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1、油菜花花色改良方法的研究进展刘宏伟摘要：油菜作为我国非常重要的油料经济作物被广泛的种植，并且有作为绿色生物能源的巨大潜在价值。由于油菜的种植规模巨大在花季时使得它成为了非常重要的蜜源花，同时它构成的人工景观无疑促进了旅游观光业的发展，这种额外的附加价值在旅游业上升的趋势中越来越大，油菜花中提取的天然的色素可供食品添加之用而且更加绿色安全。然而油菜花花色单一因此限制了其经济附加值的增长。随着生物科学的发展使得这一设想成为可能，通过突变育种、转基因、细胞调控、植物整体生理水平调控等手段有可能实现。关键词：油菜花，花色，改良前言：油菜即油白菜（Brassica campestris L.）十字花科白
2、菜变种，其本身即具有很大的价值，作为蔬菜含有丰富的维生素 C、膳食纤维、低热量食品。作为油料作物，种子中含脂肪 40%左右维生素 A 维生素 D 维生素 E 蛋白质氨基酸等。作为观赏植物，在某些非主产区其观赏价值已经超出农业生产的价值，此外还是重要的蜜源植物、油菜花还可以作为天然色素提取的原料。油菜花花色的改良主要是在原来的农业生产价值上增加附加值以提高观赏性，也可以增加色素种类含量。研究背景油菜种植面积十分广泛，花色单一为黄色遗传稳定性极强故而很少有机会在自然状态下取得其他花色的突变体用以推广育种故而若想取得其他颜色的变异体就不得不以人工干涉的方法去获得，尽管目前还没有人在这个方向从事研究但
3、是生物科学，尤其是分子水平景观植物花色改良的很多的研究成果都为此提供了丰富理论基础总述植物的花色是由植物所能够合成的色素而决定的，植物的色素合成途径如下图所示。黄酮类物质是花色素中最常见的一种，所以，要培育出具有独特色泽的花卉，可用基因工程的方法对其黄酮类物质合成途径中的酶的基因进行操作。形成的花色素的种类取决于黄酮类物质代谢途径中的中问产物的不同化学结构。如果是花青素(sanidine) 衍生物。则花色偏红，而若是翠雀紊(delphinidin)衍生物，则花色偏蓝。 在一系列转化试验中，人们将黄酮类物质生物合成途径中的一种或几种酶的基因的反义 RNA 转入矮牵牛，得到了各种花色独特、花样新颖
4、的转基因矮牵牛。来源于玉米的编码二氢黄酮醇 4 还原酶(dihydroflavonol-4 reductase，DFR)的基因已被转入矮牵牛，并获得了新的开橙色花的品种。众所周知，黑郁金香是很珍贵的花卉品种，而蓝色的玫瑰、郁金香、康乃馨将更加珍贵。用基因工程的方法将有可能获得蓝色的花卉品种，但是蓝色色素的合成是由多种酶控制酶的，因此利用基因工程的方法培育蓝色花卉时就要综合考虑几方面的因素，因为翠雀素的合成需要有以下 3 个条件：第一，要有 35羟化花色素苷(3 ，5 一hydroxylated anthoyanin)的合成。第二，同时有黄酮醇辅色素的存在。第三，灌泡中相对较高的 pH。人们已经
5、从矮牵牛中克隆了 3，5一类黄酮醇羟化酶基因和黄酮醇合成酶的基因这两个酶可以催化 3，5一羟化花色素苷和黄酮醇辅色素的形成，从而保证了蓝色花朵所形成的第一和第二个条件。这项工作的难点在于如何获得合适的液泡 pH。因为目前人们对植物是如何调节自身的液泡 pH 的还知之甚少。最近，人们终于从矮牵牛中分离出 6 个与 pH 有关的基因，即 ph1- ph6，这 6 个基因可以控制矮牵牛花瓣细胞内的 pH，从而影响花色。另外，人们还发现编码花色素苷台成途径中的一些调节因子的基因如 anl、an2 、an1l 等突变后,突变株的细胞内,pH 发生了改变。因此，人们推测上述 3 个基因与细胞内的 pH 调
6、节有关，这些结果让人们有理由认为，利用转基因的方法培育出蓝色的观赏花卉是根有希望的。利用基因工程的方法不仅能改变花的颜色还能改变花瓣颜色的深浅。将查尔酮合酶(chalcone synthaseCHS)基因转入单一颜色的矮牵牛、玫瑰、菊花中，使得转基因植物表现出深浅不同的花色。虽然具体的机制目前尚不清楚，但是总的来说转 chs 植物能够表现出不同的花色是由于共抑制(cosuppression)造成的。到目前为止，多数情况下人们还无法预知对花色进行修饰的结果，因为无从知道究竟该对哪些基因增加表达量，哪些基因减少表达量。随着对黄酮类物质合成途径了解的不断深入，人为控制花卉色彩终将会实现。1.花色形成
7、的生理生化机理1. 1花色形成的影响因花的颜色主要由三大类群色素决定: . 类黄酮(flavonoids) 色素, 这是一类积累在植物液泡中的次生代谢产物, 种类繁多. 参与花色形成的类黄酮主要有两类: 一类是产生红色或紫色的花色素苷 ; 另一类是黄色的 2-苯甲川基苯并呋喃酮和苯基苯乙烯酮( 查尔酮) . 花色素苷所占的比例在很大程度上能改变花的最终颜色, 不同的花色素苷使花的颜色产生从红色到紫色的变化, 如花葵素产生橘红色, 花青素产生红色, 翠雀素产生紫色. . 类胡萝卜素( carotenoids) 色素, 它难溶于水, 以结晶或沉淀的形式存在于细胞质的质体中 , 又称为质体色素, 包
8、括有红、橙、黄色色素在内的一大色素类群. 存在于花瓣的多为 B-胡萝卜素和堇菜黄质, 是玫瑰、郁金香、百合、紫罗兰等的黄色来源 . . 与生物碱有关的其他水溶性色素. 如甜菜素、小檗碱、罂粟碱等. 由于它们在含花青素的植物中从未发现过, 因而引起研究者的极大兴趣.成色作用还受另一些因素的影响: 1) 共同成色作用, 某一色素会与其他色素或其他化合物起共同成色作用. 特别是类群色素, 都溶于水, 共同存在时会使花瓣各种过渡色彩. 某些花色素苷还能和有机酸如香豆酸发生酰化作用. 2) 螯合作用, 如果细胞液中存在 Al3+, Fe3+, Mg2+, Mo2+等金属离子, 则色素常是螯合的 . 特别
9、是花青素苷, 合后在某种程度上改变了花色, 往往偏向紫色. 3) pH 值, 液泡液 pH 值变化. 常引起花色改变, 其中花青素苷受 pH 值的影响最大, 酸性时呈红色, 中性时呈淡紫色 , 碱性时呈蓝色.1. 2花色素苷生物合成的生化途径利用颜色突变体进行遗传互作结合前体物饲喂试验, 即能了解花色素产生的生化途径. 花色素苷的生物合成一直是植物次生代谢领域的研究热点, 目前其合成途径及相关的酶已有很多研究报道.花色素苷合成的前体为丙二酰 CoA 和香豆酰 CoA( p-coumatoyl-CoA) . 由查尔酮合酶( chalconesynathase, CHS) 催化二者形成黄色的查尔酮
10、( chalcone) . 查尔酮异构化形成无色的黄烷酮(flavanone) . 此步骤可缓慢自发进行, 但在查尔酮-黄烷酮( chalcone-flavanone) 异构酶( CHI) 催化下可加速完成 . 在黄烷酮羟基化酶( flavanone 3-hydroxylase, F3H) 的催化下, 黄烷酮在 C3 位置羟化形成无色的二羟黄酮醇( dihydroflavonol) . 进一步还原成无色花色素, 由二羟黄酮醇还原酶( dihydroflavonol 4-reductase, DFR) 催化完成. 无色花色素转变成有色的花色素( anthocyandin) , 然后糖基化形成花色
11、素苷 ( anthocyanin) , 由 UDP-葡萄糖类黄酮-3-氧-葡萄糖转移酶 ( UDP-glucoseflavonoid 3-oxy-glucosytransferase, UFGT) 催化完成2.基因工程改良花色的研究进展2. 1导入外源结构基因来改良花色类黄酮生物合成途径中, CHS( 查尔酮合酶) 、CHI( 查尔酮异构酶) 、F3H( 黄烷酮-3- 羟基化酶 ) 、F35H( 类黄酮-3, 5-羟基化酶) 、DFR( 二氢黄酮醇-4-还原酶 ) 、ANS( 花青素合成酶) 等参与色素代谢的酶类的结构基因均已被克隆。对于缺乏这些结构基因的花卉品种, 通过基因工程手段导入结构基
12、因即可改变被修饰品种的类黄酮生物合成途径, 从而改变花色, 这方面已有很多成功的报道。第一次转基因技术运用于修饰花色的成功路线就是先从玉米中提取 DFR 基因, 再将它导入白色矮牵牛并使转基因植株自交, 使得二氢黄酮醇( 无色) 在 DFR 的作用下生成了花葵素糖苷( 砖红色) , 从而培育出了鲜橙色的矮牵牛新品种。2. 2利用反义 RNA 和共抑制技术来抑制 CHS 基因的活性, 造成 CHS 无色底物积累, 从而使花色变浅或无色反义 RNA 技术就是将所研究基因的反义链结在一个启动子后面, 再用它去转化植物, 从而使被转化的植物表达靶基因的反义链并且抑制靶基因的活性。在表达 CHS 基因反
13、义链的转基因植物里, CHS 的 mRNA 和酶活性都有所降低, 从而造成了 CHS 无色底物的积累, 使花色变浅或成白色 2。北京大学生命科学学院陈章良等将来源于矮牵牛的查尔酮合酶正向克隆到含有 CaMV35S 启动子的中间介体中, 通过土壤农杆菌介导导入矮牵牛, 转基因矮牵牛花色获得明显变化。大致的技术路线是: 从矮牵牛花瓣中提取核糖核酸 RNA, 反转录成cDNA 后, 采用 PCR 得到查尔酮合酶基因。它是一个大约 1. 2Kbp 的基因。将这一基因克隆到可以进行植物转化的中间载体上, 再将这一中间载体转移给土壤农杆菌, 用转化后的土壤农杆菌侵染带有伤口的矮牵牛叶片。通过这一过程, 外
14、源插入的查尔酮合酶就进入了矮牵牛染色体, 转化后的带有外源基因的细胞在无菌条件下培养长成愈伤组织, 进一步分化出根和芽, 成为转基因植物。结果发现, 作为转化受体的矮牵牛是单一的紫色, 而转基因植株的花朵有的变成了白色, 有的紫白相间, 而且紫白相间的方式也各不相同。在同一棵植株上还会开出紫、白、紫白相间的不同花朵 3。为何外源基因转入会使原来紫色的花朵变成白色或紫白相间的花朵呢?他们的解释是, 从分子生物学角度来看, 由于外源查尔酮合酶基因转入后与矮牵牛内源查尔酮合酶基因相互作用, 部分或完全抑制了这个基因的转录。这种现象称为共抑制, 其作用机理现在还没有确切的解释。2. 3通过导入与色素代
15、谢过程有关的调节基因来调节生物合成基因活性、色素空间和时间积累和表达,从而调节花色2. 3. 1转录水平上的调控花色素苷在花瓣发育过程中的合成主要通过合成酶量的增加来实现, 而这些合成酶量的增加则是由于这些酶基因转录的增加所致, 目前已经发现不少调控类黄酮生物合成途径酶的结构基因的调控基因。如玉米的 R 基因家族和金鱼草 Del 家族; Myb 类转录因子等等。把 R 和 C1 等这些在花色代谢途径中决定特殊路径的转录启动子导入拟南芥和烟草, 通过控制转录基因的表达来调节花色深浅, 通过调节基因使那些与花色素苷生物合成有关的结构基因在转录区域发生突变, 在转录水平上调节有关结构基因的活性从而调
16、节花色深浅。通过 CHS 和 DFR 基因突变体在金鱼草中表达来修饰花色已经有成功报道。此外, 有些学者认为细胞色素 CYTP450 和 CYTb5 与不具体的NADPH: CYRP450 还原酶之间的相互作用对于最大限度的生成 35- 羟基化花色素苷是必要的 4。近来, 有报道说在矮牵牛中 F35H 的全部活动是由此及彼一个特殊的细胞色素 b5 控制的, CYTb5 是有 difF 编码的, CYTb5 被认为是能够促进一些细胞色素 CYTP450 在复原的膜泡上的活动。利用转基因植物进行酶之间的互补和竞争研究将有助于理解类黄酮生物合成途径及 P450 电子转运系统与F35H 之间的相互关系 5。此外, 可以用核酶来抑制基因活性。核酶是具有酶活性的 RNA 分子, 能够特异性地切断 mRNA, 从而阻止其编码蛋白的合成。因此, 该技术可以用来特异性地抑制类黄酮生物合成基因的表达, 从而改变花色。2. 3. 2非转录水平上的调控对色素合成基因在转录水
