植物基因工程在花卉中的应用
2007/11/1 来源:现代农业科技 作者:曹鹏飞


  摘要 植物基因工程是花卉改良的重要手段,它解决了传统育种不能突破的问题,为花卉性状改良提供全新的思路,在改良花卉株型、花色、花形、花香及延长观赏寿命等方面取得了重要进展。对植物基因工程在改良花卉花色、花形、延迟观赏寿命等方面的应用作一简要综述。
  关键词 植物基因工程;花色;花形;观赏寿命
  植物基因工程是作物改良的新型技术。目前,它不仅广泛用在农作物的改良方面,而且也是花卉改良的主要手段。植物基因工程解决了传统育种不能突破的问题,为花卉性状改良提供全新的思路。因此,人类希望在传统育种的基础上能够利用基因工程技术,培育出向往已久的奇异花卉。自20世纪80年代以来,基因工程技术在改良部分观赏植物株型、花色、花形、花香及延长瓶插寿命等方面取得了重要进展。通过转基因技术,花卉变得色更艳、姿更美、香更浓。本文就近年植物来基因工程在改良花卉花色、花形、延迟鲜花寿命等方面的应用作一简要综述。
  
  1 基因技术改变花色
  自然界中的花色种类繁多,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,然而花色在生化和遗传上都极为复杂,通过选种和杂交手段创造新的花色,受到的限制较多,而且周期长,因而进展缓慢。由于植物分子生物学的迅速发展和基因工程的实用化,基因工程已成为花卉育种最有前途的新技术,国外也培育出一些优良品种,在花色育种领域取得了令人瞩目的进展。
  1.1 决定花色的活性物质
  花色主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定。类胡萝卜素存在于质体内,产生月季水仙、郁金香、百合等的黄色及橙色;生物碱类色素有罂粟碱、甜菜碱等;甜菜碱是酪氨酸衍生出来的黄色到红色氮化合物,主要存在于石竹属植物中;类黄酮存在于液泡内,分为花青素、异黄酮和黄烷醇等,其中花青素可反应花中大部分红、蓝、紫和红紫等颜色。
  1.2 基因工程技术改良花色的方法
  基因工程技术为花卉育种开辟了一条新途径,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,抑制了靶基因的活性,但内源靶基因不发生改变。例如矮牵牛是一种一年生草本观赏植物,花大而鲜艳。我们选择了一种紫色的矮牵牛作为转化对象,首先从矮牵牛的花瓣中提取核糖核酸RNA,反转录成cDNA后,采用聚合酶链式反应(PCR)扩增得到查尔酮合酶基因,这是一个大小约1.2kb左右的基因,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,外源插入的查尔酮合酶基因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,并进一步分化出芽和根,成为转基因植物。转基因植物的花色相对于未转基因的对照植物发生了很大的变异。另一种抑制基因活性的方法是用核酶(ribozym),核酶是具有酶活性的RNA分子,能特异性切断mRNA,从而阻止其编码蛋白质的合成。该技术可以用来特异性抑制类黄酮或类胡萝卜素生物合成基因的表达,从而改变花卉的颜色。
  (2)共抑制,当植物体内的结构基因不止一个拷贝时往往引起转基因花卉内源基因的抑制,应用此法已获得多种新花色的花卉,如红色玫瑰变成粉红,粉红色香石竹变为浅粉。
  (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F3′5′H酶基因,可将从其他花卉中克隆到的F3′5′H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组织中发现花青素的形成。
  现在人们已经能够通过转基因技术任意改变和调整花的颜色。研究发现,只要通过基因工程技术破译出花的色素基因,将花色基因克隆出来,导入所需培育的花卉里面,就可以培育出特异花卉,形成一花多色甚至是“七色花”。研究人员现在选育成功的情侣夜来香、大丽菊、蝴蝶兰桃花等特异花,开出了2-3种颜色、条纹状与星点状组合的花朵,其观赏性是普通花难以比拟的。北京大学的研究人员成功地将与植物花青素代谢有关的查而酮合酶基因导入花卉植物矮牵牛,转基因矮牵牛的花色呈现自然界没有的变异,提高了花卉的观赏价值。
  
  2 基因技术改变花型
  花卉形态是花卉的重要组成部分,因此改良花卉形态长期以来一直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进展。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。如一些研究人员利用先进的转基因技术,成功育出2盆转基因非洲菊。与一般的非洲菊相比,转基因非洲菊的花朵更大、更饱满。第一盆非洲菊由原来的纯橙黄色转变为一半橙黄、一半金黄;而第二盆非洲菊的萼片、花瓣、花蕊等外形保持原状,花瓣为深橙色,花蕾呈浅绿色,叶脉为橘红色。转基因非洲菊花期可维持1个月左右。这一系列进展为人类利用基因工程手段修饰花卉的形态打下了良好的基础。
  
  3 基因技术延长鲜花的寿命
  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。日本研究人员成功开发出了花期相当于普通品种约3倍的康乃馨。在花卉研究所进行的试验中,普通康乃馨完全开放后5~7d就开始枯萎,而新开发的康乃馨“筑波1号”一直到第19.5天也没有枯萎。如果是在气温较低的冬季,可以保持1个月以上。花期长短的关键在于化学物质乙烯的释放量。花朵在开放一定时间后,自身就会释放出乙烯促使花瓣枯萎,这是为了保存后代而将体内能量集中到果实或种子的缘故。“筑波1号”产生的乙烯大约只有普通康乃馨的1/20,因此可以保持很长的花期。
  日本研究人员还应用转基因技术,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。研究人员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6d。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。
  
  4 问题与展望
  花卉基因工程的研究已经较多,取得了喜人的成就,但目前主要涉及改良花色和花形、调节开花期、延长货架期等方面。有关观赏花卉的其他品质,如香味、大小、抗性等方面的研究难度很大,这些工作还处于起步阶段。如对香气的研究还只集中在香精的化学分析上,花的香味物质生物合成途径中的酶和基因研究相对滞后。许多花卉如春兰、茉莉花等颜色单调,花小,但香味浓郁。而大多数鲜切花虽然颜色艳丽,花大,但缺少香味。花卉花期、花形和延长观赏寿命的研究虽然相对深入一些,关键酶和基因大多被克隆分离,但这方面的转基因花卉很少,重要原因之一是控制这些性状的基因非常多,尤其花器官特征基因和开花时间基因互相影响,不易控制表达时间,今后这方面重要的研究内容之一是如何保证导入基因在适当的时间表达。我国野生花卉资源丰富,尤其是高山花卉非常具有特色,同时高山花卉具有特异的基因资源(如抗病性、花色等),通过基因工程手段提高高山花卉的适应性,改良高山花卉或者用高山花卉基因资源改良现代花卉将具有非常重要的意义。
  
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