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生物技术在花卉中的应用（二）.ppt

花匠小妙招
2024-09-02 20:41

1、生物技术在花卉中的应用（二）基因工程技术在花卉中的应用,授课老师：韦鹏霄联系电话E-mail: ,基因工程技术在花卉中的应用,基因工程技术在花卉中的应用,植物基因工程技术指克隆一些特有性状的基因，并通过生物、物理和化学等方法，导人到受体植物细胞，通过组织培养育出转基因植物的生物技术。近年来，基因工程技术为花卉植物性状改良提供了全新的思路，成为最有前途的花卉育种新技术。,基因工程技术在花卉中的应用,与传统育种手段相比，基因工程育种具有独特的优势：可以定向修饰花卉的某个或某些性状而保留其它原有性状；通过引入外来基因可以扩大基因库。所以，通过基因工程完全有可能培育出一

2、些新奇、独特及具有各种目标性状的品种，大大缩短育种周期，提高育种效率。,基因工程技术在花卉中的应用,自上世纪8O年代初美国首次通过基因工程手段培育出抗卡那霉素的烟草植株以来，随着基因分离，基因载体构建，植物遗传化系统的完善和外源基因在植物细胞中表达等方面研究的深入，许多农作物的转基因研究有了重大突破，获得了一系列品质优良、抗除草剂、抗病虫的转基因植株，花卉植物基因工程也随着速度发展。,基因工程技术在花卉中的应用,与粮食、蔬菜、饲料等作物相比，由于花卉植物仅供观赏并非食用，就其安全性而言，转基因花卉植物更容易被批准，推进到分子育种时代，使花卉植物色、香、形、味以及延缓花卉衰老的基因工程操作成为可

3、能并已取得了很多进展。,基因工程技术在花卉中的应用,基因工程育种技术与传统的品种改良不同，它能够使基因重组从而使植物具有自然植物所没有的全新特性，按照人们的意愿培育大自然所没有的生物。对于迄今迟迟不得进展的品种改良，能够在极短期间内加以完成。由于基因的鉴定、分离及转化技术的巨大进展，特别是近年发展起来的反义RNA 技术可以特异地关闭某一基因，使得基因工程成为最具吸引力的花卉育种新技术。,基因工程技术在花卉中的应用,基因工程已广泛应用于月季、香石竹、菊花、郁金香、百合、扶郎花、火鹤花、金鱼草、石斛、草原龙胆、唐菖蒲和满天星等几乎各种重要花卉。基因控制的性状包括花色、花形、抗逆性、抗衰老和开花期等

4、。,基因工程技术在花卉中的应用,基因工程在花卉植物育种中的应用重点集中在花色、株型、抗性、花期等方面的改良上。 Meyer等(1987)首次将源自玉米的编码 DQR的A J基因导入矮牵牛白花突变体中，产生了开砖红色花的矮牵牛。,基因工程技术在花卉中的应用,美国加州奥克兰 DNA植物技术公司研究人员 CourtneyGutterson等(1994)用 TDNA作为载体将苯基苯乙烯酮合成酶(CHS)以有义和反义方向导人开粉红色花的菊花品种 Moneymaker中。获得了 133株有义植株和83株反义植株，其中各有 3株开白花和浅粉色花，而剩余植株仍开粉红色花。在开白色和浅粉色花的植株中由于 cD

5、NA与 mRNA结合，而使 CHS活性降低，导致苯基苯乙烯酮前体物质咖啡酸含量提高。白花植株通过无性繁殖仍能稳定地遗传，但后代开白花的植株中有一些花为粉红色，这可能是反义 RAN未能完全抑制 CHS 基因表达的缘故。,基因工程技术在花卉中的应用,Aida等(2OOO)用反义抑制法将CHS或 DFR 基因导人蓝猪耳 (Torenia ybrid)，结果反义方向导人的转化株花色均一变亮，而正义方向导人的转化株花色不均一变亮。,基因工程技术在花卉中的应用,转基因花卉，就是利用分子生物学技术，将在花卉中某些基因转移到其他花卉植物中去，改变原有生物的遗传物质，使其在花色、花型、抗逆性等方面有所改

6、变，提高其观赏价值和产量，或改变其生长习性。花卉转基因技术，比常规育种具有更多的优越性。,基因工程技术在花卉中的应用,转基因植物中的外源基因可以来自其他较远的植物，甚至来自其他关系很远的生物基因，这为新品种的培育创造了更多更好更快的成功机会。转基因技术在花卉产业中的应用可概括如下：,基因工程技术在花卉中的应用,（一）利用基因工程改变花色（二）利用基因工程改变花形（三）利用基因工程改变株形（四）利用基因工程改变花期（五）利用基因工程增强抗逆性（六）利用基因工程延长保鲜期（七）利用基因工程改良花卉香味（八）花卉基因工程其他方面的研究与应用,基因工程技术在花卉中的应用,（一）利用

7、基因工程改变花色植物的花色是最重要的观赏性状之一，也是很多花卉育种的首要目标。许多名贵的花卉往往颜色单一或缺少某一种颜色，在众多的观赏植物中，蓝色花普遍偏少，尤其是常用切花的石竹、郁金香、月季等都缺乏蓝色系花。花色基因的研究已经成为研究的特点，这是因为花色是显性性状，它的成功不仅可以人工地修饰花卉颜色，还可以直接地研究基因的表达、调控和基因互作。,基因工程技术在花卉中的应用,花色丰富是转基因技术的一个重要特征。花的颜色主要由三大类群色素决定其中最主要的色素是黄酮类色素。不同的花色素苷使花的颜色产生从红色到紫色的变化，如花葵素产生橘红色，花青素产生红色，翠雀素产生紫色。,基因工程技术在花卉中

8、的应用,德国科学家很早就将天竺葵色素基因转移到矮牵牛植株中，使矮牵牛的颜色比正常的艳丽，颜色要浅的多，甚至有一些变成纯白色。美国 DNAP公司已从矮牵牛中分离了编码蓝色的基因并使之转入玫瑰创造出自然界罕见的蓝玫瑰。,基因工程技术在花卉中的应用,目前花色基因工程主要采用的方法有： 1、反义抑制法 (反义RNA技术) 2、共抑制法 3、导入新的基因。,基因工程技术在花卉中的应用,1、反义RNA技术反义RNA 技术 (antisense RNA techniques)又称为反义抑制法 (antisense suppression)。此技术已在矮牵牛和菊花中进行了成功的花色修饰。1988年荷兰自由大

9、学采用此法首次获得了矮牵牛花色变异新品种，CourtneyGutterson等采用此法得到了菊花花色变异品种。Elomaa等将反义CHS基因导入非洲菊，非洲菊的花瓣不能正常着色。Van del Krol等将一种反义查尔酮合成酶 (CHS)基因转入矮牵牛中，可抑制花色素苷的形成。,基因工程技术在花卉中的应用,2、共抑制法共抑制法 (cosuppression)也称为有义抑制法 (sensesuppression、)，即通过导入一个或几个内源基因额外的拷贝，达到抑制该内源基因转录产物 (RNA)的积累，进而抑制该内源基因表达的技术，所以共抑制也叫转录后水平的基因沉默 (posttranscri

10、ptional gene silencing，PTGS)。,基因工程技术在花卉中的应用,3、导入新的目的基因即将欲修饰的受体植株中原来没有的基因导入其中，使该受体植物增加新的性状。第一个操纵花色的基因是由德国科隆普朗克研究院分子育种所的科学家于1987年获得的玉米色素合成中的一个还原酶基因，导入矮牵牛使它产生一种新的颜色一一砖红色,基因工程技术在花卉中的应用,随后荷兰科学家在红色矮牵牛中，插入苯基乙烯酮合成酶的反义基因，结果获得了白色的矮牵牛及另一种新的色素。同样，荷兰的花卉专家们已利用基因工程将粉色菊花变成了白色。,基因工程技术在花卉中的应用,北京大学植物基因工程国家实验室利用矮

11、牵牛，首次在中国培育白色、紫色相间的转基因花。美国加利福尼亚州 DNAP公司从矮牵牛中分离出 F35 H基因，导入玫瑰中获得世界上独有的“蓝玫瑰”。为使鲜花的颜色更艳丽，,基因工程技术在花卉中的应用,目前有的研究人员正在培育“发光植物 ”。日本的科研人员就将来自萤火虫体内编码发光酶的基因，成功地重组在土耳其桔梗植株上，使它的叶子发出淡绿光。,基因工程技术在花卉中的应用,Meyer等 (1987)首次将源自玉米的编码 DQR的A J基因导人矮牵牛白花突变体中，产生了开砖红色花的矮牵牛。美国加州奥克兰 DNA植物技术公司研究人员 CourtneyGutterson等(1994)用 TDNA

12、作为载体将苯基苯乙烯酮合成酶(CHS)以有义和反义方向导人开粉红色花的菊花品种 Moneymaker中。获得了133株有义植株和83株反义植株，其中各有3 株开白花和浅粉色花，而剩余植株仍开粉红色花。,基因工程技术在花卉中的应用,在开白色和浅粉色花的植株中由于 cDNA与 mRNA结合，而使 CHS活性降低，导致苯基苯乙烯酮前体物质咖啡酸含量提高。白花植株通过无性繁殖仍能稳定地遗传，但后代开白花的植株中有一些花为粉红色，这可能是反义 RAN未能完全抑制 CHS 基因表达的缘故。,基因工程技术在花卉中的应用,Aida等(2OOO)用反义抑制法将 CHS或 DFR 基因导入蓝猪耳 (Tor

13、enia ybrid)，结果反义方向导入的转化株花色均一变亮，而正义方向导入的转化株花色不均一变亮。,基因工程技术在花卉中的应用,（二）利用基因工程改变花形花型也是花卉观赏的主要方面，花型基因工程成为花卉育种的又一焦点，利用转基因技术改良花卉形态，包括花器官形态，花枝着生状态、花序类型、植株形态的改变。常用的基因是人工重组生根基因 (rol基因)。,基因工程技术在花卉中的应用,Kiyokawa(1996)等用发根农杆菌将 rol A、B、C基因转入了球根秋海(Begoniatuberhybrida)中，结果观察到植株矮化，延迟开花，叶和花瓣均变皱； Handa等将 rol基因导人龙胆属

14、(Gentiana) 中，除了观察到转基因植株矮化，叶变皱之外，还观察到花冠呈杯状变化；,基因工程技术在花卉中的应用,Ovadis等用基因枪和根癌农杆菌相结合的方法，将rol基因导人香石竹 (Dianthus caryophyllus)中，获得了高频转化体系，他认为 rol基因减少了向石竹腋芽的产生，增强发根的能力。,基因工程技术在花卉中的应用,开花基因首先由英国诺里奇Enricocoen博士和 Rosemarycapenter领导的研究小组从金鱼草分离出来，这种基因经突变失活后，植物便不能开花，而是不断地产生叶芽，该基因的鉴定为人们了解如何控制植物的发育提供了证据。,基因工程技术在花卉中的

15、应用,美国和日本科学家还克隆出对花特异表达的莽草酸合成酶基因表达起诱导作用的转录调节因子 EPF1，可以改变花色花形，对开花进行调节。 Kelly等从大烟草中克隆了NFL1和NFL2基因，其作用是特异地决定花和叶的前体细胞。,基因工程技术在花卉中的应用,在对拟南芥和金鱼草的研究中发现了4对对花发育后期作用的基因，通过转基因改变这些基因的结构，可以控制植物开花和花形。现已经克隆出的大量与花发育有关的基因fTE L，C EN，E MF，FCA，AP 1，AP2，AG等基因)为花型改造提供了新途径。,基因工程技术在花卉中的应用,（三）利用基因工程改变株形株形是花卉植物一个重要的形态，如用于盆栽

16、或地被用途的小菊，往往需要植株矮化、分枝性强、着花数目多等。,基因工程技术在花卉中的应用,Zheng等(2001)将烟草光敏色素基因导人菊花品种Kitau中，获得的转基因植物与对照相比，其株型明显矮化，而且分枝角度要比野生型大。可能是由于光敏色素合成引起GA过量表达，从而导致茎缩短，多分枝，这与人工喷施GA 取得的效果是相似的。,基因工程技术在花卉中的应用,Dolgov等(1997)将 rol C基因导人菊花品种White Snowdon中，获得二个转化系，其中一个系与对照相比，表现为丛生、矮化，并且叶多分裂。 Petty等(2000)把光敏色素基因 phy A导入菊花中，发现菊花的花梗变短，

17、叶绿素增加，并延缓衰老。,基因工程技术在花卉中的应用,Yu等 (2000)将 DOH l基因导入石斛(Dendrobium nobile)，转基因植株分枝性强且矮化。,基因工程技术在花卉中的应用,（四）利用基因工程改变花期美国拉霍亚索尔克生物研究所的德特勒夫韦格尔和瑞典农业科学家奥韦尼尔松分离得到的山杨 LFY基因，该基因能使山杨长至57个月的时候就开出花朵，提前 82O年开花。,基因工程技术在花卉中的应用,同时，圣迭戈加利福尼亚大学的另外两位科学家通过操纵 API 基因能够促使拟南芥提早开花。这两种基因能迅速打开一个控制开花的基因，即使在生理上仍处于少年时期，植物的其余部分也可以使花朵形

18、成并开放。,基因工程技术在花卉中的应用,日本科学家应用基因技术，把阻止开花的基因植入牵牛花中，结果培育出开花时间延长了3倍的新牵牛花植株，从而为研究延长花卉的开花时间找到了新途径。,基因工程技术在花卉中的应用,英国首先从金鱼草中分离出与开花有关的基因，这种基因经突变失活后，植物便不能开花，不断的产生叶芽，该基因的鉴定，为人们了解如何控制植物的发育提供了证据，可以应用它在农业上控制花的数量、开花时间及位置。,基因工程技术在花卉中的应用,在花期改良育种中，邵寒霜等（1999）克隆了调控花分生组织启动的相关基因一拟蓝芥 LFYcDNA，然后转化到菊花中，转化后代有3株与对照相比其花期分别提前65d、

19、67d和70 d；另外有2株，花期分别推迟78d和90d。Yu等（2000）用反义抑制法将DOH1基因导入石斛，获得转化株，其花期比对照早10d。,基因工程技术在花卉中的应用,Zheng等（2001）将PHYBI基因转入菊花，转基因植株LE31和LE32花芽分化比对照植株分别延迟4 d和5 d，而开花分别延迟17 d和20 d，表明PHYBI基因主要影响花芽发育而不是影响花芽分化。,基因工程技术在花卉中的应用,（五）利用基因工程增强抗逆性转基因技术在培育花卉抗病，抗虫，提高抗逆能力方面进展也很快。现在抗逆 (抗病、抗虫、抗冻、抗热、抗除草剂等) 基因的导入越来越被人们重视。基因工程在增强

20、植物对病虫害抵抗方面也有巨大潜力。,基因工程技术在花卉中的应用,最近几年，已有多种基因被鉴定、分离，甚至被成功地移植到花卉植物中去。现已有用农杆菌介导法将病毒衣壳蛋白基因转入百合，以培育抗病毒品种。中国科学家将抗TMV，CMV 病毒的基因导入到唐菖蒲愈伤组织中，获得了唐菖蒲抗病毒转基因植株。美国也已经培育出切花菊抗病转基因植株。,基因工程技术在花卉中的应用,抗性育种也是花卉育种的一个重要方面。 Marchant等(1998)将几丁质酶基因转入现代月季中，转基因植株黑斑病的发生率大大降低。 Takatsu等(1999)将水稻几丁质酶基因导入菊花品种Yamabiko中获得了抗灰霉病(Botr

21、ytis cinera)的转化植株。,基因工程技术在花卉中的应用,Dolgov等(1995)将中Bt的内毒素基因导入再生能力很强的Bornholm和White Harricome菊花品种中，获得转化植株，在不喷施化学药剂的情况下，植株表现出对扁虱(web tick)的抗性。,基因工程技术在花卉中的应用,Wordragen等(1993)以离体叶片为材料将Bt基因转入到菊花品种Parliament，获得了抗虫植株。 Kamo等（1996）将菜豆黄斑病毒外壳蛋白基因（BYMV CP）和Gus基因转入唐菖蒲的悬浮细胞中，获得了转基因植株。,基因工程技术在花卉中的应用,Yepes等（1999）将编码番

22、茄斑萎病毒、凤仙坏死斑病毒和花生环斑病毒外壳蛋白的基因导入菊花品种Polaris、Golden Polaris、Iridon中，分别获得了转基因植物。,基因工程技术在花卉中的应用,（六）利用基因工程延长保鲜期目前，美国、荷兰和澳大利亚的科学家们致力于研究如何利用基因工程手段使切花插瓶时间和盆花货架寿命延长，并能耐受更长的运输时间。乙烯是花卉本身合成的影响切花寿命的气体，控制着切花衰老过程。,基因工程技术在花卉中的应用,澳大利亚的一家实验室将编码氨基环丙烷羧酸 (ACC)氧化酶的基因的反义基因(即导入与目的基因互补的基因，以阻止目的基因的表达)导入香石竹，已育成保鲜期延长两倍的抗衰老香石

23、竹新品系。,基因工程技术在花卉中的应用,花卉保鲜基因为了延长花期瓶插寿命，科学家将已从多种植物中分离和克隆出的控制乙烯 ACC合酶基因转入花卉。目前已从苹果、美国南瓜、拟南芥等植物中分离出ACC合成酶基因。该基因在矮牵牛、康乃馨等花卉上转化成功。,基因工程技术在花卉中的应用,通过控制体内乙烯的合成能达到延长花卉保鲜期的目的。乙烯合成的生物学途径已经弄清楚，1979年杨祥发等发现ACC是植物体内乙烯生物合成的前体，并确定了植物体内乙烯生物合成的途径，许多重要的基因已经克隆和测序，包括一些乙烯合成关键酶基因，如ACC合酶、ACC氧化酶和乙烯信号传导途径的关键酶基因。这为在分子水平利用这些基因来有

24、效地控制植物的成熟与衰老提供了基础,基因工程技术在花卉中的应用,利用转基因技术来控制乙烯的合成已在许多植物上获得成功。转反义ACC氧化酶、ACC合酶以及细菌ACC脱氨酶基因的番茄中乙烯的产生受到抑制，从而延缓了果实的成熟。花卉衰老（败）与乙烯的关系最直接，它是一种植物内源成熟激素。,基因工程技术在花卉中的应用,控制切花的乙烯合成，对于延长保鲜期，提高切花品质至关重要。在乙烯生物合成过程中，最关键的是ACC合成酶 (ACS)和ACC氧化酶 (ACO)2种酶的 mRNA的表达，促进乙烯合成的增强。通过导入反义ACC合成酶基因及反义ACC氧化酶基因可阻止乙烯合成，延长花期和鲜切花寿命。,基因

25、工程技术在花卉中的应用,目前，该基因已在香石竹、矮牵牛等植物中转化成功。将香石竹的乙烯合成酶基因CARN363反向导入香石竹中，获得了衰老（败）延缓的香石竹；将 ACC合成酶基因反向导入香石竹，转基因的香石竹比正常香石竹的观赏寿命延长2倍。 1995年，可长久保存的香石竹在澳大利亚获准上市，成为当时唯一上市的转基因切花。,基因工程技术在花卉中的应用,目前，月季、百合、天竺葵、龙胆等已成功建立了与耐贮性有关的转化体系。此外，利用抗细菌基因转化花卉，使得细菌不能在损伤部位大量繁殖，也能起到延长花卉瓶插时间的目的。已有一些花卉品种利用上述的方法获得了延长瓶插时间的转基因植物。,基因工程技术在花

26、卉中的应用,（七）利用基因工程改良花卉香味长期以来人们把研究重点放在改良花色、花形及抗性等方面，花香作为花卉的一个重要品质，一直被忽视。花卉香味基因由于控制花卉香味的代谢物远比构成色彩的代谢物多，对芳香这一性状的背景了解很少。因此，香味基因工程进展缓慢。现在对花香的遗传改良开始受到重视，但还处于起步阶段，成果较少。,基因工程技术在花卉中的应用,对于芳香物质的生物合成途径、生理代谢途径及遗传背景还不清楚，因而进行这方面的深入研究，克隆相关基因，应是当前的工作重点。,基因工程技术在花卉中的应用,近期人们正在合成单萜，它是一类重要的花香物质，已克隆出来的Lis基因可编码S-Linalool合成酶

27、，这种酶可将栊牛儿焦磷酸(Gpp)一步转化成S一萜烯醇。这一成果有望实现花香的改良。有人利用野生型发根农杆菌转化柠檬天竺葵，使其芳香物质大大增加。,基因工程技术在花卉中的应用,法国的Pel1egrineschi等人发现，用发根农杆菌转化柠檬天竺葵 (Lemon geranium)，转化植株的芳香类物质栊牛儿醇(Geranio1)比对照植株增加 34倍，其他芳香类物质如萜烯醇 (Linaloo1)及桉树脑(1，8一Einecole)在转化株中也有较大增加。,基因工程技术在花卉中的应用,Dudareva等研究了一类与花香味有关的重要物质单萜的体内生物合成，他们克隆了一个编码S一萜烯醇合成酶的基因lis基因，由于该酶是合成S一萜烯醇的关键酶，而S一萜烯醇与花香味的产生密切相关，因此该基因是一个潜在的进行转基因获得改变香味花卉新品种的基因。,基因工程技术在花卉中的应用,另外，GuternmrP等克隆了编码芳樟醇的基因，并将其导入到康乃馨中，成功地进行了花香改良。,基因工程技术在花卉中的应用,（八）花卉基因工程其他方面的研究与应用基因工程在花卉抗逆、抗除草剂、花期调节等方面的研究也取得了一定进展。Dunemann等将来自农杆菌的 rol基因转入杜鹃，获得了l4个转基因株系，又将其中l1个株