水稻高光效两用不育系叶色突变体基因克隆与功能研究

The leaf color mutants are ideal materials to study photosynthesis mechanism,but most of them could not growed because of low photosynthetic efficiency. In this study, a yellow-green leaf color mutant, dual-purpose genic male sterile line KT27S was bred, the chlorophyll content is nearly 50% lower than the normal rice, but the leaf photosynthetic efficiency is high, no light saturation and "midday depression". As the leaf color marker of sterile lines of hybrid rice applicated in seed production,it can save the heavy sterile group of impurity and significantly improve the purity of hybrid seed production. Meanwhile, in the field of hybrid rice seedlings seedling stage, it is easy to remove the sterile line selfing plants, help to overcome the two-line hybrid rice field confounding widespread problem of purity sterile plants. The mutant trait controlled by a single recessive gene on chromosome 5. This paper is intended to be the high light efficiency of rice CMS for materials, cloning and functional analysis of the mutant gene revealed that the gene affected chlorophyll synthesis mechanism; another light conditions through the variation of superoxide anion radical, photorespiration a comparative study of rates and laws related enzyme gene expression and enzyme activity, trying to elucidate the physiological mechanism of high photosynthetic efficiency of rice KT27S. The findings show important prmoting role in plant physiological understanting of high photosynthesis efficiency and the breeding application of the leaf mark.

叶色突变体是研究光合作用机制的理想材料。但大多数叶色突变体都因光合效率降低而不能正常生长。本研究培育出的黄绿叶色两用核不育系KT27S，其叶绿素含量比正常水稻降低近50%，但叶片光合效率高，没有光饱和和"午休现象"，植株生长量大。作为不育系的叶色标记应用于杂交水稻制种可省去繁重的不育系群体除杂，显著提高制种纯度。另在杂交稻秧田苗期，很易除去不育系的自交株，克服两系法杂交稻普遍存在的混杂不育株的纯度问题。该突变性状受第5染色体上的1对隐性基因控制。本课题拟以该高光效水稻不育系为材料，进行该突变基因的克隆和功能解析，揭示该基因影响叶绿素合成的机制；另通过对强光条件下超氧阴离子自由基变化规律、光呼吸速率以及相关酶的基因表达规律和酶活性等进行比较研究，力图阐明黄绿叶水稻KT27S高光合效率的生理机理。该研究结果对植物高光效的光合生理认识以及叶色标记在杂交育种中的利用都有重要促进作用。

叶色突变体是研究光合作用机制的理想材料。但大多数叶色突变体光合效率降低而不能正常生长。本研究培育的黄绿叶色不育系KT27S，叶绿素含量低，但叶片光合效率高，没有“午休现象”，植株生长量大。同时作为不育系的叶色标记可应用于杂交水稻制种。本研究课题揭示了叶色突变体高光效的光合生理机理，并进行了基因克隆和功能解析。主要结果如下：.叶色突变体KT27s在强光条件下光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、光饱合点大于野生型，叶温低于野生型；叶绿素荧光参数QP、NPQ、Fv/Fm、F'v/F'm、ΦPSII和ETR都高于野生型，转录组分析检测到午休强光高温时1246个基因具有显著差异表达水平。突变体原初反应捕光复合体相关蛋白全部上调，电子传递，光合磷酸化以及碳同化相关基因大部分上调。表明KT27S叶绿素含量降低后，强光条件下光能转换效率和原初光能捕获效率高、光合电子传递的量子产额大、电子传递效率高、散热能力强，光抑制小。.突变体材料RUBP羧化酶活性高于野生型，光呼吸速率和光呼吸相关酶活性都低于野生型。气孔运动分析发现突变体对ABA敏感度降低，故强光条件下气孔开度大于野生型，有利于碳同化羧化反应。这是其光合速率高于野生型的关键因素之一。KT72S超氧阴离子自由基，过氧化氢和丙二醛含量，过氧物歧化酶，过氧化氢酶，抗坏血酸过氧化物酶活性低于正常植株，表明突变体活性氧含量低，受强光伤害小。.叶绿素前体含量分析表明KT27S镁原卟啉合成受阻，镁离子螯合酶活性检测低于正常植株。结合分子标记定位和转录组分析，确定叶色突变是镁离子螯合酶D亚基发了T-C的碱基突变，亮氨酸变成丝氨酸，疏水性变成亲水性，二级结构发生改变， D亚基强光下表达量上调，但D蛋白含量降低。对镁离子螯合酶D亚基过表达获得叶色偏黄植株，植株偏矮小；利用CRISPR-Cas9技术敲除D亚基获得黄色致死植株。酵母双杂筛选到１９个互作蛋白，包括光系统，抗干旱，光敏色素等蛋白。本研究结果对揭示水稻叶色突变高光效机理，促进高光效育种具有重要理论意义。