論花色苷基因工程改良及其策略

論文類別:理學論文 > 農林學類論文
上傳時間:2009/9/22 16:57:00

             作者:盧其能 高錦萍 彭春玲 

  論文關鍵詞 花色;基因工程;花色苷;植物色素

  論文摘要 基因工程在植物花色改良中正发揮著越來越來重要的作用,綜述了植物花色苷基因工程所采用的方法和策略,包括花色苷生物合成基因的分離克隆、基因的遺傳轉化和基因工程改良的基本策略。

  利用基因工程改良花色是花卉分子育種的重要手段,不再受植物親緣關系的限制,花色改良的效果通過目測和少量輔助手段即可判斷[1]。花色苷是植物次生代謝過程中產生的黃酮類物質,它是花色素與糖以糖苷鍵結合而成的一类化合物,廣泛存在於植物各組織細胞的細胞液中,使植物呈現從紅、紫到藍等的不同顏色[2]。花色苷的生物合成途徑是被最为廣泛而深入研究的植物次生代谢途徑,特別在主要模式植物中,已經有了清楚的認識[3]。許多花色苷生物合成途徑中的關鍵酶基因和調节基因均已經從不同植物中克隆到[3,4]。转基因花卉主要用於觀賞,易被公众接受,具有傳統育種手段難以比擬的優越性,必將給花色改良帶來革命性的影響,已成為当前花卉育種研究的熱點。
  
  1 花色苷生物合成基因的分離和克隆
  
  植物花色苷基因工程改良遵循一般植物基因工程規律,了解特定色素生物合成途徑、克隆關键酶的基因是植物花色基因工程改良理論依據和前提。首先是花色苷生物合成途徑基因的克隆,第1個被分離的花色苷合成酶基因是CHS基因,它是從歐芹(Petroselinum cnispum)懸浮細胞用差异雜交分離到的[5];以後利用转座子標簽、PCR擴增、異源雜交、差異cDNA克隆、電子克隆、蛋白質純化與差異篩選等方法分離克隆到了多個花色苷生物合成相关基因。花色苷的生物合成是從莽草酸代謝途徑合成苯丙氨酸和脂肪酸合成代謝合成丙二酰CoA開始,經苯丙烷類途徑合成[6]。根據基因對花色苷生物合成的作用可分為結構基因和調節基因[7]。結構基因直接編碼花色苷生物合成途徑中的生物合成酶類,如PAL、4CL、CHS、CHI、F3H、DFR、F3′H、F3′5′H、ANS、3GT等基因;另一类是調節基因,它們調控花色苷生物合成基因的表達強度和模式,同時控制花色苷在時空上的變化,如AN1、AN2、JAFl3和AN11等[8]。
  
  2 基因遺傳转化的方法
  
  基因轉化的主要方法有農桿菌介導法[9]、基因槍法 [10]、花粉管導入法[11]、化學試劑誘導法[12]和電穿孔法[13]等。
  農桿菌介導的基因轉化方法是迄今最可靠、最有效的轉化方法。現在的转基因再生植物中,80 %以上是用這種方法獲得的,主要有葉盤轉化法、整株感染法和原生質體轉化法[14]。
  基因槍法又稱微弹轟擊法,是由康乃爾大学Sanford等[10]建立的基因導入方法,其基本原理是利用亞精胺、聚乙二醇的粘附作用将外源DNA包被在微小的金粒或鎢粒表面,然後在高壓的作用下微粒被高速射入受體細胞或组織。
  花粉管通道法最早由周光宇提出[11],其基本原則是利用開花植物授粉後形成的花粉管通道使外源DNA 沿著花粉管進入胚囊,轉化尚不具備正常細胞壁的卵、合子或早期胚胎細胞的方法。
  化学誘導法[12]的主要原理就是聚乙二醇、多聚-L-鸟氨酸、磷酸鈣在pH值較高的條件下誘導原生質体攝取外源DNA分子。
  電穿孔法又稱電激法,首先由Neumann提出[13],是在高壓電脈沖作用下,在新鮮分離的原生質體的质膜上形成可逆性的瞬間通道,從而发生外源DNA 的攝取。
  此外,還有脂質體轉化法、低能離子束法、病毒載體轉化法、轉座子介導法和浸泡法等。
  
  3 花色苷基因工程改良的基本策略
  
  花色苷合成由多個代謝步驟、多基因決定,所以利用基因工程改造花色苷一個重要策略就是還原法,即欲修飾某個性狀時,先要明確決定該性狀的特异生化物質,然後對形成该生化物質的代謝途径進行基因工程操作。具體就是分析催化各反应步驟的酶、編碼這些酶的基因及其表達調控[15]。多步驟的代謝途徑有限速步驟,而限速步驟對整個代謝途径起著決定性作用,所以對限速步驟的遺傳操作往往是還原法的重要突破口。增強某種關鍵酶的表達,往往可使花色苷合成途徑朝生成其催化產物的方向进行;而抑制該酶的表達,则會使反應朝合成途径的另一分支進行,導致另一種產物的積累[16]。
  3.1反義抑制法
  利用基因工程技術進行花色苷修飾的常用方法是反義抑制法,首先明確決定花色苷的特异生化物質,然後分析該生化物質代謝途徑中催化各反應步驟的酶,克隆編碼這些酶的基因,反向转入到目的植株中,外源DNA轉錄产物與內源的互補mRNA結合,而抑制目的植株中這些生化物質的合成[17]。利用該技术已在矮牽牛[17,18]、菊花[19-21]等幾种觀賞植物中進行成功了花色修飾。
  3.2共抑制法
  共抑制法,又稱正義抑制法,即正向導入1個或幾個內源基因的額外拷貝,反而抑制該內源基因轉錄產物mRNA的積累, 進而抑制該內源基因的表達[22,23]。該技術在矮牽牛[24]、菊花[19]、蓝豬耳[25]等花卉的花色修飾方面已取得成功。
  3.3導入調節基因
  如果植物已具色素合成結構基因,只是因為組織特異性或缺乏調節基因表達產物的激活而不表達時,導入調節基因並使之適當表達可活化特定的结構基因, 改變花色。如Quattrocchio 等[26]將系列花色苷合成的調節基因轉入矮牽牛,获得紅色的愈傷組織和粉紅色花色的轉化株。Kim[27]將玉米C1基因通過農桿菌介導轉入煙草,使株花瓣變狹長,颜色顯著變淺。
  3.4導入新的外源基因
  Meyer等[28]首次將源自玉米的編碼DQR的A1基因導入矮牽牛白花突變體中,產生了開磚紅色花的矮牽牛。1992年澳大利亚Calgene Pacific公司與日本Sundory公司合作向薔薇中導入F3′5′H基因獲得成功,同年該公司在矮牽牛中导入該基因獲得藍色矮牽牛[29]。此外,在花色基因工程操作中,也可以導入調節基因以增強或減弱原有代謝產物表達,或導入其他與花成色作用有關的基因,如pH基因、辅助色素基因、細胞形狀基因等,也可以同時導入與某種花色有關的多種基因。

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  4 植物花色苷基因工程改良的安全性
  
  植物花色色素屬次生代謝產物,與植物防禦系統相關。因此,基因工程改良花色可能妨礙植物的生存。同時,無法預測外源基因在轉基因植株遗傳背景中會產生的作用和後果[1],在环境安全性方面存在潛在的威脅,如轉基因花卉雜草化、產生對人類有害的代謝物、因基因漂流而汙染環境、給傳統的傳粉者帶來困惑等。
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參考文獻


  [1] 趙昶靈,郭維明,陳俊愉.植物花色呈現的生物化學、分子生物學機制及其基因工程改良[J].西北植物學報,2003,23(6):1024-1035.
  [2] WINKEL-SHIRLEY B.Flavonoid Biosynthesis.A colorful model for genetics,biochemistry,and biotechnology[J].Plant Physiol.,2001(126):485-493.
  [3] HOLTON T,CORNISH E C.Genetics and biochemistry of anthocy-anin biosynthesis[J]. Plant Cell,1995(7):1071-1083.
  [4] BARTEL B,MATSUDA SPT.Seeing red[J].Science,2003(299):352-353.
  [5] KREUZALER F,RAGG H,FAUTZ E,et al.UV-induction of chalone synthase mRNA in cell suspension cultures of Petrosklinum hortense[J].Proc. Natl. Acad.Sci,1983(80):2591-2593.
  [6] TANAKA Y,TSUDA S,KUSUMIT.Metabolic engineering to modify flower color[J].Plant cell physiology,1998(39):1119-1126.
  [7] SPRINGOB K,NAKAJIMA J I,YAMAZ M,ET AL.Recent advances in the biosynthesis and accumulation of anthocyanins[J].Nat. Prod. Rep,2003(20):288-303.
  [8] DE JONG W S,EANNETA N T,DE JONGDM,et al.Candidate gene analysis of anthocyanin pogmentation loci in the Solanaceae[J].Theor.Appl.Genet,2004(108):423-432.
  [9] HORSCH R B.A simple and general merhod for transferring genes into plants[J].Science,1985(227):1229-1236.
  [10] SANFORDJ C.Biolistic plant transformation[J].Planta,1990(79):206-209.
  [11] 周光宇,翁堅,龔蓁蓁,等.农業分子育種——受粉後外源DNA导入植物技術[J].中國農業科學,1988(21):1-6.
  [12] KRENS F A.In vitro transformation of plant protoplasts with Ti-plasmiddNA[J]. Nature,1982(296):72-74.
  [13] NEUMANN E.Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields[J].EMBOJ,1982(1):841-845.
  [14] 劉建強,孫仲序.植物基因轉化方法的研究概況[J].河北果樹,2005(5):4-6
  [15] 付永彩,劉新仿,曹守雲,等.水稻抑制衰老的嵌和基因的基因槍轉化和表達分析[J].農業生物技术學報,1999,7(1):17-22.
  [16] 趙雲鵬,陳發棣,郭维明.觀賞植物花色基因工程研究進展[J].2003,20(1):51-58.
  [17] 何小鈴,王金發.觀賞花卉的品質基因及其基因工程問題[J].植物生理学通訊,1998,34(6):462-466.
  [18] VAN DER KROL A R,LENTING P E,VEENSTRAJ. An antisense chalcone synthase gene in transgenic plants inhibits flower pigmentation[J].Nature,1988(333):866-869.
  [19] GUTTERSON N C,NAPOLI C,LEMIEUX C.Modification of flo-wer color in florist’s Chrysanthemum:production of a white-genetics[J].Bio.Technology,1994(12):268-271.
  [20] ELOMAA P,HONHANEN J,PUSKA R.Agrobacterium mediated transfer of antisense chalcone synthase cDNA to Gerbera hybrida inhibits flower pigmentation[J].Bio.technology,1993(11):508-511.
  [21] AIDA R,KISHIMOTOS,TANAKA Y. Modification of flower color in torenia(Torenia fournieri Lind.)by genetic transformation[J].Plant Science Limerick,2000(153):33-42.
  [22]NAPOLI C,LEMIEUX C,JORGENSEN R.Introduction ofachimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible cosuppression of homologous genes in trans[J].Plant Cell,1990(2):279-289.
  [23] RJORGENSEN R A.Co-suppression,flower color patterns and meta-stable gene expression states[J].Scence,1995(268):686-691.
  [24] 傅榮昭,馬江生,曹光成,等.观賞植物色香形基因工程研究进展—文獻綜述[J].園藝學報,1995,22(4):381-385.
  [25] SUZKI K I,XUE H M,TANAKA Y,et al.Flower color modification of Torenia hybrida by cosuppression of anthocyanin biosynthesis genes[J].Mol.Breed,2000(6):239-246.
  [26] QUATTROCCHIO F,WING J F,LEPPON H T.Regulatory genes controlling anthocyanin pigmentation are functionally conserved among plant species and havedistinct sets of target genes[J].Plant Cell,1993,5:1497-1512.
  [27] KIM Y.Expression analysis of maize C1 regulatory gene in transgenic tobacco plants(Nicotiana tabacum cv.Xanthi)[J].J. Kor. Soc. Hort. Sci.2001(42):487-491.
  [28] MEYER P,HEIDMANN L,FORKMANN G.A new petunia flower colour generated by transformation of a mutant with a maize gene[J].Nature,1987(330):877-678.
  [29] 蘇焕然,張丹,汪清胤,等.花卉基因工程研究進展[J].北方園藝,1996(4):26-28. 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
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