花色基因工程1課件1

花色基因工程1(1)2023/6/6花色基因工程1(1)

意義

花是觀賞植物的主要觀賞部位,花色五彩斑斕,是花卉最主要,最直觀的性狀之一。但具體到某一種(類)花卉,特別是一些名貴花卉,花色卻很有限。如月季、郁金香、康乃馨缺少藍(lán)色和紫色;非洲紫羅蘭、仙客來、天竺葵、矮牽牛缺少純黃色;鳶尾、紫羅蘭缺少紅色和磚紅色,這些問題運用傳統(tǒng)雜交育種方法無法解決。因此,對花色基因工程的研究具有重要意義?；ㄉ蚬こ?(1)比如玫瑰缺少藍(lán)色、紫色品種，并且傳統(tǒng)育種方法很難培育出，而通過基因工程手段卻能使這一目標(biāo)得以實現(xiàn)?；ㄉ蚬こ?(1)主要內(nèi)容一.花色形成的主要因素二.基因工程修改花色的方法(在黃酮類色素的應(yīng)用）1反義技術(shù)2共抑制技術(shù)3RNA干擾技術(shù)花色基因工程1(1)三.表達(dá)外源黃酮類色素（多基因調(diào)控）四.其他黃酮類物質(zhì)在花色基因改良上的應(yīng)用（共色作用）五.最新研究進(jìn)展（調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子基因）花色基因工程1(1)一、影響花色形成的主要因素園林植物的花色素主要由黃酮類色素、類胡蘿卜素和生物堿等次生代謝產(chǎn)物。此外，花的顏色還受液泡液pH值、分子堆積作用等其他一些因素的影響?；ㄉ蚬こ?(1)類胡蘿卜素廣泛存在于植物體內(nèi)，參與植物光合作用等重要生命活動，基因工程操作難度較大。生物堿類物質(zhì)雖然不是植物必須的代謝產(chǎn)物，但是目前代謝機(jī)理了解的比較少。黃酮類色素是研究較多的次生代謝產(chǎn)物，其生物合成途徑已在、玉米、矮牽牛等高等植物上得到述，分子機(jī)理較為清楚?；ㄉ蚬こ?(1)苯丙烷途徑木質(zhì)素P-香豆酰輔酶A苯丙氨酸三個丙二酰-CoA4,2’,4’，6’-四羥基查耳酮金魚草6-O-葡萄糖苷3-脫氧花色苷柚皮素黃酮類化合物二氫山萘酚二氫五羥黃酮二氫楊梅素黃酮醇類矢車菊素天竺葵素翠雀素糖苷花青素花色苷（花色素）黃酮類色素合成途徑CHSC4’GT,ASCHIF3HFNSGT,ANS,FNRF3'HCF3'5'HFLSDFRDFRDFRANSANSANSGT,MT,AT花色基因工程1(1)二、基因工程技術(shù)修改黃酮類色素合成途徑的方法改變花顏色調(diào)控內(nèi)源黃酮類色素表達(dá)水平調(diào)控花色的方法就是通過抑制色素生物合成酶，減少內(nèi)源色素合成。查爾酮合成酶（CHS）是黃酮類合成時所需的中間產(chǎn)物，所以主要是通過抑制查爾酮合成酶基因表達(dá)從而達(dá)到目標(biāo)?；ㄉ蚬こ?(1)首先明確決定花花色素的代謝途徑中催化各反應(yīng)步驟的酶（查爾酮合成酶），克隆編碼查爾酮合成酶（CHS）的基因，反向轉(zhuǎn)入到目的植株中，外源DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物與內(nèi)源的互補mRNA結(jié)合，而抑制目的植株中這些生化物質(zhì)的合成。反義技術(shù)利用反義手段構(gòu)建查爾酮合成酶表達(dá)載體，并通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法導(dǎo)入粉紅色菊花品種中，結(jié)果得到了全白色或淡粉色花。花色基因工程1(1)共抑制法緊接著，共抑制方法也被證明在花色改良上是有效的。

共抑制法是指在植物體內(nèi)導(dǎo)入內(nèi)源基因的額外拷貝，抑制該內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA的積累，從而抑制該內(nèi)源基因的表達(dá)。反義和共抑制方法目前應(yīng)用的較少利用共抑制作用已獲得多種新花色的花卉，如紅色玫瑰變粉紅，粉紅色香石竹變成淺粉，紫色矮牽?；ㄗ兂砂咨??；ㄉ蚬こ?(1)RNA干擾技術(shù)（RNAi）由于近年來出現(xiàn)現(xiàn)了更有效RNA干擾方法。RNA干涉(RNAinterference,簡稱RNAi)是指一些小的雙鏈RNA(doublestrandRNA,dsRNA)可以高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因表達(dá),促使mRNA降解,誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型。RNAi是一種高效的特異性強的基因阻斷技術(shù)?？梢钥焖俜治霭谢虻墓δ?，近年來發(fā)展迅速,已成為功能基因組研究和反向遺傳學(xué)研究的有力工具?；ㄉ蚬こ?(1)外源性基因隨機(jī)整合到宿主細(xì)胞基因組內(nèi),經(jīng)過特殊的操作，產(chǎn)生一些dsRNA（特殊的雙鏈RNA）。胞質(zhì)中的核酸內(nèi)切酶Dicer將這些dsRNA切割成多個具有特定長度和結(jié)構(gòu)的短雙鏈RNA(大約21~25bp),即siRNA。siRNA與體內(nèi)一些酶結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RISC)。RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物經(jīng)過解旋具有活性，然后與查爾酮合成酶基因轉(zhuǎn)錄的mRNA的同源區(qū)進(jìn)行特異性結(jié)合,具有活性的RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物具有核酸酶的功能,在結(jié)合部位切割mRNA,被切割后的斷裂mRNA隨即降解。RNAi作用機(jī)制花色基因工程1(1)淺紅香石竹粉紅香石竹白色矮牽?；ㄉ蚬こ?(1)三、表達(dá)外源黃酮類色素黃酮類化合物含量在不同花卉品種上差異很大。一些植物能產(chǎn)生某種花青素，而其他品種卻不能。因此，一種比較有希望的方法就是通過轉(zhuǎn)基因方法將外源目的基因?qū)肽繕?biāo)植物。首先是在矮牽牛上導(dǎo)入玉米相關(guān)基因?qū)е禄ㄉ母淖兓ㄉ蚬こ?(1)在藍(lán)花設(shè)計上，藍(lán)花植物的花色素主要是翠雀素糖苷。翠雀素是無色的。但是是通過催化翠雀素（二氫黃酮醇）B環(huán)3‘和5’位置的基團(tuán)的羥化可以形成翠雀素糖苷，但多數(shù)花缺乏都缺乏黃酮類3‘5’羥化酶(F3′5′H)?；ㄉ蚬こ?(1)2004年，三得利公司讓玫瑰具備了制造“翠雀花素”的能力。

染出來的藍(lán)玫瑰——“藍(lán)色妖姬”日本公司培植出的世界上第一株藍(lán)玫瑰花色基因工程1(1)普通香石竹轉(zhuǎn)后香石竹花色基因工程1(1)導(dǎo)入外源DFR（二氫黃酮醇4-還原酶）和F3′5′H基因，無色的二氫楊梅素(翠雀素)變?yōu)樗{(lán)色的翠雀素糖苷。DFR是在不同花色素代謝途徑中對花色素的最終形成起決定性作用的酶。但是不同物種的DFR對底物的選擇性不同，所以合成不同的花色素，呈現(xiàn)的花色各異花色基因工程1(1)應(yīng)用基因工程技術(shù)改良出自然界中不存在的花色菊花玫瑰矮牽?；ㄉ蚬こ?(1)生物合成基因的多重表達(dá)調(diào)控是必不可少的，在許多物種上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在藍(lán)眼菊上，通過RNAi抑制F3′H并且導(dǎo)入非洲菊DFR基因，結(jié)果導(dǎo)致天竺葵色素積累。多基因調(diào)控應(yīng)用該種方法在夏瑾和矮牽牛上多基因表達(dá)調(diào)控已產(chǎn)生各種目的花色?；ㄉ蚬こ?(1)四、其他黃酮類物質(zhì)在花色基因改良上的應(yīng)用夏瑾花通常是紫色和藍(lán)紫色。通過調(diào)控噢哢類合成途徑導(dǎo)致夏瑾產(chǎn)生黃花。噢哢也稱苯亞甲基香豆?jié)M酮，是一種黃酮類，其衍生物和苯基苯乙烯酮類一起構(gòu)成花黃素。噢哢是菊科、玄參科花的黃色素的主要成分花色基因工程1(1)抑制夏瑾內(nèi)源F3H和DFR基因，引入金魚草C4′GT（查爾酮4′－O－葡糖基轉(zhuǎn)移酶）和AS（金魚草素合成酶）基因過量表達(dá)，引起金魚草素6－O－葡萄糖苷（噢哢類）在花瓣上的大量積累。在這個研究中，通過抑制F3′H或DFR基因阻止內(nèi)源花色素積累，引入外援基因表達(dá)進(jìn)而獲得明顯的黃顏色花，也算是多基因調(diào)控的方法花色基因工程1(1)共色作用是指黃酮類及其它有關(guān)化合物與花色素一起呈現(xiàn)增色效應(yīng)，產(chǎn)生從紫色到藍(lán)色的色系。目前的研究，主要是引入相關(guān)DFR基因誘導(dǎo)黃酮類累積，由于共色作用而產(chǎn)生藍(lán)色花卉。共色作用花色基因工程1(1)修飾各種基因，包括引入糖基轉(zhuǎn)移酶，絲氨酸羧肽酶類?；D(zhuǎn)移酶（SCPL）都能使各種底物產(chǎn)生糖基化或?；?。修改底物被廣泛應(yīng)用于花色改良。糖基化和酰基化的花青素修飾是一種潛在的基因工程改良花色的新方法。然而，還沒用利用糖基化和?；揎椈ㄇ嗨仫@著改良花色的報道。花色基因工程1(1)五、花色素基因改良的最新研究策略關(guān)于黃酮類物質(zhì)生物合成途徑相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)控，在開花植物上已經(jīng)被證明是行之有效的改良花色新方法。調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子基因轉(zhuǎn)錄因子是指能夠結(jié)合在某基因上特異核苷酸序列上的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)能調(diào)控其基因的轉(zhuǎn)錄。花色基因工程1(1)例如，R2R3－MYB轉(zhuǎn)錄因子操縱某些花青素生物合成。這些轉(zhuǎn)錄因子通常調(diào)控黃酮類物質(zhì)合成途徑中所需酶的基因。因此，通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子可以有效調(diào)控很多目的基因。R2R3－MYB和bHLH基因被用來調(diào)控擬番茄、矮牽牛、煙草等植物黃酮類物質(zhì)的生物合成。調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子基因花色基因工程1(1)展望從已知實驗結(jié)果表明基因工