蓝色花形成的基因工程进展与育种策略

作者：杨超月

花色是观赏植物最受关注的性状，新奇的花色是育种者始终追求的目标。长期以来杂交育种和突变选种是创造新花色的主要方法。花青素是花瓣中普遍存在的花色素，能使花呈现从红到紫红到蓝的变化，花青素在胞质中合成，在液泡中积累[]。在高等植物中花青素的生物合成从查尔酮开始到生成花青素3-葡萄糖苷的途径非常保守（），且研究得比较透彻[]。根据对不同观赏植物花青素生物合成途径的认知，每个物种表达特定的酶基因，只能积累有限种类的花青素苷，因此一个物种拥有全部种类的花色几乎是不可能的。例如，大宗贸易花卉月季、康乃馨和菊花均因不积累飞燕草素为核心的花青素苷而缺少紫色和蓝色的品种。培育蓝色名贵花卉是几辈育种者多年的梦想，基因工程技术为花色育种者打开了一扇大门，使突破物种遗传背景限制，培育新奇的花色成为可能。蓝色花的育种一直是花色研究的热点，近年来获得了大量的研究成果。这期间最突出的成就是月季、菊花、蝴蝶兰等重要花卉蓝色品种的诞生[-]。本文根据已有研究基础[-]总结了蓝色花形成的原因以及近15年蓝色花基因工程育种的基本策略及研究进展。

蓝色花形成的基因工程进展与育种策略

CHS：查尔酮合酶；CHI：查尔酮异构酶；F3H：黄烷酮3-羟化酶；F3'H：类黄酮3'-羟化酶；F3'5'H：类黄酮3'，5'-羟化酶；DFR：二氢黄酮醇4-还原酶；ANS：花青素合成酶；GT：花青素葡萄糖基转移酶；MT：S-腺苷甲硫氨酸：花青素苷甲基转移酶；AT：花青素苷酰基转移酶；FNS：黄酮合成酶；FLS：黄酮醇合成酶图 1 植物花青素苷生物合成途径简图[]

1 蓝色花形成的化学和生理基础 1.1 蓝色花色素

蓝色花最主要的成因在于花青素的化学结构，蓝色花瓣中含有的花青素通常被甲基化、糖苷化和酰基化修饰，被芳香酸如对-香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、对-羟基苯甲酸等多重酰基化是蓝色花中最主要的花青素苷酰基化修饰，芳香酸酰基与花青素形成“三明治”型的分子内堆叠，这使得花青素苷蓝化且更加稳定[-]。酰基化修饰的位置也非常重要，通常在花青素3'-和/或7-位上发生芳香酸酰基化比3-和/或5-位上的芳香酸酰基化对于蓝色的形成更为重要[]。大多数蓝色花主要含有飞燕草素糖苷及其酰基化衍生物，极少数的蓝色花以酰基化的矢车菊素糖苷或矮牵牛素糖苷为主。以飞燕草素为主的蓝色花典型代表有鸭跖草（Commelina communis）、飞燕草（Delphinium spp.）、龙胆（Gentiana spp.）、鼠尾草（Salvia spp.）、蝶豆花（Clitoria ternatea）、风信子（Hyacinthus orientalis）等[, -]。以酰基化矢车菊素糖苷为主的蓝色花有矢车菊（Centaurea cyanus）、圆叶牵牛（Ipomoea purpurea）、绿绒蒿（Meconopsis spp.）等[, -]。以酰基化矮牵牛素糖苷为主的蓝色花以琉璃唐草（Nemophila menziesii）为代表[, ]。

鸭跖草、矢车菊、鼠尾草、琉璃唐草的蓝色色素为金属络合花青素苷（Metalloanthocyanins），即花青素苷、黄酮和金属离子以6:6:2的化学计量比自络合形成的超分子金属络合色素[]。在以飞燕草素为发色团的超分子金属络合色素中，Mg2+对稳定蓝色的作用是足够的；在以矢车菊素或矮牵牛素为发色团的金属络合色素中，除了Mg2+以外，还需要1/6当量的Fe3+辅助[]。然而，自然界中含有金属络合花青素苷的蓝色花却非常少。通常的蓝色花中以非化学计量比存在的金属离子对花青素苷起到辅助着色的作用，这些蓝色色素稳定性较差，在分离色素或结晶的过程中蓝色便消失了[]。例如，大花绿绒蒿（Meconopsis grandis）的色素组成为1当量的矢车菊素糖苷，2或更多当量的山奈酚衍生物（黄酮醇），1/6当量的Fe离子和过量的Mg2+[]。

1.2 蓝色呈现所需要的液泡环境

许多体外试验表明，有了蓝色花青素如飞燕草素及其衍生物通常不一定呈现蓝色，可见液泡内的环境包括pH值、有机物和无机物的组成和含量等对蓝色花的形成尤为重要。以绣球花为例，红色、紫红色、蓝色等花中均只含有飞燕草素3-葡萄糖苷。进一步研究发现，蓝色品种花瓣的pH值、5-O-乙酰奎宁酸与花青素苷的摩尔比率，以及Al3+的摩尔当量都显著高于红色细胞[-]。郁金香品种Murasakizuisho内层花瓣基部因大量积累铁离子，与飞燕草素3-芸香糖苷作用而呈蓝色[]。牵牛花（Ipomoea tricolor cv. Heavenly Blue）在花蕾期为紫红色，完全开放为蓝色，其所含色素为紫红色的咖啡酸酰化芍药花素糖苷，没有金属离子络合。在花蕾期液泡pH值为6.6，完全开放期液泡pH值上升为7.7[]。