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亮点文章 | 植物花瓣呈色机理及花色分子育种

花匠小妙招
2024-08-22 16:52

植物花瓣呈色机理及花色分子育种

张和臣，袁欣，高杰，王校晨，王慧娟，李艳敏，王利民，符真珠，李保印

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2022 -1229

花色是观赏植物的重要经济性状，花瓣呈色的基础可以由角质层细胞精细排列引起的选择性光线反射或散射的物理效应产生，也可以源于花瓣细胞内化学物质对不同光谱的选择性吸收产生，或者两者兼而有之。决定植物花瓣呈色的化学物质包括类黄酮 / 花青素苷（flavonoids/anthocyanins）、类胡萝卜素（carotenoids）和甜菜色素（betalains）。细胞内叶绿素及金属离子对不同色素结构的耦合作用对花瓣的最终呈色也会产生影响。其中，类黄酮是一类水溶性色素，呈色范围由淡黄色至蓝色或紫色，是多数植物花瓣呈色的化学物质；甜菜色素也是一类水溶性色素，包括红色或紫色的甜菜红素以及黄色的甜菜黄素，是一些石竹目植物花瓣呈色的化学物质；类胡萝卜素属于脂溶性色素，呈色范围主要为黄色、橙色至红色，在植物中普遍存在。以上 3 种色素代表了植物花瓣呈色的主要类型，其在花瓣细胞中含量多少、成分差异是花色多样性的化学基础。

近日， 《生物技术通报》在线发表了《植物花瓣呈色机理及花色分子育种》文章。本文系统性总结了植物中 3 种类型色素合成的分子基础、调控机制及分子育种应用等方面的研究进展；将有助于提高人们对植物色素合成分子调控网络的认识。

本文主要包括以下几部分内容：

1 花色的化学及分子基础

1.1 类黄酮及其生物合成途径

1.2 类胡萝卜素及其生物合成途径

1.3 甜菜色素及其生物合成途径

2 花色的分子调控

2.1 类黄酮合成分子调控

2.2 类胡萝卜素合成分子调控

3 花色分子育种

4 展望

图1 植物不同类型色素化学结构、生物合成途径及代表花卉种类

花色是一系列色素相关基因协同作用的结果，基因功能的鉴定和解析是开展花色定向育种的基础。目前，以表达花青素苷合成外源基因及敲除内源基因为基础的分子育种在一些观赏花卉的蓝色花改良中获得了成功，通过主效基因改良花色仍然是花色分子育种的主要方向。在一些植物中表达类胡萝卜素合成关键基因、或甜菜色素合成关键基因可以实现兼有类胡萝卜素 + 花青素苷、花青素苷 + 甜菜色素的转基因后代。因此，充分挖掘和利用不同类型色素对花瓣的调色作用，开发并获得具有奇异花色的观赏花卉将是今后花色分子育种的一个重要趋势。

另外，一些观赏花卉，如三色堇、牡丹、百合、蝴蝶兰等，花瓣中存在色斑的品种是一类重要类型，观赏价值较高。这些色斑在遗传上具有稳定性，说明其受到细胞发育的程序性调控。月季‘红双喜’、芍药‘珊瑚落日’等花卉由于具有变色特性，也是一类重要的观赏类型，在产业上受到广泛欢迎。但是目前关于色斑、变色的调控机制研究还比较匮乏，相关理论还不能有效支撑育种实践。揭示其背后的生物学机理、挖掘控制相关性状的主效基因是开展相关花色定向育种的基础。因此，基于调控基因开展分子设计育种，培育复色、变色、色斑等各种奇异性花色新品种也将是一个重要趋势。

随着基因组学、表型组学、代谢组学及分子生物学，尤其是基因编辑技术在花色研究中的逐渐应用，使得鉴定植物基因型与花色表型之间的关联关系更加精确。相信数字化、锚定式的花色分子设计育种将成为促进花卉产业创新和高质量发展最有效、最重要的手段。此外，由于转基因花卉不涉及人类健康、并且生物安全性可控，相较于农作物更易于科普、更利于人们接受，因此花色分子设计育种也将是推动转基因技术推广和应用的重要领域。

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《生物技术通报》是由中国农科院农业信息所主办的生物工程技术领域高水平综合性学术期刊，由知名科学家谢旗研究员担任期刊主编。主要报道与农业科学相关的国内外生物技术领域最新基础研究成果，致力于为学术共同体打造学术成果传播和交流的优秀平台。目前是 中文核心期刊、中国科技核心期刊，入选CSCD核心库、RCCSE核心，“百种中国杰出学术期刊” “中国精品科技期刊” “中国科技期刊卓越计划”入选期刊。

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