小麦返白系是从小麦矮变1号中发现的天然突变体,后经多次选育而成。其显著特点是突变体苗期表现与野生型无差异,随着温度降低,每年早春阶段,返白系自心叶基部开始白化,并随生长自下而上白化面积加大。之后,随着温度的逐渐升高,又自心叶基部开始复绿,呈现“返白--复绿”特性,前后历时约30-40天。研究表明,与常见的核基因控制的叶色突变体不同,返白系属于典型的胞质遗传类型,并受低温诱导,是一个对温度敏感的色素突变体,而且能稳定遗传,复绿后其性状表现等均恢复正常,对小麦品质、产量等均无影响。国内外报道的色素突变体种类很多,但具有阶段性返白特性且属于细胞质遗传的材料不多,因此,自1985年小麦返白系被发现以来,由于其独特的胞质遗传特性,特殊的代谢特点及潜在的应用价值,引起了国内外不少学者的关注。特别是利用返白和复绿特性,控制小麦返白期间的无效分蘖,在作物遗传育种中具有积极意义。截止目前,已对返白系遗传学、生理生化、叶绿体发育、细胞学等方面进行了较全面深入的研究,取得了大量有意义的重要结果。但关于返白系阶段性“返白--复绿”的分子机制尚缺乏深入研究,在一定程度上限制了返白系在理论研究和应用研究中的应用。本研究以小麦返白系和其亲本矮变1号为材料,通过透射电镜观察了返白系“返白--复绿”过程中叶绿体超微结构的变化规律。利用全基因组鸟枪测序法对返白系叶绿体全基因组序列进行测定,在进行生物信息学分析的同时,在矮变1号中进行了同源扩增,研究返白系与矮变1号叶绿体基因组的差异,为确定叶绿体基因的突变位点奠定基础。采用双向电泳和质谱鉴定技术,对返白系和对照矮变1号叶绿体差异表达蛋白进行研究;根据鉴定的部分差异表达的蛋白质,通过RT-PCR和RACE技术在返白系中获得编码相应蛋白的基因片段或cDNA全长,为进一步分析其功能及与返白之间的相关性奠定基础。本研究取得的主要结果如下:1.透射电镜观察表明:返白系“白化-复绿”过程中,随着叶片白化,叶绿体结构崩解,类囊体几乎完全降解,较大的叶绿体内部明显空化,质体内部结构模糊,处于膜降解状态。叶片复绿后,叶绿体结构逐渐恢复正常状态,与同时期对照叶绿体结构一样,叶绿体内的一系列代谢过程均恢复正常。2.通过正反交试验,再次确证了返白系胞质遗传的特性。3.首次测定返白系叶绿体基因组全序列,结果表明:全基因组序列长度为135898bp,为闭合双链环状DNA分子,包括大的单拷贝区(80003bp)、小的单拷贝区(12791bp)和两个反向重复区(21552bp)。序列分析表明,返白系叶绿体基因组总长度比中国春叶绿体基因组长1354bp,而比大麦少了565bp;4.整个叶绿体基因组包括4种核糖体RNA(rRNA),30个基因编码20种转运RNA(tRNA),74个蛋白质编码基因和2个未知功能的开放阅读框。与中国春叶绿体基因组相比,在小麦返白系叶绿体基因组中新鉴定出3个编码基因,即psbZ、ccsA和petN。5.根据返白系与中国春叶绿体基因组差异区段设计引物,在亲本矮变1号中克隆了26个区段,序列分析表明,所克隆的区段与返白系叶绿体基因仅有个别的单碱基的差异。6.蛋白质组学研究表明:返白系白化临界点,返白系和对照矮变1号叶绿体蛋白的表达有很大差异,质谱鉴定其中的11种蛋白,在返白系中,有9种蛋白表达量下调,只有2种蛋白表达量上调,上述蛋白分别为叶绿体基因编码的或核编码定位于叶绿体中,并参与叶绿体内重要代谢的蛋白和酶。7.根据质谱鉴定到的蛋白质,利用RT-PCR技术,首次在返白系中扩增到6个编码相应蛋白的基因片段,其中三个为小麦中首次报道,并将序列登录GenBank。即编码叶绿体果糖二-磷酸醛缩酶、热休克蛋白70(GenBank登录号FJ830847)和叶绿体RNA结合蛋白的基因片段(GenBank登录号FJ830848)。8.本研究根据返白系中已经得到的编码叶绿体果糖二-磷酸醛缩酶基因片段,运用RACE技术,首次在小麦返白系中克隆编码果糖-二磷酸醛缩酶的全长cDNA序列,长度为1512bp,命名为AlDPTA,(GenBank登录号:FJ625793),该基因编码388个氨基酸,含有R85, K175和K257果糖-二磷酸醛缩酶的底物特异结合位点,在叶绿体中参与淀粉的合成代谢,处于整个代谢网络中的重要位置。