细胞壁和叶绿体是决定植物机械强度和籽粒产量的两个基本结构。因此,了解植物细胞壁强度的提高和叶绿体的发育机制对农业活动至关重要。在本研究中,我们鉴定了一个新的水稻突变体bz1(brittle zebra 1),具有脆秆和斑马叶表型。bz1突变体细胞壁结构和组成发生改变,叶片叶绿体膜发育异常。分子生物学和生物化学分析表明,BZ1编码一种功能性的UDP-半乳糖/葡萄糖差向异构酶(UGE),在植物生长发育的各阶段组织中广泛表达,在茎和叶组织中表达量较高。组织切片免疫组化,免疫胶体金投射电镜和细胞壁成分分析等多实验技术结合证明,与野生型相比,bz1突变体中半乳糖含量显著降低,阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)糖基化受阻,其含量显著下降。采用冷冻传输扫描电镜分析突变体和野生型茎秆纤维素表面结构,结果表明bz1纤维素微纤丝沉积紊乱,导致其纤维素结晶度显著降低。为揭示BZ1对叶色影响的生化机制,我们取苗期突变体表型明显的叶片材料进行脂质谱分析,结果显示bz1叶绿体膜上的单半乳糖脂明显减少,而二半乳糖脂无明显变化。综上所述,这些结果揭示BZ1同时调控水稻茎秆脆性和叶色的分子机制如下:BZ1突变影响UDP-半乳糖和UDP-葡萄糖的相互转化,UDP-半乳糖合成受阻导致细胞壁AGPs和叶绿体膜MGDG侧链合成的UDP-半乳糖供应减少,从而导致了细胞壁的改变和叶绿体发育异常。由于机械强度降低,光合作用减弱,bz1突变体植株表现出生长发育迟缓和各项农艺性状缺陷,而BZ1过表达株系的生长发育表型明显增强。进一步通过RNA-Sequencing技术对野生型和bz1的茎秆和叶片组织分别进行全基因组转录分析,结果发现bz1中AGPs生物合成和光合代谢途径相关基因的表达被显著抑制,这与我们上述的生理生化结果一致。本研究证明BZ1是介导AGPs和MGDG糖基化的双靶向糖基异构酶,遗传改良BZ1将是培养优良水稻品种的一个重要策略。