水稻新叶色突变基因XWS的克隆及光合调控机理解析

The leaves were the most important rice photosynthetic organs and that study has important theoretical and practical significance for improving rice yield. The research found a yellow leaves mutant xws of rice in genic male sterile line which is extesivelly applicationed. To understand the genetic basis of its leaf colour mutants, we developed a population of F2 from the cross between the mutant xws and the green leaf varieties R Huazhan for gene mapping. The yellow leaf gene XWS was mapped on chromosome 3, and is linked to the markers WY91 and WY242 in an interval of 51.7kb. By the allelic determination and the bioinformatics analysis, the XWS gene is a new leaf color mutant gene. In order to understand the molecular mechanism of leaf color mutation gene, the XWS gene will be cloned for resolution function and mutational mechanisms in this study, This will lay the theoretical foundation of Molecular Genetic Improvement in Rice, and provide new valueble genetic resources for the high-yield rice, safety, low cost breeding.

叶片是水稻最重要光合器官，研究叶片的光合作用对提高水稻产量具有重要的理论和实践意义。本项目在水稻两用核不育系大面积应用过程中发现了一株叶色突变体xws。项目前期研究中，采用xws与R华占杂交构建的F2群体作为定位群体，将突变基因XWS定位在第3条染色体分子标记WY91和WY242之间51.7kb范围内，通过等位性测定及生物信息学分析，该基因是一个新叶色突变基因。本项目拟通过对叶色突变基因XWS进行克隆，明确该基因的结构特点、时空表达特性、编码蛋白的亚细胞定位、基因的功能及其作用于叶绿素合成途径的可能位点，以深入探究XWS基因的突变机制及其调控叶片转色等光合特性的分子机理，为水稻两用不育系遗传改良奠定理论基础，并为水稻高产、安全、低成本等育种提供有应用价值的新基因资源。

叶色发生突变大部分是受到叶绿体发育和叶绿素含量异常的影响，因此利用叶色突变体可以定位和克隆与水稻光合作用相关的新基因，分析其相关功能及调控光合的机制，并采用基因工程技术来提高水稻的光合能力，对培育高光效水稻和增加产量具有重要的理论意义。本项目通过对突变体的生理特性、光合指标、叶绿体的超微结构以及突变基因的图位克隆等研究，结果表明：.1、通过对xws突变体的叶绿体结构观察发现，与野生型相比，嗜锇小体消失，类囊体数量减少，基粒片层变薄，且排列不规则。.2、突变体的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间二氧化碳浓度（Ci）与野生型相比均下降。叶绿素荧光参数中，突变体xws的Fo、NPQ、ABS/RC、 TRo/RC、 ETo/RC和 DIo/RC与野生型相比，主要是在前期呈明显下降，后期影响不明显。.3、对xws基因进行遗传分析，发现该突变性状是受单隐性核基因控制，并将该基因定位于第3条染色体上WY242和WY119之间的51.7 kb范围内。进一步分析该区间内的基因，其中LOC_Os03g48000基因编码Mg2 +转运蛋白，由此初步确定LOC_Os03g48000为xws的候选基因。.4、突变体xws不同部位中XWS基因及叶色相关基因表达分析，发现XWS基因在突变体叶片中的表达量较高，与野生型相比呈显著上调；而根和茎中表达量相对较低。叶色相关基因的qRT-PCR结果显示，突变体xws中参与叶绿素生物合成基因的转录水平出现下调；参与叶绿体发育的相关基因和光合作用的相关基因大部分呈下调现象，而V3和 cab2基因的表达量略上调。.5、XWS基因的结构和同源性分析，发现该基因全长为6504 bp，包括13个外显子，cDNA全长为1425 bp，编码475个氨基酸，进一步分析发现包含一个Mrs2_ Mfm1p-like功能结构域蛋白。系统进化树分析，发现该基因与短柄花药野生稻的亲缘关系较近。