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兰花分子育种的策略及展望

兰花分子育种的策略及展望本文简介:兰花分子育种的策略及展望(发布日期:2005-12-319:14:00)浏览人数:995本文尝试从个人的观点,介绍蝴蝶兰及文心兰的研究,以及讨论可以利用分子育种进行改良的特性,例如由花色突变、改变花色的策略、开花之调节等;最后讨论经济栽培兰花利用分子育种的展望。前言兰科植物为开花植物中最大的家族,总

兰花分子育种的策略及展望本文内容:

兰花分子育种的策略及展望

(发布日期:2005-12-31

9:14:00)

浏览人数:995

本文尝试从个人的观点,介绍蝴蝶兰及文心兰的研究,以及讨论可以利用分子育种进行改良的特性,例如由花色突变、改变花色的策略、开花之调节等;最后讨论经济栽培兰花利用分子育种的展望。

兰科植物为开花植物中最大的家族,总共超过800个属及25,000个以上的原种,其中不少兰类具有经济栽培价值,蝴蝶兰、蕙兰、石斛兰及文心兰为主要的栽培兰花类,可供商业生产,其产品型式包括盆花及切花。近年来,兰花盆花已成为全球重要的农产业。传统育种方法(即连续杂交和选拔)已为想要创造具优良性状,如:花色、花型、香气、株型、花朵寿命和病虫害抗病性等新品种的育种者铺好路了,但这种方法所创造的种原仅局限在各自物种内使用。

分子育种遗传转殖已经为植物创造许多新奇性状开启一扇新窗,如改变花色、花朵形成、株型、花序排列和香气等,许多研究单位已经利用分子技术进行兰花育种。在台湾,蝴蝶兰和文心兰已经是企业化生产的高经济作物,创造突变新品种在兰花商业生产市场上,已成为一重要因子;新奇性为观赏植物产业成长的动力。因此,除了传统育种方法,分子遗传改造可以用来育成新奇优良的品种。

牵牛花(Ipomoea

tricolor

cv.

Heavenly

Blue)的蓝色花瓣,在开花过程由紫红色转变为蓝色,颜色的改变是因为表皮层的细胞液泡pH值由6.6上升至7.7,开花过程花瓣细胞液泡

pH值的增加,是由于细胞质的Na+和(或)K+经由钠离子质子转运蛋白(Na+/H+

exchanger,NHX1)以主动运送方式传送到液泡,以组织化学染色和北方杂合分析结果,也确认花瓣颜色改变与NHX1的相关性。

利用牵牛花、朵丽兰Doritis

pulcherrima(蓝色花)或其它植物物种的Na+/H+

exchanger这种颜色改变的模式,也许可以应用在蝴蝶兰基因转殖上,使花色改变为蓝色。有趣的是,在植物细胞液泡内的金属离子钼(Mo)被发现会与花青色素结合,而使花瓣呈现蓝色,这或许是育出蓝色转殖蝴蝶兰的另一选择。

Flavonoid生合成基因的表达,受植物体内R2R3

MYB和basic

helix-loop-helix(bHLH)转录因子的共同调节,而能活化花青色素的生合成。由阿拉伯芥(Arabidopsis)、非洲菊(Gerbera)、矮牵牛和西红柿分离的MYB转录因子转殖至其它植物,显示已可以在花瓣和其它组织产生花青色素。矮牵牛的ANTHOCYANIN1(AN1)是一种花青色素生合成所需的bHLH转录因子,转殖植物表达AN1后,可以活化产生dihydroflavonol

4-reductase酵素的dfrA基因的表达,相同地,在转殖烟草和西红柿中,过量表达西红柿MYB转录因子ANT1,会使花青素生合成基因表达增加。

另一个加强花色的方法是操纵flavonoid结合蛋白,矮牵牛的AN9蛋白是一种glutathione

S-transferase酵素,它能将花青色素隔离局限在液泡内使花色更深,玉米的BZ2是glutathione

S-transferase酵素的基因,它能将花青素累积在液泡内,bz2突变会导致花青素累积在细胞质内,而使之氧化变为褐色。

最近一种少见的花朵色素甜菜素(betalains)被仔细研究发表,betalain生合成相关基因已被选殖,其中4,5-extradiol

dioxygenase的基因DODA,已从马齿苋(Portulaca

grandiflora)花朵选殖出来,分子层次的特性也被研究完成,突变的白花马齿苋花瓣,经过基因枪转殖DODA之细胞,可产生黄色素,由这个结果显示,也许DODA基因可以应用在兰花花色调控。

许多黄花植物以类胡萝卜素结合蛋白(carotenoid-binding

protein),将胡萝卜素累积在杂色体内,从胡瓜花冠鉴定及选殖出一种杂色体专一的胡萝卜素结合蛋白(CHRC),将CHRC基因的激活子接合报导基因,以基因枪转殖到胡瓜花瓣和其它组织,结果显示CHRC基因的激活子只会在胡瓜花瓣专一表达。

有3种胡萝卜素结合蛋白或质体脂质—结合蛋白(PAP)已从芜菁Brassica

rapa选殖出,其中PAP2在黄色花瓣含量最高,这个结果促使我们由黄花文心兰花朵选殖到相似的基因fibrillin。我们由黄花文心兰的唇瓣选殖fibrillin互补DNA的全长,我们将尝试以RNA干扰技术(RNAi)的策略,将fibrillin转殖到文心兰的拟原球体,希望能抑制花朵胡萝卜素的累积,而创造白花或浅黄花的文心兰,浅色系的兰花可能在日本切花市场具有潜力。

花序构造

花序的分枝性是文心兰切花重要的性状,国内和外销市场的顶级规格花,一支花茎必须至少有6个分枝,在台湾等亚热带地区,酷热与潮湿的夏季,花序分枝减至最少,可能只有主花序而无分枝(俗称一条龙),目前对文心兰花序构造的控制机制仍不清楚。

由其它植物种类的观察与试验报告,有助于我们对枝梢分枝机制的了解,从阿拉伯芥与豌豆分枝性突变株的研究,似乎有许多基因在枝梢分枝外表性状上扮演重要的角色,有些分枝突变种豌豆根部木质部汁液的细胞分裂素含量减少,但有些突变种并无此现象。目前有一种假说,提出藉由嫁接传送讯息物质与控制分枝有关:野生型的阿拉伯芥可以产生具移动性的分枝抑制讯息物质,并可经由嫁接而传送至分枝突变种max4,MAX4基因可以译码转译出一种可由生长素诱发的polyene

dioxygenase家族蛋白质。

从矮牵牛的茎与根部鉴定出一种类胡萝卜素裂解dioxygenase酵素基因,CCD酵素可以调节嫁接传导抑制分枝物质的生合成,在dad-1突变株中,dad/PhCCD8基因发生突变,使可移动之讯息传导物质减少,所以分枝增加,而阿拉伯芥中嫁接传导之分枝抑制贺尔蒙被认为是由plastidic

dioxygenase将多种carotenoids裂解的产物。另外一个控制枝梢分枝的基因MAX2也已被选殖,其为F-box富含leucine重复的蛋白质家族。

近来,本实验室已从文心兰Gower

Ramsey花苞选殖出类似CCD的基因,我们将测定文心兰花茎和植株其它组织的CCD表现量,以了解它与花序分枝性的关系;并完成以RNAi策略进行转殖,测试压制CCD的功能,以获得分枝性强的文心兰切花。由于一般的文心兰Gower

Ramsey已有许多花色的突变,有白变种‘白玉’(‘White

Jade’)和橘色变种‘香吉士’(‘Sunkist’),由于它们除了carotenoid色素的差异外,其它遗传背景都相同,所以这些品种是研究分子遗传非常有价值的植物材料,它们的差异仅在花朵类胡萝卜素的含量,所以我们正在进行测试类胡萝卜素生合成和累积的关系,选殖并比较相关的基因,并进行后续的转殖研究,以厘清这些基因在文心兰花朵色素形成的作用。

花朵香气

消费者总是会被兰花的香气所吸引而购买兰花,许多兰花种类在开花过程都会散发出香味,许多蝴蝶兰属的种,如violacea、bellina、equestris、amboinensis、leuddemaniana、schilleriana和parishii都会散发出挥发性的混合物质,以吸引昆虫和小动物来进行授粉,或做为一种防御机制。P.

violacea(bellina)香气的主要成份是linalool和geraniol,要从蝴蝶兰花朵分离出目标成分的基因是相当困难的,由其它物种如艾草Artemisia、Clarkia和罗勒的沉香醇(linalool)合成基因已被选殖出来,相关特性也已建立完成。

罗勒的香叶醇(geraniol)合成基因也被选殖出来了,山字草(Clarkia)的linalool合成基因已被转殖导入西红柿基因体内,转殖的完熟西红柿果实可以产生更多的S-linalool和8-hydroxylinalool;同样由柠檬选殖的3个单卫(monoterpene)合成基因也已经转殖到烟草,可增加烟草花朵的香味。由此可知,将其它物种的基因转殖导入兰花以增加兰花的香气是可行的,最近我们已经从蝴蝶兰花朵的扣除cDNA库选殖到拟似linalool合成基因,将对这个基因进行分子及生化特性分析,以确认它在蝴蝶兰香气产生所扮演的角色。

开花控制

不同种类兰花的开花习性各不相同,有的受光周影响,有的受生长调节剂调节。蝴蝶兰在15~20℃夜温及25℃日温下4周,就会诱导花梗抽出,低温诱导花芽时期的光强度,也许会影响蝴蝶兰植株的抽梗与品质,蝴蝶兰植株开花的调控已成为全球兰园的标准措施。

蝴蝶兰开花控制包括两方面,一是如何依生产规划时间控制开花,另一方面是如何在运输过程之前,抑制外销成熟株的抽梗,以利于外国当地进行催花栽培。栽培者通常在兰株营养生长期将温室温度提高至28~30℃,以抑制或延迟成熟株的抽梗,但有许多杂交种在高温营养生长期,仍有部分植株会抽梗,为了了解花序诱导和后续花芽生长组织发育的机制,必须分离出在开花诱导期的调控基因。

模式植物阿拉伯芥和许多单子叶物种开花诱导的基因表达调控,已经研究相当清楚,结果显示不同植物物种相似基因序列具有保守性,其中调控植物由营养相转变至生殖相的重要基因为LEAFY(LFY),我们最近已经从一蝴蝶兰杂交种选殖到LFY基因,我们会将选殖到的蝴蝶兰LFY基因,转殖至LFY基因缺乏的阿拉伯芥突变株,以研究它在开花控制的功能,我们也将研究蝴蝶兰LFY基因的激活子,以了解它在开花诱导与植株发育所扮演的角色。

兰花转殖技术

关于兰花如蕙兰、石斛兰、文心兰和蝴蝶兰,已发表许多以农杆菌或基因枪转殖方法进行基因转殖的研究,由于各种兰花再生方法不同,要达成目标兰花杂交品种的基因转殖,必须建立可信与有效率的再生系统,避免转殖植株在组培过程产生芽体变异,虽然在组织培养和后续植株再生技术方面已有许多报告,但这些方法可能因为培植体在抗生素筛选过程,对化学药剂敏感而无法成功培养,且针对每个物种或品种都须要研发不同的方法。

未来展望

兰花已成为多数已开发或开发中国家的日常消费商品,传统育种工作每年也育成数量如雪花般多的新品种。生物技术或分子生物技术在组织培养技术配合下,将会在兰花杂交种商业性状改进上,扮演重要角色,分离与鉴定调节兰花生长与发育的基因,将有助我们了解它们的功能,在不久的将来,我们乐观地期盼将以分子育种方法育成具新奇性状的兰花新品种。

(本文转载自「2005台湾国际仙履兰暨蝴蝶兰研讨会专辑」,种苗改良繁殖场李美娟译)

来源:台湾花卉园艺杂志

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