叶绿体是植物进行光合作用的细胞器,同时还是一些重要物质合成和代谢的场所。因此叶绿体的发育对植物的生长发育及最终的产量形成至关重要。针对叶绿体发育的研究主要集中在双子叶植物拟南芥中,而单子叶植物中研究比较少。叶绿体发育在单子叶植物和双子叶植物中存在较大差异。而水稻作为单子叶植物的模式系统,利用水稻开展叶绿体发育的研究对于全面认识植物的叶绿体发育机制具有重要的意义;同时,研究水稻作为全球最重要的粮食作物之一,研究水稻叶绿体的发育将为培育高光效的超级水稻奠定理论基础。本研究以一个水稻白穗突变体wp1(whitepanicle1)为材料,从细胞学,遗传学和功能基因组学等方面展开研究。主要结果如下:1.水稻白穗突变体wp1在苗期表现为白条纹和白化表型,抽穗后穗子成白色。对苗期叶片和抽穗时的颖壳叶绿素的含量测定发现,与野生型相比wp1突变体上述组织的叶绿素含量显著降低。对上述组织中的叶绿体超微结构观察发现突变体中叶绿体结构严重受损。对早期的叶绿体发育过程进行叶绿素荧光和透射电镜观察,发现wp1突变体的早期叶绿体发育过程严重受损。2.构建定位群体对WP1位点进行了图位克隆。通过对43kb定位区间内的5个ORFs(open reading frames)进行测序发现了可能的突变基因LOC_Os07g06940。通过互补实验进一步证明了该基因的突变导致wp1突变体的一系列的突变表型。3.对WP1的氨基酸序列进行分析,发现其编码一个缬氨酸-tRNA合成酶,命名为OsValRS2。进一步分析发现在水稻基因组中还有一个有功能的缬氨酸-tRNA合成酶(OsValRS1 )。这两个缬氨酸-tRNA合成酶在拟南芥中均有高度同源的直系同源基因存在。对WP1的组织表达分析发现其在各个组织中都有表达,且在绿色组织中表达量相对更高。另一个水稻中的缬氨酸-tRNA合成酶OsValRS1在各个组织中都有表达,表达量很高且分布均匀。对水稻中的两个缬氨酸-tRNA合成酶进行了亚细胞定位发现WP1同时定位在叶绿体和线粒体中,而OsValRS1定位在胞质。WP1和OsValRS1负责了三个亚细胞细胞区域的蛋白质合成,而且这两个蛋白无功能冗余。4.通过RNA-seq的方法检测了wp1突变体中表达量发生变化的基因。在核编码基因中,光系统合成相关的基因(光捕获复合体,光系统Ⅰ,光系统Ⅱ等)的表达量在wp1突变体中均显著下调。我们还发现wp1突变体中缬氨酸合成和降解途径基因的表达量均显著上调,这也间接证明了缬氨酸-tRNA合成酶的突变。通过RNA-seq我们还对质体基因组编码的基因进行了分析,发现质体基因组编码的基因中由NEP负责转录的其表达量都显著上调,而由PEP负责转录的其表达量均显著下调。这一现象是PEP活性受损的一种表现,而PEP活性受损会导致质体早期发育不正常。5.对wp1突变体中质体基因组编码蛋白的含量进行了 Western-Blot分析,发现检测的几类蛋白的含量在wp1突变体中均显著降低。对这些蛋白的mRNA水平进行检测发现其表达量有上调也有下调。因此我们认为wp1突变体中的质体蛋白质合成受阻。对突变体中质体的核糖体进行了分析。发现在突变体幼苗和颖壳中几乎检测不到质体的rRNA和核糖体蛋白。这些结果表明wp1突变体中核糖体生物合成的受损导致质体蛋白质合成的受阻,且我们推测WP1可能是间接地影响到质体核糖体的生物合成的。