水稻叶色基因lc7参与叶绿素合成、氮代谢和抗病的分子机制

Chlorophyll biosynthesis, nitrogen metabolism and disease resistance are the three key influence factors on rice yield. We obtained a leaf color mutant, lc7, through Co60-γ radiation treatment of japonica Nipponbare. The content of total N and Chlorophyll in the lc7 mutant was approximately 40% and 50% respectively lower than that in the wild type. In addition to this, lc7 mutant also has a broad-spectrum resistance to seven Philippine races of Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). Multiple biological functions of lc7 make it an important material to study chlorophyll biosynthesis, nitrogen metabolism and disease resistance. Genetic analysis indicates that the leaf color phenotype is controlled by a recessive nuclear gene. Lc7 gene was isolated through map-based cloning method and transformed to lc7 mutant. The phenotype of leaf color is recovered in these transgenic plants. To study the functions of lc7 gene on chlorophyll biosynthesis, nitrogen metabolism and disease resistance in depth, Digital Ggene Expression Profile(DGE), Realtime PCR, Yeast Two Hybrid, Transgene and other methods are used to analysis the genes interacted with lc7 to resolve its molecular mechanism on chlorophyll biosynthetic, nitrogen metabolism and disease resistance pathways in the proposal. The results will help to provide a new idea for improving rice yield.

叶绿素合成、氮代谢和抗病是影响水稻产量的三个重要因素。通过Co60γ射线辐射诱变日本晴水稻种子，获得一个叶色突变体lc7。该突变体叶绿素含量比野生型降低一倍左右，总氮含量比野生型低40%，对菲律宾白叶枯菌7个小种表现高抗。lc7具有多重的生物学功能，是研究叶绿素合成、氮代谢和抗病途径以及它们相互关系的重要材料。遗传分析表明lc7突变体由单个核基因隐性突变造成。通过图位克隆获得了lc7基因，并通过将野生型基因Lc7转入lc7突变体获得了叶色表型恢复正常的转基因植株。本项目深入研究lc7在叶绿素合成、氮代谢和抗病途径中的功能，通过数字表达谱、实时PCR、酵母双杂交以及转基因技术等分析与lc7基因相互作用的基因，明确lc7基因参与叶绿素合成、氮代谢和抗病途径的分子机制以及相互关系。研究结果有助于为提高水稻产量提供新思路。

水稻叶色突变体不仅是研究植物光合作用、叶绿素代谢、叶绿体分化与发育、激素调节及抗逆机制的重要材料，而且可以作为性状标记用于良种繁育及杂交育种。通过60Co-γ射线辐射诱变水稻日本晴，本研究得到一个叶色突变体lc7。突变体在三叶期以后，叶片自下而上出现黄化，过氧化氢过量积累，其它农艺性状如株高、分蘖数、结实率、穗粒数也相应变差；抗谱分析表明，lc7突变体对多个白叶枯病小种表现高抗。电镜观察发现，突变体细胞表现为形态异常，叶绿体变小，数目减少，缺少甚至没有任何片层结构。叶绿素含量测定表明，与野生型相比，lc7叶片的叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量显著降低，这表明lc7的突变影响了叶绿体的发育。遗传分析发现其表型是由单隐性核基因控制的，图位克隆将lc7基因定位在7号染色体，经测序发现区间内一个编码铁氧还依赖的谷氨酸合酶基因LOC_Os07g46460的第三个外显子中A被G替换。在突变体中该基因表达量下降，谷氨酸合成酶活性降低，进而导致氮代谢异常和突变体早衰。对其进行氮含量测定，发现突变体叶片硝态氮含量比野生型日本晴降低了50%左右，而突变体根中硝态氮含量比野生型日本晴有所增加；说明lc7 可能确实参与植物氮素的初吸收与铵的同化过程。遗传互补和RNA干扰实验，进一步证实lc7基因是控制褐叶和广谱抗白叶枯病的基因。不同组织部位表达分析表明，该基因在叶片中表达水平最高。综上所述，本研究明确了lc7基因参与叶绿素合成、氮代谢和抗病途径的功能，有助于为提高水稻产量提供新思路。