类胡萝卜素异构酶(CRTISO)是植物类胡萝卜素合成的重要调控位点，尽管CRTISO在类胡萝卜合成途径中的作用比较清楚，然而，它在光合作用中的功能还有待于深入研究。本文以水稻类胡萝卜素异构酶突变体zel1为材料，研究了水稻CRTISO在基因表达、类囊体膜蛋白复合体组装以及叶绿体光形态建成等方面的作用，取得了如下结果:　　1.对zel1突变体进行色素分析表明，暗培养的突变体叶片中积累了大量顺式番茄红素前体，而环式的胡萝卜素和叶黄素不能正常合成。在光照条件下，类胡萝卜素合成虽然得以继续，但类胡萝卜素合成效率降低，叶黄素含量减少了约70％，表明CRTISO是类胡萝卜素合成途径中的一个关键酶基因。　　2.水稻表达谱芯片分析表明，突变体中许多光合作用相关基因在暗中表达上调，如叶绿素合成途径基因、捕光复合体蛋白亚基以及受光诱导表达的基因。原叶绿素酸酯也在突变体中大量积累。暗中积累的顺式番茄红素前体可能作为质体—细胞核信号参与了调节光合基因的表达。另外，植物激素赤霉素(GA)的生物合成，以及脱落酸(ABA)、生长素(auxin)和乙烯(ethylene)信号传递途径等众多基因在突变体中表达下调。说明CRTISO对于调节黑暗中基因的表达以及暗形态建成具有重要作用。　　3.透射电镜观察显示黄化质体的原片层体(PLB)的晶格结构紊乱。进一步对暗培养的突变体苗叶片进行光照处理显示，PLB中的膜脂分子扩散延伸受抑制、不能垛叠形成基粒，而只能形成类似“同心圆”结构的类囊体膜，表明突变体叶绿体类囊体膜发育受到延滞。　　4.蓝绿胶电泳显示光系统Ⅱ捕光复合体(LHCⅡ)的三体、光系统Ⅰ(PSⅠ)复合体和光系统Ⅱ(PSⅡ)超复合体的组装受到影响。77K低温荧光进一步检测发现PSⅠ发射峰(745 nm)相对于PSⅡ(689 nm)在不同光照培养条件下都明显低于野生型，显示PSⅠ相对于PSⅡ组装与发育受到更严重抑制。免疫印迹分析表明，类囊体膜蛋白亚基含量，如CP43、CP47、PsaA、PsaB、PsaD、PsaE、cytf以及PetC积累明显减少，而其它亚基如D1、D2、PsbE、AtpA、AtpB和AtpC的积累无明显变化。生物表达芯片数据分析显示这些基因的表达并无明显变化，表明光合基因表达的调控主要在发生在转录后水平，蛋白复合体的组装可能是其重要影响因素。　　5.对正常光照条件下生长的突变体进行叶绿素荧光分析表明:在不同光照强度下，突变体的非光化学猝灭(NPQ)都显著低于野生型。进一步分析显示PSⅡ可调节能量耗散(φ(NPQ))能力降低，而PSⅡ不可调节能量耗散(φ(NO))（如PSⅡ反应中心关闭）增强，进而导致PSⅡ反应中心1O2产生增多。反映PQ库氧化还原状态的叶绿素荧光参数1-qL突变体高于野生型，表明质醌(PQ)库处于比较还原的状态。同时，光合电子传递能力受到部分抑制，毫秒延迟发光表示的光合电子传递偶联的跨膜质子梯度低于野生型。另外，PSⅡ蛋白亚基磷酸化水平高于野生型，77K低温荧光反映的激发能再分配（状态转换）受到抑制，推测可能与LHCⅡ三体不能形成有关。　　6.蛋白质组学分析显示差异积累蛋白多数定位于叶绿体中并属于硫氧还蛋白的目标蛋白。这些差异积累蛋白涉及了氧化还原平衡、光合作用、代谢以及叶绿体蛋白翻译等生物学过程，表明CRTISO功能主要限于叶绿体并与细胞氧化还原平衡有关。　　7.田间实验结果显示突变体植株出现矮化、叶片光漂白、每穗粒数减少及平均单穗重下降等表型。与此形成对照，过量表达CRTISO增强了对外界环境胁迫的抵抗力，提高了单株产量。　　综上结果说明水稻类胡萝卜素异构酶基因不仅在调节光能吸收，减少活性氧特别是1O2的产生方面起光保护作用，而且通过调控叶绿体基因表达、参与光合蛋白复合体的组装，在叶绿体光形态建成、光合电子传递以及细胞氧化还原平衡发挥重要的作用，以维持高效的光合作用，尤其是在逆境环境下。