花色改造基因工程研究進(jìn)展

1、花色改造基因工程研究進(jìn)展摘要1987年世界首例成功運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造矮牽牛花色以來，花色改造基因工程技術(shù)不斷被證明其在培育新花色品系上的無窮魅力。本文介紹了近年來運(yùn)用基因工程技術(shù)成功改造花色的主要三種策略：1.采用反義RNA及共抑制的方法來改變花顏色的深淺；2.通過導(dǎo)入新基因產(chǎn)生新奇花色；3.利用轉(zhuǎn)座子構(gòu)建特殊表達(dá)載體，隨機(jī)激活花色合成的基因來產(chǎn)生嵌合花色。另外，本文還對轉(zhuǎn)基因株花色不穩(wěn)定原因進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞花色花色素苷基因工程花是觀

2、賞植物的主要觀賞器官。自然界花色種類繁多，但一些重要花卉卻色彩有限，如月季、郁金香、康乃馨缺少藍(lán)色和紫色；非洲紫羅蘭、仙客來、天竺葵、矮牽牛缺少純黃色；鳶尾、紫羅蘭等缺少紅色和磚紅色，這些是運(yùn)用傳統(tǒng)雜交育種方法無法解決的問題。因此，對花色基因的研究具有重要的意義，一方面使人們有可能對花色進(jìn)行人工修飾，進(jìn)一步提高其觀賞和商品價(jià)值；另一方面，由于花色的明顯可見性，花色基因可作為看得見的標(biāo)記基因，用于研究基因的表達(dá)、調(diào)控等?；ㄉ剀帐怯绊懟ǖ?/p>

3、主要色素，控制花從紅色至紫色、藍(lán)色的一系列變化，其含量的增高或降低都可能改變著花的顏色。目前對屬于類黃酮的花色素苷的合成代謝以及與之相關(guān)的基因研究得較為深入，而且已被應(yīng)用于改造花色的研究中。下面將介紹成功進(jìn)行花色改造的基因工程技術(shù)和成果。1花色變淡導(dǎo)入植物內(nèi)源色素基因的反義(antisense)基因或正義（sense）基因抑制內(nèi)源色素基因的活性，造成無色底物的積累，使花色變淡或變白。1.1反義RNA技術(shù)（antisensesuppres

4、sion）將某一基因反向插入植物表達(dá)載體，然后導(dǎo)入植物體內(nèi)，這種“錯(cuò)誤”的DNA轉(zhuǎn)錄成RNA之后，與內(nèi)源的互補(bǔ)mRNA結(jié)合，使mRNA不能合成蛋白質(zhì)，以此達(dá)到抑制靶基因表達(dá)的目的，也即達(dá)到修飾目標(biāo)性狀的目的，實(shí)現(xiàn)花色的改變。1988年，verKrol等[1]首先采用此法獲得了矮牽?；ㄉ儺愋缕贩N，他們將編碼查爾酮合成酶(chalconesynthase，CHS)的結(jié)構(gòu)基因反向?qū)氚珷颗Ｖ仓?，轉(zhuǎn)基因株的花色由紫色變成白色，且不同株系表現(xiàn)出

5、不同程式的花色變異。Aida等[2]分別將反義DFR((dihydroflavonol4reductase)和CHS導(dǎo)入藍(lán)豬耳中，轉(zhuǎn)基因株系的花冠花色素苷含量均呈不同程度的減少，結(jié)果產(chǎn)生多種新花色圖案，如花冠檐上深著色部分呈波浪形或某些唇瓣著色較深。轉(zhuǎn)反義CHS的株系，花筒和花冠檐的花青素苷色均同等程度減少，花顏色趨于紅色；而轉(zhuǎn)DFR基因株系冠檐的花色素苷含量減少程度比冠筒的大，轉(zhuǎn)化株因積累了大量的黃酮、黃酮醇物質(zhì)，因而轉(zhuǎn)化株花的顏色顯

6、得更藍(lán)。一般而言，采用反義RNA技術(shù)轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)基因，均在不同程度上減少花青素苷的含量，花色也相應(yīng)的變淡。該方法也已成功地應(yīng)用于改造其它多種花色上[3，4]。1.2共抑制法（sensesuppression或cosuppression）即通過導(dǎo)入一個(gè)（或幾個(gè)）與內(nèi)源基因同源或異源（但序列應(yīng)與內(nèi)源基因具高度同等[11]將A1基因?qū)隦L01中，轉(zhuǎn)化株積累了天竺葵糖苷，沒有DHK，花為磚紅色。這也說明了來源于玉米的A1基因編碼的DFR酶不象矮牽

7、牛的DFR酶一樣，對底物極其專一。但以上獲得的轉(zhuǎn)化株花顏色極不穩(wěn)定，最終花呈多種顏色，如白色、雜色和紅色。Elomaa等[12]比較了來源A1基因和非洲菊DFR（gdfr）基因在RL01中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)A1基因的植株花顏色較淡，且隨生長發(fā)育時(shí)間發(fā)生變化，這與導(dǎo)入RL01多拷貝基因和35s啟動(dòng)子和A1cDNA發(fā)生甲基化有關(guān)。轉(zhuǎn)gdfr基因的植株，花色澤深且穩(wěn)定，這與gdfrcDNA中GC含量低，不易發(fā)生甲基化有關(guān)。Davies等[13

8、]將苜蓿CHR（chalconereductase）導(dǎo)入矮牽牛，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化株花的顏色從白色變?yōu)辄S色，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)化株中積累了大量6脫氧查爾酮的緣故。轉(zhuǎn)辣椒紅素合成酶基因的煙草植株，葉片中由于積累在辣椒紅而呈紅色[14]。來源于單細(xì)胞綠藻Haematococcusplusvialis的編碼a胡蘿卜素酮酶基因，被定向?qū)霟煵菝巯俳M織后，改變了轉(zhuǎn)化株胡蘿卜素生物合成的途徑，在蜜腺組織中產(chǎn)生了蝦青素，該組織的顏色也相應(yīng)地從黃色變?yōu)榧t色[15]。理論

9、上可以通過超表達(dá)某一結(jié)構(gòu)基因，以增強(qiáng)原有代謝產(chǎn)物的表達(dá)，達(dá)到加深花器官花色素苷的含量。但目前該方法在改造花色研究中尚無成功的報(bào)道。結(jié)構(gòu)基因的活性由調(diào)節(jié)基因控制，目前已分離的調(diào)節(jié)基因多來自玉米。當(dāng)植物組織由于缺乏調(diào)節(jié)基因表達(dá)產(chǎn)物而不能激活結(jié)構(gòu)基因時(shí)，可以通過導(dǎo)入調(diào)節(jié)基因來改變花色。Lloyd等[16]將玉米的調(diào)節(jié)基因R和C導(dǎo)入擬南芥和煙草中，兩種植物的轉(zhuǎn)化株花色均由白色變?yōu)椴煌顪\的粉紅色。在觀賞植物中，花卉的藍(lán)色品系非常罕見，尤其是那些

10、名貴花卉，如月季、百合、郁金香、香石竹、菊花等均缺乏藍(lán)色的品種。人們期望將編碼F35H基因引入缺乏F35H基因的玫瑰、香石竹中，使原合成花葵素苷和花青素苷的代謝方向轉(zhuǎn)向翠雀素糖苷的合成方向，從而使花變?yōu)樗{(lán)色花[17]。Fligene公司將矮牽牛的F35H基因和Dfr基因?qū)氚谆ǖ目的塑爸?，轉(zhuǎn)化株積累了大量的花翠素，花色也因而發(fā)生了改變，改變程度與導(dǎo)入的基因的表達(dá)強(qiáng)度相關(guān)。該公司現(xiàn)已得到兩個(gè)商品的品系，分別為MondustTM（花為淡紫色

11、）和MoonshadowTM（深紫色），先后在1996年和1997年投放到市場。最近該公司報(bào)道將F35H基因和CYTPb5基因同時(shí)導(dǎo)入康乃馨中，花色從原來對照株的紅色轉(zhuǎn)變?yōu)樯钭仙?。但?xì)胞中含有高含量的花翠素并不意味著花瓣就能呈現(xiàn)理想的藍(lán)色Shimada等[9]將來源于龍膽的F35H的cDNATG1導(dǎo)入開粉紅色花的煙草（Nicotanatabacumcv.PetitHavanaSR1，該植物缺少F35H酶），同時(shí)還將來源于矮牽牛的F35H

12、酶的cDNAAK14導(dǎo)入矮牽牛（var.Falcon，該植物缺少F35H酶，花呈粉紅色）中，轉(zhuǎn)化株均積累了花翠素的衍生物，花色從粉紅變?yōu)檠蠹t，在所有的轉(zhuǎn)化株中均沒有藍(lán)色的花?；ù渌氐暮吭谵D(zhuǎn)基因的矮牽牛中遠(yuǎn)高于在轉(zhuǎn)基因的煙草中。在轉(zhuǎn)基因的矮牽牛中，花色圖案也發(fā)生了變化，出現(xiàn)新的星型圖案。藍(lán)色花的形成除與液泡中的色素有關(guān)外，還與助色素、金屬離子、液泡的pH值密切相關(guān)，人們正在從影響藍(lán)色花形成的諸多因素中找到培育藍(lán)色玫瑰等花卉的突破口[17