Genetic engineering and sustainable production of ornamentals: current status and future directions
- 作者
- Henrik Lütken, Jihong Liu Clarke, Renate Müller
- 杂志
- Plant Cell Reports（2012）
- DOI
- 10.1007/s00299-012-1265-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
观赏植物生产高度依赖化学生长调节剂（如矮壮素、丁酰肼、多效唑）和乙烯抑制剂，这些化学品对环境和人体健康有害且在欧盟等地区逐步被禁用；同时观赏植物育种需要紧凑株型、延长瓶插寿命等性状，传统育种因多倍体、高染色体数和不亲和性等而困难。因此需要开发遗传工程等可持续替代策略。
研究策略
综述策略，系统总结了通过基因工程调控赤霉素（GA）代谢途径（GA20ox、GA2ox）、激素稳态（KNOX、BELL、天冬氨酸蛋白酶）、GA感知（GAI、SHI）以及乙烯信号转导（如etr1-1）来培育紧凑型、抗乙烯观赏植物的多种分子育种策略，并讨论了利用野生型农杆菌天然转化（rol基因）的非转基因替代方法。
研究路线图
核心内容
该综述系统总结了遗传工程在观赏植物可持续生产中的应用现状与未来方向。针对传统育种受多倍体、高染色体数等限制，以及化学生长调节剂因环境和健康问题在欧盟等地被逐步禁用的问题，研究梳理了多条代谢工程策略：通过调控赤霉素代谢途径中的GA20ox和GA2ox基因、赤霉素感知相关的GAI与SHI转录因子，以及KNOX类基因来实现紧凑株型；通过调控乙烯受体etr1-1延长瓶插寿命。关键结果包括：在Kalanchoe中沉默GA20ox或过表达AtSHI可获得矮化紧凑且开花不受延迟的植株，外源GA3可恢复其表型；菊花中异位表达gai虽矮化但开花延迟且花数量减少。此外，利用野生型农杆菌天然转化（rol基因）因不涉及重组DNA，在欧盟和日本不被列为转基因生物，是培育紧凑型观赏植物的实用非转基因途径。全球观赏植物年产值约500亿欧元，丹麦2010年85%的盆花和切花出口、出口额达2.5亿欧元，凸显该产业的经济规模。该研究为以基因工程替代化学调控剂提供了可行方案，尤其在非食用作物中具有较高的公众接受度，未来应着力提升经济可行性并简化审批流程。
创新点
系统梳理了以代谢工程替代化学生长调节剂和乙烯抑制剂的可行性，提出多个关键基因靶点；强调了天然转化（rol基因）在欧盟和日本不被视为GMO的法律优势，为观赏植物可持续生产提供低成本、环保的育种新途径。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Phaseolus coccineus (基因来源); Euphorbia pulcherrima (受体) | 赤霉素(GA)代谢 | PcGA2ox | GA2-氧化酶 | 催化 | 在一品红三个品种中过表达以增加GA降解，诱导矮化（正在鉴定中） |
| Kalanchoe blossfeldiana | 赤霉素(GA)代谢 | GA20ox | GA20-氧化酶 | 催化 | 利用乙醇诱导启动子沉默，低浓度酒精诱导后植株高度降低和开花延迟 |
| Kalanchoe x houghtonii / Kalanchoe blossfeldiana 'Molly' | KNOX基因调控 | KxHKN5 | KNOX class I 转录因子 | 调控 | 过表达导致紧凑性和叶形态改变；沉默导致紧凑但叶形态不变 |
| Kalanchoe blossfeldiana 'Molly' | KNOX基因调控 | KxHKN4 | KNOX class II 转录因子 | 调控 | 过表达产生紧凑植株，相对花序分支显著增多，叶绿素含量升高 |
| Kalanchoe (受体); Arabidopsis thaliana (基因来源) | 赤霉素(GA)信号感知 | AtSHI | SHORT INTERNODES (SHI) 转录因子 | 调控 | 过表达产生矮化紧凑植株，开花不延迟，外源GA3可恢复开花；在杨树中也导致节间和叶柄缩短 |
| Chrysanthemum morifolium | 赤霉素(GA)信号感知 | gai (AtGAI) | GAI (DELLA) 转录调节因子 | 调控 | 异位表达导致矮化，但花数量和大小减少，开花延迟 |
| Petunia hybrida | 赤霉素(GA)信号感知 | GAI | GAI (DELLA) 转录调节因子 | 调控 | 引入基因组GAI序列导致节间长度缩短、紧凑性增加 |
| Malus domestica (苹果) | 赤霉素(GA)信号感知 | AtGAI | GAI (DELLA) 转录调节因子 | 调控 | 过表达导致植株大小显著减小，但生根能力降低 |
| 多种观赏植物（如Petunia、Kalanchoe、Campanula等） | 乙烯信号转导 | etr1-1 | 乙烯受体 ETR1 (显性突变体) | 调控 | 异源表达降低乙烯敏感性，延长花寿命，减少花脱落 |
| 多种观赏植物（如龙胆、金鱼草、柠檬天竺葵等） | 植物激素响应与形态发生 | rolA, rolB, rolC | Rol 蛋白 | 调控 | 野生型农杆菌天然转化致紧凑表型，在欧盟和日本不被视为GMO |
关键发现
- 全球观赏植物产值约500亿欧元，消费量1000-1500亿欧元
- 丹麦2010年盆花和切花产值约3亿欧元，其中85%出口，出口额2.5亿欧元，位居世界第二出口国
- Kalanchoë和Rosa hybrida在丹麦2010年分别销售4500万和2400万株
- 挪威一品红年销售约600万株，市场价值超2亿挪威克朗
- 美国与欧盟一品红年产分别5000万和1亿株，2008年产值约1.55亿美元
- 2010年全球转基因作物种植面积达1.48亿公顷，较2009年增长10%。基因工程方面：在Kalanchoe中通过乙醇诱导启动子沉默GA20ox得到株高降低、开花延迟的植株
- AtSHI过表达使Kalanchoe矮化紧凑且开花不延迟，外源GA3可恢复开花
- 菊花中异位表达gai导致矮化但花数量和大小减少、开花延迟
- KxHKN4过表达使Kalanchoe紧凑、相对花序分支数显著增多、叶绿素含量升高
- 苹果中过表达AtGAI植株大小显著减小但生根能力降低
- 已商业化的转基因香石竹在市场上销售约15年，表明消费者接受度可行。
研究结论
遗传工程为观赏植物可持续生产提供了可行的替代化学调控剂的策略，通过调控GA代谢与信号转导可实现紧凑株型，通过调控乙烯受体可延长采后寿命；其中天然转化（rol基因）因不涉及重组DNA，在欧盟和日本等地区不被列为GMO，是培育紧凑型观赏植物的实用途径；尽管存在法规限制和公众接受问题，但转基因观赏植物作为非食用作物具有相对较高的接受度，未来应致力于提高经济可行性和简化审批流程。