核基因Bsd2突变对玉米叶绿体光形态建成的影响

【作者】 李合英； 吴鸿；

【机构】 华南农业大学生命科学学院；

【摘要】 玉米（Zea mays L.）作为全球主要的C₄粮食作物之一,其生长发育规律历来是科学研究的重点和热点。关于其叶绿体的结构及功能研究对于C₄水稻工程有重要的理论参考价值。正常情况下,由于玉米特殊的C₄同化机制,使得其维管束鞘细胞和叶肉细胞中具有各自不同的光合酶体系,两类细胞的叶绿体在结构、发育及功能上也产生了较大的差异。解剖结构方面:在光学和电子显微镜下观察,玉米叶片维管束横切面呈现明显的花环状结构,叶肉细胞中的叶绿体基粒数量多且发达,而维管束鞘细胞中的叶绿体仅有基质片层,缺乏基粒。发育及基因调控方面:叶绿体的发育依赖于光的诱导,由核基因和叶绿体基因共同调控。研究显示核基因Bsd2（Bundle sheath defective2）编码的蛋白是通过调控rbcL（Rubisco large subunit）基因的转录或者后加工过程间接影响叶绿体的结构发育。为了了解Bsd2基因对叶绿体形态建成的影响,我们运用半薄切片和超薄切片技术对野生型玉米和bsd2突变体不同发育阶段叶绿体的数量变化和结构特点进行了比较观察。结果显示:野生型和bsd2突变体在组织学水平上并无明显差异,两者都具有典型的花环结构。但与野生型相比,bsd2突变体的鞘细胞叶绿体明显膨大,其内部出现异常的基粒堆积,基质片层数目也显著降低,且叶肉细胞叶绿体发育也出现一定程度的弱化。根据对玉米叶绿体的细胞学超微结构观察,我们将玉米叶绿体的发育过程划分为5个阶段:前质体阶段（叶片未出胚芽鞘之前）、基粒初步发育阶段（叶片于光下第1天）、鞘细胞基粒去分化阶段（叶片于光下第2天）、形态结构稳定阶段（叶片于光下第3-4天）、衰老破损阶段（叶片于光下第5-6天以后）。在前质体阶段,野生型和bsd2突变体在结构上并无明显差异,但是野生型的叶绿体分裂频率比bsd2突变体要高。加上后期我们用细胞离析方法对叶绿体数目的统计结果显示,bsd2突变体的两类叶绿体数目都明显比野生型少。在基粒初步发育阶段,野生型和bsd2突变体的两类叶绿体都分化出少量基粒。此时,基粒类囊体数目较少。有趣的是,到了鞘细胞基粒去分化阶段,bsd2突变体的鞘细胞叶绿体开始出现结构膨胀,且异常地分化出少量发育不全的基粒类囊体;而相应的野生型植株则发生了鞘细胞叶绿体基粒类囊体的去分化现象。进入叶绿体形态结构稳定阶段以后,突变体的鞘细胞叶绿体结构进一步膨大且破毁,异常的基粒堆积一直存在,且基质类囊体增加有限;而野生型叶绿体趋向于向叶肉和鞘细胞的特异结构分化。最后的衰老破损阶段,除了突变体的鞘细胞膨胀以外,野生型的叶绿体也出现了略微的膨大现象,这可能与光氧化损伤有一定关系。更多还原