2.2 花器官发育的分子机制与花卉基因工程
花器官的正常发育是植物赖以繁衍的基础，一直以来，人们都在寻求揭示植物开花的奥秘，而花发育的研究多限于形态以及开花生理方面。20世纪80年代以来，随着分子遗传学手段的运用，借助于现代生物技术，结合模式植物拟南芥、矮牵牛和金鱼草的花发育突变体，花发育的研究在短短十几年内获得了突飞猛进的进展，成为发育生物学研究中最引人瞩目的热点。
2.2.1 花序发育的机理
花序的发育是花发育的第一步，标志着植物个体从营养生长向生殖生长的转变。植物生理学研究表明，花序的发育一般需要有一定的外界因子诱导，如光照长短、光质、温度、土壤水分等。在一定的诱导条件下，营养型顶端分生组织属性发生渐变，到诱导结束，营养型分生组织发生不可逆转的变化，成为花序分生组织。许多研究表明，植物个体可用不同的部位感知不同的环境因子，然后导致成花。相对应基因的突变能使个体对外界因子的感应能力发生改变，因而导致花序的发育时间有所变化。研究表明Emf、TfI1和Cen基因直接与植物花序发育的遗传机理有关，对顶端分生组织的属性起着决定的作用。在前期，Emf突变，功能丧失后，个体发育仅有生殖发育，它对花序的发育有抑制作用，因为突变体表现花序发育的前体。在后期，当花序顶端分生组织发育后，TfI1和Cen基因一样，都起着维持花序型顶端分生组织属性的作用。
2.2.2 花芽分化的分子机理
花芽分化是有花植物发育中最为关键的阶段，同时也是一个复杂的形态建成过程。这一过程是在植物体内外因子的共同作用，相互协调下完成的。花芽分化首先取决于植物体内的营养水平，具体说就是取决于芽生长点细胞液的浓度，细胞液浓度又取决于体内物质的代谢过程，同时又受体内内源调节物质（如脱落酸、赤霉酸、细胞激动素等）和外源调节物质（如多效唑、B9、乙烯利、矮壮素等）的制约。相反，激素的多少与运转方向又受体内物质代谢、营养水平及外界自然条件、栽培技术措施的影响。任何单一的因素都不能全面地反映植物花芽形成的本质。此外，研究者利用分子生物学技术已经从不同植物中分离出多种色素蛋白基因，发现5种光敏素基因（PhyA、PhyB、PhyC、PhyD、PhyE）和2种隐花色素基因（CRY1和CRY2）。在调节开花过程中，PhyA、PhyB有不同的敏感功能，如PhyA在某些条件下促进成花，PhyB则抑制成花。转基因的拟南芥中，隐花色素Cry2的过量表达也导致了花期的提前，表明Cry2能够感应光周期，从而调节花芽的发育。
2.2.3 花器官发育的分子机理
花器官的正常发育是植物赖以繁衍的基础。当花分生组织分化完成后，开始进行花器官原基的分化，科学家们目前已经克隆了拟南芥和金鱼草中控制花器官分化的基因，并据此提出了ABC模型学说。即通过遗传分析发现调控花器官形成的基因按功能可以划分为ABC三组，每一组基因均在相邻的花器官中发挥作用，即A组基因控制第一轮花萼和第二轮花瓣的形成；B组基因决定第二轮花瓣和第三轮雄蕊的发育；C组基因决定第三轮雄蕊和第四轮心皮的发育。花的每一轮器官受一组或相邻的两组基因控制：A组基因单独作用于萼片；A和B组基因决定花瓣的形成；B和C组基因共同决定雄蕊的发育；C组基因单独决定心皮的形成。这些基因在花器官中有各自的位置效应，并且A和C组基因在表达上相互抑制，A组基因不能在C组基因控制区域内表达，即A组基因只能在花萼和花瓣中表达，反之亦然。这些基因中任何一个功能缺失或者突变都会导致花器官形状的改变。对拟南芥的研究发现，其花器官的发育是由三组不同的基因共同控制的，分别是AP1和AP2（A）、AP3和PI（B）、AG（G），如果AP2发生突变，则花器官被生殖器官替代，而当AG发生突变时，由AG控制的雄蕊和心皮则被花萼和花瓣所替代。随着研究的深入和克隆出的花同源异型基因数量的增加，出现了许多该模型无法解释的现象。如ABC三重突变体的花器官除了叶片外仍含有心皮状结构，而不像预测的那样不再含有任何花器官状组织结构。这预示着还存在有与AG功能相近的能促进心皮发育的基因。1995年Angenent等在矮牵牛中分离到FBP7和FBP11基因，提出了决定胚珠发育的D组基因。FBP11专一地在胚珠原基、珠被和珠柄中表达。FBP11异位表达，转基因植株的花被上形成异位胚珠或胎座。抑制FBP11表达，在野生型植株形成胚珠的地方发育出心皮状结构，所以FBP11被认为是胚珠发育的主控基因。这样经典ABC模型被扩展成ABCD模型。2000年，PeIaz等发现SEP基因与花器官特异性决定有关。SEP基因的发现导致了ABC模型的重新修正，因此SEP基因也被称为E类基因，连同D类基因一起将ABC模型延伸为ABCDE模型。
2.2.4 花型发育的分子机制
花型是由花的对称性决定。在19世纪中期就已经发现金鱼草一系列突变体背对称性变化，Coen的实验证明CYC基因和DICH基因参与了金鱼草花腹背对称性的建立。RAN原位杂交结果表明，在花分生组织的早期，CYC基因仅在2个靠近花序轴的腹面区域表达。这种腹背特异性的表达能够持续到花瓣和雄蕊原基发育的后期。金鱼草腹背对称性的建立，是因为CYC基因早期在区域的表达抑制了该区域原基的形成生长。而且，有CYC和DICH所导致的腹背对称性不仅表现在花的整体上，还表现在单个花器官的对称性上。有学者用豆科植物做研究，Ljcyc1原位杂交结果表明，Ljcyc1在营养生长向生殖生长转化时，在顶端分生组织（I1）中表达；在花序原基的表达与Ljcyc2相似，但亦有显著区别，提示Ljcyc1与Ljcyc2有功能上的异同，也参与了花序和花不对称性发育的过程。对转基因株系的分析表明，Ljcyc1基因的功能有可能主要与花瓣的数目与对称性有关。金鱼草花型发育过程揭示了腹背轴的存在。实际上，花发育的其他过程也存在轴向性。
2.2.5 花卉基因工程
2.2.5.1 花色基因工程
花色是决定花卉观赏价值的重要因素。花色主要由类胡萝卜素、类黄酮和花青素三大类物质决定。目前，利用基因工程改良花色的方法主要有2种：①利用反义RNA 和共抑制技术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色；②通过外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力。Vander KroI 等将查尔酮合成酶基因CHS的cDNA反向转入矮牵牛中，使紫红色的花变为粉红色带白，甚至完全白色。Courtney等将CHS基因以正义和反义2个方向分别导入开粉红色花的菊花品种Moneymaker中，得到浅粉红色和白色花，而对照没有出现白色花。北京大学植物蛋白质工程国家重点实验室转基因获得的矮牵牛转化株，花色由原来的紫色变成了白色或具有不同模式的紫白相间的花朵。通过引入外源基因，可补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力。如将从其他花卉中克隆到的合成蓝色翠雀素必需的F3＇5＇H 酶基因，转到玫瑰和香石竹中，从而获得蓝色的玫瑰和香石竹。日本三得利公司和美国两位生物化学家分别宣布开发出蓝色玫瑰。三得利公司还利用基因重组技术，让玫瑰具备了制造“翠雀花素”的能力。美国田纳西州纳什维尔市范德比尔特大学的两位生物化学家在研究治疗癌症和早老性痴呆症的药物时发现，将肝酶转入到细菌中后，这种细菌会变成蓝色。后来他们利用转基因技术将这项发现运用到植物栽培领域，培育出了蓝玫瑰。湖北大学蔡得田教授等人经过“诱导”植物体内的叶绿素等潜在发光物质，研制出了一种荧光促进剂，只需将这种特制的荧光促进剂向花瓣喷洒1次，即可使该花卉在整个花期内“自然”地具有了一种神奇效果，在没有光线的夜间，发出色泽明丽、种类繁多的荧光。另外，科学家对花瓣条纹、彩斑等方面的研究也取得了很大进展。
人们在拟南芥、金鱼草、矮牵牛的花原基中分离出一些被称为同源异形基因（Homeotic genes）的对花器官分化起关键作用的基因，这些基因的表达会影响花朵的大小、形状和花期。科研人员还从矮牵牛、拟南芥和金鱼草的突变体中鉴定出几个控制花朵形态的基因。如控制花瓣数、花瓣形状、花瓣对称性的基因；控制花器官原基数目和位置的基因，花发育抑制基因等。将这些基因导入某些花卉内，有望培育出特异花形的新品种。利用突变体，已从拟南芥中克隆到大量控制花器官发育的基因AP1-3、AG、CAL、TFL1、LEY、CEN、FLO、SQUA、UFO等。
2.2.5.2 花香基因工程
香味在人类生活中的作用越来越重要，其应用价值也极大。由于芳香物质的代谢过程和种类复杂，加之对芳香性状的了解较少等因素，造成香味育种的研究进展较慢。现虽已开始重视花香的遗传改良，但还处于起步阶段。
为了解决花香的遗传退化问题，首先需要弄清花香物质的合成途径及分离相关的关键基因。近期研究主要集中于单萜（一类重要的花香物质）的合成过程。Iis基因可编码S-萜烯醇（s-IinaIooI）合成酶，该酶可将牦牛儿焦磷酸转化成S-萜烯醇。因此，这一基因对培育新型香味的转基因花卉具有潜在价值。Dudareva等在山字草中克隆出了Iis基因、编码IEMT的基因、编码BEAT的基因和编码SAMT的基因。IEMT能够产生丁子香酚甲醚和异甲基丁子香酚，BEAT能催化苯甲基乙酸的形成，SAMT能够产生苯甲酸甲酯。Dudareva等还在金鱼草中分离出了BAMT基因、（E）-β-罗勒烯基因和香叶烯合酶基因。Lavy等将Iis基因转入香石竹，结果发现转基因植株能够产生出萜烯醇，但并没有香味。Lucker等将Iis基因转入矮牵牛，结果发现转基因矮牵牛中不能产生萜烯醇。法国研究人员利用野生型发根农杆菌转化柠檬天竺葵，发现转化植株中的芳香物质牦牛儿醇含量比对照株增加3～4倍，其他芳香物质如萜烯醇和桉树脑也有很大增加，这一研究为花卉香味的遗传操作提供了一条途径。
以色列研究者分离出了香味浓郁的香云玫瑰特有基因，现正在研究怎样将香味基因插入无香味的玫瑰品种中。日本科技人员采用最新基因技术向大花蕙兰注入香味基因并且获得成功，让这种原本不香的兰花变得芳香四溢，从而身价倍增。英国的科学家正在试图改造花卉植物的基因，让花朵经得起风吹雨打，实现四季芬芳、永开不败的梦想。许多花卉如中国兰花和中国水仙，虽然花小且颜色简单，但具有浓郁的芳香；而附生兰类如蝴蝶兰等热带兰和水仙属的其他植物，花朵虽大、色泽鲜艳，却大多没有芳香，如何通过基因工程使这些植物既具香味，又花型美观，是科学家们的一个重要课题。
2.2.5.3 花发育基因工程
花发育相关性状主要包括花期、花数、花序类型、花朵大小、花型和花瓣的形态等。花的发育可分为花序的发育、花芽的发育、花器官的发育和花型的发育4个阶段，或花的起始、花的诱动、花的分化与发育3个步骤。研究人员已从拟南芥、金鱼草等植物中克隆出了一批与花发育相关的基因。如：影响花序或花芽分生组织发育，且同时也会影响开花早晚的花分生组织特性基因（TFL、CEN、FLY、FLO等）；调节花分生组织大小并影响器官数目的花分生组织基因（CLVI、CLV2、CLV3、WIG）；花瓣发育基因（CRABS、CLAW等）；调控金鱼草等花瓣对称性的花型基因（CYC、DICH）；影响开花早晚的花期基因（ADG1、CO、CCAJ、CLF等）等。
Luo等发现金鱼草中的1对基因CYC和DICH，对花形状的形成起关键作用。此类基因发挥作用时，金鱼草的花就发育成不规则型；而当它们发生变异时，金鱼草的花就发育成规则型。Einset等用根癌农杆菌法将番茄反义ACC氧化酶基因导入秋海棠属植物中，结果得到了延长花朵寿命的转基因植株。WinefieId等用发根农杆菌法将roIC基因导入矮牵牛属植物中，结果花期推迟，与WinefieId所得的结果相反。Giovannini等用同样的方法将roIA、B、C基因导入Osteospermum属植物中，结果却得到了提早花期的转基因植物。邵寒霜等（1999）克隆了调控花分生组织启动的相关基因-拟蓝芥LFY cDNA，然后转化到菊花中，转化后代有3株与对照相比其花期分别提前65天、67天和70天；另外有2株，花期分别推迟78天和90天。Yu等（2000）用反义抑制法将DOH1基因导入石斛，获得转化株，其花期比对照早10天。Zheng等（2001）将PHYBI基因转入菊花，转基因植株LE31和LE32花芽分化比对照植株分别延迟4天和5天，而开花分别延迟17天和20天，表明PHYBI基因主要影响花芽发育而不是影响花芽分化。
2.2.5.4 花卉株形基因工程
花卉形态对花卉植物的经济价值起着决定性影响。因此，花卉形态改良一直是科学工作者研究的重点之一。花卉形态包括花器官形态、花枝着生状态、花序类型及植株形态等。人们在拟南芥、金鱼草、矮牵牛的花原基中分离出一些被称为同源异形基因的对花器官分化起关键作用的基因，这些基因的表达会影响花朵的大小、形状和花期。科研人员还从矮牵牛、拟南芥和金鱼草的突变体中鉴定出了几个控制花朵形态的基因，如控制花瓣数、花瓣形状、花瓣对称性的基因；控制花器官原基数目和位置的基因，花发育抑制基因等。将这些基因导入某些花卉内，有望培育出特异花形的新品种。利用突变体，已从拟南芥中克隆到大量控制花器官发育的基因AP1-3、AG、CAL、TFL1、LEY、CEN、FLO、SQUA、UFO等。
法国科研人员通过发根农杆菌介导转化法，把野生型Ri 质粒导入柠檬天竺葵，获得了节间缩短、分枝和叶片增加、株形优良的转化株。Zheng等将烟草光敏色素基因导入菊花品种Kitau中，获得了株型明显矮化且分枝角度比野生型大的植株。可能是由于光敏色素合成引起GA3过量表达，从而导致茎缩短，分枝多，这与人工喷施GA3取得的效果是相似的。DoIgov等将roIC基因导入菊花品种White Snowdon中，获得2个转化系，其中1个转化系表现为丛生、矮化，并且叶多分裂。Petty等把光敏色素基因phyA导入菊花中，发现其花梗变短，叶绿素增加，衰老延缓。Yu等将DOH1基因导入金钗石斛中，转基因植株分枝性强且矮化。
2.2.5.5 花卉抗性基因工程
抗性育种也是花卉育种的一个重要方面。花卉抗性基因工程包括抗冻、抗病毒、抗虫、抗病菌、抗旱、抗盐碱、抗除草剂等。
1.抗冻基因工程
在研究植物反应低温的信息处理过程中，美国学者Thomashow发现，调节蛋白（如各种反式作用因子等）在与低温反应有关的基因表达调控中起着重要作用。将转录因子GBF1基因导入拟南芥，转录因子GBF与COR基因中的c一重复序列识别结合，CBF1能够作为COR蛋白表达的开关，诱导了一系列COR蛋白的表达，使未经过低温驯化的植株产生很强的抗冻力。1987年，Davies等将抗冻蛋白（AFP）基因整合在Ti质粒上，用叶盘法转化郁金香，获得具有一定抗冻力的植株。CBF1基因导入植物，提高植物抗冻力，对研究其他多基因性状（如固氮作用）有一定的借鉴意义。国内一些研究机构已着手将CBF1基因导入重要的经济作物和名贵花卉。
2.抗病毒基因工程
烟草花叶病毒衣壳蛋白基因的导入可以增强植物对烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒和苜蓿花叶病毒的抗性。Marchant等将几丁质酶基因转入现代月季中，使转基因植株黑斑病的发生率大大降低。Takatsu等将水稻几丁质酶基因导入菊花品种Yamabiko中，获得抗灰霉病的转化植株。中国的花卉工作者也成功地获得了提纯的香石竹叶脉斑驳病毒外壳蛋白基因cDNA，并测定了序列，为香石竹的培育奠定了生物技术方面的基础。
3.抗虫基因工程
1987年，比利时科学家获得第一例基因杀虫烟草，近些年在花卉中也转化成功。基因的转化使花卉增强了对鳞翅目害虫幼虫及食草害虫的抗性。但Bt毒蛋白对同翅目害虫无效。Wordragen等以离体叶片为材料将Bt基因转入到菊花品种ParIiament，获得了抗虫植株。
4.其他抗性基因工程
科学家在花卉抗病菌、抗旱、抗盐碱、抗除草剂等基因工程方面的研究也取得了一定进展。在花卉的转基因育种中，Hoshino等为了建立抗除草剂的金鱼草遗传转化体系，将除草剂抗性标记基因bar基因用根癌农杆菌法转入了金鱼草中，并获得了转化植株，同时还观察到植株性状的改变。
2.2.5.6 花卉保鲜基因工程
鲜切花从采收、分级、包装、储运到销售等一系列过程，需要很长时间，而且会损伤切花。因此，往往会出现在切花售出以前，就已失去其商业价值。所以，切花保鲜在鲜切花产业中显得很重要，尤其对乙烯敏感型的花卉，如香石竹、月季等。乙烯能够促进花瓣衰老，衰老过程中释放的乙烯会进一步加速切花衰老。利用基因工程技术，对乙烯敏感型花卉瓶插寿命改良是一个经济、安全和有效延长花卉寿命的方法。乙烯合成中最重要的两个酶是ACC合成酶和ACC氧化酶，前者是限速酶。故可以利用基因工程技术将这两种酶合成相关的基因导入需要改良的乙烯敏感型花卉植物中，降低植株对乙烯的敏感度，以达到保鲜目的。利用反义技术将ACC合成酶或ACC氧化酶基因反义导入香石竹中，使转基因切花瓶插寿命明显延长（刘会超，2007）。Bovy（1999）将拟南芥cIr-1等位基因导入香石竹中，大约一半再生转化植株花的瓶插寿命比对照延长了6～16天，是对照瓶插寿命的3倍左右。
2.2.6 展望
中国花卉资源丰富，应当抓住基因工程带来的发展机遇，充分利用中国花卉植物种质资源优势及已取得的研究成果：①把花卉基因工程育种与传统育种方法紧密结合起来。在传统育种的基础上应用基因工程技术改良某些运用传统育种所不能取得的性状，将转基因花卉的外源目的基因持续地遗传给后代或通过有性生殖转移到别的品种中；②加强部门行业学科间的交流合作，加大应用研究，充分发挥我国花卉资源的优势，使中国花卉基因工程育种得到长足发展；③花卉基因工程育种应把目的基因的开发利用与花卉基因文库的保存紧密地结合起来，保护花卉遗传资源的多样性；④应加强国际合作，借鉴欧美国家的研究成果，加快中国花卉基因工程育种的步伐。
随着基因工程研究的全面深入，可以预见，在不远的将来，由人类设计的前所未见，美不胜收的花卉将展现在我们面前，更好地美化我们的生活。