关于植物育种的论文：论文推荐新型分子生物学技术在花卉定向育种中的应用进展
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夏溪等 南京林业大学学报
花卉作为重要的栽培植物在社会经济发展中起着重要作用，社会经济的进步也促进了花卉产业的飞速发展。
在花卉产业体系中，新品种是花卉企业的核心竞争力之一。因此，花卉产业发达的国家或地区都十分重视育种技术的创新和新品种的培育，借以引领国际花卉产业的潮流。在花卉育种中，传统育种技术仍然占据重要地位，但现代分子生物学技术的发展给予了花卉定向设计育种更多的可操作性，有效克服了传统育种方法周期长、效率低、定向育种精确度低等缺陷，还可以打破物种的生殖隔离，实现优良基因的重组。近 10 年来，花卉定向育种在分子生物学技术的辅助下取得了突出的成绩，一些转基因花卉品种已经实现商业化。
本期推荐论文作者综述转基因技术、基因编辑和高通量测序 3 种重要的分子生物学技术在花卉定向育种中的最新应用进展和发展趋势，以期为国内花卉育种研究提供参考。
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题 目
新型分子生物学技术在花卉定向育种中的应用进展
基金项目
上海市科学技术委员会项目
作 者
夏 溪，奉树成，张春英∗
作者单位
上海植物园，上海城市植物资源开发应用工程技术中心
关键词
花卉；定向育种；转基因技术；基因编辑；高通量测序
▶引文格式：[1]夏 溪 奉树成 张春英.新型分子生物学技术在花卉定向育种中的应用进展[J].南京林业大学学报(自然科学版) 2019 43(06):173-180.DOI:10. 3969/ j. issn. 1000-2006. 201902014XIA X FENG S C ZHANG C Y.Advance in flower directive breeding using new molecular biology techniques[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition) 2019 43(06):173-180.
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摘 要
分子生物学技术可以提高花卉定向育种的效率和精准度，其中转基因技术是目前应用最广泛的花卉定向育种技术，基因编辑和高通量测序技术是近年来发展迅速的分子生物学技术。基于国内外研究现状，阐述了转基因和基因编辑技术在花色、花香、株型和抗性育种中的应用，以及高通量测序技术在花卉目标性状调控的分子机制研究、基因定位、分子标记开发方面助力花卉育种的研究进展。提出了利用新型分子生物学技术加快花卉定向育种进程的研究方向与建议，以期为定向培育出具有新奇花色、花香、花型、抗性的观赏植物新品种提供参考。
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花卉定向培育中转基因技术的应用
转基因技术是目前花卉定向育种中应用最广泛和最有效的分子生物学技术，已经在月季、香石竹、菊花、矮牵牛等多种花卉育种中成功应用。随着分子生物学技术的发展和植物性状调控分子机制研究的深入，转基因技术可操作的基因数量和类型不断增加，由原来的单基因操作到后来的多基因操作，使定向设计育种的精准度逐步提高。
1.1 新花色的定向培育
花卉育种中观赏性状的改变是最受关注的育种目标，尤其是花色，培育新奇花色的新品种一直是花卉分子育种的热点。花色的呈现不但与花瓣细胞中的色素种类和含量有关，花瓣表皮细胞的形状 细胞液泡 pH、助色素及金属离子的络合作用等因素也影响花瓣的最后着色。目前研究已知形成花色的主要因素是类黄酮、类胡萝卜素、甜菜色素和生物碱及其衍生物，植物花色苷的生物合成途径研究也较为深入。在花色的转基因操作中，可以将调控花色苷合成途径的相关基因导入，通过表达外源基因或者抑制内源基因的表达以改变花色苷的种类或含量实现花色的改变，这是目前转基因花卉育种的主要方式。同时，转基因技术也可以操控影响液泡的 pH、花瓣细胞性状、助色素等因子的基因而达到改变花色的目的。Vit1 (vacuolar iron transporter) 基因在液泡离子运输途径中起着关键作用，它通过调节离子的积累使得花瓣颜色呈蓝色。MYB 转录因子可以通过调控花瓣细胞形态从而影响花色。在花色育种中，最令人瞩目的莫过于蓝色花卉品种的培育，蓝色月季和菊花的成功培育均是通过多基因操作实现的。蓝 / 紫花往往具有较高水平的飞燕草素和黄酮及其衍生物。飞燕草素是二氢山柰酚在 F3′5′H (flavonoid-3′5′-hydroxylase)催化下产生的，用高表达的启动子表达 F3′5′H 基因或者导入外源的“蓝色基因”都会在转基因植物中积累飞燕草素从而获得蓝/ 紫色花瓣。Katsumoto 等在月季中转入来自三色堇的 F3′5′H 基因，同时转入编码兰猪耳花色苷-5-芳香酰基转移酶的基因，用来修饰三色堇 F3′5′H 基因，从而获得蓝色的月季。但在菊花中使用菊花 F3H (flavanone3-hydroxylase)启动子高效表达风铃草 F3′5′H 基因，得到的花色为紫色或紫罗兰色而不是真正的蓝色。Noda 在调控 F3′5′H 基因的同时，转入葡糖基转移酶 A3′5′GT(anthocyanin 3′ 5′-O-glucosyltransferase)基因，过共着色机制成功获得了不同菊花品种的蓝色花系，其原理及操作流程。
随着人们对花色素代谢途径的解析、相关基因的分离以及转基因技术的不断成熟，利用转基因技术创造新花色的花卉将会越来越多。需要注意的是，通过改变色素的生物合成途径从而实现理想的花色变化，除了调控参与关键酶合成的特定基因的表达，还要选择具有适当遗传背景的受体。
1.2 芳香品种的定向培育
花卉育种中花香也是颇受关注的观赏性状，在过去十年里研究人员已经发现了几个控制香味的基因。随着植物次生代谢酶基因的克隆和植物基因工程技术的发展，采用转基因来改良植物挥发性成分和气味的工作已经取得了一定的成功。转基因技术可以通过 4 种策略实现花香的改良：一是引入受体植物没有的香味合成基因并通过转入代谢途径上游的酶增加前体的量以便增加目的成分的合成。科研人员在烟草中过表达来自‘西伯利亚’百合的 LiDXS (1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase)和 LiDXR 基因，转基因烟草的挥发物产量大幅提高，向辣薄荷 (Mentha piperita) 中转入萜类代谢途径上游的DXR (1-deoxy-D-xylulose5-phos-phate reductoisomerase)基因，转基因植株中挥发油的产量比野生型增加了 50%。二是调控转录因子从而增加目的成分的合成。近年来，香味生物合成途径转录调控的深入研究表明转录因子在香味释放的控制中起着关键作用。在矮牵牛中发现 MYB 转录因子家族的 ODO1 (odornti) 基因的特异表达会调节莽草酸的合成。三是不同启动子的表达调控相关基因。Zuker 等 采用果实成熟期特异表达的 E8 启动子，将仙女扇的芳樟醇合成酶基因 LIS (linalool synthase) 导入番茄，转基因植株释放香气明显的芳樟醇和 8-羟基芳樟醇。四是抑制其他竞争性生物合成途径促进植物花香化合物的合成。苯甲酸和花青素均属于苯丙烷类代谢途径，形成花青素的一个关键酶是黄烷酮 3 羟化酶(F3H)。将反义 F3H序列转入康乃馨，减少了 F3H 基因的表达 转基因康乃馨不仅花色改变，还提高了花香化合物苯甲酸的合成。
1.3 不同株型的定向培育
株型即花卉植株的形态，直接影响其观赏效果 是重要的观赏性状之一。目前对花卉株型的研究主要集中在矮化方面，其中以菊花方面的研究较多。分别在菊花和非洲菊中过表达来自于烟草的外源基因光敏色素b1(phytochrome B1)和内源基因 Gsqua2 (gerberaSQUAMOSA-LIKE2)，均可以获得植株矮小且营养生长异常的突变体，而 DmCPD (constitutive photomorphogenesis and dwarf)和DmGA20ox (GA20oxidases) 的沉默也可以形成植株矮小的菊花品种。Jiang 等推测DgLsL (lateral suppressor-like)基因通过影响 IAA 和 GA3 含量从而调控菊花分支。Pellegrineschi 等利用农杆菌介导法将野生型质粒导入柠檬天竺葵，获得了节间缩短、分枝和叶片增加、植株形态优美的天竺葵品种。
1.4 花卉抗逆性的定向改变
花卉抗逆性是影响其观赏性状表达的关键因素，也是花卉生产中的限制因子，因此培育抗逆性优良的花卉新品种一直是花卉育种的重要目标。不同来源的基因在压力条件下对植物生长起到的关键作用已经得到了证实，这些基因在转录调控、细胞增殖等方面都有很重要的作用。采用转基因技术可以定向、高效地将抗病、抗虫、抗逆等基因转入花卉中，从而培育抗性新品种。育种学家利用生物技术的策略培育了很多抗病、抗虫新品种以抵御病害、虫害等生物因子的胁迫。李明亮等将苏云金杆菌 (Bacillus thuringiensis) 杀虫结晶蛋白 Bt 基因转化杨树，用这种转基因的杨树叶片饲喂舞毒蛾幼虫，结果表明转基因杨树具有明显的杀虫活性。在菊花中分别转入 LLA (lycoris longituba agglutinin) 基因和水稻几丁质酶基因，最终获得了抗蚜虫和抗灰霉病的菊花新品种。
干旱、高低温、盐度等非生物因子胁迫从形态学、生理、生化等方面损害植物的生长，传统和分子育种技术近年来都致力于开发出耐非生物胁迫的品种。在转基因抗性育种中，可以通过在植物中导入调控抗性关键基因提高抗逆能力，比如编码在植物抗性中、抗性信号传导过程中起关键作用的蛋白的基因，在抗性应激反应中编码相关调节蛋白的基因。研究人员分别在矮牵牛和热带睡莲中转入拟南芥 AtCBF3(C-repeat binding transcription factor)
基因和胆碱氧化酶基因 CodA 从而提高了矮牵牛和热带睡莲的抗寒性。Hong 等、洪波等通过转入拟南芥AtDREB1A (dehydration resistance element binding protein) 基因筛选到了抗寒的菊花新品种 并且认为转入 rd29A:DREB1A 的植物在 盐 分 和 水 分 缺 乏 的 环 境 下 比 转 入 35S: DREB1A 的植物抗性更强 而在菊花中过表达异色菊 ICE1 (inducer of CBF expression) 基因，转基因植株耐热性、抗旱性和耐盐性均得到提高。有研究报道提出 MYB、ZIP、WRKY、NAC、DREB 类转录因子在植物对干旱、高温等应激响应中至关重要，但是目前在花卉育种中研究较少。
转基因技术相对比较成熟，在花卉定向育种中有许多成功的范例，但仍有突出的问题亟待解决。如外源基因导入受体植物体内常会出现基因沉默或者目标性状改变不明显的情况，转录因子会造成植物多性状的改变等。
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基因编辑技术及其对花卉育种的影响
基因编辑是通过敲除几个碱基对或一段 DNA 序列从而改变原有基因序列的技术，主要有 ZFN、TALEN 和 CRISPR/ Cas9 介导的 3 种基因组编辑技术。植物在体内利用 ZFN、 TALEN 和 CRISPR/CAS9 介导产生 DNA 双链断裂，在非同源性末端接合 (NHEJ non-homologous end joining) 或同源重组 (HR homology-directedrepair) 的作用下进行修复从而在特定位点发生缺失和插入 实现基因的突变。其中，CRISPR / Cas9 技术由于编辑效率高、操作简单、成本低等优点 近年来成为基因编辑炙手可热的工具。
2.1 CRISPR/ Cas9 原理
CRISPR/ Cas 技术是由 RNA 指导 Cas 蛋白对靶序列进行修饰的技术。Cas 蛋白是一种双链DNA 核酸酶，能在 guide RNA 引导下对靶位点进行切割。CRISPR-Cas 系统包括 Cas 基因、前导序列、不连续的重复序列与长度相似的间隔序列间隔排列而成的 CRISPR 簇 3 部分组成。CRISPR / Cas9通过对靶位点DNA 进行切割，造成 DNA 双链断裂(DSB double strand break)，损伤的 DNA 会启动 DNA 修复机制。一种是非同源末端连接 (NHEJ)，这是细胞内主要的 DNA 断裂损伤修复机制，容易发生碱基的缺失或插入，从而导致移码；另一种是同源性重组 (HR)，这种修复机制保真性高发生频率低。
2.4 CRISPR/ Cas9 在模式植物和农作物中的应用
CRISPR/ Cas9 可以定点编辑从而缩短育种周期 已经成功在模式植物拟南芥、烟草 农作物水稻、玉米、小麦、大豆等作物中应用 在改变模式植物的抗性、形态学、开花、香味、色素等方面均有成功的案例。
2. 2. 1 CRISPR/ Cas9 在植物抗性改变中的应用
CRISPR/ Cas9 系统可以通过定点突变植物的易感基因、大片段敲除病毒的基因组 DNA 等方式培育抗性突变体。研究人员利用 CRISPR / Cas9 系统编 辑 了 水 稻 稻 瘟 病 侵 染 效 应 因 子 基 因 OSERF922 (ethylene responsive factors) 和镉离子吸收积累相关的基因，最终获得了抗稻瘟病和镉毒害的水稻新品种。利用 CRISPR / Cas9 敲除编码玉米草丁膦乙酰转移酶的 PAT(phosphinothricin acetyltransferase) 基因和 AGROS8 ( auxin-regulated gene involved in organ size)基因，分别获得抗草铵膦除草剂和对乙烯利的敏感性降低的新品种。Wang 等利用 CRISPR/ Cas9 敲除小麦 TaMLO (mildew resistance locus o) 基因，突变体可以提高白粉抗性。潘红杏等利用 CRISPR / Cas9 技术成功地在烟草中 敲除 elF4E-6 ( Eukaryotic translation initiation factors 4E) 基因，从而提高了对 PVY 病毒的抗性。
2. 2. 2 CRISPR/ Cas9 在植物形态改变上的应用
育种学家通过利用 CRISPR/ Cas9 技术定点编辑控制植物形态改变，如分蘖、株型、叶片性状相关的基因 实现突变体植物形态上的变化。用CRISPR / Cas9 系统编辑水稻分蘖基因 LAZY1 和叶形态相关基因OsROC5 (rotamase cyclophilin 5)，突变体 分 别 出 现 分 蘖 数 量 增 多 和 叶 卷 曲的表型。小麦TaDEP1 (dehydratase-enolase-phos-phatase-complex 1) 基因编码PEBP结构域蛋白，TaGASR7 (gibberellic acid stimulated related)和 TaDEP1 (dense and erect panicle 1) 是影响小麦籽粒性状和分蘖的基因，利用 CRISPR / Cas9 对这几个基因进行编辑，结果发现突变体株高降低，千粒质量和分蘖数明显增加。定点敲除烟草的 BRI1 (brassinosteroid insensitive 1) 基因，突变体烟草叶片卷曲，生长缓慢 。番茄 SIA-GO7 基因与其叶片形态相关，利用 CRISPR / Cas9 技术对 SIA-GO7 (argonaute7) 基因进行敲除，突变植株的叶片与野生型番茄叶片相比窄小甚至呈针状。
2. 2. 3 CRISPR/ Cas9 在调控植物开花中的应用
植物的开花是植物发育过程中重要的一环，目前对于植物开花机理的研究很多。通过 CRISPR/Cas9 对开花相关基因定向编辑可以获得早花和晚花的突变体，在机理研究和定向育种方面都具有重要的意义。Soyk 等利用 CRISPR / Cas9 技术敲除番茄的 SP5G (self pruning 5G) 基因，突变体番茄生育期缩短，提早开花，花序丛生。GmFT2a (FT homologs in soya bean) 是大豆光周期开花途径的关键基因，对其进行编辑，T1 代纯合突变体表现出植株花期延迟的表型。育种学家敲除日本牵牛花 EPH1 (Ephemeral 1) 基因，突变体表现出花瓣衰老延迟的表型。
2. 2. 4 CRISPR/ Cas9 在调控植物香味和色素中的应用
目前应用 CRISPR/ Cas9 技术构建香味相关作物突变体的研究较少，典型的案例是使用该技术获得香味浓郁的水稻新品种。编码水稻 OsBADH2 (betaine aldehyde dehydrogenase homologue 2) 基因可以抑制 2-乙酰基-1-吡咯啉的合成，突变体籽粒比野生型香气浓郁，获得水稻香米株系。在色素调控方面 主要是利用该技术获得了几种农作物的白化突变体，为下一步色素相关研究或改变奠定了基础。水稻OsPDS (phytoene desaturase) 基因编码八氢番茄红素脱氢酶，参与类胡萝卜素合成，利用 CRISPR/ CAS9 编辑 OsPDS 基因，得到白化的突变体 。敲除大豆 GmPDS 基因，转基因大豆获得白化的表型。CHL1 (chloroplastic-H2O2-induced lesion1 ) 和 CHL2 ( chloroplastic-H2O2-induced lesion2) 基因是控制水稻黄化表型性状，利用 CRISPR / Cas9 单突 CHL1 和 CHL2 基因，突变体叶片浅绿，双突突变体显示白化的表型。
2.3 CRISPR/ Cas9 在花卉育种中的应用
根据 CRISPR/ Cas9 技术在模式植物和农作物上的应用范例，同样可以敲除观赏植物的关键基因，从而获得改变植物花色、花香、株型、抗性的新品种。但是在植物中高效地运用 CRISPR / Cas9 系统需要适当的载体系统、有效的靶点和不同植物合适的转化方法。花卉植物在基因编辑技术相关的研究基础十分薄弱，因此该技术在花卉植物育种中应用范例屈指可数，仅见日本科学家在牵牛花花色调控中应用。日本科学家也只是通过破坏了日本牵牛花的 1 个基因，将它从原来的紫罗兰色变成了白色。在白色牵牛花 AK77 品种中敲除了 InCCD4 (carotenoid cleavage dioxygenases 4) 基因，增加了类胡萝卜素、橙酮等能形成黄色色素的物质，最终获得了黄色花瓣的牵牛花。Nishihara 等利用 CRISPR / Cas9 系统在蓝猪耳中敲除 F3H 基因，突变体显示出花冠淡蓝色的表型。铁皮石斛是兰科草本植物，具有益胃生津、滋阴清热等功效，是国家重点二级保护的珍稀濒危植物，科学家利用CRISPR / Cas9 系统在铁皮石斛中敲除了在木质纤维素合成途径中的 5 个基因 获得的突变体可用于进一步分析基因的功能，也加速了铁皮石斛育种的进程。
基因编辑 CRISPR/ Cas9 技术由于其精准、快速、简单、成本低等优点在短时间内成为生物学领域的研究热点之一，为基因的定点修饰和编辑开辟了一条新的道路。但是该技术系统有几个因素严重影响其效果，包括 DNA 靶位点的选择、sgRNA 的设计、Cas9 的活性以及脱靶问题。sgRNA 的专一性是脱靶与否的关键，在植物抗性研究工作中，可以设计合适的 sgRNA，识别基因组同源性较高的病毒序列，从而实现植物的光谱抗性。也可以在CRISPR / Cas9 载体中串联多个靶位点，从而实现多个位点的定点突变。目前研究者在积极寻找解决的方法，比如在设计靶位点时选择特异性较高的位点、提高 sgRNA 的特异性、选择合适的表达载体、使用长度较短的导向序列(17~19nt) 、使用双切口酶策略等，利用这些策略可以大大提高基因编辑的特异性。
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高通量测序技术在花卉育种中的应用
高通量测序技术的应用和发展极大地推动了基因组和转录组研究的深入。育种学家应用该技术可以更方便地挖掘与植物品质和产量相关的基因，研究植物性状的分子调控机制，发掘植物目标性状关联的分子标记，以便设计更精准的定向育种策略，缩短后代筛选周期。
在花卉育种中，有参考基因组的花卉可以通过转录组分析获得在某一条件下全部已知基因的表达丰度和剪接方式等信息。在无参考基因组花卉中，通过二代测序技术可以进行基因及新转录本的挖掘。目前越来越多的育种学家使用高通量测序的方法寻找单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP) 位点、表达序列标签和关键基因等，为花卉定向育种设计提供重要的参数和可操作的基因。
3.1 目标性状调控的分子机制研究及基因开发
花卉植物基因组数据大、遗传背景复杂 基因组的分析和挖掘难度较大，而由高通量测序技术发展而来的 RNA-Seq 技术为花卉转录组的研究带来了便利。该技术可对特定样本的转录组进行研究，获得不同样本间的转录本表达丰度、可变剪切和 SNP 等信息 给研究特定性状的分子机制及开发优良基因提供了大量的分子生物学信息。目前花卉植物的转录组分析主要集中在花色及呈色机理相关基因的开发与研究方面。张少平等通过对紫背天葵 (Gynura bicolor) 进行转录组测序从而分析其花青素等物质合成的遗传基础。Jin等通过构建瓜叶菊转录组数据库分离得到了 43 个编码花青素代谢通路的相关基因，并分析了瓜叶菊不同花色的呈色机制。何新颖等首次对‘乌龙捧盛’牡丹进行转录组测序，揭示了牡丹花色形成和初步着色的分子机理，为后期牡丹花色形成机制研究奠定基础。研究人员利用转录组学比较耐寒睡莲和热带蓝色睡莲两者之间的表达谱，结合代谢组学的分析找到了控制蓝色花瓣呈色机制的新基因 UA3GT (anthocyanidin 3-O-glucosyl transferase)。其次，在次生代谢及花发育机制研究方面也取得一些进展。姜福星等首次获得了白花虎眼万年青 (Ornithogalum thyroides) 的转录组数据，研究了其次生代谢途径及表达规律，并分析了从叶片到珠芽和鳞茎形成过程中差异表达基因。Yamagishi 等通过对百合花瓣飞溅部位和正常着色部位进行转录组测序，分析结果显示结合 LhMYB12 的不同剪接形式决定了花瓣性状的形成。何崇单等采用高通量测序技术对银杏花芽分化 3个时期进行转录组测序，鉴定出银杏花芽分化调控的关键基因并揭示其主要分子机制。
3.2 目标性状的基因定位及分子标记开发
传统的分子标记包括限制性片段长度多态性 (RFLP)、扩增片段长度多态性标记 (RAPD)、扩增片段长度多态性 (AFLP) 等，具有规模受限和精确度低等缺点。高通量测序技术的发展为新一代分子标记的开发带来了新天地，RNA-Seq 获得的转录组数据是开发分子标记的最佳资源，其中单核苷酸多态性 (SNP)、表达序列标签 (EST) 和简单重复序列 (SSR) 是开发最多的 3 类标记。其中 EST 作为表达基因所在区域的分子标签，DNA 序列高度保守且具有自身的特殊性质，与来自非表达序列的标记如 RFLP、RAPD、AFLP 等相比更可能突破家系与种的限制，因此 EST 标记在亲缘关系较远的物种间比较基因组连锁图和质量性状信息时具有很重要的作用。孙霞等利用高通量 EST 测序技术分析了菊花花芽分化期叶片和茎尖的转录组表达序列标签 (ESTs)，为菊花开花相关基因的筛选和后期转基因利用奠定了基础。Channelière 等利用表达序列标签对玫瑰花中基因表达进行分析，发现了几个花香代谢相关的基因。肖文芳等、Wei等和 Zhang 等对蝴蝶兰品种“满天红”、彩色马蹄莲、 荷花花蕾进行高通量测序，分别得到7077、7162 和 3059 个 SSR，这些数据为今后蝴蝶兰、彩色马蹄莲和荷花的遗传多样性、建立连锁图、基因定位和分子标记辅助育种等工作奠定基础。
高通量测序技术不适合小规模测序 应用成本依然较高。因此，目前花卉高通量测序的研究仍然停留在浅层次的基因分类和功能预测等方面，目标基因及机制研究有待深入。
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建 议
我国拥有极其丰富的野生花卉资源，却在花卉新品种培育方面远远落后于欧美等国家，这与我国长期重引轻育的花卉发展策略有关。虽然引进国外新品种可以短期获取收益，在花卉应用上缩短与先进国家的距离，但在自主知识产权品种上没有竞争力，对我国花卉业长期发展十分不利。目前，我国花卉育种已经得到前所未有的重视，正在加大花卉育种研究资金投入，加快培育具有自主知识产权的花卉新品种，以尽快缩短与世界先进水平的差距。在这一过程中，分子生物学技术无疑将发挥引领作用。
4.1 分析不同分子生物学技术的适用性并展开针对性定向育种技术研究
综述的 3 种技术在花卉定向育种中具有不同的作用，其适用性因植物的遗传背景和定向育种目标而异。转基因技术和基因编辑技术可以通过基因操作改变花卉的某个或几个性状以实现育种目标，但需要可以操作的基因，并且要以植物遗传背景、性状的分子调控机制等研究为前提，比如花色苷合成相关基因 CHS、FNS、ANS、FLS、F3H、3GT、ISP 等 蓝色呈色相关关键基因 F3′5′H、DFR、A3′5′GT 等 香味合成途径相关基因 DXR、DXS、ODO1、BADH2 等 株型发育相关基因 LSL、CPD、SQUA2、BRI1、ROC5 等 植物抗性相关基因 Bt、LLA、MLO、ICE1、CodA 等。高通量测序技术是植物分子遗传和调控机制研究的工具 获得大量的基因组信息可以极大地推动分子定向育种工作。不论植物的遗传背景是否清楚 均可以使用高通量测序技术开展性状的分子机制研究 开发分子标记和克隆相关基因 为定向育种提供分子基础和选择标记。
4.2 建立高效的花卉转化技术体系以推进分子定向育种进程
转基因技术和基因编辑技术均是基因操作技术，完善的转化体系是成功的基础和前提条件。目前转基因成功的几种花卉，均建立了较为完善的转化体系，如康乃馨、菊花、矮牵牛、月季等，其相关的遗传背景也比较清楚。大多数的花卉植物，尤其是木本花卉，缺少成熟稳定的转化体系，是限制花卉转基因的关键技术因子。基因编辑尤其是 CRISPR / Cas9 技术已经广泛应用于模式植物和农作物中，遗传改良的精准度更高，在花卉定向育种中具有广阔的应用前景。花卉在应用 CRISPR/CAS9 基因编辑技术时除了考虑脱靶、Cas9 活性等问题，高效的转化技术是基因编辑技术成功的前提。
4.3 解析花卉关键性状的分子调控机制以促进定向设计育种
在花卉分子育种中 转基因及基因编辑技术实施的策略制定、基因操作及育种目标的实现与否与植物本身的遗传背景和分子调控机制密切相关。在转基因蓝色菊花品种培育过程中，以蓝色呈色机制的研究为引导，从发现花色苷合成途径中关键“蓝色基因”类黄酮羟化酶 (F3′5′H) 基因，到不同来源的启动子、F3′5′H 基因的表达分析以及共着色机制的研究与应用，最终成就了真正的蓝色菊花。花卉抗性育种一直进展缓慢，尤其是耐非生物因子胁迫抗逆性育种，关键原因是抗性机理复杂，如植物耐盐碱、耐热等常是多基因控制，其中的分子调控机制、抗性表达的信号传导途径不清楚，克隆的关键基因很少等，造成基因操作的方向不清楚，可操作的基因数量非常有限，也就很难在抗性定向育种上有突破。因此，今后应加大对花卉关键性状调控机制、代谢途径的深入研究 挖掘目标性状的关键基因，为未来定向设计育种准备理论和材料基础。
我国花卉的分子育种工作起步较晚，但目前我国分子生物学技术研究水平与世界相差不大，国内很多研究单位借助分子生物学技术在植物学上获得了突破性成果。应该抓住机遇 把植物学分子生物学研究的重要成果应用到花卉育种中，加快花卉分子生物学研究，将分子生物学与传统育种技术有效结合 建立良好的花卉分子定向育种技术体系，加速花卉育种的进程，培育出更多满足人们美好生活需求的花卉新品种。
