觀賞植物花色突變的原因及研究現狀

龔元旦

摘要：本文歸納了引起花色自然突變可能原因；同時，介紹了花色突變機制研究現狀，以期為觀賞植物花色突變機理研究提供一些理論基礎。

關鍵詞：觀賞植物；花色；花青素苷；突變

花色是決定花朵觀賞價值的重要質量指標之一，探究觀賞植物花色自然突變原因和機理，利用花色突變體開展花色形成機理研究，對花色改良具有重要意義。

1 引起花色突變的主要原因

花色與花瓣所含的色素種類、含量、分布以及花瓣細胞結構都有著密切的關系。此外，細胞液泡pH值、輔助著色物質、金屬離子等內在因素也會顯著影響花瓣的顏色。外在因素有溫度、光照、土壤、激素等。類黃酮及類胡蘿卜素的生物合成途徑已清晰闡明，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、易變基因和控制花瓣內部酸度的基因協同表達而實現的，也必須由調節基因控制結構基因的表達強度和模式。

1.1 結構基因突變

編碼花色合成關鍵酶的各種結構基因是花青素苷合成遺傳調控過程中的直接執行者。結構基因的重復，以及基因組中存在大量的可移動因子，造成了花色突異的多樣性。花青素苷代謝途徑中，CHS、CHI、F3H、DFR、ANS和3GT的編碼基因是花青素苷合成所必需的關鍵基因群。CHS、F3H、DFR基因都是基因家族成員，這些基因家族一個基因經過重復并進化造成的結果，是豐富花色變異形成的原因之一。

1.2 調節基因調控

類黃酮合成中結構基因的差異性表達受控于轉錄因子，且轉錄因子能夠連接到直接受外界環境條件影響的信號傳導途徑，因此編碼這些轉錄因子的調節基因對花青素苷的合成，花朵的呈色起十分重要的調控作用。

目前研究較多的調控因子主要是Basic-helix-loop-helix（bHLH）類、R2R3-Myb類和WD40類轉錄因子，它們在植物種間功能保守，具獨特靶基因。bHLH和Myb常成對起作用，結合在啟動子序列相鄰的識別位點上，激活結構基因。WD40類在蛋白質之間的相互作用中起重要作用。

1.3 基因突變與花瓣細胞液泡pH值、形狀和結構

花瓣細胞液泡pH值直接影響花色素的顏色表現。花青素苷呈色具pH依賴性：pH＜2時顯紅或黃色；2＜pH＜3時顯紅或藍色；pH＞6時顯多種色；pH為3～6時形成無色甲醇假堿，可再轉化為無色的順式和反式查爾酮。花瓣細胞液泡的pH值由相應的pH基因調控。pH基因可能通過影響液泡膜上的H+ATP酶的亞基組成，調控液泡內的pH值。目前，在矮牽牛中已經定位了7個與pH值有關的基因，任何一種基因的隱性表達都會使花色向藍色系轉變。在三色牽牛、月季的花色研究中，pH基因突變導致了其花色的突變。

1.4 其它因素

當花朵中的絡合作用產生可遺傳變異時可能導致花色的突變。外界因子，如光照、溫度、糖類以及激素類的誘導也可能是引發花色突變的原因之一。

2 花色突變機理研究進展

2.1 花色與花色素組分

花色的測定一般采用目視測色、英國皇家園藝比色法（RHSCC）以及分光色差儀測定。目視測色與RHSCC法的優勢在于攜帶方便且可以隨時隨地進行描述，缺點則是主觀性強；分光色差儀將顏色數字化描述，精確度高、客觀性強。目前一般采用目測結合比色卡色差儀對花色進行描述，如菊花、非洲菊、長筒石蒜等。

2.2 基因組多樣性研究

花色突變體的產生從本質來說大部分是由基因突變引起，目前，各種分子標記技術的廣泛應用為觀賞植物花色品種遺傳變異分析提供了有利途徑。如利用RAPD分子標記技術分析金盞菊等不同花色品種間的遺傳差異，分析控制不同花色形成的基因之間的聯系；利用AFLP技術分析40個春劍品種之間的遺傳多樣性和親緣關系，對13個牡丹品種花朵9個數量性狀進行測定并進行數量遺傳分析、聚類分析等；利用AFLP和SRAP技術分別對小菊花粉色花芽變與黃色花對照的DNA進行多態性分析，探索其遺傳多態性分子標記對3種不同花色紫茉莉群體進行遺傳變異分析等。

2.3 花青素苷合成途徑結構基因的時空表達特征

花青素苷合成途徑結構基因的時空表達特點與花色呈現的關系在許多物種上都研究過。如亞洲百合DFR與CHS的表達量隨著花的生長發育而增加，開花期間達到最高，這說明基因的表達與花青素苷的產生相協調；矮牽牛結構基因協同調控花冠的顏色，CHS、CHI和DFR在花冠著色前己經表達, 且mRNA的積累速率是一致的。三花龍膽中，CHS和CHI的表達貫穿花朵發育始終，F3′H在花發育早期高表達，F3H、F3′5′H和DFR在花發育晚期表達；蝴蝶蘭（Phalaenopsis hybrida）中，F3′5′H在花瓣開放早期不表達，在晚期高豐度表達。

2.4 花青素苷的轉錄調控研究

研究表明，轉錄因子在花青素苷生物合成整條通路中并非完全協同調控。金魚草中， delila調控因子不影響CHS的表達，而調控F3H、DFR、3GT基因。當delila和Eluta發生突變后導致CHS和CHI在無色的花冠中表達，而其它基因均沒有表達；紫羅蘭（Matthiola incana）白花突變體的形成是由于花青素苷的生物合成中斷在bHLH類調節基因調控DFR的起始階段；矮牽牛的調節基因Delila、Eluta、Rosea在花青素苷生物合成的后期起調節作用，而對CHS和CHI的調控較弱。同時，矮牽牛AN1、AN2、AN10和AN11不能調控CHS、CHI和F3H的表達，而能調控3GT和DFR的mRNA轉錄本，這表明轉錄因子對矮牽牛花青素苷合成的調控開始于DFR以后。

2.5 突變體蛋白組學分析

突變體蛋白質組學研究為尋找花色突變個體與野生型個體之間蛋白表達譜及表達量差異、發現花色素苷合成途徑中差異表達蛋白質種類提供了有效途徑。張志偉等將唐菖蒲（Gladiolus hybridus Hort．）一變異株與對照株進行同功酶及SDS- PAGE（Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrohoresis）電泳的比較分析，結果顯示變異株中有3條特異性表達的蛋白條帶，這些特異性表達的蛋白可能與花色和花序調控有關；蘇媚用SDS-PAGE 電泳技術分析菊花嵌合體與對照株蛋白組的差異，發現嵌合體與對照株花瓣中蛋白的種類和含量存在明顯差異，其中CHI、F3H兩種酶的豐度差異顯著(蘇媚 2011)。

2.6 功能性啟動子的探索

目前，很多花青素苷合成途徑相關基因，如DFR、CHS、CHI、F3H、Lc等基因已成功在各種植物中被克隆并轉化到擬南芥、矮牽牛等模式植物中表達，誘發轉化植株花色或葉色的改變。一些科學家已作了不少嘗試，目前采用高效、花色特異的啟動子向花色突變體轉基因的研究尚未見報道。因此，尋找合適的、高效的花特異型啟動子，構建高效的遺傳轉化體系為花色突變體轉基因的研究開拓了一個新的領域。

3 結語

觀賞植物花朵花瓣的顏色受多種內外因子的影響，是各種因子共同作用的結果，因此花色突變體產生的原因也是一種或多種因素互作的結果，需要從多個方面同時研究，聯系起來共同探索。花色變化過程的調控很復雜，相關基因的突變也具有多方向性、不確定性，使得花色突變體的研究還有很大的探索空間。值得慶幸的是不斷發展成熟的生物技術為我們探尋花色形成機理的目標提供了保障，相信在不久的未來花色突變的機理會越來越明晰。

參考文獻

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（責任編輯張芝）