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。

前

言

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