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花花世界:利用基因工程技術圓一個古老的夢–創造新花色

夢想是今日科學進步的原動力,培育藍色康乃馨、藍色玫瑰及黑色鬱金香,是自古以來花卉育種家的夢想,這個夢想,可望在二十一世紀利用基因工程技術來達成。
 
 
 
花卉具有美化人生、怡情養性的功能,更是人們日常生活中不可或缺的情感調節劑與催化劑。隨著生活水準的提高,人們對花卉的需求也隨之增加。

美國羅徹格斯大學心理學教授哈福蘭瓊斯(Horfflan Jones)曾進行一個有趣的心理學研究,發現人類的大腦對於不同顏色的花會產生不同的情感反應。例如,紅色花,尤其是紅玫瑰,容易使人產生激情的綺想,因此,有助於戀愛中男女感情的提升。根據統計,玫瑰花,尤其是紅玫瑰,是情侶表達愛意的第一選擇;藍色或紫色的花則給人穩重、神秘的感覺;黃色的花帶給人喜悅與快樂;而白色的花除代表聖潔外,也傳遞了哀傷的訊息。

在臺灣,白色系列的花是屬於喪葬用花,所以白色花最好不要隨便拿來送人,以免觸人霉頭、惹人煩厭。有許多花卉,或花型優美,或帶有香味,但因為缺乏多樣化的花色,而無法大眾化,殊為可惜。例如,臺灣著名的球根花卉晚香玉,花型高雅,夜晚又會釋放出淡淡的香味,因此又名夜來香,可惜,在市場上目前只有白色品種可供選擇,而淪為喪葬用花。因此,花色是花卉作物育種中一個非常重要的性狀,育種家希望在同一種花卉中,能育出五彩繽紛的花色品種供大眾選擇,以提高商品的價值。

現代版黑色鬱金香的故事

黑色鬱金香的故事,是描述在很久很久以前,荷蘭有一位特別偏愛鬱金香的農人,窮其一生只為完成培育出一株黑色鬱金香的夢想故事。

大家都知道:有些夢想是很難達成的,但是,夢想卻是今日科學進步的動力。在此,我們以科學的眼光,帶領大家檢視黑色鬱金香這個古老的夢想,是否有可能達成?要如何達成?所以,這是一個現代版「黑色鬱金香的故事」,這個故事在二十世紀末出現轉機,並可望在二十一世紀達成。

傳統的育種方法無法創造新花色

花色是遺傳控制的性狀,在孟德爾的豌豆遺傳試驗中,紅花和白花雜交的後代裡,只有紅花和白花二種顏色的子代產生,並且以固定的遺傳方式傳遞下去,除非有突變發生,否則不會有異於二親本花色的子代產生。這個實驗結果說明,花色是遺傳控制的性狀,除了突變外,單靠雜交是無法產生新花色的。而生物體的遺傳機制非常穩定,突變發生的比率極低(約百萬分之一)。長久以來,誘變即為創造植物變異或新性狀的方法,當然可用來創造新花色。然而,誘變僅能對一物種已有的基因造成變異,不能無中生有;對一原本就缺乏花色合成途徑的花卉作物,誘變是枉然的。獲得突變新花色的機會微乎其微,真正的黑色鬱金香是不可能利用傳統方法育成的。

由於花色受遺傳控制,最基本的花色育種法就是利用雜交,將二親本的花色基因進行遺傳重組。依據孟德爾遺傳學定律,雜交後基因會進行重組,因而產生不同的顏色。但是,傳統花色育種的困難有:

種原的限制︰由於同一物種所包含的花色變異有限,要育成特定目標(如藍色花),可用的基因(藍色基因)來源有限。例如,想要育出藍色康乃馨,而康乃馨原來就缺乏藍色的種原,在同種內缺乏可作為雜交親本的種原,限制了雜交育種的成果。

種間雜交困難︰在育種上,有時為了突破種原的限制,會選取近緣種,甚至不同屬的種原,當做親本來進行雜交。只是不同種、屬間進行的「種間雜交」或「屬間雜交」頗為困難,常見的問題是不結種子或所結的種子數極少,無法獲得足夠子代以供選拔所需性狀。因此,種、屬間雜交育種成果難有大突破。例如,許多藍色的花,如飛燕草、洋桔梗和愛麗斯等,都有藍色基因,但是它們無法和康乃馨雜交,所以無法利用雜交方法導入藍色基因,育出藍色的康乃馨。

傳統育種方法屬於雜交育種,每次雜交即將二親本所有好的、壞的基因型及性狀合併至其子代,再經由世代選拔去蕪存菁,選出包含所欲改良性狀的子代植株,品種改良成果主要決定於提供性狀或基因型之父本及母本。除發生基因突變外,二親本所沒有的性狀是無法出現在其雜交子代的,亦即子代性狀不會「無中生有」。所以,如果利用傳統育種法,要培育出黑色鬱金香、藍色康乃馨或是藍色玫瑰的夢想是不可能實現的。

既然傳統的雜交育種方法無法創造新的花色,我們只好另尋其他可能途徑來解決了。

花色素是植物所特有的代謝產物

進行花色育種,首先要了解花色素是如何形成的。花的顏色主要由類黃酮、花青素及胡蘿蔔素等化合物來決定。其中又以花青素最為重要,因為它及其相關產物提供了黃色、紅色、橙色、藍色及紫色等色素成分;胡蘿蔔素的顏色範圍很窄,僅提供黃色至橙色系列的色素。花就宛如一個生物化學調色盤,這些主要色素的種類與多寡,決定一朵花的最終顏色表現,稱為共色作用。事實上,花青素只是植物所合成的許多花色素中的一種。花色素是指一系列相似構造的化學物質,包含多種不同顏色的植物色素。花色素主要累積在植物表皮細胞的液泡中,可表現於花瓣、種子和果實中,用以吸引昆蟲及動物,達到授粉與種子散播的目的。

影響花色表現的因子

花色素是植物所特有的多酚類化合物,也是由類黃酮代謝所衍生的化合物,其中合成主要花色素的代謝路徑,稱為花色素生合成路徑。花色素的結構是影響花色的主要因子,會因所攜帶羥基的多少、甲基化的程度、糖基化數目、種類及連接位置的不同而反應出不同顏色,使花色素產生廣泛的顏色變異。

在自然界中,廣泛分布的花色素以天竺葵素,矢車菊素,飛燕草素為主,由此,可再因不同程度的甲基化,而衍生出許多他種花色素。

雖然,花色主要是由花瓣中的花色素種類來決定,然而,決定最終花色的因子,除了花色素的累積外,還包含共色作用、液泡的酸鹼值及細胞的形狀等多種因子。

花色素的呈色會受到金屬離子及共色物如黃酮醇與黃烷酮的影響,共色作用即堆積這些複合物的形成,導致在花色素的吸收光譜中產生顏色的改變。

欲合成藍色的花,在較高的細胞酸鹼值狀態下較為可能;在矮牽牛中,已發現有七個基因座與酸鹼值的調控有關,這些基因的突變並不會改變花色素的組成,但會使花瓣萃取物的酸鹼值提高,而導致花色藍化現象。相同的色素化合物在不同酸鹼值的細胞內也會呈現顏色差異,因此,改變細胞的酸鹼值已成為調控花色的手段之一。

花色的表現是因為表皮細胞中的花色素具有吸光特性,吸收光譜中不同波長的光,將未吸收的反射而呈色。所以,花瓣表皮細胞之結構與形狀,也會影響光波的吸收與反射,而影響花的呈色。

因此,花色是受到許多因子共同作用的結果,要真正控制花色是極不容易的事。

圓一個繽紛的夢

生物技術被公認是二十一世紀的明星產業,我們是否可以利用生物技術來進行花色育種呢?所謂生物技術育種,是利用生物技術進行作物品種改良,又稱為分子育種。即利用遺傳工程技術,自A個體(可為任何物種)分離特定基因(如藍色基因),經基因工程改造使能表現於目標植物,再利用基因轉移技術,將其導入至缺乏此一基因或特性的目標植物的育種方法。

事實上,基因工程育種是傳統作物育種的延伸。基因工程育種法,是屬特定基因的嵌入,每次基因轉移的步驟,只將一個或少數幾個經基因工程改造或修飾過的基因,導入目標植物的染色體內,與傳統雜交育種的整個基因組合併是不同的。利用基因工程育種法所育成的作物品種,統稱為基因改造作物或轉基因植物。

由於所有的生物如微生物、植物、昆蟲、魚類、甚至人類的基因,都是由腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥糞嘌呤、胞嘧啶等四個遺傳密碼排列組合而成。理論上,自任何生物所選殖的基因,均可利用基因轉移技術,轉移至植物基因組,使其產生適當的表現,而創造新特性。因此,利用基因工程技術進行作物品種改良,可以突破種原的限制,及種、屬間雜交的瓶頸,也就是說,基因工程育種法可以「無中生有」,創造出原來種、屬內所未有的新性狀或新品種。利用基因工程技術進行作物品種改良,因為可以僅將所選定之基因,或包含目標性狀之去氧核糖核酸片段,嵌入目標作物的基因組內,所以準確性高,結果更是可以預期。由於基因工程育種,每次僅改良少數性狀,如能選用現有優良品種為材料,導入新性狀或基因,新品種仍可保留原有品種的優良性狀。

由於花色素的生合成受嚴格的基因調控,想要創造新花色,必須充分了解目標花卉色素生合成路徑的基因功能及作用機制。再利用分子生物技術,選取一種具有正常基因功能的物種,分離目標基因,利用基因工程改造後,再轉移至產生障礙的目標作物,以外來的基因彌補障礙基因的功能,創造出新的花色品種。例如,選殖可生產藍色及紫色色素的飛燕草素的基因,轉移至無此產物的任何花卉,便可創造出藍色或紫色花的新品種花卉。

利用基因工程技術創造花色的步驟

目標花卉與花色之決定及其花色素生合成路徑之分析︰利用基因工程技術進行作物品種改良與傳統育種方法相同的是,首先須決定所要改良的花卉作物的種類及欲創造之花色。進而對目標作物色素生合成途徑基因的功能及作用機制充分了解,探討其色素生合成途徑之生化或分子層次的缺陷,方能利用分子生物技術,將特定的花色基因,由另一物種分離,再轉移至缺乏此基因的目標作物品種,突破種間雜交的障礙,創造新的花色品種。

基因來源物種之決定及目標基因之選殖與改造︰依據生物化學的分析結果選定具有目標花色之作物,做為花色基因的提供者,進行色素基因選殖,以獲得該基因。例如,決定育成藍色的菊花,必須從有藍色花的作物,如愛麗斯、洋桔梗、飛燕草等花卉分離藍色基因。

基因轉殖載體之構築︰因為基因無法單獨進入植物細胞內,轉殖載體可做為將基因由植物細胞外帶入植物細胞核的交通工具。為此,我們所選殖的基因,必須經過各種基因操作技術,如接上啟動子,使能啟動基因表現;接上促進子或調節子等去氧核糖核酸片段,使目標基因更易於控制與表現後,再構築於含有適當選拔標誌或報導基因之轉殖載體,方能進行基因轉移。

將基因轉移至目標花卉品種︰基因轉移的方法有多種,主要有基因鎗、農桿菌及電穿孔法等。必須依據作物種類及再生特性,選擇適當的基因轉移系統,將經改造構築於載體之基因,轉移至目標作物。

轉基因植株之篩選及色素基因表現與產物分析︰經基因轉移後再生所得之植株,需以抗生素、聚合酵素連鎖反應、南方、北方及西方型轉漬等篩檢方法,篩選出含有目標基因及表現正常之轉基因植株。由於目標基因屬外來基因,可能嵌入目標作物的基因組之任一位置,而影響原有基因之正常表現,因此,含有目標基因之轉基因植株,需經數代的基因表現分析、基因穩定性測試及遺傳分析,確定此一外來基因可於世代間穩定表現,才算是成功的基因轉移。

轉基因新花色品種之育成與上市︰基因工程品種因含外來基因,並非天然的作物品種,因此,世界各國對轉基因植株之育成,及其產品上市過程,均有嚴格之規範,以維護現有作物品種之安全,除避免轉基因在自然界隨意擴散,更要保障消費者的安全。花卉主要為觀賞用,且一般均以盆栽或設施方式於溫、網室內栽培,對環境生態的可能衝擊較一般轉基因植物小,只要不隨意丟棄或自行於戶外栽植,應是安全的。因此,未來消費者對轉基因花卉品種之接受程度,較其他基因改造有機體產品高且容易,市場阻力小,發展空間極大。

目前利用基因工程技術成功創造新花色的實例有:矮牽牛、花菸草、菊花、非洲菊等,藍色康乃馨與藍玫瑰更聲稱已成功育出,唯仍未見有標示轉基因花卉品種上市,可能與基因改造有機體的規範有關。

國外花色創造之研究成果

利用基因轉移技術增加新的色素合成路徑,是轉移一新的色素基因,使合成新色素創造新花色最直接的方法。以矮牽牛磚紅色花的育種為例,在矮牽牛的種原中,並沒有生產磚紅色的花色素–天竺葵素配基的種原,可做為雜交親本。因為矮牽牛根本就缺乏生成磚紅色天竺葵素配基的二氫黃酮醇還原酵素基因,因此,如欲以傳統雜交育種法育成磚紅色系列之花色品種是絕不可能的。正好在玉米花色素生合成途徑中,有可以生產天竺葵素配基之二氫黃酮醇還原酵素基因。

梅爾(P. Meyer)等人於一九八七年,以遺傳工程技術進行基因選殖與改造,再利用農桿菌基因轉移法,將玉米的二氫黃酮醇還原酵素(A1)基因轉殖入矮牽牛中,終於育成新的磚紅色的矮牽牛品種,這是利用基因工程育種法進行花色育種成功的首例。最近,轉移黃酮素3'-烴化酵素基因至缺乏此一基因之矮牽牛的突變體,證明可使淡粉色之矮牽牛花,顏色加深為鮮豔的磚紅色。

現今世界花卉市場最暢銷的切花作物,是康乃馨、菊花和玫瑰等,雖然這些花卉利用傳統育種方法,已能生產許多的顏色,然而,卻都無法生產藍色飛燕草色素,主要是缺乏藍色基因–黃酮素3', 5'-烴化酵素所致。如何選殖及轉移藍色基因,創造藍色花系列品種,已成為現今花卉育種公司最熱門的研究課題之一。

最近,澳洲花基因(Florigene)公司利用基因工程技術,得到能產生飛燕草素之淡紫色的康乃馨,就是將矮牽牛的黃酮素3', 5'-烴化酵素和二氫黃酮醇還原酵素基因共同轉移至白色康乃馨品系中,因其本身累積二氫山奈黃醇而導致飛燕草素的生產所致。只可惜,轉基因康乃馨的顏色表現,受矮牽牛基因的表現程度所限制,通常花色呈現淡紫色或紫色,而非藍色。可能原因為生產色素的細胞質之酸鹼值低於7.0,而累積色素的液泡之酸鹼值低於5.5,目前大多數已選殖之黃酮素3', 5'-烴化酵素基因,其酸鹼值均介於8.8~9.3。因此如能選殖一可在較低酸鹼值,進行高效率合成藍色飛燕草素之藍色基因,將是能否育成藍色花卉的重要關鍵。

另外,利用反義基因技術可關閉原有的色素合成路徑,反義基因為與正常基因互補之去氧核糖核酸序列,因此,在細胞中其所轉錄之信使核糖核酸可與正常基因之信使核糖核酸互補,而成為雙股核糖核酸,因而抑制正常基因之表現,產生反義抑制作用。利用反義基因技術可以將一正常基因關閉,使反應物大量累積或更改代謝路徑。將反義基因技術應用於花色育種中,可藉由降低或限制基因表現,影響花色素的合成來改變花的顏色。目前已應用於矮牽牛、非洲菊、菊花和玫瑰,使花色素形成量減少,而改變花色。

從上述研究成果顯示,利用基因工程技術轉移色素合成基因創造新花色,仍有很大的發展空間。

國內花色創造之研究現況

臺灣在花色方面之研究起步較晚,相關研究人員也寥寥可數,又缺乏基礎的研究資料,一切均需從頭開始,因此研究成果有限。目前僅在基因選殖方面獲得初步成果,部分研究單位已初步建立花卉作物之基因轉移系統。可喜的是,最近有數個公立研究單位與學校,及私人廠商有意進行花色基因轉移之相關研究。

由於所有經選殖的色素基因均受到智慧財產權之保護,如欲取得使用權,必需支付大筆的基因使用權利金。唯有自行進行基因選殖,擁有自己專屬的基因,方能建立屬於我們自己的花卉產業。研究初期選定具有本土發展潛力的晚香玉為發展重點,經色素分析的研究結果發現,正常白花晚香玉因缺乏具有功能之二氫黃酮醇還原酵素基因,以致無法產生其他色素成分,故為白花。如能將一具活性,並可於植物體高度表現之外源二氫黃酮醇還原酵素基因,利用基因轉移技術送至白花晚香玉,將可彌補原來基因之缺陷,創造新花色品種。

由於大豆的種皮具有多種顏色,尤其是黑色大豆的種皮,可合成大多數的色素成分,並可吸收光譜中大多數的波長而呈現黑色,因此擁有最多的色素基因。農業試驗所分子遺傳研究室,選擇具有完整色素生合成路徑的黑色種皮大豆品種─青仁烏豆,做為色素基因選殖的來源。

歷經多年努力,目前已成功獲得四種重要色素生合成基因,其中包含芳基烯丙醯芳烴異構酵素基因一個、黃烷酮3-烴化酵素基因五個、黃酮素3'-烴化酵素基因一個,及二氫黃酮醇還原酵素基因三個,另有糖基化穩定基因、藍色基因及花色素配糖基合成酵素基因、花青素配基合成酵素等多個基因正在選殖中。所選殖的基因並已構築成基因轉殖載體,目前正與屏東科技大學、臺中改良場、高雄改良場、花蓮改良場等單位,利用基因轉移技術,將轉移至火鶴花、晚香玉、菊花、百合及蝴蝶蘭等花卉作物。希望不久的將來,我們能有自己育成新花色品種的花卉上市,給大家顏色看。

展望

由於控制色素合成之基因數目眾多,且基因間互動相當複雜,實際花色育種工作並不容易。所幸,近幾年來,分子生物技術蓬勃發展,尤其是基因分離和基因轉殖,已應用於創造新花色,希望能操縱植物之色素合成途徑,進而造成不同花色及型態上的變化。基因選殖與轉殖技術的發展,使數種重要花卉已能創造新花色,提升商業價值。

同樣的,已有很多花青素生合成基因,從葡萄和蘋果等果皮分離出來,今後也可能會有經基因改造具新果皮顏色的水果品種出現。未來除了育成新花色的花卉品種外,彩色的棉花、五顏六色的稻米、水果,均有可能在超級市場、餐桌上出現。今後應用基因工程技術在花色基因的研究成果,將給大家帶來一個五彩繽紛的的世界,亮麗我們的人生。
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