介绍了近 10年来蓝色花花色素复合体与蓝花基因工程的研究进展

李鹏

沈明山

陈睦传

黄胤怡

Xiamen University Institutional Repository

蓝色花的基因工程黄胤怡　沈明山 　李 　鹏 　陈睦传(厦门大学肿瘤工程与细胞生物学教育部重点实验室 ,厦门 361005)Gene Engineering of Blue Color FlowerHUANG Yin-Yi , SHEN Ming-Shan , L I Peng , CHEN Mu-Zhuan (Key Laboratory for Cell Biology and Tumor Cell Engineer-ing , Ministry of Education , Xiamen University , X iamen 361005)提要　介绍了近 10 年来蓝色花花色素复合体与蓝花基因工程的研究进展。关键词　类黄酮　蓝色花　基因工程　　花色是衡量观赏植物价值的重要标准之一 。但在大自然中普遍缺少蓝色花系的花。Got tlieb[ 1]指出 ,蓝色花仅仅局限于高度进化的被子植物家族 ,而很多原始的家族只拥有以花青素为基础的色素(其色调从红色到紫红色)。这是蔷薇科家族(如玫瑰)缺少蓝色花系的原因。蓝色花花色素的结构和形成机理以及使花色显蓝的基因工程研究一直是近年来这一问题的热点之一。现就这方面的研究进展作一简单介绍 。1　蓝色花花色素复合体　　黄酮类化合物是植物合成的一种次生代谢产物 ,目前已弄清楚化学结构的有 3 000多种 ,它的基本结构是由两个芳香环(C6)和一个 C3单位联接成的 15碳化合物组成。根据 C3 单位氧化程度 ,又分成不同种类 ,如黄酮醇 、黄烷酮 、异类黄酮以及花色素苷。黄酮类化合物有多种生物学功能 ,目前研究较多的是植物的抗紫外线辐射 、用于植物抗毒性或抗肿瘤药物的开发等[ 2] 。蓝色花花色素就是植物体内合成的一种类黄酮化合物(图 1)。　　蓝色花花色素的化学分析是从以鸭跖草(Commelina communis)为对象开始的 。研究结果表明 , 蓝色花花色素复合物———鸭跖草苷(com-melinin)是由翠雀素糖苷 、丙二酰 、黄酮类辅色素———黄酮-鸭跖草苷(f lavo commelinin)和两种金属图 1　蓝色花花色素复合物合成途径[ 3]　　F3H:黄烷酮 3-羟化酶;F3′, 5′H:黄烷酮 3′, 5′-羟化酶;DFR:二氢黄酮醇 4-还原酶;UF3GT:UDP-葡糖二类黄酮 3-O-葡糖基转移酶。收稿　2001-09-18　　　　修定　2001-12-13203植物生理学通讯　第 38 卷 第 2 期 , 2002年 4月DOI :10.13592/j.cnki.ppj.2002.02.038离子(铁离子 ,镁离子)构成。X-射线晶体衍射的结果揭示 , 存在于花瓣液泡中的蓝色花花色素是由以上6个分子以氢键相结合形成的复合物 。每一个复合物由花青素 、类黄酮 、一个镁离子和一个铁离子形成[ 4] 。18种植物的蓝色花系研究情况见表 1。　　翠雀素是最普通的蓝色花的花色素(在18种表 1　蓝色花花色素组成植物种类 花色素 辅色素 金属离子 比例 文献风铃草(Campanula medium) 翠雀素糖苷 5矢车菊(Centaurea cyanus) 琥珀酰花青素苷 芹菜配基 7-葡糖苷酸-4′-丙二酰基糖苷 Fe3+ , Mg2+ 6∶6∶1∶1 6菊苣(Cichorium in tybus) 未知黄酮 1∶8 7蓝费利菊(Felicia amelloides) 翠雀素糖苷 当药黄素 2′鼠李糖苷-4′-糖苷 8瓜叶菊(Senecio cruen tus) 翠雀素糖苷 9鸭跖草(Commel ina comm unis) 翠雀素糖苷 黄酮-鸭跖草苷 Fe3+ , Mg2+ 6∶6∶1∶1 4土丁桂(Evolvu lus pi losus) 翠雀素糖苷 10牵牛花(Pharibi tis ni l) 甲基花青素 11绣球花(Hydrangea macrophyl la) 翠雀素糖苷 二羟基肉桂酰奎宁酸 Al3+ 12一串蓝(Salvia patens) 翠雀素糖苷 芹菜配基 7 , 4′-双糖苷 13湿地鼠尾草(Salvia ul iginosa) 翠雀素糖苷 芹菜配基 7-纤维二糖,芹菜配基 7-纤维二糖-4′糖苷 14埃及羽扇豆(Lup in us cv.termis) 翠雀素糖苷 芹菜配基 7-丙二酰基糖苷 15埃及蓝睡莲(Nymphaea caeru lea) 翠雀素糖苷 未知黄酮 1∶5∶6 16绿绒蒿(Meconopsis beton ici folia) 花青素 堪非醇 3-龙胆二糖 17凤眼蓝(Eichhornia crassipes) 翠雀素糖苷 芹菜配基 7-丙二酰基糖苷 10乌头(Aconi tum chinense) 翠雀素糖苷 10杂种翠雀 Delphinium hybrid um 翠雀素糖苷 18乳突叶美洲茶(Ceanothus papi llosus) 翠雀素糖苷 堪非醇 3-鼠李糖苷 19研究植物中有 15种)。其余 3种植物矢车菊 、牵牛花和绿绒蒿的蓝色花色素分别是琥珀酰花青素苷 、甲基花青素和另一以花青素苷为基础的花青素 。光谱分析结果表明 ,与其他以翠雀素为花色素的蓝花植物相比较 ,这 3种植物更不易表现出蓝色[ 20]。在光谱分析中 ,翠雀素的波长最大值为 535 nm ,而花青素苷的最大值仅为 525 nm 。通常蓝色区域的最大值为 580 nm ,很显然 ,翠雀素比花青素苷更接近蓝色区域。因此 ,当以翠雀素为花色素时 ,只需比较少的辅色素就显蓝。辅色作用是翠雀素苷显色由淡紫色转变为蓝色过程中的最常见机制 。实际上 ,表 1 列举的 18种植物中有 12种植物拥有辅色素 ,其中 11种辅色素属于黄酮醇或黄酮类。Takeda 等[ 12] 认为绣球花以更为简单的二羟基肉桂酰奎宁酸为辅色素 ,这是一个例外。通常 ,有好几种黄酮与翠雀素苷共存于蓝色花的花瓣中 ,但一般只有一种黄酮是辅色素。这可能与花青素-黄酮复合物合成的稳定性相关。在没有金属离子情况下 ,黄酮与花青素需要以很高的比例存在。因此 ,通常认为金属离子普遍存在于蓝色花中 。但有实验表明 ,有些蓝色花中没有金属离子 。只有蓝色矢车菊会有与鸭跖草相似的金属复合物。矢车菊的花中也会有相同的两种金属离子 ———铁离子和镁离子。在矢车菊中 ,花青素 、黄酮与铁离子 、镁离子的比例为 6∶6∶1∶1[ 6]。拥有金属离子的蓝色花中 ,绣球花的金属离子为铝离子[ 12] 。2　蓝色花的基因工程　　观赏植物产业一直不断开发新产品 ,以适应市场的需要 。这些改良后的新品种应有更高的观赏价值和商品价值 。改良的性状包括花的形态和花的颜色等 。在花色改良的研究中 ,蓝色花一直是研究的重点 。在众多观赏植物中 ,蓝色花偏少 ,用作204 植物生理学通讯　第 38 卷 第 2 期 , 2002年 4月观赏的切花香石竹 、郁金香 、月季 、玫瑰等都缺乏蓝色花系。到目前为止 ,大多数蓝色花的新品种都是采用传统育种法而获得的 ,此法有很多局限性 。如前所述 ,蓝花植物的花色素主要是翠雀素。翠雀素是通过 B环 3′和 5′位置的羟化形成的(图 1),但多数缺乏蓝颜色的花都无在 B环 3′和 5′羟化的花色素苷 。有人对 670种玫瑰栽培品种进行分析 ,结果没有见到任何在 B环 5′位置羟化的花色素苷的存在[ 21] ,因此用传统的育种法来培育缺乏前体的蓝花是不可能的。用基因工程技术可获得蓝色花植物。目前采用基因工程改变植物花色的方法主要有以下几种。(1)直接导入外源结构基因。在单基因控制的花色中 ,如果某物种或品种本身缺乏该基因 ,可直接导入外源结构基因以改变花色。国际上第一例应用基因工程改变花色的实验便是采用此法 。将玉米二氢黄酮醇-4-还原酶 (dihydroflavono1-4-re-ductase, DFR)基因导入矮牵牛 RC01 突变体后[ 22] ,二氢堪非醇还原 ,形成天竺葵色素生物合成的中间产物 ,花变成淡砖红色 ,生成矮牵牛的新花色系列。在蓝花基因工程中 , F3′5′H 酶的基因Hf 1和 Hf 2已克隆[ 3] ,这两个基因的表达都能使花色素苷生物合成趋向于产生蓝色的翠雀素-3-葡糖苷 ,从而使花色显蓝 。如将 F3′5′H 基因引入合成花葵素苷和花青素苷的玫瑰栽培品种里 ,花色素苷的合成转向翠雀素苷的合成 ,使花显蓝。(2)导入调节基因使植物内源基因活化。在花瓣发育过程中花色素苷的合成主要通过合成酶含量增加实现 。而合成酶的增加则是由于这些酶基因转录的增加所致。目前 ,已发现了不少调控类黄酮生物合成途径中酶的结构基因的调控基因[ 23] 。当植物本身含有花色素代谢的结构基因 ,如果由于组织特异性或缺乏调节基因表达产物的激活而不表达时 ,则可采用导入调节基因并使其适当表达而改变植物花色。黄酮醇辅色素的存在可以加深蓝色。Holoton等[ 24]报道从矮牵牛中已克隆并表达了辅色素黄酮醇合酶基因 F1 ,增加这种辅色素通常也会使花的蓝色加深。(3)导入植物内某内源基因的正义或反义基因以抑制该内源基因的活性。1990 年 ,美国和荷兰的科学家发现 ,当植物体内导入的结构基因不止一个拷贝时 , 转基因植物的内源基因常被抑制 。Napoli 等[ 25]、Van der krol 等[ 26]、Jorgenson[ 23]及Blokland[ 27]等的研究表明 ,当苯基苯乙烯酮合成酶(CHS , chalcone synthase)基因以多拷贝导入植物体内后 ,植株的内源 CHS 便局部或全部不能表达 ,从而改变花色。Van der krol等[ 26]同时研究了DFR 基因的这种共抑制现象 。反义基因的方法是将某一基因反向插入植物表达载体 ,然后导入植物体内 ,这种反向 DNA转录 RNA 之后 ,与内源的互补mRNA 结合 ,导致 mRNA 不能合成蛋白 ,进而造成花色的变化。1988年荷兰自由大学在世界上首先采用此法获得了矮牵牛花色变异新品种[ 26]。Aida等[ 28]将反义 DFR 和反义 CHS 导入蓝猪耳中 ,二者都可使花更显蓝 。反义 DFR 比反义 CHS更能使花显蓝 。他们认为 ,通过导入反义 DFR ,使DFR 基因钝化 ,从而导致黄酮的积累 ,使辅色作用增强 。这是导入反义 DFR 比导入反义CHS 更加显蓝的原因[ 29] 。(4)其他方法 。此外 ,辅色素及液泡的 pH 值对蓝色素的形成也有影响 。液泡液中 pH 接近 7时花显蓝色 ,花趋向显红 , pH 较高趋向显白色 。De Vlaming 等[ 30]确定矮牵牛花瓣细胞中控制 pH值的是基因 ph 1-ph6 ,Chuck 等[ 31]已将 ph6 基因进行了克隆。3　结语　　综上所述 ,育成蓝色花需要同时具备 3 个条件:即翠雀素的合成 ,黄酮醇辅色素和趋于中性的pH 值。目前 ,已有几家公司进行蓝色花的分子育种工程 ,如日本大阪 Suntory 有限公司和澳大利亚Colgene Pacif ic股份有限公司联合开展的蓝色月季分子育种工作[ 32]。其中 , Flo rigene 和 Suntory 两家公司已经通过转基因获得了蓝色康乃馨 ,并在澳大利亚和日本上市[ 33] 。应用分子育种方法培育传说中的蓝色玫瑰等其他名贵花卉也是指日可待的事。总之 ,随着生物技术的成熟和进一步发展 ,蓝色花基因工程将有更广阔的前景 。参考文献1　Gott lieb O.Micromolecular evolution , systematics and ecology.Berlin:Springer , 1982.142～ 1482　Harborne JB , Ch ristine WA.Advances in flavonoid research since1992.Phytochem , 2000 , 55:481～ 5043　Holton TA , Flllppa B , Dlane RL et al.C loning and expression ofxytochrome-P450 genes-cont rolling flower colou r.Natrue , 1993 ,366:276～ 2794　Kondo T , Suzuki K , Nadagaw a A et al.Comm elinlin , a highly as-205植物生理学通讯　第 38 卷 第 2 期 , 2002年 4月sociated metalloanthocyanin present in the blue f low er petals ofCommel ina comm unis.Nature , 1992 , 358:515～ 5175　Brandt K , Kondo T , Aoki H et al.St ructure and biosynthesis ofanthocyanins in flowers of Campaun la.Phytochem , 1993 , 33:209～ 2126　Bradley D.What give cornflow er i ts blue hue.New Sci , 1994 ,16:157　Takeda K , Harvorne JB, Self R.Ident ification and dist ribution ofmaloylated anthocyanins in plants of the Compositae.Phytochem ,1998 , 25:1337～ 13428　Bloor SJ.Novel pigments and copigmentat ion in the blue mar-guerite daisy.Phytochem , 1999 , 50:1395～ 13999　Goto T , Kondo T , Kaw ai T et a l.St ructure of cinerarin , a tet ra-acylated anthocyanin f rom the blue garden cineraria , S enecio cruen-tus.Tetrahedron Lett , 1984 , 25:6021～ 602410　Toki K , Saito N , Kaw ano K et al.Diphinidin 3-gentiobiosyl ,apignin 7-glucosylmalonate f rom Eichorn ia crassipes. Phy-tochem , 1994 , 36:118111　Goto T.Anthocyanins.Prog Chem Org Nat Products , 1987 ,52:6021～ 602412　Takeda K , Kariuda M , Itoi H.Blueing of sepal colou r of Hy-drangea macrophylla.Phytochem , 1985 , 24:2251～ 225413　Takeda K , Yanagisaw M , Kifune T et al.A blue pigment com-plex in f low er of Salvia patens.Phytochem , 1994 , 35:1167 ～116914　Veitch N , Grayer RJ , Irwin Jl et al.Flavonoid cellobiosidesfrom Sa lvia uliginosa.Phytochem , 1998 , 48:389～ 39415　Takeda K , Harborne J , Waterman PG.Malonylated f lavonoidsand blue flower colour in lupin.Phytochem , 1993 , 42:421～ 42316　Fossen T , Andersen OM.Anthocyanins f rom blue flow ers of theAfrican w ater li ly Nymphaea caeru lea.Phytochem , 1999 , 50:1185～ 118817　Takeda K , Yamaguchi S , Iw ata KO et a l.A malonylated an tho-cyanin and f lavonols in the blue f low ers of Meconopsis.Phy-tochem , 1996 , 42:863～ 86518　Kondo T , Suzuki K , Yoshido K et al.Cyanodephin , a tet raphydroxybenzoylated anthocyanin from blue flower petals ofDelphnium hyvr idum .Tetrahedron Let t , 1991 , 32:6375 ～637819　Bloor S J.Blue flower colour derived from f lavanol-anthocyanincopigmentation in ceanothus papillosus.Phytochem , 1997 , 45:1399～ 140520　Harborne JB.Chemotaxonomy of anthocyanins and phytoalexinsin the com positae.In:Hind DJN , Boentje HJ (eds).Composi-t ae:Systemat ics.(London) Kew :Royal Botanic Gardens ,1998.207～ 21821　许智宏 ,刘春明.植物发育的分子机理.北京:科学出版社 ,1998.115～ 11622　Meyer P , Heidmann I , Forkmann G et al.A new peunia f low ercolour generated by transformation of mutant wi th m aize gene.Natrue , 1988 , 330:677～ 67823　Jorgesen RA.Cosupperession flow er color paterns and metastablegene expression states.Science , 1995 , 268:686～ 69124　Holton TA , Brugliera F , Tanaka Y.Cloning and expression offlavonol synthase f rom Petu nia hybrida.Plan t J , 1993 , 4(6):1003～ 101025　Napoli D , Lemieux C , Jorensen R.Int roduction of a chimericchalcone synthase gene into petunia results in reversible co-sup-pression of homologous genes in t rans.Pla nt Cel l , 1990 , 2:279～ 28926　Van der Krol AR , Lent ing PE , Veenst ra , J et al.An ant isensechalcone synthase gene in gransgenic plants inhibi ts flower pig-mentation.Nature , 1988 , 333:866～ 86927　Van Blok land R , van der Geest N , Mol JNM et a l.T ransgenemediated suppression of chalcone synthase expression in Petuniahybrid a result s from an increase in RNA turnover.Pla nt J ,1994 , 6(6):861～ 87728　Aida R , Sanae K , Yoshikazu T et al.Modif icat ion of f low er col-or in torenia by genet ic t ransformat ion.Pla nt S ci , 2000 , 153:32～ 4229　Aida R , Yoshida K , Kondo T et al.Copigmentat ion gives bluerflowers on t ransgenic torenia plants w ith the antisense dihy-d roflavonol-4-reductase gene.Plan t Sci , 2000 , 160:49～ 5630　De Vlaming P , S charm AW , Wiering H.Genes af fectiong f low ercolour and pH of f low er limb homoenates in Petu nia hybrid a.Theory Appl Genet , 1983 , 66:271～ 27831　Chuck G , Robbins T , Nijjar C et a l.Taf fing and cloning of apetunia f low er color gene w ith the maize transposable elemen t ac-t ivator.Plan t Cell , 1993 ,(5):371～ 37832　Holton TA , Tanaka Y.Blue roses———a pigment of our imagina-t ion? Tren d Biotechnol , 1994 , 12:40～ 4233　Tanaka Y , Tsuda S , Kusumi T.Metabolic engineering to modifyflow er color.Plant Cell Physiol , 1998 , 39:1119～ 1126206 植物生理学通讯　第 38 卷 第 2 期 , 2002年 4月

蓝色花的基因工程

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/154336/%e8%93%9d%e8%89%b2%e8%8a%b1%e7%9a%84%e5%9f%ba%e5%9b%a0%e5%b7%a5%e7%a8%8b.pdf?sequence=1&isAllowed=y

蓝色花的基因工程

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository