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拟南芥钾吸收调控基因AtCIPK23、AtCBL9和AtAKT1农杆菌介导共转化甘蔗



全 文 :分子植物育种,2015年,第 13卷,第 2期,第 361-366页
Molecular Plant Breeding, 2015, Vol.13, No.2 361-366
研究报告
Research Report
拟南芥钾吸收调控基因 AtCIPK23、AtCBL9和 AtAKT1农杆菌介导共转
化甘蔗
樊丽娜 曾巧英 何慧怡 李昱 罗青文 劳方业 邓海华 李奇伟 齐永文 *
广州甘蔗糖业研究所,广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室,广州, 510316
*通讯作者, yongwen2001@163.com
摘 要 本研究通过农杆菌介导方法将拟南芥调控钾离子吸收的三个重要基因 AtAKT1、AtCBL9 和
AtCIPK23共转化到甘蔗品种粤糖 00-236中,以期提高甘蔗耐低钾能力。PCR分析结果表明共获得 36份携
带 AtCBL9、AtCIPK23和 AtAKT1三个基因的转基因无性系;Southern blot分析结果表明外源 AtCBL9基因
在甘蔗基因组中的拷贝数为 2~5个;在钾离子浓度为 200 μmol/L的营养液中进行低钾胁迫试验,转基因品
系的根系和地上部的平均钾含量分别比对照高 37%和 23%,叶片平均相对电导率比对照低 6%,说明超表达
AtCIPK23、AtCBL9和 AtAKT1显著提高了甘蔗耐低钾胁迫能力,降低了因低钾胁迫造成的质膜伤害,是创制
耐低钾甘蔗种质的有效途径。
关键词 甘蔗,耐低钾,转基因, AtCIPK23-AtCBL9-AtAKT1,农杆菌介导
Agrobacterium-mediated Co-transformation of Arabidopsis Functional
Regulating Potassium Uptake Genes AtCIPK23, AtCBL9 and AtAKT1 into
Sugarcane
Fan Lina Zeng Qiaoying He Huiyi Li Yu Luo Qingwen Lao Fangye Deng Haihua Li Qiwei Qi Yong-
wen *
Guangdong Key Laboratory of Sugarcane Improvement and Biorefinery, Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute, Guangzhou, 510316
* Corresponding author, yongwen2001@163.com
DOI: 10.13271/j.mpb.013.000361
Abstract In this study, AtCIPK23, AtCBL9, and AtAKT1 from Arabidopsis thaliana that play key roles in
regulating plant K+ uptake under low-K+ condition were co-transformed into sugarcane variety YT00-236
(Saccharum spp.) mediated by Agrobacterium Tumefaciens to improve sugarcane tolerance to low K+ stress. PCR
analysis showed that a total of 36 transgenic clones carrying AtCBL9, AtCIPK23 and AtAKT1 were obtained in this
study. Southern blot analysis by using specific sequence of AtCBL9 as probe showed that 2 to 5 copies of fragments
were integrated into sugarcane genome. The transgenic clones showed much enhanced K+ uptake ability than that of
the control under low-K+ stress condition. In the 200 μmol/L K+ solution, the average K+ content in roots and shoots
of transgenic clones was 37% and 23% higher than that of non-transgenic control, respectively. Moreover, the
average leaf relative conductivity of transgenic lines was about 6% lower than that of non-transgenic control, which
indicated that less plasma membrane injury should be found in transgenic lines. The results indicated that
over-expression of AtCIPK23, AtCBL9, and AtAKT1might enhance sugarcane tolerance to low-K+ stress.
Keywords Saccharum spp., Low K+ tolerance, Genetic engineering, AtCIPK23-AtCBL9-AtAKT1, Mediated by
Agrobacterium
收稿日期:2014-05-20 接受日期:2014-07-30 网络出版日期:2014-10-25
URL: http://www.biopublisher.cn/index.php/mpbopa/article/view/2290
基金项目:本研究由国家甘蔗产业技术体系(CARS-20-1-4)和广东省科技计划(2012A090300015; 2012B020301008)共同资助
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
钾是植物生长所必需的大量元素之一,在植物生
长发育、抗逆胁迫等多种生理活动中起重要作用,缺
钾会严重影响作物的产量(Leigh and Wyn Jones, 1984;
王毅和武维华, 2009)。另一方面,中国农田土壤缺钾
情况非常严重,速效钾含量低于 50 mg/kg的严重性
缺钾土壤已经占耕地面积的 20%以上(李庆逵等 ,
1998)。为了保证作物的正常生长,中国每年都要进口
大量的钾肥以满足农业生产需要(孙爱文等, 2009)。
提高植物在低钾条件下的钾吸收能力是培育钾
高效品种,减少农业生产上钾肥投入的重要途径。已
有研究表明高等植物对钾的吸收积累主要是通过
Shaker通道、KCO通道、KUP/HAK/KT转运体、HKT
转运体、KEA转运体等(Buschmann et al., 2000; Véry
and Sentenac, 2003; Ashley et al., 2006)钾转运蛋白完
成的,通过基因工程增加植物钾离子通道等钾吸收
转运蛋白编码基因的表达量可显著提高作物的耐低
钾能力(曾巧英等, 2014)。施卫明等(2002)在水稻中超
表达拟南芥钾离子通道基因 AtAKT1和 AtKAT1,结
果表明转基因水稻比对照的钾吸收速率提高了
25.4%~79.1%,低钾条件下钾累积能力提高了 11.5%~
24.3%。郭兆奎等(2007)将酵母钾离子通道基因HAL1
在烟草中进行过量表达,可使转基因烟叶的含钾量
提高 30%。Wang等(2011)在马铃薯中表达拟南芥
AtCIPK23基因,低钾胁迫下转基因植株的钾含量比
对照高 35%~71%,转基因植株干物质重明显高于对
照。Ardie 等(2011)将星星草 PutAKT1 的调控基因
KPutB1和水稻 KOB1基因分别转入到拟南芥中,在
低钾、盐胁迫等情况下转基因植株的钾含量和干物
质量都明显增加,转基因植株耐低钾等逆境胁迫能
力显著提高。
甘蔗是一种重要的糖料作物,在中国主要生长
在南方亚热带地区,蔗区土壤普遍存在酸化、钾淋溶
严重等现象,蔗区耕作层中全钾和速效钾的含量都
处于较低水平(李奇伟等, 2011)。为了提高甘蔗的耐
低钾能力,本研究将拟南芥响应低钾胁迫的调控钾离
子吸收的钾离子通道蛋白基因 AtAKT1及其调控基因
AtCIPK23和 AtCBL9 (Xu et al., 2006; Lee et al., 2007)
共同转化到甘蔗中去,以提高甘蔗在低钾胁迫下的
钾吸收能力,为培育耐低钾甘蔗品种提供参考。
1结果与分析
1.1粤糖 00-236遗传转化过程中的潮霉素抗性
已有研究表明,在甘蔗遗传转化过程中,潮霉素
浓度在 30~50 mg/L是比较合适的筛选浓度(Joyce et
al., 2010)。考虑到不同品种对潮霉素敏感性的差异,
本研究对粤糖 00-236在愈伤组织诱导、分化和促根
三个阶段进行潮霉素梯度筛选试验。结果表明,在潮
霉素浓度为 30 mg/L、40 mg/L和 50 mg/L的诱导培
养基上生长 15 d后,愈伤组织褐化率分别为 58%、
67%和 85%。30 d后,愈伤组织褐化率分别为 78%、
92%和 100%。分化阶段,在潮霉素 30 mg/L的筛选压
下,愈伤组织虽有分化,但是分化出的幼芽在 10 d左
右就会干枯死亡,无法成长为正常植株。在潮霉素浓
度 40 mg/L和 50 mg/L下,愈伤组织在分化培养基上
会出现严重的失水、褐化现象,不能形成正常的分化
芽。促根阶段,在潮霉素浓度 30 mg/L的筛选压下,
幼苗生长就已经收到严重抑制,出现枯萎、死亡现
象,无法形成正常的根系。在潮霉素浓度 40 mg/L和
50 mg/L培养条件下,褐化死亡的现象更为严重。根
据潮霉素梯度试验结果,本研究在愈伤组织筛选阶
段选择潮霉素浓度 50 mg/L作为筛选压,在分化和
促根阶段都选择潮霉素浓度 30 mg/L作为筛选压。
1.2转基因植株的获得
本研究利用携带 AtAKT1、AtCIPK23 和 AtCBL9
基因表达载体(图 1)的农杆菌菌株 EHA105 共转化
5 260块愈伤组织,侵染过的愈伤组织细胞在添加有
潮霉素 B的培养基中经过愈伤组织筛选(图 2A)、分
化(图 2B)、抗性苗生根(图 2C)、假植等阶段,共获得
48株抗性株系。以 AtAKT1、AtCIPK23和 AtCBL9基
因的特异引物对获得的 48株抗性材料进行 PCR检
测,其中 36株扩增出三个基因的特征片段(图 3),10
株只检测到 1~2个目标基因,2株未检测出目标基因。
1.3转基因植株 Southern blot分析
随机选取3株携带 3个目标基因的转基因植株,
图 1植物表达载体 PMDC99 T-DNA结构简图
注: LB,RB: T-DNA左 /右边界; pS: pSuper启动子; tN:胭脂碱
合成酶基因 NOS终止子; B1~B4: attB1~attB4序列
Figure 1 Schematic representation of the T-DNA region of the bi-
nary vector pMDC99
Note: LB,RB: Left/Right border of T-DNA; pS: pSuper promoter;
tN: Nopaline terminator; B1~B4: attB1~attB4
362
图 2粤糖 00-236遗传转化过程中潮霉素浓度筛选及抗性苗
的获得
注: A:抗性愈伤组织筛选; B:抗性苗的获得; C:抗性苗生根
Figure 2 The process of regeneration of transgenic sugarcane
plants
Note: A: Resistant-callus; B: Green resistant-shoot from callus;
C: Rooting of resistant plants
以 AtCBL9 基因特异序列为探针进行 Southern blot
分析。结果表明外源基因已经整合到甘蔗基因组中,
外源基因的拷贝数量在 2~5之间(图 4)。
图 4转基因植株 Southern blot分析
注: P: PMDC99质粒; CK:供体对照; 1~3:转基因植株
Figure 4 Southern blot analysis of the transgenic plants
Note: P: PMDC99; CK: Non-transgenic control plant; 1~3:
Transgenic plants
1.4转基因材料耐低钾鉴定
对携带 3个目标基因的转基因材料和对照在钾
离子浓度为 200 μmol/L的营养液中进行低钾胁迫试
验,培养 20 d后,测定对照和转基因材料的钾离子含
量。结果表明在低钾胁迫溶液中,转基因的钾离子含
量比对照显著提高(图 5),其中地上部的钾离子含量
平均比对照提高了 23%,根系中的钾离子含量平均
比对照提高了 37%。测定了转基因和对照的叶片相
对电导率,转基因材料的平均相对电导率为 0.49,而
对照的平均相对电导率为 0.52。可见,超表达
AtAKT1、AtCIPK23和 AtCBL9基因显著提高了转基
因植株在低钾条件下的钾吸收能力,降低了低钾胁
迫对质膜细胞的破坏。
图 5供体对照和转基因植株在低钾胁迫下的地上部和根系钾
离子含量
注: CK:供体对照; T236:转基因株系
Figure 5 The K+ content in shoot and root of CK and transgenic
lines growing in low K+ condition
Note: CK: Non-transgenic control; T236: Transgenic line
2讨论
甘蔗栽培种是由热带种、割手密等多个物种经
过种间杂交形成的基因组复合体,基因组庞大且遗
传组成非常复杂,常规杂交育种存在盲目性大、周期
长等问题。由于甘蔗属于无性繁殖作物,通过基因工
图 3转基因植株 PCR检测
注: M: DL2000 marker; P: 质粒 PMDC99; CK:非转基因对照
植株; 1~5:转基因植株
Figure 3 PCR detection result of putative transgenic plants
Note: M: DL2000 marker; P: PMDC99; CK: Non-transgenic con-
trol plants; 1~5: Putative transgenic plants
拟南芥钾吸收调控基因 AtCIPK23、AtCBL9和 AtAKT1农杆菌介导共转化甘蔗
Agrobacterium-mediated Co-transformation of Arabidopsis Genes AtCIPK23, AtCBL9 and AtAKT1 into Sugarcane
363
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
程技术可将目标性状基因快速导入到供体植株中且
在 T0代就可以稳定,基因工程在甘蔗改良上具有较
大的技术优势和应用前景。为此,国内外甘蔗基因工
程改良上进行了大量研究,并且取得了显著进展。如
王自章等(2003)将担子菌灰树花(Grifola frandosa)的
海藻糖合酶基因导入到甘蔗中去,转基因植株的抗渗
透胁迫能力显著增强,此后研究表明,表达海藻糖合
酶基因可显著提高甘蔗的抗旱性(Zhang et al., 2006)。
陈平华等(2004)将雪花莲外源凝集素(GNA)基因导
入到甘蔗中,获得了一批抗性再生材料。Manick-
avasagam等(2004)通过农杆菌介导转化方法直接转
化甘蔗腋芽获得了抗 BASTA除草剂的甘蔗。Weng
等(2011)将根据甘蔗密码子偏爱性合成的 m-cry1Ac
基因导入到甘蔗中,获得高抗螟虫危害的转基因材
料。从已有报道看,目前国内外甘蔗转基因研究主要
是集中在抗虫、抗病、抗除草剂等方面,而关于甘蔗
养分利用上的报道较少。本研究针对中国蔗区普遍
缺钾的严重现象,开展甘蔗耐低钾转基因研究。由于
植物调控钾离子吸收是多个基因共同参与的网络(王
毅和武维华, 2009),为了提高转基因应用效果,本研
究将拟南芥中调控低钾胁迫反应的三个关键基因
AtAKT1、AtCIPK23 和 AtCBL9 共转化到甘蔗中去,
研究表明转基因植株在低钾条件下的钾吸收能力显
著提高,耐低钾胁迫能力增强,是开展甘蔗钾高效育
种的有效途径。
在本研究所使用的 3 个基因中,AtAKT1 和
AtCIPK23 在水稻、马铃薯钾等改良其他作物吸收能
力上的研究也有报道。如超表达 AtAKT1的转基因水
稻比供体对照的钾吸收速率和钾累计能力分别提高
了 20%和 10%以上(施卫明等, 2002)。而 AtCIPK23在
马铃薯中的超表达,可使转基因植株低钾胁迫下的
钾含量比对照高 35%~71% (Wang et al., 2011)。本研
究将 AtCIPK23、AtCBL9和 AtAKT1 3个基因共同转
化到甘蔗中,也显著提高了甘蔗的耐低钾胁迫能力。
但是由于没有 AtCIPK23、AtCBL9和 AtAKT1 3个基
因的单基因遗传转化材料,关于这 3个基因单独在提
高甘蔗耐低钾能力的上应用效果有待于进一步研究。
转基因已经成为作物品种改良的重要途径之
一,复合转化两种或三种目标基因已经成为转基因
发展的趋势。在已有的甘蔗转基因报道中,转化的目
标基因一般为 1~2个(张显勇等, 2007),同时共转化
3个目标基因的研究尚未见报道。本研究首次报道通
过农杆菌介导法成功实现 3个目标基因在甘蔗中的
共转化,但是转化效率尚不到 1%,与已发表的甘蔗
单个或双个目标基因的农杆菌遗传转化报道相比
(Joyce et al., 2010),转化效率还较低,还需要进一步
优化和提高。
3材料与方法
3.1材料
以甘蔗品种粤糖 00-236为供体材料。
3.2菌株和质粒
本研究所用的携带 AtAKT1、AtCBL9和 AtCIPK23
的植物表达载体 pMDC99由中国农业大学武维华院
士惠赠(图 1),所用农杆菌菌株为 EHA105。
3.3培养基
YEP培养基:10 g/L酵母提取物+5 g/L胰蛋白胨 +
10 g/L牛肉浸膏,pH 7.0;愈伤组织诱导和继代培养
基:MS+2,4-D 2 mg/L+蔗糖 30 g/L+琼脂粉 6 g/L,pH
5.8;侵染培养液:MS+2,4-D 2 mg/L+乙酰丁香酮(AS)
150μmol/L,pH 5.2;共培养培养基:MS+2,4-D2mg/L+
AS 150 μmol/L+蔗糖 30 g/L+琼脂粉 6 g/L,pH 5.8;愈
伤筛选培养基:MS+2,4-D 2 mg/L+潮霉素 B 30 mg/L+
特美汀(Timentin) 200mg/L+蔗糖 30 g/L+琼脂粉 6 g/L,
pH 5.8;分化培养基:MS+6-BA1.0mg/L+KT 2.0 mg/L+
潮霉素 B30mg/L+Timentin 200mg/L+蔗糖 30gmg/L+
琼脂粉 6 g/L,pH 5.8;生根培养基:1/2MS+NAA
1.0 mg/L+潮霉素 B 30 mg/L+Timentin 200 mg/L+蔗
糖 30 g/L+6.0 g/L琼脂粉。以上培养基在 121℃进行
高温高压灭菌 20 min。
3.4农杆菌遗传转化
选择粤糖 00-236生长健壮的植株,以其顶端生
长点 5~7 cm左右的幼叶组织在愈伤组织诱导培养
基上进行培养,每两周继代 1次,共继代 2次。在转
化前,挑选长势生长旺盛的愈伤组织转移到新鲜的
诱导培养基上继续暗培养 4 d。
取携带有 pMDC99质粒的农杆菌菌株 EHA105
进行平板培养,挑选单克隆在含 50 mg/L利福平和
50 mg/L卡那霉素的 25 mL YEP液体培养基中进行
振荡培养。待菌液 OD600值 0.6左右时离心收集菌体,
然后用等体积侵染培养液重悬菌体,在 200 r/min转
速下震荡 2 h。将预处理好的愈伤细胞置于菌液中共
培养 20 min,侵染过的细胞置于铺有无菌滤纸的培
养皿中吸去表层水分后,放入共培养培养基中暗培
养 72 h。
364
共培养后的愈伤细胞用经无菌水洗涤 1~2遍,
用无菌滤纸吸取表层水分后,置于筛选培养基上进
行培养,每 14 d挑选抗性愈伤进行继代,培养 28 d
后,挑选生长良好的抗性愈伤组织转移到分化培养
基进行分化。约 20 d后,将获得的 2~3 cm幼苗转移
到生根培养基上使其发育成完整植株。选取健壮的
生根苗进行炼苗与假植。
3.5抗性植株分子检测
3.5.1 PCR鉴定
用改进的 CTAB法(Sambrook et al., 1989)提取拟
转基因植株和未转化对照植株的基因组 DNA。根据
AtCBL9、AtCIPK23和 AtAKT1 4个基因序列设计 PCR
引物。AtCBL9的引物序列为:5-CAGCCAGTTTCA
TTTCAG-3 和 5-GGGTTGTTTCCATTCCAC-3;
AtCIPK23的引物序列为 5-AACCAGGGAGGGCAA
GTA-3和 5-ATTTCAAGCAATGGGAGA-3。AtA-
KT1的引物序列为 5-ATCGGTGATAGATAGTGGT
G-3和 5-TGAATAGATACGCTGACACG-3。AtC-
BL9、AtCIPK23和 AtAKT1 3个基因的扩增片段分别
为 476 bp、387 bp和 356 bp。PCR反应体系为每 25μL
体系中包括 10× PCR缓冲液 2.5 μL、dNTP (10 mol/L)
0.5μL、引物(10 pmol/L)均为 0.5 μL、模板 DNA 25 ng、
Taq酶 1.0 U。反应程序为 95℃变性 4 min,然后在
95℃ 45 s,58℃ 30 s,72℃ 45 s下进行 30个循环,最
后 72℃延伸 10 min。
3.5.2 Southern blot分析
将转基因植株和对照植株的 50 μg基因组 DNA
及质粒用限制性内切酶 EcoRⅠ酶切过夜,酶切产物
参照 Sambrook等(1989)方法在 0.8%琼脂糖凝胶上
进行电泳分离与转膜。用不含 EcoRⅠ酶切位点的
AtCIPK23特异序列(PCR扩增引物序列为 5-AACC
AGGGAGGGCAAGTA-3和 5-ATTTCAAGCAATG
GGAGA-3,长度为 387 bp)作为探针模板,按照 DIG
High Prime DNA Labeling and Detection Starter KitⅡ
(Roche)说明书进行探针标记与杂交检测。
3.6耐低钾鉴定
根据Hogland营养液配方将KH2PO4用NH4H2PO4
替代,添加 KNO3配置钾离子终浓度为 200 μmol/L
的营养液。选取长势一致的 8~10 cm转基因和对照
组培苗进行液培,每天调节 pH值到 6.5,营养液用泵
通气 12 h,每 3 d更换一次营养液。20 d后用火焰分
光光度计测定转基因和对照的钾含量。
叶片相对电导率测定方法为:取新鲜的+2叶用
超纯水快速冲洗两次后用吸水纸吸干,然后将叶片
剪碎混匀。称取 1 g叶片放入小三角瓶内,然后加入
双蒸水 20 mL。真空渗透,抽放气 3次,30 min后取
出,于室温下静置 2 h,用电导率仪测定溶液的原电
导值。将样品材料在 100℃的高温处理 15 min,待冷
却至室温后测溶液总电导值。相对电导率(%)=原电
导值 /总电导值×100%。
作者贡献
樊丽娜、曾巧英和何慧怡是本研究的实验设计
和实验研究的执行人,完成完成数据分析,论文初
稿的写作;李昱、罗青文和劳方业参与实验设计;邓
海华和李奇伟参与实验设计与试验结果分析;齐永
文是项目的构思者及负责人,指导实验设计,数据
分析,论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最
终的文本。
致谢
本研究由国家国家甘蔗产业技术体系(CARS-2-
0-1-4)和广东省科技计划(2012A090300015; 2012B0-
20301008)共同资助。感谢中国农业大学武维华教授、
章家长老师为本研究提供转化载体和技术指导。
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