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紫色/蓝色菊花的花色创新：花青素生物合成途径的代谢工程研究

第一作者及研究机构
本研究由Filippa Brugliera（Florigene Pty Ltd.和La Trobe University）、Guo-Qing Tao（Florigene Pty Ltd.和AgriBio研究中心）等共同完成，通讯作者为Yoshikazu Tanaka（日本三得利全球创新中心）。研究成果于2013年10月发表在期刊*Plant Cell Physiology*（第54卷第10期，页码1696–1710）。

学术背景
菊花（*Chrysanthemum morifolium*）是全球重要的切花和盆栽作物，但其花色受限于花青素（anthocyanin）的生物合成途径。野生菊花缺乏黄酮类3’,5’-羟化酶（flavonoid 3’,5’-hydroxylase, F3’5’H）活性，无法合成飞燕草素（delphinidin）衍生的花青素，因此无法呈现蓝/紫色。本研究旨在通过代谢工程手段，将外源F3’5’H基因导入菊花，改变花青素合成途径，首次实现菊花中飞燕草素的积累，从而培育出蓝紫色菊花新品种。

科学背景包括：
1. 花色决定机制：花青素的B环羟基化模式（如3’或3’,5’羟基化）是决定颜色的关键。飞燕草素（3’,4’,5’-三羟基化）赋予蓝/紫色，而菊花天然合成的矢车菊素（cyanidin，3’-羟基化）仅能形成粉/红色。
2. 基因工程基础：此前，F3’5’H基因已在矮牵牛、康乃馨和玫瑰中成功应用，但菊花因其复杂的六倍体基因组和低效的转基因表达体系，一直未被突破。

研究流程

1. 品种筛选与生化分析

   • 研究对象：75个菊花栽培品种的花瓣。
     
   • 方法：通过高效液相色谱（HPLC）分析花青素和辅色素（如黄酮类）组成，筛选出16个可能因飞燕草素积累而变蓝的品种（如表1所示）。
     
   • 关键实验：花瓣离体培养试验，用飞燕草素前体二氢杨梅素（dihydromyricetin, DHM）处理，观察颜色变化（图2）。
     

2. 基因构建与转化优化

   • 载体设计：构建多个含F3’5’H基因的载体（如pcgp2217），使用玫瑰查尔酮合成酶（chalcone synthase, CHS）启动子（prhchs）驱动表达（图4）。
     
   • 转化方法：农杆菌介导法转化菊花茎段或叶盘，通过除草剂（chlorsulfuron）筛选转基因植株。
     
   • 创新点：引入RNA干扰（RNAi）技术沉默内源F3’H基因（如pcgp3618载体），减少竞争性底物消耗。
     

3. 分子与表型分析

   • 分子验证：Southern blot确认转基因插入（图7），RT-PCR检测F3’5’H表达（图8）。
     
   • 花色定量：HPLC测定花瓣中飞燕草素占比（最高达80%），皇家园艺学会比色卡（RHSCC）编码颜色变化（图5）。
     

4. 跨品种验证

   • 在8个栽培品种（如‘Improved Reagan’和‘Sei Titan’）中重复转化，验证普适性（表3）。
     

主要结果
1. 花色成功改变：转基因菊花花瓣中飞燕草素占比达37%-80%，颜色从粉红变为紫蓝色（图5）。
2. 代谢途径重编程：
- F3’5’H基因成功将花青素合成途径转向飞燕草素（图1）。
- RNAi沉默F3’H后，底物竞争减少，飞燕草素积累显著提升（图6）。
3. 新代谢物发现：首次在菊花中检测到三羟基黄酮（tricetin）和天竺葵素（pelargonidin）（图6）。

结论与价值
1. 科学意义：首次证明菊花可通过代谢工程合成飞燕草素，填补了菊科植物花色修饰的技术空白。
2. 应用价值：为花卉产业提供了新型蓝紫色菊花品种的培育方案，突破了传统杂交育种的限制。
3. 技术创新：
- 玫瑰CHS启动子在菊花中的高效表达。
- RNAi与F3’5’H共表达策略可推广至其他物种。

研究亮点
1. 跨物种基因工程的成功案例：首次将蓝花色基因从堇菜属（*Viola*）转入菊属（*Chrysanthemum*）。
2. 多维度验证：结合HPLC、分子生物学和表型分析，数据扎实。
3. 商业化潜力：部分转基因株系已稳定繁殖2-3年，花色未退化。

其他价值
研究还揭示了菊花DFR（二氢黄酮醇4-还原酶）的底物广谱性，为后续花色定向设计提供了新靶点。此外，该技术路线可拓展至其他缺乏蓝花的观赏植物（如百合）。