《蓝色花形成的基因工程进展和育种策略》
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摘 要：基因是生命的基本构造和性能,也是影响生物特性的重要因素.科学家应用基因工程将一种生物的基因嫁接代另一种生物的细胞里,可以实现对生物遗传性状的改造.部分花基因中缺乏蓝色基因,而蓝色花又具有独特的欣赏价值.将含有控制合成蓝色色素的B基因的花朵中的B基因通过分离、合成,再逆转录之后接入受体花朵细胞,使该基因在受体细胞中稳定下来,并遗传给子代,就可以得到美丽的蓝色花朵.本文就来分析蓝色花形成的基因工程进展和有效的育种策略.旨在为蓝色花培育提供一些参考建议.
关键词：蓝色花;基因工程;B基因;蓝色色素
颜色是花卉美丽的要素之一,靓丽的色彩塑造了五彩斑斓的花卉色系,使得不同的花卉富有别样的风情.在自然界中,蓝色花卉较为罕见,特别是一些广受市场欢迎的花卉,如玫瑰、月季等,缺乏蓝色花系.应市场的需求,科学家们一直在致力于研究蓝色花的基因组成,试图通过改变花色素来实现蓝色花育种,培育出市场喜爱的蓝色系.基因工程是一种常见的基因重组技术,该技术在改变生物特性、培育新品种方面有着较好的应用效果.应用基因工程研究蓝色花的形成,培育新蓝色花品种,是满足市场需求的必然选择.这对于丰富花卉产品品种有着重要的意义.
一、蓝色花的形成基础
(一)蓝色花色素
蓝色花色素的化学结构是花青素,花青素一般被酰基化、唐感化、化进行修饰,形成“三明治”型的分子内堆叠.这也是蓝色花青素在花朵内才更加的稳定的原因.其中酰基化修饰的位置是蓝色花形成的重要条件.一般在花青素3’-和/或7-位上发生芳香酸酰基化比3-和/或5-位上的芳香酸酰基化对于蓝色的形成更为重要.自然界中蓝色花含有飞燕草素糖苷及其酰基化衍生物,或酰基化的矢车菊素糖苷,或矮牵牛素糖苷.常见的可呈现蓝色花瓣的植物油飞燕草、鸭拓草、钱奴化、蝶豆花、牵牛花等.
(二)呈现蓝色的环境
科學表明,虽然蓝色花中都含有蓝色花青素,但含有蓝色花青素的植物并不一定呈现蓝色,它还对细胞液环境、成分组成等有着特殊的要求.一般的蓝色花的pH值、5-O-乙酰奎宁酸与花青素苷的摩尔比率,以及Al3+的摩尔当量都显著高于红色细胞.此外,不同花期蓝色花的液泡pH值不同.如牵牛花在花蕾期花青素呈现为紫红色,pH值为6.6,而全开后颜色呈现为蓝色,pH值则为7.7.这说明呈现蓝色的液泡环境在不同的花期是存在差异性的.
二、蓝色花基因
(一)酶基因
酶基因是蓝色花色素基因转座的必然条件,蓝色花形成需要细胞色素P450氧化酶家族CYP75A或CYP75B亚家族的类黄酮3’,5’-羟化酶（F3’5’H）催化二氢山奈酚B环上的3’-和5’-位的羟基化生成二氢杨梅素,通过酶基因可以使受体细胞体内逐渐的积累蓝色花色素基因,抑制受体花本色的基因表达,因而是花色改变为蓝色或紫色.这也是蓝色花培育的常见方法之一.此外,花青素糖苷化、酰基化修饰也可以维持花青素的稳定,使转移在受体花细胞内的花青素结构逐渐的稳定下来.常见的糖苷化花青素转座酶包括依赖UDP-糖的糖苷化酶家族1、依赖酰基-葡萄糖的花青素糖苷化酶,酰基化花青素转座酶包括酰基-CoA、类丝氨酸羧肽酶（SCPL）-酰基转移酶.
(二)细胞pH值调控基因
根据研究,含有花青素的矮牵牛花中已坚定出7个调控pH的基因位点,pH1—pH7.pH5编码一种定位于液泡膜的H+P3A-ATPase质子泵,它发生突变时,pH上升,花瓣花色发生变化,从紫红色转变为蓝紫色.其物理特性是通过转运蛋白H+转运活性,改变液泡环境,增加酸化反应.花朵在花期将K+/Na+转运至液泡,改变液泡环境,花朵最终表达为蓝色.
(三)金属离子转运蛋白基因
郁金香、矢车菊中含有了一种编码液泡铁离子转运蛋白的基因TgVit1,它的存在能够促进液泡中铁离子的积累,逐渐的是花朵表达蓝色色素.此外,绣球花中含有编码液泡膜和质膜定位的Al离子转运蛋白的基因VALT和编码质膜Al离子转运蛋白1的基因PALT1,它们参与了蓝色绣球表现为蓝色的过程.
三、蓝色花基因工程育种策略
(一)引入外源基因
外源基因的引入是一种常见的蓝色花培育方法.该方法需要从想要修饰的供体植物中选择一个基因提取并导入受体细胞,使该基因通过转运在受体细胞内大量繁殖,成为一个标记基因,同时为受体增加一个新的特性,使受体花表达为蓝色色素.如蔷薇缺乏合成蓝色色素转座酶F3’5’H的基因,为其寻找外源基因导入蔷薇细胞,然后再将改基因导入需要改色的植物中,即可得到蓝色的植物.矮牵牛便可通过该方法得到蓝色的矮牵牛,再应用该方法,将矮牵牛的基因转入玫瑰,即可培育出蓝色的玫瑰.
(二)应用反抑RNA和共抑制技术
反义RNA和共抑制技术也是花色修饰的常用技术.应用该项技术需要先了解植物花色的生化物质,分析影响生物物质代谢、催化反应的酶,再将酶基因方向插入受体,就可以将外源DNA转录到内源细胞,使二者结合,抑制受体植物中生化物质的产生,从而使基因突变为蓝色基因.共抑技术与反抑法相反,是通过复制内源基因抑制内源基因转录酶物mRNA,从而抑制内源基因的表达.该技术在菊花、矮牵牛、蓝猪耳花的花色修饰方面具有一定的作用.
(三)导入调节基因
一些植物花色中具有调节基因,这些基因可调节花的颜色.pH基因就是常见的调节基因.在新培育的植物中导入可以调节花色素的基因,可通过减弱或增强的方法复制蓝色色素基因的形成与表达.例如在蓝色月季中导入花翠素和复制色素黄酮醇,可使细胞液体汇总的pH升高,使月季花色表达为蓝色色素.
四、结语
综上所述,基因工程虽然可以培育出蓝色花,但在实践中想要不具备蓝色素的花卉表达出蓝色色素,基因构建难度较大,对于技术要求较高.在实际的应用中,要根据受体植物对于色素积累和表现的需求选择蓝色花的培育方法,使蓝色色素在受体体内不断的积累并稳定,在受体细胞内与其他色素共存,才能提高基因转化的成功,成功培育出符合市场需求的美丽的蓝色花.
参考文献：
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作者简介：田猛,生物工程专业.
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基因工程和生物技术引用文献:
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