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Application of Antisense RNA Technology in Production of Color-altered Flowers

反义RNA 技术在花色育种中的应用



全 文 :植物学通报 2005, 22 (3): 284~291
Chinese Bulletin of Botany
①教育部振兴行动计划项目和北京林业大学研究生培养基金项目资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: silandai@sina.com.cn
收稿日期: 2004-06-24 接受日期: 2005-01-16 责任编辑: 于昕
特 邀 综 述
反义 RNA技术在花色育种中的应用①
白新祥 戴思兰②
(北京林业大学园林学院 北京 100083)
摘 要 反义RNA技术是用反义RNA链去抑制靶基因的活性, 从而达到对目的基因调控的一项分子生物
学技术。该项技术应用于观赏植物的花色育种已有16年的历史并且取得了一定的成就。到目前为止, 已
经利用该技术对14种花卉花色形成过程中的3大类基因进行了正义和反义导入, 获得了花色改变的转基
因植株。本文简要回顾了反义RNA技术的产生与发展, 并在介绍花色形成的分子生物学的基础上, 综述
了国际园艺育种中利用反义RNA技术调控花色基因表达的研究进展, 以期为花色改良的分子育种提供参
考资料。
关键词 花色, 反义RNA, 花色素苷, 观赏植物
Application of Antisense RNA Technology in Production
of Color-altered Flowers
BAI Xin-Xiang DAI Si-Lan②
(College of Landscape Architeture, Beijing Forestry University, Beijing 100083)
Abstract Antisense RNA molecules deactivates target gene by binding to the sense strand. This
allowed the application to the molecular alteration of flower color. To date, 3 kinds of genes have been
transformed into 14 cultivars for this purpose and transgenic plants with color-altered flowers have
been obtained. This paper briefly reviews the progress of antisense RNA technology and its use in
flower color improvement.
Key words Flower color, Antisense RNA, Anthocyanin, Ornamental plant
近20年来, 随着改革开放的深入和人民生
活水平的提高, 我国的花卉业得到了迅速的发
展。但是, 目前存在的一个最大的问题就是我
们的花卉企业拥有自主知识产权的花卉品种很
少, 一些大宗花卉的生产只能靠引进国外品种。
这样虽然在短期内有一定的效益, 但却长期受制
于人。造成这种被动局面的主要原因之一就
是我们的花卉育种工作相对滞后(李惠芬和李倩
中, 1999)。基因工程自20世纪80年代诞生以
来, 以其育种周期短、效率高、培育植物定向
性强和可跨物种进行遗传物质交流等优点成为
花卉育种的一种重要手段而得到广泛应用(白新
祥和戴思兰, 2004)。花色是花卉的一个主要的
观赏性状, 近年来成为花卉分子育种的一个热点
2852005 白新祥等: 反义RNA技术在花色育种中的应用
(Forkmann, 1991; 包满珠, 1997)。利用转基因
技术进行花色改良屡见成功报道, 尤其是反义
RNA技术在花色分子育种上的应用已有十多年
历史, 并取得了一定的成功(van der Krol et al.,
1988)。本文对反义RNA技术在观赏植物花色
育种上的应用现状进行了综述, 希望能为运用本
项技术解决目前花色育种中的难题提供参考。
1 反义RNA技术的产生与发展
反义RNA(antisense RNA)是指一些与特定
RNA(多为mRNA)或DNA互补的小分子量的可
扩散DNA转录物, 它们通过特异性的碱基互补
方式控制基因的表达和参与基因表达的调控(张
惠展, 1990)。反义RNA最早是Kawaji等(1979)
在研究大肠杆菌(Escherichia coli)外膜蛋白基
因表达时发现。Tomizawa和Itoh(1981)报道了
反义RNA在大肠杆菌的Col E1质粒DNA复制
中的调节作用。Simons和 Kleckner(1983)进一
步证实反义RNA在大肠杆菌质粒复制中具有
识别和调节的功能。由此反义RNA技术研究
得到重视。早期的研究多集中于原核生物, 比
如在转座子 Tn10、l-噬菌体和大肠杆菌基因
组均发现有反义RNA存在。直到Ecker和Davis
(1986)发现真核生物中自然存在反义系统以后,
其作用机理的研究引起了人们的极大兴趣。
一般认为, 反义RNA通过与靶基因进行碱基配
对的方式参与有关基因的表达调控(Patzel and
Sczakiel, 2000)。主要的作用方式是在DNA的
复制、转录和翻译 3个阶段进行调控(石东乔
和陈正华, 2001)。特别是自 Izant和Weintraub
(1984)首次证实人工构建的反义寡核苷酸在真
核生物中具有生物学效应以来, 反义技术在真核
生物中的研究得到迅速发展( I z a n t a n d
Weintraub, 1985; Ecker and Davis, 1986)。随着
反义RNA的研究逐步深入形成了反义技术, 这
为人为控制基因表达提供了一种更为直接有效
的方法(Park et al., 2002; Raponi and Arndt,
2002)。
目前, 反义RNA技术已成为反义技术中使
用的主要方法之一, 渗透到反向遗传学的各个领
域, 诸如抗病因子、反向筛选标记基因、农艺
品质改良和次生代谢途径的调控等研究。微
注射的反义RNA及天然的或构建的反义基因
转录物均有可能对目的基因专一性地起抑制作
用(宋俊歧等, 1997)。
2 花色形成的分子生物学
采用反义RNA技术进行花色分子育种的
研究, 依赖于对花色形成分子生物学研究的突破
性进展。花色形成是指植物营养生长发育停
止后, 进入生殖生长阶段, 花器官发育过程中合
成一系列的色素化合物而使花朵显现出一定的
颜色。花色的分子生物学研究是以黄酮类化
合物的生物合成途径的解析为突破口的, 经过多
年的研究已取得了丰硕的成果(Harborne, 1994;
Bohm, 1998; Wang et al., 2001; Williams and
Grayer, 2004)。在过去的 50年里, 人们对该类
化合物在遗传、生化和分子生物学方面都做
了详细的研究 , 其合成途径已基本搞清楚
(Springob, 2003)。目前已经了解了花色形成的
化学和分子生物学的详细过程, 所以在传统育种
工作的基础上, 利用分子生物学的手段进行花色
育种是十分必要的( 燏徐清 和戴思兰, 2004)。
2.1 花色色素概况
植物的花色主要由黄酮类化合物、类胡
萝卜素和生物碱 3类物质决定(Tanaka et al.,
1998; 何小玲和王金发, 1998)。类胡萝卜素存
在于质体内, 一般呈现黄色、橙色和红色等。
类胡萝卜素的显色和分子中的共轭双键数有密
切的关系, 随着共轭双键数的增加其颜色就越偏
向红色, 另外至少要有7个共轭双键时才能呈现
出黄色。黄酮类化合物存在于液泡内, 根据中
间吡喃环氧化程度的不同, 将黄酮类化合物分为
12类, 即查耳酮(chalcone)、橙酮(aurone)、黄
酮( f l avone)、黄酮醇( f l avono l )、黄烷酮
(flavanones)、二氢查耳酮(dihydrochalcone)、
286 22(3)
儿茶精类(catechins)、黄烷 -3-4-二醇(flavan-3-
4-dilos)、双黄酮 (biflavonoids)、异黄酮
(isoflavonoids)、原花色素(proanthocyanidins)
和花色素苷(anthocyanin) (Madhuri and Arhula,
1999)。黄酮类化合物中除花色素苷是红色系
外, 均属黄色系。查耳酮和橙酮是深黄色, 其
他为淡黄色或近于无色。生物碱类色素有小
蘖碱、罂粟碱和甜菜碱等。
2.2 花色素苷的生物合成
对于花色素苷生物合成途径的研究已十分
详尽 (Jayaram, 1990; Forkmann, 1991; Springob,
2003)。其中 3种植物在研究合成途径和基因
分离中起至关重要的作用, 即玉米(Zea mays)、
金鱼草(Antirrhinum majus)和矮牵牛(Petunia
hybrida) (Tanaka et al., 1998)。黄酮类化合物
由花色素苷和花黄色素组成, 而花黄色素又是花
色素苷合成过程中的中间产物。因此, 所谓黄
酮类化合物的合成途径其实就是指花色素苷的
合成途径(图 1)。
从这个图中可以看出控制花色形成的结构
基因 CHS、CHI、DFR、F3H和 F35H等
对花色色素的合成非常重要, 对这些结构基因实
施正义或者反义的调控能够对花色进行改良。
3 应用反义RNA技术进行花色改良
将反义链连接在表达载体上, 用其转化花
卉, 通过来抑制黄酮类化合物生物合成过程中
的某个基因的活性, 从而改变花色合成的产物,
进而改变花色。
3.1 对CHS基因的调控
从图1可知, CHS催化4-香豆酰CoA与丙
二酰 CoA缩合成柚配基-查耳酮。CHS基因
最初从欧芹(Petroslium hortense)中分离到, 它
在矮牵牛中由8~10个成员组成。植物正常发
育过程中只有CHS-A和CHS-J表达, 且这种表
达只能在花中。有关研究表明, CHS不仅是植
图 1 黄酮类化合物的生物合成途径
CHS. 苯基苯乙烯酮合成酶; CHI. 苯基苯乙烯酮黄烷异构酶; FLS. 黄酮醇合成酶; DFR. 二氢黄酮醇 4-还
原酶; F3H. 黄烷酮 3-羟化酶; ANS. 花色素合成酶; F35H. 黄烷酮 3.5 -羟化酶; F3H. 黄烷酮 3-羟化酶;
UF3GT. UDPG:类黄酮 -3-O-葡糖基转移酶
Fig. 1 Biosynthetic pathway of flavonoids
CHS. Chalcone synthase; CHI. Chalcone isomerase; FLS. Flavonol synthase; DFR. Dihydroflavonol reductase;
F3H. Flavonoid 3-hydroxylase; ANS. Anthocyanidin synthase; F35H. Flavonoid 3, 5-hydroxylase; F3H.
Flavanone 3b-hydroxylase; UF3GT. UDP-glucose:flavonoid-5-O-glucosyltransferase
2872005 白新祥等: 反义RNA技术在花色育种中的应用
物花色形成途径中的关键基因, 而且还与CHI
及DFR之间存在着相互作用。所以最早进行
花色改良的研究者就选择了 CHS作为调控对
象。对 CHS的反义调控使花色素合成被打断
而使花色变淡, 甚至变成白色或者粉色, 所以是
淡色花育种的一条途径。van der Krol等(1988)
将CHS的cDNA反向连接于CaMV的35S启动
子上, 再连接双元载体Bin19转化矮牵牛, 使花
色由紫红色变为粉红色并夹有白色, 有些花朵完
全呈白色。Courthey-Gutterson和Napoli(1994)
将菊花(Dendranthema grandiflorum)中分离的
CHS基因以反义和正义方向插入粉红色的菊花
品种的基因组中, 结果在正义和反义转化株中都
得到了白花或极浅的粉红色花, 而对照没有出现
白花植株, 而且还发现转基因植株的白花性状通
过营养繁殖能够稳定遗传而不影响其他性状的
表达。同样, 在烟草(Nicotiana tabacum)中, 反
义抑制 CHS基因的表达也获得了改变花色的
植株, 使花冠由桃红色变为白色。van der Krol
等(1988)将菊花CHS基因正义导入菊花园艺品
种之后产生了白色花和图案各异的彩瓣花。
3.2 对DFR基因的调控
DFR基因也是花色素生物合成中重要的基
因之一 , 在其参与下无色的二氢槲皮醇
(dihydroquercetin)、二氢山奈素(dihydroka-
empferol)和二氢杨梅黄酮(dihydromyricetin)分
别变为红色的矮菊色素(cyanidin)、砖红色的
天竺葵色素(pelargonnidin)和蓝色的飞燕草色素
(delphindin)。因为DFR基因很早就从模式植
物(玉米、金鱼草和矮牵牛等)中分离出来, 而
且它是花色素合成途径中的关键基因, 所以在花
色研究的早期是反义RNA技术应用的主要对
象之一。对DFR基因的调控通常都导致了不
同程度的花色素合成量的减少而出现新奇的花
色。Aida等(2000)将反义DFR基因导入蝴蝶
草(Torenia fournieri), 发现转化株的花色素苷合
成减少, 黄酮和黄酮醇(此二者为助色素)含量显
著提高, 获得了开蓝色花的蝴蝶草, 表明调控花
色素苷的助色素含量是花色改变的途径之一。
同年, 他还分别将正义的DFR和CHS转入蓝猪
耳(Vandellia crustacean)中, 转基因株系的花冠
花色素苷含量均呈不同程度的减少, 位于花筒的
花色素苷含量减少程度大于花冠檐, 花筒的颜色
几近白色(Aida et al., 2000)。
3.3 对F3H、F3H和 F35H基因的调控
F3H基因的功能是促使黄酮核C3位置羟
基化形成二氢槲皮醇、二氢山奈素和二氢杨
梅黄酮。对该基因的反义抑制同样会使花色
得以改变, Zuker等(2002)对香石竹(Dianthus
caryophyllus) ‘Eilat’品种的F3H基因反义抑制,
结果导致部分或完全失去了原来的橙红色。
通过 4年的观察, 这个性状能遗传给后代。
F3’H催化二氢黄酮醇B环3位的羟化, 形
成红色矢车菊色素的前体二氢槲皮醇, 而
F35H催化二氢黄酮醇B环 3和 5位的羟化,
形成蓝紫色飞燕草色素的直接前体二氢杨梅黄
酮。由于 F35H基因直接控制着形成蓝色花
的飞燕草色素的合成, 所以它对蓝色花的育种具
有非常重要的作用, 一度曾被称为“蓝色基
因”。目前, 很多花卉缺少蓝色花系, 对蓝色
花形成分子机理的深入研究, 使蓝色花育种成为
花卉分子育种的一个热点, 因此这两个基因也就
成为花卉育种工作者培育蓝色花卉的希望所在
(Tanaka et al., 2000; 孟丽和戴思兰, 2004)。现
在, 主要是通过把F35H转入一些花卉中, 以期
得到蓝色花, 而反义RNA技术的应用相对较少
(Fukui et al., 2003)。但从花色素的合成途径上
看, 如把正义基因的导入和反义基因抑制结合起
来, 将对花色的改良开辟更广阔的天地。比如,
菊花产生的主要花色素苷是矢车菊-3-丙二酰
糖苷, 而没有天竺葵色素, 可以通过抑制 F3H
基因的表达使其产生天竺葵色素, 创造出新颖的
红色花(于晓南和张启翔, 2002)。可以设想在转
入F35H基因的基础上, 再用反义技术对F3H
基因进行抑制, 从而使花色素合成途径朝飞燕草
色素糖苷方向发展。表 1是近年来使用反义
288 22(3)
RNA技术(其中正义基因是作为对照)获得的
转基因花卉。
3.4 对调节基因的反义调控
花色的形成是一个很复杂的过程, 从分子
水平到各种化合物, 既有结构基因的参与, 又
有一些调节基因的调控。现在发现了很多
影响花色形成的调节基因(表2), 因此对调节
基因的调控也能达到改良花色的目的。目
前对调节基因的反义抑制还未见报道, 但是
随着更多的调节基因被发现, 利用转基因技
术对他们进行调节也会成为改良花色的又
一重要的途径。
3.5 对控制花瓣液泡pH值基因的反义调控
液泡的pH值是影响花色形成的一个重要
因素(Yoshida et al. , 2003)。从三色牵牛
(Ipomoea nil)的变色(Yoshida et al., 1995)、月
表 2 矮牵牛、金鱼草和玉米花色素生物合成的调节基因
Table 2 Regulatory gene of flower pigments biosynthesis in Petunia hybrida, Antirrhinum majus and Zea mays
物种 调节基因 结构基因 参考文献
玉米 R(S和 P) C H S、D F R、U F G T、F 3 H、C H I Dellaports et al., 1988
Zea mays B D F R、UFGT Chandler et al., 1989
Sn P A L、C H S、C H I、U F G T Tonelli et al., 1991
In C H S、C H I、D F R Dooner et al., 1991
金鱼草 Delila F 3 H、D F R .、U F G T Goodrich et al., 1992
Antirrhinum Eluta D F R、UFGT Dooner et al., 1991
majus Rosea D F R、UFGT
矮牵牛 A n 1、A n 2、A n 1 0 UF3GT、DFR Quattrocchio et al., 1993
Petunia hybrida 和 An11
表 1 已获得的改变花色的转基因花卉
Table1 transgenic floral crops of modified color
种名 颜色 基因构建 表型 文献
矮牵牛 紫色 反义 CHS-A 白色 van der Krol et al., 1988
Petunia hybrida 正义 CHS-A 白色 ven der Krol et al., 1990
正义 CHS 白色或紫白相间 邵莉等, 1996
白色 正义 CHS 淡黄 Davis et al., 1998
深紫 正义 CHS 淡紫
菊花 Dendrantherma 粉红色 正义 CHS 白色 Courtney-gutterson et al., 1994
mongolicum 反义 CHS 浅红
非洲菊 红色 反义 CHS和DFR 粉红 Elomaa et al., 1993
Gerbera jamesonii 正义 CHS 浅粉
月季 红色 正义 CHS 粉红 Tanaka et al., 1998
Rosa chinensis
蝴蝶草 蓝色 正义 CHS和DFR 白色
Torenia hybrida 正义 CHS和DFR 淡蓝色
反义 CHS和DFR 白色
正义DFR和 CHS 白色至淡蓝色 Suzuki et al., 2000
正义 F3’5’H 粉红色
香石竹 橙红色 反义 F3H 白色 Zuker et al., 2002
Dianthus fragrans
洋桔梗 紫色 反义 CHS 白色 Nielsen et al., 2002
Eustoma grandiflorm 反义 FLS 红色
2892005 白新祥等: 反义RNA技术在花色育种中的应用
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季的蓝变(Barthe et al., 1991)和对矮牵牛的不同
色系的研究(Renuveni et al., 2001)都说明了花色
和液泡的pH值关系密切。液泡pH值偏低, 花
呈红色; 反之则为蓝紫色。目前, 已经克隆了
矮牵牛的 7个控制液泡 pH值的基因(pH1~
pH7), 其中 pH1、pH2和 pH6专一影响液泡
的 pH值(Vlaming et al., 1983; Griesbach,
1998)。所以通过对这些基因位点的反义抑
制, 就有可能达到提高液泡pH, 这对蓝紫色花
系的育种将会有很大的帮助。
4 结束语
反义RNA技术应用于观赏植物花色领域
的研究已经有很长时间(van der Krol et al., 1988),
但是反义抑制的理论基础研究远远没有跟上其
应用领域的研究。不过由于该技术在花色分
子育种领域的成功应用, 大大的促进了反义
RNA的基础研究和花卉的商业化育种。植物
分子生物学的飞速发展, 使我们能够利用反义
技术进行花色改良。
将反义RNA技术用于花色研究不仅有助
于揭示花色形成的分子生物学机理, 而且对解决
生产实际中的花色育种具有潜在的应用价值。
近来发现的RNA干涉技术是反义RNA的进一
步发展, 其除了具有反义RNA技术的优势以外,
更兼具针对性强和遗传能力高等优点, 它将
会为花色育种做出更大贡献。我国地处亚
热带和温带地区, 拥有十分丰富的观赏植物
资源, 利用基因工程技术进行花色改良将为
中国花卉育种开辟新的途径 。目前, 转基
因香石竹的商品化生产已经获得了成功, 反
义RNA技术在月季、菊花和非洲菊等花卉
上也都有很好的应用前景( F u k u i e t a l . ,
2003)。关于花色的分子生物学及转基因的
研究, 目前在我国已经起步, 而且进展相当快,
相信在不久的将来会取得丰硕成果。
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