红蓝光促进陆地棉愈伤组织诱导和增殖

【目的】陆地棉(Gossypium hirsutum)的遗传转化技术存在转化周期长、转化效率低等问题,其中,愈伤组织增殖速度慢是导致棉花转化周期长的关键因素。探究陆地棉愈伤组织增殖的最适光照条件,为缩短棉花转化周期提供技术基础。【方法】以陆地棉受体品种WC的下胚轴为外植体诱导愈伤组织,设置红光、蓝光、红蓝光(1﹕1)和白光(CK)4种不同光照处理,研究不同光质下愈伤组织的增殖速度、形态特征,以及相关基因表达水平和相关酶活性的差异,解析光照对愈伤组织增殖的影响并获得最优光照条件。【结果】不同光质对诱导棉花外植体出愈和愈伤组织生长具有明显影响。在4种不同光照处理下,红蓝光相较其他光质具有更显著地促进外植体出愈和愈伤组织增殖的效果,表现为愈伤组织分化时间更短,7—15 d,即与其他处理存在明显表型差异,7 d愈伤组织鲜重红蓝光(0.39 g)>蓝光(0.34 g)>白光(0.24 g)>红光(0.23 g),15 d时,红蓝光(1.15 g)>蓝光(0.98 g)>白光(0.69 g)>红光(0.51 g),红蓝光照射下的愈伤组织鲜重是白光对照的1.65倍,比单一蓝光或红光照射下的愈伤组织鲜重增加16.5%或125.5%;与此相一致的是,红蓝光处理下,第二周的愈伤增殖率也最高,达14.67%,比红光处理(7.17%)增加1倍多。4种光质下,愈伤增殖及体胚再生相关基因的表达量,红蓝光处理均显示最高。此外,红蓝光处理下愈伤组织的过氧化氢酶(CAT)活性显著提高,活性氧(ROS)含量低于白光对照。【结论】不同光质条件下,棉花外植体的愈伤组织增殖速度不同,红蓝光(1﹕1)促进外植体出愈和愈伤增殖表现最优,其次为蓝光,再次为白光,单独的红光不利于棉花出愈和愈伤增殖。红蓝光(1﹕1)处理诱导光受体及其互作因子、愈伤增殖等相关基因的表达,增强愈伤组织内过氧化氢酶的活性,降低活性氧含量,促进细胞分裂,进而促进愈伤增殖。

耐除草剂棉花GGK2的遗传稳定性分析及性状鉴定

【目的】明确转基因耐除草剂棉花GGK2的遗传稳定性和营养品质等性状,为其产业化应用提供数据基础和技术支撑。【方法】针对实验室培育的新型耐除草剂棉花GGK2,选取其T3、T4、T5代开展试验研究。利用特异性PCR和Southern blot开展基因组整合稳定性分析;利用实时荧光定量PCR、ELISA和胶体金试纸条开展表达稳定性分析;通过田间喷施草甘膦测试其除草剂耐受稳定性,以及依据相关国际或国内行业标准进行棉籽营养成分分析等。【结果】抗除草剂基因GR79 EPSPS和GAT,以及筛选标记基因NPTⅡ以单拷贝形式整合到棉花GGK2基因组D10染色体,且能够在T3、T4、T5代转基因棉花中稳定遗传,同时发现基因组中不含有遗传转化载体的骨架片段。表达分析发现GR79 EPSPS、GAT和NPTⅡ3个基因在棉花GGK2的不同时期、不同组织部位均有表达,其中,叶片中的表达量相对较高。四叶期、盛花期、吐絮期3个蛋白在叶片中表达量分别介于128.7—192.4μg·g^(-1)、24.4—35.0μg·g^(-1)和17.0—23.9μg·g^(-1)鲜重,利用GR79 EPSPS单克隆抗体制备的胶体金试纸条可以对田间棉花GGK2叶片实现快速鉴定。除草剂耐受性分析结果显示,转基因棉花GGK2可耐受4倍生产使用剂量的草甘膦除草剂。T3—T5不同世代棉花喷施除草剂后均未发现受害症状,而且整个生育期的生长发育未受影响。棉籽营养成分分析表明,来源于新疆、河北和河南种植的GGK2棉籽中,水分、灰分、蛋白质、脂肪、粗纤维、维生素及脂肪酸含量与非转基因对照之间无显著差异,各指标的含量水平均位于ILSI数据库报道的范围内。【结论】转基因棉花新种质GGK2的耐除草剂性状遗传稳定性好、除草剂耐受能力强、籽粒营养成分与非转基因对照之间无显著差异,在耐除草剂棉花生物育种具有重要的应用价值且产业化前景好。

我国耐除草剂棉花研发与育种应用

棉花是世界上最主要的天然纤维来源,也是重要的油料和饲料兼用作物,在国民经济中具有重要的战略地位[1-3]。经过近30年的努力,我国基本解决了棉铃虫危害,棉花单产居世界前列,优质进程也明显加快[4]。近年来,草害上升为我国棉花生产的主要危害之一。棉田杂草不仅竞争水分、养分和光照,而且滋生病害和虫害,严重影响棉纤维的产量和品质,给棉花生产带来极大危害[5-6],成为亟待解决的产业问题。1996年全世界第一例转基因耐除草剂大豆GTS40-3-2商业化以来,耐除草剂作物在玉米、大豆和棉花等作物中得到广泛的应用[7]。

AtNEK6在棉花旱盐胁迫响应中的功能分析

【目的】AtNEK6是在拟南芥中发现的一种NIMA相关激酶,在拟南芥中过表达AtNEK6能够促进植物的生长发育,提高植物的耐盐耐旱性。通过将AtNEK6转化棉花,研究其在抗逆中的分子机理,为培育耐旱耐盐碱棉花新品种提供理论基础和种质资源。【方法】采用农杆菌转化法,将来源于拟南芥的AtNEK6导入棉花,通过实时荧光定量PCR分析转基因株系中AtNEK6的表达量;通过观察转基因植株表型和扫描电镜观察细胞表皮细胞,分析转基因棉花的生长发育情况;利用甘露醇和NaCl模拟干旱处理和盐处理分析转基因棉花的耐盐耐旱能力,通过测定相关生理指标,鉴定AtNEK6对转基因棉花耐逆的贡献。【结果】利用卡那霉素筛选获得转基因幼苗,通过PCR鉴定获得10个不同的转基因株系;利用qRT-PCR分析筛选出表达量较高的L7、L17、L25株系。正常条件下,与野生型相比,转基因棉花的株高增高、叶面积增大,生长发育得到了促进,通过扫描电镜观察发现转基因棉花叶片的细胞表面积与野生型并无明显差异,细胞周期相关基因CYCB1;1和CYCA3;1及生长发育相关基因GhGRF5、GhEOD、GhAN3和GhEBP1的表达量均上调。通过耐盐耐旱性分析,正常条件下,与野生型相比,转基因株系的根长、鲜重和干重均无明显差异,仅侧根数增多;在250 mmol·L^(-1)甘露醇处理条件下,转基因株系的根长、侧根数、鲜重和干重均显著高于野生型,表现出更好的生长状态;在200 mmol·L^(-1)NaCl处理条件下,转基因株系的侧根数、鲜重和干重均显著高于野生型,相比于野生型生长状态更好。温室中正常生长1月龄的转基因棉花,在300 mmol·L^(-1)甘露醇处理条件下,转基因植株的SOD活性比野生型提高了0.65倍、0.42倍和1.45倍,CAT活性提高了0.65倍、0.64倍和0.42倍,MDA含量降低了0.51倍、0.41倍和0.22倍;250 mmol·L^(-1)NaCl处理结果与甘露醇类似,转基因棉花的耐盐生理指标均优于野生型。另外,相关胁迫响应基因GhAREB、GhDREB、GhNCED和GhLEA5在转基因棉花中的表达量均显著高于野生型棉花。【结论】AtNEK6通过参与细胞周期和生长发育的调控过程促进棉花的生长发育,同时提高棉花在逆境中的耐盐耐旱性。

异源表达irrE转基因烟草的耐盐耐旱性

【目的】IrrE是从耐辐射异常球菌中发现的全局调控蛋白,主要通过修复强辐射等逆境条件下DNA损伤,提高耐辐射异常球菌对极端逆境环境的抗性。研究按植物密码子优化的irrE后导入烟草对转基因烟草耐逆能力的提高,为棉花等作物耐逆育种研究打下基础。【方法】按照植物密码子优化细菌irrE并合成基因;通过酶切连接法构建irrE植物表达载体;通过叶盘法转化烟草并PCR验证获得阳性转基因再生苗;通过实时荧光定量PCR(q RT-PCR)分析转基因株系中irrE的表达量;通过蛋白免疫印迹法(Western blot)检测IrrE编码蛋白;通过NaCl和甘露醇模拟盐处理和干旱处理分析纯和转基因株系的耐盐耐旱性,通过测定抗逆相关生理指标鉴定其对植物耐逆的贡献。【结果】按照植物密码子对irrE进行改造,共优化了241个密码子;构建了高效植物表达载体GBI-IE;利用除草剂草甘膦作为筛选剂获得转基因再生幼苗,并通过PCR验证共获得15个独立的转基因株系;通过q RT-PCR分析从中选取两个表达量最高的株系GO1和GO2进行后续的抗逆性分析;Western blot验证IrrE编码蛋白在GO1和GO2中能正确翻译。转基因烟草耐盐耐旱性分析:种子萌发试验表明,正常1/2 MS培养基上,转基因株系GO1和GO2发芽率和非转基因野生型对照之间没有明显的差异。然而250 mmol·L^(-1)NaCl培养基上GO1和GO2萌发率分别为78.8%和90.0%,野生型仅为10.3%,分别提高了68.5%和79.7%。类似地,300 mmol·L^(-1)甘露醇条件下,野生型的萌发率为39.7%,转基因株系GO1和GO2分别提高了42.9%和50.8%;正常萌发的种子移栽到250 mmol·L^(-1) NaCl和300 mmol·L^(-1)甘露醇条件12 d后,转基因株系根长、侧根数以及鲜重等生理指标显著高于野生型对照;温室中正常生长30 d的苗期烟草在250 mmol·L^(-1) NaCl处理下,转基因烟草SOD、CAT活性比野生型对照分别提高了48.80%和88.55%,而MDA含量比野生型对照降低了61.61%,胁迫响应基因Nt ABF2、Nt LEA5、Ntzfp、Nt CDPK2在GO1和GO2转基因株系中表达量均显著高于非转基因野生型。和盐处理结果类似,300 mmol·L^(-1)甘露醇的处理下,转基因烟草的耐旱生理生化指标均优于非转基因对照。【结论】烟草中异源表达耐辐射异常球菌irrE可以显著提高耐盐耐旱性;其多效性耐非生物胁迫能力的提高表明其可作为植物耐逆基因工程的优良基因源。

茎尖法转基因棉花植株真实性鉴定方法探究

棉花茎尖转化法具备不受基因型限制、转化周期短的优点,是理想的棉花转化体系,但据报道其所获得的转基因植株普遍存在遗传不稳定、高代植株基因丢失的现象。以陆地棉TM-1品种为受体材料,利用茎尖转化法将DsRed2载体转入棉花,经卡那霉素筛选获得16株抗性植株,进一步PCR扩增靶基因,获得6株DsRed2基因片段PCR检测为阳性的植株,初步判断该6株为茎尖转化法获得的转基因植株,但经紫外照射,6个转基因植株均未检测到红色荧光。对其进行靶基因RT-PCR,发现DsRed2基因在6个转基因植株中仅有极低量的表达或无表达。进一步对DsRed2载体的非T-DNA片段,即载体骨架部分进行PCR以及植株内生菌培养检测,结果表明,6个转基因植株均含有完整的DsRed2载体,植株可培养出含有完整载体的内生菌,且内生菌经农杆菌16S核糖体RNA(16S rRNA)片段PCR检测结果为阳性,推测由于茎尖侵染形成农杆菌与植株共生关系,造成假阳性株的现象,进而导致高代转基因植株基因丢失、遗传不稳定的现象。旨在建立一套完整的茎尖法转基因棉花植株真实性的鉴定方法,为进一步深入研究提供参考依据。

棉花线粒体基因cRT-PCR改良及其在寻找CMS相关基因中的应用

植物线粒体是含有遗传物质的细胞器,为细胞生命活动提供必需的能量。农业生产中,线粒体基因的变异容易导致细胞质雄性不育,为作物杂交育种提供了高效的杂交母本。然而,植物线粒体基因组结构复杂,不同类型的细胞质雄性不育的发生往往由特异的基因突变所导致,为雄性不育基因的克隆带来了较大的困难。针对棉花线粒体基因的特性,改进了cRT-PCR技术,RNA连接酶将线粒体mRNA的5′和3′末端连接环化后,应用随机引物进行反转录,在保证与特异引物获得相同的完整线粒体基因转录本的基础上,实现了同时对所有线粒体编码基因的cRT-PCR,方便对线粒体编码基因的结构进行全局分析,并且通过改良方法对棉花CMS基因进行探索,从而快速找到异常因素,为线粒体功能基因组分析提供了新的方法。

Impact assessment of genetically modified herbicide-tolerant cotton on arthropod communities

Background:Cotton(Gossypium spp.)is one of the most important economic crops worldwide,and its production plays an important role in the economy of many countries.Genetically modified herbicide-tolerant(GMHT)crops,which were developed to minimize the losses caused by weeds,have gradually become the most widely adopted genetically modified crops in the world due to their economic and environmental benefits.However,the potential ecological and environmental risks of GMHT crops have attracted extensive attention and controversy.Arthropod communities form a promine nt part of the biodiversity of agroecosystems and are important indicators of environmental health.Elucidating the effects of GMHT crops on the diversity of arthropod communities is necessary to ensure the safety of GMHT crops.Result:In this 2-year study,we investigated the potential impact of GMHT crops on arthropod communities.The GMHT cotton variety GGK2 with glyphosate tolerance and its near-isogenic non-GMHT variety K312 were used for the experimental groups.The Shannon diversity index(H),Simpson diversity index(D),Pielou evenness index(J),and principal co-ordinates analysis(PCoA)of the Bray-Curtis distance were used to evaluate the population dynamics and biodiversity of arthropods in cotton fields.No significant differences were found between GGK2 and K312 in their total abundance of arthropod communities,and biodiversity indexes on most sampling dates.The arthropod composition in the GGK2 and K312 plots was similar.Sampling elates had a significant effect on biodiversity indexes,whereas no clear tendencies related to cotton variety or cotton variety x sampling elates interaction were recorded.In addition,PCoA revealed high similarity between the arthropod communities in the plots of the GMHT cotton variety GGK2 and its near-isogenic variety K312.Conclusion:There was no obvious difference in abundance,diversity indexes of arthropod communities between GMHT cotto n variety GGK2 and its near-isogenic variety K312 under the small-scale plan ting regime.

基于GR79 EPSPS筛选标记的抗虫抗除草剂表达载体构建及抗性鉴定

虫害和草害是农业生产中两大主要危害。目前,尽管转基因抗虫和抗除草剂作物相继报道和应用,然而我国抗虫抗除草剂复合性状作物培育仍然明显滞后,而且多依靠传统杂交选育的手段,费事费力、周期长。根据苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt) Cry1Ac蛋白结合结构域和毒性结构域特征,人工合成杀虫基因cry1Ac-2.5。同时,利用抗除草剂基因GR79 EPSPS替换卡那霉素筛选标记,构建基于草甘膦除草剂筛选标记的复合抗虫抗除草剂植物表达载体,并转化烟草。qRT-PCR结果表明转基因烟草cry1Ac-2.5和GR79EPSPS基因转录水平均成功表达,经Bt和GR79试纸条检测表明上述基因在蛋白水平正确翻译。抗性实验表明,转基因烟草愈伤经草甘膦筛选,阳性率达到80%,且转基因烟草耐受100 mg/L草甘膦处理。抗虫实验表明,饲喂cry1Ac-2.5转基因烟草4 d后,棉铃虫幼虫死亡率为90%左右,表明人工基因cry1Ac-2.5具有显著的的抗虫效果。以上结果表明,构建的抗虫抗除草剂植物表达载体(Cry1Ac-2.5+GR79 EPSPS)将抗虫基因和抗除草剂基因有效合并,对于快速培育抗虫抗除草剂作物具有指导意义。

BS2基因在烟草中的功能解析

BS2蛋白来源于枯草芽孢杆菌B111,具有较强的黄萎病抗性,能抑制黄萎病菌孢子萌发并破坏其菌丝生长。BS2基因全长1 566 bp,共522个密码子,由于物种间偏爱密码子的差异,若不对其进行密码子优化而直接导入植物,会造成基因表达量低甚至不表达。按植物密码子对BS2基因进行优化合成,共优化了332个密码子;生物信息学分析得出:1~28位氨基酸为N端信号肽,成熟的BS2蛋白由224~521位氨基酸构成,是一种中性锌金属肽酶;亚细胞定位将BS2蛋白定位于细胞膜;牛津杯法检测得出转基因烟草株系的蛋白粗提液有很强的抑菌活性;未侵染黄萎病菌的对照组,T1代转基因植株与野生型长势基本一致、表型无明显差异;黄萎病菌V991侵染组,转基因烟草的表型性状明显优于野生型,且两组中转基因烟草的SOD、CAT活性和SA、ABA含量均显著高于野生型,说明BS2基因可以显著提高转基因烟草的黄萎病抗性。

Towards understanding abscisic acid-mediated leaf senescence

Senescence is a necessary part of most complex organisms that controlled by many complicated genetic programs.However,unlike animals and humans,leaf senescence has a great impact on nutrient recycling from source to sink to promote reproductive success,thus has strong adaptive advantages in plants[1,2].Therefore,from the