叶绿体是植物进行光合作用的场所,光合作用把光能转变为化学能,为植物生长提供了能源。叶绿体主要分布在植物叶片中,叶片的发育直接影响到叶绿体的发育。因此,通过对水稻叶色突变体的研究可以挖掘更多叶绿体发育相关基因,为进一步构建叶色调控网络奠定坚实基础并在生产实践中提供理论基础。水稻叶片白条纹的出现对植株的光合作用及干物质的积累具有较大的影响。虽然已有大量的叶色相关基因被克隆,但是水稻叶片白条纹基因的克隆及功能研究却鲜有报道。本研究中克隆了一个调控水稻叶绿体发育的基因WFSL1(White Fine Stripe Leaf 1),该基因编码一个具有HD-domain结构域的磷酸水解酶。WFSL1基因单碱基突变后导致水稻出现白条纹叶表型,相对野生型,突变体叶片中叶绿素含量明显下降。针对这一表型,通过细胞生物学、生物化学与分子生物学、转录组测序以及蛋白表达水平分析等方法,解析了突变体表型产生的分子机制。研究结果如下:1.wfsl1突变体在苗期叶片无白条纹表型,直到分蘖期刚伸出的叶片出现白条纹表型,并一直持续到成熟期,叶片横切观察及叶绿素含量测定表明突变体叶绿素含量明显减少。2.透射电镜结果表明,突变体叶片由绿色、绿白及白色三种类型的细胞组成,其中白色细胞中叶绿体及类囊体数目减少,甚至无类囊体结构,表明突变体中叶绿体发育异常。3.农艺性状调查表明,突变体相比野生型,株高变矮,穗长变短,一次及二次枝梗数减少,结实率下降,千粒重降低。另外突变体光合速率相比野生明显减弱。4.遗传分析表明,白条纹遗传方式为隐性遗传,核基因控制。图位克隆表明其位于水稻第一号染色体短臂端粒位置gcw56和gcw24之间100kb的区间内。通过基因注释,测序后发现LOC_Os01g01920蛋白编码区域发生了一个碱基的替换,由“A”变为“T”。进一步构建互补、过表达载体,并转基因到突变体中,验证了白条纹叶这一表型确实由WFSL1基因突变造成。5.生物信息学分析表明WFSL1蛋白具有HD-domain结构域,并且具有磷酸水解酶活性。6.实时荧光定量PCR技术表明,WFSL1基因在水稻成熟叶和叶鞘中表达量最高。WFSL1蛋白亚细胞定位于叶绿体。7.转录组测序表明,突变体中叶绿体发育相关基因表达下调,碳和糖代谢通路发生异常。8.Western-blot实验发现,wfsl1突变体中WFSL1蛋白表达水平明显下降,磷酸水解酶活性测定表明,WFSL1蛋白改变导致磷酸水解酶活性明显下降。突变体中叶绿体编码的RNA聚合酶基因表达受到抑制,蛋白表达水平也明显下降,核编码的RNA聚合酶基因的表达不受影响。9.通过RNA-Seq测序结果表明,wfsl1叶绿体核糖体大小亚基相关基因表达受到抑制,且蛋白表达水平明显下降,表明WFSL1突变影响了叶绿体核糖体的转录或翻译过程,从而导致叶绿体发育异常。