全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第6期，2005年12月 715
二氢黄酮醇4-还原酶基因(DFR)与花色的修饰
刘娟1,* 冯群芳2 张杰1,2
1 昆明理工大学生物与化学工程学院，昆明 650224；2 云南大学生命科学院，昆明 650091
Dihydroflavonol 4-Reductase Gene (DFR) and Flower Color Modulation
LIU Juan1,*, FENG Qun-Fang2, ZHANG Jie1,2
1Faculty of Biologic and Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China; 2College
of Life Sciences, Yunnan University, Kunming 650091, China
提要 二氢黄酮醇 4- 还原酶(DFR)是花色素苷生化合成途径中的一个关键酶，在花色的修饰中起重要作用。目前，已从
多种植物中分离到了DFR基因。文章介绍DFR同源基因的结构与时空表达特性、构建的系统进化树所体现的部分单子叶
与双子叶植物间亲缘关系与进化差异以及 DFR 的转基因研究进展。
关键词 DFR；花色；转基因花卉；基因工程
收稿 2005-06-23 修定 　 2005-10-17
*E-mail: juan1202@126.com, Tel: 0871-5186440
花色是衡量观赏植物的重要标准之一，改变
花色一直是转基因花卉研究比较热门的问题。花
色主要是由类黄酮(flavonoid)、类胡萝卜素
(carotenoid)和甜菜色素(betalain)三大色素决定的。
而类黄酮类色素中的花色素苷(anthocyanin)是影响
花色的主要色素，控制着花的粉红色、红色、紫
罗兰色和蓝色。二氢黄酮醇4-还原酶(dihydroflavonol
4-reductase, DFR)是花色素苷生化合成途径中的关
键酶，是一个重要的调控点。因此，D F R 基因
调控机制的研究对于了解花色素苷生化合成途径和
花朵显色的分子机制有重要的意义。
1 DFR基因的作用机制
花色素苷对花色的形成起主要作用，它在花
瓣中所占的比例能决定花的最终颜色。根据羟基
位置和数目，它主要分为 3 种类型：花葵素色素
苷(pelargonidin)、花青素色素苷 (cyanidin)及翠雀
素色素苷(delphinidin)。花色素苷的生化合成包括
近二十步化学反应，由许多酶催化完成(图1)[1,2]。
3 类花色素苷的合成前体都是丙二酰 CoA 和
香豆酰CoA，二者在苯基苯乙烯酮合成酶(chalcone
synthase, CHS)和苯基苯乙烯酮黄烷酮异构酶
(chalcone isomerase, CHI)的催化下形成无色的柚配
质，柚配质由F3H催化成二氢堪非醇(dihydrokae-
mpferol, DHK)，DHK可以在F3H和F35H的催化
下形成二氢栎皮黄酮(dihydroquercetin, DHQ)和二
氢杨梅黄酮(dihydromyricetin, DHM)，F35H也能
将 DHQ 催化成 DHM。无色的 DHK、DH Q 和 DH M
在 DFR 的催化下会进一步还原成不稳定的无色花
色素(leucoanthocyanidin)，然后在花色素苷合成酶
(anthocyanin synthase, ANS)和类黄酮3-O-糖基转
移酶(flavonoid 3-O-glucosyltransferase, 3GT)的作
用下合成各种花色素苷。由此可见，DFR 是将二
氢黄酮醇转变为花色素苷反应的第 1 个酶，这一
反应需要 NA D P H。D F R 能够分别以 DH K、D H Q
和 DH M 作为底物，但由于不同物种的 DFR 对底
物选择性不同，所以合成不同的花色素，呈现各
异的花色。
2 DFR基因的分离与系统进化
DFR 是一个短链还原酶，属于DFR 超家族[3]。
1985年，O’Reilly等[4]采用转座子标签技术从玉米
和金鱼草中分离了DFR基因。1989年，Beld等[5]
又以金鱼草 DFR 基因为探针分离了矮牵牛 DFR 基
因。随后，采用同源克隆的方法，在拟南芥、
非洲菊、玫瑰、康乃馨、百合等大约 10 多种植
物中分离了DFR基因(表1)。2001年，Østergaard
等[6]发现，定位于拟南芥2号染色体上的CRL1和
CRL2基因编码的蛋白与DFR 超家族的成员是高度
同源的。根据系统发生的分析，CRL1 和 CRL2 属
于 DFR 超家族的一个单独的分支。
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表1 GenBank部分已登录的DFR同源基因
物种 序列长度 (氨基酸数目) 登录号
兰花 (Bromheadia finlaysoniana L.) 350 AF007096
葡萄 (Vitis vinifera L.) 337 X75964
大麦 (Hordeum vulgare L.) 354 S69616
玉米 (Zea mays L.) 367 X05068
拟南芥 (Arabidopsis thaliana L.) 384 M86 359
矮牵牛 (Petunia hybrida V.) 380 X15537
非洲菊 (Gerbera hybrida H.) 366 Z17221
杂种月季 (Rosa hybrida H.) 349 D85102
翠菊 (Callistephus chinensis L.) 364 Z67981
金鱼草 (Antirrhinum majus L.) 446 X15536
番茄 (Lycopersicon esculentum M.) 379 Z18277
康乃馨 (Dianthus caryophyllus L.) 360 Z67983
百合 (Lilium hybrid S.) 377 AB058641
裂叶牵牛 (Ipomoea nil L.) 403 AB006792
根据 DFR 氨基酸序列的同源性构建了部分物
种的系统进化树(图 2)。从图 2 中看出，同属单
子叶植物的大麦、玉米和兰花的 DFR 序列同源性
达到 51.8%，与双子叶植物在 48.4% 聚为一组，
单子叶植物之间 DFR 氨基酸序列的相互同源性高
于与双子叶植物之间的同源性。系统进化树体现
了 DFR 在单子叶与双子叶植物之间的明显区别，
因此有人认为，DFR 的趋异很可能发生在单子叶
与双子叶植物的趋异之后[7]。
3 DFR同源基因的结构
不同物种的DFR 氨基酸序列在很多区域有较
高的同源性。在不同的物种中，DFR 与 NADP 结
合位点“VT G A A G F I G S W L I M R L L E R G Y”是高
度保守区[8]。DFR 对不同底物的结合是由其分子
中底物结合区的氨基酸序列(图3中黑框部分)所决
定，这个序列在不同物种中也是高度保守的[9]。
Johnson等[10]发现，结合区中的134位与145位的
氨基酸可直接影响酶的底物特异性，大多数物种
在134位含有 D(天冬氨酸)或 N(天冬酰胺)，而蔓
越橘(Vaccinium macrocarpon A.)在此位点则是V(缬
氨酸)，因而其 DFR 酶作用底物仅限于 DHQ。在
除矮牵牛外的所有以 D H K 为底物的双子叶植物
中，145 位的 E(谷氨酸)都是高度保守的(图 3)。
根据 GenBank 上登录的资料，裂叶牵牛(I.
nil)与圆叶牵牛(I. purpurea)基因组序列都包含3个
DFR 基因：DFR-A、DFR -B 与 DFR -C，它们呈
串联排列，并且都是由 6 个外显子组成，具有相
同的内含子剪切位点，D F R - B 基因比 D F R - A、
DFR-C 有更长的内含子序列[11]。此外，双子叶植
物如金鱼草、矮牵牛与拟南芥的 DFR 基因同样也
是由 6 个外显子组成，内含子剪切位点与牵牛花
图1 花色素苷生物合成途径[1,2]
　　PAL: 苯丙氨酸脱氨酶; C4H: 肉桂酸羧化酶; 4CL: 4-香豆酰CoA连接酶; CHS: 苯基苯乙烯酮合成酶; CHI: 苯基苯乙烯酮黄烷酮
异构酶; F3H: 黄酮3-羟基化酶; F3H: 类黄酮3-羟基化酶; F35H: 类黄酮35-羟基化酶; ANS: 花色素苷合成酶; DFR: 二氢黄酮醇4-还
原酶; 3GT: 类黄酮 3-O- 糖基转移酶。
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的是一致的。高粱基因组中含有 2 个 DFR 基因，
也是呈串联排列[11 ]。矮牵牛基因组中含有 3 个
DFR 基因，分别定位在 2、4、6 号染色体上[12]。
蔓越橘的基因组含有 2 个 D F R 基因( D F R 1 - 1、
DFR2-1)，代表两个不同的座位，在编码的氨基
酸序列中，24 个氨基酸有差异[9]。由此可以看
出，不同种属的 DFR 氨基酸序列或核苷酸序列存
在一定的异同，分析 DFR 同源基因的结构对研究
种属和种间差异很重要。
4 DFR基因的时空表达特性
不同物种的DFR 基因在不同发育期与不同部
位的时空表达特性也有所不同。矮牵牛的 DFR-A
基因在花冠、花药及种子中表达量很高，在胚珠
与茎中的表达量相对较少[12]。Inagaki等[13,14]发现
裂叶牵牛突变株的DFR-B(J)基因中含有转座因子
Tpn1，此因子从DFR-B 中去除后会引起体细胞突
变，因而含有 Tpn1 的 DFR-B(J)基因会造成花色
的多样性，DFR-B(J)的 mRNA 在幼小的花蕾中大
图2 不同物种DFR氨基酸序列同源性比较树系[7]
图3 DFR高度保守氨基酸序列比对分析[9]
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量累积。亚洲百合的 2 个植株“Montreux”(粉
红色被片带有斑点)与“Connecticut King”(黄色
被片无斑点)中，前者的 DFR 基因在着色的被片、
花药、花丝、雌蕊和红色的鳞片中大量表达，后
者仅在着色的花药与红色的鳞片中表达，在两个
植株的未着色的叶子、茎与白色的鳞片中都没有
检测到 DFR 基因的表达。在“Montreux”中，
DFR 与 CHS 的表达量随着花的生长发育而增加，
开花期间达到最高。可见，DFR 基因仅在花色素
苷着色的器官中表达，并且此种基因的表达与花
色素苷的产生相协调[1 5 ]。这些研究结果表明，
DFR 基因表达伴随着花瓣组织着色的进行，它的
时空表达特性基本上与花朵的着色模式相一致。
研究显示，不同物种的 DFR 基因表达特性对该基
因的转基因遗传操作是很重要的。
5 DFR的转基因
对与花色相关的DFR 基因来讲，其转基因研
究不仅能了解其功能，而且有助于用各种方法(调
入新基因、反义 RNA、共抑制或 RNAi 等)实现花
色的修饰，这对于日趋发展的花卉产业来说商业
价值很大。1987 年，Meyer 等[16]将玉米 DFR 基
因导入矮牵牛 RC01 突变体后，使二氢堪非醇还
原，从而提供了天竺葵色素生物合成的中间产
物，花色由白色变为淡砖红色。这是世界上第 1
例基因工程改变矮牵牛花色的实验。2 0 0 0 年，
Aida等[17,18]分别将反义DFR和CHS导入蓝猪耳中，
结果转基因株系的花冠花色素苷含量均有不同程度
的减少，产生多种新花色图案，转反义 D F R 基
因株系冠檐中的花色素苷含量减少程度比冠筒的
大。但由于转化株中的 D F R 基因钝化，造成大
量黄酮和黄酮醇物质积累，于是蓝猪耳的花色显
得更蓝。早在1990 年，Van der Krol 等[19]就已
将外源的 DFR 或 CHS 基因转入矮牵牛中，结果它
们的表达量不仅没有增加，反而有所下降，形成
白色花或彩色花瓣。2000年，Aida等[18]又将 DFR
和 CHS 导入蓝猪耳，结果内源基因的转录受抑，
转基因株系的花筒中花色素苷减少程度大于冠檐，
花筒几乎完全呈现白色。可见，蓝猪耳的花色通
用反义 RNA 和共抑制的方法已被成功修饰。2004
年，Fukusaki等[20]报道了一种有效修饰花色的新
方法 ——RNA干扰(RNAi)，此法也可改变蓝猪耳
的花色。他们用CHS mRNA 的编码区或3 非翻译
区作为RNAi的靶点，可完全或特异地诱导基因沉
默，最终花色由蓝色变为白色或淡色。由此可以
联想到，采用 RNAi 技术和通过 DFR 基因的负调
控来改变花色应该也是可行的。
6 结束语
自 1987 年人们用基因工程技术改变花色以
来，先后已分离克隆了许多与花色相关的基因，
并在多种植物中成功地进行了花色基因工程技术操
作，但至今仍然很难随心所欲地进行花色修饰。
其原因是：花色素形成途径是一个非常复杂的代
谢过程，受多种元件和因子调控。目前，三大
类色素研究中，以类黄酮较多，而对类胡萝卜素
与甜菜色素着色机制的了解甚少，尤其是代谢途
径中各种酶在各物种体内的竞争机制以及与中间产
物相互作用的研究仍然是花卉基因工程育种中需要
解决的问题。另外，由于转基因在植物细胞内的
多种表现(如激活、沉默等)很难控制，所以，插
入基因的稳定性及其是否稳定遗传也是花卉基因育
种走向商业化过程中应注意的问题。
近年来，花色基因工程的研究日益加快，已
发现了一些影响花色的新基因与修饰花色的新方
法，育种工作者为人们展示了五彩缤纷的花卉世
界。相信今后随着基因活性调控机制的揭示和基
因工程技术的不断完善，花色基因工程将有更广
阔的应用前景。
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