光合作用是自然界碳循环的重要组成部分,能够利用光能将二氧化碳和水转化为储存稳定化学能的有机物,同时释放氧气,在维持光合生物生长发育方面发挥着不可替代的作用。叶绿素分子是植物体内积累最为丰富的四吡咯化合物之一,它与叶绿素结合蛋白以非共价方式结合,参与光合过程中的光能捕获和电子释放过程。叶绿素含量的变化能够调节作物的光能利用效率,避免吸收过多光能对光系统产生损伤,最大限度地提高作物的光合效率,最终影响作物产量。玉米(Zea mays L.)作为利用杂种优势最成功的作物之一,在配制杂交组合过程中,往往忽略了双亲叶绿素含量对杂交组合光合能力和光合物质积累的影响。因此,叶绿素缺陷突变体作为探究叶绿体发育和光合作用分子调控机制的理想材料,在挖掘玉米光合作用相关新基因和研究其功能方面具有重要价值。同时,利用叶绿素缺陷突变体探究玉米亲本叶绿素含量、光合作用与杂交组合产量之间的关系,对实现玉米光合效率最大化以及提高玉米产量具有重要的现实意义。为了解析玉米光合作用分子调控机制,探究玉米叶绿素含量对光合能力和产量的影响,本研究以人工诱变的浅绿叶突变体pale-green leaf(pgl)和自然变异的黄化突变体yellowish-green leaf(ygl)为研究材料,对光合作用相关基因的功能进行研究,初步研究玉米杂交亲本叶Marine biotechnology绿素含量与光合能力及产量间的关系。研究结果如下:1.玉米光合作用关键基因ZmCRD1的功能研究(1)通过EMS诱变玉米自交系B73花粉,构建玉米叶色突变体库,并筛选鉴定出浅绿色叶绿素缺陷突变体pgl。pgl突变体在整个生长发育阶段均出现叶绿素含量下降的表型。遗传学分析表明该突变表型由单隐性核基因控制。(2)基因定位显示pgl突变体中,8号染色体的镁原卟啉Ⅸ单甲酯环化酶基因ZmCRD1的第一个外显子和第五个外显子分别发生了p.A44T和p.T326M的错义突变。等位性测验结果表明ZmCRD1基因的突变是造成pgl突变体叶绿素缺陷的根本原因。系统发生分析表明CRD1蛋白在高等植物中具有高度的保守性,p.T326M的突变可能是造成ZmCRD1蛋白功能改变的直接原因。(3)在基因的功能方面,基因表达模式分析和亚细胞定位结果显示ZmCRD1基因主要在光合组织的叶绿体中发挥功能,pgl突变体中ZmCRD1基因的表达水平显著降低且基因的表达受到光照的调控。ZmCRD1基因的突变会导致叶绿体形态改变、淀粉积累减少、光系统紊乱、生长发育迟缓和产量下降。Panobinostat供应商转录组和q RT-PCR分析显示在转录水平上,ZmCRD1基因的突变能够引起叶绿素合成、叶绿素降解、叶绿体发育、光合作用以及糖代谢相关基因表达水平的改变。同时,ZmCRD1基因的突变具有提高玉米大斑病抗性的潜力,并且引起生物和非生物胁迫响应基因的上调表达。上述结果表明ZmCRD1基因在叶绿素合成、叶绿体发育、光合作用和植物抗病中发挥着重要的作用。2.玉米黄化突变体ygl的基因定位及其转录分析(1)玉米自然变异的黄化突变体ygl在整个生命周期中均表现为叶绿素缺陷的表型,该黄化表型由单隐性核基因控制。与野生型Z52相比,ygl突变体的叶绿素含量显著下降,叶绿体的形态和结构发育异常,叶绿体中淀粉积累减少,并伴随着产量的降低。叶绿素荧光参数分析显示ygl突变体的光合作用发生紊乱,特别是光系统Ⅰ的活性被显D-Lin-MC3-DMA临床试验著抑制。(2)通过图位克隆将YGL位点定位于2号染色体的301 kb区间内,该区间内共注释到11个蛋白编码基因,且ygl突变体中候选基因的启动子和编码区均未鉴定出变异位点。由于在不同生长阶段,定位区间内的三角状五肽重复序列蛋白基因Zm00001d003007的相对表达量始终处于较低的水平,因此,将Zm00001d003007基因作为可能控制ygl突变体黄化表型的关键候选基因。(3)转录组分析显示ygl突变体中参与叶绿体发育、光合作用、色素代谢和淀粉合成通路基因的表达水平出现明显的下调。DAB和NBT组织化学染色结果显示ygl突变体叶片具有更多的过氧化氢酶活性位点和活性氧(ROS)积累。YGL位点通过调控ROS信号通路和激素代谢通路基因的表达,引起植物体内ROS和激素响应过程。这些结果表明YGL位点作为一个关键的调控因子,参与维持叶绿体发育、光合作用以及ROS和激素稳态间的动态平衡。3.玉米叶绿素含量与光合能力及产量相关性研究(1)上述研究发现人工诱变产生的pgl突变体主要是叶绿素生物合成过程发生变化,但叶绿体结构发育完整,而自然突变产生的ygl突变体主要是叶绿体结构受损,且ygl突变体的叶绿素含量下降比例高于pgl突变体。为了探究不同变异类型叶绿素缺陷突变体对玉米光合能力和产量的影响,本研究对叶绿素代谢变异突变体pgl和叶绿体结构变异突变体ygl配制的杂交组合的光合能力和产量进行了比较分析。结果显示在不同发育阶段,与对照组合相比,大部分的pgl突变体和ygl突变体配制的杂交组合的光合能力显著下降,表明PGL位点和YGL位点的突变影响了杂交组合的光合能力,两个基因位点在维持杂交组合光合能力方面具有重要作用。(2)在产量方面,与对照相比,pgl突变体配制的杂交组合的产量表现出增加或不变的趋势,而ygl突变体配制的杂交组合的百粒重和公顷产量表现为下降或不变的趋势。表明PGL位点突变具有提高其玉米杂交组合产量的潜力,而YGL位点突变影响了部分玉米杂交组合产量的提升,其中对百粒重的影响较大。综上所述,利用叶绿素含量相对较低、叶绿体结构完整的杂交亲本配制玉米杂交组合,有助于玉米杂交组合产量的提高。本研究为高产高光效玉米新种质的选育提供了一条新思路,对于指导玉米光合能力和产量的提升具有重要的意义。