全 文 :第35卷第7期 西 南 大 学 学 报 (自然科学版) 2013年7月
Vol.35 No.7 Journal of Southwest University(Natural Science Edition) Jul. 2013
文章编号:1673-9868(2013)07-0014-07
中国野生毛葡萄叶盘法遗传转化中
抗生素种类及体积质量分数的筛选
①
马孟增1,2, 甘 专1,2, 张文娥2, 潘学军1,2
1.贵州省果树工程技术研究中心,贵阳550025;2.贵州大学 农学院,贵阳550025
摘要:为获得毛葡萄遗传转化体系中合适的抗生素种类和体积质量分数,以毛葡萄单株“花溪-4”为试材,研究了选择
抗生素潮霉素(Hygromycin,Hyg)、卡纳霉素(Kanamycin,Kan)和抑菌抗生素羧苄青霉素(Carbenicilin,Carb)及头孢
霉素(Cefotaxime,Cef)对其离体叶片再生和再生芽成苗的影响.结果表明:0.1mg/L的 Hyg和10mg/L的Kan可完
全抑制不定芽再生,适合遗传转化中转基因再生芽筛选;再生芽在添加5mg/L Hyg和40mg/L Kan培养基中表现黄
化致死,不能成苗,可用于转基因苗选择.300mg/L的Cef或400mg/L的Carb均可促进花溪-4不定芽再生,同时对
根癌农杆菌抑制效果良好,适宜于毛葡萄遗传转化中抑制农杆菌生长.
关 键 词:野生毛葡萄;遗传转化;农杆菌;抗生素
中图分类号:S663.1 文献标志码:A
在以根癌农杆菌介导的遗传转化中,准确地筛选出转化体和有效抑制农杆菌的过度生长是成功获得转
基因植株的关键因素.目前,在用于转基因植株筛选的多种遗传选择标记基因中,仍以新霉素磷酸转移酶
基因(nptII)和潮霉素磷酸转移酶基因(HPT)应用最为广泛,nptII编码产物—氨基糖苷磷酸转移酶和
HPT 编码产物—潮霉素磷酸转移酶可使转化细胞具有卡那霉素或潮霉素抗性,从而淘汰非转化细胞或植
株.而头孢霉素和羧苄青霉素(Carbenicilin,Carb)是农杆菌的有效抑制剂,可作为植物遗传转化中的抑菌
抗生素.自20世纪90年代初期前人采用根癌农杆菌介导法成功获得葡萄转基因植株以来,葡萄转基因工
程得到了较快的发展[1-6].葡萄学者相继建立了欧洲葡萄Vitis vinifra L.[7-10]、沙地葡萄Vitis rupestris
S.[11-13]及圆叶葡萄Vitis rotundifolia Michx.[14-15]的再生体系,并开展了选择抗生素和抑菌抗生素的敏感
性实验,研究一致表明葡萄离体再生体系的难易受基因型的影响,且不同基因型葡萄对选择抗生素和抑菌
抗生素种类及体积质量分数的敏感性不同.中国野生葡萄隶属东亚葡萄种群,蕴含了大量优异基因[16-17].
目前,对中国野生葡萄的基因开发仅限于优异抗性基因的克隆[18]和向模式植物烟草[19]、拟南芥[20]及欧洲
葡萄[21]的转化.关于中国野生葡萄再生体系的研究报道较少[22-23],中国野生葡萄再生体系和继代苗对抗
生素的敏感试验则未见报道.笔者以中国野生毛葡萄“花溪-4”为试材,研究选择抗生素Kan和Hyg对离体
叶盘再生和继代苗的影响,同时进行了离体叶盘再生对抑菌抗生素Cef和Carb的敏感性试验,以期确定毛
葡萄叶盘遗传转化时适合的选择压和合适的抑菌抗生素种类及体积质量分数,为成功建立野生毛葡萄遗传
① 收稿日期:2012-07-17
基金项目:贵州省优秀青年科技人才培养对象专项资金资助项目“野生葡萄种质资源的离体保存与遗传变异”(黔科合人字(2009)02号);
贵州喀斯特山区特异果树种质资源发掘与利用(黔科合农G字[2009]4003号).
作者简介:马孟增(1984-),男,山东泰安人,硕士研究生,主要从事果树种质资源与生物技术育种研究.
通信作者:潘学军,教授,硕士生导师.
DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2013.07.024
转化体系提供依据.
1 材料和方法
1.1 供试材料
试材为原产于贵州的野生毛葡萄单株“花溪-4”(Vitis heyneana Roem.et Schult“Huaxi-4”)试管苗,
试验于2011年10月至2012年5月在贵州省果树工程技术研究中心进行.
1.2 试验设计与方法
1.2.1 抗生素Kan和 Hyg对 “花溪-4”叶盘不定芽再生的影响
取生长健壮的“花溪-4”试管苗顶部1~3位幼嫩叶片,切成0.5cm×0.5cm叶盘,沿垂直主脉方向用
刀片划3刀,远轴面向下接种在再生芽培养基(MS+BA 8.12mg/L+IBA 0.35mg/L+IAA 0.23mg/L+
蔗糖32.00g/L)上,培养基中分别附加0,1,2,4,6,8,10,20,30,40,50,60,100和200mg/L的Kan或0.0,
0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2.0,3.0,5.0,10.0,20.0,30.0,40.0,50.0mg/L的 Hyg,完全随机试验设计,
每个培养皿接种9~12个叶盘,重复3次.培养温度(25±2)℃,暗培养20d后光培养,光照周期14h/10h
(光/暗),光照强度36mmol/(m2·s).
1.2.2 抑菌抗生素Cef和Carb对“花溪-4”叶盘不定芽再生的影响
取材、接种方法、再生培养基及培养条件同1.2.1,培养基中附加0,100,200,300,500和600mg/L的
Carb或0,100,200,300,400,500和600mg/L的Cef.每个培养皿接种9个叶盘,重复5次.
1.2.3 选择抗生素Kan和 Hyg对再生芽成苗的影响
取生长健壮的“花溪-4”再生试管苗,剪成单芽茎段,接种到附加不同体积质量分数的Kan(0,10,20,
30,40,50,70和100mg/L)或 Hyg(0,1,2,3,5,10,20,30,40和50mg/L)的继代培养基(1/2MS+IAA
0.1mg/L)上.完全随机试验设计,每瓶接种3个,重复5次.培养温度(25±2)℃,光照周期14h/10h
(光/暗),光照强度36mmol/(m2·s).
1.3 结果统计与数据分析
接种45d后调查叶片再生及继代苗生长情况,按下列方法计算再生叶片褐化率、再生率、再生芽数、
再生芽继代褐化率、出苗率、成苗数.
再生叶片褐化率=褐化叶片/接种叶片数×100%
不定芽再生率=出芽叶片数/接种数×100%
平均不定芽数=不定芽数/接种数
再生芽继代苗出苗数=出苗总数/接种数
再生芽继代苗褐化率=褐化苗数/接种数
再生芽继代苗成苗数=有效苗数(长度大于1.5cm的新梢)/接种数×100%
试验数据采用 Microsoft Excel和DPS 7.05软件进行处理和统计分析,数据运用新复极差法(Duncan
Test,p<0.05或p<0.01)进行多重比较.
2 结果与分析
2.1 卡那霉素对毛葡萄“花溪-4”叶片离体再生不定芽的影响
葡萄对Kan非常敏感[24],由表1可以看出,随着Kan体积质量分数的升高,毛葡萄“花溪-4”不定芽再
生率和平均不定芽数都呈现出先上升后下降的变化趋势,当Kan体积质量分数达到6mg/L时,再生率和
不定芽数均达到最高值.当Kan达到8mg/L时,“花溪-4”离体叶片再生不定芽率和再生数受到严重抑制,
Kan体积质量分数增至10mg/L时,大部分叶盘褐化,再生率和褐化率明显低于对照,分别为4.7%和
51%.体积质量分数继续增加,叶片褐化不断加重,不定芽再生困难.当Kan体积质量分数达到100~200
mg/L时,叶片完全白化.由此得出,Kan可用于毛葡萄“花溪-4”遗传转化子的筛选,筛选体积质量分数为
10mg/L.
51第7期 马孟增,等:中国野生毛葡萄叶盘法遗传转化中抗生素种类及体积质量分数的筛选
表1 那霉素对 “花溪-4”离体叶片再生及褐化的影响
Kan/(mg·L-1) 再生率/% 平均不定芽数/个 褐化率/%
0 17.7bc 2.67bc 15d
1 11.0cde 1.67cde 13d
2 15.3bcd 2.33bcd 13d
4 26.7ab 4.00ab 9de
6 35.3a 5.33a 2e
8 17.7bc 2.67bc 9de
10 4.7de 0.67de 51c
20 0.0e 0.00e 80b
30 0.0e 0.00de 84b
40 0.0e 0.00de 96a
50 0.0e 0.00de 100a
60 0.0e 0.00de 100a
100 0.0e 0.00de 100a
200 0.0e 0.00de 100a
注:不同小写字母表示抗生素不同体积质量分数处理间差异显著(p<0.05),下同.
2.2 潮霉素对毛葡萄“花溪-4”叶片离体再生不定芽的影响
从图1可以看出,毛葡萄“花溪-4”对Hyg的反应比Kan还要敏感,0.1mg/L Hyg完全抑制了“花溪-4”叶
片不定芽再生;当Hyg体积质量分数达到0.4mg/L时,“花溪-4”的叶盘和愈伤组织褐化严重,愈伤组织分
化严重受阻;当体积质量分数超过2mg/L时,“花溪-4”叶片不能分化出愈伤组织;体积质量分数升高到
20~50mg/L时叶片白化死亡.可见,较低体积质量分数的 Hyg即可明显抑制毛葡萄“花溪-4”愈伤组织
和不定芽分化.0.1mg/L的 Hyg能够有效地抑制不定芽分化再生,对叶盘伤害较小,可用于转基因不定
芽筛选.
1-15分别代表0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2.0,3.0,5.0,10.0,20.0,30.0,40.0,50.0mg/L的潮霉素体积质量分数.
图1 潮霉素对“花溪-4”叶片再生的影响
2.3 Cef和Carb对“花溪-4”离体叶片不定芽再生的影响
植物遗传转化过程中,选择合适的抑菌抗生素十分关键,其选择的标准是既能完全抑制农杆菌的生
长,同时又对外植体的生长几乎没有影响.如表2所示,随着Cef体积质量分数的升高,“花溪-4”不定芽再
61 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷
生率和平均出芽数均表现出先上升后下降的变化趋势.不定芽再生率和平均出芽数在Cef 300mg/L时均
达到最高值,分别为100%和9.00,体积质量分数继续升高,再生率和平均出芽数均显著降低.Carb对
“花溪-4”叶盘再生体系的影响与Cef不同,在一定体积质量分数(300mg/L)范围内,Carb对“花溪-4”叶
盘再生率和平均出芽数无显著影响.高于400mg/L的Carb即可显著抑制 “花溪-4”不定芽再生.而300
mg/L的Cef和400mg/L的Carb能够完全抑制农杆菌的生长[25],因此,毛葡萄“花溪-4”遗传转化体系
中适宜的抑菌抗生素为Cef,体积质量分数为300mg/L.
表2 抑菌抗生素对 “花溪-4”离体叶片不定芽再生的影响
抗生素种类 体积质量分数/(mg·L-1) 再生率/% 平均出芽数/个
Cef 0 51.85e 4.67e
100 92.59ab 8.33ab
200 96.30a 8.67a
300 100.00a 9.00a
400 85.19bc 7.67bc
500 81.48c 7.33c
600 70.37d 6.33d
Carb 0 51.85a 4.67a
100 29.63c 2.67c
200 48.15ab 4.33ab
300 37.04abc 3.33abc
400 33.33bc 3.00bc
500 29.63c 2.67c
600 25.93c 2.33c
2.4 Kan和Hyg对毛葡萄“花溪-4”再生芽成苗的影响
获得再生植株后,通常需利用标记基因对再生植株进行筛选.选择抗生素Kan和Hyg对毛葡萄“花溪-4”
再生芽成苗的影响如表3所示,Kan和Hyg均抑制了“花溪-4”继代苗的生长,在10mg/L Kan和1.0mg/L
Hyg时,植株还可生长较好,但随着Kan和Hyg体积质量分数的升高,抑制作用越来越明显,当Kan和Hyg
分别达到40mg/L和5mg/L时,“花溪-4”单芽茎段切口严重褐化,叶片黄化致死,生长点生长缓慢或停止生
长,难于生根.因此,40mg/L的Kan和5mg/L的Hyg适宜转基因再生植株的筛选.
表3 卡那霉素和潮霉素对花溪-4”再生芽继代苗生长的影响
抗生素
种类
体积质量分数
/(mg·L-1)
出苗数
/个
有效苗数
/个
褐化率
/%
试管苗生长状态
Kan 0 3.00a 3.00a 0.0d 植株整齐,叶片呈均匀绿色,根系发达,须根量多
10 3.00a 3.00a 0.0d 植株生长较健壮,根系较发达,须根量少
20 2.33ab 1.33b 33.3c 植株矮小,部分叶片黄化,生根率低,须根量极少
30 2.00abc 0.67c 66.7b 叶片黄化,芽萎缩褐化,生根率极低,几乎无须根
40 1.00bcd 0.00d 100.0a 切口褐化,大部分叶片黄化,无根
50 0.67cd 0.00d 100.0a 大部分叶片黄化,切口褐化,死亡
70 0.33d 0.00d 100.0a 黄化死亡
100 0.33d 0.00d 100.0a 黄化死亡
Hyg 0 3.00a 3.00a 0c 植株生长整齐健壮,叶片呈均匀绿色,根系发达,须根量多
1 3.00a 3.00a 0c 植株生长整齐健壮,叶片呈均匀绿色,根系较发达,须根量较多
2 2.67a 1.33b 33b 植株矮小,叶片小部分黄化,主根量少,几无须根
3 1.67b 0.33c 44b 叶片、叶柄均出现黄化,生根率极低,无须根
5 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
10 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
20 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
30 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
40 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
50 0.00c 0.00c 100a 黄化死亡
71第7期 马孟增,等:中国野生毛葡萄叶盘法遗传转化中抗生素种类及体积质量分数的筛选
3 结 论
众多研究表明,不同的抗生素种类和体积质量分数对植物的再生均有不同程度的影响,不同种类、品
种的植物对不同抗生素的敏感性不同,筛选所用的抗生素种类和体积质量分数也就有差别.卡那霉素对不
定芽再生起抑制作用,即使低体积质量分数也强烈地抑制不定芽的分化以及转化植株的生根[26].Das等[7]
报道,20mg/L的Kan适宜作为美丽无核葡萄转化子的筛选;Scorza等[27]采用20~40mg/L的Kan对欧
洲葡萄转化子进行筛选;Fan等[21]利用选择标记 HPT在汤姆逊无核上获得转化子的适宜筛选种类及体积
质量分数为 Hyg 12mg/L.在本研究中,毛葡萄“花溪-4”在Kan 10mg/L的体积质量分数下不定芽受到严
重抑制,再生率仅有4.7%,0.1mg/L的 Hyg就能完全抑制不定芽的再生,由此看出野生毛葡萄对Kan
和 Hyg较欧洲葡萄敏感性更强.前人研究表明,300~400mg/L的Cef或Carb就能够完全控制农杆菌的
生长[26-28],在本研究中,300mg/L的Cef和400mg/L的Carb对毛葡萄“花溪-4”叶片再生的抑制作用均
较小,均适于作为抑制根癌农杆菌生长的抗生素,且Cef优于Carb,研究结果与Das等[7]的结论相符,但
与Dhekney等[14]和Colby等[29]在抗生素的使用体积质量分数上稍有不同,可能是由于不同基因型对抗生
素的敏感性存在差异.在确定选择性抗生素的前提下,抗生素的体积质量分数直接影响到抗性芽的分化
率.抗生素体积质量分数过低会产生假阳性植株,进而影响后期转化子的检测;若体积质量分数过高则会
抑制组织的生长,导致抗性芽的分化受阻.因此,对试验材料进行抗生素敏感性试验,确定适宜的抗生素
种类和体积质量分数是成功获得转化子的关键.在本研究中,300mg/L的Cef不仅没有对抗性芽的再生起
到抑制作用,反而提高了抗性芽的再生率,这可能是由于Cef和Carb等抗生素与生长素有相似的化学结
构,因而在组织培养中具有激素效应,与细胞分裂素(如6-BA)混用时可改变植物体的激素平衡,影响外植
体的分化[30],本研究中Kan对叶片不定芽再生的促进作用再次印证了这一结论.
试验表明野生毛葡萄叶片和再生芽继代苗对Hyg的敏感性显著强于Kan,0.1mg/L的Hyg就能完全
抑制毛葡萄不定芽的再生,5mg/L的 Hyg即能导致继代苗的黄化死亡,故单从筛选的目的来说,Hyg更
适于作为毛葡萄基因转化的选择标记.本试验得出Cef和Carb均可作为农杆菌的抑制剂,且300mg/L的
Cef不定芽再生率为100%,更适合作为毛葡萄农杆菌转化的抑菌抗生素.
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Selection of Antibiotics and Their Concentrations
During Genetic Transformation via the Leaf Disc
Regeneration System in Chinese Wild Grape(Vitis heyneana)
MA Meng-zeng1,2, GAN Zhuan1,2, ZHANG Wen-e2, PAN Xue-jun1,2
1.Guizhou Engineering Research Center for Fruit Crops,Guiyang 550025,China;
2.Agricultural Colege of Guizhou University,Guiyang 550025,China
Abstract:In this paper,the efects of kanamycin(Kan),hygromycin(Hyg),carbenicilin(Carb)and cefotaxime
(Cef)on the eficiency of adventitious bud regeneration and the efect of Kan and Hyg on the growth of adventi-
tious buds were studied,using the leaf discs of Vitis heyneanastrain“Huaxi-4”cultured in vitro,so as to select
the optimal antibiotic types and concentrations for the transgenic plants.The results showed that 0.1mg/L
Hyg or 10mg/L Kan could fuly inhibit the regeneration of adventitious buds and,therefore,could be
used for transgenic line selection in adventitious bud regeneration and that 5.0mg/L Hyg or 40mg/L Kan
led to the aetiolation and death of the sub-cultured plantlets and,hence,could be used for transgenic plant
selection at the tube-plantlet stage.Supply of 300mg/L Cef or 400mg/L Carb promoted adventitious bud
regeneration and eventualy eliminated the growth of Agrobacteria,so it was proper to be used for inhibi-
ting the growth of Agrobacteriain genetic transformation of V.heyneana.
Key words:Vitis heyneana;genetic transformation;Agrobacterium;antibiotics
责任编辑 夏 娟
02 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷