陸國清 ,王春玲 ,郝宇瓊 ,郭惠明 ,黃英金 ,程紅梅 *
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌330045;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所,北京100081)
棉花作為1種重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物,在全球被廣泛種植,但棉花整個(gè)生育期內(nèi)易受到各種生物和非生物因素的脅迫。其中,雜草直接與棉花爭水、爭肥、爭光照,嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和質(zhì)量,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。隨著農(nóng)業(yè)勞動力價(jià)格的不斷提高,人工除草費(fèi)時(shí)費(fèi)力,以及田間管理的成本持續(xù)加大,這都提高了棉花種植和管理成本,生產(chǎn)實(shí)際中對高效、低毒和廣譜除草劑的需求更加迫切。草甘膦是1種內(nèi)吸性滅生型除草劑,能夠特異性的抑制植物中5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶(5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase,EPSPS)的生物活性[2-3],阻斷芳香族氨基酸的合成,擾亂植物的正常代謝而使植株死亡[4-5]。由于低殘留、易被分解、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),草甘膦被廣泛用于田間化學(xué)除草。草甘膦是目前市場上銷售量最大,使用最廣泛的化學(xué)除草劑[6-7]。利用草甘膦進(jìn)行雜草防治省時(shí)省力,但草甘膦屬于廣譜型除草劑,對綠色植物沒有選擇性,嚴(yán)重?fù)p害農(nóng)作物。因此要實(shí)現(xiàn)棉田的大面積化學(xué)除草,需要培育出抗草甘膦的新品種以滿足市場需求。
草甘膦被廣泛使用以來,科學(xué)家對抗草甘膦農(nóng)作物的研究不斷深入,而通過轉(zhuǎn)基因方式獲得草甘膦抗性農(nóng)作物仍然是目前最有效的途徑之一。自1987年獲得第1株轉(zhuǎn)基因棉花[8],棉花的遺傳轉(zhuǎn)化研究就進(jìn)入飛速發(fā)展階段,抗蟲[9-10]、抗除草劑[11-12]轉(zhuǎn)基因棉花相繼問世??钩輨┟藁ㄗ钤缬擅仙蕉脊狙芯坎⒃诿绹虡I(yè)化種植,而在國內(nèi)有關(guān)抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花的報(bào)道雖然很多,都是處于實(shí)驗(yàn)研究階段,我國也一直未引進(jìn)美國的轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花。因此,研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的抗草甘膦棉花新品種,為我國抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花的培育提供種質(zhì)資源。
基因工程可使農(nóng)作物直接獲得目的性狀,大大縮短育種年限,在農(nóng)業(yè)育種上的應(yīng)用已非常廣泛。G10基因來源于Deinococcus radiodurans R1,與EPSPS家族的ClassⅠ和ClassⅡ同源性很低,是1種新型的抗草甘膦EPSPS基因,具有較好的開發(fā)應(yīng)用潛力。研究表明在玉米[13]、大豆[14]中過表達(dá)EPSPS基因能有效提高作物的草甘膦抗性,其中轉(zhuǎn)基因玉米的草甘膦抗性水平和孟山都開發(fā)的抗性相同,具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景。本實(shí)驗(yàn)以棉花下胚軸作為材料,通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將G10eve基因轉(zhuǎn)化棉花,獲得了抗草甘膦的轉(zhuǎn)基因棉花。在高于田間使用濃度的草甘膦處理下,轉(zhuǎn)基因植株葉片未產(chǎn)生藥害,為培育高抗除草劑棉花品種提供了新的育種材料。
供試材料為常規(guī)陸地珂字棉312(Coker 312,文中簡稱 C312)。
G10基因是浙江大學(xué)克隆的抗草甘膦基因,對該基因進(jìn)行突變改良得到的基因命名為G10eve。轉(zhuǎn)化用農(nóng)桿菌菌株為LBA4404,用于轉(zhuǎn)化的載體及質(zhì)粒由浙江大學(xué)沈志成教授提供,包含2個(gè)草甘膦抗性基因G10eve,分別由木薯葉脈花葉病毒 (Cassava vein mosaic virus,CsVMV)的PCVs啟動子和花椰菜花葉病毒(Cauliflower mosaic virus,CaMV)的35S啟動子表達(dá),選擇標(biāo)記基因?yàn)镹PTⅡ,載體如圖1所示。植物DNA、RNA提取試劑盒購自于天根生化科技 (北京)有限公司。反轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR(Polymerase Chuin reaction)相關(guān)試劑盒購自于北京全式金生物技術(shù)有限公司。草甘膦購自美國孟山都公司(農(nóng)達(dá),41%草甘膦異丙胺鹽水劑,馬來西亞)。
1.2.1 生物信息學(xué)初步分析。將G10eve基因序列在https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi進(jìn)行比對,并根據(jù)比對結(jié)果構(gòu)建進(jìn)化樹。將其氨基酸序列在https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/w rpsb.cgi預(yù)測該基因的蛋白保守區(qū),通過預(yù)測其蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)。
1.2.2 棉花的遺傳轉(zhuǎn)化。采用商品化培養(yǎng)基,操作步驟參照常規(guī)轉(zhuǎn)化方法[15],以C312下胚軸為外植體,卡那霉素(Kanamycin,Kan)為篩選抗性,獲得轉(zhuǎn)基因再生植株。
圖1 G10eve基因載體示意圖Fig.1 Schematic of G10eve gene expression vector
轉(zhuǎn)化率(%)=陽性胚性愈傷組織數(shù)/總胚性愈傷組織數(shù)×100%;
分化率 (%)=分化出陽性苗胚性愈傷組織數(shù)/總胚性愈傷組織數(shù)×100%。
1.2.3 DNA提取及PCR分子檢測。利用DNA提取試劑盒,提取棉花胚性愈傷組織及再生T0和T1代棉花葉片總DNA。以質(zhì)粒為陽性對照,C312棉花總DNA為陰性對照,利用特異性引物G10F/G10R(表1)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,檢測目的基因是否整合到棉花基因組中。反應(yīng)程序?yàn)?4℃5 m in;94 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,35 個(gè)循環(huán);72℃10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物大小為452 bp。1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,凝膠成像分析系統(tǒng)拍照并保存。
1.2.4 RNA提取及熒光定量RT-PCR分析。C312及T4轉(zhuǎn)基因植株,在幼苗期提取葉片總RNA,電泳檢測質(zhì)量后反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
根據(jù)目的基因序列,設(shè)計(jì)熒光定量特異性引物Target-F/Target-R (表1)擴(kuò)增G10eve基因,UBQ-F/R(表1)為內(nèi)參基因引物。熒光定量RT-PCR按照試劑盒說明書進(jìn)行擴(kuò)增,反應(yīng)程序?yàn)?94 ℃ 30 s; 94 ℃ 5 s,60 ℃ 15 s,72 ℃ 10 s,40個(gè)循環(huán)。反應(yīng)在ABI 7500 real-time system(Applied Biosystems,美國)熒光定量PCR儀上進(jìn)行,3次重復(fù),采用2-△△Ct方法進(jìn)行分析。
1.2.5 轉(zhuǎn)基因棉花草甘膦篩選。在花盆中種植轉(zhuǎn)基因及對照組棉花,待棉花兩片子葉完全展開(兩葉一心期)時(shí),分別用體積濃度 0、2、5、8 m L·L-1的草甘膦農(nóng)藥噴施棉花幼苗 (棉花大田推薦使用濃度為稀釋 200 倍,即 5 m L·L-1)。10 d 后觀察噴施草甘膦對植株的損傷情況,每種濃度處理1盆,每盆不少于10株植株。
1.2.6 莽草酸含量的測定。草甘膦處理72 h后采集葉片,根據(jù)鞏元勇等[16]方法提取并在380 nm下測定莽草酸的吸光值。每個(gè)樣品測定3次。
表1 引物序列Table 1 The sequence of primers
將G10eve基因核苷酸序列在NCBI中進(jìn)行比對分析,12條序列與其具有一定程度的同源性。在進(jìn)化樹中可以發(fā)現(xiàn),其與現(xiàn)有的EPSPS基因同源性很低,親緣關(guān)系較遠(yuǎn)(圖2A)。對G10eve基因編碼的氨基酸進(jìn)行功能及保守區(qū)預(yù)測,結(jié)果表明其具有類似于EPSPS的功能保守結(jié)構(gòu)域,與草甘膦抗性基因aroA編碼的蛋白同源性較高(圖2B)。在NCBI-PDB中進(jìn)行比對,結(jié)果顯示G10eve與霍亂弧菌(Vibrio Cholerae)的 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase序列相似度最高 (E值:1.554E-36, 一致性:28%)。 通過Cn3D軟件分析可知,G10eve蛋白三維結(jié)構(gòu)含有11個(gè)α-螺旋和24個(gè)β-片層結(jié)構(gòu)(圖2C)。
本研究以C312無菌苗下胚軸為外植體,農(nóng)桿菌浸染后,通過體細(xì)胞胚胎發(fā)生途徑,經(jīng)過抗性愈傷誘導(dǎo)、胚性愈傷誘導(dǎo)及植株再生獲得轉(zhuǎn)基因植株。利用50 mg·L-1Kan對下胚軸進(jìn)行抗性篩選,下胚軸在抗性愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基上培養(yǎng)7 d后,兩端開始膨大,45 d后即可獲得大量愈傷組織。選取淺綠色或黃綠色愈傷組織進(jìn)行增殖培養(yǎng),待抗性愈傷組織約1 cm3大小時(shí),移至無外源激素的培養(yǎng)基上進(jìn)行分化培養(yǎng)。根據(jù)愈傷組織狀態(tài)的不同,觀察質(zhì)地疏松、淡黃色的胚性愈傷的產(chǎn)生。在分化培養(yǎng)基上鋪墊濾紙,可減少三角瓶內(nèi)水珠凝聚,也有利于愈傷組織及胚狀體的繼代操作,最重要的是對胚性愈傷組織適度的脅迫誘導(dǎo),有利于正常植株的再生。外植體在誘導(dǎo)培養(yǎng)后8個(gè)月,開始出現(xiàn)再生苗。本研究發(fā)現(xiàn),對愈傷組織進(jìn)行培養(yǎng)長達(dá)2 a,仍可誘導(dǎo)出具有真葉的再生植株。
圖2 G10eve基因的生物信息學(xué)分析Fig.2 Bioinformatics analysis of G10eve gene
2.3.1 胚性愈傷的PCR檢測。通過抗性愈傷組織篩選誘導(dǎo),共獲得69個(gè)胚性愈傷系,經(jīng)PCR驗(yàn)證,其中34個(gè)為陽性的愈傷系,轉(zhuǎn)化率49.3%。圖3為部分獨(dú)立轉(zhuǎn)化愈傷系PCR檢測結(jié)果,初步確定通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化,已將G10eve基因轉(zhuǎn)入到棉花材料中。
2.3.2 轉(zhuǎn)基因植株檢測。通過對胚性愈傷進(jìn)行分子檢測,及時(shí)處理掉未轉(zhuǎn)化成功的愈傷系,并對剩余陽性愈傷系進(jìn)行再生苗分化誘導(dǎo)。對嫁接成活的85棵棉花T0植株進(jìn)行PCR檢測,其中28個(gè)獨(dú)立愈傷系的59棵單株擴(kuò)增出目的條帶,再生植株陽性分化率為40.6%。圖4為部分轉(zhuǎn)基因嫁接苗檢測結(jié)果,初步證明目的基因已經(jīng)整合進(jìn)棉花基因組中。鑒定的陽性嫁接苗在溫室中繼續(xù)培養(yǎng),直至種子成熟。最終共收獲12個(gè)愈傷系中的19棵陽性單株的種子。將陽性植株的部分種子種植在溫室中,對T1幼苗進(jìn)行PCR檢測,結(jié)果表明:在19個(gè)植株中,有15株T1植株中能夠檢測到目的基因條帶,4個(gè)單株基因組DNA中未檢測到目的條帶。
2.3.3 轉(zhuǎn)基因棉花植株不同株系間G10eve基因相對表達(dá)量分析。選擇能夠穩(wěn)定遺傳的T4種子的L91、L152兩個(gè)株系進(jìn)行熒光定量PCR分析。結(jié)果表明,G10eve基因在這2個(gè)株系中能夠轉(zhuǎn)錄表達(dá)(圖5),且在2個(gè)株系中表達(dá)量差異明顯,L91株系中基因相對表達(dá)量約是L152株系中表達(dá)量的6.96倍。
圖3 轉(zhuǎn)基因愈傷系PCR鑒定Fig.3 PCR analysis of transgenic calli
圖4 轉(zhuǎn)基因嫁接植株P(guān)CR鑒定Fig.4 PCR analysis of transgenic grafted plants
圖5 G10eve基因在轉(zhuǎn)基因棉花株系中的表達(dá)分析Fig.5 The relative expression of G10eve gene in defferent lines of transgenic cotton
為確定過表達(dá)G10eve基因的L91株系草甘膦抗性水平,采用盆栽實(shí)驗(yàn),在子葉期噴施不同濃度的草甘膦(圖6)。在不噴施草甘膦的情況下,L91轉(zhuǎn)基因株系及受體C312棉花植株均可正常生長。噴施2 m L·L-1草甘膦農(nóng)藥10 d后,C312棉花生長受到抑制,生長點(diǎn)壞死,子葉邊緣有明顯枯斑,葉片失綠、萎蔫;而轉(zhuǎn)基因植株生長正常進(jìn)入兩葉期,且葉片無枯斑出現(xiàn)。5 m L·L-1草甘膦噴施處理后,對照C312植株生長點(diǎn)壞死,部分小苗已經(jīng)干枯死亡,藥害明顯;而轉(zhuǎn)基因棉花生長正常,未產(chǎn)生明顯枯斑,進(jìn)入真葉期。8 m L·L-1草甘膦噴施處理后,C312植株全部死亡;轉(zhuǎn)基因L91株系部分植株子葉出現(xiàn)枯斑,但植株整體綠色,能夠正常進(jìn)入兩葉期。根據(jù)草甘膦噴施實(shí)驗(yàn),葉片對草甘膦的敏感程度及枯萎現(xiàn)象,可以確定過表達(dá)G10eve基因確實(shí)能夠提高棉花對草甘膦的抗性。
圖6 草甘膦處理10 d后對棉花葉片的影響Fig.6 The effect of glyphosate treatment after 10 days on cotton leaves
圖7 不同濃度草甘膦處理下棉花葉片莽草酸相對含量Fig.7 The relative contents of shikimic acid in cotton leaves with different glyphosate treatment
莽草酸含量是判定植株對草甘膦抗性的重要生理指標(biāo)。2 m L·L-1草甘膦處理后,C312棉花植株葉片中莽草酸相對含量較正常生長條件下提高2倍左右;隨著草甘膦濃度的增加,C312葉片中莽草酸相對含量逐漸增加,8 m L·L-1草甘膦處理下,葉片中莽草酸相對含量最高(圖7)。而不同濃度的草甘膦處理轉(zhuǎn)基因陽性株系L91,L91葉片中莽草酸含量變化不大(圖7)。說明過表達(dá)G10eve轉(zhuǎn)基因植株具有草甘膦抗性,與噴施草甘膦的抗性表型一致。
目前,用于棉花遺傳轉(zhuǎn)化的方法主要有基因槍[17-18]、花粉管通道技術(shù)[19-20]和農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化[21-22]。農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法目前被大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用[23]。雖然棉花遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)比較成熟,但其轉(zhuǎn)化受菌株、受體基因型、激素、培養(yǎng)條件等多種因素限制[24-26],流程比較復(fù)雜和困難,轉(zhuǎn)化周期長,導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)室很難開展棉花遺傳轉(zhuǎn)化工作。本研究以C312為受體,使用商品化培養(yǎng)基,通過對愈傷及嫁接苗的檢測,轉(zhuǎn)化效率和分化效率可達(dá)到40%以上。商品化培養(yǎng)基在遺傳轉(zhuǎn)化中的有效使用,對程序化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;拿藁ㄟz傳轉(zhuǎn)化體系的建立提供了有利條件。在棉花遺傳轉(zhuǎn)化過程中通過檢測愈傷,提前確定陽性愈傷系,可有效降低實(shí)驗(yàn)工作強(qiáng)度,有效提高繼代培養(yǎng)效率。胚性愈傷通常認(rèn)為來源于單細(xì)胞分化,體積小,可快速分裂并在短時(shí)間內(nèi)獲得大量材料,是1種比較理想的轉(zhuǎn)化受體材料[23]。以胚性愈傷為遺傳轉(zhuǎn)化受體材料,在海島棉[27]、陸地棉[28]中已經(jīng)應(yīng)用并成功獲得再生苗,有效的縮短了轉(zhuǎn)化周期。本研究發(fā)現(xiàn),對胚性愈傷組織進(jìn)行再生誘導(dǎo),在第8~24個(gè)月內(nèi)均可不斷獲得轉(zhuǎn)化植株,證明胚性愈傷潛在再生能力很強(qiáng),這為開展以胚性愈傷為受體材料的棉花遺傳轉(zhuǎn)化工作提供了基礎(chǔ)。
草甘膦是滅生型除草劑,噴施后藥效明顯,見效快。近年,國外抗除草劑農(nóng)作物種植量逐年增加,而國內(nèi)研究相對滯后,缺乏競爭力。為滿足市場需求,加快獲得抗草甘膦的作物,培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的作物新品種迫在眉睫??共莞熟⒒蛟谟N過程中不僅可以作為目標(biāo)性狀基因,也可以作為抗性篩選基因,而且更高效更安全,具有很高的研究價(jià)值。本研究在棉花中過表達(dá)草甘膦抗性基因G10eve獲得了大量陽性轉(zhuǎn)基因材料,為抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花的培育提供了種質(zhì)資源。外源基因在受體中的表達(dá)和自身繁殖后代過程中的穩(wěn)定遺傳直接影響轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中在對T1植株進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn),G10eve基因在4株后代材料中未能檢測到陽性植株,這可能是因?yàn)門0植株在溫室中收獲的種子量偏少,有個(gè)別材料僅收獲到1粒種子,而外源基因在遺傳過程中發(fā)生分離,后代檢測樣本量不足所致;也可能是基因在傳代過程中丟失或表達(dá)沉默所致。外源基因的整合和遺傳比較復(fù)雜。外源基因可隨機(jī)插入到受體材料基因組中。基因插入位點(diǎn)的不同,甲基化、多拷貝、轉(zhuǎn)錄后共抑制等因素均可造成轉(zhuǎn)基因沉默或基因表達(dá)量下降[29-30],這可能也是造成轉(zhuǎn)基因株系間G10eve基因表達(dá)量差異較大的原因,但具體原因需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法,成功獲得了轉(zhuǎn)G10eve基因棉花,轉(zhuǎn)化效率和分化效率分別高達(dá)49.3%、40.6%。子葉期噴施不同濃度梯度草甘膦,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系植株獲得對草甘膦的抗性,可耐受 8 m L·L-1草甘膦。
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