全 文 ：北方园艺 2010(11):219 ～ 222 ·专题综述 ·
第一作者简介:裴仁济(1982-),男 ,江苏人,硕士 ,研究方向为植物
细胞工程育种。
通讯作者:张磊(1952-),男,本科,教授,现主要从事植物细胞工程
方面研究工作。E-mail:zl1952@yahoo.com.cn。
基金项目:天津市科技支撑计划重点资助项目(09ZCKFNC01600)。
收稿日期:2010-03-16
花色模式植物—非洲紫罗兰
裴 仁济 , 陈小强 , 孙 　宁 , 张 乃楠 , 张 　宁 , 张 　磊
(天津农学院 植物细胞工程研究中心,天津 300384)
　　摘　要:综述了非洲紫罗兰形态特征以及研究进展 ,从分子水平上概述了建立花色模式植
物—非洲紫罗兰所应具备的基因工程技术条件 ,阐述了花色素种类、花色影响因素和花色改变途
径 ,并提出展望。
关键词:非洲紫罗兰;模式植物;分子标记;基因图谱;展望
中图分类号:S 682.1+9　文献标识码:A　文章编号:1001-0009(2010)11-0219-04
　　随着全球经济的快速发展 ,科学技术的提高 、人类
精神文明的加强以及生活质量的改善 ,世界花卉产业取
得了长足发展 ,在种植业中具有较高的设施化发展条件
和经济效益。但是 ,由于缺少创新品种 ,近年来花卉产
业的生产附加值不断降低 ,大大减缓了花卉产业发展速
度。分子生物技术的发展为花卉品种创新带来新的机
遇 ,针对花色研究植物多样的问题 ,建立花卉模式植物 ,
是从分子水平上了解花色差异机理的根本途径。通过
拟南芥 、苜蓿 、酵母菌、大肠杆菌等多个模式生物对研究
价值的体现 ,将非洲紫罗兰作为花卉花色模式植物来研
究具有深远的意义。
1　非洲紫罗兰概述
1.1　非洲紫罗兰形态特征
非洲紫罗兰(Saintpantia ionantha),又称非洲堇 、非
洲紫苣苔或圣包罗花 ,为苦苣苔科非洲紫罗兰属多年生
常绿草本植物 ,原产于非洲坦桑尼亚海拔 700 ～ 1 000 m
的坦葛尼喀地区的乌桑巴拉山上[ 1] 。非洲紫罗兰株高
一般 15～ 30 cm ,全株表面长有绒毛。叶片基生 ,卵圆形
或长圆状心形 ,长6 ～ 7 cm ,肉质 ,全缘 ,先端钝。叶面暗
绿色 ,叶背浅绿色 ,略带红晕。总状花序 ,花序梗较长 ,高
出叶丛。花单生或聚生 ,花冠阔仲形 ,花径2～ 3.5 cm ,二唇
状 ,上唇2裂 ,下唇3裂 ,裂片椭圆形 ,蒴果有毛。性喜半
阴、温暖 、湿润环境 ,生长适宜温度为 18 ～ 26℃。花期每
次1 ～ 2月。花卉品种繁多 ,花色艳丽 ,包括蓝色 、粉红
色、红色 、紫色 、砖红色 、绿色及白色等不同色系 ,园艺品
种达 2 000多个 ,具有较高的观赏价值 ,是国际上著名的
室内盆栽花卉 ,被称为室内花卉皇后[ 2] 。其栽培特点:
繁殖方便 ,生活周期短 ,一般扦插叶片繁殖 ,幼苗到花期
一般为 3～ 5月 ,每年有 3 ～ 4次花期 ,且花期时间长;生
长条件适宜;花色多 ,便于建立色素及相关基因在同一
花卉中代谢途径和分子机制的研究 ,克服了不同色素在
不同花卉中研究的缺陷 ,有利于花色基因图谱建立;基
因组小 ,染色体少 ,染色组为2n=4x=28;可自花或异花
授粉。
1.2　非洲紫罗兰作为花色模式植物的条件
模式生物是指在人们研究生命现象过程中长期 、反
复作为研究材料的物种 ,模式生物研究中得出的许多生
命活动规律往往代表了许多物种共同的规律[ 3] 。随着
生物技术不断进步 ,植物基因组研究发展迅速 ,包括拟
南芥 、苜蓿 、玉米 、水稻 、高粱等都完成了基因图谱的建
立 ,为进一步深入研究打下了良好的基础。但对于花
卉 ,在分子水平上的研究相对较少或分散 ,至今没有建
立模式花卉研究材料 ,虽然拟南芥 、金鱼草和矮牵牛等
常作为花卉研究辅助材料 ,但由于自身特点的限制 ,缺
乏从系统上建立花卉各个性状基因图谱 ,尤其在花色方
面 ,花色代谢途径都是通过研究不同花卉基础上建立
的 ,这样就不能从整体上把握花色的显色机制。通过对
非洲紫罗兰的初步研究 ,其具备作为花卉花色模式植物
的基本条件 ,对花卉产业发展有着深远的影响。
1.3　非洲紫罗兰研究应用
非洲紫罗兰繁殖的方法一般包括种子繁殖 、叶片扦
插和组织培养。由于非洲紫罗兰种子不易收集和扦插
繁殖周期较长 ,大多采用组织培养方法获得再生植株 ,
繁殖系数提高近百倍。刘爱华等以红花和紫花非洲紫
罗兰品种叶片为外植体 ,筛选出叶片愈伤组织诱导最适
培养基 MS+BA 2.0 mg/ L+NAA 0.2 mg/L;不定芽增
殖最适培养基MS+KT 0.2 mg/L+NAA 0.2 mg/L;试
管苗生根培养基BA 0.5 mg/L+NAA 0.5 mg/ L+活性
炭 0.2 mg/L;试管苗移栽土质为腐质土最好[ 4] 。曹秀敏
等对非洲紫罗兰组织培养研究表明各培养阶段的最适培
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·专题综述· 北方园艺 2010(11):219～ 222
养基分别为:芽诱导培养基MS+2 mg/L 6-BA+0.2 mg/L
NAA;芽分化培养基MS+1mg/L 6-BA+0.1mg/ L NAA;
壮苗培养基 MS+0.1 mg/L NAA;生根培养基 1/2MS+
0.2 mg/L IBA[ 5] 。Wanglei等从非洲紫罗兰两侧与辐射
对称花中分离得到 SiCYC1A 和 SiCYC1B两个 CYC类
完整基因 ,并进行序列分析[ 6] 。课题组对非洲紫罗兰进
行了染色体核型分析 ,得出其染色体组为四倍体 ,每个
染色体组包含 7条染色体。另外 ,选用白色 、红色和蓝
色植株叶片 ,利用原子火焰吸收光谱法检测了 Cu 、Zn 、
Mg 等8种金属离子 ,在不同的花色叶片中金属离子存
在明显差异 ,表明其分布与花色差异具有一定相关性
(待发表)。
2　非洲紫罗兰花色研究具备的条件
2.1　分子标记技术
广义的分子标记(Molecular marker)是指能够遗传
且能被检测到的DNA序列或蛋白质标记。狭义的分子
标记只特指 DNA标记 ,DNA分子标记是指反映生物个
体或种群间基因组中某种序列差异特征的 DNA片段 ,
可直接反映基因组 DNA 间的差异[ 7] 。第一类是以
Southern杂交为基础的分子标记 ,主要包括限制性片段
长度多态性(RFLP)、可变数目重复位点(VNTR)以及原
位杂交等。第二类是以 PCR为基础的分子标记 ,主要
包括随机扩增多态性DNA标记(RAPD)、简单重复序列
标记(SSR)、扩增片段长度多态性(AFLP)、特征序列扩
增区域(SCAR)以及序列标记位点(STS)等。第三类是
新型的分子标记 ,主要包括单核苷酸多态性(SNP)和表
达序列标签(EST)等[ 8] 。刘昌龙等人利用 RAPD技术
构建了桂花的 DNA图谱用于品种鉴定[ 9] 。谢伟等运用
RAPD技术对中国兰花进行分类和种质资源的鉴定 ,取
得了较好的稳定性和重复性[ 10] 。张克中等通过 RAPD
和AFLP 技术对30份野百合亲缘关系和遗传多样性进
行了初步的研究[ 11] 。目前 ,分子标记技术在花卉上的运
用大多还停留在分类 、亲缘分析以及品种鉴定上 ,如何
利用分子标记技术为花色改变创造条件是花卉新品种
创新的出发点。
2.2　建立遗传图谱
遗传连锁图谱是指通过遗传重组分析得到的基因
位于染色体上的线形排列图 ,通常用遗传重组值表示基
因间距离。构建高密度的分子标记遗传连锁图谱 ,可以
为基因定位 、物理图谱构建和以图谱为基础的抗性基因
克隆奠定基础 ,还可为分子标记辅助选择创造条件。因
此 ,遗传图谱可作为花卉花色研究的理论依据和基础。
Debene.T 等研究小组通过利用二倍体月季杂交分离群
体建立了第一个月季的基因组连锁图 ,总共分析了 365
个 RAPD 、AFLP 标记 、8个 RFLP 片段和 5个 SCAR标
记 ,定位了园艺性状相连锁的双倍花、桃红色花色 、花瓣
数和黑斑病抗性等基因位点[ 12] 。Dunemann等利用 329
个 RAPD分子标记 、38个 RFLP分子标记和2个微卫星
标记构建了北美杜鹃的连锁遗传图谱 ,并通过了 QTL
分析 ,对缺绿病和花色等数量性状进行定位[ 13] 。所以 ,
根据非洲紫罗兰花色多的特点 ,利用分子标记技术 ,可
以将不同花卉中表达的花色基因在同一花卉植株中进
行基因定位 ,建立花色的基因文库 ,为花色研究奠定基
础 ,品种创新提供新的动力。
3　花色研究应用
3.1　色素种类及影响因素
花色主要通过花瓣色素而呈现出来 ,一般分为三大
类。第一类为黄酮类色素 ,包括花青苷(如天竺葵色素、
矢车菊色素 、翠雀色素等)和黄酮 、黄酮醇(如堪非醇 、槲
皮酮 、6-羟槲皮酮 、杨梅黄酮等)、苯基苯乙烯酮(如苯基
苯乙烯酮柚配质 、紫铆因)和噢哢(如金素定)都溶于水。
第二类为胡萝卜素类色素 ,难溶于水 ,以结晶或沉淀的
形式存在于细胞质的质粒中 ,又称为质粒色素类 ,包括
有红 、橙 、黄色素在内的一大色素类群 ,存在于花瓣中的
多为 β-胡萝卜素和堇菜黄质 ,它常与噢哢一起共同成
色 ,是玫瑰 、水仙 、郁金香、百合 、紫罗兰等黄色花的来源。
第三类是与生物碱有关的其它水溶性色素 ,如甜菜素、
小檗碱 、罂粟碱等。甜菜素是生物碱 ,包括产生红色或
紫色的甜菜色素和产生黄色的甜黄质 ,罂粟碱使罂粟目
的罂粟属和绿绒蒿属植物产生黄色 ,小檗碱使毛茛目的
小檗属植物呈深橙色 ,其都是生物碱的衍生物[ 14] 。
影响花色成色因素:花色素结构:花色素苷所带的
羟基数、羟基甲基化程度 、糖基化种类 、数目以及与糖基
相连的脂肪或芳香族酸都是花色变化的因素。特别是
花色素苷 B环的羟基化是花色变化的主要因素;共色作
用:共色作用是指类黄酮及其它有关化合物与花色素苷
一起呈现增色效应及红移 ,产生从紫色到蓝色的色系;
螯合作用:细胞液中存在 Al 、Fe 、Mg 、Mo等重金属离子 ,
常与色素螯合 ,在一定程度上改变了花色 ,往往偏向紫
色;pH 值:细胞液 pH 值发生变化 ,常引起花色变化 ,花
青苷受 pH 值影响最大 ,酸性时呈红色 ,中性时呈淡紫
色 ,碱性时则呈蓝色;花瓣细胞的形状:花瓣色素的颜色
被具有各种结构的细胞所包围 ,从而改变了入射光线。
一般认为圆锥型可以增加入射光进入表皮细胞的比例 ,
入射光碰到有角度的圆锥型细胞会发射进入表皮细胞 ,
若碰到没有角度的扁平细胞则完全反射回去 ,所以具有
圆锥型突起的花瓣细胞可以吸收较多的光线 ,而使颜色
变深[ 15] 。
3.2　花色代谢关键基因和改变途径
3.2.1　关键基因　由于类胡萝卜素和生物碱类色素研
究较少 ,研究和应用最多的是花色素苷的相关基因。根
据花色素苷代谢途径 ,分离得到的结构基因主要包括
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北方园艺 2010(11):219 ～ 222 ·专题综述 ·
CHS基因 、F3H 基因 、F3′H 基因、F3′5′H 基因、DFR基
因、ANS 基因及3GT 基因等 ,调节基因主要为从玉米中
获得的 r 、s、sn、lc、b 、ci 、pl 、vpl基因等 、从金鱼草中获得
的del 、de f基因 、从矮牵牛中克隆的 an2 、an4基因 、百日
草中的 ted3基因、龙胆中获得的 uchsi基因等和矮牵牛
中已经定位了 7个与 pH 值相关的基因 Ph1-Ph7 ,其中
Ph6的基因已被分离得到[ 16] 。
3.2.2　改变途径　反义基因技术:利用反义基因转录产
生的反义 RNA抑制目的性状基因的表达 ,进而修饰目
标性状的方法。Firoozabody 将菊花的 CHS 基因与
cDNA 反向连接于CaMV的 35S启动子上 ,再连接双元
载体 Bin19转入矮牵牛 ,使花色由紫红色变为粉红色并
夹有白色 ,有些花朵则表现为纯白色[ 17] 。共抑制法:通
过正向导入 1个或几个内源基因的额外拷贝 ,反而抑制
该内源基因转录产物 mRNA 的积累 ,进而抑制该内源
基因的表达。该技术在矮牵牛 、蓝猪耳等花卉的花色修
饰方面已取得成功[ 18] 。共抑制引起花色多样性的分子
机理目前还不是很清楚 ,可能是由于同源顺序的存在产
生共抑制效应 ,导致基因互作效应。李艳等将 chsA-ui-
dA融合基因导入矮牵牛中 ,得到了转基因植株 ,花色发
生了明显的改变 ,共抑制率几乎达到了 100%[ 19] 。外源
目的基因导入法:将欲修饰的植株中导入原先不具有的
一个或几个基因 ,从而使该受体植物增加一个或几个新
的性状 ,通过转录调控因子引入花卉中 ,在原来不产生
某种色素的组织中有新的色素形成。包满珠等将 C1和
Lc基因转入矮牵牛后 ,部分转基因植株的花冠筒由白色
变为粉红色。Meyer等将由玉米的编码DFR 基因的A1
基因导入矮牵牛白花突变体中 ,结果产生了开砖红色花
的矮牵牛[ 20] 。核酶技术:利用核酶可特异性切断mRNA
分子 ,使基因发生转录后的沉默。将特异的核酶导入花
卉细胞内使其抑制目标性状的关键酶基因的表达 ,从而
达到改良花色的目的。
4　展望
进入 21世纪 ,科学技术一如既往迅猛发展 ,人类生
活水平也在不断改善和提高 ,但花卉产业发展速度正在
放缓 ,究其原因 ,传统的花卉育种方法培育花卉新品种
的速度已不能满足人们对花卉欣赏需求。如何打破这
个瓶颈 ,走花卉创新途径是根本 ,其中花卉花色改变是
重要的突破口。当今 ,利用基因工程技术改变花色已经
取得了一些成果 ,但如何让花色在后代中保持稳定 ,是
一个有待进一步研究的课题。所以 ,利用非洲紫罗兰作
为花色模式植物研究 ,可以从各个方面探寻花卉花色显
色机制 ,比如色素、共色作用 、pH 值 、金属离子等之间相
互作用的关系 ,利用分子标记技术和花色代谢途径图 ,
克隆花色关键酶基因以及影响这些基因表达的调控基
因 ,建立花色代谢基因遗传图谱 ,为从分子水平上实现
花色真正改变提供可行的研究途径。与此同时 ,还要加
大花卉产业基础研究的投入 ,科研上增加研究项目 ,生
产流通上建立战略性花卉生产基地 ,真正实现花卉生产
规模化 、工厂化和产业化 ,逐步增强我国在花卉国际市场
上竞争的市场份额 ,促进经济发展 ,为人们带来和谐生活。
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·专题综述· 北方园艺 2010(11):222～ 224
Flower Colors Model Plant-Saintpqulia ionantha
PEI Ren-ji , CHEN Xiao-qiang , SUN Ning , ZHANG NaiNan , ZHANG Ning ,ZHANG Lei
(T ianjin A rgriculture University Plant Cell Engineeering Rearch Center, Tianjin 300384)
Abstract:In this paper , the morphological structure and research development of saintpqulia ionantha were summarized ,
the genetic engineering technology condition w as viewed to establish f lower colors model plant-Saintpqulia ionantha via
molecular level.the variety of flower colors , the facts of influence , and the w ay of changing flower colors were re-
viewed , Finally , we put forward the prospect.
Keywords:Saintpqulia ionantha;model plant;molecular marker;genetic map;prospect
第一作者简介:陈庆亮(1972-),男 ,博士 ,助理研究员 ,现从事药用
植物生理及育种工作。
通讯作者:王志芬(1963-),男 ,硕士 ,研究员,研究方向为药用植物
品种选育栽培及药用植物标准化。
基金项目:山东省农业良种化工程资助项目(2005L208-02);山东
省农业科学院高新技术自主创新基金资助项目(2006YCX008);山
东省农业科学院博士科研启动基金资助项目(2006YBS003)。
收稿日期:2010-02-10
桔梗种质资源评价与创新研究进展
陈庆 亮 , 单成钢 , 倪 大鹏 , 张教洪 , 朱 京斌 , 王志 芬
(山东省农业科学院原子能农业应用研究所 ,山东济南 250100)
　　摘　要:归纳了桔梗种质资源的化学评价 、农艺性状评价 、分子评价 、创新与利用研究的主要
进展 ,讨论了桔梗种质资源评价及创新中存在的问题和不足 ,并对其研究前景进行了展望。
关键词:桔梗;种质资源;育种;资源评价;种质创新
中图分类号:S 567.23+9　文献标识吗:A　文章编号:1001-0009(2010)11-0222-03
　　桔梗(Platycodon grandi f lorum Jacq.A.DC.)为桔
梗科桔梗属植物的根 ,具有宣肺 、利咽 、祛痰 、排脓之功
效[ 1] ,是极具开发前景的药、食 、赏兼用经济作物。桔梗
种质资源的评价及创新是桔梗育种和栽培的基础性研
究。现有研究工作主要集中于桔梗种质资源的化学评
价、农艺性状评价 、分子评价 、创新与利用等。鉴于桔梗
种质资源评价与创新对今后桔梗高密度遗传图谱建立
及新品种选育的重要性 ,现就种质资源评价及创新的关
键问题进行了系统分析和综述 ,拟为桔梗种质资源研究
与利用提供参考。
1　化学评价
20世纪 90年代前后 ,一些学者为研究栽培桔梗与
野生桔梗 、生长不同年限桔梗等质量的差异 ,对桔梗种
质资源的总氨基酸、总糖 、总皂苷(或者皂苷 A 、B 、D)含
量进行了比较 ,研究表明 ,不同产地桔梗总氨基酸和桔
梗总皂苷(或者桔梗皂苷 A 、B、D)含量有差异[ 2-4] ;但亦
有相反的结论 ,即不同产地桔梗总皂苷含量没有差
异[ 5] 。同时 ,得到2 a生桔梗总皂苷含量明显高于 1 a生
桔梗总皂苷含量 ,而且 2 a生栽培桔梗与野生桔梗相比 ,
总糖和皂苷含量差异不明显[ 6-9] 。
上述研究结果表明 ,因栽培桔梗与野生桔梗总皂苷
含量差异不明显 ,桔梗可以栽培 ,并栽培桔梗可以入药;
桔梗的采收年限为2 a 。该研究结果为桔梗种植和采收
提供了一定的理论指导 ,促进了桔梗栽培技术的发展。
然而 ,前人关于不同产地桔梗总皂苷含量的研究结果有
矛盾之处 ,可能的原因一是研究材料不同 ,导致了研究
结果不一致;二是研究材料数量较少 ,结果缺乏代表性。
2　农艺性状评价
20世纪末 ,随着桔梗栽培时间的增加 ,农家品种出
现异化 、杂化等现象 ,严重限制了桔梗产业化的发展。
为获得优质 、高产、多抗的桔梗新品种 ,有些学者开始对
不同产地桔梗农艺性状(直立与倒伏 、产量性状 、果实特
性 、生长发育特性等方面)进行研究。结果表明 ,直立型
桔梗比匍匐型具有高产 、优质 、抗倒伏特性[ 10] ;根据产量
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