果，突变 基因自发或受外界环境影响可直接或间接干扰叶绿 素合成及其稳定性，从而影响色素的含量及比例，最 终导致叶片颜色异常。因此，遗传因素是叶色变异 的根本原因。目前，叶色突变体调控基因研究主要 集中在少数模式植物和蔬菜作物上，其中对拟南芥 （Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）的研究 较透彻。本文拟从叶绿素合成、血红素代谢、叶绿体 发育及叶绿体蛋白代谢等方面，对叶色突变相关基 因的功能进行综述，并剖析植物叶色黄化突变的分 子机理，提出今后的研究方向，以期为黄叶植株的选 育和遗传改良提供参考。 1 叶绿素生物合成途径 叶绿素普遍存在于植物的绿色组织中，是绿色 植物中含量最多的色素，在叶片中常结合在叶绿体 的类囊体膜上（Kobayashi et al.，2014）。叶绿素合成 与降解的主要场所是叶绿体，其代谢途径中任何基 因突变均可能会影响叶绿素的正常代谢，改变叶绿 体中色素比例，引起植物叶色变异。高等植物叶绿 素的合成以谷氨酸为前体，最终合成叶绿素a和叶绿 素b，共经过20步反应，由30多个基因编码的18种关 键酶参与（图1）（Tanaka and Tanaka，2006；Harpaz - Saad et al.，2007；Tanaka et al.，2011）。Hu等（1998）、 Williams等（2006）研究发现，尿卟啉Ш脱羧酶（UROD） 基因突变使玉米（Zea mays）叶片呈病斑表型，而粪 卟啉原氧化酶（HEMF）基因突变导致苗期玉米呈黄 化坏死表型。Tsang等（2003）研究发现，谷氨酰-1-半 醛转氨酶（GSA-AT）催化谷氨酸-1-半醛生成5-氨基 酮戊酸（ALA），其反义转基因能降低油菜（Brassica napus）叶绿素含量。Kim等（2005）诱导烟草（Nicoti￾ana tabacum）谷氨酰-tRNA合成酶（GluRS）基因沉 默，从而导致叶片呈严重的黄化表型，表明其表达量 降低导致叶绿素含量降低。Kumar和Söll（2000）、 Hedtke等（2007）研究发现，谷氨酰-tRNA还原酶 （HEMA）基因沉默会导致拟南芥叶绿素和血红素含 量降低，抑制HEMA1基因表达从而降低ALA和叶绿 素含量。Ayliffe等（2009）在大麦（Hordeum vulgare） 突变体70a3中发现，尿卟啉Ш合酶（UROS）基因突 变受发育调控，成熟叶呈坏死表型。Tanaka等 （2011）研究发现，5-氨基酮戊酸脱水酶（ALAD1）基 因突变明显降低拟南芥植株中叶绿素含量，导致叶 片呈淡绿色。 镁螯合酶（MgCh）是由ChlI、ChlD和ChlH 3个 亚基组成的蛋白复合体，催化Mg2+ 与原卟啉IX形成 镁原卟啉IX，是叶绿素生物合成的另一个重要调控 位点，在叶绿素合成和叶绿体发育中起重要作用。 目前已有大量研究证实，叶色突变体多由镁螯合酶 活性降低引起叶绿素合成受阻。Jung等（2003）研究 发现，水稻突变体CHLH缺乏叶绿素，叶色表现黄绿 色。Zhang等（2006）研究发现，在水稻黄化突变体 chlorina-1中镁原卟啉IX含量显著低于对照，说明从 原卟啉IX到镁原卟啉IX的反应受阻，使叶绿素合成 减少；其表型是由CHLD基因错义突变引起，导致叶 片中叶绿素含量下降。Huang和Li（2009）对拟南芥 T-DNA敲除突变体CHLI开展研究，结果发现CHLI2 在叶绿素合成过程中与CHLI1起到类似的作用。此 外，参与叶绿素合成的其他酶基因突变体也有研究 报道。Frick等（2003）研究发现，拟南芥双基因突变 体PORB/PORC（编码POR蛋白）在子叶期呈致死的 黄化表型，叶绿素a含量明显降低，叶绿体中含较多 非堆积的类囊体膜。Nakanishi等（2005）研究发现， 拟南芥淡绿突变体pcb2缺乏基粒片层结构，且乙烯 叶绿素含量较高，由此推测突变基因产物为乙烯原 叶绿素酯8-乙烯基还原酶（DVR）。Pontier等（2007） 研究发现，拟南芥敲除镁原卟啉IX甲基转移酶 （CHLM）基因后，突变体呈白化表型，其镁原卟啉IX 含量较野生型高，且主要的叶绿素蛋白复合体含量 较低。Wu等（2007）研究发现，黄绿水稻叶绿素缺陷 突变体植株中叶绿素含量极低，但四吡咯中间体（叶 绿素合成前体物质）含量较高，叶绿体发育滞后，经 研究证实该突变是由一个编码叶绿素合酶（CHLG） 基因突变所引起。杨海莲等（2014）发现了一个水稻 黄绿叶突变体ygl10，突变体中叶绿素a、b和类胡萝 刘新亮等：植物叶色黄化突变分子机理的研究进展

1360 南方农业学报 48卷 L谷氨酸 当植物中的血红素代谢异常,可能会影响叶绿素合 ↓合成酶(GuRS) 成异常,从而导致叶色发生变化。Tery和 Kendrick L谷氨酸tRNA (199)研究表明,番茄( Solanum lycopersicum)黄化 酶( GlutR) 突变体auea和 yellow- green-2无法合成光敏色素的 L谷氨酸-1-半醛 谷氨酰1半 线性四吡咯生色团,添加外源ALA后发现突变体中 5氨基酮戊酸 从ALA到原叶绿素酸酯的合成途径未受到损伤,而 血红素氧化酶(HO)和光敏色素合成酶(PB)基因 羟甲基后胆色素原 突变造成血红素大量积累,从而反馈抑制叶绿素合 ↓合酶(UROS) 成,致使叶片发生黄化突变。 Goslings等(2004)研究 尿卟啉原Ⅲ 发现,拟南芥突变体/是由HO的编码基因hyl突变 粪卟啉原Ⅲl 所引起,由于HO活性减弱抑制谷氨酰-tRNA还原酶 ( GluTR)活性。Chen等(2013)研究表明,水稻黄绿 原卟啉I 插入突变体 yellon- green leaf2中叶绿素含量较低, ↓MgCh 镁原卟啉ⅨX 但叶绿素ab比值较高,其HOl的编码基因YGL2表达 受到抑制,从而阻碍叶绿素合成。Li等(2013)研究 ↓甲基转移酶(MgMT) 镁原卟啉IX单脂 发现,白化转绿水稻突变体grcl的叶绿素前体、叶绿 原卟啉Ⅳ单甲酯 素和类胡萝卜素含量均比野生型低,通过图位克隆 环化酶(MOEC) 乙烯原叶绿素酸脂a 发现该突变是由HO的编码基因表达受抑制所致。 原卟啉I 烯叶绿素酸脂a 亚铁螯合酶 ↓(D(还原酶 FeCh 血红素b 单乙烯叶绿素酸脂a 红素氧化酶 叶绿素 (HO) 氧化酶(CAO)邮 叶绿素合酶(CHIG 胆绿素IV 叶绿素酸脂b叶绿素a 光敏色素 CHLG 叶绿素b 3Z光敏色素生色团 图1高等植物叶绿素代谢途径 Fig 1 Chlorophyll metabolism pathway in higher plants 3E-光敏色素生色团 虚线表示省略多个步骤 Dotted line represented that several procedures were omitted 图2高等植物血红素代谢途径 Fig2 Heme metabolism pathway in higher plants 卜素含量较野生型均极显著降低,其中叶绿素b只有2米敏的素生包可自发或改计两化形成光敏素生色 野生型的2%,基因定位发现该突变主要由叶绿素酸 phore spontaneously or be catalyzed by enzyme 酯a氧化酶( OSCAO1)基因突变引起。 3叶绿体发育过程中的基因突变 2血红素代谢途径的基因突变 叶绿体普遍存在陆地植物的子叶、叶片、茎、果 四吡咯是植物体内叶绿素和血红素生物合成实和花中,其形状和大小因植物种类不同呈明显差 的骨架结构和共同前体,其生物合成途径在原卟啉异。叶绿体是植物细胞中由双层膜围成,基质中含 IV处分为叶绿素合成途径和血红素合成途径两个分有由膜囊构成的类囊体,内含叶绿体DNA。植物叶 支。原卟啉Ⅸ与Mg鳌合产生镁原卟啉IⅨ,与Fe螯绿体的分化起源于原质体,其分化和发育是在复杂 合则形成血红素,血红素最终代谢形成光敏色素生的质一核基因调控下完成,该过程任何基因的突变 色团(图2)( Tanaka et al.,2011)。血红素是植物体均可能引起叶绿体发育异常,由于内在机制发生变 内一类重要的生物大分子,在多种生物途径包括氧化进而导致叶色变异。 代谢和转移、电子传递和次生代谢过程中发挥重要3.1光形态建成过程的突变 作用( Cornah et al,2003)。由于植物体中血红素和 光是叶绿体形态建成的必要条件,光通过光形 叶绿素合成具有共同的前体和路径,细胞内血红素态发生过程控制基因转录、叶绿素合成和蛋白质降 含量对叶绿素生物合成具有一定的反馈调节作用,解等,从而调控叶绿体发育。光可被植物内大量光

·1360· 南 方 农 业 学 报 48卷 卜素含量较野生型均极显著降低，其中叶绿素b只有 野生型的2%，基因定位发现该突变主要由叶绿素酸 酯a氧化酶（OsCAO1）基因突变引起。 2 血红素代谢途径的基因突变 四吡咯是植物体内叶绿素和血红素生物合成 的骨架结构和共同前体，其生物合成途径在原卟啉 IV处分为叶绿素合成途径和血红素合成途径两个分 支。原卟啉IX与Mg2+ 螯合产生镁原卟啉IX，与Fe2+ 螯 合则形成血红素，血红素最终代谢形成光敏色素生 色团（图2）（Tanaka et al.，2011）。血红素是植物体 内一类重要的生物大分子，在多种生物途径包括氧 代谢和转移、电子传递和次生代谢过程中发挥重要 作用（Cornah et al.，2003）。由于植物体中血红素和 叶绿素合成具有共同的前体和路径，细胞内血红素 含量对叶绿素生物合成具有一定的反馈调节作用， 当植物中的血红素代谢异常，可能会影响叶绿素合 成异常，从而导致叶色发生变化。Terry和Kendrick （1999）研究表明，番茄（Solanum lycopersicum）黄化 突变体aurea和yellow-green-2无法合成光敏色素的 线性四吡咯生色团，添加外源ALA后发现突变体中 从ALA到原叶绿素酸酯的合成途径未受到损伤，而 血红素氧化酶（HO）和光敏色素合成酶（PΦB）基因 突变造成血红素大量积累，从而反馈抑制叶绿素合 成，致使叶片发生黄化突变。Goslings等（2004）研究 发现，拟南芥突变体flu是由HO的编码基因hy1突变 所引起，由于HO活性减弱抑制谷氨酰-tRNA还原酶 （GluTR）活性。Chen等（2013）研究表明，水稻黄绿 插入突变体yellow-green leaf 2中叶绿素含量较低， 但叶绿素a/b比值较高，其HO1的编码基因YGL2表达 受到抑制，从而阻碍叶绿素合成。Li等（2013）研究 发现，白化转绿水稻突变体grc1的叶绿素前体、叶绿 素和类胡萝卜素含量均比野生型低，通过图位克隆 发现该突变是由HO的编码基因表达受抑制所致。 3 叶绿体发育过程中的基因突变 叶绿体普遍存在陆地植物的子叶、叶片、茎、果 实和花中，其形状和大小因植物种类不同呈明显差 异。叶绿体是植物细胞中由双层膜围成，基质中含 有由膜囊构成的类囊体，内含叶绿体DNA。植物叶 绿体的分化起源于原质体，其分化和发育是在复杂 的质—核基因调控下完成，该过程任何基因的突变 均可能引起叶绿体发育异常，由于内在机制发生变 化进而导致叶色变异。 3. 1 光形态建成过程的突变 光是叶绿体形态建成的必要条件，光通过光形 态发生过程控制基因转录、叶绿素合成和蛋白质降 解等，从而调控叶绿体发育。光可被植物内大量光 图 1 高等植物叶绿素代谢途径 Fig.1 Chlorophyll metabolism pathway in higher plants 虚线表示省略多个步骤 Dotted line represented that several procedures were omitted 图 2 高等植物血红素代谢途径 Fig.2 Heme metabolism pathway in higher plants 3Z-光敏色素生色团可自发或由酶催化形成3E-光敏色素生色团 3Z-phytochrome chromophore could form 3E-phytochrome chromo￾phore spontaneously or be catalyzed by enzyme

刘新亮等:植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 1361 信号受体所感知,光信号受体通过构象变化与其下无法补偿这一缺陷,说明其对运输蛋白表现出较强 游信号分子相互作用。目前研究较多的光信号受体的底物特异性( Bauer et al.2000)。同样,ArOC159 为感受远红光和红光的光敏色素、感受蓝光和紫外基因过量表达无法改变A0cl32/ocl20双合子突 光的隐花色素( Lin and Shalitin,2003; Tepperman et变体的淡绿色表型( Kubis et al.,2004)。在叶绿体 al,2006; Waters and Langdale,2009)。在植物体内,发育早期阶段,Toc/Iic亚基编码基因差异表达可能 大部分光信号受体可作为转录调节因子,控制下游与光合蛋白转入有关。叶绿体蛋白向叶绿体转入 基因表达,影响叶绿体的光形态建成。光敏色素相除Toc/Iic复合物途径外,还可通过其他方式实现,如 互作用因子(PIFs)是一类能与光敏色素相互作用的与叶绿素结合形成叶绿素复合体蛋白LHC,该复合 螺旋一环一螺旋(HLH)家族转录因子,能调节光形体能被叶绿体基质中信号识别蛋白 cpSRP43/54识 态建成相关基因的转录水平。Moon等(2008)通过别,在膜定位蛋白ALB3协助下插入叶绿体膜结构 研究拟南芥突变体p,发现PIFl也能调控叶绿素合( Bellafiore et al.,20)。 Klimyuk等(19)研究发 成,部分是通过直接与启动子PORC(编码POR蛋白)现,拟南芥黄化隐性突变体cho的叶绿体中类囊体 相互作用来调控。Shin等(2009)对拟南芥黄化突变蛋白复合物含量较野生型明显降低,表明 cpSRP43 体p3进行研究,结果发现PF3能抑制编码叶绿素合的功能仅限于将蛋白定位到类囊体膜,而 cpSRP54 成途径中的关键酶基因表达,包括HEMA(编码谷可能参与叶绿体分化过程。 氨酸-tRNA还原酶)、GUN5(编码ChH)及光合系统3.3类囊体分化及叶绿体分裂 PSI中LHCA、 PsaEl等基因。当植物幼苗生长到 类囊体是叶绿体内膜系统的构造单位,其形成 定时期能光合自养,光形态建成会活化其顶端分生是叶绿体发育的重要环节,一般为扁平袋状结构,形 组织,进而实现原质体向叶绿体的转变(李保珠等,状和大小多种多样。类囊体分化从原质体内膜开 2014)。由于拟南芥突变体加l无法合成光敏素中结始,折叠形成囊泡后,再聚集、增殖,然后发育成基粒 合的发色团,因此缺乏所有的光敏色素活性(Mura-或间质片层。囊泡可能携带1个单位的叶绿素、光合 moto et al.,1999)。LZF1是依赖光和HY5的转录因蛋白和酶穿过基质与发育中的类囊体结合。在类囊 子,HY5参与植物叶绿体的发育和叶绿素积累。在体分化过程中蛋白质发生转运,包括一些催化叶绿 拟南芥突变体LZF中叶绿素含量较低,且其白色体素和类胡萝卜素合成的酶聚集在质体膜上,合成的 向功能叶绿体的分化相对滞后( Chang et al.,2008)。色素与捕光色素结合蛋白形成捕光色素复合体并插 3.2蛋白质的转运和加工 入质体内膜( Hoober et al.,2007)。 叶绿体合成需要从细胞质中转运大量核编码 vpl是一类内膜相关蛋白,存在于内膜结构和 蛋白,大部分叶绿体蛋白能被质体膜识别并通过叶类囊体膜上,能驱动催化囊泡折叠形成内囊体网状 绿体外膜转运子和叶绿体内膜转运子复合物(Toc/结构,在内囊体分化过程中起关键作用。已有研究 T复合物)和新型易位酶介导转入叶绿体( Kessler证实,拟南芥突变体vpl无法正常形成类囊体和囊 and Schnell,2009)。Toc/Tic复合物是由叶绿体外膜泡结构( Kroll et al,2001; Aseeva et a.,2007)。THF1 上 TOC GTPases复合体与内膜上的TC串联组成。是另一类位于基质和类囊体上的内膜相关蛋白,其 细胞质中合成蛋白的信号肽序列与 TOC GTPases结拟南芥突变体呈斑叶表型,在叶绿体中虽有大量囊 合,在分子伴侣(Hsp70、Hsp93或ClpC)的作用下完泡积累但缺乏规则的类囊体结构,说明7h1基因在 成蛋白跨膜运输。 TacTic复合物的主要组分具有底囊泡介导的类囊体膜生物发生途径中具有关键调 物特异性且受光正调节( Soll and Schleiff,2004)。控作用( Wang et a.,2004)。FZL是一类动力蛋白 在转运蛋白过程中,如转运蛋白发生突变,会致使叶 GTPase,定位于内膜结构和类囊体上,拟南芥突变 绿体代谢紊乱,甚至抑制色素合成,导致植株叶色异体仁呈淡绿表型,叶片中形成大且不规则的叶绿体 常。拟南芥ATOC3基因在幼苗期大量表达,敲除基质和类囊体比例发生改变,易形成堆积的小囊泡 AOC33基因的突变体p表现出部分光合蛋白( Gao et al,2006)。单半乳糖基二酰基甘油(MGDG) 的导入和积累缺陷( Kubis et al,2003)。拟南芥的是一类独特的类囊体膜脂,是类囊体形成必备物质 Toc59蛋白亚基由AOCl59、AOC132、AOC120其合成的最后一步是由MGDG合成酶催化完成。 和AOC904个基因编码,拟南芥突变体Ar0cl59呈MGDG合成酶基因突变不仅使其突变体呈白化表 白化表型,子叶期过后死亡,其他Toc159家族成员也型,还致使其缺乏半乳糖脂,具有异常的光合膜结

8期 ·1361· 信号受体所感知，光信号受体通过构象变化与其下 游信号分子相互作用。目前研究较多的光信号受体 为感受远红光和红光的光敏色素、感受蓝光和紫外 光的隐花色素（Lin and Shalitin，2003；Tepperman et al.，2006；Waters and Langdale，2009）。在植物体内， 大部分光信号受体可作为转录调节因子，控制下游 基因表达，影响叶绿体的光形态建成。光敏色素相 互作用因子（PIFs）是一类能与光敏色素相互作用的 螺旋—环—螺旋（HLH）家族转录因子，能调节光形 态建成相关基因的转录水平。Moon等（2008）通过 研究拟南芥突变体pif1，发现PIF1也能调控叶绿素合 成，部分是通过直接与启动子PORC（编码POR蛋白） 相互作用来调控。Shin等（2009）对拟南芥黄化突变 体pif3进行研究，结果发现PIF3能抑制编码叶绿素合 成途径中的关键酶基因表达，包括HEMA1（编码谷 氨酸-tRNA还原酶）、GUN5（编码ChlH）及光合系统 PSI中LHCA1、PsaE1等基因。当植物幼苗生长到一 定时期能光合自养，光形态建成会活化其顶端分生 组织，进而实现原质体向叶绿体的转变（李保珠等， 2014）。由于拟南芥突变体hy1无法合成光敏素中结 合的发色团，因此缺乏所有的光敏色素活性（Mura￾moto et al.，1999）。LZF1是依赖光和HY5的转录因 子，HY5参与植物叶绿体的发育和叶绿素积累。在 拟南芥突变体LZF1中叶绿素含量较低，且其白色体 向功能叶绿体的分化相对滞后（Chang et al.，2008）。 3. 2 蛋白质的转运和加工 叶绿体合成需要从细胞质中转运大量核编码 蛋白，大部分叶绿体蛋白能被质体膜识别并通过叶 绿体外膜转运子和叶绿体内膜转运子复合物（Toc/ Tic复合物）和新型易位酶介导转入叶绿体（Kessler and Schnell，2009）。Toc/Tic复合物是由叶绿体外膜 上TOC GTPases复合体与内膜上的TIC串联组成。 细胞质中合成蛋白的信号肽序列与TOC GTPases结 合，在分子伴侣（Hsp70、Hsp93或ClpC）的作用下完 成蛋白跨膜运输。Toc/Tic复合物的主要组分具有底 物特异性且受光正调节（Soll and Schleiff，2004）。 在转运蛋白过程中，如转运蛋白发生突变，会致使叶 绿体代谢紊乱，甚至抑制色素合成，导致植株叶色异 常。拟南芥AtTOC33基因在幼苗期大量表达，敲除 AtTOC33基因的突变体ppi1表现出部分光合蛋白 的导入和积累缺陷（Kubis et al.，2003）。拟南芥的 Toc159蛋白亚基由AtTOC159、AtTOC132、AtTOC120 和AtTOC90 4个基因编码，拟南芥突变体AtToc159呈 白化表型，子叶期过后死亡，其他Toc159家族成员也 无法补偿这一缺陷，说明其对运输蛋白表现出较强 的底物特异性（Bauer et al.，2000）。同样，AtTOC159 基因过量表达无法改变AtToc132/AtToc120双合子突 变体的淡绿色表型（Kubis et al.，2004）。在叶绿体 发育早期阶段，Toc/Tic亚基编码基因差异表达可能 与光合蛋白转入有关。叶绿体蛋白向叶绿体转入， 除Toc/Tic复合物途径外，还可通过其他方式实现，如 与叶绿素结合形成叶绿素复合体蛋白LHC，该复合 体能被叶绿体基质中信号识别蛋白cpSRP43/54识 别，在膜定位蛋白ALB3协助下插入叶绿体膜结构 （Bellafiore et al.，2002）。Klimyuk等（1999）研究发 现，拟南芥黄化隐性突变体chao的叶绿体中类囊体 蛋白复合物含量较野生型明显降低，表明cpSRP43 的功能仅限于将蛋白定位到类囊体膜，而cpSRP54 可能参与叶绿体分化过程。 3. 3 类囊体分化及叶绿体分裂 类囊体是叶绿体内膜系统的构造单位，其形成 是叶绿体发育的重要环节，一般为扁平袋状结构，形 状和大小多种多样。类囊体分化从原质体内膜开 始，折叠形成囊泡后，再聚集、增殖，然后发育成基粒 或间质片层。囊泡可能携带1个单位的叶绿素、光合 蛋白和酶穿过基质与发育中的类囊体结合。在类囊 体分化过程中蛋白质发生转运，包括一些催化叶绿 素和类胡萝卜素合成的酶聚集在质体膜上，合成的 色素与捕光色素结合蛋白形成捕光色素复合体并插 入质体内膜（Hoober et al.，2007）。 Vipp1是一类内膜相关蛋白，存在于内膜结构和 类囊体膜上，能驱动催化囊泡折叠形成内囊体网状 结构，在内囊体分化过程中起关键作用。已有研究 证实，拟南芥突变体vipp1无法正常形成类囊体和囊 泡结构（Kroll et al.，2001；Aseeva et al.，2007）。THF1 是另一类位于基质和类囊体上的内膜相关蛋白，其 拟南芥突变体呈斑叶表型，在叶绿体中虽有大量囊 泡积累但缺乏规则的类囊体结构，说明Thf1基因在 囊泡介导的类囊体膜生物发生途径中具有关键调 控作用（Wang et al.，2004）。FZL是一类动力蛋白 GTPase，定位于内膜结构和类囊体上，拟南芥突变 体fzl呈淡绿表型，叶片中形成大且不规则的叶绿体， 基质和类囊体比例发生改变，易形成堆积的小囊泡 （Gao et al.，2006）。单半乳糖基二酰基甘油（MGDG） 是一类独特的类囊体膜脂，是类囊体形成必备物质， 其合成的最后一步是由MGDG合成酶催化完成。 MGDG合成酶基因突变不仅使其突变体呈白化表 型，还致使其缺乏半乳糖脂，具有异常的光合膜结 刘新亮等：植物叶色黄化突变分子机理的研究进展

1362· 南方农业学报 48卷 构,导致突变体光合作用缺陷而无法自养( Kobayas-与rbcL和PsbA启动子特异结合,而SlG1与未其结 hi et a.,2007)。 合。同样,拟南芥突变体SG6子叶也出现延迟绿化 叶绿体发生分化时,为了与细胞分裂及扩张相现象,而真叶以后呈正常绿色( Ishizaki et al.,2005)。 一致必须迅速增殖。随着叶片的发育,叶绿体逐渐此外,质体RNA的剪切和拼接也需要核基因编码 扩张变大,哑铃状叶绿体逐渐减少,表明其分裂发生蛋白参与调控。已有研究发现,拟南芥隐性基因突 于叶绿体形成早期。叶绿体分裂初期,两种FtsZ蛋变体cr2-1和c2-2的NDH复合体生成受到阻碍 白(FtsZ1和FsZ2)组成内分裂环,而外分裂环的主( Hashimoto et al.,2003)。Cm2编码植物组合和模 要组分尚未清楚。已有研究表明,质体分裂蛋白PDV1块化蛋白(PCMP)家族的成员(CCR2),CCR2作用 和PDV2在外膜结合胞质类动力蛋白组件 DRPSE,在于m7和mhB基因之间的剪切,推测其是ndhB基因 叶绿体内、外分裂环对齐,是细胞内叶绿体分裂速表达和翻译的必需蛋白。SVR/是一个编码定位于 度和程度的决定因素( Osteryoung and McAndrew,叶绿体的假尿苷()合成酶核基因,对叶绿体rRNA 2001)。拟南芥突变体phvl和p2中均含有大且不加工和蛋白翻译起调控作用,能抑制拟南芥黄化突 规则的叶绿体,但PDV1和PDV2蛋白超表达时,细胞变体wr2出现斑叶表型( Yu et al,2008)。 中会产生比野生型小而多的叶绿体( Miyagishima 三角状五肽重复区(PPR)是一个简并的35-氨 etal.,2006; Okazaki et al,2009)。值得注意的是,基酸重复区域,广泛存在于真核生物细胞中,对质体 PDV蛋白在分生组织中含量较高,表明其与叶绿体核糖体分化起重要作用。已有研究证实,一些PPR 分裂速率及叶龄有关,但FtsZ2和DRP5B蛋白含量在蛋白通常通过绑定RNA来调控叶绿体基因转录后水 叶片发育过程中保持不变( Okazaki et al.,2009)。 平。 Schmitz- Linneweber等(2006)研究了玉米ppr4 4叶绿体蛋白代谢 基因的功能,发现pp4基因编码一个包含PPR区域 和RNA识别位点的叶绿体定位蛋白,突变体PD4呈 4.1叶绿体蛋白的合成 胚芽致死表型,反向遗传检查发现其缺乏rs2反式 叶绿体作为半自主性细胞器,拥有自身的基因剪切,表明PR4是质体12反式剪切因子。质体 组DNA,具有遗传信息表达系统,能独立转录、翻译30s核糖体蛋白S21是质体核糖体的重要组分,负责 生成蛋白质。高等植物的叶绿体DNA为双链共价质体中蛋白质的翻译。S21由GHS/基因编码,其突 闭合环状分子,大小120~170kb,约130个基因。叶变体ghs表现为翻译的蛋白质减少光合能力下降、 绿体基因转录、RNA加工及蛋白翻译需要核编码蛋叶绿体发育受阻,叶片呈浅绿色(Mita- Yamamuro 白参与调控。这些过程发生异常即会影响叶绿体的etal,200)叶绿体中蛋白质的合成是由核糖体亚 发育,从而影响叶色表型。 基启动,包括肽链的起始、伸长、终止和核糖体再循 叶绿体DNA转录所需的RNA聚合酶包括核基环,最后一步是由起始因子3(IF3)、核糖体循环因子 因编码的聚合酶(NEP)和质体基因编码的聚合酶(RF)和延伸因子G(EFG)共同作用解离成稳定的 (PEFP)。 Williams-Carrier等(2014)研究发现,由PEP核糖体亚基( Hirokawa et al,2005Mura等(2007) 相关蛋白 ZmPTAO2、 ImMurE、 ZmPTAC10、ZmP 在拟南芥斑叶突变体γar2中发现一个能抑制突变体 TAC12和 ZmPRIN2缺失引起的5个黄化突变体呈相斑叶表型的蛋白(FUG1),该蛋白为原核翻译起始因 似的黄化表型,细胞中含有较少的质体核糖体和光子2(cpHF2)的同源蛋白,是质体的翻译起始因子。 合复合物表明PE在质体RNAs转录和光合机构组 Albrecht等(200)研究发现,拟南芥突变体sco子叶 装过程中起关键作用。目前研究发现一类与PEP具表现白化,真叶为正常绿叶;并证实其突变基因编码 有启动子结合特异性的类西格玛转录因子(SIGs),叶绿体EF-G,该基因突变导致70s核糖体结合区域 能调控PEP核心酶蛋白活性,在叶绿体PEP与启动子 的一个氨基酸发生置换 的结合过程中发挥关键作用( Chi et a,2010)。其 4.2叶绿体蛋白的修饰与降解 中,在拟南芥中发现6类SIG转录因子(SIG1~SIG6) 叶绿体中蛋白质翻译后信号肽剪切、蛋白折叠 可在PEP作用下启动特异基因转录。Pat等(2003)和修饰等过程出现错误均会导致叶绿体发育异常。 应用反义转基因方法研究SIG1、SG2和SG3转录因类囊体膜脂合成涉及相关蛋白质的折叠及其在膜脂 子的功能,结果发现敲除SG2的拟南芥植株呈缺叶中的整合。基质加工肽酶(SP)是一类位于叶绿体 绿素表型,且仅子叶呈黄色,真叶以后呈绿色;体外基质的金属内肽酶,能特异性识别并切除叶绿体转 试验表明,虽然SIG1和SG2均在幼苗中表达,SG2运肽序列。水稻突变体SPP幼苗的叶片呈黄化失绿

·1362· 南 方 农 业 学 报 48卷 构，导致突变体光合作用缺陷而无法自养（Kobayas￾hi et al.，2007）。 叶绿体发生分化时，为了与细胞分裂及扩张相 一致必须迅速增殖。随着叶片的发育，叶绿体逐渐 扩张变大，哑铃状叶绿体逐渐减少，表明其分裂发生 于叶绿体形成早期。叶绿体分裂初期，两种FtsZ蛋 白（FtsZ1和FtsZ2）组成内分裂环，而外分裂环的主 要组分尚未清楚。已有研究表明，质体分裂蛋白PDV1 和PDV2在外膜结合胞质类动力蛋白组件DRP5B，在 叶绿体内、外分裂环对齐，是细胞内叶绿体分裂速 度和程度的决定因素（Osteryoung and McAndrew， 2001）。拟南芥突变体pdv1和pdv2中均含有大且不 规则的叶绿体，但PDV1和PDV2蛋白超表达时，细胞 中会产生比野生型小而多的叶绿体（Miyagishima et al.，2006；Okazaki et al.，2009）。值得注意的是， PDV蛋白在分生组织中含量较高，表明其与叶绿体 分裂速率及叶龄有关，但FtsZ2和DRP5B蛋白含量在 叶片发育过程中保持不变（Okazaki et al.，2009）。 4 叶绿体蛋白代谢 4. 1 叶绿体蛋白的合成 叶绿体作为半自主性细胞器，拥有自身的基因 组DNA，具有遗传信息表达系统，能独立转录、翻译 生成蛋白质。高等植物的叶绿体DNA为双链共价 闭合环状分子，大小120~170 kb，约130个基因。叶 绿体基因转录、RNA加工及蛋白翻译需要核编码蛋 白参与调控。这些过程发生异常即会影响叶绿体的 发育，从而影响叶色表型。 叶绿体DNA转录所需的RNA聚合酶包括核基 因编码的聚合酶（NEP）和质体基因编码的聚合酶 （PEP）。Williams-Carrier等（2014）研究发现，由PEP 相 关 蛋 白 ZmPTAC2、ZmMurE、ZmPTAC10、ZmP￾TAC12和ZmPRIN2缺失引起的5个黄化突变体呈相 似的黄化表型，细胞中含有较少的质体核糖体和光 合复合物，表明PEP在质体tRNAs转录和光合机构组 装过程中起关键作用。目前研究发现一类与PEP具 有启动子结合特异性的类西格玛转录因子（SIGs）， 能调控PEP核心酶蛋白活性，在叶绿体PEP与启动子 的结合过程中发挥关键作用（Chi et al.，2010）。其 中，在拟南芥中发现6类SIG转录因子（SIG1~SIG6）， 可在PEP作用下启动特异基因转录。Privat等（2003） 应用反义转基因方法研究SIG1、SIG2和SIG3转录因 子的功能，结果发现敲除SIG2的拟南芥植株呈缺叶 绿素表型，且仅子叶呈黄色，真叶以后呈绿色；体外 试验表明，虽然SIG1和SIG2均在幼苗中表达，SIG2 与rbcL和PsbA启动子特异结合，而SIG1与未其结 合。同样，拟南芥突变体SIG6子叶也出现延迟绿化 现象，而真叶以后呈正常绿色（Ishizaki et al.，2005）。 此外，质体RNA的剪切和拼接也需要核基因编码 蛋白参与调控。已有研究发现，拟南芥隐性基因突 变体crr2-1和crr2-2的NDH复合体生成受到阻碍 （Hashimoto et al.，2003）。Crr2编码植物组合和模 块化蛋白（PCMP）家族的成员（CCR2），CCR2作用 于rps7和ndhB基因之间的剪切，推测其是ndhB基因 表达和翻译的必需蛋白。SVR1是一个编码定位于 叶绿体的假尿苷（Ψ）合成酶核基因，对叶绿体rRNA 加工和蛋白翻译起调控作用，能抑制拟南芥黄化突 变体var2出现斑叶表型（Yu et al.，2008）。 三角状五肽重复区（PPR）是一个简并的35-氨 基酸重复区域，广泛存在于真核生物细胞中，对质体 核糖体分化起重要作用。已有研究证实，一些PPR 蛋白通常通过绑定RNA来调控叶绿体基因转录后水 平。Schmitz-Linneweber等（2006）研究了玉米ppr4 基因的功能，发现ppr4基因编码一个包含PPR区域 和RNA识别位点的叶绿体定位蛋白，突变体ppr4呈 胚芽致死表型，反向遗传检查发现其缺乏rps12反式 剪切，表明PPR4是质体rps12反式剪切因子。质体 30S核糖体蛋白S21是质体核糖体的重要组分，负责 质体中蛋白质的翻译。S21由GHS1基因编码，其突 变体ghs1表现为翻译的蛋白质减少、光合能力下降、 叶绿体发育受阻，叶片呈浅绿色（Morita-Yamamuro et al.，2004）。叶绿体中蛋白质的合成是由核糖体亚 基启动，包括肽链的起始、伸长、终止和核糖体再循 环，最后一步是由起始因子3（IF3）、核糖体循环因子 （RRF）和延伸因子G（EF-G）共同作用解离成稳定的 核糖体亚基（Hirokawa et al.，2005）。Miura等（2007） 在拟南芥斑叶突变体var2中发现一个能抑制突变体 斑叶表型的蛋白（FUG1），该蛋白为原核翻译起始因 子2（cpIF2）的同源蛋白，是质体的翻译起始因子。 Albrecht等（2006）研究发现，拟南芥突变体sco1子叶 表现白化，真叶为正常绿叶；并证实其突变基因编码 叶绿体EF-G，该基因突变导致70S核糖体结合区域 的一个氨基酸发生置换。 4. 2 叶绿体蛋白的修饰与降解 叶绿体中蛋白质翻译后信号肽剪切、蛋白折叠 和修饰等过程出现错误均会导致叶绿体发育异常。 类囊体膜脂合成涉及相关蛋白质的折叠及其在膜脂 中的整合。基质加工肽酶（SPP）是一类位于叶绿体 基质的金属内肽酶，能特异性识别并切除叶绿体转 运肽序列。水稻突变体SPP幼苗的叶片呈黄化失绿

刘新亮等:植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 1363 表型,且其根的生长在整个生长期受到抑制( Yue et特殊种质资源的选育具有重要意义,也可人为构建 al,2010)。ATP依赖型锌金属蛋白酶FtsH是一个大单个或多个基因突变的叶色黄化植株,用于基因功 的叶绿体蛋白酶家族,参与未组装蛋白质的降解能及基因间的互作关系等研究。 和光合蛋白复合物在类囊体膜上的转运,在叶绿体 分化和光合蛋白复合体形成过程中发挥重要作用参考文献: ( Ostersetzer and Adam,1997; Sakamoto et al,2003)。金国强,陈凡,方福平,王寅,舒小丽,吴殿星2015两系水稻 已有研究发现,拟南芥中FIsH2或FsH5突变会导致 不育系白色中脉标记的诱发与特性[J].核农学报,29 (10): 1852-1857. [Jin G Q. Chen F, Fang F P, Wang Y 植株叶片黄化,而FAsH2和FH8双突变体叶片呈白 Shu X L. wu dX. 2015. Induced mutation and charac- 化表型,表明FtsH亚基是叶绿体分化的必需蛋白 teristics of mutant labeled with white midrib leaf marker (Sakamoto et al., 2003: Zaltsman et al., 2005). Wu sf in two-line male sterile rice(Oryza sativa L )[J].Jour (2013)研究发现,在拟南芥斑叶突变体m中 Fishs nal of Nuclear Agricultural Sciences, 29(10): 1852-1857.] 蛋白(包括FsH2、FtsH8和FtH5)含量较野生型显著李保珠,赵孝亮,彭雷2014.植物叶绿体发育及调控研究进 展[].植物学报,49(3):337-345.[LiBZ, Zhao XL 降低,而在淡绿突变体cR4-3m/中 Fishs蛋白含量 Peng L 2014. Research advances in the development and 有所增加。在高等植物中,ATP依赖型Clp蛋白酶主 gulation of plant chloroplasts [J]. Chinese Bulletin of 要位于叶绿体基质能降解多种基质蛋白,对叶绿体 botany,49(3):337-345.] 的发育和功能发挥至关重要。 Sjogren等(2006)研究杨海连,刘敏,郭曼,李荣德,张宏根,严长杰2014个水稻 发现,拟南芥突变体CψP6幼叶呈黄化表型,且ATP 黄绿叶突变体ygI0的遗传分析和基因定位[J].中国水 稻科学,28(1):41-48.[ Yang H L,LiuM,GuoM,LiR 依赖型Clp蛋白酶的底物主要是叶绿体中调控质体 D, Zhang H G, Yan C J. 2014. Genetic analysis and posi- 蛋白合成、折叠及质量的基质蛋白。 tioncloning of a yellow-green leaf1o vg/l0) gene, respon- 5展望 sible for leaf color inrice[J]. Chinese Journal of Rice Sci- ence,28(1):41-48.] 叶色黄化突变在植物叶色突变体中较常见,具种培芳,杨江山.2013.4种金色叶树木叶绿素荧光动力学参 有突变频率高、易鉴别等特点。大多数叶色突变体 的突变性状在生长发育初期即可鉴别,少数到后期 [Zhong P F, Yang J S. 2013. Response of the chloro- 才能鉴别。现已从多种叶色突变体中鉴定出多个控 phyll fluorescence parameters to SO, stress in four golden-leaf trees[J]. Journal of Northwest Forestry Uni- 制或影响色素代谢及叶绿体分化和发育的基因,通 ersity,28(6):14-19 过研究其功能及互作关系,初步阐明植物叶色的形 Albrecht V, lingenfeld a,AplK.200. Characterization of 成及其调控机理,对开展植物叶色突变研究具有重 the snowy cotyledon I mutant of Arabidopsis thaliana 要意义。目前对叶色突变分子机理的研究主要集中 The impact of chloroplast elongation factor G on chloro- 在叶色突变相关基因功能方面,对质核信号转导、转 plast development and plant vitality [J]. Plant Molecular biology,60(4):507-518 录因子及调控元件的研究较少。因此在以后的相关Aea. OssenbuhI F,splc, Cho W K,sein, Eichacker 研究中可利用叶色突变体这一理想材料分析鉴定相 L A Meurer J, Wanner G, Westhoff P, Soll J. 2007. Vippl 关基因功能及其互作关系,从对单一基因的研究转 is required for basic thy lakoid membrane formation but 向对多个基因甚至功能基因组的系统研究,尤其加 not for the assembly of thylakoid protein complexes[J] 强对质核信号转导、转录因子及调控元件的研究。 Plant Physiology and Biochemistry, 45(2): 119-128 Ayliffe M A. Agostino A. Clarke B C, Furbank R, von Caem 虽然大多数叶色突变对于植物的生长不利,但 merer S, Pryor A J. 2009. Suppression of the barley uro- 有较多突变属于非致死性,且能稳定遗传。因此,叶 porphyrinogen l synthase gene by a Ds activation ta- 色突变体不仅是基础研究的理想材料,在品种选育 gging element generates developmental photosensitivity 和改良方面也有重要的利用价值。由于大多数叶色 [J]. The Plant Cell, 21(3):814-83 突变性状在苗期即可鉴别,故可将叶色突变性状作 Bauer J, Chen K, Hiltbunner A, Wehrli E, Eugster M, Schnell 为标记性状用于品种选育及遗传改良,可有效缩短 D, Kessler F. 2000. The major protein import receptor of plastids is essential for chloroplast biogenesis[J].Nature 良种选育的周期( Li et al,2014;金国强等,2015)。 403(6766):203-207 在农业生产中,叶色突变体还可作为作物品种改良 Beale s. Appleman D.1971. Chlorophyll synthesis in chlorella 的一类特殊种质资源,通过人工诱导方式增加植物 gulation by degree of light limitation of growth[J].Plant 突变频率,在较短时间内获得大量的叶色突变体,对 Physiology, 47(2): 230-235

8期 ·1363· 表型，且其根的生长在整个生长期受到抑制（Yue et al.，2010）。ATP依赖型锌金属蛋白酶FtsH是一个大 的叶绿体蛋白酶家族，参与未组装蛋白质的降解 和光合蛋白复合物在类囊体膜上的转运，在叶绿体 分化和光合蛋白复合体形成过程中发挥重要作用 （Ostersetzer and Adam，1997；Sakamoto et al.，2003）。 已有研究发现，拟南芥中FtsH2或FtsH5突变会导致 植株叶片黄化，而FtsH2和FtsH8双突变体叶片呈白 化表型，表明FtsH亚基是叶绿体分化的必需蛋白 （Sakamoto et al.，2003；Zaltsman et al.，2005）。Wu等 （2013）研究发现，在拟南芥斑叶突变体thf1中FtsHs 蛋白（包括FtsH2、FtsH8和FtsH5）含量较野生型显著 降低，而在淡绿突变体clpR4-3 thf1中FtsHs蛋白含量 有所增加。在高等植物中，ATP依赖型Clp蛋白酶主 要位于叶绿体基质，能降解多种基质蛋白，对叶绿体 的发育和功能发挥至关重要。Sjögren等（2006）研究 发现，拟南芥突变体ClpP6幼叶呈黄化表型，且ATP 依赖型Clp蛋白酶的底物主要是叶绿体中调控质体 蛋白合成、折叠及质量的基质蛋白。 5 展望 叶色黄化突变在植物叶色突变体中较常见，具 有突变频率高、易鉴别等特点。大多数叶色突变体 的突变性状在生长发育初期即可鉴别，少数到后期 才能鉴别。现已从多种叶色突变体中鉴定出多个控 制或影响色素代谢及叶绿体分化和发育的基因，通 过研究其功能及互作关系，初步阐明植物叶色的形 成及其调控机理，对开展植物叶色突变研究具有重 要意义。目前对叶色突变分子机理的研究主要集中 在叶色突变相关基因功能方面，对质核信号转导、转 录因子及调控元件的研究较少。因此在以后的相关 研究中可利用叶色突变体这一理想材料分析鉴定相 关基因功能及其互作关系，从对单一基因的研究转 向对多个基因甚至功能基因组的系统研究，尤其加 强对质核信号转导、转录因子及调控元件的研究。 虽然大多数叶色突变对于植物的生长不利，但 有较多突变属于非致死性，且能稳定遗传。因此，叶 色突变体不仅是基础研究的理想材料，在品种选育 和改良方面也有重要的利用价值。由于大多数叶色 突变性状在苗期即可鉴别，故可将叶色突变性状作 为标记性状用于品种选育及遗传改良，可有效缩短 良种选育的周期（Li et al.，2014；金国强等，2015）。 在农业生产中，叶色突变体还可作为作物品种改良 的一类特殊种质资源，通过人工诱导方式增加植物 突变频率，在较短时间内获得大量的叶色突变体，对 特殊种质资源的选育具有重要意义，也可人为构建 单个或多个基因突变的叶色黄化植株，用于基因功 能及基因间的互作关系等研究。 参考文献： 金国强，陈凡，方福平，王寅，舒小丽，吴殿星. 2015. 两系水稻 不育系白色中脉标记的诱发与特性［J］. 核农学报，29 （10）：1852-1857.［Jin G Q，Chen F，Fang F P，Wang Y， Shu X L，Wu D X. 2015. Induced mutation and charac￾teristics of mutant labeled with white midrib leaf marker in two -line male sterile rice（Oryza sativa L.）［J］. Jour￾nal of Nuclear Agricultural Sciences，29（10）：1852-1857.］ 李保珠，赵孝亮，彭雷. 2014. 植物叶绿体发育及调控研究进 展［J］. 植物学报，49（3）：337-345.［Li B Z，Zhao X L， Peng L. 2014. Research advances in the development and regulation of plant chloroplasts［J］. Chinese Bulletin of Botany，49（3）：337-345.］ 杨海莲，刘敏，郭旻，李荣德，张宏根，严长杰. 2014. 一个水稻 黄绿叶突变体ygl10的遗传分析和基因定位［J］. 中国水 稻科学，28（1）：41-48.［Yang H L，Liu M，Guo M，Li R D，Zhang H G，Yan C J. 2014. Genetic analysis and posi￾tioncloning of a yellow-green leaf10（ygl10）gene，respon￾sible for leaf color inrice［J］. Chinese Journal of Rice Sci￾ence，28（1）：41-48.］ 种培芳，杨江山. 2013. 4种金色叶树木叶绿素荧光动力学参 数对SO2胁迫的响应［J］. 西北林学院学报，28（6）：14-19. ［Zhong P F，Yang J S. 2013. Response of the chloro￾phyll fluorescence parammeters to SO2 stress in four golden -leaf trees［J］. Journal of Northwest Forestry Uni￾versity，28（6）：14-19.］ Albrecht V，Ingenfeld A，Apel K. 2006. Characterization of the snowy cotyledon 1 mutant of Arabidopsis thaliana： The impact of chloroplast elongation factor G on chloro￾plast development and plant vitality［J］. Plant Molecular Biology，60（4）：507-518. Aseeva E，Ossenbühl F，Sippel C，Cho W K，Stein B，Eichacker L A，Meurer J，Wanner G，Westhoff P，Soll J. 2007. Vipp1 is required for basic thylakoid membrane formation but not for the assembly of thylakoid protein complexes［J］. Plant Physiology and Biochemistry，45（2）：119-128. Ayliffe M A，Agostino A，Clarke B C，Furbank R，von Caem￾merer S，Pryor A J. 2009. Suppression of the barley uro￾porphyrinogen III synthase gene by a Ds activation ta￾gging element generates developmental photosensitivity ［J］. The Plant Cell，21（3）：814-831. Bauer J，Chen K，Hiltbunner A，Wehrli E，Eugster M，Schnell D，Kessler F. 2000. The major protein import receptor of plastids is essential for chloroplast biogenesis［J］. Nature， 403（6766）：203-207. Beale S I，Appleman D. 1971. Chlorophyll synthesis in chlorella regulation by degree of light limitation of growth［J］. Plant Physiology，47（2）：230-235. 刘新亮等：植物叶色黄化突变分子机理的研究进展

1364 南方农业学报 48卷 Bellafiore s. ferris p. naver h. gohre v rochaix j d. 2002 aLa biosynthesis chelatase and Fe chelatase Loss of Albino 3 leads to the specific depletion of Plant Molecular Biology, 64(6): 733-742 light-harvesting system[J]. The Plant Cell, 14(9): 2303- irokawa G, Nijman R M, Raj vs, Kaji H, Igarashi K, Kaji 2314. A. 2005. The role of ribosome recycling factor in dissocia- Brestic M. Zivcak M. Kunderlikova K. Allakhverdiey S tion of 70S ribosomes into subunits [J]. RNA, 11(8) 2016. High temperature specifically affects the photopro- 1317-1328 tective responses of chlorophyll b-deficient wheat mutant Hoober J K, Eggink LL, Chen M. 2007. Chlorophylls, li- lines[J]. Photosynthesis Research, 130(1): 251-266 gands and assembly of light-harvesting complexes in Chang CsJ, Li Y H, Chen L T, Chen WC, Hsieh W P, Shin chloroplasts[J]. Photosynthesis Research, 94(2-3): 387 J. Jane wn. chou s j. choi g. hu j m. somerville s Wu S H. 2008. 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·1364· 南 方 农 业 学 报 48卷 Bellafiore S，Ferris P，Naver H，Göhre V，Rochaix J D. 2002. Loss of Albino 3 leads to the specific depletion of the light-harvesting system［J］. The Plant Cell，14（9）：2303- 2314. Brestic M，Zivcak M，Kunderlikova K，Allakhverdiev S. 2016. High temperature specifically affects the photopro￾tective responses of chlorophyll b-deficient wheat mutant lines［J］. Photosynthesis Research，130（1）：251-266. Chang C S J，Li Y H，Chen L T，Chen W C，Hsieh W P，Shin J，Jane W N，Chou S J，Choi G，Hu J M，Somerville S， Wu S H. 2008. LZF1，a HY5-regulated transcriptional fac￾tor，functions in Arabidopsis de-etiolation［J］. The Plant Journal，54（2）：205-219. Chen H，Cheng Z J，Ma X D，Wu H，Liu Y L，Zhou K N， Chen Y L，Ma W W，Bi J C，Zhang X，Guo X P，Wang J L，Lei C L，Wu F Q，Lin Q B. 2013. A knockdown muta￾tion of YELLOW-GREEN LEAF2 blocks chlorophyll bio￾synthesis in rice［J］. Plant Cell Reports，32（12）：1855-1867. Chi W，Mao J，Li Q N，Ji D L，Zou M J，Lu C M，Zhang L X. 2010. 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