图 上游充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 《生物技术与人类》 课程论文 陈灏5101509026 日期：2013/7/18 1
1 《生物技术与人类》 课程论文 陈灏 5101509026 日期：2013/7/18
上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 基因工程在园林植物中的应用 摘要：与传统育种方法相比，基因工程技术具有独特优势，近年来，基因工程 育种一直是园林植物育种研究的热点。本文就近年来与花卉基因工程相关的研究与应用进行 综述，同时简单评述了花卉基因工程育种研究中存在的问题并展望其应用前景。 关键词：基因工程，育种，园林，花卉 正文： 我国的花卉栽培有着悠久的历史，花卉种质资源丰富，为世界园林的发展作出了 巨大的贡献。但是，与花卉业发达的一些国家相比，我国的花卉发展水平还处于较为落后的 阶段。传统育种大多通过杂交或无性繁殖筛选的方式选择良种，育种周期长且效率低。而辐 射育种、航天育种等则难以定向培育新品种，随机性大。随着经济发展和生活水平的提 高，人们对花卉的审美观提出了越来越高的要求，期望更新，新奇的新品种不断 的出现，从而推动了花卉育种产业的发展。 基因工程育种具有育种周期短、效率高，培育定向性强和可跨种类利用有价值的基因 等优点。因此，花卉基因工程育种具有极大的发展潜力，为改良和创造优、新、特花卉品种 提供了快捷途径。 日益成熟的基因工程为花卉新品种培育提供了一套全新思路和途径，可以打破种间杂交 障碍、克服传统育种不足。为花卉性状改良提供全新的思路，在改良花卉形态、花色、花期、 花香及瓶插寿命改良等方面取得了重要进展。 基因工程又称遗传工程，是生物工程的主导技术。DNA重组技术或分子克 2
2 基因工程在园林植物中的应用 摘要：与传统育种方法相比，基因工程技术具有独特优势，近年来, 基因工程 育种一直是园林植物育种研究的热点。本文就近年来与花卉基因工程相关的研究与应用进行 综述, 同时简单评述了花卉基因工程育种研究中存在的问题并展望其应用前景。 关键词：基因工程，育种，园林，花卉 正文： 我国的花卉栽培有着悠久的历史, 花卉种质资源丰富, 为世界园林的发展作出了 巨大的贡献。但是, 与花卉业发达的一些国家相比, 我国的花卉发展水平还处于较为落后的 阶段。传统育种大多通过杂交或无性繁殖筛选的方式选择良种, 育种周期长且效率低。而辐 射育种、航天育种等则难以定向培育新品种, 随机性大。随着经济发展和生活水平的提 高，人们对花卉的审美观提出了越来越高的要求，期望更新，新奇的新品种不断 的出现，从而推动了花卉育种产业的发展。 基因工程育种具有育种周期短、效率高, 培育定向性强和可跨种类利用有价值的基因 等优点。因此, 花卉基因工程育种具有极大的发展潜力, 为改良和创造优、新、特花卉品种 提供了快捷途径。 日益成熟的基因工程为花卉新品种培育提供了一套全新思路和途径，可以打破种间杂交 障碍、克服传统育种不足。为花卉性状改良提供全新的思路，在改良花卉形态、花色、花期、 花香及瓶插寿命改良等方面取得了重要进展。 基因工程又称遗传工程，是生物工程的主导技术。DNA 重组技术或分子克
上浒充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 隆是基因工程的核心。与传统育种相比，花卉基因工程育种有如下优点： ①在基因水平上改造植物，更具精确性： ②能够定向修饰花卉某个或某些性状而保留其他性状，提高育种的目的性和可操作性： 通过引入外来基因扩大基因库，从而培育出新型的花卉品种： ③能够创新种质，打破物种间交流的界限，为花卉的定向育种提供更先进的技术保障： ④育种周期短，效率高。 目前，植物遗传转化方法主要有农杆菌介导转化法和DNA直接导入法两类。农杆菌介导 法和基因枪法是外源基因进入植物细胞应用比较广泛和比较成功的方法。观赏花卉的品质性 状通常包括花色、花香、花形、花期、株形、叶色和观赏寿命等，这些品质的优劣会直接影 响其观赏价值和商品价值。植物基因工程可以通过定向修饰花卉的某些目标性状而保留其他 原有优良性状或引入外源基因而扩大其基因库等方式来培育具有独特新奇品质的高档花卉， 创造出巨大的经济效益。因此，花卉基因工程在花卉品质性状改良方面有着广阔的应用前 景。 目前基因工程在花卉育种中的应用方面主要有： 1、花色基因工程 花的颜色是一种复杂 性状，它主要由三大类色素 决定，即类黄酮、类胡萝卜 素及甜菜色素。这三大类色 素的合成都涉及到多个代谢 步骤、多种酶的催化，因而 与之相关的基因也较多，其作用机理十分复杂。花的颜色还受到色素浓度、多种色素的共同 成色作用，某些色素与重金属离子螯合作 用、液泡液的PH值等因素的影响。 目前，花色修饰主要通过以下几种方 式进行。 (1)直接导入新的目的基因法。 (2）反义基因抑制法。 (3)共抑制法
3 隆是基因工程的核心。与传统育种相比，花卉基因工程育种有如下优点: ① 在基因水平上改造植物，更具精确性； ②能够定向修饰花卉某个或某些性状而保留其他性状，提高育种的目的性和可操作性； 通过引入外来基因扩大基因库，从而培育出新型的花卉品种； ③能够创新种质，打破物种间交流的界限，为花卉的定向育种提供更先进的技术保障； ④ 育种周期短，效率高。 目前, 植物遗传转化方法主要有农杆菌介导转化法和DNA直接导入法两类。农杆菌介导 法和基因枪法是外源基因进入植物细胞应用比较广泛和比较成功的方法。观赏花卉的品质性 状通常包括花色、花香、花形、花期、株形、叶色和观赏寿命等, 这些品质的优劣会直接影 响其观赏价值和商品价值。植物基因工程可以通过定向修饰花卉的某些目标性状而保留其他 原有优良性状或引入外源基因而扩大其基因库等方式来培育具有独特新奇品质的高档花卉， 创造出巨大的经济效益。因此, 花卉基因工程在花卉品质性状改良方面有着广阔的应用前 景。 目前基因工程在花卉育种中的应用方面主要有： 1、 花色基因工程 花的颜色是一种复杂 性状, 它主要由三大类色素 决定, 即类黄酮、类胡萝卜 素及甜菜色素。这三大类色 素的合成都涉及到多个代谢 步骤、多种酶的催化, 因而 与之相关的基因也较多, 其作用机理十分复杂。花的颜色还受到色素浓度、多种色素的共同 成色作用, 某些色素与重金属离子螯合作 用、液泡液的PH 值等因素的影响。 目前, 花色修饰主要通过以下几种方 式进行。 (1) 直接导入新的目的基因法。 (2) 反义基因抑制法。 (3) 共抑制法
上浒充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 菊花是中国传统名花，其花色变异丰富，但独缺蓝色系：瓜叶菊是菊科千里光属广泛栽培 的观赏植物，具有典型的蓝色系。研究通过对比菊花和瓜叶菊花青素苷生物合成途色系缺失 的原因，分析花发育过程中蓝色花形成的分子生物学机理，对于开展花色改良的分子育种具有 重要的理论意义和实际应用价值。 世界上第一株蓝玫瑰诞生于2009年10月，由日本饮料巨头三得利公司历时十年耗资30 亿日元研制，其售价在2000-3000日元之间。此种蓝玫瑰是通过转基因技术，将三色紫罗兰 的一种能刺激蓝色色素产生的基因(F3'5H酶基因)植入玫瑰花中，使其具备制造“翠雀 花素”的能力，从而使花瓣自然生长成蓝色。 2、香味基因工程 进展缓慢。究其原因，主要是芳香物质有比花色素更为复杂的代谢途径。控制香味的代 谢物远比控制色彩的代谢物多。 3、花发育基因工程 目前，研究人员已克隆出了一批与花发育相关的基因。主要有开花基因、花分生组织特 性基因、花分生组织大小基因、花器官式样基因、地籍基因、花瓣发育基因、花发育抑制基 因、花型基因等。通过花发育基因工程将可以培育出提早或推迟开花、花期长久、花大、重 瓣程度高、花型奇特的花卉品种。 如在花期的改良方面通常开花诱导基因分为两类：与开花时间有关的基因和分 生组织特征基因。前一类基因的突变会使突变体开花时间提早或推迟，其中促 进开花的基因包括：CON-STANS、FCA、ELF3等，抑制开花的基因如EMFI。 后一类基因决定新形成的原基发育方向，即继续营养生长的发育方式，还是转 向花的发育，这类基因如TFL1和TFL2。 邵寒霜等(1999)克隆了调控花分生组织启动的相关基因一一拟南芥 LFYCDNA,并将其转入菊花，在转化后代中，有3株与对照相比其花期分别提 早65、67和70天；另外2株，花 期分别推迟78和90天。 安利忻等(2001)将从拟南 芥中克隆的花分生组织决定基因 API转化到矮牵牛中，获得的Ro
4 菊花是中国传统名花,其花色变异丰富,但独缺蓝色系；瓜叶菊是菊科千里光属广泛栽培 的观赏植物,具有典型的蓝色系。研究通过对比菊花和瓜叶菊花青素苷生物合成途色系缺失 的原因,分析花发育过程中蓝色花形成的分子生物学机理,对于开展花色改良的分子育种具有 重要的理论意义和实际应用价值。 世界上第一株蓝玫瑰诞生于2009年10月，由日本饮料巨头三得利公司历时十年耗资30 亿日元研制，其售价在2000-3000日元之间。此种蓝玫瑰是通过转基因技术，将三色紫罗兰 的一种能刺激蓝色色素产生的基因（Ｆ-3′5′Ｈ酶基因）植入玫瑰花中，使其具备制造“翠雀 花素”的能力，从而使花瓣自然生长成蓝色。 2、 香味基因工程 进展缓慢。究其原因, 主要是芳香物质有比花色素更为复杂的代谢途径。控制香味的代 谢物远比控制色彩的代谢物多。 3、 花发育基因工程 目前, 研究人员已克隆出了一批与花发育相关的基因。主要有开花基因、花分生组织特 性基因、花分生组织大小基因、花器官式样基因、地籍基因、花瓣发育基因、花发育抑制基 因、花型基因等。通过花发育基因工程将可以培育出提早或推迟开花、花期长久、花大、重 瓣程度高、花型奇特的花卉品种。 如在花期的改良方面通常开花诱导基因分为两类：与开花时间有关的基因和分 生组织特征基因。前一类基因的突变会使突变体 开花时间提早或推迟，其中促 进开花的基因包括：CON- STANS、FCA、ELF3等，抑制开花的基因如EMF1。 后一 类基因决定新形成的原基发育方向，即继续营养生长的 发育方式，还是转 向花的发育，这类基因如TFL1和 TFL2 。 邵寒霜等（1999）克隆了调控花分生组织启动的相关基因——拟南芥 LFYcDNA，并将其转入菊花， 在转化后代中，有3株与对照相比其花期分别提 早 65、67和 70天；另外 2株，花 期分别推迟 78和 90天。 安利忻等 （2001） 将从拟南 芥中克隆的花分生组织决定基因 API转化到矮牵牛中， 获得的 Ro
上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 代在分化成苗后不久，在组培容器中即可持续不断开花。说明API基因在植物花 的形成过程中具有重要作用。 4、花卉抗性基因工程 花卉抗性性状主要包括抗生物环境逆境、抗无机环境逆境和抗除草剂等方面的性状。 在抗病育种方面，科学家可以通过基因工程技术将抗病毒、抗细菌和抗真菌的基 因引入植物中，从而提高植物的抗病性。 到目前为止，国际上己经成功地利用基因工程技术培育出了重瓣矮牵牛；以 矮牵牛为模式的植物花色基因工程研究方兴未艾，而且花色基因工程已在包括菊 花、香石竹、非洲菊、月季、拟南芥在内的许多物种上获得了成功：以金鱼草、 猴面花等为模式的花卉对称性研究也已取得了重要进展：利用不育基因研究花卉 杂交制种的体系己在一些物种上显示出前景，而将之用于一些园林树木的改良上 可望取得令人鼓舞的研究成果。 抗低温基因工程： 在研究植物反应低温的信息处理过程中，美国学者Thomashow发现了CBF1 基因。将其导入植物细胞内可显著提高植物的耐寒性。国内一些研究机构已着手 将CBF1基因导入重要的经济作物和名贵花卉中。 抗病毒基因工程： 烟草花叶病毒衣壳蛋白基因 的导入可以增强植物对烟草花叶 病毒、黄瓜花叶病毒和苜蓿花叶病 毒的抗性，现已用农杆菌介导法将 病毒衣壳蛋白基因转入百合，以培 育抗病毒品种
5 代在分化成苗后不久，在组培容器中即可持续不断开花。说明 API基因在植物花 的形成过程中具有重要作用。 4、花卉抗性基因工程 花卉抗性性状主要包括抗生物环境逆境、抗无机环境逆境和抗除草剂等方面的性状。 在抗病育种方面，科学家可以通过基因工程技术将抗病毒、抗细菌和抗真菌的基 因引入植物中，从而提高植物的抗病性。 到目前为止，国际上已经成功地利用基因工程技术培育出了重瓣矮牵牛；以 矮牵牛为模式的植物花色基因工程研究方兴未艾，而且花色基因工程已在包括菊 花、香石竹、非洲菊、月季、拟南芥在内的许多物种上获得了成功；以金鱼草、 猴面花等为模式的花卉对称性研究也已取得了重要进展；利用不育基因研究花卉 杂交制种的体系已在一些物种上显示出前景，而将之用于一些园林树木的改良上 可望取得令人鼓舞的研究成果。 抗低温基因工程： 在研究植物反应低温的信息处理过程中，美国学者Thomashow发现了CBF1 基因。将其导入植物细胞内可显著提高植物的耐寒性。国内一些研究机构已着手 将 CBF1基因导入重要的经济作物和名贵花卉中。 抗病毒基因工程： 烟草花叶病毒衣壳蛋白基因 的导入可以增强植物对烟草花叶 病毒、黄瓜花叶病毒和苜蓿花叶病 毒的抗性，现已用农杆菌介导法将 病毒衣壳蛋白基因转入百合，以培 育抗病毒品种
上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 北京大学蛋白质及植物基因工程实验室从1986年开始就一直从事有关植物病毒分子生 物学及抗病毒基因工程的研究。将抗TMW、CMW病毒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。 抗除草剂基因工程： 目前，应用基因工程技术培育抗除草剂植物主要有两种策略： ①修饰除草剂作用的靶蛋白促使其过量表达或者对除草剂不敏感，以便植物吸收除草剂 后能正常生长发育，这类基因有抗草甘膦、磺酰尿类、均三氮苯类的阿特拉津除草剂基因。 ②导入解毒蛋白基因，降解除草剂分子，这类基因有乙酰CoA转移酶基因(bar)、2,4-D 单氧化酶基因(TfdA)和腈水解酶基因(bxn)等。 尽管花卉基因工程育种取得了一些进展，但仍然面临诸多的问题，在一些重 要基因的分离与克隆，花香、株形、花发育等性状多基因互作，调控机理以及转 基因花卉生物安全性等诸多方面仍有不少问题和困难需要弄清。 但是随着分子遗传学、分子生物学等基础研究的深化、基因转化技术、植物 再生方法的不断完善，这些问题和困难相信将会逐步被克服。因此，将基因工程 与传统育种相结合，在今后的育种实践中，一定能培育出大批花色丰富、抗逆性 强、性状各异、能满足各种不同绿化美化要求的观赏植物。 参考文献： 1.《现代花卉产业的一场革命一基因工程在花卉育种的应用》 2.《转基因植物产业化现状与发展趋势》王琴芳.薛爱红黄大防等人 3.《植物抗虫基因工程的研究进展》李海燕朱延明.马风鸣等 4.《浅谈我国园林植物育种方向》尹春李默贾永红杨丽 6
6 北京大学蛋白质及植物基因工程实验室从1986年开始就一直从事有关植物病毒分子生 物学及抗病毒基因工程的研究。将抗TMV、CMV病毒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。 抗除草剂基因工程： 目前，应用基因工程技术培育抗除草剂植物主要有两种策略： ①修饰除草剂作用的靶蛋白促使其过量表达或者对除草剂不敏感，以便植物吸收除草剂 后能正常生长发育，这类基因有抗草甘膦、磺酰尿类、均三氮苯类的阿特拉津除草剂基因。 ②导入解毒蛋白基因，降解除草剂分子，这类基因有乙酰CoA 转移酶基因(bar)、2，4-D 单氧化酶基因(TfdA)和腈水解酶基因(bxn)等。 尽管花卉基因工程育种取得了一些进展,但仍然面临诸多的问题，在一些重 要基因的分离与克隆，花香、株形、花发育等性状多基因互作，调控机理以及转 基因花卉生物安全性等诸多方面仍有不少问题和困难需要弄清。 但是随着分子遗传学、分子生物学等基础研究的深化、基因转化技术、植物 再生方法的不断完善，这些问题和困难相信将会逐步被克服。因此，将基因工程 与传统育种相结合，在今后的育种实践中，一定能培育出大批花色丰富、抗逆性 强、性状各异、能满足各种不同绿化美化要求的观赏植物。 参考文献： 1．《现代花卉产业的一场革命—基因工程在花卉育种的应用》 2．《转基因植物产业化现状与发展趋势》王琴芳.薛爱红.黄大昉等人 3．《植物抗虫基因工程的研究进展》李海燕.朱延明.马风鸣等 4．《浅谈我国园林植物育种方向》尹春 李默 贾永红 杨丽