秦 军,潘腾飞,郭志雄,潘东明
(1.福建农林大学园艺产品贮运保鲜研究所 350002; 2.福建农林大学园艺学院)
多花水仙花色基因与遗传转化研究进展
秦军1,2,潘腾飞1,2,郭志雄1,2,潘东明1,2
(1.福建农林大学园艺产品贮运保鲜研究所350002; 2.福建农林大学园艺学院)
摘要:综述近年来多花水仙在花色基因研究与遗传转化研究方面的进展,包括多花水仙花色成分、花色基因的克隆及其表达调控、花色基因的遗传转化等方面,分析该领域存在的问题,并对其应用前景进行展望。
关键词:多花水仙;花色;基因克隆;遗传转化
多花水仙(NarcissustazettaL.)是石蒜科水仙属多年生草本植物,原产于地中海沿岸地区。英国皇家园艺协会按照花的形态特征将水仙属植物分成12大类,多花水仙即为其中重要的一个类型。多花水仙在世界各地分布广泛,国内主要分布在福建、浙江以及上海等地,其中又以福建为主要产地。福建多花水仙主要有3大类9个品种,花色有白花、黄花、两色花3种[1],其中包括中国十大名花之一的中国水仙金盏银台等品种。多花水仙花姿秀美、芳香馥郁,极富观赏价值,但是花色却不够丰富,只有橙黄色、黄色、白色。花色是观赏植物最重要的性状之一,影响着花卉作物的商业价值[2],花色创新一直是花卉育种的重要目标之一。由于多花水仙大多是三倍体植物,除了少数二倍体类型,多数种类存在着不同程度的育性降低现象,有些甚至完全不育[3],难以用有性杂交或实生育种等方法培育新品种。植物基因工程的兴起为改良花色提供了全新的途径,在保留其他原有性状的前提下,通过导入外源基因等手段改变植物花色的方法已在多种植物上取得成功,多花水仙花色基因工程的研究及应用近年来报道也较多。本文主要从多花水仙花色成分、花色基因的克隆及其表达调控、花色基因的遗传转化等方面进行综述,为进一步研究提供参考。
1多花水仙花色成分
花的颜色主要是由类黄酮、类胡萝卜素和生物碱三类物质决定[4]。花朵色素的种类和含量是决定植物花色的最重要因素[5]。水仙花色有花瓣和副冠之分,有花瓣与副冠同色的,有两者颜色接近的,也有两者颜色完全不同的品种。水仙属花的色素主要为类胡萝卜素[6-7],Booth[8]认为β-胡萝卜素是洋水仙红色副冠中的主要色素,红色的深浅与其含量相关。还有研究表明,多花水仙花色素成分主要包括类胡萝卜素中的叶黄素和β-胡萝卜素,以及类黄酮中的芦丁、柚皮苷等黄酮醇类和黄烷酮类化合物。黄色副冠中叶黄素含量高于β-胡萝卜素,白色花瓣中两者含量都很低。叶黄素可能与多花水仙副冠黄色的呈色有直接关系,芦丁、柚皮苷则可能起辅助色素作用。多花水仙白色花瓣与黄色副冠的色素成分相似,但是含量都极低,导致花瓣呈现白色[7-11]。
2多花水仙花色基因的克隆与表达调控
花色基因可以分为7类:结构基因、修饰基因、调节基因、影响色素浓度的基因、与花朵结构有关的基因(花瓣特定部位产生色素)、影响花色的基因或因子(共着色、金属离子)和控制色素细胞的形状和分布等形态特征的基因[12]。其中研究较多的是花色素结构基因和调节基因。结构基因直接编码色素物质的合成,调节基因不直接参与色素的形成,但是可以调控结构基因的表达强度和表达模式。多花水仙花色基因的研究近年来主要集中在类胡萝卜素和类黄酮生物合成途径中结构基因和调节基因的克隆与功能分析。
2.1结构基因的克隆与表达调控
2.1.1类胡萝卜素合成途径植物类胡萝卜素生物合成途径目前已经比较清楚[13],此途径中的众多基因也已经在多种植物中被分离和鉴定。植物类胡萝卜素生物合成途径主要分为3个阶段:第1阶段,异戊稀基焦磷酸异构酶(IPI)和牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(GGPS)催化异戊稀基焦磷酸(IPP)形成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP),2分子GGPP在八氢番茄红素合成酶(PSY)催化下,转变成无色的八氢番茄红素。第2阶段,八氢番茄红素在八氢番茄红素脱氢酶(PDS)和ζ-胡萝卜素脱氢酶(ZDS)作用下形成粉红色的番茄红素。第3阶段,番茄红素有两条合成途径,其中一条途径由 ζ-环化酶(LYCE)和β-环化酶(LYCB)共同催化合成黄色的α-胡萝卜素,然后在β-胡萝卜素环羟化酶(BCH)的催化下合成黄色的叶黄质;另一条途径由LYCB催化番茄红素形成γ-胡萝卜素,再在LYCB的作用下合成橙黄色的β-胡萝卜素,β-胡萝卜素在BCH催化下合成β-隐黄质,最后在不同的酶作用下将β-隐黄质转化成辣椒红素、辣椒玉红素和新黄质等。
目前,多花水仙类胡萝卜素合成途径中的多个结构基因如IPI[10]、PSY[14,16-17]、PDS[14-17]、ZDS[15-16,18-20],LYCB[14,16-17,22]、LYCE[16,18]、BCH[21,23]、CRTISO(类胡萝卜素异构酶)[10]、NCED(9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因)[10]等已经被成功克隆。这些花色结构基因及其表达有以下几个特点。
一是基因保守性比较高。多花水仙类胡萝卜素合成途径中的结构基因如PSY、PDS、ZDS、LYCB等在不同物种间具有相当高的保守性,无论是核苷酸序列,还是其编码的氨基酸序列,PSY、PDS、ZDS、LYCB在水仙属植物之间的同源性都非常高,这几个基因与水仙属中的喇叭水仙的核苷酸同源性高达96.0%~97.2%,氨基酸同源性高达95.8%~96.9%;与其他科属的植物同源性也很高,核苷酸同源性达70.0%~83.0%,氨基酸同源性达到80.0%~85.0%[14-15]。
二是LYCB基因组DNA没有内含子。叶一江[16]分析了3种多花水仙LYCB基因组序列和cDNA序列,发现白花水仙1号和黄花水仙2号的基因组和cDNA的核苷酸同源性高达98%以上,氨基酸同源性高达99%;而金盏银台完全匹配,表明3种花色的多花水仙的LYCB基因组DNA没有内含子。
三是基因在植物的各个组织中的表达存在差异。何炎森[10]研究发现,PSY基因在多花水仙橙黄色副冠中的表达量高于黄色花瓣,黄色花瓣显著高于白色花瓣。陈段芬[15]研究发现,多花水仙金盏银台PDS和ZDS基因在开花期的花、叶和根中均有表达,但不同器官表达差异明显,二者在花中表达量高于叶片和根系,花瓣中表达高于副冠。而钟娴等[19]研究发现ZDS在副冠中的表达量比花瓣高。产生这一争议的原因还不清楚,可能是采用的研究方法不同所致。陈段芬采用的是半定量 PCR技术,较容易产生交叉污染和假阳性,可能导致结果的不确定性;钟娴采用的是实时荧光定量PCR技术,相对来说准确性更高。
四是不同花色品种间各基因存在着表达差异。同一发育阶段不同品种之间、同一品种不同发育阶段基因的表达都存在差异。叶一江[16]对3种花色的多花水仙研究发现,PSY、PDS、ZDS、LYCB等4个基因的表达量在3个花色品种中,基本都以黄花水仙为最高,金盏银台次之,白花水仙最低。即随着花色的加深,这4种基因的表达量也逐渐增加。在花发育的不同阶段,这4个基因在金盏银台和黄花水仙中的转录趋势都是先升后降,峰值出现在始花期或者盛花期。而在白花水仙中,这4个基因在整个发育过程中表达量都很低,趋势也不断减弱,特别是PSY几乎不表达。
五是花色的差异是一系列结构基因共同作用的结果。曾原飞等[9]和郑益平等[24]通过对比多花水仙金盏银台和喇叭水仙粉红魅力发现,粉红魅力红色副冠与金盏银台黄色副冠颜色差异是一系列酶基因共同作用的结果。粉红魅力红色副冠中PSY、PDS、ZDS表达增强,积累较多的中间代谢产物番茄红素,同时LYCE和BCH表达减弱,LYCB表达增强,最终导致粉红魅力副冠中β-胡萝卜素大量积累,使其副冠呈现红色,而金盏银台黄色副冠中类胡萝卜素合成分支主要为叶黄素分支,最终产生较多的黄色的叶黄素,从而导致两者副冠呈色的不同。
2.1.2类黄酮合成途径类黄酮生物合成途径是苯丙氨酸代谢途径中的一个支路[4],是植物次生代谢中研究得比较清楚的一大类,合成途径已基本明确。由苯丙氨酸到花青素苷的合成可以分成3个阶段,第1阶段由苯丙氨酸到香豆酰CoA;第2阶段由香豆酰CoA到二氢黄酮醇,这是类黄酮代谢的关键阶段,主要的酶有查尔酮合成酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)和黄烷酮-3-羟化酶(F3H)等;第3阶段是各种花青素苷的合成,关键的酶包括黄烷酮-3′-羟化酶(F3′H)和黄烷酮-3′-5′-羟化酶(F3′5′H)和二氢黄酮醇-4-还原酶(DFR)等,它们最终决定合成花青素苷的种类[25]。
目前,多花水仙类黄酮合成途径中的众多结构基因已克隆得到,如CHS[25-26]、CHI[25,27]、F3H[10-11,28]、F3'H[28]、DFR[28]、FLS(黄酮醇合成酶)[28]、LAR(无色花色素-4-还原酶)[11]、3GT(类黄酮3-氧-葡糖基转移酶)[11,29]等酶基因。多花水仙中这些类黄酮合成途径结构基因及其表达有如下特点。
一是CHS、F3H、F3'H、DFR和FLS基因在多花水仙中同源性较高,这些基因的氨基酸序列与一些其他非水仙属植物的同源性也较高,其中CHS同源性最高,达到81%~86%。而多花水仙中CHI与其他科属植物的氨基酸同源性较差,仅为58%~64%。
二是多花水仙类黄酮生物合成途径的一些相关基因存在多个成员,且多基因家族的不同成员具有不同的表达模式。罗鹏[11]通过对多花水仙金盏银台鳞茎盘进行转录组测序及数据分析,获得4个CHS、2个CHI和3个F3H基因,而且每个多基因家族里的不同成员具有不同的表达模式,4个CHS基因中,CHS2和CHS3与3个F3H基因表达趋势一致,皆是在花发育早期表达量最高,而后逐渐下降。这与蔡雪玲[25]研究结果一致。相对而言,CHI的表达规律不太明显,CHI1在花发育早期的副冠中表达量最高,而CHI2在花发育中期副冠中表达最高。此外,在这些基因中,除了F3H3在花和鳞茎盘中均大量表达之外;其他基因如果在花中大量表达,则在鳞茎盘中极少量表达,反之亦然。
三是基因之间存在着底物竞争。DFR催化二氢黄酮醇合成原花青素和花青素苷,FLS催化二氢黄酮醇转变为黄酮醇,两个酶基因都作用于二氢黄酮醇,故存在底物竞争。罗鹏[11]研究发现,多花水仙金盏银台花瓣中,FLS表达量很高,DFR的表达量却很低,而且花瓣中主要色素是黄酮醇,没有检测到原花青素。相反,在DFR表达量高、含有原花青素的部位(鳞茎盘)FLS的表达量却很低,且没有检测到黄酮醇。鲁娜[28]对3种多花水仙研究发现,DFR表达量在花发育的整个阶段总体上呈现不断上升的趋势,在花开放的末期达到最高,而FLS却正好相反,总体趋势是不断下降的。这说明FLS与DFR存在着底物竞争,在多花水仙中的表达存在此消彼长的现象,在多花水仙类黄酮代谢中可能互相抑制。
四是结构基因的表达具有阶段特异性。同一基因在花的不同发育阶段具有不同的表达量,如CHS、F3H、CHI、FLS在花发育早期表达量最高,而F3'H、DFR在花发育后期表达量最高。蔡雪玲[25]研究发现,3种花色多花水仙中,CHS和F3H基因的表达趋势一致,从花苞期到衰败期4个时期,表达量不断下降,且花苞期表达量显著高于花开放后3个时期,虽然CHI与CHS和F3H的表达模式略有差异,但也是在花的发育早期表达量最高。且这3个基因处于类黄酮合成途径中关键的第2阶段,这些基因在花发育早期即大量表达,可能是为类黄酮代谢积累大量的前期产物,从而作为合成下游类黄酮物质的基础。
五是类黄酮合成途径中的某些关键酶基因还未从多花水仙中发现。比如被称为蓝色基因的F3′5′H以及花青素合成途径关键酶之一的花青素合成酶(ANS)。黄烷酮-3′-5′-羟化酶(F3′5′H)是合成3′,5′-羟化花青素苷的关键酶,是蓝色和紫色花所必需的酶。多花水仙花瓣和副冠中没有检测到花青素,而且在多花水仙鳞茎盘转录组中没有发现ANS基因的表达[30],可能因此导致多花水仙花色缺少蓝色。至于未来能否在多花水仙中分离到ANS基因,或者多花水仙中根本没有ANS,都还存在疑问。
2.2调节基因的克隆与表达调控
2.2.1转录因子转录因子又称反式作用因子,是指能与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性结合,从而促进或抑制下游目的基因从DNA到RNA的转录调控,保证目的基因以特定的强度,在特定的时间与空间表达为蛋白质分子。有关调控类胡萝卜素合成途径的转录因子鲜见报道,而参与类黄酮合成途径的转录因子的报道相对较多。类黄酮合成途径中的转录因子主要有MYB、bHLH和WD40等3类。目前,这3类转录因子均已从多花水仙中分离获得[11,31],其中对MYB的研究相对较多。
MYB转录因子是类黄酮途径中的一个重要调控因子,对植物经由花青素途径产生的颜色变化起关键作用[32]。Moyano等[33]发现金鱼草中的AmMYB305与AmMYB304基因共同调节合成苯丙烷代谢途径的第1个酶PAL。来自拟南芥的MYB12转录因子能够在转录水平上激活类黄酮合成途径中的关键酶CHS的表达[34]。拟南芥中的AtMYB75的异位表达可使花青素合成途径的所有基因上调[35]。何炎森等[36]通过构建不同颜色多花水仙花瓣的正反向抑制消减杂交文库,荧光定量二次筛选到11个差异表达基因,其中包括许多花色素结构基因和转录因子。说明多花水仙花色的差异可能既有结构基因的参与,也有调节基因的调控。
杨晔[31]从多花水仙金盏银台花中分离得到4条MYB基因,成花过程中这4条基因均有表达,但各自有不同的表达规律。NtMYB1基因在花苞期表达量极低,从花蕾期开始大量表达,花开放后期虽缓慢下降,但表达量一直较高。NtMYB2在花苞期表达量最高,而后在花蕾期急剧降低,之后不断下降,在盛花期几乎不表达。NtMYB3也是在花苞期表达量最高,在花蕾期表达量降至一半,之后在花开放后期表达量大致稳定在花苞期表达量的1/2水平。NtMYB4在整个开花过程中的表达量呈现先升后降的趋势,在花苞期表达量最低,盛花期最高。已有研究表明,多花水仙类黄酮合成途径中的CHS、F3H基因在花苞期表达量最高,之后显著下降。说明NtMYB1很可能是类黄酮合成途径中的转录抑制子,会抑制CHS、F3H的表达。罗鹏[11]从多花水仙金盏银台中分离出MBY1和MBY2两个MBY基因,MYB1促进DFR的表达,MYB2抑制DFR的表达,MYB1和MYB2在对DFR的调控中相互竞争。
3花色基因的遗传转化
目前,多花水仙基因转化方法主要是根癌农杆菌介导法,而基因枪介导法仅有个别报道;转基因研究仍处于初级阶段,多数还停留在报告基因转化的水平。目而的基因的转化与其在转基因植株中的表达和稳定性的报道很少,转基因抗性植株的性状观察还未见报道。由于中国水仙是单子叶植物,农杆菌对其不甚敏感,故转化效率不高。近年研究表明,在单子叶植物转化过程中加入乙酰丁香酮可提高转化率,对这一方法的应用有待深入探讨。从目的基因转化多花水仙的技术策略而言,主要有以下几种技术策略。
3.1反义RNA技术
反义RNA技术,也叫反义抑制法,是进行花色修饰常用的基因工程技术,通过克隆决定花色的酶基因,反向转入到目的植株中,产生的DNA转录产物与内源的互补mRNA结合,抑制内源基因的表达,产生花色突变。1988年,Vander Krol等[37]首次将反义CHS基因导入到矮牵牛中,抑制了花色苷的形成,导致了花色变异。此后,反义RNA技术得到了广泛应用。邹清成[14]通过构建多花水仙金盏银台PSY基因的反义表达载体,利用农杆菌介导法导入到金盏银台中,得到了4株转基因植株。Lu等[38]利用农杆菌介导法将反义PSY基因转化进多花水仙,发现内源PSY基因的表达受到了抑制。郑益平等[23]利用农杆菌介导法将多花水仙金盏银台反义BCH基因导入到金盏银台花葶中,获得了抗性小鳞茎。冯莹等[20]采用农杆菌介导法将多花水仙金盏银台反义ZDS基因转化金盏银台带盘鳞茎,获得了12株转基因植株。
3.2RNA干扰技术
RNA干扰是指内源或外源双链RNA被特异的核酸酶降解后产生的小RNA,它能与同源的目标RNA结合,下调或者抑制基因表达,引起靶基因沉默,使其相应的表型功能发生缺失的转录后基因沉默现象[39]。RNA干扰技术具有高效阻抑、特异性强等优点,因而受到广泛关注。廖正平[40]采用农杆菌介导法将构建的LCYERNAi及反义BCH双价植物表达载体导入到多花水仙中,成功获得转基因植株,并用荧光定量PCR技术分析了目的基因在转基因植株的表达情况,发现LYCE和BCH的表达量较非转基因植株显著降低,而且BCH表达量降低幅度没有LYCE的降低幅度大,认为RNAi对基因的抑制作用强于反义RNA技术。
3.3共抑制法
共抑制法,又称正义抑制法,即正向导入一个(或几个) 内源基因的额外拷贝,抑制该内源基因转录产物mRNA的积累,进而抑制该内源基因的表达[41]。该技术已经在菊花[42]、兰猪草[43]等花卉的花色改良上获得成功。并已获得一些新奇的花色,例如红色玫瑰变成粉红色,粉红色香石竹变成浅粉色[4]。曾原飞[22]采用农杆菌介导法将从多花水仙金盏银台花瓣中分离出来的LYCB基因正向导入到金盏银台中,获得了转基因植株,目的基因的表达和性状观察还有待研究。
3.4外源目的基因的引入
此方法是将所研究的植物中原先不具有的一个(或几个)基因导入其中,从而使该研究植物增加一个(或几个)新的性状。例如玫瑰不具有合成蓝色翠雀素必需的F3′5′H基因,可将从其他花卉中分离到的F3′5′H基因转入到玫瑰中,从而获得蓝色玫瑰。叶祖云[44]首次利用根癌农杆菌法,将F3′5′H基因转入到多花水仙金盏银台中去。戴艺民等[45]将矮牵牛中正向Hf2基因和牵牛中的反向DFR基因构成双元表达载体,利用农杆菌法导入多花水仙金盏银台愈伤组织中,得到了3株转基因植株。
3.5转录因子的引入
转录因子可以调控结构基因的表达,通过引入转录因子可以引起植物体内特定花色素合成途径的改变,从而导致花色的变异。将转录因子引入矮牵牛中,在原来不产生花青素的组织中发现了新合成的花青素[46]。温超[47]将MYB转录因子用基因枪法导入到多花水仙金盏银台花中,进行瞬时表达研究,发现花瓣和副冠均产生红色斑点。说明外源调控因子MYB对多花水仙花色苷代谢途径产生影响,MYB诱导结构基因的表达,使得多花水仙花瓣和副冠中产生花青素类物质,从而引起其颜色的变化。
4问题及展望
4.1存在的主要问题
4.1.1分离得到的一些花色素结构基因的拷贝数还不确定,色素基因可能存在着多拷贝或者多基因家族,确定拷贝数对于分析基因功能有重要意义。将来可以通过southern或者northernblot分析基因的拷贝数,然后用荧光定量检测其相对表达量,验证基因作用。
4.1.2分离到的花色相关基因的功能还有待深入研究,目前的研究多集中在花色基因的分子信息学分析和表达分析上,且表达分析基本是在mRNA转录水平上,蛋白质水平的表达分析还未见报道,今后应加强这方面的研究。
4.1.3类胡萝卜素和类黄酮共同着色的机理还未有研究。多花水仙中同时存在着这两类色素,目前还不确定是以哪种合成途径为主、哪种为辅,或者是否两者作用相当,都还有待深入研究。
4.1.4稳定、高效的遗传转化体系还未建立。多花水仙基因转化方法主要是农杆菌介导法,由于水仙是单子叶植物,农杆菌对其不甚敏感,故转化效率不高,提高转化效率以及寻求多元化的转化方法已成当务之急。此外,目的基因转化多花水仙的报道还不多,且大多数是单个目的基因的导入,这有可能会因为单基因表达强度不够或作用机制单一而不能获得理想的结果。未来可以尝试同时转入两个以上的基因。
4.2前景展望
多花水仙花姿秀美,清香素雅,具有极高的观赏价值,但花色不够丰富。多花水仙花色基因工程的不断发展和成熟,为解决这一问题提供了新的思路和途径,随着研究的不断深入,有望获得色香形俱佳的多花水仙新品种,这无疑将极大地提升多花水仙的观赏价值和经济价值,对于促进我国水仙产业的发展具有深远的意义。
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(责任编辑:林玲娜)
收稿日期:2016-02-26
作者简介:秦军,男,1990年生,硕士研究生。 通讯作者:潘东明,男,1956年生,教授(E-mail:pdm666@126.com)。
基金项目:福建省花卉苗木品种引进与研发创新项目([2013]42号)。
DOI:10.13651/j.cnki.fjnykj.2016.04.020
Research progress inNarcissustazettaflower color gene and the genetic transformation
QIN Jun1,2,PAN Teng-fei1,2, GUO Zhi-xiong1,2, PAN Dong-ming1,2
(1.InstituteofStorageScienceandTechnologyofHorticulturalProducts,FujianAgricultureandForestryUniversity,FujianProvince, 350002; 2.CollegeofHorticulture,FujianAgriculturalandForestryUniversity,FujianProvince)
Abstract:Research progress in Narcissus tazetta flower color gene and the genetic transformation in present years were reviewed, including the flower color composition, gene cloning, gene expression regulation, the genetic transformation of flower color gene etc. And the existed problems were analyzed, and developing prospect in the study area were briefly evaluated.
Key words:Narcissus tazetta; flower color; gene cloning; genetic transformation