全 文 :北方园艺2016(14):97~102 ·生物技术·
第一作者简介:刘小微(1988-),女,河北廊坊人,硕士研究生,研究
方向为植物分子生物学。E-mail:1030742965@qq.com.
责任作者:李厚华(1973-),男,山东济宁人,博士,副教授,硕士生
导师,现主要从事植物基因工程和类黄酮次生代谢等研究工作。
E-mail:lihouhua73@163.com.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(K3050215130);中央财政
林业推广资助项目([2014]15)。
收稿日期:2016-03-14
DOI:10.11937/bfyy.201614024
AmAS1与Am4’CGT基因双价载体
构建及在海棠花中的瞬时表达
刘 小 微1,李 厚 华1,王 冰 洁2,费 昭 雪2,阙 怡3
(1.西北农林科技大学 风景园林艺术学院,陕西 杨凌712100;2.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨凌712100;
3.重庆大学 城市科技学院,重庆402167)
摘 要:以黄色金鱼草(Antirrhinum majus)、“雪球”海棠(Malus‘Snow drift’)为试材,采用农
杆菌介导法,将构建的金鱼草素合酶基因(aureusidin synthase,AmAS1)和查尔酮4’-O-葡萄糖苷
转移酶基因(chalcone 4’-O-glucosyltransferase,Am4’CGT)双价表达载体在“雪球”活体花瓣上进
行瞬时表达,并通过高效液相色谱分析和基因表达分析对瞬时表达效果进行鉴定。结果表明:成
功构建双价表达载体CGT-AS-pCambia 1302,农杆菌侵染“雪球”花苞后,花苞呈现淡黄色,表明目
的基因已在花瓣内转录并表达。高效液相色谱分析发现,侵染后的花苞出现新的吸收峰,进一步
确定花瓣内有橙酮物质的合成。
关键词:海棠;橙酮;双价载体;瞬时表达
中图分类号:S 681.903.6 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)14-0097-06
海棠在中国有悠久的栽培历史,是中国传统名花,
因其花色娇艳、婀娜多姿而著称,素有“花贵妃”“国艳”的
美称,深受人们的喜爱与重视[1]。但正如碧桃、樱花等
观赏花木一样,观赏海棠仅有白色系和红色系,缺少其
它花色,培育新花色来提高其观赏价值是当今研究的趋
势。目前草本植物主要采用杂交育种,通过杂交后多次
回交的方法获得优良品种,而木本植物运用传统杂交育
种周期过长[2];另外其它花色植物并无与观赏海棠亲缘
关系较近的种类,因此传统杂交无法解决观赏海棠色系
单一的问题。而通过基因工程将外源色素合成相关基
因导入海棠植株内并高效表达,可以从根本上解决海棠
花色单一的问题。由于木本植物转基因稳定表达需要
的周期长,该试验采用外源基因在花器官中瞬时表达的
方法,不仅可以快速检验转基因效果,并能直接观察到
花色改变状况,以期为木本植物花色育种的快速检验提
供理论参考。
黄色花令人感觉温暖,充满能量,广受人们的喜爱。
近年来育种工作者为培育出新的黄色花品种,对黄色花
的形成机制进行了不断探索,为实现黄色花分子育种提
供了有益的借鉴。类胡萝卜素以及类黄酮中的查尔酮
和橙酮是黄色花色素的主要组成成分[3],并且近年来对
这2类色素的相关酶和基因的研究也比较深入,其生物
合成途径已基本明确[4]。
金鱼草素合酶基因(aureusidin synthase,AmAS1)
和查尔酮4’-O-葡萄糖苷转移酶基因(chalcone 4’-O-
glucosyltransferase,Am4’CGT)是从金鱼草中克隆得到
的与黄色花色素-金鱼草素(橙酮类物质)合成相关的
2个关键基因[5-7]。有研究表明,在基因水平上对植物类
黄酮合成途径进行调控,将Am4’CGT和AmAS基因转
入蓝色花夏堇并过量表达,同时结合RNA干扰技术抑
制花青素合成,使夏堇开出明亮的黄色花成为可能[8]。
通过橙酮生物合成途径培育黄色花的育种技术可应用
到海棠花色育种上来。现用农杆菌介导法将这2个基
因转入白色花观赏海棠品种“雪球”中,使其诱导“雪球”
海棠中橙酮的合成,验证橙酮合成基因在海棠花中表达
的可行性,以期为后期的转基因试验及橙酮合成基因在
海棠花中的稳定表达奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试黄色金鱼草(Antirrhinum majus)鲜切花,购于
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·生物技术· 北方园艺2016(14):97~102
杨凌阳光花卉公司;“雪球”海棠白色花苞采自西北农林
科技大学海棠园。
植物表达载体PBI121、pCambia 1302、大肠杆菌
E.coli Top10、农杆菌EHA105均为课题组培养并保存。
总RNA提取试剂盒,为OMEGA公司生产的E.Z.N.
A.Plant RNA Kit试剂盒。
1.2 试验方法
1.2.1 金鱼草Am4’CGT和AmAS1基因克隆 选用
黄色花金鱼草呈现黄绿色的新鲜花苞,于液氮中研磨,
使用试剂盒提取总RNA,并使用反转录试剂盒进行反转
录。参照GenBank中金鱼草(Antirrhinum majus)Am4’
CGT(GenBank accession NO.AB198665)和 AmAS1
(GenBank accession NO.AB044884)基因编码区序列,设
计引物(表1)并进行PCR扩增。将扩增产物分别连接
pMD19-T载体中,送测序公司进行测序,并对其基因序
列进行对比。
表1 AmAS1和Am4’CGT基因
全长引物序列
Table 1 The sequence of the primers for AmAS1and
Am4’CGTamplication
引物名称
Primer
name
引物序列(下划线为引入酶切位点)
Sequences of the primers
(5′→3′)
PCR产物全长
The length of PCR
production/bp
CGTF
CGTR
CGTGGATCCTATGGGAGAAGAATACAAG (BamHⅠ)
CCGAGCTCTTAACGAGTGACCGAGT(SacⅠ)
1 392
ASF
ASR
GGAAGATCTAATGTTCAAAAATCCTAATATCCGC (BglⅡ)
CGGGTAACCGCATTAGCCATCAAGC (BstEⅡ)
1 714
1.2.2 Am4’CGT 和AmAS1双价表达载体构建
首先在pCambia 1302的多克隆位点上加入pBI121
中携带35S启动子和NOS终止子的GUS片段,得到
GUS-pCambia 1302重组载体,再将 Am4’CGT 和
AmAS1基因进行替换,构建CGT-AS-pCambia 1302双
价表达载体(图1)。
注:A.GUS-pCambia 1302重组载体;B.Am4’CGT-pCambia 1302重组载体;C.CGT-AS-pCambia 1302重组载体。
Note:A.Recombinant vector GUS-pCambia 1302;B.Recombinant vector Am4’CGT-pCambia 1302;C.Recombinant vector CGT-AS-pCambia 1302
图1 CGT-AS-pCambia 1302双价载体的构建
Fig.1 Construction of recombinant vector CGT-AS-pCambia 1302
1.2.3 瞬时表达系统检测 基因瞬时表达系统在
KAPILA等[9]的农杆菌介导法瞬时表达的基础进行优
化。将GUS-pCambia 1302重组质粒通过电击法转入农
杆菌EHA105中,用于检测基因瞬时表达系统。将含重
组质粒的菌液过夜培养,吸取100μL菌液于20mL不
含抗生素的Yep液体培养基中活化2~4h,温度28℃,
转速为200r·min-1,至OD600值介于0.6~0.8。选择完
全变成白色的“雪球”花苞(小花苞带有粉色),先用吸满
活化菌液的注射器针头在花瓣表皮轻轻扎3~5个点,
将菌液慢慢涂于花瓣表面,然后再用经菌液浸湿的滤纸
覆在其表面,用一次性手套封住,2d后回收花瓣。GUS
染液检测:将回收的花瓣在GUS染液中浸泡过夜,25~
37℃保温,观察花瓣是否变蓝。
1.2.4 目的基因的瞬时表达 通过电击法将CGT-AS-
pCambia 1302转入农杆菌EHA105中用于基因的表达,
AS-pCambia 1302、GUS-pCambia 1302重组质粒作为对
照。该试验于“雪球”海棠初花期进行,选择完全变白的
大花苞。挑选3株花苞长势良好的“雪球”海棠,每株海
棠随机选择9簇“雪球”花苞,分为3组,分别用含CGT-
AS-pCambia 1302、GUS-pCambia 1302、AS-pCambia
1302的菌液进行侵染。侵染方法同1.2.3,重复3次。
瞬时表达2d后收回花瓣,将表达样品放入冰箱保存,
用于后期检测。CGT-AS-pCambia 1302-EHA105和
AS-pCambia 1302-EHA105菌液侵染的花瓣可用目测法
和PCR进行检测,目测浸染后的“雪球”花瓣是否有黄色
显现。
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北方园艺2016(14):97~102 ·生物技术·
1.3 项目测定
1.3.1 金鱼草素合成检测 随机选取3组经过瞬时
表达处理的“雪球”海棠花苞,从每组花苞中随机称取
花瓣0.5g,加入液氮研磨,加入1.8mL酚提取液(甲
醇∶水∶甲酸=70∶28∶2,4℃保存),充分混匀,20℃
1 300r·min-1离心15min,吸取上清液1mL经0.22μm
滤膜过滤后,用高效液相色谱仪检测提取液在404nm
下的吸收峰出现时间,并与标样对比,检测是否有金鱼
草素合成。所用金鱼草标样由课题组提取制备,检测方
法借鉴ZHANG等[10]并稍作修改。
1.3.2 基因表达检测 分别取瞬时表达试验的不同处
理,用1.2.1中方法提取RNA并反转录。利用Am4’CGT
和AmAS1基因片段的特异性引物(表2)进行PCR检
测,检测目的基因在花瓣中的表达情况。
表2 基因表达检测的特异性引物序列
Table 2 The specific primer sequences for
gene expression detection
引物名称
Primer name
引物序列
Sequences of the primers(5′→3′)
PCR产物全长
The length of PCR product/bp
ASP1F
ASP1R
CCGACAATACCACTACTCCTGAAG
GCCACGGAATCTCCACATCT
462
CGTPF
CGTPR
ACACCAAACTGTTCGTGGAGAC
CAAGCCATGATAGGCATTCG
329
2 结果与分析
2.1 金鱼草Am4’CGT和AmAS1基因克隆
由图2可知,经PCR扩增分别得到约1 300bp和
1 700bp的目的片段,将得到的目的片段分别连入
pMD19-T载体中进行测序。测序结果表明,2个基因的
序列与GenBank中相对应已知序列完全匹配,表明基因
克隆成功,且得到克隆载体AS1-T和4’CGT-T。
注:M.DL 2 000Marker;1.AmAS1基因PCR产物;2.Am4’CGT基因
PCR产物。
Note:M.DL 2 000Marker;1.The PCR production of AmAS1;2.The
PCR production of Am4’CGT.
图2 Am4’CGT和AmAS1基因PCR产物
Fig.2 PCR productions of Am4’CGTand AmAS1
2.2 Am4’CGT和AmAS1双价表达载体构建与鉴定
将GUS-pCambia 1302和CGT-T进行双酶切,选
择限制性内切酶为BamHⅠ和SacⅠ。割胶回收GUS-
pCambia 1302的11 500bp左右片段和CGT-T的1 400bp
左右片段,将所得基因片段过夜连接并转化大肠杆菌,
得到CGT-pCambia 1302重组载体。
将CGT-pCambia 1302和AS-T进行双酶切,选择限
制性内切酶为BglⅡ和BstEⅡ。割胶回收CGT-pCambia
1302的12 000bp左右长片段和AS-T的1 700bp左右
短片段,将所得到的基因片段过夜连接,转入Top10感
受态细胞,得到CGT-AS-pCambia 1302双价表达载体。
对转化载体分别用AS及CGT的全长引物进行菌
液PCR鉴定,所得条带与预期条带一致(图3)。将重组
质粒送公司测序,测序结果与预期一致,双价表达载体
CGT-AS-pCambia 1302构建成功。
注:M.DL 2 000Marker;1.菌液PCR AmAS1产物;2.菌液PCR
Am4’CGT产物。
Note:M.DL 2 000Marker;1.PCR product from bacteria solution of
AmAS1;2.PCR product from bacteria solution of Am4’CGT.
图3 重组载体CGT-AS-pCambia 1302菌液PCR鉴定
Fig.3 PCR product from bacteria solution of recombinant
vector CGT-AS-pCambia 1302
2.3 瞬时表达系统检测
对GUS-pCambia 1302-EHA105菌液浸染的花瓣进
行GUS染色试验,在GUS染液中花瓣有蓝色显现(图
4),表明GUS基因已成功转入花瓣细胞并表达。
图4 GUS-pCambia 1302-EHA105菌液
侵染花瓣GUS染色结果
Fig.4 GUS staining result in petals
transferred the GUSgene
2.4 Am4’CGT和AmAS1的瞬时表达结果
用GUS-pCambia 1302-EHA1053、AS-pCambia 1302-
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·生物技术· 北方园艺2016(14):97~102
EHA105、CGT-AS-pCambia 1302-EHA105侵染“雪球”花
苞,进行瞬时表达,2d后回收侵染花苞。通过目测观
察,自然生长的花苞、经过GUS-pCambia 1302-EHA105
和AS-pCambia 1302-EHA105侵染的“雪球”花苞,花瓣
未出现颜色变化,而由CGT-AS-pCambia 1302-EHA105
菌液浸染的花瓣有浅黄色显现(图5)。
注:A-1.正常生长花苞;A-2.GUS-pCambia 1302-EHA105侵染花苞;A-3.AS-pCambia 1302-EHA105侵染花苞;A-4.CGT-AS-pCambia 1302-EHA105
侵染花苞.B.低温处理3d后,B-1.正常生长花苞,B-2.CGT-AS-pCambia 1302-EHA105侵染花苞。
Note:A-1.The normal flower;A-2.The sample infected by GUS-pCambia 1302-EHA105;A-3.The sample infected by AS-pCambia 1302-EHA105;A-4.
The sample infected by CGT-AS-pCambia 1302-EHA105.B-1.The normal flower after 3days cryogenic treatment;B-2.The sample infected by CGT-AS-pCambia
1302-EHA105after 3days cryogenic treatment.
图5 瞬时表达结果
Fig.5 Result of the transient expression
注:A.瞬时表达显淡黄色花苞提取液;B.正常生长花苞提取液。
Note:A.The extracting solution of the test sample which showed faint
yelow;B.The extracting solution of the normal flowers.
图6 瞬时表达HPLC色素分析
Fig.6 HPLC result of the transient expression
2.5 色素分析
取瞬时表达不同处理的花瓣以及自然生长未处理
的“雪球”花瓣提取液,经 HPLC检测的结果表明,在
404nm下,双价载体侵染显淡黄色的花瓣的提取液在
17min左右有明显的吸收峰,与标样出峰时间基本一
致,而在其它对照处理的花瓣和未经瞬时表达处理的花
瓣提取液中,均不存在这个吸收峰(图6)。推测该吸收
峰所代表的物质为橙酮类物质,说明Am4’CGT 和
AmAS1 2个基因已经成功在海棠花中瞬时表达,并可能
诱导了橙酮类物质的合成。
注:M.DL 2 000Marker;1.模板Y1用ASP1F/ASP1R引物扩增的
PCR产物;2.模板Y1用CGTPF/CGTPR引物扩增的PCR产物;3.模板
Y2用ASP1F/ASP1R引物扩增的PCR产物;4.模板Y2用CGTPF/CGTPR
引物扩增的PCR产物;5.模板Y3用ASP1F/ASP1R引物扩增的PCR产
物;6.模板Y3用CGTPF/CGTPR引物扩增的PCR产物。
Note:M.DL 2 000 Marker;1.PCR product of template Y1using
ASP1F/ASP1Rprimers;2.PCR product of template Y1using CGTPF/
CGTPR primers;3.PCR product of template Y2using ASP1F/ASP1Rprimers;
4.PCR product of template Y2using CGTPF/CGTPR primers;5.PCR product
of template Y3using ASP1F/ASP1Rprimers;6.PCR product of template Y3
using CGTPF/CGTPR primers.
图7 瞬时表达PCR结果
Fig.7 PCR results of transient expression products
2.6 基因表达分析
取瞬时表达处理后的花瓣,提取总mRNA并反转
录。利用AmAS1和Am4’CGT基因片段的特异引物分
别对各处理的cDNA进行PCR扩增检测。由图7可
知,GUS-pCambia 1302-EHA105(模板 Y1)无目标条
带,CGT-AS-pCambia 1302-EHA105(模板Y2)菌液浸染
001
北方园艺2016(14):97~102 ·生物技术·
的花瓣中有AmAS1和Am4’CGT2个基因的条带,AS-
pCambia 1302-EHA105(模板Y3)菌液浸染的花瓣中有
AmAS1基因的片段条带,说明2个基因已经在花瓣中
成功瞬时表达。
3 讨论
农杆菌渗入法介导的基因瞬时表达技术与农杆菌
浸染叶盘法的稳定遗传转化相比具有操作简便、周期短
等优点[11-12]。对于木本植物,其生长周期长,很难在短
时间内做到稳定表达并看到花色表现,而瞬时表达则是
一个简单高效的检测方法。试验中用GUS-pCambia 1302-
EHA105菌液侵染活体花瓣对瞬时表达系统进行检测,
GUS染色结果表明所有花瓣均转化成功,说明该系统适
用于基因在“雪球”海棠花中的瞬时表达分析。
据ONO等[8]的研究,植物体内橙酮合成需要2个
基因同时发挥作用,且Am4’CGT和AmAS1基因在植
物细胞中的表达具有时空差异性。该试验对不同处理
样品中目的基因表达检测结果表明,单个AmAS1基因
转化或者将Am4’CGTT和AmAS1基因同时转化的处
理都已经将目的基因转入花瓣中并表达。HPLC检测
表明,当没有AmAS1和Am4’CGT基因表达,或只有
AmAS1基因表达时,均未检测到橙酮类物质;只有在
4’CGT和AmAS1基因同时表达时才诱导了橙酮类物质
的合成。不同处理花瓣颜色变化表明,橙酮积累导致花
瓣颜色变黄。而花瓣颜色变化不明显的原因可能是目
的基因在短时间内表达量过低,色素积累量较少,所以
肉眼观察到的黄色较浅。
另外,该试验在活体花苞上进行,由于春季温度、农
杆菌以及机械损伤的多重作用的影响,不允许试验处理
时间太长,否则花瓣会腐烂。所以在瞬时表达2d后将
试验花苞取回,放在-80℃冰箱低温保存。然而在低温
保存的过程中,发现低温保存3d后用CGT-pCambia
1302-EHA105菌液浸染的花瓣和未处理花瓣对比,处理
花瓣黄色加深,这可能是由于在较低的温度下,依旧存
在基因表达和色素积累,而且低温下更容易诱导植物内
花色素苷的合成[14]。
北方春季常见观花小乔木中缺乏黄色花品种,如樱
花、碧桃、梅花等。该试验在“雪球”海棠花中成功瞬时
表达出橙酮类物质,为下一步橙酮合成基因在海棠体内
的稳定表达及获得黄色花海棠奠定了基础,同时也可为
其它木本花卉的黄色花新品种培育提供借鉴。
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Construction of Recombinant Vector of AmAS1 and Am4’CGTGenes and
the Transient Expression in Malus Flowers
LIU Xiaowei 1,LI Houhua1,WANG Bingjie2,FEI Zhaoxue2,QUE Yi 3
(1.Colege of Landscape Architecture and Arts,Northwest Agriculture and Forestry University,Yangling,Shaanxi 712100;2.Colege of
Forestry,Northwest Agriculture and Forestry University,Yangling,Shaanxi 712100;3.City Colege of Science and Technology,Chongqing
University,Chongqing 402167)
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·生物技术· 北方园艺2016(14):102~105
第一作者简介:李景蕻(1967-),男,博士,副教授,研究方向为药用
植物学与园艺学。E-mail:15527608267@163.com.
基金项目:湖北第二师范学院建设资助项目。
收稿日期:2016-03-26
DOI:10.11937/bfyy.201614025
不同处理对三种药用植物外植体生长发育的影响
李 景 蕻,叶 春 宇,马 维 波,王 春 云
(湖北第二师范学院 化学与生命科学学院,湖北 武汉430205)
摘 要:以红豆杉、无花果、大叶黄杨的植物茎段为外植体,研究了不同浓度琼脂与不同灭菌
时间处理对3种药用植物外植体褐化、污染及发芽情况的影响。结果表明:随着琼脂浓度的升
高,褐化率、褐化等级、污染率和发芽率均呈下降趋势;综合各项指标分析,以琼脂浓度10g·L-1
效果较好。随灭菌时间增加,褐化率、褐化等级上升,但污染率、发芽率均急剧下降,综合各项指
标分析,以灭菌时间5~10min的处理效果较好。
关键词:琼脂浓度;灭菌时间;外植体;褐化;污染率;发芽率
中图分类号:R 282.71 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)14-0102-04
红豆杉(Taxus chinensis(Pilger)Rehd.)属红豆杉
属植物,又名紫杉,是濒临灭绝的古老孑遗树种。用红
豆杉植物中提取的紫杉醇(paclitaxel)制备的抗癌药物
Taxol,是治疗肺癌、卵巢癌、乳腺癌的一线临床用药,且
对恶性黑色素瘤、头颈部肿瘤、白血病、结肠癌等也有明
显疗效[1-3]。红豆杉是世界公认的天然珍稀抗癌植物,
应用人工繁殖方法是解决红豆杉资源短缺、加快红豆杉
药用林建设最有效的途径之一[4]。红豆杉组培具有可
以人为控制、生长周期短、繁殖率高、方便管理、便于自
动化操作等优点[5-6]。大叶黄杨(Euonymus japonzcus
Thunb.)属卫矛科,为南方常见栽培植物,既可观赏又可
入药,民间常以茎皮及枝叶采收晒干备用。据《中华本
草》记载,性味苦、辛、微温;具有祛风温、强筋骨、活血止
血之功效。利用组织培养技术,可分批分期进行扩大繁
殖,缓解苗木供求紧张状况,以保证苗木的周年供应,可
在短期内获得大量的脱毒优质苗[7]。通过组织培养建
立大叶黄杨无性繁殖体系是获得高产高质最有效的途
径。无花果(Ficus carica L.)属桑科榕树属落叶灌木或
小乔木,现代药理研究发现,其果实具有健胃清肠、消肿
解毒、抗肿瘤、降压、轻泻、催乳、助消化等药用价值。植
物组织培养是快速繁殖、加大栽培规模的重要方法,但
是外植体出现褐化及污染是导致组培失败的最主要原
因,故防止外植体褐化及污染显得尤其重要[8-9]。
现以红豆杉、无花果、大叶黄杨的茎段为外植体,在
不同琼脂浓度、不同灭菌时间处理下进行外植体褐化、
污染及发芽情况的研究,以期为药用植物优质种苗生产
提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为湖北第二师范学院校园及苗圃内种植
的红豆杉、无花果、大叶黄杨的植物茎段。将选取的外
植体剪去叶片、保留叶柄,用自来水冲洗干净后,在超净
工作台上将其剪成10cm长带腋芽的茎段,放入经高温
灭菌的瓶中,加入75%的酒精浸摇30s,倒出酒精,然后
用0.1%的升汞溶液消毒8~10min,用无菌水冲洗5次,
待接种。诱导芽分化,以 MS为基本培养基,加入激素
6-BA 1mg·L-1+NAA 0.2mg·L-1,再向其中加入蔗糖
20g,制成固体培养基,用圆形培养瓶分装,每瓶30mL,
灭菌后备用
。
Abstract:Taking Antirrhinum majus and Malus‘Snow drift’as materials,using agrobacterium-mediated method,the
recombinant vector containing Am4’CGTand AmAS1was expressed in Malus flowers,the instantaneous expression
efect was identified by HPLC and PCR analysis.The results showed that the recombinant vector CGT-AS-pCambia 1302
was built successfuly,after infected by EHA105,the Malusflowers appeared to be light yelow,and it indicated that the
target genes were transcribed and expressed in Malus flowers.A new absorption peak was found by HPLC analysis,the
result indicated that there were aurones accumulated.
Keywords:crabapple;aurones;bivalent expression vector;transient expression
201