全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 10期
植物花色素代谢途径改变机理及应用
夏玉凤 1 耿晓娜 1 　王万双 2 　赵宝华 1
(1河北师范大学生命科学学院 ,石家庄 050016; 2河北省种子管理总站 ,石家庄 050031)
　　摘 　要 : 　花色作为重要的观赏性状是育种工作者追求的目标。然而花色在生化和遗传上都极为复杂。很多植物呈现
有限的花色范围 ,是因为缺乏必要的基因或者是由于酶对底物的特异性引起的。采用多种基因工程技术 ,例如 ,反义抑制、共
抑制、RNA i、突变体的应用以及多基因共同导入等可以为人们提供崭新的思路和途径 ,改变植物花色素代谢方向 ,创造出自然
界不存在的新花色。
关键词 : 　花青素 植物花色 基因工程
The M echan ism of Floral Color Change and Application
Xia Yufeng1 Geng Xiaona1 　W ang W anshuang2 Zhao Baohua1
(1 College of L ife Science, Hebei N orm al University, Shijiazhuang 050016;
2 Seed Adm inistrative S tation of Hebei Province, Shijiazhuang 050031)
　　Abs trac t: 　Flower color mainly determ ined by anthocyanins is a very important trait. Many factors can affect floral color. Each
p lant species usually accumulates lim ited kinds of anthocyanins and exhibits lim ited flower color by the exp ression of a specific set of bi2
osynthetic genes, the substrate specificity of key enzymes and /or the temporal and spatial regulation of the biosynthetic genes. Gene en2
gineering technology is helpful to the study of the regulation of natural floral color change. By using engineering technology , such as an2
tisence, co2sup ression, RNA i and multipal gene regulation, the anthocyanic biosynthetic pathway could be modified.
Key wo rds: 　Anthocyanin Floral color Gene engineering
收稿日期 : 2009206229
基金项目 :河北省教育厅项目 (Z2006438) ,河北省科技厅项目 (07215520) ,河北师范大学博士基金 (L2005B19) ,河北师范大学青年基金 (L2006Q13)
作者简介 :夏玉凤 (19722) ,女 ,博士 ,讲师 ,主要从事植物基因工程研究 ; E2mail: tweiyi@ sohu. com
通讯作者 :赵宝华 (19682) ,男 ,博士生导师 ,教授 ,主要从事基因工程研究
　　花色对于植物吸引昆虫和鸟类为其传粉具有重
要意义 ,花色也是重要的观赏性状 ,是育种工作者追
求的目标。自然界花卉颜色种类繁多 ,但是一些重
要花卉的色系却有限 ,如月季、郁金香、康乃馨缺少
蓝色和紫色 ; 非洲紫罗兰、天竺葵、矮牵牛缺少纯黄
色 ;鸢尾等缺少红色和砖红色 ,因此花色改良一直是
育种工作者追逐的重要目标。然而花色在生化和遗
传上都极为复杂。很多植物呈现有限的花色范围 ,
是因为缺乏必要的基因或者是由于酶对底物的特异
性引起的。这样 ,传统育种技术在花色育种上就显
得力不从心 ,而基因工程可以提供崭新的研究思路
和途径。
1　花青素合成途径
影响花颜色形成过程的调控很复杂 ,而且有多
种因子的同时参与。花的颜色主要由类黄酮类色素
决定 ,其中花青素是影响花色的主要因素。花青素
主要分为 3类 :花葵素苷 (橘黄 砖红色 )、矢车菊
色素苷 (红色 粉红 )、飞燕草色素苷 (又称翠雀素 )
(紫色 蓝色 ) [ 1 ]。
花青素合成途径的酶 DFR,其底物是 3种二氢
黄酮醇 :香橙素 ( dihydrokaempferol, DHK) 、双氢槲
皮素 ( dihydroquercetin, DHQ ) 、双氢杨梅树皮素
( dihydromyricetin, DHM )。这些底物 B环羟基的数
目、位置不同 ,可分别被还原成相应的花青素前体 :
白天竺葵苷 ( leucopelargon id in) 、白矢车菊苷元 ( leu2
cocyan id in) 和白飞燕草苷元 ( leucodelph in id in ) (图
1)。黄酮醇合成酶 ( flavonol synthase, FLS) 以及羟
化酶 ( hydroxylases)都可与 DFR竞争底物。花青素
2009年第 10期 夏玉凤等 :植物花色素代谢途径改变机理及应用
的合成受两个因素影响 ,分别为 B环的羟基化以及
DFR的底物特异性。很多植物的 DFR能够催化 3
种二氢黄酮醇底物 ,其花色主要与 B环的羟基化有
关系 , DHK可分别被 F3′H和 F3′5′H转化成 DHQ、
DHM ,花色主要由 F3′H和 F3′5′H这两种酶的活性
决定。有些植物本身的 DFR不能催化其中的某种
底物 ,花色由底物特异性决定 [ 2 ]。如矮牵牛的 DFR
不能将香橙素 (DHK)作为底物 ,因此在矮牵牛中缺
少天竺葵的衍生物 ,从而没有橘黄色 [ 3 ]。植物花色
由各种花青苷的比例来决定 ,共色素以及液泡 pH
值也影响花色 [ 4 ]。
CHS. 查尔酮合酶 ; H1. 查尔酮异构酶 ; F3H. 黄烷酮 32羟化酶 ; F3′H. 类黄酮　3′2羟化酶 ;
F3′5′H. 类黄酮　3′5′2羟化酶 ; DFR. 二氢黄酮醇 42还原酶 ; ANS. 花青苷合成酶 ,
3GT. 类黄酮 32O2葡糖基转移酶
图 1　花青素生物合成的部分酶促反应途径 [ 2]
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 10期
2　利用基因工程技术开创新花色
对植物的花色素苷代谢途径研究已较为成熟。
影响花色素苷代谢的基因分为结构基因和调节基
因。结构基因直接编码花色素苷代谢生物合成酶
类 ,调节基因控制结构基因表达的强度和程式。采
用多种手段调控这些基因表达 ,有可能使花色素代
谢转向预期的方向 ,创造新奇花色。
2. 1　通过导入新基因产生新奇花色
将新基因导入欲修饰的供试株及其近缘种植物
中 ,从而使该受体植物增加新的性状。当植物组织
由于缺乏调节基因的表达产物而不能激活结构基
因时 ,可以通过导入调节基因以增强原有代谢产
物表达来改变花色。L loyd等 [ 5 ]将玉米的调节基
因 R和 C导入拟南芥和烟草中 ,两种植物的转化
株花色均由白色变为不同深浅的粉红色。中国农
业大学敖光明教授实验室将来自玉米的调节基因
L c转化开粉红花的烟草 ,使花色改变为漂亮的深
红色。
2. 2　利用下调基因表达的强度来改变花色
许多研究人员使用分子生物学技术包括反义抑
制、共抑制、RNA i等来下调基因表达。 van der Krol
等 [ 6 ]分别将 CHS和 D FR基因转化开红色花的矮牵
牛。在众多的转化株中 ,过表达 CHS或 DFR都没
能使花色素增加。25%的转化株中 ,内源及外源基
因的表达都受到抑制 , RNA水平降低 ,呈现不同程
度的花色异常 ,有的花冠沿白色 ,有的花瓣局部白
色 ,甚至出现白色花。现在共抑制现象已在多种植
物上发现并应用于基因功能、基因活性网络调控的
研究上。
van der krol AR等 [ 7 ]将 chs的反义基因转入矮
牵牛 ,也导致花色素积累受到抑制。与 chs mRNA 3′
端互补的缺失片段 (占全长基因的一半或四分之
一 ) ,能够抑制花色素积累 ,然而与 chs mRNA 5′端
互补的缺失片段 ( 占全长基因的一半 ) ,却不能抑制
花色素积累。
RNA i的抑制效果比共抑制、反义抑制更强
烈 [ 8 ]。类黄酮对于花粉发育、花粉管生长有重要作
用 ,影响植物的有性生殖。RNA i方法转化西红柿 ,
抑制 CHS表达 ,阻断类黄酮的生物合成 ,类黄酮量
明显降低 ,花粉管生长受到影响。西红柿果实颜色
发生变化 ,颜色深红且缺乏光泽 ;而野生型植株 ,果
实橘黄色 ,富有光泽。更奇怪的是出现无籽西红柿 ,
果实小 ,发育延迟。有些株系果实少汁 ,完全由果肉
充满果实 ,还有些株系果实中出现空洞。无籽果实
对于消费者食用 ,工厂加工都有重要意义。RNA i方
式获得无籽果实 ,对于育种具有一定的应用潜力 [9 ]。
2. 3　使用特殊的突变体作为受体株进行基因转化
有些植物由于缺乏合成花葵素的能力 ,用传统
育种方法很难得到橘黄至红色的花。矮牵牛突变体
RL01的类黄酮合成系统有缺陷 ,缺乏 F3′H和 F3′5′H
酶活性 ,自身 DFR又具有底物特异性 ,不能合成花
葵素 ,体内积累 DHK。向这样的三突变体中导入玉
米的 A1基因 (编码 DFR) ,使花色出现砖红色 [10 ]。
对于大多数植物来说 ,难以找到非常合适的突
变体作为转化对象 ,所以这个策略直接推广应用具
有很大局限性。
2. 4　同时导入多种与某种花色有关的基因
构建合适的载体同时转入多个基因 ,一方面
抑制内源基因 ,切断与预期花色代谢有竞争关系
的流向 ,另一方面同时表达外源基因 ,使植物代谢
转向预期花色的生物合成 ,以此可以达到改变花
色的目的。
Nakatsuka等 [ 11 ]用 RNA i方式抑制烟草内源 F3′
H单个基因表达 ,使得矢车菊苷在花瓣中的积累减
少 ,最终导致花色明显变淡 ,但是色调没有改变 ,推
测烟草本身 DFR不能催化 DHK转化成花葵素。大
丁草 DFR ( GhDFR)能有效地催化 DHK生成花葵
素 ,将 GhDFR单个基因转化烟草 ,却没有发现花
色的变化 ,推测 DHK也可以被 F3′H和 FLS催化 ,
代谢流没有转向生成花葵素。抑制烟草植株内源
F3′H基因的同时 ,过表达 GhD FR 基因 ,花色色调
发生改变 ,为红色 ,但颜色色度比较弱。可能是大
多数 DHK被烟草本身的 FLS催化生成其它代谢
物 ,只有少数 DHK被大丁草 DFR 催化生成花葵
素。他们又构建了新的载体来转化烟草 ,抑制内
源 FLS ( flavonol synthase) 和 F3′H ,并且同时过表
达 GhD FR基因 ,类黄酮合成途径被改变 ,使代谢
转向生成花葵素 ,成功地培植出开红色花的烟草。
蓝色花的色素苷类型主要是飞燕草色素苷 (翠
雀素 )及其衍生物 ,即 3′5′H一羟基花色素苷 ,而 F3′
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2009年第 10期 夏玉凤等 :植物花色素代谢途径改变机理及应用
5′H是合成 3′5′H 一羟基花色素苷的关键酶。玫
瑰、康乃馨和菊花就是由于没有 F3′5′H基因 ,从而
无蓝色花系。通过导入 F3′5′H基因来补充某些花
卉缺乏合成蓝色色素的能力己成为目前基因工程技
术创造蓝色花卉的一条重要途径。今已证实花卉的
蓝色性状是由多个代谢途径的多个基因控制 ,仅仅
通过导入某个单一基因难以达到目的。多基因同时
导入对培育蓝色花卉具有重要利用价值 ,因为蓝色
花卉须具备 3个条件 :花翠素、辅助色素黄酮醇、较
高的 pH值。
澳大利亚的 Florigene公司将矮牵牛的 F3′5′H
基因和 D FR 基因导入开白花的康乃馨 (本身缺乏
DFR)。虽然没有得到真正的蓝色花 ,但该公司得到
两个商品品系 ,分别为淡紫色的 MoondustTM和深紫
色的 MoonshadowTM。经检测 ,植株花瓣中积累了大
量花翠素 ,并且积累了辅助色素 :黄酮醇和黄酮 ,而
且 MoonshadowTM花瓣 pH值有所升高 ,达到 pH5. 5,
这些因素都有助于花色转向蓝色 [ 12 ]。
Florigene公司与日本 Sandory公司合作 ,利用
基因工程手段培植蓝色玫瑰。他们分析了几百种玫
瑰 ,检测类黄酮组成成分 ,花瓣细胞的 pH值 ,挑选出
合适的受体植株 ,进行基因转化 ,以求产生花翠素让
花色转向蓝色。将单一的外源 F3′5′H基因转化玫
瑰 ,花瓣出现青色而不是蓝色。过表达外源 F3′5′H
和 DFR,并且同时抑制自身 DFR,花瓣积累大量花
翠素 ,呈现蓝色。他们成功地培植出蓝色玫瑰 ,实现
了苦苦追求的梦想 [ 13 ]。
以上这几个例子说明 ,进行基因工程操作时要
选择具有合适遗传背景的受体植株 ,下调有竞争关
系的内源基因的表达 ,使外源基因在转基因植物体
内有能够发挥作用的合适环境 ,对于成功培育新花
色是十分必要的。
2. 5　构建转座子特殊表达载体表达嵌合花色
嵌合花色具有很高的观赏和商业价值。转座子
通过插入或割离目的基因而关闭或恢复基因的表达
活性。如果被转座子影响的目的基因是与花色素合
成有关的基因时 ,则不同细胞中的基因表达时空不
同 ,因而在不同细胞中生成的花色素苷不同 ,导致在
同一花瓣上形成美丽的嵌合花色。2001年 L iu等 [14 ]
首次构建了一个表达载体 ,在启动子 CaMV 35S和
R基因之间插入一个来源于拟南芥自主性的转座子
Tag1。转基因烟草的花产生多种美丽的嵌合花色。
3　问题与展望
对花色调控机理的研究具有重要意义 ,可以创
造出具有观赏及商品价值的新奇花卉 ,另一方面 ,花
色基因可作为看得见的标记基因 ,使植物在外观上
表现出色彩的变化 ,用于研究基因的表达、相互作用
等。此外 ,花青素还有抗氧化、抗突变、预防心脑血
管疾病及保护肝脏的生理功能。
影响花颜色形成过程的调控很复杂 ,有多种因
子同时参与。不仅花色素合成途径的结构基因、调
节基因能够影响花色 ,花色素的浓度比例、共着色作
用、黄酮类与金属离子的互作、液泡 pH 值 ,甚至色
素细胞的形状和分布等因素都对花色有影响。另
外 ,转基因沉默很难控制。所有这些因素都导致遗
传操作存在不稳定性。
现在人们还不能随心所欲地改变植物花色 ,还
需要继续摸索规律 ,深入探究。植物基因工程改良
植物花色是研究基因表达、调控和互作的热点课题。
随着基因工程技术的进步 ,花色调控机理将逐步被
揭示 ,越来越多的新奇花色将展现在我们面前。
参 考 文 献
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(下转第 33页 )
92
2009年第 10期 江红梅等 :小麦雄性不育研究进展
题。将恢复基因供体的原生质体进行射线辐射处
理 ,使其染色体段裂成片段 ,再与 CMS受体原生质
体进行不对称融合 ,产生的体细胞杂种将携带有受
体的整个核基因组和供体的部分核 DNA,从再生植
株中选择恢复可育的植株作为恢复系选育的材料可
望培育成 CMS恢复系。
3. 2. 2 通过转基因手段获得转基因雄性育性恢复
系 　利用转基因技术获得雄性育性恢复系可从下列
两条途径入手 : (1)利用蛋白质互作使雄性育性恢
复。例如 , Barstar是 Barnase的有一种特异抑制蛋
白 ,将 B a rstar基因用 B am ase同样方法导入受体植
物中 , B arstar基因与 B a rnase基因同时被启动子启
动 ,合成至少与 Barnase等量的 Barstar蛋白质。在
杂种中 , Barstar蛋白质与 Bamase蛋白质形成复合
物 ,使 Bamase失去活性 ,花药能正常发育、开裂 ,绒
毡层分化良好 ,产生大量有活力的花粉 ,使雄性育性
恢复。此法已应用于油菜、棉花、玉米、花椰菜、莴苣
等农作物。 (2)利用反义 RNA与有义 RNA互作使
雄性育性恢复。将诱导雄性不育的基因反向构建嵌
合基因转化受体植物的其它品种 ,由于杂种中反义
基因编码的反义 RNA与有义 RNA互作 ,降低稳定
态有义 RNA的水平 ,使杂种雄性育性恢复。
参 考 文 献
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