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