水稻高光效兩用不育系葉色突變體基因克隆與功能研究

《水稻高光效兩用不育系葉色突變體基因克隆與功能研究》是依託湖南師範大學，由戴小軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水稻高光效兩用不育系葉色突變體基因克隆與功能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：戴小軍
• 依託單位：湖南師範大學

項目摘要

葉色突變體是研究光合作用機制的理想材料。但大多數葉色突變體都因光合效率降低而不能正常生長。本研究培育出的黃綠葉色兩用核不育系KT27S，其葉綠素含量比正常水稻降低近50%，但葉片光合效率高，沒有光飽和和午休現象，植株生長量大。作為不育系的葉色標記套用於雜交水稻制種可省去繁重的不育系群體除雜，顯著提高制種純度。另在雜交稻秧田苗期，很易除去不育系的自交株，克服兩系法雜交稻普遍存在的混雜不育株的純度問題。該突變性狀受第5染色體上的1對隱性基因控制。本課題擬以該高光效水稻不育係為材料，進行該突變基因的克隆和功能解析，揭示該基因影響葉綠素合成的機制；另通過對強光條件下超氧陰離子自由基變化規律、光呼吸速率以及相關酶的基因表達規律和酶活性等進行比較研究，力圖闡明黃綠葉水稻KT27S高光合效率的生理機理。該研究結果對植物高光效的光合生理認識以及葉色標記在雜交育種中的利用都有重要促進作用。

結題摘要

葉色突變體是研究光合作用機制的理想材料。但大多數葉色突變體光合效率降低而不能正常生長。本研究培育的黃綠葉色不育系KT27S，葉綠素含量低，但葉片光合效率高，沒有“午休現象”，植株生長量大。同時作為不育系的葉色標記可套用於雜交水稻制種。本研究課題揭示了葉色突變體高光效的光合生理機理，並進行了基因克隆和功能解析。主要結果如下： 葉色突變體KT27s在強光條件下光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、光飽合點大於野生型，葉溫低於野生型；葉綠素螢光參數QP、NPQ、Fv/Fm、F'v/F'm、ΦPSII和ETR都高於野生型，轉錄組分析檢測到午休強光高溫時1246個基因具有顯著差異表達水平。突變體原初反應捕光複合體相關蛋白全部上調，電子傳遞，光合磷酸化以及碳同化相關基因大部分上調。表明KT27S葉綠素含量降低後，強光條件下光能轉換效率和原初光能捕獲效率高、光合電子傳遞的量子產額大、電子傳遞效率高、散熱能力強，光抑制小。 突變體材料RUBP羧化酶活性高於野生型，光呼吸速率和光呼吸相關酶活性都低於野生型。氣孔運動分析發現突變體對ABA敏感度降低，故強光條件下氣孔開度大於野生型，有利於碳同化羧化反應。這是其光合速率高於野生型的關鍵因素之一。KT72S超氧陰離子自由基，過氧化氫和丙二醛含量，過氧物歧化酶，過氧化氫酶，抗壞血酸過氧化物酶活性低於正常植株，表明突變體活性氧含量低，受強光傷害小。 葉綠素前體含量分析表明KT27S鎂原卟啉合成受阻，鎂離子螯合酶活性檢測低於正常植株。結合分子標記定位和轉錄組分析，確定葉色突變是鎂離子螯合酶D亞基發了T-C的鹼基突變，亮氨酸變成絲氨酸，疏水性變成親水性，二級結構發生改變， D亞基強光下表達量上調，但D蛋白含量降低。對鎂離子螯合酶D亞基過表達獲得葉色偏黃植株，植株偏矮小；利用CRISPR-Cas9技術敲除D亞基獲得黃色致死植株。酵母雙雜篩選到１９個互作蛋白，包括光系統，抗乾旱，光敏色素等蛋白。本研究結果對揭示水稻葉色突變高光效機理，促進高光效育種具有重要理論意義。