基因工程在花卉育种中的应用

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1、摘 要：在现代生物技术中，基因工程作为一个重要的部分， 已经在生产和生活等多方面起着 重要的作用。它不仅广泛 应用于农作物的改良方面， 而且也是花卉改良的主要手段。 本文简述了基因工程的概念，对花卉基因工程相关的研究与 应用进行了综述，同时简单评述了花卉基因工程育种研究中 存在的问题并展望其应用前景。关键词：花卉育种 基因工程应用 花卉业是当今世界最具活力的产业之一，而花卉育种是花卉 业发展的基础。随着经济的发展和生活水平的提高，人们对 花卉的需求量日益增大，对花卉的色、香、形等标新立异的 新品种的需求也日益强烈。花卉基因工程通过抑制内源基因 或导入外源基因定向改变花卉的某一性状而不影响其它性

2、 状，并且缩短育种周期，为花卉的性状和品质改良提供了全 新的思路和手段。一、基因工程概述 基因工程是指运用分子生物学技 术，将目的基因或 DNA 片段通过载体或直接导入受体细胞， 使受体细胞遗传物质重新组合，经细胞复制增殖，新的基因 在受体细胞中表达，最后从转化细胞中筛选有价值的新类型 继而它再生为工程植株，从而创造新品种的一种定向育种技术。它是在基因水平上来改造植物的遗传物质，因此更具有 科学性和精确性，同时育种速度也大大加快能定向改造植物 的遗传性状，提高了育种的目的性与可操作性，植物基因工 程大大地扩展了育种的范围，打破了物种之间的生殖隔离障 碍，实现了基因在生物界的共用性，丰富了基因资

3、源及植物 品种。二、二、基因工程在花卉育种中的应用 基因工程已广 泛应用于月季、香石竹、菊花、郁金香、百合、扶郎花、火 鹤花、金鱼草、石斛、草原龙胆、唐菖蒲和满天星等几乎各 种重要花卉，下面主要就基因工程对花卉花色、花型、株型、 花香、花期、延长鲜花寿命以及和提高抗性等方面做一论述。 1基因工程改变花色自然界中的花色虽然种类繁多，但是一些重要花卉却有限， 如玫瑰、康乃馨、郁金香等缺乏蓝色和紫色，天竺葵、仙客 来、非洲紫罗兰等缺乏黄色，球根鸳尾、仙客来、紫罗兰等 缺乏猩红色或砖红色。因此，花色的改良是育种工作者的重 要目标。 1.1 影响花色的因素 花色是一种复杂性状， 影响花色的主要因素是花色

4、苷类型及相互作用。花色苷由三 大类群色素组成，即类黄酮、类胡萝卜素和甜菜色素。类黄 酮类色素包括花青苷、黄酮、黄酮醇等，都是溶于水的，存 在于植物细胞液泡内，其中花青苷可以反映花中大部分红、 蓝、紫和红紫等颜色。其它类黄酮则呈现从浅黄至深黄的颜 色，统称为黄色素。因此，黄酮类色素产生从深红tob_id_2536 到红紫的全部颜色范围。类胡萝卜色素难溶于水，存在于质 体内，存在于花瓣中的多为B -胡萝卜色素和堇菜黄质，是 月季、水仙、郁金香、百合等的黄色来源。生物碱类色素有 小檗碱、罂粟碱、甜菜碱等，甜菜碱包括产生红色或紫色的 甜菜色素和产生黄色的甜黄质。罂粟碱使罂粟目的罂粟属和 绿绒蒿属植物产

5、生黄色，小檗碱使毛茛目的小檗属植物呈现 深紫色。除花色苷本身的结构外，色素浓度、多种色素的共 显色作用、色素与重金属离子（Fe、zn等）的螯合作用、液泡 液pH值以及花瓣细胞的形状等因素也在一定程度上影响着 花色表现。有关花色基因工程研究开始主要是在拟南芥、矮 牵牛、金鱼草等模式植物上进行。 1.2 基因工程技术改良 花色的方法 目前通过基因工程技术改变花色的方法有 4种。（1）抑制类黄酮或类胡萝卜素生物合成基因的活性， 从而导致中间产物的积累和花色改变。反义RNA技术可以抑 制类黄酮或类胡萝卜素生物合成基因的活性，就是将所研究 的反义链连接在另一个启动子后面，再用它去转化花卉，抑 制了靶基因

6、的活性，但内源靶基因不发生改变。（2）利用共 抑制。共抑制法是指在植物体内导入内源基因的额外拷贝， 抑制该内源基因转录产物 mRNA 的积累，从而抑制该内源基 因的表达。利用共抑制作用已获得多种新花色的花卉，如红 色玫瑰变成粉红，粉红色香石竹变成浅粉。（3）引入新基因来补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力。如 玫瑰、香石竹等不具有合成蓝色翠雀素必需的 F35H 酶基 因，可将从其他花卉中克隆到的F35H酶基因转到玫瑰和 香石竹中，从而获得蓝色玫瑰或香石竹。（4）引入生物合成 的转录调控因子来改良花色。如花色素苷生物合成的许多转 录因子已被克隆，并将转录调控因子引入矮牵牛中，在原来 不产生花青素的

7、组织中发现花青素的形成。 2基因技术 改变花型 对某些花卉而言，花型是主要性状，因此改良花 卉形态长期以来一直也是科学工作者研究的重点之一。花卉 形态改良包括花朵的大小、花朵的分布状态等。转基因育种 研究在改变形态方面也取得了重大进展。到目前为止，转化 方法仍局限于农杆菌介导法和微粒子轰炸法。但也有研究者 将二者结合起来使用。德国研究人员将一种基因导入蔷薇， 使植株的花枝数和每枝上的花朵数量大幅度增加。研究人员 还发现，金鱼草和兰花的花朵不具辐射对称是由控制花卉形 状的基因所控制。现在，人们已能通过生物工程技术将雄蕊 转换为花瓣，或是将萼片转为叶片等。这一系列进展为人类 利用基因工程手段修饰花

8、卉的形态打下了良好的基础。 3基因工程改变株型 株型既是花卉的观赏性状也是 重要的经济性状之一。通过基因工程技术对植物形态和结构 的修饰将对花卉业的发展带来巨大推动作用。法国科研人员 通过发根农杆菌介导转化法，把野生型Ri质粒导入柠檬天 竺葵，使其原有的节间长、生长不整齐的株型发生了改变， 获得了节间缩短、分枝和叶片增加、株形优良的转化株。他 们还成功地运用转基因技术，使蔷薇不发生矮化而让其枝数 增加23倍，大大提高了切花产量。Dolgov等将细胞分裂 素具糖苷酶(RolC)基因导入菊花中，获得了矮化的、多分枝 的植株。日本研究人员利用Ti质粒把ROLC基因导入植株, 育成株矮、花芽多的土耳其

9、桔梗和牵牛花，在土耳其桔梗上 效果特别明显，表现为节间缩短，株高矮化20%60%。基因 工程在花卉的形态与结构上的改良在生产中具有较大的潜 在的利用价值。 4基因工程改变香味 香味是花卉品质的一 个重要组成，产生花香的物质种类繁多，通常有类萜、苯型 烃类、苯丙素类、脂肪酸及其衍生物和一些含氮含硫化合物 等。由于花卉香味的代谢物比构成色彩的代谢物更多、对芳 香性状的背景了解少等因素造成香味育种的研究进展较慢。 目前主要集中在单萜类物质的合成过程。大多数香石竹芳香 味很淡或基本无香气，研究人员将仙女扇萜烯醇合成酶基因 导入香石竹，转化植株的叶片与花都产生萜烯醇，但人的嗅 觉感觉不到芳香味的改变。许

10、多花卉如中国兰和中国水仙虽 花小，颜色简单，但具有浓郁的芳香，而附生兰类和水仙属 其他植物的花虽大、色泽鲜艳，却大多没有芳香，通过基因 工程可使这些植物既具香味，花形又美观。 5基因工程 改变花期 开花期控制对观赏植物的生产和应用具有 重要意义，而且花期改良始终是花卉品种改良的重要目标性 状之一。成花机理的研究已经取得了突破性进展，为花期有 效调控提供了新的途径。目前已经从模式植物拟南芥中分离 到许多种影响开花的突变体。通常开花诱导基因分为两类： 与开花时间有关的基因和分生组织特征基因。前一类基因的 突变会使突变体开花时间提早或推迟，其中促进开花的基因 包括：CON-STANS、FCA、ELF

11、3等，抑制开花的基因如EMF1。 后一类基因决定新形成的原基发育方向，即继续营养生长的 发育方式，还是转向花的发育，这类基因如TFL1和TFL2。邵寒霜等将拟南芥LFYcDNA转入菊花，8株转基因植株中有 3株分别提早65d、67d、70d开花，有2株分别推迟78d和 90d开花。日本研究人员将ROLC基因（调节细胞激动素水平） 导入土耳其桔梗，使其花数提高2倍以上，花期提前13 个月。这些实验表明，通过花发育基因工程将可以培育出提 早或推迟开花、花期长久的花卉品种。 6基因工程延长 鲜花的寿命 为提高鲜花的商业价值，不仅需要花朵美 丽，尽可能延长花朵寿命也非常重要。乙烯是花卉本身合成 的影响

12、切花寿命的气体，控制着切花衰老过程。近年来，科学家对控制乙烯合成的基因和衰老过程中基因的表达进行 了深入研究，发现ACC合成酶和ACC氧化酶是植物乙烯生物 合成过程中的关键性酶，其活性的增强可加速乙烯的大量生 成，通过导入反义ACC合成酶基因及反义ACC氧化酶基因可 阻止乙烯生化合成， 延长花期和鲜切花寿命。 FlorigeneAus tralia公司将ACC合成酶反义基因导入香石竹, 抑制了花中乙烯的合成，从而延迟了香石竹的凋萎。这种转 基因香石竹比普通香石竹延长了 2 倍的观赏寿命。日本研究人员应用转基因技术，把阻止开花 的基因植入牵牛花中，结果培育出开花时间延长了 3 倍的转 基因牵牛花

13、。他们发现一种基因与花蕊的形成有关抑制这种 基因的作用，就可使雄蕊数量增加，雌蕊数量减少，这使得 牵牛花结果的数量大大减小，从而可减少乙烯的产量，使本 应在2d后开始凋谢的牵牛花开花时间延长了 6do研究人员 认为，应用这一技术也有可能延长其他花卉的开花时间。 7基因工程增强抗性植物抗性基因工程是根据分子遗传学原理，培育具有特定抗性的植物新品种的生物技术，植物抗性基因工程包括植物抗虫基因工程、抗病毒基因工程 和抗逆基因工程。其程序是：鉴定和分离抗性基因一抗性 基因的重组将抗性基因导入受体，获得抗性能够表达并稳 定遗传的再生个体。花卉抗性基因工程育种是花卉育种研究 的又一热点。传统的抗性育种方法

14、是选择抗性强的亲本与栽 培品种重复杂交，以培育出性状稳定的抗性花卉品种。基因 工程育种将花卉的抗性育种带入到了一个新阶段。 三、问 题与前景展望 尽管利用基因工程技术改善花卉的色、 香、型等品质已取得了重大进展，但距离大规模品种改良还 很遥远，真正开始商品化生产还很少。目前在花卉基因工程 研究中存在的问题主要包括：分离鉴定到的目的基因少，许 多重要性状的基因（如香味生物合成途径中许多关键酶基因、 部分花色调节基因等）尚未分离出来，导致新品种培育受限； 转基因花卉的生物安全性缺乏系统的评价；花卉基因工程育 种与传统育种的结合尚不够紧密 随着更多目的 基因的分离及基因表达调控研究的不断深入、遗传转化技术 的改进等，将有可能对花卉整个生物合成途径进行遗传操作 基因工程对花卉的品质改良所具有的巨大潜力将得到更好 的发挥。我们应当把传统杂交育种和分子育种相结合发挥各 自特长优点、把基因工程技术和其它育种方法相结合培育优 良新品种，建立高效转基因植物栽培技术体系。相信随着生 物技术的发展，基因工程的前景将会越来越广泛。