综述：破解叶绿素突变体的奥秘：高等植物遗传学和分子研究的最新进展

《Plant Gene》：Breaking the code of chlorophyll mutants: Recent breakthroughs in genetic and molecular studies of higher plants

叶绿素突变体研究近二十年取得进展，结合分子生物学与组学技术揭示了遗传机制及光合作用影响，多倍体物种突变频率更高，其应用涵盖作物改良与观赏园艺。

　　

Rupesh S. Badere

印度纳格浦尔RTM大学植物学系，MJP教育园区，Amravati路，纳格浦尔440033

摘要

对自发和诱导产生的叶绿素突变体的研究长期以来一直是理解这些表型遗传和生理基础的重要途径。分子生物学和生物信息学的最新进展引入了强大的工具，显著增强了用于研究叶绿素突变体的策略。通过运用这些现代技术，研究人员现在不仅可以确定突变体表型的直接原因，还可以探索突变对植物整体基因表达的广泛影响。本文回顾了近期发表的关于叶绿素突变体研究的报告。需要强调的是，现代工具的可用性为叶绿素突变体的评估提供了新的维度。除了基于图谱的候选基因克隆外，这些突变体现在还在转录组学、蛋白质组学和代谢组学层面进行研究。这无疑为从更广泛的角度理解和利用色素生物合成、叶绿体发生和光合作用过程开辟了新的领域。利用“组学”数据对于深入理解这些过程中的调控机制至关重要。这种对光合作用的增强理解将直接有助于开发高产作物品种的策略。同时，优先分离和探索其他植物物种中的叶绿素突变体对于全面了解植物之间的生理和分子多样性也是必要的。这样的基础知识最终将促进耐气候作物品种的培育。

引言

自从发现自发突变以来已经过去了一个世纪，而诱导突变的证明也即将完成其百年历程。这两项突破对我们理解植物结构和功能至关重要，同时也推动了全球农业的显著进步。许多突变体已被作为直接品种发布或用作作物改良计划中的亲本系（Ahloowalia等人，2004年）。近年来，关于诱导突变及其在农业应用方面的研究有很多发表（参见Kharkwal等人，2004年；Shu，2009年；Bado等人，2015年）。在诱导突变的研究中观察到一个现象，即叶绿素嵌合体或以叶子和茎上的叶绿素缺乏区域、条纹或边缘的形式出现的突变体。叶绿素嵌合体/突变体的范围从浅绿色的viridis到完全白色的albino，再到黄绿色的chlorina和金黄色的xantha。这些嵌合体的频率是衡量诱变效果的主要指标。这些叶绿素缺乏区域可能是永久性的，也可能暂时存在并恢复到野生型（WT）表型。然而，偶尔也会分离出非嵌合性的（纯色的）叶绿素突变体，其中整个植物都缺乏叶绿素。此外，这种非嵌合性的叶绿素缺乏表型会遗传给后代。

尽管叶绿素突变体通常由于有害特性（如生长受阻、光合作用效率降低和产量减少）而被认为在农艺上不理想，但它们仍然是基础研究的不可或缺的工具。这些突变体为了解光合作用、叶绿体发生和叶绿素代谢的复杂性提供了独特的窗口。因此，植物育种者可能认为无用的材料往往成为遗传学家、植物生理学家和分子生物学家的宝贵资源。然而，正如本文后面提到的，并非所有叶绿素突变体在农艺上都是不理想的。其中一些突变体的产量与野生型相当，因此为品种提供了独特的表型，并可作为品种/杂交种的识别标志。此外，在观赏园艺领域，这些突变体因其独特且美观的叶片而备受珍视。

纯色叶绿素突变体的分离和研究是一个历史悠久的领域，可以追溯到诱导突变技术的诞生之初。此外，叶绿素突变体的分类和分析方法也在早期就已经开发出来（Nybom，1955年）。因此，研究人员对叶绿素突变体的细节进行了深入研究。这些突变体被广泛用于研究光合作用和/或叶绿素代谢的遗传学和生物化学方面（Gengenbach等人，1970年；Tai和Todd，1972年；Williams等人，1985年；Falbel和Staehelin，1994年；Bae等人，2001年）。值得注意的是，在多倍体物种（如水稻、小麦、棉花）中分离出的叶绿素突变体比在二倍体物种（如黄瓜、向日葵）中更为常见。这种差异是由于光合作用的必要性；光合作用效率低的个体无法存活，从而从种群中淘汰。多倍体生物具有内在的基因冗余性。因此，基因组中某个基因拷贝的突变通常会被其他位置的完整基因拷贝所补偿，从而防止受影响个体出现致命表型。二倍体物种缺乏这种冗余性。因此，如果突变导致单个基因拷贝产生的叶绿素不足以进行基本的光合作用，自然选择会淘汰这些低效个体。

自20世纪初以来，对叶绿素突变体的研究从未中断，为理解植物生理学、遗传学和细胞学奠定了基础。近几十年来，分子工具的普及使这一领域得到了复兴，使得能够高分辨率地探索代谢途径。因此，涵盖整个叶绿素突变体研究时代将超出本文的范围。同时，研究人员还在利用重组DNA技术生成缺乏叶绿素或产生过量叶绿素的转基因植物。这些基因工程植物也有助于深入理解光合作用和叶绿素代谢（Tanaka等人，2010年；Hu等人，2021年）。因此，本文特别关注过去二十年中进行的研究，涉及自发和诱导产生的叶绿素突变体。

叶绿素突变体由于其明显的表型而容易被分离出来。虽然大多数诱导突变体呈现淡绿色，但也有记录显示深绿色变体（尽管较为罕见）。无论具体色调如何，这些突变体在表型上都与野生型不同，便于在筛选过程中直接识别和选择（图1）。近年来，主要在作物物种中研究了大量的自发和诱导突变体。历史上，这些研究主要集中在色素定量、叶绿体结构阐明和总体形态特征描述上。随着领域的发展，研究人员转向基于图谱的克隆方法来分离基因，使用SSR和InDels等标记。最近，“组学”技术（特别是转录组学、代谢组学和蛋白质组学）的整合使得系统级地理解这些突变如何改变整体基因表达成为可能。在整个过程中，生物信息学工具对于基因定位、序列分析和研究基因及蛋白质表达至关重要（图2）。

本综述综合了稳定叶绿素突变体的遗传、生理、代谢和分子特征（补充材料1）。文献分析揭示了一些反复出现的趋势，但这些特征并非普遍存在。例如，叶绿素突变主要是隐性的，也有少数显性或不完全显性遗传的案例。同样，虽然大多数突变来自核基因的改变，但细胞器基因组内的突变也时有发生，尽管频率较低。就病变的性质而言，点突变是主要原因，但也有报道指出大规模染色体变化（大突变）的发生。在表型上，这些突变体总是表现为叶绿素组成改变和叶绿体超微结构异常。通常，这些叶绿体的形状各异，缺乏颗粒堆叠、类囊体膜和淀粉颗粒。值得注意的是，这些结构缺陷往往取决于环境条件；在随着年龄或季节变化而最终恢复到野生型的突变体中，或者在光敏感或温度敏感的突变体中，叶绿体在植物恢复到野生型表型时其超微结构是正常的。

本文讨论的突变体根据受影响基因在植物中的作用被分为不同的组别：1）叶绿素生物合成改变的突变体；2）叶绿体发育和功能改变的突变体；3）信号传导和形态发生改变的突变体；4）具有商业和观赏价值的突变体；5）无法归入上述任何类别的多种突变体。这种分类旨在避免信息重复，并提供该领域研究的全面概述。另一种呈现数据的方式是根据植物物种对突变体进行分类，但这会导致报告中的信息缺乏主题连贯性。

节选内容

叶绿素生物合成改变的突变体

叶绿素生物合成是一个涉及多个基因和中间体的复杂过程。主要来说，先前的研究者将这一途径分为三个不同的阶段：i) 在质体中通过MEP途径（甲基赤藓糖磷酸途径）合成ALA（5-氨基丙酮酸）；ii) 合成原卟啉IX，这是叶绿素a和血红素生物合成途径的代谢分支点；iii) 最终步骤是将Mg螯合到四吡咯环上并完成合成

叶绿体发育和功能改变的突变体

叶绿体是细胞中光合作用的主要场所。光合作用中的关键步骤，如叶绿素生物合成、光能的储存、CO₂的固定等都在叶绿体中进行。叶绿体高度分隔的结构促进了光合作用的各种过程。可以预期，前文提到的所有活动都是相互关联的；其中一些已经得到了相当程度的理解。

信号传导和形态发生改变的突变体

叶绿体主要参与光合作用。因此，直接干扰光反应或碳固定的突变已在前一节中讨论（表5，表6）。光合作用是叶绿体的主要功能，这是一个需要环境和内源信号适当协调的复杂过程。此外，细胞核与叶绿体之间的无缝通信对光合作用和整体功能至关重要

具有商业和观赏价值的突变体

植物的味道、气味和/或生物活性主要由次级代谢物决定。因此，这些化合物的相对含量描述了植物部分的独特风味。茶叶因其清新的香气和味道而受到全球消费者的喜爱。茶叶中的植物化学物质定义了其风味。正如我们上面所看到的，叶绿素生物合成的紊乱会对植物的代谢产生深远影响。

结论性评论

叶绿素突变体通常由三种主要机制产生：叶绿素生物合成改变、叶绿素降解改变或叶绿体发育和功能异常。其原因通常是编码这些途径中关键酶或蛋白质的结构基因发生突变，或者是在调控基因网络中发生突变。无论具体机制如何，这些突变体都是阐明色素合成、叶绿体发生过程的重要资源

未来策略

上述大多数研究已经成功定位并克隆了候选基因；然而，这些基因的功能尚未通过实验得到验证。因此，需要对这些基因编码的蛋白质进行异源表达和纯化。随后，应进行野生型和突变型酶/蛋白质活性和/或蛋白质-蛋白质相互作用的比较分析。虽然已经在一些研究中进行了这样的功能研究

资助

未收到任何资助。

手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了‘Gemini’工具来改进语言风格。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Rupesh S. Badere：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。

未引用的参考文献

Rzeznicka等人，2005年

Wong和Castelfranco，1984年

Zhao等人，2001年

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。