观赏植物花色突变的原因及研究现状

龚元旦

摘要：本文归纳了引起花色自然突变可能原因；同时，介绍了花色突变机制研究现状，以期为观赏植物花色突变机理研究提供一些理论基础。

关键词：观赏植物；花色；花青素苷；突变

花色是决定花朵观赏价值的重要质量指标之一，探究观赏植物花色自然突变原因和机理，利用花色突变体开展花色形成机理研究，对花色改良具有重要意义。

1 引起花色突变的主要原因

花色与花瓣所含的色素种类、含量、分布以及花瓣细胞结构都有着密切的关系。此外，细胞液泡pH值、辅助着色物质、金属离子等内在因素也会显著影响花瓣的颜色。外在因素有温度、光照、土壤、激素等。类黄酮及类胡萝卜素的生物合成途径已清晰阐明，表明花色表型由花色素基因、花色素量基因、花色素分布基因、助色素基因、易变基因和控制花瓣内部酸度的基因协同表达而实现的，也必须由调节基因控制结构基因的表达强度和模式。

1.1 结构基因突变

编码花色合成关键酶的各种结构基因是花青素苷合成遗传调控过程中的直接执行者。结构基因的重复，以及基因组中存在大量的可移动因子，造成了花色突异的多样性。花青素苷代谢途径中，CHS、CHI、F3H、DFR、ANS和3GT的编码基因是花青素苷合成所必需的关键基因群。CHS、F3H、DFR基因都是基因家族成员，这些基因家族一个基因经过重复并进化造成的结果，是丰富花色变异形成的原因之一。

1.2 调节基因调控

类黄酮合成中结构基因的差异性表达受控于转录因子，且转录因子能够连接到直接受外界环境条件影响的信号传导途径，因此编码这些转录因子的调节基因对花青素苷的合成，花朵的呈色起十分重要的调控作用。

目前研究较多的调控因子主要是Basic-helix-loop-helix（bHLH）类、R2R3-Myb类和WD40类转录因子，它们在植物种间功能保守，具独特靶基因。bHLH和Myb常成对起作用，结合在启动子序列相邻的识别位点上，激活结构基因。WD40类在蛋白质之间的相互作用中起重要作用。

1.3 基因突变与花瓣细胞液泡pH值、形状和结构

花瓣细胞液泡pH值直接影响花色素的颜色表现。花青素苷呈色具pH依赖性：pH＜2时显红或黄色；2＜pH＜3时显红或蓝色；pH＞6时显多种色；pH为3～6时形成无色甲醇假碱，可再转化为无色的顺式和反式查尔酮。花瓣细胞液泡的pH值由相应的pH基因调控。pH基因可能通过影响液泡膜上的H+ATP酶的亚基组成，调控液泡内的pH值。目前，在矮牵牛中已经定位了7个与pH值有关的基因，任何一种基因的隐性表达都会使花色向蓝色系转变。在三色牵牛、月季的花色研究中，pH基因突变导致了其花色的突变。

1.4 其它因素

当花朵中的络合作用产生可遗传变异时可能导致花色的突变。外界因子，如光照、温度、糖类以及激素类的诱导也可能是引发花色突变的原因之一。

2 花色突变机理研究进展

2.1 花色与花色素组分

花色的测定一般采用目视测色、英国皇家园艺比色法（RHSCC）以及分光色差仪测定。目视测色与RHSCC法的优势在于携带方便且可以随时随地进行描述，缺点则是主观性强；分光色差仪将颜色数字化描述，精确度高、客观性强。目前一般采用目测结合比色卡色差仪对花色进行描述，如菊花、非洲菊、长筒石蒜等。

2.2 基因组多样性研究

花色突变体的产生从本质来说大部分是由基因突变引起，目前，各种分子标记技术的广泛应用为观赏植物花色品种遗传变异分析提供了有利途径。如利用RAPD分子标记技术分析金盏菊等不同花色品种间的遗传差异，分析控制不同花色形成的基因之间的联系；利用AFLP技术分析40个春剑品种之间的遗传多样性和亲缘关系，对13个牡丹品种花朵9个数量性状进行测定并进行数量遗传分析、聚类分析等；利用AFLP和SRAP技术分别对小菊花粉色花芽变与黄色花对照的DNA进行多态性分析，探索其遗传多态性分子标记对3种不同花色紫茉莉群体进行遗传变异分析等。

2.3 花青素苷合成途径结构基因的时空表达特征

花青素苷合成途径结构基因的时空表达特点与花色呈现的关系在许多物种上都研究过。如亚洲百合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，这说明基因的表达与花青素苷的产生相协调；矮牵牛结构基因协同调控花冠的颜色，CHS、CHI和DFR在花冠着色前己经表达, 且mRNA的积累速率是一致的。三花龙胆中，CHS和CHI的表达贯穿花朵发育始终，F3′H在花发育早期高表达，F3H、F3′5′H和DFR在花发育晚期表达；蝴蝶兰（Phalaenopsis hybrida）中，F3′5′H在花瓣开放早期不表达，在晚期高丰度表达。

2.4 花青素苷的转录调控研究

研究表明，转录因子在花青素苷生物合成整条通路中并非完全协同调控。金鱼草中， delila调控因子不影响CHS的表达，而调控F3H、DFR、3GT基因。当delila和Eluta发生突变后导致CHS和CHI在无色的花冠中表达，而其它基因均没有表达；紫罗兰（Matthiola incana）白花突变体的形成是由于花青素苷的生物合成中断在bHLH类调节基因调控DFR的起始阶段；矮牵牛的调节基因Delila、Eluta、Rosea在花青素苷生物合成的后期起调节作用，而对CHS和CHI的调控较弱。同时，矮牵牛AN1、AN2、AN10和AN11不能调控CHS、CHI和F3H的表达，而能调控3GT和DFR的mRNA转录本，这表明转录因子对矮牵牛花青素苷合成的调控开始于DFR以后。

2.5 突变体蛋白组学分析

突变体蛋白质组学研究为寻找花色突变个体与野生型个体之间蛋白表达谱及表达量差异、发现花色素苷合成途径中差异表达蛋白质种类提供了有效途径。张志伟等将唐菖蒲（Gladiolus hybridus Hort．）一变异株与对照株进行同功酶及SDS- PAGE（Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrohoresis）电泳的比较分析，结果显示变异株中有3条特异性表达的蛋白条带，这些特异性表达的蛋白可能与花色和花序调控有关；苏媚用SDS-PAGE 电泳技术分析菊花嵌合体与对照株蛋白组的差异，发现嵌合体与对照株花瓣中蛋白的种类和含量存在明显差异，其中CHI、F3H两种酶的丰度差异显著(苏媚 2011)。

2.6 功能性启动子的探索

目前，很多花青素苷合成途径相关基因，如DFR、CHS、CHI、F3H、Lc等基因已成功在各种植物中被克隆并转化到拟南芥、矮牵牛等模式植物中表达，诱发转化植株花色或叶色的改变。一些科学家已作了不少尝试，目前采用高效、花色特异的启动子向花色突变体转基因的研究尚未见报道。因此，寻找合适的、高效的花特异型启动子，构建高效的遗传转化体系为花色突变体转基因的研究开拓了一个新的领域。

3 结语

观赏植物花朵花瓣的颜色受多种内外因子的影响，是各种因子共同作用的结果，因此花色突变体产生的原因也是一种或多种因素互作的结果，需要从多个方面同时研究，联系起来共同探索。花色变化过程的调控很复杂，相关基因的突变也具有多方向性、不确定性，使得花色突变体的研究还有很大的探索空间。值得庆幸的是不断发展成熟的生物技术为我们探寻花色形成机理的目标提供了保障，相信在不久的未来花色突变的机理会越来越明晰。

参考文献

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5 苏媚.菊花花色嵌合体生物学特性及形成机理研究.苏州, 苏州大学，2011（4）

（责任编辑张芝）