彩叶植物分子育种的技术途径探讨

植物育种学论文热门推荐范文10篇之第四篇：彩叶植物分子育种的技术途径探讨

　　摘要：彩叶植物在园林绿化中应用日益广泛，但彩叶树种类不丰富。采用分子育种技术创制新彩叶树种是解决彩叶树种缺乏的重要方法。该文综述了以叶色为目标的植物分子育种的技术途径，包括植物叶片呈色机理、叶绿素合成、花青素苷合成、类胡萝卜素合成等途径的研究进展，重点阐述了花青素苷的合成途径、关键基因和转录调控等叶色育种关键问题，并对将来叶色分子育种的方向做了展望，以期为彩叶树种创制提供参考。

　　关键词：彩叶植物； 花青素苷； 分子育种； 呈色机理；

　　彩叶植物是一类在生长季节或生长季节的某些阶段全部或部分叶片呈现非绿色的植物[1].彩叶植物涵盖草本、灌木和乔木，叶片呈现红色、紫色、黄色、白色、蓝色、斑块杂色等多种类型，因其色彩鲜艳、观赏价值高、栽培容易等特点，在园林绿化中发挥着越来越重要的作用，如紫叶酢浆草Oxalis triangularis、黄栌Cotinus coggygria、红花檵木Loropetalum chinense var.rubrum、红枫Acer palmatum和紫叶李Prunus ceraifera[2].除了天然的彩叶植物外，还有由叶色突变体演化而来人工培育的彩叶植物，如叶色黄化突变植物，金叶国槐Sophora japonica、金叶女贞Ligustrum vicaryi、金叶榆Ulmus pumila cv.jinye[3];叶红色突变植物，如由芽突变体培育的中红杨Populus×euramericana'zhonghong'和全红杨P.×euramericana'quanhong'[4].

　　随着城乡绿化的不断发展，对园林植物布局和构图中的彩化、亮化的要求越来越高，尤其是北方，冬季需要更多色彩丰富的彩叶植物装点城市和乡村。目前，以改变叶色为育种目标的研究较少，本文通过综述彩叶植物呈色生理机理、研究其分子育种途径，可为彩叶树新品种分子育种设计打下基础，不仅具有实际应用价值，还对色素合成和代谢机理研究具有理论意义。

　　1 彩叶植物叶片呈色生理机制

　　在遗传因素和外部环境的相互作用下，植物的叶色呈现出不同的色彩，其表现结果与叶片细胞内含有的叶绿素（chlorophyll）、类胡萝卜素（carotenoid）和花青素（anthocyanidin）这3种色素的种类、质量分数以及在叶片中的分布有关[5,6].叶色还与生物碱的其他水溶性色素有关，如甜菜素、小檗碱、罂粟碱等。由于它们在含花青素的植物中从未发现过，研究较少。

　　叶绿素是绿色植物中含量最多的色素，在叶片中常结合在叶绿体的类囊体膜上[7],对叶片呈色起重要作用。叶绿素主要由叶绿素a和叶绿素b组成，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色[8].

　　花青素苷（anthocyanin）是类黄酮类化合物（flavonoid）的一种，也常被称作花色素苷或花青苷，由花青素与糖基结合而成。花青素苷在细胞质和内质网膜内合成，进而以糖苷的形式被运输到液泡，是色素的一种，具有水溶性，又因其吸光性而呈现出粉色、紫色、红色及蓝色等[9].细胞液呈酸性，花青素苷含量越高，叶片越红；细胞液呈碱性，叶色偏蓝。

　　植物叶片中另一种重要的色素即类胡萝卜素，有别于花青素苷的水溶性特征，类胡萝卜素具有脂溶性。类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素两大类[10],通常镶嵌于叶绿体和有色体膜中。其中胡萝卜素呈橙黄色，叶黄素呈黄色，二者性质均稳定，不易分解[11].

　　植物叶片中的色素种类及其比例发生变化，会导致植物呈现彩色。叶绿素合成受抑制、叶绿体蛋白突变等因素会引起叶绿体结构改变，从而改变各种色素在叶绿体中的含量及比例变化。楚爱香等[12]对叶片呈色机理研究结果表明：当叶片呈现绿色时，叶片中叶绿素质量分数大于60%;当叶绿素比例小于60%时，类胡萝卜素和花色素苷的比例则会决定哪种色彩占优势，当其中一种色素比例占有绝对优势时，叶片呈现该色素的色彩，当两者比例相当，则呈现出混合色彩。

　　2 叶色分子育种之叶绿素途径

　　叶绿素合成与降解的主要场所是叶绿体，其代谢途径中任何基因突变均可能影响叶绿素的正常代谢，改变叶绿体中色素比例，引起植物叶色变异，从而影响光合作用效率和干物质产量。所以叶绿素分子育种是改变植物叶色的重要途径。

　　2.1叶绿素生物合成途径

　　高等植物中，叶绿素生物合成途径研究得比较清晰。高等植物叶绿素的合成以谷氨酸为前体，最终合成叶绿素a和叶绿素b,共经过20步反应，由30多个基因编码的18种关键酶参与[13,14].在叶绿素代谢途径中，基因突变的位置会影响叶色突变的表现。当叶色呈现黄化、白化现象时，通常突变发生的位置越靠前；当叶色只表现出条纹、斑叶等性状时，突变通常发生在叶绿素合成的后面阶段[15].Kim等[16]诱导烟草（Nicotianatabacum）谷氨酰-tRNA合成酶（GluRS）基因沉默，从而导致叶片呈严重的黄化表型，表明其表达量降低导致叶绿素含量降低。

　　镁螯合酶（MgCh）是由ChlI、ChlD和ChlH 3个亚基组成的蛋白复合体，通过催化Mg2+结合原卟啉形成镁原卟啉，来保证叶绿素生物合成。研究表明，叶绿素的合成无法正常进行，可能是由于镁离子螯合酶出现问题，从而导致叶色突变[17].Zhang等[18]研究发现，在水稻黄化突变体chlorina-1中镁原卟啉IX含量显著低于对照，说明从原卟啉IX到镁原卟啉IX的反应受阻，使叶绿素合成减少。

　　2.2血红素代谢途径

　　血红素是植物体内一类重要的生物大分子，在多种生物途径包括氧代谢和转移、电子传递和次生代谢过程中发挥重要作用[19].四吡咯是植物体内叶绿素和血红素生物合成的骨架结构和共同前体，其生物合成途径在原卟啉IV处分为叶绿素合成途径和血红素合成途径两个分支[14].由于植物体中血红素和叶绿素合成具有共同的前体和路径，细胞内血红素含量对叶绿素生物合成具有一定的反馈调节作用，血红素代谢异常会导致叶绿素合成异常，从而导致叶色发生变化。Chen等[20]研究产生黄叶表型，是通过辐射诱变获得了一个叶色突变体，将约7 kb的片段插入其编码血红素加氧酶的YGL2第1外显子。

　　3 叶色分子育种之花青素苷途径

　　自然界中有600种花青素苷被分离和鉴定，它们主要由6种花青素苷衍生而来，所占比例为：矢车菊素苷（Cyanidin）50%、飞燕草素苷（Delphinidin）12%、天竺葵素苷（Pelargonidin）12%、芍药花素苷（Peonidin）12%、矮牵牛素苷（Petunidin）7%和锦葵素苷（Malvidin）7%[21].前3种为基本花青素苷，后3种是衍生花青素苷。花青素苷种类的多样性是其呈色丰富的根本原因，而其代谢分支途径的物种特异性决定了其种类的多样性。

　　3.1花青素苷生物合成途径及关键基因

　　目前公认花青素苷合成始于苯丙氨酸[22,23,24],整个生物合成途径已研究得比较清晰（图1）。整个反应过程可分为3个部分。第一部分反应中，所有化合物的合成均是直线途径，指从苯丙氨酸经苯丙氨酸裂解酶（PAL,Phenylalanine ammonia-lyase）催化苯丙氨酸形成肉桂酸至生成查尔酮。第二部分反应，始于查尔酮合成柚皮素，合成的二氢黄酮在3种羟化酶的作用下产生3种重要的花青素。第三部分，由3种花青素最终得到多种花青苷。第二部分和第三部分反应途径存在多条支路[25,26,27],生成的化合物种类也较多，包括黄酮醇和花青苷。

　　查尔酮合酶（chalcone synthase,CHS）是花青素苷合成途径的核心酶，从代谢途径上看，查尔酮合成酶的功能是将非黄酮类物质转化为黄酮类物质，其活性决定花青素苷的有无，在花青苷合成过程中起到决定性作用。当矮牵牛组织中存在大量CHS基因的反义RNA时，矮牵牛花中花青苷的积累会降低，其花色就会发生改变[28].同样采用该技术，通过干扰CHS基因的表达，可使油点草的花色由红色转为粉红色[29].

　　图1 花青素苷的生物合成途径  

　　查尔酮异构酶（CHI）主要是通过提高上游产物水平来提高植物组织水平的花青苷含量。其调控机制与CHS基因相似。对银杏研究表明，CHI表达水平与其叶片黄酮类物质积累量存在明显的正相关性[30].

　　花青素苷代谢通路上的柚皮素（naringenin,NAR）和二氢山奈酚（dihydrochaemferol,DHK）是两个关键的分支节点（图1），节点上的关键酶具有不同的竞争机制，并且分支途径的下游酶往往具有底物特异性[31],这是导致不同植物中花青素苷合成途径复杂性的两个主要原因。

　　柚皮素（NAR）是花青素苷合成的第一个关键分支点，涉及3个关键酶。其中，F3H是合成天竺葵素的关键酶，而在矢车菊素及飞燕草素的合成过程中，还分别需要黄烷酮3'-羟化酶（flavanone3'-hydroxylase,F3'H）及黄烷酮3',5'-羟化酶（flavanone3',5'-hydroxylase,F3'5'H）参与[32].

　　二氢山奈酚（DHK）是花青素苷代谢第二个分支点。二氢黄酮醇是合成黄酮醇的前体物质，在二氢黄酮醇4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase,DFR）作用下，二氢黄酮醇被还原为无色花青素苷元。黄酮醇合成酶（flavonol synthase,FLS）和DFR之间竞争会影响呈色和黄酮醇的生成量[33,34].

　　二氢黄酮醇还原酶（DFR）的主要功能是催化二氢黄酮化合物，如二氢山奈酚、二氢杨梅素和二氢槲皮素，形成无色花青素。DFR是决定类黄酮类化合物进入花青苷合成途径的关键酶。Moria等学者将非洲百合的DFR基因转入烟草进行过量表达，结果显示白色的烟草花朵变成红色[35].若对DFR进行表达干扰，则花色会变为白色[36,37].

　　类黄酮糖基转移酶（UFGT）具有将糖基转移到黄酮基团上的功能，进而形成稳定的花青素糖苷，是完成合成花青苷最后一步反应的关键。植物花青苷合成途径过程中，对显色调控最关键的基因就是UFGT.植物花青苷含量与UFGT酶和基因表达水平一般呈显著正相关。从分子调控角度看，植物呈现深红色或紫色等较深的颜色是UFGT过量表达的结果，而ANS或DFR过量表达仅使颜色加深至粉红色或淡紫色。对苹果属观赏海棠的研究表明，矢车菊色素苷是主要的花青素苷物质，同时矢车菊色素苷含量的变化与McUFGT相对表达量变化趋势基本一致[38].

　　3.2花青素苷转录水平的正调控

　　由于转录因子能够激活或阻遏多个下游功能基因的表达，控制单个转录因子比控制多个结构基因更能有效地促进色素的合成和积累，因此叶色育种研究的关键就在于研究花青素苷与转录因子合成途径结构基因之间的调控与互作关系。

　　MYB类、bHLH类和WD40类是调节花青素苷合成的主要转录因子，由3者组成的MYB-bHLH-WD40蛋白复合体（MBW）对植物花青苷起正向调控作用，大部分植物花青素苷的合成均是由MBW蛋白复合体结合到结构基因的启动子上进行调控的[39,40].当前对MYB蛋白基因MYB功能研究得较为热门，科研人员在云南红梨成熟过程中发现和花青苷含量的积累呈现正相关性是MYB基因表达量[41],可以确定多数MYB基因可以正向调控植物花青苷合成[42,43].

　　MBW转录复合体对不同代谢通路上结构基因的表达调控是十分精确的。例如，拟南芥中的TT2（R2R3-MYB）-TT8（bHLH1）-TTG1（WDR）转录复合体可以激活原花青素苷合成途径上DFR、ANS、BANYULS和TT19等基因的表达[44].bHLH和WD40蛋白和基因同MYB蛋白和MYB基因一样也对花青苷积累起到正向调控作用，研究人员发现WD40和bHLH蛋白的调控是起到决定性作用，可体现在苹果果实变红的过程中[45,46].

　　3.3花青素苷合成的负调控

　　黄酮合酶（FNS）催化柚皮素合成黄酮[47],在植物体内积累黄酮时可以发挥重要作用。合成过程中该途径会消耗柚皮素，影响花青苷的合成，从而降低花青苷的积累。Deguchi[48]研究表明，采用反义RNA技术干扰大丽花的FNS基因表达，会使花瓣中积累大量的花青苷。

　　黄酮醇合酶（FLS）具有催化二氢黄酮转化为黄酮醇的功能，由于该途径会与DFR途径竞争相同底物，因此花青苷合成可以被FLS途径反向调控[49],同时也有不少证据表明，FLS和DFR途径同物种植物红色和白色花瓣产生的原因有密切关系[50].

　　无色花青素还原酶（LAR）和花青素还原酶（ANR）分别转录无色花青素还原酶和花青素还原酶，这两种酶分别催化无色花青素合成儿茶素和表儿茶素，这两种物质是茶多酚主要成分，因此这两种合成途径将花青苷和多酚进行了关联[51].研究表明，茶树Camellia sinensis叶片在生长过程中，叶片中原花青素含量上升和花青苷含量降低都与无色花青素还原酶基因LAR和花青素还原酶基因ANR表达量上调有关[52].

　　4 叶色分子育种之类胡萝卜素途径

　　类胡萝卜素是由异戊二烯骨架构成的C40或C30萜类化合物，是一类重要的天然色素的总称，在自然界中广泛存在。在少数细菌中还存在C45和C50的类胡萝卜素[53].自从19世纪初分离出胡萝卜素，迄今已发现近800种天然类胡萝卜素[54].由于其分子中普遍存在共轭双键结构，因此在可见光下呈红色、橙色或黄色[55].

　　类胡萝卜素作为一类重要的植物色素，在合成途径方面开展了大量研究[56,57],由于其合成途径十分复杂，现在对其的研究主要是在食品工程的提高玉米[58]、水稻[59]、番茄[60]和马铃薯[61]中的类胡萝卜素含量方面，在叶色分子育种应用研究方面未见报道。

　　5 展望

　　彩叶植物在园林绿化中应用日益广泛，但中国北方仍然缺乏抗寒的彩叶乔木树种，北方冬季色彩单一仍是当前亟待解决的问题。由于抗寒彩叶树种缺乏，抗寒树种的叶色分子育种是创制抗寒彩叶树的重要技术途径。前期研究表明，叶色分子育种有叶绿素合成、花青素苷合成、类胡萝卜素合成等几种途径可供选择。

　　对于类黄酮类植物色素花青素苷的合成途径目前已进行了较多的研究[62],尤其是在花色育种方面取得较大成绩[63],由于通过分子育种手段改良植物的叶色有赖于优质的基因资源，因此在叶色分子育种方面还需要从分子设计和搜集资源两方面开展更为深入的研究。

　　叶绿素的合成途径和降解途径也研究得很深入，通过对叶片白化、黄化、浅绿、白翠、绿白、黄绿、绿黄、条纹和常绿等[64]表型研究，在水稻[65]、玉米[66]、羽衣甘蓝[67]等植物叶色突变体研究方面取得重要进展。不过，当前的叶色育种一般都是叶色突变或芽突变的选择育种研究，比如金叶榆、中华红叶杨等，有明确目的的彩叶分子育种，在叶绿素途径方面还有待深入开展。

　　类胡萝卜素呈色色彩艳丽，通过研究其生物合成和代谢途径开展深入的分子育种设计是比较有前途的育种途径，是未来彩叶植物分子育种发展新方向。

　　随着模式植物功能基因组学、代谢组学、蛋白组学和表观遗传学等研究的不断深入，新技术和新方法的不断涌现，彩叶植物分子育种会获得更快发展。

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