洋葱黄色条纹突变体的特征特性

杨海峰 惠林冲 潘美红 陈微 何林玉 王江英 缪美华 陈振泰

摘要：对母系遗传洋葱叶片黄色条纹突变体材料进行田间表型特征观察，叶绿素含量测定和显微结构观察，并利用jnurf13分子标记鉴定保持株。结果表明，洋葱突变体为亮绿黄色条纹。黄皮、白皮和紫皮洋葱中均发现黄色条纹突变株，黄化程度越高植株长势越弱;整个生育期黄色条纹一直存在于管状叶、花薹、花苞、伞状花序中花梗、花瓣、雌蕊、雄蕊等部位，直至植株枯萎也不返绿。单株自交或开放式自然授粉F1中出现全黄株、黄绿条纹株和绿株3种类型，无固定分离比，全黄株苗期死亡。洋葱黄色条纹突变体黄色组织的总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量显著低于绿色组织：石蜡切片观察结果显示黄色和绿色组织的形态结构无差异，但绿色组织的叶绿体总数高于黄色组织;通过超显微结构观察发现，黄色条纹突变体绿色组织中叶绿体结构与正常株无差异，而黄色组织中类囊体、基粒等结构降解，嗜饿颗粒数量多且集中，影响光合作用。另外，利用jnurf13分子标记从12株可育突变体中筛选出5株保持株，可作为形态学标记用于洋葱细胞质雄性杂交制种。

关键词：洋葱：黄色条纹：突变体

中图分类号：s633.2 文献标识码：A 文章编号：1000-4440（2019）01-0157-09

条纹叶片是高等植物常见的叶色突变之一，主要有白、黄2种颜色条纹，可通过自然突变、物理辐射、化学诱变和组织培养等途径产生。目前，在水稻、小麦、玉米、文心兰（Oncidiumspp.）、绿槽龟甲竹[Phyllostachys edulis（Carr.）等植物中发现条纹突变。不同植物或同一植物条纹突变的遗传规律存在差异，例如水稻、大麦、狼尾草突变是核基因突变，小麦叶绿素缺失突变体（Mtl35）是一个由核质基因共同作用的突变材料，玉米（NCS6）和狼尾草（vi/vi）均是母系遗传突变类型。条纹突变体后代出现全黄（白）色、绿色和黄（白）绿色条纹3种颜色叶片类型。黄（白）色条纹突变体主要是缺乏叶绿素，影响植物的光合作用及其生长，其叶绿体被膜、基质和类囊体基本结构也可能发生变化。条纹突变体是研究植物光合作用机理和叶绿素生物合成与降解途径，挖掘相关光合基因的重要材料。

Tatebe首先在大葱中发现黄色条纹叶突变材料，通过遗传规律分析发现黄色条纹属于母系遗传，之后又在洋葱中发现黄色条纹突变材料，正反杂交遗传分析结果表明此突变亦属于母系遗传。洋葱突变材料自交一代在苗期表现绿色和全黄，全黄苗由于缺乏叶绿素，光合能力弱，营养消耗完后枯死，而绿色苗在生长后期，叶片表现全绿色和黄色条纹2种类型。以黄色条纹叶洋葱为父本与正常叶片洋葱为母本进行杂交后，F1及其自交F2均表现为全绿叶片;黄色条纹材料为母本与正常洋葱杂交F1表现出3种类型：全黄植株（苗期）、黄色条纹和全绿植株，其自交F2均与母株特征一致。

洋葱条纹突变体属母系遗传，可作为洋葱种质资源材料的可视化形态学标记，在洋葱杂交育种中具有重要意义，尤其是洋葱保持系的鉴定。Kim报道在洋葱育性Ms位点紧密连锁处，发现含有12bp的插入序列，并开发了一种简单PCR，用于鉴定基因型MsMs、Msms、msms，该鉴定方法能够在含有Ms的位点中扩增出241 bp条带，在含有瑚的位点中扩增出229 bp条带，而在含有Msms的位点中扩增出2条带，从洋葱突变体可育株中通过分子标记鉴定保持株，将形态学标记与分子标记结合用于洋葱杂交育种。本研究自2013年开始从田间收集洋葱黄色条纹突变材料，拟对洋葱突变体形态特征、超显微结构及其保持株筛选进行初步研究，为研究洋葱光合作用机制、叶绿素生物合成途径、叶绿体的结构功能和遗传发育及调控机理奠定基础。

1材料与方法

1.1试验材料

洋葱试验材料的生态类型为中日照，全部来自连云港市农业科学院蔬菜研究室。2014-2017年在洋葱资源圃中通过田间观察筛选出12份突变株材料，名称和特点见表1。

分别测定洋葱突变材料绿叶组织和黄叶组织叶绿素含量，发现绿叶组织叶绿素含量是黄叶组织的3倍，绿叶组织叶绿素a和叶绿色b含量也是黄叶组织的3倍，黄叶与绿叶组织的叶绿素a、b及总叶绿素含量均存在显著差异，说明洋葱黄绿叶组织的叶色差异可能是由于叶片组织中叶绿素含量不同所致。但是叶绿素a/b值差异不显著（表3）。

2.2洋葱黄色条纹突变体叶片显微及超显微解剖结构

正常洋葱绿色叶片、黄色条纹突变体黄色条纹叶片和全黄叶片的表皮、栅栏组织、海绵组织和维管束等基本结构没有显著差异（图4）。局部放大观察，洋葱绿叶组织部分染色较深，尤其是在栅栏组织中可见明显的浓绿色条带，说明绿叶组织中含有较多的叶绿体及色素（图4-B），而黄叶组织部分染色较浅，栅栏组织中叶绿体与色素含量较少（图4-F）。黄色条纹叶片组織具有明显的分界线（图4-D），绿色区域叶绿体含量明显比黄色区域多。所以，黄色条纹突变体黄绿叶片叶色差异可能是由叶片组织中叶绿体数量及色素含量不同所致。

用透射电镜对洋葱黄色条纹突变体黄色区域、绿色区域及正常植株叶片的叶绿体超微结构进行比较观察，结果表明黄色条纹突变体中绿色叶片组织的叶绿体结构与正常植株相似，但黄色叶片组织的叶绿体结构与正常植株存在显著差异。正常植株叶绿体呈纺锤形，紧贴细胞壁（图5一G），基粒片层排列有序且结构清晰，嗜饿颗粒分散且数量较少（图5-H、I）。黄色条纹突变体绿色叶片组织内叶绿体呈椭圆形或纺锤形，大小不一，排列松散（图5-D、E），类囊体和基粒片层分布均匀，嗜饿颗粒分散，但数量较多（图5-F）;黄色条纹突变体黄色叶片组织大部分叶绿体为近椭圆形（图5-A），基粒片层数目和基粒片层垛叠层数明显减少，排列疏松，看不到基粒结构和类囊体，相对于正常植株叶片组织而言，其叶绿体内膜系统嗜饿颗粒较多且相对集中（图5-B、c），说明洋葱黄色条纹突变体中黄色叶片组织中叶绿体结构发育不完整，存在明显的缺陷。

不同植物条纹突变出现的时期及是否返绿各不相同。大麦（whsl8）在拔节期开始出现白条纹，3个月后逐渐形成正常的绿色叶。水稻（stlO）突变的叶片在2～3张叶片阶段呈白色条纹，然后随着植株的生长，白色逐渐减弱，叶片颜色恢复正常，叶脉继续呈白色，受温度变化的影响。水稻突变体（wsl4）在早期叶片发育过程中形成白条纹，受低温诱导表达。水稻突变体（sdl）幼苗的条纹叶片对温度高度敏感，随着温度的升高叶绿素含量增加。同样安吉白茶在白叶期叶色为白色，随后叶片转为正常绿色。玉米（NCS6）条纹突变体在幼苗阶段呈淡绿色，成熟时从叶鞘到节间呈黄色和白色。水稻wp（t）突变体在其基部叶片上呈白色条纹，而花序和花梗呈乳白色。本研究中洋葱黄色条纹突变体在苗期和开花期的花薹、花苞、花序、雄蕊、雌蕊均为黄色，直至枯萎也不返绿。

叶色突变体中叶绿素a和叶绿素b含量减少，但大多数黄化突变体叶绿素a/b比值显著升高，即叶绿素b降低程度大于叶绿素a[39]。本研究中洋葱突变体叶中绿色组织叶绿素a和叶绿素b含量均高于黄色组织，而叶绿素a/b值两者差异不显著。su-jatha等在狼尾草黄色条纹突变体中也发现绿素a/b比值与对照差异不显著。小麦条纹株叶片呈绿白相间的条纹，能够正常成穗结实，但其株高、穗长、单株粒数、单株籽粒质量、千粒质量都显著低于原始亲本，生育期比原始亲本延长5～7d，绿株与原始亲本没有显著差异。Zhao等。也发现水稻白色条纹株变矮，每穗粒数、粒质量等农艺性状均低于对照。本研究中洋葱黄色条纹程度越高，对光合作用影响越大，植株越矮小，对生长有一定的负面影响。

叶片条纹突变对叶片结构有一定影响。贾学静等研究金心吊兰的叶片解剖结构发现园艺栽培变种金心吊兰的叶片更厚，叶细胞更大，不同于全绿叶片的原变种宽叶吊兰。常青山等发现菊花黄绿叶突变体绿色组织和黄色组织均含有正常的组织结构，叶色差异可能在于叶片组织中的叶绿体数量及相关色素含量不同。洋葱条纹突变体中绿色组织和黄色组织与正常叶片组织显微结构无差异，均含有表皮、栅栏组织、海绵组织和维管束，黄色组织的叶绿素含量比绿色组织低。IJi等对银杏黄绿叶突变体的叶绿体超微结构进行观察，发现正常叶色区域叶绿体结构正常，含有类囊体膜和基质层以及少量淀粉颗粒和嗜饿颗粒，而黄色区域中叶绿体形态异常，类囊体膜破裂，基质片层不清晰或缺失，含不规则排列的囊泡，并充满大量嗜饿颗粒，且细胞的平均叶绿体数量和大小显著低于正常叶片，类囊体膜系统明显紊乱。王彩霞等发现文心兰黄色条纹叶突变体的黄色细胞组织叶绿体发育异常，多为球形，大小不一，基质中含较多嗜饿颗粒和囊泡，基粒片层稀疏，结构松散，少数叶绿体的基粒片层结构缺失。本研究中，洋葱突变体的黄色组织叶绿体减少，近椭圆形，基粒片层结构减少且松散或缺失，基质中含较多嗜饿颗粒但无囊泡，绿色组织与正常植株比较，嗜饿颗粒数量多且分散，其他无差异。说明黄色条纹突变体中黄色组织叶绿体的发育受到了严重影响。

叶色变异作为标记性状用于杂交育种和良种繁育，不但可以测定种子纯度，还可在苗期剔除假杂种。刘国民等培育的携带叶色标记的黄标1A、黄标2A、黄标3A水稻不育系同正常叶色不育系Ⅱ-32A、G46A的叶色差异显著，易肉眼识别，在秧苗生长期间便可以根据叶色差异剔除混杂的不育系或保持系，达到去杂保纯的目的。洋葱黄色条纹突变体屬于母系遗传，洋葱杂交制种中保持系常规选育周期长且无法肉眼识别，结合分子标记能够在黄色条纹突变体中找到保持株。本研究中通过inurfl3分子标记从12株可育的黄色条纹突变体中，筛选出5株保持系，自交后代成苗株有黄色条纹和全绿类型，能够直接肉眼识别，保证纯度，其与不育系杂交的后代全为正常绿色的不育系。有研究者报道君子兰（cmvv）条纹突变体中完全绿色植株也能够再生出黄色、绿色和黄绿条纹3种不同类型。Tatebe以洋葱、大葱条纹突变体为母本，绿色植株为父本的杂交F1有3种类型，其中全绿株自交F2均为全绿株，所以洋葱黄色条纹突变体可以作为一种形态学标记在育种中应用。后续研究中会对突变体的叶绿体、线粒体DNA基因组及相关转录组进行测序分析，研究突变原因。