玉米白化突变体ZmCMK1的基因图谱绘制与功能特性分析

玉米白化突变体基因克隆与功能分析：克隆获得MEP途径关键酶基因Zm00001d043182，揭示其调控叶色形成的分子机制。

　　

赵振宇|赵文静|张强|戴秀如|杜白娟|李平华

山东农业大学，泰安271018，中国

摘要

光合作用是植物生长的基础。叶色突变体由于叶绿体发育和色素代谢异常，对于阐明光合作用机制具有重要的研究价值。我们研究了来自玉米自交系KN5585的一个天然白化突变体abl1。多环境表型分析证实其叶片呈白化状态，并且在三叶期时幼苗会死亡，同时叶绿素和类胡萝卜素含量显著降低。遗传分析表明该突变体为单基因隐性遗传。通过BSR-seq技术，初步将abl1定位到3号染色体上的一个65-Mb区域；进一步精细定位后确定了包含13个候选基因的531-kb关键区间。整合转录组数据和qRT-PCR分析结果显示，编码甲基赤藓糖磷酸（MEP）途径关键酶的基因Zm00001d043182在abl1突变体中表达显著下调。因此将该基因重新命名为CMK1。通过EMS-CMK1等位基因与abl1突变体进行杂交实验，发现白化后代的分离比为3:1，进一步确认了Zm00001d043182为致病基因。本研究揭示了Zm00001d043182基因控制叶色白化的机制，为理解玉米叶色变异的分子基础提供了新见解。

引言

光合作用是植物将光能转化为化学能的核心代谢途径，直接影响植物的生长、发育和产量形成[1]。高等植物中的叶色突变体（尤其是白化和黄化类型）为研究光合作用机制提供了理想的实验材料[2][3]。叶绿素是光合作用中捕获光能和传递电子的关键色素，其生物合成或降解受阻时会导致光合作用效率显著降低甚至完全丧失[4]。由于缺乏叶绿素，白化突变体无法正常组装光系统II（PSII）和光系统I（PSI）的核心蛋白复合体，从而导致光反应完全受阻、碳同化过程停滞最终导致植物死亡[5]。此外，由于无法进行光磷酸化反应，白化突变体的碳同化过程也会完全停止[6]。这种极端表型使得白化突变体成为研究叶绿素生物合成（如原叶绿素还原酶POR的功能）、类囊体膜形成机制以及光合电子传递链调控的重要模型。通过将白化突变体与野生型进行比较，可以精确识别影响光合装置构建的关键基因，并阐明光合作用与植物生长发育之间的分子联系[7]。白化致死突变体在光合作用研究中具有不可替代的价值，因为它们的极端表型为揭示光合机制的组装和功能提供了天然的“基因敲除”系统[8]。由于白化突变体因光合作用缺陷在幼苗期死亡，这一致死性表明光合作用不仅是植物生物量产生的基础，也是维持生命活动的重要过程。已在玉米[9]、水稻[10]、拟南芥[11]、烟草[12]等多种植物中发现了多种白化突变体。研究表明，在玉米中已鉴定出超过200个与叶色相关的基因或数量性状位点（QTL），这些位点主要分布在特定染色体区域。目前的研究主要集中在基因功能描述上，而对潜在分子机制的深入探索仍不够充分。在玉米自交系81647中发现的白化突变体As-81647在幼苗期（两到三叶期）叶片完全变白，随后出现萎蔫和死亡。突变体ppr5-1和Zm-murE-2由于叶绿体和质体蛋白合成受损，导致质体编码的RNA聚合酶（PEP）、PSI、PSII以及细胞色素b6/f复合体的关键亚基水平降低[13]。

在本研究中，我们使用通过EMS诱变技术获得的玉米自交系KN5585的白化突变体abl1作为实验材料。通过系统的表型分析、光合色素测定以及与玉米自交系B73的杂交来构建F2世代分离群体，并进行了遗传分析和基因定位。结合转录组测序和定量实时逆转录PCR（qRT-PCR）技术，研究了abl1突变体中与光合作用和线粒体相关的基因表达变化。确定了abl1突变体中光合基因和线粒体基因的表达水平，并通过等位基因测试验证了克隆基因的准确性。最后对该基因进行了初步的功能分析。

部分内容摘录

植物材料与遗传资源

abl1突变体是在玉米（Zea mays L.）自交系KN5585中自然产生的白化突变体。abl1-ref等位基因种子资源来自玉米遗传合作中心。另一个由乙基甲磺酸（EMS）诱导的等位基因EMS-ZmCMK1（EMS4-0517a5）由鲁晓多博士（齐鲁师范大学）提供。为了进行遗传定位，将携带abl1-ref等位基因的杂合植物与标准自交系B73进行杂交。

玉米abl1突变体的表型特征

abl1突变体来源于玉米（Zea mays L.）自交系KN5585。在多个地点和环境下对多代abl1突变体进行试验（包括室内和室外条件），结果一致显示该突变体具有白化叶片表型，产生白色籽粒，并且在三叶期时幼苗会死亡（图1A）。为了评估该突变对光合色素生物合成的影响，我们

叶色突变体的应用前景

光合作用是地球上最重要的能量转化过程，也是整个生物圈生存的基础，因此它是生物学研究中的关键科学前沿。植物光合作用的效率决定了作物产量；因此，阐明光合作用机制和提高光合效率对于保障国家粮食安全至关重要。叶色突变体在植物中广泛存在，

结论

利用玉米白化突变体CMK1，我们进行了基因定位，克隆了目标基因ZmCMK1，对其进行了功能研究和系统发育分析，并鉴定并验证了调控其表达的八个上游调控元件。主要结论如下：

(1)

cmk1突变体表现出叶片和籽粒的白化现象，在三叶期时幼苗会死亡。与野生型相比，其叶绿素和类胡萝卜素含量显著降低。

(2)

CRediT作者贡献声明

杜白娟：数据可视化。戴秀如：初稿撰写、审稿与编辑、数据可视化、项目管理。赵振宇：初稿撰写、数据整理、概念构思。张强：初稿撰写、数据可视化。赵文静：初稿撰写、数据整理、概念构思

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFF1001700）和NSEC（项目编号31871313）的资助

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。