花色基因工程1

花色基因工程小组成员:冉盼盼郜路萍曾泉陈飞陈秀彬意义•花是观赏植物的主要观赏部位,花色五彩斑斓,是花卉最主要,最直观的性状之一。但具体到某一种(类)花卉,特别是一些名贵花卉,花色却很有限。如月季、郁金香、康乃馨缺少蓝色和紫色;非洲紫罗兰、仙客来、天竺葵、矮牵牛缺少纯黄色;鸢尾、紫罗兰缺少红色和砖红色,这些问题运用传统杂交育种方法无法解决。因此,对花色基因工程的研究具有重要意义。比如玫瑰缺少蓝色、紫色品种，并且传统育种方法很难培育出，而通过基因工程手段却能使这一目标得以实现。主要内容•一.花色形成的主要因素•二.基因工程修改花色的方法(在黄酮类色素的应用）•1反义技术•2共抑制技术•3RNA干扰技术•三.表达外源黄酮类色素（多基因调控）•四.其他黄酮类物质在花色基因改良上的应用（共色作用）•五.最新研究进展（调控转录因子基因）一、影响花色形成的主要因素园林植物的花色素主要由黄酮类色素、类胡萝卜素和生物碱等次生代谢产物。此外，花的颜色还受液泡液pH值、分子堆积作用等其他一些因素的影响。类胡萝卜素广泛存在于植物体内，参与植物光合作用等重要生命活动，基因工程操作难度较大。生物碱类物质虽然不是植物必须的代谢产物，但是目前代谢机理了解的比较少。黄酮类色素是研究较多的次生代谢产物，其生物合成途径已在、玉米、矮牵牛等高等植物上得到述，分子机理较为清楚。苯丙烷途径木质素P-香豆酰辅酶A苯丙氨酸三个丙二酰-CoA4,2’,4’，6’-四羟基查耳酮金鱼草6-O-葡萄糖苷3-脱氧花色苷柚皮素黄酮类化合物二氢山萘酚二氢五羟黄酮二氢杨梅素黄酮醇类矢车菊素天竺葵素翠雀素糖苷花青素花色苷（花色素）黄酮类色素合成途径CHSC4’GT,ASCHIF3HFNSGT,ANS,FNRF3'HCF3'5'HFLSDFRDFRDFRANSANSANSGT,MT,AT二、基因工程技术修改黄酮类色素合成途径的方法改变花颜色调控内源黄酮类色素表达水平调控花色的方法就是通过抑制色素生物合成酶，减少内源色素合成。查尔酮合成酶（CHS）是黄酮类合成时所需的中间产物，所以主要是通过抑制查尔酮合成酶基因表达从而达到目标。首先明确决定花花色素的代谢途径中催化各反应步骤的酶（查尔酮合成酶），克隆编码查尔酮合成酶（CHS）的基因，反向转入到目的植株中，外源DNA转录产物与内源的互补mRNA结合，而抑制目的植株中这些生化物质的合成。反义技术利用反义手段构建查尔酮合成酶表达载体，并通过农杆菌介导法导入粉红色菊花品种中，结果得到了全白色或淡粉色花。共抑制法紧接着，共抑制方法也被证明在花色改良上是有效的。•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。反义和共抑制方法目前应用的较少利用共抑制作用已获得多种新花色的花卉，如红色玫瑰变粉红，粉红色香石竹变成浅粉，紫色矮牵牛花变成白色等。RNA干扰技术（RNAi）由于近年来出现现了更有效RNA干扰方法。•RNA干涉(RNAinterference,简称RNAi)是指一些小的双链RNA(doublestrandRNA,dsRNA)可以高效、特异的阻断体内特定基因表达,促使mRNA降解,诱使细胞表现出特定基因缺失的表型。•RNAi是一种高效的特异性强的基因阻断技术。可以快速分析靶基因的功能，近年来发展迅速,已成为功能基因组研究和反向遗传学研究的有力工具。外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内,经过特殊的操作，产生一些dsRNA（特殊的双链RNA）。胞质中的核酸内切酶Dicer将这些dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的短双链RNA(大约21~25bp),即siRNA。siRNA与体内一些酶结合形成RNA诱导的沉默复合物(RISC)。RNA诱导的沉默复合物经过解旋具有活性，然后与查尔酮合成酶基因转录的mRNA的同源区进行特异性结合,具有活性的RNA诱导的沉默复合物具有核酸酶的功能,在结合部位切割mRNA,被切割后的断裂mRNA随即降解。RNAi作用机制浅红香石竹粉红香石竹白色矮牵牛三、表达外源黄酮类色素黄酮类化合物含量在不同花卉品种上差异很大。一些植物能产生某种花青素，而其他品种却不能。因此，一种比较有希望的方法就是通过转基因方法将外源目的基因导入目标植物。首先是在矮牵牛上导入玉米相关基因导致花色的改变在蓝花设计上，蓝花植物的花色素主要是翠雀素糖苷。翠雀素是无色的。但是是通过催化翠雀素（二氢黄酮醇）B环3‘和5’位置的基团的羟化可以形成翠雀素糖苷，但多数花缺乏都缺乏黄酮类3‘5’羟化酶(F3′5′H)。2004年，三得利公司让玫瑰具备了制造“翠雀花素”的能力。染出来的蓝玫瑰——“蓝色妖姬”日本公司培植出的世界上第一株蓝玫瑰普通香石竹转后香石竹导入外源DFR（二氢黄酮醇4-还原酶）和F3′5′H基因，无色的二氢杨梅素(翠雀素)变为蓝色的翠雀素糖苷。DFR是在不同花色素代谢途径中对花色素的最终形成起决定性作用的酶。但是不同物种的DFR对底物的选择性不同，所以合成不同的花色素，呈现的花色各异应用基因工程技术改良出自然界中不存在的花色菊花玫瑰矮牵牛生物合成基因的多重表达调控是必不可少的，在许多物种上已经得到广泛应用。在蓝眼菊上，通过RNAi抑制F3′H并且导入非洲菊DFR基因，结果导致天竺葵色素积累。多基因调控应用该种方法在夏瑾和矮牵牛上多基因表达调控已产生各种目的花色。四、其他黄酮类物质在花色基因改良上的应用夏瑾花通常是紫色和蓝紫色。通过调控噢哢类合成途径导致夏瑾产生黄花。噢哢也称苯亚甲基香豆满酮，是一种黄酮类，其衍生物和苯基苯乙烯酮类一起构成花黄素。噢哢是菊科、玄参科花的黄色素的主要成分抑制夏瑾内源F3H和DFR基因，引入金鱼草C4′GT（查尔酮4′－O－葡糖基转移酶）和AS（金鱼草素合成酶）基因过量表达，引起金鱼草素6－O－葡萄糖苷（噢哢类）在花瓣上的大量积累。在这个研究中，通过抑制F3′H或DFR基因阻止内源花色素积累，引入外援基因表达进而获得明显的黄颜色花，也算是多基因调控的方法共色作用是指黄酮类及其它有关化合物与花色素一起呈现增色效应，产生从紫色到蓝色的色系。目前的研究，主要是引入相关DFR基因诱导黄酮类累积，由于共色作用而产生蓝色花卉。共色作用修饰各种基因，包括引入糖基转移酶，丝氨酸羧肽酶类酰基转移酶（SCPL）都能使各种底物产生糖基化或酰基化。修改底物被广泛应用于花色改良。糖基化和酰基化的花青素修饰是一种潜在的基因工程改良花色的新方法。然而，还没用利用糖基化和酰基化修饰花青素显著改良花色的报道。五、花色素基因改良的最新研究策略关于黄酮类物质生物合成途径相关的转录因子基因调控，在开花植物上已经被证明是行之有效的改良花色新方法。调控转录因子基因转录因子是指能够结合在某基因上特异核苷酸序列上的蛋白质，这些蛋白质能调控其基因的转录。例如，R2R3－MYB转录因子操纵某些花青素生物合成。这些转录因子通常调控黄酮类物质合成途径中所需酶的基因。因此，通过调控转录因子可以有效调控很多目的基因。R2R3－MYB和bHLH基因被用来调控拟番茄、矮牵牛、烟草等植物黄酮类物质的生物合成。调控转录因子基因展望•从已知实验结果表明基因工程技术操作使花色变异的可能性大大增加,这意味着通过此途径易获得新花色品系,这一点与观赏植物产业追求新颖的倾向相符。总之,随着基因活性调控机理的揭示和基因操作技术的进步,花色基因工程将展示更为广阔的应用前景,也必将给花卉业带来革命性的影响。