猕猴桃叶绿体生物发生与光合基因表达调控新机制：幼苗致死性叶绿体终变突变体(cht)的多组学解析

《Scientia Horticulturae》：A seedling-lethal mutation affects chloroplast biogenesis and photosynthetic gene expression in kiwifruit

本研究针对猕猴桃(Actinidia chinensis)中发现的幼苗致死性叶绿体终变突变体(cht)，通过整合表型、转录组和基因组分析，揭示了叶绿体生物发生缺陷与铁代谢紊乱的分子关联。研究发现cht突变导致光合活性降低、叶绿体发育异常及营养元素失衡，并通过BSA定位将突变锁定于18号染色体2-14 Mb区域。该研究为解析猕猴桃叶绿素缺陷的遗传基础提供了新视角，对改良果树抗逆性具有重要参考价值。

　　

在果树栽培中，猕猴桃因其丰富的营养价值而备受青睐，但其对生长环境要求较为苛刻，尤其在非酸性土壤中易出现铁缺乏导致的叶片黄化现象。这种现象不仅影响果实品质，严重时甚至导致植株死亡。尽管农业生产中可通过施肥等措施缓解缺铁症状，但其遗传机制尚不明确。近期，一项发表在《Scientia Horticulturae》上的研究，通过对一个自发的猕猴桃叶绿体终变突变体(cht)的多组学分析，揭示了叶绿体发育与铁代谢之间的内在联系，为理解猕猴桃叶片黄化的分子机制提供了新线索。

研究方法概述

本研究以二倍体黄肉猕猴桃(Actinidia chinensis)KZ11(♀)与KIM2(♂)杂交获得的F1代群体为材料，通过表型观察、气体交换参数测定、叶绿体显微观察、离子组学分析、转录组测序(RNA-seq)及基因组重测序(BSA分析)等技术，系统解析cht突变体的生理与分子特征。样本包括正常表型植株及cht突变体的不同叶位叶片，关键实验均设生物学重复。

研究结果

3.1. cht突变导致渐进式叶绿素缺失与幼苗致死

在KZ11×KIM2的F1群体中，正常与叶绿素缺失植株的分离比符合3:1的单基因隐性遗传规律。突变表型自第7叶开始出现脉间黄化，并随叶位升高加剧，最终导致植株在长出9-10片叶后死亡（图1）。补充MS培养基未能缓解症状，表明该表型与营养供给无关。

3.2. 叶绿体发育与光合功能受损

共聚焦显微镜观察发现，cht突变体上部叶片（第7-8叶）叶绿体数量减少、体积减小，保卫细胞中甚至无法观察到叶绿体（图2）。气体交换参数测定显示，上部叶片的净CO₂同化速率(A_N)降低50.9%，胞间CO₂浓度(Ci)升高19.1%，而气孔导度(gs)与蒸腾速率(E)无显著变化（图3A-D）。同时，PSII最大光化学效率(Fv/Fm)下降30.9%（图3H），表明光合机构受损。

3.3. 营养元素平衡紊乱

离子组学分析显示，cht上部叶片中磷(P)、钾(K)、硫(S)、硼(B)含量显著升高，而总铁(Fe)含量无显著变化（表1）。但活性铁（邻菲罗啉提取态）含量降低，且铁螯合还原酶(FCR)活性下降（表3），提示铁利用障碍可能参与表型形成。

3.4. 转录组揭示补偿性调控机制

转录组分析表明，cht植株（无论绿色或黄化叶片）均显著上调了光合作用、叶绿素代谢及核糖体生物合成相关基因（图4-5）。而上部黄化叶片特异性激活了应激响应（热激、缺氧、过氧化氢等）及蛋白质折叠相关通路（图4C）。qRT-PCR验证了部分基因（如Acc06452、Acc06597、Acc29612等）的表达趋势（图6）。

3.5. 突变定位于18号染色体并锁定候选基因

BSA分析将cht突变定位至18号染色体2-14 Mb区间（图7A-B）。该区域内多个基因表达异常，包括显著下调的FRO同源基因(Acc20225/Acc20240)、叶绿体核糖体蛋白S6(Acc20098)及PPR/TPR蛋白编码基因(Acc20389/Acc20174)等（图7C，表3）。其中FRO基因表达下降与FCR活性降低、活性铁含量减少相一致。

结论与意义

本研究首次在猕猴桃中报道了一个幼苗致死性叶绿体突变体cht，并通过多组学整合分析揭示其叶绿体生物发生缺陷与铁代谢紊乱的关联。尽管突变基因尚未最终鉴定，但研究提出叶绿体相关基因（如PPR、核糖体蛋白）的表达异常可能通过影响铁稳态间接导致光合功能障碍。值得注意的是，cht植株中光合与翻译相关基因的上调可能是一种补偿性调控反应，类似现象在水稻、拟南芥的叶绿体突变体中亦有报道。该研究不仅为猕猴桃叶绿素缺陷的遗传改良提供靶点，也为理解叶绿体发育与矿质营养互作提供了新案例。