《【最新】花色改造基因工程研究进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【最新】花色改造基因工程研究进展（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、花色改造基因工程研究进展摘要 1987 年世界首例成功运用转基因技术改造矮牵牛花色以来，花色改造基因工程技术不断被证明其在培育新花色品系上的无穷魅力。本文介绍了近年来运用基因工程技术成功改造花色的主要三种策略：1.采用反义 RNA 及共抑制的方法来改变花颜色的深浅；2. 通过导入新基因产生新奇花色；3. 利用转座子构建特殊表达载体，随机激活花色合成的基因来产生嵌合花色。另外，本文还对转基因株花色不稳定原因进行了讨论。 关键词 花色花色素苷基因工程 花是观赏植物的主要观赏器官。自然界花色种类繁多，但一些重要花卉却色彩有限，如月季、郁金香、康乃馨缺少蓝色和紫色；非洲紫罗兰、仙客来、天竺葵、矮牵牛缺
2、少纯黄色；鸢尾、紫罗兰等缺少红色和砖红色，这些是运用传统杂交育种方法无法解决的问题。因此，对花色基因的研究具有重要的意义，一方面使人们有可能对花色进行人工修饰，进一步提高其观赏和商品价值；另一方面，由于花色的明显可见性，花色基因可作为看得见的标记基因，用于研究基因的表达、调控等。 花色素苷是影响花的主要色素，控制花从红色至紫色、蓝色的一系列变化，其含量的增高或降低都可能改变着花的颜色。目前对属于类黄酮的花色素苷的合成代谢以及与之相关的基因研究得较为深入，而且已被应用于改造花色的研究中。下面将介绍成功进行花色改造的基因工程技术和成果。 1 花色变淡 导入植物内源色素基因的反义 (antisens
3、e)基因或正义（sense）基因, 抑制内源色素基因的活性，造成无色底物的积累，使花色变淡或变白。 1.1 反义 RNA 技术（antisense suppression ） 将某一基因反向插入植物表达载体，然后导入植物体内，这种“错误”的 DNA 转录成 RNA 之后，与内源的互补 mRNA 结合，使 mRNA 不能合成蛋白质，以此达到抑制靶基因表达的目的，也即达到修饰目标性状的目的，实现花色的改变。1988 年，vander Krol 等 1 首先采用 此法获得了矮牵牛花色变异新品种，他们将编码查尔酮合成酶 (chalcone synthase，CHS)的结构基因反向导入矮牵牛植株，转基因
4、株的花色由紫色变成白色，且不同株系表现出不同程式的花色变异。Aida 等 2 分别将反义 DFR (dihydroflavonol 4-reductase)和 CHS 导入蓝猪耳中，转基因株系的花冠花色素苷含量均呈不同程度的减少，结果产生多种新花色图案，如花冠檐上深着色部分呈波浪形或某些唇瓣着色较深。转反义 CHS 的株系，花筒和花冠檐的花青素苷色均同等程度减少，花颜色趋于红色；而转 DFR 基因株系冠檐的花色素苷含量减少程度比冠筒的大，转化株因积累了大量的黄酮、黄酮醇物质，因而转化株花的颜色显得更蓝。一般而言，采用反义 RNA 技术转化结构基因，均在不同程度上减少花青素苷的含量，花色也相应的
5、变淡。该方法也已成功地应用于改造其它多种花色上 3，4 。 1.2 共抑制法（sense suppression 或 cosuppression） 即通过导入一个（或几个）与内源基因同源或异源（但序列应与内源基因具高度同源）基因，达到抑制该内源基因转录产物的积累，进而抑制该内源基因表达的技术。共抑制现象是于 1990 年 Jorgenson 教授实验室 5 发现的，他们本想将 CHS 导入矮牵牛，通过 CHS 在细胞中的超表达（overexpression）加深花的颜色，但实验结果出乎他们的设想。转化株的花色素苷合成受到抑制，42%的转化株产生完全白花和紫白嵌合花。但转化株花色的遗传不稳定。现
6、在共抑制现象已在多种植物上发现并被应用于基因功能、基因活性网络调控上的研究。Aida 等 6 分别将 DFR 和 CHS 导入蓝猪耳中，转基因株系的花冠花色素苷含量均呈不同程度的减少，位于花筒的花色素苷含量减少程度大于花冠檐，花筒的颜色几近白色。发生共抑制与导入基因的拷贝数以及两个基因之间的同源性程度密切相关 7，8 。在矮牵牛的花冠组织中有两个 CHS 基因： CHS-A 的 mRNA 约占 90%， CHS-J 的占 10%，这两个基因在编码区处具 85%的同源性。导入 CHS-A 编码区的开白花的矮牵牛中，不仅 CHS-A 被抑制而且 CHS-J 也被抑制。这说明产生共抑制并不需要两个基
7、因序列完全相同。菊花的 CHS 和 DFR 基因与矮牵牛的具 70%的同源性。当将来源于矮牵牛的 CHS 导入矮牵牛中， 48 个转化株中有 8 株出现的共抑制现象，而换成来源于菊花的 CHS ，则在调查的 97 株转化株中，没有发现有共抑制的现象。改用 DFR 也得到同样的实验结果 7 。转化的品种也影响了共抑制的发生， Huits 等 9 发现矮牵牛的 dfr A 基因导入矮牵牛 W80 和 W85 后，不同品种的转化株花色改变程式不同，发生在 W85 株系中的嵌合花色更多。最近，Shimada 等 10 将矮牵牛的 F3 5 H 基因导入细胞中存有 F3 5 H 基因的矮牵牛（ vars
8、. Falcon Blue, Cascade Royal，花为深蓝色）中，发现转基因植株的花为淡蓝、淡红色，推测这是由于外源基因与内源基因通过共抑制，降低或抑制了 F3 5 H 基因的表达引起的。反义 RNA 技术和共抑制技术在改变花色显现上有明显的区别。Jorgensen 等 8 比较了转反义 CHS 和正义 CHS 矮牵牛株系花颜色的变化，发现转反义 CHS 仅影响花冠的颜色，但转正义 CHS 不仅影响了花冠的颜色，而且影响了花药、茎和叶的颜色，特别是影响了花筒的颜色。两者所产生的新花色图案也不同，导入反义 CHS 产生白色区，白色区域从花筒幅射到冠檐，而导入正义 CHS 的株系，则在冠檐
9、上产生白色的楔形或波浪形。 Aida 等 6 在蓝猪耳上也观察到了同样的现象，即转正义 CHS 或 DFR 显著减少了花色素苷在花筒的积累。这同时也说明了相同基因在矮牵牛和蓝猪耳上发生共抑制的部分机理是相同的。 2 增加新花色 将欲修饰的供试株及其近缘种植物中原先没有的基因导入其中，从而使该受体植物增加一个或几个新的性状。将该原理应用于花色基因工程操作上，可以产生新奇花色。 DFR 分别将 dihydrokaempferol(DHK，香橙素) 、dihydroquercetin( 双氢槲皮素) 、dihydromyricetin(双氢杨梅树皮素)还原成相应的 leucopelargonidin
10、、leucocyanidin 和leucodelphinidin。这些都是花青素的前体。矮牵牛的 DFR 不能将 DHK 作为底物，只对双氢杨梅树皮素有还原作用。因此，在矮牵牛中，存在有花青素和翠翟素的衍生物，但缺少天竺葵的衍生物。矮牵牛突变种 RL01 积累大量 DHK， Ht1 和 Hf1 双稳性，缺少 F3 H 活性，只有极低的 F3 5 H 活性，含极少量的花青素和花翠素衍生物，无天竺葵青的衍生物，花近白色。玉米编码 DFR 基因 A1 能将双氢槲皮素催化成花青素衍生物。 Meyer等 11 将 A1 基因导入 RL01 中，转化株积累了天竺葵糖苷，没有 DHK，花为砖红色。这也说明了
11、来源于玉米的 A1 基因编码的 DFR 酶不象矮牵牛的 DFR 酶一样，对底物极其专一。但以上获得的转化株花颜色极不稳定，最终花呈多种颜色，如白色、杂色和红色。Elomaa 等 12 比较了来源 A1 基因和非洲菊 DFR（ gdfr ）基因在 RL01 中的表达情况，发现转 A1 基因的植株花颜色较淡，且随生长发育时间发生变化，这与导入 RL01 多拷贝基因和 35s 启动子和 A1 cDNA 发生甲基化有关。转 gdfr 基因的植株，花色泽深且稳定，这与 gdfr cDNA 中 GC 含量低，不易发生甲基化有关。Davies 等 13 将苜蓿 CHR （ chalcone reductas
12、e）导入矮牵牛，发现转化株花的颜色从白色变为黄色，这是因为转化株中积累了大量 6 脱氧查尔酮的缘故。转辣椒红素合成酶基因的烟草植株，叶片中由于积累在辣椒红而呈红色 14 。来源于单细胞绿藻 Haematococcusplusvialis 的编码 a -胡萝卜素酮酶基因，被定向导入烟草蜜腺组织后，改变了转化株胡萝卜素生物合成的途径，在蜜腺组织中产生了虾青素，该组织的颜色也相应地从黄色变为红色 15 。 理论上可以通过超表达某一结构基因，以增强原有代谢产物的表达，达到加深花器官花色素苷的含量。但目前该方法在改造花色研究中尚无成功的报道。结构基因的活性由调节基因控制，目前已分离的调节基因多来自玉米。
13、当植物组织由于缺乏调节基因表达产物而不能激活结构基因时，可以通过导入调节基因来改变花色。 Lloyd 等 16 将玉米的调节基因 R 和 C 导入拟南芥和烟草中，两种植物的转化株花色均由白色变为不同深浅的粉红色。 在观赏植物中，花卉的蓝色品系非常罕见，尤其是那些名贵花卉，如月季、百合、郁金香、香石竹、菊花等均缺乏蓝色的品种。人们期望将编码 F3 5 H 基因引入缺乏 F3 5 H 基因的玫瑰、香石竹中，使原合成花葵素苷和花青素苷的代谢方向转向翠雀素糖苷的合成方向，从而使花变为蓝色花 17 。 Florigene 公司将矮牵牛的 F3 5 H 基因和 Dfr 基因导入白花的康乃馨中，转化株积累了
14、大量的花翠素，花色也因而发生了改变，改变程度与导入的基因的表达强度相关。该公司现已得到两个商品的品系，分别为 Mondust TM （花为淡紫色）和 Moonshadow TM （深紫色） ，先后在 1996 年和 1997 年投放到市场。最近该公司报道将 F3 5 H 基因和 CYTPb5 基因同时导入康乃馨中，花色从原来对照株的红色转变为深紫色。但细胞中含有高含量的花翠素并不意味着花瓣就能呈现理想的蓝色 , Shimada 等 9 将来源于龙胆的 F3 5 H 的 cDNA- TG1 导入开粉红色花的烟草（ Nicotana tabacum cv. PetitHavana SR1，该植物缺
15、少 F3 5 H 酶） ，同时还将来源于矮牵牛的 F3 5 H 酶的 cDNA- AK14 导入矮牵牛（ var.Falcon，该植物缺少 F3 5 H 酶，花呈粉红色）中，转化株均积累了花翠素的衍生物，花色从粉红变为洋红，在所有的转化株中均没有蓝色的花。花翠素的含量在转基因的矮牵牛中远高于在转基因的烟草中。在转基因的矮牵牛中，花色图案也发生了变化，出现新的星型图案。蓝色花的形成除与液泡中的色素有关外，还与助色素、金属离子、液泡的 pH 值密切相关，人们正在从影响蓝色花形成的诸多因素中找到培育蓝色玫瑰等花卉的突破口 17 。 3 嵌合花色 嵌合花色具有很高的观赏和商业价值，自然界中部分嵌合花色
16、是由于转座子引起的。利用转座子插入法可一次获得较多种类的突变体，例如 van Houwelingen 等 18 利用内源转座子（ TEs ）插入矮牵牛，获得 55 个新的花色突变体。转座子通过插入或割离目的基因而关闭或恢愎基因的表达活性。由于不同细胞中转座子跳出的时间不同，因而不同细胞中的目的基因的表达时空不同，如果被转座子影响的目的基因是与花色素合成有关的结构基因或调节基时，则不同细胞中的结构基因表达的时空不同，因而在不同细胞中生成的花色素苷不同，导致在同一花瓣上可能显现不同的颜色，形成美丽的嵌合花色。例如，在构建玉米 Lc 基因的表达载体时，在 Lc 基因编码区和 CaMV 35S 启动子之间插入转座子 Ac ，转化番茄，由于 Ac 跳出之后， Lc 基因的表达导致在番茄的叶子和果实上产生深红色的斑点 19 。 2001
