水稻白化转绿叶色突变体研究进展

唐辉武，张 兰，蔡培荣，黄潇溢，秦银娇，吴梓鹏，朱嘉慧，王丽敏

（仲恺农业工程学院现代种业创新研究院，广东 广州 510225）

大量研究预测，至2050年，全球人口将由目前的73亿增加至97亿，人们的生活不断富庶，饮食结构逐渐改变，优质的动物食品及奶制品需求激增，这将需要生产大量的初级食品，全球粮食需求将会是现在的2倍以上［1-3］。水稻是主要的粮食作物之一，全世界超过50%的人口（我国超过60%的人口）以水稻为主食［4］。通过提高光合效率增加生物量是提高水稻单位面积产量的有效途径，而光合作用效率与叶绿体的功能和活性密切相关［5］。叶色变异是一种常见的突变性状［6］，叶色突变体是研究叶绿体发育和调控的良好材料。水稻白化转绿突变体是叶色突变中比较特殊的一类，水稻苗期叶片中缺乏叶绿素，表现出白化现象，但植株生长发育到一定时期又能正常合成叶绿素，其失绿的叶片又逐渐恢复绿色，最终表现为正常绿色，因此将其定名为白化转绿突变体［7］。阶段性的白化转绿现象源于非致死的叶色突变，主要表现为苗期白化［8-9］，与黄化突变相比较，白化突变体在苗期更加容易鉴定，因此在图位克隆和后续实验验证等方面具有较大的优势［10］。基于分子生物学的快速发展，目前已经通过定位或基因克隆等方法鉴定到多个控制白化转绿性状的基因［11-12］。随着对植物叶色突变体的研究和认知的加深，其潜在的价值逐渐被发掘，很多植物叶色突变体已广泛应用到基础科学研究和实际生产中。本文从白化转绿突变体的表型、分类、来源、作用机制、遗传方式及应用等方面综述了近年来关于水稻白化转绿突变体的研究进展，为研究水稻叶绿体的发育、光合作用机制等理论研究以及杂交育种等实际应用提供参考。

1 白化转绿突变体的表型及分类

白化转绿突变体是对具有白化转绿性状的统称，并不是所有的性状都是严格的白化转绿表型，只是具有这种共同的表型变化趋势或过程，突变体白化转绿的过程和转绿的程度也不尽相同。正是因为有此特点，才使得不同类型的白化转绿突变体均具有理论和实际研究的价值。

1.1 白化转绿突变体表型

楼珏等［13］对水稻白化转绿突变体标8S的研究表明，其在第1～4叶边缘表现为失绿，其中第1、2叶白化面积较大，而第3、4叶逐渐减少，在第5叶基本恢复绿色。王军等［14］对水稻白化转绿突变体v13（t）进行研究，发现其在3叶期前都表现为白化，只有叶尖和叶鞘有少量绿色，在4叶期初开始转绿，到第6叶时几本恢复正常绿色。金怡等［15］发现了1个在生长初期叶色表现为白条纹、而至抽穗期其穗部表现为白化的水稻突变体wslwp，其在1叶期时叶色表现为白化，至2叶期以后的新生叶由中脉开始逐渐转绿。蔡海亚等［16］鉴定到1个由GRA3控制的水稻白化转绿突变体，该突变体在2叶期到4叶期间叶片边缘白化，4叶期后转绿。邹金财等［17］发现了水稻阶段性温敏白化转绿突变体stgrɑ254，该突变体在大田种植条件下，第1～5叶呈正常绿色，第6叶完全展开时近中部开始出现椭圆形小白斑点，在分蘖盛期逐渐融合成大白斑点，后渐渐转绿，直至成熟期呈现正常绿色。

1.2 白化转绿突变体分类

白化转绿突变体的分类方法很多，没有统一的标准。根据不同表型的叶色特点将突变划分为单色突变、杂色突变和渐变突变［18］；根据白化转绿后叶片的颜色差异，可划分为白化转浅绿、白化转绿和白化转黄绿突变体［19］；根据所缺失的色素类型，可划分为caro缺乏型和chlb缺乏型［20］；根据突变表型对光周期、营养等环境因子的敏感特性，可划分为光敏型和营养敏感型，光敏型又分为光照强度敏感型和光周期敏感型［21］；根据水稻白化转绿突变体叶色表达与温度的关系，可划分为高温敏感型、低温敏感型和温钝型3种［22］；根据突变基因类型，又可划分为核基因和胞质基因控制两种类型［21］。一般而言，研究者会根据所获得的白化转绿突变体的特点进行分类。

2 白化转绿突变体来源

植物出现叶色突变的原因多种多样，其中自然突变和人工诱变是水稻白化转绿突变体的主要来源。

2.1 自然突变

自然突变是指在没有任何人为干预的自然条件下形成的突变，但突变概率较低且不易被发现。即使得到了可进一步研究的突变体，也需要利用图位克隆法定位该自发突变的基因，利用该方法定位突变基因时间长且难度较大，因此存在一定的局限性［6］。日本科学家发现了virescentl-12系列自然突变的白化转绿突变体，并对其中的v1、v2、v3、v9、v10、v11作进一步的深入研究［23-26］。Chen等［27］在粳稻品种秋丰（Qiufeng）中，发现了自然突变产生的白化转绿突变体Qiufeng M。邓锋林等［28］在水稻花培后代中发现一种苗期叶片白化而随着生长发育叶片转绿的突变体，将该突变性状转入温敏不育系培矮64S中育成白化转绿突变体白02S。该性状可作为一种形态标记性状应用于水稻杂交种子和不育系纯度的苗期快速鉴定。因自然突变不涉及基因编辑，在实际应用中更具安全性，但自然突变往往比较少。

2.2 人工诱变

物理诱变、化学诱变和基因操作技术诱导突变是最常使用的人工诱变方法。人工诱变的优点在于可以大幅度提高突变率，加快新品种选育的进程，并创造出新的种质资源；缺点是无法控制突变的方向。

物理诱变指利用物理因素如辐射、离子束、激光和卫星搭载等方式处理植物种子、花粉及根尖等使其产生突变的方法。化学诱变是指通过化学诱变剂处理产生的突变，常见化学诱变剂的种类有碱基类似物及相关化合物、烷化剂和其他种类的诱变剂，其中以烷化剂甲基磺酸乙酯（EMS）应用最为普遍。通过理化因素诱变可以在较短时期内获得大量突变体，而其中的叶色突变目前已广泛应用于植物育种工作中，并取得了很大的成就。浙江大学原子核农业科学研究所已建立一套利用60Co-γ辐射诱变培育白化转绿突变体的技术，先后育成了白丰A等带叶色标记的不育系［29］。夏英武等［30］用60Co-γ射线处理水稻温敏核不育系2177S，获得了一批常见的叶色突变体材料。

利用基因操作技术对生物体基因组特定目标基因进行修饰是较为精准的一项技术，通常使用基因沉默、插入突变等方式进行基因修饰。基因沉默突变是利用基因表达调控技术使某些基因失活而产生突变。Liu等［31］利用该技术从转基因水稻株系中分离筛选得到1个对温度敏感的突变体，当温度高于26 ℃时，该突变体会出现白化转绿的表型。基因沉默导致的叶色突变体多被用于研究特定基因的功能。插入突变是利用T-DNA、转座子（Ac/Ds系统）、逆转座子（Tos17）等元件插入到植物基因组中诱发突变。杨转英等［32］运用T-DNA插入突变从变异群体中选育了一系列白化转绿突变株系。何旎清等［33］在水稻品种‘Dongjin’的T-DNA插入突变体库中筛选到1个不受温度影响的黄绿叶突变体。随着基因工程技术的飞速发展，通过基因工程操作的方法获得大量叶色突变体越来越容易，但对于其分子机理的研究仍需不断探索。

3 水稻白化转绿分子机制

一般情况下，植物叶色突变会对光合作用产生影响，进而影响植物的生长发育，情况严重时，甚至引起植株死亡。叶色变异的发生与色素的合成和降解、叶绿体发育、核质信号转导等因素密切相关［34］。水稻白化转绿突变的产生机制主要由光合色素生物合成途径中的基因突变、叶绿体发育过程相关基因突变以及质－核信号传导途径受阻等调控［12］。

3.1 光合色素生物合成途径中的基因突变

叶绿体的发育和光合色素的合成是水稻白化转绿的重要条件之一，受外界因素影响较大。高等植物叶片中的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素。光合色素是由多个类异戊二烯组成的萜类化合物，类异戊二烯的合成途径之一质体MEP（2-C-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphate，MEP）途径中编码任意一个酶的基因发生突变，都会影响植物叶绿素及类胡萝卜素的合成，进而影响叶绿体发育，引起叶色变异［35］。

3.1.1 叶绿素合成途径中的基因突变 叶绿素主要以Chla和Chlb的形式存在于高等植物中。叶绿素的合成过程比较复杂，需要多种不同的酶参与协作才能完成。在这个过程中，任何一个基因发生变化，都可能对叶绿素的合成产生一定的影响，进而导致植物的叶色发生一定的变化［32］。Zhang等［36］研究发现，水稻中编码Mg2+螯合酶相关基因发生突变，会引起该螯合酶活性下降，进而叶绿素合成量减少，叶色发生变化。Wu等［37］通过对叶绿素合成相关基因YGL1的研究，发现YGL1突变会导致叶绿素合成酶活性降低，进而延缓叶绿素的合成。Lee等［38］研究发现OsCAO1/2基因发生突变会影响chlb的合成，导致叶片出现白化、株高变矮等现象，严重时还会引起植株早衰死亡。水稻白化转绿突变体w1在低温环境下，叶绿素合成卟啉原形成部位受阻，导致水稻叶片出现白化；当温度高于23 ℃时，w1的叶绿素合成逐渐恢复正常，叶色随叶绿素含量增加逐渐转绿［39］。WSL9编码HNH核酸内切酶，低温条件下在转录水平上影响叶绿素的合成［40］。ASL4编码30S核糖体蛋白S1，该基因突变后影响叶绿素和类胡萝卜素的合成，导致叶片白化［41］。

3.1.2 类胡萝卜素合成途径中的基因突变 类胡萝卜素是植物光合色素的重要组成部分，包括胡萝卜素和叶黄素，在光合作用中吸收和传递光能［42］。研究表明，OsLCY编码番茄红素β-羟化酶，当其缺失时会导致转录提前终止，类胡萝卜素的合成受阻，植株叶色出现白化现象。OsPDS编码八氢番茄红素脱氢酶，当外显子插入错误导致转录提前终止，水稻叶色也出现白化现象［43］。OsCRTISO编码类胡萝卜素异构酶，发生错义突变后，水稻叶片白化［44］。编码类胡萝卜素合成途径中的酶基因突变会导致类胡萝卜素合成受抑制，进而出现叶片白化的表型。

3.2 叶绿体发育过程中的相关基因突变

绿色植物进行光合作用主要依赖于叶绿体。叶绿体的发育受核基因组与叶绿体基因组协调表达调控，叶绿体基因的表达变化会引起核基因组发生相应的变化，调控相关基因的表达，进而导致叶色发生突变［45］。水稻白化转绿突变体v1中，OsRpoTp编码叶绿体RNA聚合酶，该基因发生突变会导致叶绿体发育不正常，导致植株出现白化［46］。ASL1编码叶绿体核糖体蛋白S20，该基因发生突变会导致控制相关叶绿体蛋白合成的核基因表达异常，使得水稻在苗期呈现白化表型［47］。参与叶绿体发育的GRA（T）基因编码叶绿体蛋白合成延伸因子Tu（EF-Tu），其突变体在出苗时开始表现为白化，三叶期前叶片边缘白化，随后开始逐渐恢复绿色［48］。Zheng等［49］通过EMS诱变获得苗期白化突变体rɑ1，通过图位克隆发现RA1编码氨酰-tRNA合成酶，该基因突变导致叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量显著降低，叶绿体发育异常，在苗期2周内表现为叶片白化。TSCD11编码丝氨酸-tRNA合成酶，其突变体在25 ℃条件下生长与野生型无差别，温度高于35 ℃，叶片出现白化，叶绿素和类胡萝卜素含量显著降低［50］。

3.3 核-质信号传导途径障碍

细胞核与叶绿体基因组间的核-质信号传导途径在叶绿体发育以及光合作用过程中均有重要作用，如果该途径受到阻遏，会抑制光合色素的合成，这种改变可以作为信号分子传递，使相关核基因的表达得到一定的调节，从而导致叶色变异［18］。低温条件下，水稻白化突变体v2中参与质体转录和翻译的基因OsRpoTp和OsSIG2A过量表达，导致光合作用相关基因的表达受到抑制，进一步分析表明，在叶绿体分化早期，质体基因的转录和翻译受到抑制，导致核质基因交流受到抑制，叶片出现白化现象［25］。Liu等［51］发现多效发育缺陷基因（PDD）的等位基因发生变异后，会影响叶绿体基因的表达，进而影响叶绿体和细胞核之间的信号传导，使得突变体在五叶期前表现白化。

4 白化转绿突变的遗传方式

水稻的叶色突变主要受细胞核基因、细胞质基因以及核质基因互作调控。

4.1 细胞核遗传

研究发现，由细胞核基因突变引起的叶色突变主要由隐性核基因控制，且遵循孟德尔遗传规律。李瑞清等［21］通过研究发现，突变体g9和叶色正常的品种进行杂交得到的F2代群体的性状分离比符合3∶1的理论分离比，g9的叶色突变受1对隐性核基因控制。杨海莲等［52］通过遗传分析发现，水稻突变体ygl10性状受控于1对隐性核基因。刘喜等［53］利用水稻叶色白化转绿突变体wgl与‘日本晴’、‘越光’杂交构建F2群体，遗传分析发现该突变性状也受控于1对隐性核基因。目前由隐性核基因控制水稻叶色突变体的报道较多［16,28,33,35,54］。

4.2 细胞质遗传

细胞质遗传往往受核基因的影响和控制，但一些半自主性细胞器（如叶绿体和线粒体）可以独立地遗传和编码相关的遗传物质和蛋白质。细胞质遗传通常不遵循孟德尔遗传规律，大多通过母性遗传进行。细胞质基因引起的叶色突变较少，最早的报道见于Palmer等［55］对大豆的研究。刘友杰［56］采用激光诱导的方法获得水稻褪绿突变体，通过对该突变体进行遗传分析，发现该突变体由细胞质基因突变引起。

4.3 核质基因互作

核质互作通常被理解为核基因组与细胞质基因组间存在互相作用。一方面，核基因控制质体的发育，例如水稻核基因OsDVR［57］发生突变后，抑制了水稻叶绿体的发育，导致植株出现黄绿叶；另一方面，产生于叶绿体的信号系统也称为逆行信号，该系统传输叶绿体发育和功能信息到细胞核，进而影响核基因表达［58］。V2编码1个新型鸟苷酸激酶（GK），在叶绿体发育过程中参与信号向细胞核传导，该基因的突变体v2属于温度依赖型突变体，在一定温度条件下突变体丧失质体基因的特异表达性，抑制了核基因组编码质体蛋白的表达，导致质体蛋白丧失翻译功能，叶绿体分化受阻，呈白化表型［25］。Xu等［59］在水稻中克隆了编码1个3'-磷酸腺苷5'-磷酰硫酸转运蛋白的基因PAPST1，该基因突变导致叶片发育早期表现枯黄，进一步通过亚细胞定位等试验推测该基因可能作为3'-磷酸腺苷5'-磷酰硫酸载体，在细胞核和叶绿体之间起到信号传导作用。目前核质基因互作是研究的热点，其中机理仍有待探索。

5 影响水稻叶片白化转绿的因素

高等植物叶绿体的发育一般分为3个阶段：第一阶段是质体DNA的复制及质体的分裂；第二阶段是叶绿体遗传系统的建立；第三阶段是核-质基因高效表达引导叶绿体光合系统的合成与装配，核基因编码的 RNA聚合酶（nuclear encoded RNA polymerase,NEP）在叶绿体发育早期大量合成，之后受到抑制，此时质体编码的RNA聚合酶（plasmid encoding RNA polymerase，PEP）开始活化，叶绿体发育完成［60］。叶绿体的发育涉及激活大量相关核基因和叶绿体基因，到目前为止其调控网络尚未完全清晰。影响水稻白化转绿突变体叶色变化的内因主要是相应的核基因和叶绿体基因，外因主要是温度、光照等环境因素及氮代谢等。

5.1 温度、光照等环境因素

温度对水稻白化转绿突变体的表型有重要影响，而且不同的突变体表现出的反应存在差异。常见的温敏核不育系叶色突变类型有3种：低温表达型、高温表达型和温钝型［22］。低温敏感型的水稻白化转绿突变体白01S、w1、v13（t）、v1、v2等表现为低温白化，在高温条件下转绿［35］。这是由于在低温条件下，合成光合色素的相关酶活性降低，酶促反应受到抑制，导致相关蛋白合成速率慢，甚至无法合成，从而形成白化叶［25］，例如董华林等［61］研究发现突变体gr在20 ℃时叶片出现白化并停止生长。高温敏感型突变体w4和w11等在30～35 ℃的温度下叶片出现白化，但在20～25 ℃时叶片却表现为黄化。温钝型突变体对温度钝感，其白化转绿主要依靠水稻生育进程的发展［25］。目前已有相关研究表明，多数转绿型水稻叶色突变体的转绿受到温度、生育进程或二者的共同调控，温度对细胞内的酶促反应影响很大，一般认为高温胁迫下植株叶绿素含量的响应方向或幅度与增温阶段或强度有关［62］。水稻阶段性温敏白化转绿突变体stgrɑ254的生长发育和外界温度一起调控着该突变体的表型［17］。光是叶绿体发育的必要条件。光照条件下，1/3的核转录受到影响，包括许多编码叶绿体靶向蛋白的转录［63］。光照也是影响植物光合作用的重要因素，某些叶色突变体对光周期具有敏感性，突变体v3在白天（30 ℃、光照12 h）、夜晚（20 ℃、黑暗12 h）的条件下，叶片表现为正常的绿色［23］，温度和光周期协同控制叶色的变化。

5.2 氮代谢

碳氮代谢的变化直接影响植物光合作用产物的形成、转化和蛋白质的合成等，是植物的基本代谢过程。氮是叶绿素分子的重要组成部分，叶片中的氮含量会影响叶绿素的合成及叶绿体的发育，进而影响植株的光合作用，导致植株出现黄化或者白化的现象［64］。在缺氮的条件下，植物体内的叶绿素含量随着氮含量的增加而增加，叶色相应发生变化［65］。Zhou等［66］研究发现，施氮程度的差异会促使水稻叶绿素含量发生相应的转变，进而影响叶色。关于常规水稻氮代谢的研究较多，而关于白化转绿突变体白化阶段的氮代谢研究较少，利用白化转绿突变体，白化转绿阶段的变化来研究水稻的氮素调控是很好的材料。

5.3 其他因素

植物叶片是响应胁迫的重要场所，一些白化转绿突变体会应对胁迫反应产生表型变化。水稻白化突变体Oslcd1对盐胁迫和干旱胁迫敏感［68］。刘喜等［53］发现水稻白化转绿突变体wgl在3叶期叶片的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性比野生型明显增加，过氧化氢酶（CAT）活性明显降低，且丙二醛（MDA）含量明显增加，说明wgl在3叶期受到一定程度的氧化胁迫，叶色白化转绿的过程也随之受到影响。

6 应用与展望

叶绿体是植物光合作用的主要场所和细胞的能量供应中心，对植物的生长发育和细胞的新陈代谢至关重要［68］。叶绿体由自身基因组编码的基因约有100个对质体蛋白的合成和光合作用起到重要作用，此外，还有超过3 000种由核基因编码并定位到叶绿体的蛋白参与叶绿体的发育和光合作用的调控［69-70］。因此，叶绿体的发育高度依赖细胞核基因和叶绿体基因的协调控制［71-72］。由于细胞核和叶绿体基因之间复杂的相互作用，一些关键调控网络中的基因突变将影响叶绿体发育，导致叶色突变，甚至引起植株死亡［73］。非致死的叶色突变体常被用作探究叶绿体发育、叶绿素生物合成及植物光合作用机制的重要材料，目前通过叶色突变体已鉴定和克隆到多个调控叶绿体发育的关键基因。由于叶色表型明显、遗传稳定、调查便捷，水稻叶色突变体还可作为表型标记应用于杂交稻育种［6］，不仅可以测定种子纯度，还可以在苗期去除因受到外源花粉污染的种子和假杂种［28］，极大程度上减少了目标种子纯度的鉴定时间，大大提高了育种效率。叶色突变还可应用于品种改良和功能基因组学等研究。

利用水稻叶色突变体还可以培育出具有观赏价值的水稻品种，提高水稻的经济价值；或将突变叶色基因转移至其他观赏类植物中，创造观赏植物新品种。在水稻中已有很多白化突变体的发现和研究，尽管导致叶绿素缺乏的原因各异，但许多白化突变体在生理特性和细胞学水平上表现出一定的一致性或相似性［11］。目前关于水稻白化转绿突变体的研究多集中在表型鉴定、遗传分析及精细定位方面，虽然已鉴定多个控制水稻白化转绿的基因，但其生物学功能和其下游的调控网络并不十分清晰，这些基因是如何调控叶绿体结构和发育的还有待深入解析，进一步阐明白化转绿的分子机理对叶绿体的发育调控的理论研究及遗传育种的生产应用均具有重要意义。