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PBJ项目文章：BSA+转录组助力解析小麦叶色突变新机制
叶色突变体是研究光合作用机制和叶绿素代谢的重要材料。叶绿素作为光合作用的核心色素，其合成涉及多步酶促反应，任何关键基因的突变都可能导致叶色异常。这些突变体不仅为解析光合作用的分子机制提供线索，也为作物光合效率的改良奠定了基础。小麦（Triticum aestivum L.）作为全球主要粮食作物，其产量与光合效率密切相关，然而由于基因组庞大且复杂，相关叶色突变基因的克隆研究相对滞后。
镁螯合酶（Mg-chelatase）是叶绿素合成途径中的关键酶，负责催化Mg²⁺插入原卟啉IX生成Mg-原卟啉IX。该酶由CHLI、CHLD和CHLH三个亚基组成，其中CHLI亚基的功能缺失在水稻、玉米等作物中已被证实会导致叶绿素缺陷，而在小麦中的研究较少。本研究鉴定得到一个新型小麦黄叶突变体SN388-2，其苗期叶片黄化且叶绿素含量降低，但随返青期到来逐渐恢复绿色。借助遗传分析、BSA-Seq精细定位和分子克隆，研究发现该表型由两个隐性基因（Y1-7A和Y2-7D）共同调控，其中Y1-7A编码镁螯合酶I亚基；并进一步通过转录组测序分析揭示了叶色恢复过程中的关键调控基因模块，为小麦叶绿素合成和叶绿体发育的分子机制提供了全新见解，也为作物光合性能的遗传改良提供了重要靶点。
贝纳基因参与了该研究的BSA-seq及RNA-seq测序分析工作。
文章标题：Deletion of the gene encoding the magnesium chelatase I subunit resulted in a novel wheat leaf colour mutant
发表期刊：Plant Biotechnology Journal
发表时间：2025.7
影响因子：10.5
研究结果
1. 黄化表型与叶绿素、叶绿体结构相关
突变体SN388-2在田间条件下幼苗叶片呈现明显的黄色，而对照品种CS则为深绿色，且将SN388-2转移到人工气候箱后，其叶片可逐渐转为深绿色（图1a）。色素含量测定显示，SN388-2黄化叶中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别降低68.9%、62.1%和25.8%，表明叶绿素含量的减少是导致黄化表型的直接原因（图1b）。同时，叶绿素前体物质原卟啉IX（ProtoIX）与镁原卟啉IX（Mg-ProtoIX）的比例在黄化叶中显著升高，推测叶绿素合成在镁螯合步骤受阻（图1c、d）。透射电镜观察显示，黄化叶的叶绿体结构破碎，类囊体和基粒发育异常，而绿色叶及CS的叶绿体结构完整，进一步证实叶绿体发育受损与黄化表型相关（图1e）。
图1 黄化表型与叶绿素、叶绿体结构相关
2. BSA定位黄化相关基因
BSA-Seq分析显示，在SN388-2与CS的F₂群体中，定位到两个与黄化表型相关的隐性基因位点Y1-7A（7A染色体，542.68-705.82Mb）和Y2-7D（7D染色体，94.35-619.63Mb）（图2a、b）。利用Caps/dCaps和KASP标记精细定位后，Y1-7A被锁定在7A染色体677.3-677.6Mb区间，包含7个注释基因（图2c、d、e）。遗传分析显示，F₂群体正常叶与黄化叶分离比为15:1，F₂:₃群体为1:3，验证黄化表型由两对隐性基因控制，且定位群体适用于精细定位。
图2 BSA定位黄化相关基因
3. Y1-7A 候选基因的缺失验证
Y1-7A候选区间中，TraesCS7A03G1163900可编码Mg-chelatase的核心亚基。重测序和Sanger测序显示，SN388-2中该基因存在5.3kb缺失（图3a、e）。PCR验证表明，该缺失在突变体及其黄叶子代中稳定存在，而在亲本材料（SN20090148、JM22、SN4076-1）中均未检测到（图3c-g），表明该缺失为SN388-2特有，并且可能源于远缘杂交中的基因组重排或转座子激活（图3g）。
图3 Y1-7A 候选基因的缺失验证
4. Y1-7A 的表达模式与亚细胞定位
qRT-PCR分析显示，Y1-7A基因在绿色组织中高表达，尤其在叶片中表达量最高，而在种子和根等无叶绿体的组织中表达较弱，表明其表达具有组织特异性，与叶绿素合成和叶绿体功能密切相关（图4a）。亚细胞定位实验将Y1-7A-GFP融合蛋白定位于烟草叶片的叶绿体中，进一步证实该基因编码的蛋白在叶绿体中发挥作用，与透射电镜观察到的叶绿体结构异常结果一致（图4b）。
图4 Y1-7A 的表达模式与亚细胞定位
5. 共表达网络分析鉴定叶绿素含量相关基因
为探究SN388-2叶片颜色恢复过程中基因的表达调控网络，对转移到人工气候箱后0h（A组）、48h（B组）和96h（C组）的叶片进行转录组测序，并通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建基因共表达网络。结果将差异表达基因聚类为9个模块，其中paleturquoise模块与叶绿素含量的相关性最高（图5a、b）。该模块包含5250个基因，基因显著性（GS）与模块成员关系（MM）高度相关，表明模块内基因与叶绿素含量变化密切相关（图5c）。通过网络可视化和连接度分析，鉴定出6个核心基因，这些基因参与叶绿体发育和色素合成，可能在叶片颜色恢复过程中起重要作用（图5d）。
图5 共表达网络分析鉴定叶绿素含量相关基因
6. 叶绿素合成与叶绿体发育相关基因的表达
叶绿素生物合成途径分析显示，除镁转运蛋白基因外，参与叶绿素合成的关键酶基因（如HEMA、GSA、ALAD等）在SN388-2中均显著下调（图6a、b-g），而叶绿体发育相关基因（如叶绿体膜、类囊体、基粒相关基因）在叶片颜色恢复过程中显著上调（图6h、i-k），表明Y1-7A基因的缺失导致叶绿素合成途径受阻，而随着叶片发育，叶绿体发育相关基因的上调可能促进了叶绿体结构的恢复，进而使叶绿素合成逐渐正常化，最终实现叶片颜色的转变。
图6 叶绿素合成与叶绿体发育相关基因的表达
研究总结
本研究通过遗传定位、分子克隆和多组学手段，首次报道了由双隐性基因（Y1-7A和 Y2-7D）协同调控的小麦叶色表型突变机制，揭示了镁螯合酶关键亚基缺失导致叶色变异的分子通路，为作物光合效率改良提供了全新视角。该发现不仅为叶绿素合成和叶绿体发育的调控机制提供了新的理论依据，也为小麦分子育种和产量提升提供了重要的遗传资源。
参考文献：
Qi F, Xing P, Sun Y, et al. Deletion of the gene encoding the magnesium chelatase I subunit resulted in a novel wheat leaf colour mutant[J]. Plant Biotechnology Journal, 2025.
