觀賞植物花色突變的原因及研究現(xiàn)狀

龔元旦

摘要：本文歸納了引起花色自然突變可能原因；同時(shí)，介紹了花色突變機(jī)制研究現(xiàn)狀，以期為觀賞植物花色突變機(jī)理研究提供一些理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：觀賞植物；花色；花青素苷；突變

花色是決定花朵觀賞價(jià)值的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，探究觀賞植物花色自然突變?cè)蚝蜋C(jī)理，利用花色突變體開展花色形成機(jī)理研究，對(duì)花色改良具有重要意義。

1 引起花色突變的主要原因

花色與花瓣所含的色素種類、含量、分布以及花瓣細(xì)胞結(jié)構(gòu)都有著密切的關(guān)系。此外，細(xì)胞液泡pH值、輔助著色物質(zhì)、金屬離子等內(nèi)在因素也會(huì)顯著影響花瓣的顏色。外在因素有溫度、光照、土壤、激素等。類黃酮及類胡蘿卜素的生物合成途徑已清晰闡明，表明花色表型由花色素基因、花色素量基因、花色素分布基因、助色素基因、易變基因和控制花瓣內(nèi)部酸度的基因協(xié)同表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的，也必須由調(diào)節(jié)基因控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)強(qiáng)度和模式。

1.1 結(jié)構(gòu)基因突變

編碼花色合成關(guān)鍵酶的各種結(jié)構(gòu)基因是花青素苷合成遺傳調(diào)控過程中的直接執(zhí)行者。結(jié)構(gòu)基因的重復(fù)，以及基因組中存在大量的可移動(dòng)因子，造成了花色突異的多樣性?；ㄇ嗨剀沾x途徑中，CHS、CHI、F3H、DFR、ANS和3GT的編碼基因是花青素苷合成所必需的關(guān)鍵基因群。CHS、F3H、DFR基因都是基因家族成員，這些基因家族一個(gè)基因經(jīng)過重復(fù)并進(jìn)化造成的結(jié)果，是豐富花色變異形成的原因之一。

1.2 調(diào)節(jié)基因調(diào)控

類黃酮合成中結(jié)構(gòu)基因的差異性表達(dá)受控于轉(zhuǎn)錄因子，且轉(zhuǎn)錄因子能夠連接到直接受外界環(huán)境條件影響的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，因此編碼這些轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)基因?qū)ㄇ嗨剀盏暮铣?，花朵的呈色起十分重要的調(diào)控作用。

目前研究較多的調(diào)控因子主要是Basic-helix-loop-helix（bHLH）類、R2R3-Myb類和WD40類轉(zhuǎn)錄因子，它們?cè)谥参锓N間功能保守，具獨(dú)特靶基因。bHLH和Myb常成對(duì)起作用，結(jié)合在啟動(dòng)子序列相鄰的識(shí)別位點(diǎn)上，激活結(jié)構(gòu)基因。WD40類在蛋白質(zhì)之間的相互作用中起重要作用。

1.3 基因突變與花瓣細(xì)胞液泡pH值、形狀和結(jié)構(gòu)

花瓣細(xì)胞液泡pH值直接影響花色素的顏色表現(xiàn)。花青素苷呈色具pH依賴性：pH＜2時(shí)顯紅或黃色；2＜pH＜3時(shí)顯紅或藍(lán)色；pH＞6時(shí)顯多種色；pH為3～6時(shí)形成無色甲醇假堿，可再轉(zhuǎn)化為無色的順式和反式查爾酮。花瓣細(xì)胞液泡的pH值由相應(yīng)的pH基因調(diào)控。pH基因可能通過影響液泡膜上的H+ATP酶的亞基組成，調(diào)控液泡內(nèi)的pH值。目前，在矮牽牛中已經(jīng)定位了7個(gè)與pH值有關(guān)的基因，任何一種基因的隱性表達(dá)都會(huì)使花色向藍(lán)色系轉(zhuǎn)變。在三色牽牛、月季的花色研究中，pH基因突變導(dǎo)致了其花色的突變。

1.4 其它因素

當(dāng)花朵中的絡(luò)合作用產(chǎn)生可遺傳變異時(shí)可能導(dǎo)致花色的突變。外界因子，如光照、溫度、糖類以及激素類的誘導(dǎo)也可能是引發(fā)花色突變的原因之一。

2 花色突變機(jī)理研究進(jìn)展

2.1 花色與花色素組分

花色的測(cè)定一般采用目視測(cè)色、英國(guó)皇家園藝比色法（RHSCC）以及分光色差儀測(cè)定。目視測(cè)色與RHSCC法的優(yōu)勢(shì)在于攜帶方便且可以隨時(shí)隨地進(jìn)行描述，缺點(diǎn)則是主觀性強(qiáng)；分光色差儀將顏色數(shù)字化描述，精確度高、客觀性強(qiáng)。目前一般采用目測(cè)結(jié)合比色卡色差儀對(duì)花色進(jìn)行描述，如菊花、非洲菊、長(zhǎng)筒石蒜等。

2.2 基因組多樣性研究

花色突變體的產(chǎn)生從本質(zhì)來說大部分是由基因突變引起，目前，各種分子標(biāo)記技術(shù)的廣泛應(yīng)用為觀賞植物花色品種遺傳變異分析提供了有利途徑。如利用RAPD分子標(biāo)記技術(shù)分析金盞菊等不同花色品種間的遺傳差異，分析控制不同花色形成的基因之間的聯(lián)系；利用AFLP技術(shù)分析40個(gè)春劍品種之間的遺傳多樣性和親緣關(guān)系，對(duì)13個(gè)牡丹品種花朵9個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行測(cè)定并進(jìn)行數(shù)量遺傳分析、聚類分析等；利用AFLP和SRAP技術(shù)分別對(duì)小菊花粉色花芽變與黃色花對(duì)照的DNA進(jìn)行多態(tài)性分析，探索其遺傳多態(tài)性分子標(biāo)記對(duì)3種不同花色紫茉莉群體進(jìn)行遺傳變異分析等。

2.3 花青素苷合成途徑結(jié)構(gòu)基因的時(shí)空表達(dá)特征

花青素苷合成途徑結(jié)構(gòu)基因的時(shí)空表達(dá)特點(diǎn)與花色呈現(xiàn)的關(guān)系在許多物種上都研究過。如亞洲百合DFR與CHS的表達(dá)量隨著花的生長(zhǎng)發(fā)育而增加，開花期間達(dá)到最高，這說明基因的表達(dá)與花青素苷的產(chǎn)生相協(xié)調(diào)；矮牽牛結(jié)構(gòu)基因協(xié)同調(diào)控花冠的顏色，CHS、CHI和DFR在花冠著色前己經(jīng)表達(dá), 且mRNA的積累速率是一致的。三花龍膽中，CHS和CHI的表達(dá)貫穿花朵發(fā)育始終，F(xiàn)3′H在花發(fā)育早期高表達(dá)，F(xiàn)3H、F3′5′H和DFR在花發(fā)育晚期表達(dá)；蝴蝶蘭（Phalaenopsis hybrida）中，F(xiàn)3′5′H在花瓣開放早期不表達(dá)，在晚期高豐度表達(dá)。

2.4 花青素苷的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究

研究表明，轉(zhuǎn)錄因子在花青素苷生物合成整條通路中并非完全協(xié)同調(diào)控。金魚草中， delila調(diào)控因子不影響CHS的表達(dá)，而調(diào)控F3H、DFR、3GT基因。當(dāng)delila和Eluta發(fā)生突變后導(dǎo)致CHS和CHI在無色的花冠中表達(dá)，而其它基因均沒有表達(dá)；紫羅蘭（Matthiola incana）白花突變體的形成是由于花青素苷的生物合成中斷在bHLH類調(diào)節(jié)基因調(diào)控DFR的起始階段；矮牽牛的調(diào)節(jié)基因Delila、Eluta、Rosea在花青素苷生物合成的后期起調(diào)節(jié)作用，而對(duì)CHS和CHI的調(diào)控較弱。同時(shí)，矮牽牛AN1、AN2、AN10和AN11不能調(diào)控CHS、CHI和F3H的表達(dá)，而能調(diào)控3GT和DFR的mRNA轉(zhuǎn)錄本，這表明轉(zhuǎn)錄因子對(duì)矮牽?；ㄇ嗨剀蘸铣傻恼{(diào)控開始于DFR以后。

2.5 突變體蛋白組學(xué)分析

突變體蛋白質(zhì)組學(xué)研究為尋找花色突變個(gè)體與野生型個(gè)體之間蛋白表達(dá)譜及表達(dá)量差異、發(fā)現(xiàn)花色素苷合成途徑中差異表達(dá)蛋白質(zhì)種類提供了有效途徑。張志偉等將唐菖蒲（Gladiolus hybridus Hort．）一變異株與對(duì)照株進(jìn)行同功酶及SDS- PAGE（Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrohoresis）電泳的比較分析，結(jié)果顯示變異株中有3條特異性表達(dá)的蛋白條帶，這些特異性表達(dá)的蛋白可能與花色和花序調(diào)控有關(guān)；蘇媚用SDS-PAGE 電泳技術(shù)分析菊花嵌合體與對(duì)照株蛋白組的差異，發(fā)現(xiàn)嵌合體與對(duì)照株花瓣中蛋白的種類和含量存在明顯差異，其中CHI、F3H兩種酶的豐度差異顯著(蘇媚 2011)。

2.6 功能性啟動(dòng)子的探索

目前，很多花青素苷合成途徑相關(guān)基因，如DFR、CHS、CHI、F3H、Lc等基因已成功在各種植物中被克隆并轉(zhuǎn)化到擬南芥、矮牽牛等模式植物中表達(dá)，誘發(fā)轉(zhuǎn)化植株花色或葉色的改變。一些科學(xué)家已作了不少嘗試，目前采用高效、花色特異的啟動(dòng)子向花色突變體轉(zhuǎn)基因的研究尚未見報(bào)道。因此，尋找合適的、高效的花特異型啟動(dòng)子，構(gòu)建高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系為花色突變體轉(zhuǎn)基因的研究開拓了一個(gè)新的領(lǐng)域。

3 結(jié)語(yǔ)

觀賞植物花朵花瓣的顏色受多種內(nèi)外因子的影響，是各種因子共同作用的結(jié)果，因此花色突變體產(chǎn)生的原因也是一種或多種因素互作的結(jié)果，需要從多個(gè)方面同時(shí)研究，聯(lián)系起來共同探索?；ㄉ兓^程的調(diào)控很復(fù)雜，相關(guān)基因的突變也具有多方向性、不確定性，使得花色突變體的研究還有很大的探索空間。值得慶幸的是不斷發(fā)展成熟的生物技術(shù)為我們探尋花色形成機(jī)理的目標(biāo)提供了保障，相信在不久的未來花色突變的機(jī)理會(huì)越來越明晰。

參考文獻(xiàn)

1Hellens, R. P., C. Moreau, K. Lin-Wang, K. E. Schwinn, S. J. Thomson, M. W. Fiers, T. J. Frew, S. R. Murray, J. M. Hofer, J. M. Jacobs, K. M. Davies, A. C. Allan, A. Bendahmane, C. J. Coyne, G. M. Timmerman-Vaughan, T. H. Ellis. Identification of Mendel''s white flower character. PLoS One，2010（10）

2Zufall, R. A., M. D. Rausher . The genetic basis of a flower color polymorphism in the common morning glory (Ipomoea purpurea)[J]. J Hered ，2003（6）

3陳海霞, 劉明月, 呂長(zhǎng)平. 非洲菊花瓣色素分布對(duì)花色的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010（2）

4 胡可, 韓科廳, 戴思蘭. 環(huán)境因子調(diào)控植物花青素苷合成及呈色的機(jī)理[J].植物學(xué)報(bào)，2010（3）

5 蘇媚.菊花花色嵌合體生物學(xué)特性及形成機(jī)理研究.蘇州, 蘇州大學(xué)，2011（4）

（責(zé)任編輯張芝）