国内花卉花香基因研究进展

毛立彦+韦勇杰+覃茜+宾振钧+龙凌云+谢振兴+郝小玲+於艳萍

摘 要：花香是花卉“形、色、香”三要素之一，是评价花卉品质的重要依据，并有可能在花卉植物的抗逆性中起着关键作用。近20年来，国内对花香的研究大多集中于花香成分分析，对于花香基因研究起步晚，文章综述了国内在花香基因克隆、分离及转基因方面的研究进展，同时展望了我国今后花香基因的研究方向。

关键词：花香 基因 克隆 基因分离 转基因

花香是由植物散发的一系列低分子量挥发物所致，不同花卉植物散发出的挥发物种类，含量不同，比例不同都会导致最终形成的香味也不同。因此，不同花卉植物往往具有自己的独特香味。花香对于植物繁衍和生长过程起着重要作用，通过花香可以吸引昆虫帮助其授粉，也可以吸引食草动物的天敌，从而减少对自己的伤害。另外花香也是植物应激反应的重要信号物质[1]。从花香植物中提取香精、香料作为化妆品和轻工业的原料是国内外关注的重要问题。影响花香的因素主要有植物基因型，花的发育阶段、植物开花时一系列激素水平及环境因素，其中植物基因型是花香化合物种类、含量的决定因素[2]。国内对于花香基因的研究刚刚起步，主要集中于花香相关基因克隆、花香基因工程等方面。本文根据国内文献资料对国内花香基因研究进展进行了简要概述，旨在为花卉花香的理论研究提供参考。

1 花香化合物种类及相关基因

花香化合物主要包含3类挥发性物质即脂肪酸衍生物，萜类化合物和苯丙酸类化合物/苯环型化合物，其中脂肪酸衍生物起源于丙二酸途径，萜类化合物主要包括单萜和倍半萜，起源于甲羟戊酸途径，苯丙酸类化合物/苯环型化合物起源于莽草酸途径[3]根据花香物质的合成途径，研究者们在仙女扇、烟草、月季、矮千牛、金鱼草等模式植物中筛选出13个香味化合物合成关键酶的基因，详见表1。

随着分子生物学研究的深入和进步，在几种模式植物的基础上研究者们不断采用多种分子生物学手段从其它花卉植物中分离、克隆相关花香基因，并对其表达进行了研究。

2 花香基因分离、克隆和表达分析

由于花香是花卉植物的三要素之一，因此运用基因工程手段对无香味花卉进行花香花卉优选育种是提高花卉品质的重要手段。对于花香基因的转基因研究要先从花香基因的分离、克隆开始。国内相对于国外花香基因工程研究起步晚，现在大多集中于此阶段。其中在模式植物矮千牛上，张海英克隆出了花香基因BSMT3，并对其序列进行了生物信息学分析和原核表达研究[4]，肖志娜从矮千牛花瓣中筛选出了控制乙烯传导途径的ERF因子，最终得出phERF6，phERF25，phERF30均能抑制花香基因的表达[5]。陈陈采用RACE手段获得了玫瑰单萜类花香化合物合成相关基因RrDXR和RrAAT基因，并对其在玫瑰不同发育时期和花器官不同部位进行了时空表达规律研究[6]，在接下来的两年中分别从玫瑰中克隆出了与单萜类合成相关的RrLIS基因[7]和与2-苯丙醇生物合成相关的RrAADC，RrPAR基因，并对其在花中的时空表达进行了分析[8]，陈功对玫瑰进行盐胁迫研究发现，虽然盐胁迫条件下花香基因RrDXR、RrDXS2和RrAAT的表达上调，但由于这些基因对于植物的逆境应激反应相关，并未引起花香物质的增多和花香味的加浓[9]。通过对几种模式花卉植物的花香物质合成酶基因的分离克隆进一步加强了我国在花香基因利用方面的研究。

经过多年努力，随着国际花香基因研究突破，我国花香基因分离、克隆研究起点高，很快突破到了除模式花卉植物的其他物种，如兰花、桂花、百合、梅花、蜡梅等。在兰花花香基因研究中，2006年王健等用RAPD分子标记技术分离出跟春兰相关的香味基因片段[10]。樊荣辉在小苍兰中分离出了LIS基因，并对其进行了生物信息学分析和在花朵中的时空表达研究[11]，周银在蕙兰中分离出控制花香合成的基因CfAOC，并对其基因结构和亚细胞定位进行了分析[12]。

在桂花花香研究中，张园利用cDNA-AFLP技术从桂花中分离出6个可能与其香味物质合成途径相关的酶，其中AACT、CCD4为两个萜类化合物基因，2OGox2，CFAT和C4H1为三个苯丙烷类化合物代谢途径相关酶基因，LOX为脂肪酸衍生物合成途径相关酶，但其全长有待进一步研究[13]。陈蓉[14]与郑玉娟[15]分别从四季桂和月月桂中分别克隆出GES、ADH和AACT基因全长，并对其在花中的时空表达进行了分析，陈丽莉在四季桂花瓣中分离出DXPS基因，并研究了其时空表达[16]，以上为我国桂花香气的利用奠定了基礎。

在百合上研究者们分别先后克隆出花香物质合成酶基因LrBSMT、LiLis[17]、LiMys[18]、LIFPPS[19]和调控基因LoCOP1和LoSPA[20]，为百合花香基因合成和调控机理研究奠定了基础。

在水仙研究中研究者先后利用RACE和抑制削减杂交文库等分子生物学手段从水仙中分离出控制萜类化合物合成的DXPS、DXR[21]和HMGS[22]基因及控制苯丙氨酸代谢的SAMT[23]基因，这些基因的成功分离为下一步研究花香调控机理及花香基因工程研究都具重要意义。

在夜来香的花香基因研究中，花香基因科研工作者先后采用RT-PCR和RACE结合技术分离出于花香物质合成相关的转录因子：NAC、MYB和GCS[24]及花香不同花香代谢途径的关键酶基因LIS和FPPS[25]和SAMT[26]，为夜来香花香基因的转基因育种技术提供了材料。

作为我国名花的蜡梅，拥有怡人芬芳，经研究表明其主要花香成分为萜类和苯环类挥发物，通过RT-PCR和RACE联合技术从蜡梅中分离出SAMT和FPPS两个基因，并利用原核表达技术验证了其功能，实时定量办法测定了其在花中的时空表达[27]。在此基础上，叶蕾[28]克隆得到了两个可能与蜡梅花香调控相关的转录因子：CpODO1，CpODO2，并对其进行进行了时空表达分析，陈金豆进一步探究了CpODORANT1 和 Cp ODORANT2基因的功能，证明其确实与花香物质表达量相关[29]。此外，在四大君子之一的梅花上，研究者们先通过生物信息学手段对于丁子香酚基因相关的基因PmOMT基因的结构[30]，进一步成功分离出3个丁子香酚合酶基因即PmEGS1、PmEGS2、PmEGS3，并测定了其在花中的时空表达[31]。

茉莉花是我国江浙一带的食赏两用型多功能花卉，其香气浓郁，是著名的花茶原料。为了解茉莉花的香气形成机理，科研工作者们先后从其花瓣中克隆分离出FPPS、DXS、HMGR、PAL、SAMT基因，并获得其全长，运用荧光定量法分析其在花中的时空表达[32]，张芊在此基础上进一步采用cDNA-AFLP技术分析得到85个可能与萜类和苯类/苯丙素类物质代谢相关基因，进一步筛选出确定与茉莉花香气相关的6條基因[33]，以上对我国促进茉莉花香气机理研究明确了方向。

此外，张雪荣成功克隆出薰衣草中的芳樟醇合成酶基因全长，并对该基因进行了在烟草中的转基因研究，最终在烟草中检测到了该基因的表达[34]。郭凤芝在玳玳华克隆出了跟脂氧化相关的酶基因HPL，该基因合成的酶催化花卉植物特异性气味物质的合成[35]，高耀辉在神农香菊中克隆出DiaMYB基因[36]，张腾旬比较了百合、百里香等四种植物的TPS的结构[37]，这些花香基因的分离、表达分析都为我国花香基因研究做出了贡献。

3 花香转基因研究

利用花香基因进行花卉植物的定向育种中一个不可避免的步骤即进行花香基因的转基因，并检测其表达。我国在这方面的研究虽然少，但也有相关文献报道，庞宏东等将蜡梅的SAMT基因分别转入烟草[38]和矮千牛[39]中，最终检测有部分的香味挥发物质的增高，陈蓉将桂花的ADH基因成功转入了红檵木中并最终检测筛选出了转基因植株，但并未对其香味物质进行检测[14]，叶蕾将蜡梅的花香相关基因转录因子转入拟南芥和烟草中，最终筛选出10株成功转入的植株[28]，王佳将玫瑰的花香物质合成基因成功转入了矮千牛中，并诱导出了愈伤组织[40]，张雪荣将薰衣草的芳樟醇合酶基因成功转入了烟草[34]，郑鸿昌将夜来香的3个花香相关基因转入烟草，最终筛选出了转基因植株[24]。

4 我国花香基因研究展望

经过多年的努力，我国在高起点的花香基因研究中取得了丰硕的成果，初步得到了多种植物花香产物代谢途径的相关酶基因，但目前我国国内的花香基因研究多数集中在基因分离、克隆、表达分析及功能验证方面，在转基因导入及基因调控手段方面研究较少，因此在今后的研究中，应不断加强花香基因克隆分析，了解花香形成分子机制的同时开展已有花香基因的转基因研究，力争对不具备花香的花卉植物进行花香基因转入产生花香，定向育成多种花香、色美、形优的优良花卉品系，将我国的花卉育种事业提高到新的高度。

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