花叶观赏植物分子特征及叶斑形成机制研究进展

p2018 年 5 月第 31 卷第 3 期黑龙江生态工程职业学院学报Journal of Heilongjiang Vocational Institute of Ecological EngineeringMay 2018Vol．31 No．3doi 10．3969/j．issn．1674-6341．2018．03．015花叶观赏植物分子特征及叶斑形成机制研究进展关夏玉 陈清西 檀灵莹 福建农林大学 园艺学院 ， 福建 福州 350002摘 要 观叶植物是广泛应用于室内装饰和室外景观的非常重要的非粮食作物之一 ， 是全世界观赏产业的重要组成部分 。叶斑是观叶植物整体品种价值的主要决定因素 ， 是园艺育种者 、园艺爱好者和消费者最热衷的特征 。在过去的几十年中 ， 为解开叶斑的分子机制 ， 已经利用模式植物进行了大量的研究工作 。较常规育种而言 ， 这样能更好地了解决定杂色形成的遗传因素和分子因素 ， 为后基因组和组学中提供大量的有效方法和独特工具 ， 同时通过生物技术为有效产生外来杂色表型提供了很好的机会和有吸引力的替代方法 。基于此 ， 综述观叶植物的主要特征及叶斑来源 ， 对利用模式植物揭开叶绿素生物合成和叶斑形成的分子机制进行探讨 ， 并描述调查工作的现状及关于观叶植物叶斑的重要研究发现与进展 。关键词 花叶观赏植物 ; 分子特征 ; 叶斑 ; 观叶植物中图分类号 Q37 文献标识码 B 文章编号 1674-6341 2018 03-0043-04Molecular Characterization of Leaf Variegation and Implication for Foliage OrnamentalsGUAN Xia－yu， CHEN Qing－xi， TAN Ling－ying Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， ChinaAbstract Foliage plants are one of the most important non grain crops widely used in interior decoration and outdoorlandscape． They are important parts of the world’s ornamental industry． Leaf variegation is a major determining factor for theoverall varietal value in foliage plants and remains the most sought trait by horticultural breeders， enthusiasts and consumers．Over the past several decades there have been extensive research endeavors using model plant species to unravel the molecu-lar mechanisms underlying variegation． In comparison with conventional breeding， this can better understand the genetic andmolecular factors that determine the ation of variegated colors， provide a large number of effective s and uniquetools for the post genome and omics， and provide a good opportunity and an attractive alternative to the effective generationof exotic color phenotypes through biotechnology． In accordance with such expectation， this review focuses on issues relatedto major features of foliage plants and sources of variegation， examines molecular mechanisms of chlorophyll biogenesis andvariegation ation uncovered using model species and provides the current status of investigative efforts and significantfindings related to variegation in ornamental foliage species．Key words Foliage ornamentals; Molecular characterization; Leaf variegation; Foliage plants收稿日期 2018-04-18基金项目 福建省科技重大专项 “福建特色园艺作物种质优异资源的挖掘与种质创新 ” 2015NZ0002 。第一作者简介 关夏玉 1984 ， 女 ， 福建莆田人 ， 在读博士研究生 ， 实验师 。研究方向 花卉与景观园艺 。人类通常对被归为观赏植物的奇异植物有无尽的需求和好奇 。这些植物一般具有郁郁葱葱 、迷人的叶子 ， 叶子往往具有奇特结构和优美的图案或随机叶斑 。这些植物的花朵鲜艳 ， 带有奇异的香味并极具季节吸引力 ， 浆果光亮可爱 。我们对奇异植物的热情恰如 Howard－Yana Shapiro作者 /育种家 所描述的那样 “看到我们花园中的变化 、成长 、演化和自然循环 这是真正的奇迹 ， 也是生活中最大的喜悦之一 。”对于室内装饰和室外景观中广泛应用的装饰性观叶植物而言 ， 叶斑是其最重要的特征之一 。1 观赏植物花叶的产生许多科研技术被应用于观叶植物中新叶斑表型的产生 。这些技术包括交叉杂交 或常规育种 、体细胞诱变 或体外诱变 、化学诱变 或体内诱变 、辐射诱变 、自然界中新物质的开发和基因工程 。1．1 育种在众多育种方法中 ， 常规育种是能创造更大的遗传变异性的最古老的方法 ， 尤其对于观赏植物 。这是因为许多叶杂色与稳定的遗传因子有关 ， 这些遗传因子可以通过交叉杂交传递给新的后代 。例如 ， Marcotrigiano 等人［ 1］利用枝条培养技术 ， 研究了 Coleus x hybridus Voss 品种后代中白化性状和花青素叶斑性状的遗传稳定性 。341．2 突变自 20 世纪 60 年代以来 ， 许多育种公司和科学家开始就这一领域进行更有效的技术开发 。如植物材料的 X 射线处理已被人们广泛研究 。私人公司通过化学或物理方法 ， 对许多观赏作物进行了突变诱导 。1．3 组织培养在组织培养过程中 ， 体细胞无性系变异是观叶植物新突变体的重要来源 。这些突变由多种机制引起 ， 包括培养外植体前已存在的遗传异质性 、培养过程中使用化学物质引起的新基因组突变和表观遗传突变 。1．4 基因工程随着现代分子生物学的进步 ， 人们已经进行了大量的研究来分离和表征控制许多植物品种花叶的基因 。这些研究提供了一个最被需要的知识库和进一步理解叶斑控制的机制 。然而 ， 与已经广泛探索的基因工程方法以创造新的花表型和栽培品种的花卉作物相比 ， 观叶作物在该领域的进展落后［ 2］。2 模式植物光合机制及叶斑分解机制的研究植物对光能的成功储存和转换取决于许多复杂的 、通常是多余的但有利于功能性光合机制发展的细胞过程 。简而言之 ， 光能被光合反应中心的叶绿素捕获 ， 随后用于植物发育所必需的细胞组分的产生 。对这些细胞过程的分子研究 ，揭示了植物如何为自己的生存获取能量以及如何改善植物自身生长 。多年来 ， 人们从拟南芥 、玉米 、水稻和番茄等众多物种中 ， 鉴定出许多显著的杂色突变体 ， 并且在分子水平上进行了详细描述［ 3， 4］。值得注意的是 ， 虽然叶斑可能由许多环境因素或病原体攻击 如病毒 触发 ， 但稳定和可遗传的叶斑主要由基因突变 即本文讨论的主题 引所起的［ 5］。根据致病突变的位置 ， 可将这些突变体分为细胞器诱导组和核诱导组 。在细胞器或非核组中 ， 突变体表型是由质体基因组或质体中的基因突变引起的 ， 而核基因突变则决定了核组的发生 。由细胞器诱导的叶斑突变体有几个独特的特征 ， 分别是自然发生 、母系遗传以及混合正常和异常质体的异质细胞器的存在 。此外 ， 不仅叶绿体基因组突变会导致叶斑 ， 线粒体基因组突变也会通过破坏叶绿体组成物质的正常供应及与叶绿体的交流而引起叶斑 。Brner 和 Sear［ 6， 7］综述了许多在分子水平上具有杂色表型的叶绿体突变体 。迄今为止 ， 文献所报道的大部分变异为核变异 。这表明核基因在质体形成及叶绿素和类胡萝卜素等关键色素的生物合成中起重要作用 ， 并负责维持质体内许多代谢通路的完整性 。不难想象 ， 这些基因的突变将不可避免地导致质体发育异常以及光合功能的丧失 ， 最终影响叶斑形成 。与花叶相关的核基因的主要指标之一是孟德尔遗传定律 。另外 ， 这些基因通常直接在质体内或与质体发育相关联 ， 从而编码结构蛋白 、酶促蛋白和调节蛋白 。多年来 ， 许多这样的突变基因已从不同的物种中鉴定出来并被很好地表征 。在拟南芥中 ， immutans im 、var1 和 var2 是被讨论最多的与叶斑相关的核隐性基因［ 8］。含有 im 等位基因的植物以斑点形式产生绿色和白色部分［ 9］。其中绿色部分含有正常的质体 ， 而白色部分则含有不正常的质体 。早期的生理和生化调查表明 ， 突变体的白色区域组织是由类胡萝卜素生物合成的关键步骤阻断所导致的 ， 从而导致有色类胡萝卜素的缺乏 ， 而有色类胡萝卜素对于转移过多的光能并防止由光氧化造成的质体损害具有重要意义 。var1 和 var2 引起的叶斑 黄色杂交 存在一些表型相似性 ， 但是两个等位基因位于不同的染色体上［ 10］。之后 ， 基于图谱的克隆研究表明 var1 和var2 基因编码叶绿体 FtsH 蛋白酶［ 11， 12］。ATP 依赖性金属蛋白酶 FtsH 属于 AAA 蛋白酶超家族 ， 它无处不在并在从原核生物到真核生物的生物体中执行各种蛋白水解功能［ 13］。转座子诱变研究也被广泛应用于金鱼草中 ， 以诱发产生叶斑基因 。一个类似的实验研究确定了编码镁原卟啉 Ⅸ螯合酶的核同系物 Oliver［ 14］。该酶能催化四吡咯 －金属螯合 ，而这恰是叶绿素合成的关键步骤 。因此 ， 该基因的突变将导致叶绿素的丧失和叶绿体发育的异常 。此外 ， 还发现一个由核基因编码的功能未知的 DAG 蛋白质能够影响叶绿体的发育［ 15］。值得注意的是 ， 对于基因组信息无法获得的物种而言 ， 转座子诱变是产生突变体和鉴定检测的有力工具 ， 因为转座因子能够破坏基因和 /或启动子区域中的基因 ， 导致包括叶斑在内的表型变异 。3 观叶植物花叶研究的最新进展与上述非观赏植物的研究工作相比 ， 历史上对观赏植物叶斑机制的分子调查研究相对较少 。在 20 世纪 60 年代早期 ， 一品红中花叶马赛克斑点型的突变体被广泛研究 ， 并随后分离出与质体遗传相关的塑性突变［ 16］。直到 20 世纪 80年代 ， 类似的研究表明 ， 来源于体外繁殖叶片外植体的非洲紫罗兰的不定芽嵌合体中的杂色嵌合体的发生 ， 是由基因异源细胞类型共存引起的［ 17］， 但认为基因表达才是杂色真正来源的研究人员立即否定了这一结论［ 18］。接下来的很长一段时间 ， 研究工作主要集中于叶斑细胞水平的观察和表征 ，其中叶斑是由观叶植物体外培养或环境因素诱导引发的［ 19－24］。其他研究则利用扩增片段长度多态性 AFLP 研究了与观赏物种遗传环境有关的问题 ， 如染色体数目 、核型变异［ 25］以及商业栽培品种的遗传相关性［ 26］。通过绿萝 Epipremnum aureum 中花叶的研究 ， 人们对非重复序列基因表达调控的分子机制进行了特别细致的阐述［ 27－30］。绿萝作为一种重要的观赏植物 ， 已经在世界范围内广泛种植 ， 并在观叶作物产业中得到高度重视 。观叶植物具有引人注目的花叶斑点 、常绿藤本植物的生长习性和广泛用途 如吊篮作物可广泛应用于室外 /室内装饰工程中 ， 因而十分流行 。它仍然是集约化育种计划 、组织培养和转化体系发展的主要目标物种 ， 其最终目标是扩大生物技术应用以创造新品种［ 31， 32］。近年来 ， 随着更为先进的分子生物学技术的出现 ， 差异表达谱被用于鉴定其转录调控和 /或基因产物能够影响和产生花叶表型的基因［ 27］。这些研究人员首次发现了大量的核非重复序列基因 ， 它们在绿色组织和淡黄色组织中共有高达150 次的差异性表达 。有趣的是 ， 这种高度调控的全局基因表达可导致异常叶绿体发生空泡化隔室 、类囊体膜消失和塑性球体积累 。在菊科菊属植物中 ， 发现许多与光合作用有关的基因在黄色部分上调 ， 其中包括 ChlH 和 FtsH 的直系同源物 ， 它们分别编码镁螯合酶的大亚基和 ATP 依赖性肽酶 /ATP 酶 /金属肽酶［ 27］。ChlH 和 FtsH 基因先前在其他物种中均有表达 ， 并在花叶发生中起重要作用 ， 同时还由于诱导型44补偿基因上调而在褪绿组织中增强表达［ 14， 28］。然而 ， 必须指出的是 ， 这些研究人员未能在基因水平上为花叶生长发育提供更明确的机制解释 ， 并且不能鉴定与非绿色组织相关的任何下调基因 。最近对镁原卟啉 Ⅸ一甲酯 MgProtoME 环化酶同源物EaZIP 的研究为观赏植物中核基因表达和杂色形成的相关性提供了强有力的证据 。人们已经鉴定了 MgProtoME 环化酶基因 ， 并利用细菌和如拟南芥菜和烟草等模式植物 ， 充分阐明了它们在质体发育中的功能作用［ 33－36］。植物中 ， 在底物MgProtoME 中形成二乙烯基原叶绿素环上的同素环时 ， 这种酶催化氧化环化反应 ， 促进了叶绿素的形成 。即使这种酶在类囊体膜中有反应位置 ， 它也是具有叶绿体转运肽及成熟肽编码区的核基因产物［ 37］。序列分析显示 ， EaZIP 蛋白与烟草 NTZIP 和拟南芥 CHL27 的同源物分别具有 86和 84的同一性 ， 表明不同物种之间具有高度保守的基因同源性［ 38］。我们课题组在对绿萝的研究中发现缺失转运肽的EaZip 基因在烟草中的过表达会表达烟草的花叶 。这个研究结果表明 ， 这也可能是一种花叶植物品种改良的新方法和新途径［ 39］。4 结语花叶是一个自然的奇迹 ， 它提高了观叶植物的观赏价值 ， 并始终是观叶植物产业中受高度重视的特征之一 。虽然常规育种仍然是品种多样化发展及扩大品种范围的主要方法 ， 但是对观赏植物花叶分子机制的深入了解还有赖于生物技术在观赏植物改良中更好的应用 。特别是在当前的后基因组和组学领域中 ， 基于对模式植物的大量实践 ， 已创建了大量的叶色突变知识库 ， 并揭示了大量基因对光合色素生物发生 、质体或叶绿体发育及杂色形成的重要作用 。这些信息将加快从观赏植物中分离和鉴定类似基因的分子研究 ， 而这些基因可能与模式种具有显著不同的遗传背景 。有效的组织培养和转化系统以及表征良好的基因和遗传元件的可用性 ， 将明显增强我们的研究能力 ， 并有利于高效地创造出受市场和消费者喜爱的理想杂色表型 。参考文献 ［ 1］ Marcotrigiano M， Boyle TH， Morgan PA， Ambach KL． LeafColor Variants from Coleus Shoot Cultures［ J］ ． J． AMEＲ．SOC． HOＲT． SCI．， 1990， 115 4 681－686．［ 2］ Shibata M． Importance of genetic transation in ornamen-tal plant breeding［ J］ ． Plant Biotechnology， 2008 25 3－8．［ 3］ Ｒodermel S． Arabidopsis variegation mutants［ J］ ． The Arabi-dopsis Book．2002 dol 10．1199/tab．0079．［ 4］ Sakamoto W． Leaf－variegated mutations and their responsi-ble genes in Arabidopsis thaliana［ J］ ． Genes Genet． Syst．，2003 78 1－9．［ 5］ Yu F， Fu A， Aluru M， Oark S， Xu Y， Liu H， Liu X，Foudree A， Nambogga M， Ｒodermel S． Variegation mutantsand mechanisms of chloroplast biogenesis［ J］ ． Plant Cell En-virn， 2007 30 350－365．［ 6］ Brner T， Sears BB Plastome mutants［ J］ ． Plant Mol BiolＲep， 1986 4 69－92．［ 7］ Ｒaghavendra AS， Padmasree K， Saradadevi K． Interdepend-ence of photosynthesis and respiration in plant cells interac-tions between chloroplasts and mitochondria［ J］ ． Plant Sci，1994 97 1－14．［ 8］ Sakamoto， W．， Zaltsman， A．， Adam， Z．， ＆ Takahashi， Y．Coordinated regulation and complex ation of yellow var-iegated1 and yellow variegated2， chloroplastic FtsH metallo-proteases involved in the repair cycle of photosystem II inArabidopsis thylakoid membranes［ J］ ． Plant Cell， 2003 15 2 843－2 855．［ 9］ Wetzel CM， Jiang C， Meehan LJ， Voytas DF， ＲodermelSＲ． Nuclear－organelle interactions theimmutans variegationmutant of Arabidopsis is plastid autonomous and impaired incarotenoid biosynthesis［ J］ ． The Plant Journal， 1994 6 161－175．［ 10］ Chen M， Jensen M， Ｒoderrmel S． The yellow variegatedmutant ofArabidopsis is plastid autonomous and delayed inchloroplast biogenesis［ J］ ． J Hered， 1999 90 207－214．［ 11］ Chen M， Choi YD， Voytas D， Ｒodermel S． Mutations inthe ArabidopsisVAＲ2 locus cause leaf variegation due tothe loss of a chloroplastic FtsH protease［ J］ ． Plant J， 2000 22 303－313．［ 12］ Sakamoto W， Tamura T， Hanba－Tomita Y， Sodmergen，Murata M． TheVAＲ1 locus of Arabidopsis encodes a chlo-roplsatic FtsH and is responsible for leaf variegation in themutant alleles［ J］ ． Genes To Cells， 2002 7 769－780．［ 13］ Patel S， Latterich M． The AAA team related ATPases withdiverse functions［ J］ ． Trends Cell Biol， 1998 8 65－71．［ 14］ Hudson A， Carpenter Ｒ．， Doyle S， Coen ES．Oliver a keygene required for chlorophyll biogenesis in Antirrhinum ma-jus［ J］ ． EMBO J， 1993 12 3 711－3 719．［ 15］ Chatterjee M， Sparvoli S， Edmunds C， Garosi P， FindlayK， Martin C． DAG， a gene required for chloroplast differ-entiation and palisade development in Antirrhinum majus［ J］ ． The EMBO Journal， 1996， 15 16 ．4 194－4 207．［ 16］ Stewart ＲN． The origin and transmission of a series of plas-togene mutants in dianthus and euphorbia［ J］ ． Genetics，1965 52 925－947．［ 17］ Norris Ｒ， Smith ＲH， Vaughn KC． Plant chimeras used toestablish de novo origin of shoots［ J］ ． Science， 1983， 220 4592 75－76．［ 18］ Marcotrigiano M， Stewart ＲN． All variegated plants are notChimeras［ J］ ． Science， 1984， 223 4635 505．［ 19］ Broertjes C， Van Harten AM． Single cell origin of adventur-ous buds［ J］ ． Euphytica， 1985 34 93－95．［ 20］ Vladimirova SV， McConnell DB， Kane ME， Heley ＲW．Morphological plasticity of Dracaena sanderana‘Ｒibbon’in response to four light intensities［ J］ ． Hort Science，1997， 32 6 1 049－1 052．［ 21］ Zaffari GＲ， Peres LEP， Kerbauy GB． Endogenous Levelsof Cytokinins， Indoleacetic Acid， Abscisic Acid， and Pig-ments in Variegated Somaclones of Micropropagated BananaLeaves［ J］ ． J Plant Growth Ｒegul， 1998 17 59－61．54［ 22］ Tsukaya H， Okada H， Mohamed M． A novel feature ofstructural variegation in leaves of the tropical plantSchismatoglottis calyptrata［ J］ ． J Plant Ｒes， 2004 117 477－480．［ 23］ Ｒocca N， Ｒascio N， Pupillo P． Variegation in Arum itali-cum leaves． A structural－functional study［ J］ ． Plant Physi-ology and Biochemistry， 2011， 49 12 1 392－1 398．［ 24］ Kim J， Kang SW， Pak CH， Kim MS． Changes in Leaf Var-iegation and Coloration of English Ivy and Polka Dot Plantunder Various Indoor Light Intensities［ J］ ． HortTechnolo-gy， 2012， 22 1 49－55．［ 25］ Deng M， Chen J， Henny ＲJ， Li Q． Chromosome Numberand Karyotype Variation in Codiaeum variegatum Cultivars［ J］ ． Hortscience， 2010， 45 4 538－540．［ 26］ Fang J， Chen J， Henny ＲJ， Chao CT． Genetic Ｒelatednessof Ornamental Ficus Species and Cultivars Analyzed byAmplified Fragment Length Polymorphism Markers［ J］ ． J．AMEＲ． SOC． HOＲT． SCI， 2007， 132 6 807－815．［ 27］ Chang Q， Chen S， Chen Y， Deng Y， Chen F， Zhang F，Wang S． Anatomical and Physiological Differences and Dif-ferentially Expressed Genes Between the Green and YellowLeaf Tissue in a Variegated Chrysanthemum Variety［ J］ ．Mol Biotechnol， 2013 54 393－411．［ 28］ Kakizaki， T．， Matsumura， H．， Nakayama， K．， Che， F．S．， Terauchi， Ｒ．， ＆ Inaba， T． Coordination of plastid pro-tein import and nuclear gene expression by plastid－to－nu-cleus retrograde signaling［ J］ ． Plant Physiology， 2009 151 1 339－1 353．［ 29］ Hung CY， Sun YH， Chen J， Darlington DE， WilliamsAL， Burkey KO， Xie J． Identification of a Mg－protopor-phyrin IX monomethyl ester cyclase homologue， EaZIP，differentially expressed in variegated Epipremnum aureum‘Golden Pothos’is achieved through a unique ofcomparative study using tissue regenerated plants［ J］ ． Jour-nal of Experimental Botany， 2010， 61 5 1 483－1 493．［ 30］ Meshram A， Srivstava N． Molecular and physiological roleof Epipremnum aureum［ J］ ． Internat J Green Pharm， 2014 8 73－76．［ 31］ Qu L， Chen J， Henny ＲJ， Huang Y， Caldwell ＲD， Ｒob-inson CA． Thidazuron promotes adventitious shoot regerner-ation from Pothos epipremnum aureum leaf and petioleexplants［ J］ ． In Vitro Cell． Dev． Biol．Plant， 2002 38 268－271．［ 32］ Kotsuka K， Tada Y． Genetic transation of golden pot-hos Epipremnum aureum mediated by Agrobacterium tu-mefaciens［ J］ ． Plant Cell Tiss Organ Cult， 2008 95 305－311．［ 33］ Pinta V， Picaud M， Ｒeiss－Husson F， Astier C． Ｒubrivivaxgelatinosus acsF previously orf 358 codes for a con-served， putative binuclear－iron－cluster－containing proteininvolved in aerobic oxidative cyclization of Mg－protopor-phyrin IX monomethylester［ J］ ． J Bacteriol， 2002 184 746－753．［ 34］ Tottey S， Block MA， Allen M， Westergren T， Albrieux C，Scheller HV， Merchant S， Jensen PE． ArabidopsisCHL27， located in both envelope and thylakoid mem-branes， is required for the synthesis of protochlorophyllide［ J］ ． Proceedings of the National Academy of Sciences，2003 100 16 119－16 124．［ 35］ Peter E， Ｒothbart M， Oelze ML， Shalygo N， Dietz KJ，Grimm B． Mg protoporphyrin monomethylester cyclase defi-ciency and effects on tetrapyrrole metabolism in differentlight conditions［ J］ ． Plant Cell Physiol， 2010， 51 7 1 229－1 241．［ 36］ Liu N， Yang YT， Liu HH， Yang GD， Zhang NH， ZhengCC． NTZIP antisense plants show reduced chlorophyll lev-els［ J］ ． Plant Physiology and Biochemistry， 2001 42 321－327．［ 37］ Bruce BD． Chloroplast transit peptides structure， functionand evolution［ J］ ． TＲENDS in Cell Biology， 2000 10 440－447．［ 38］ Hung CY， Sun YH， Chen J， Darlington DE， WilliamsAL， Burkey KO， Xie J． Identification of a Mg－protopor-phyrin IX monomethyl ester cyclase homologue， EaZIP，differentially expressed in variegated Epipremnum aureum‘Golden Pothos’is achieved through a unique ofcomparative study using tissue regenerated plants［ J］ ． Jour-nal of Experimental Botany， 2010， 61 5 1 483－1 493．［ 39］ Guan X， Li Z， Zhang Z， Wei X， Xie J， Chen J， et al．2017． Overexpression of an EaZIP gene devoid of transitpeptide sequence induced leaf variegation in tobacco［ EB/OL］ ． PLoS ONE， 2017， 12 4 e0175995． https / /doi．org/10．1371/journal．pone．0175995．责任编辑 富春凯64/p