基于甜菜红素（Betalain）的农杆菌介导转化技术在四季秋海棠（Begonia × semperflorens）花色与叶色改良中的应用研究

本研究通过农杆菌介导的遗传转化技术，将甜菜红素合成关键基因RUBY（含BvDODA1和BvCYP76AD1）导入白色花品种四季秋海棠，成功获得6株转基因株系。转化植株表现出花瓣淡粉、叶片棕橄榄色等新表型，分光光度分析证实叶片和花瓣中同时积累甜菜苷（betacyanin）和甜菜黄素（betaxanthin）。研究为观赏植物花色分子育种提供了新策略，显著提升了秋海棠的园艺价值。

　　

花色革命的分子密码：甜菜红素如何重塑秋海棠的视觉美学
在观赏植物领域，花色是决定市场价值的核心性状之一。传统秋海棠主要通过花青素（anthocyanin）呈现有限的紫红色系，而白色花品种因关键色素合成基因突变难以通过常规育种获得新花色。甜菜红素（betalain）作为石竹目植物特有的色素，具有比花青素更鲜艳的色谱范围，但其生物合成路径在非石竹目植物中天然缺失。如何突破物种界限，将甜菜红素“移植”到秋海棠这类重要观赏植物中，成为花卉分子育种领域亟待解决的难题。

日本研究人员在《Scientia Horticulturae》发表的研究中，选取白色花品种四季秋海棠‘Ambassador White’为材料，通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）EHA105菌株携带含RUBY基因（BvDODA1和BvCYP76AD1）的pIG载体进行遗传转化。研究团队建立了6个转基因株系，通过PCR验证、实时定量PCR（RT-qPCR）和分光光度法系统分析了转基因植株的表型、色素含量及基因表达特征。

关键实验技术
研究采用农杆菌介导的叶盘转化法，以50 mg/L卡那霉素筛选转化体，通过MS培养基添加NAA（1-naphthaleneacetic acid）和TDZ（thidiazuron）诱导愈伤组织分化。利用紫外分光光度计在480 nm和538 nm波长测定甜菜黄素与甜菜苷含量，以ΔΔCt法量化基因表达水平，均以BsActin为内参基因。

研究结果
3.1 转基因植株的形态特征
所有RUBY株系均表现出器官特异性着色：花瓣淡粉、花药深橙、胚珠红宝石色，叶片呈现棕橄榄色（图3）。与野生型相比，转基因植株株高降低21%（#5株系），叶片和花瓣尺寸显著减小（表1），显示甜菜红素合成可能干扰了酪氨酸（tyrosine）代谢平衡。

3.2 甜菜红素含量分析
叶片中甜菜红素含量显著高于花瓣（图4）。其中#2和#3株系表现最优，甜菜苷含量分别为甜菜黄素的1.8倍和2.1倍，印证了BvCYP76AD1在甜菜苷合成中的主导作用。

3.3 基因表达调控
BvDODA1在叶片中的表达量是花瓣的3.2倍（图5），与色素积累趋势一致。值得注意的是，#2株系BvCYP76AD1表达量比其他株系高47%，提示转基因拷贝数或插入位点可能影响表达效率。

讨论与意义
该研究首次证实仅需引入两个基因（BvDODA1和BvCYP76AD1）即可在秋海棠中重建甜菜红素通路。尽管观察到生长抑制现象——这与酪氨酸耗竭导致蛋白质合成受阻有关，但研究提出了双轨解决方案：一是共表达酪氨酸合成限速酶ADHα（arogenate dehydrogenase α），二是采用花瓣特异性启动子（如F3′5′H）实现靶向表达。

相比传统花青素改造路线，甜菜红素系统具有显著优势：其合成路径简单，且不受宿主原有色素干扰。研究特别指出，选用白色花背景品种至关重要——在含花青素的蓝紫色花品种中，甜菜红素的显色效果会被掩盖。这一发现为观赏植物分子设计提供了新范式，未来可通过组织特异性启动子创制花瓣特异着色或叶片脉纹修饰的新种质。

该成果的产业价值在于：四季秋海棠作为全球年销量超2亿盆的明星品种，其花色多样性提升将直接带动市场增长。研究团队建议下一步开发甜菜黄素优势株系，以填补秋海棠深黄色花品种的市场空白。这项技术也有望推广至其他重要观赏作物，为花卉育种开辟“非自然色”的新赛道。