全 文 :龙舌兰科植物共有 21 属约 670 种, 龙舌兰麻
系是龙舌兰科所属单子叶植物的统称, 俗称剑麻,
英文名 Sisal。 剑麻主要分布于热带、 亚热带地
区。 中国是剑麻的主要生产国之一, 中国现在的主
栽品种为 11648 号(Agave hybrid NO.11648, 简写
为 H.11648)。 剑麻 H.11648 是中国从国外引进的
杂交种, 虽高产但易感斑马纹病。 剑麻斑马纹病是
危 害 剑 麻 的 主 要 病 害 之 一 , 由 烟 草 疫 霉
(Phytophthora nicotianae var. parasitica)引起。 1961
年坦桑尼亚首先发现此病, 中国 1970 年首次在广
东省东方红农场出现此病, 1973 年暴发流行, 此
后持续流行, 造成严重损失。 因烟草疫霉对现存的
药剂能够很快的产生耐药性, 目前生产上正在使用
的杀菌剂很难有效防治斑马纹病, 因此急需选育剑
麻抗病新种质。 剑麻一生只开一次花, 开花结果后
死亡, 其营养生长周期长, 一般为 10 a, 有的甚至
长达 15 a以上, 且花期不一致、 花粉不易贮藏、 种
子发芽率低(一般在 10%左右)、 F1育性差等特点,
从而导致近几十年来通过杂交育种、 辐射育种等方法
虽然也育成了一些品种, 但还未超越 H.11648。 基因
工程育种能够打破物种间的界限, 将其他物种中优良
的基因导入剑麻中对其进行定向改良。
热带作物学报 2015, 36(6): 1112-1118
Chinese Journal of Tropical Crops
收稿日期 2014-12-08 修回日期 2015-01-25
基金项目 利用转基因技术创制抗斑马纹病剑麻新种质的研究(No. 31371679)。
作者简介 覃海燕(1989 年—), 女, 硕士研究生; 研究方向: 作物遗传育种。 *通讯作者(Corresponding author): 莫廷辉 (MO Tinghui),
E-mail: 1112409mth@163com; 易克贤(YI Kexian), E-mail: yikexian@21cn.com。
APX基因植物表达双元载体
的构建及转化剑麻
覃海燕 1, 徐洪伟 1, 高建明 3, 鹿志伟 1, 莫廷辉 1*, 易克贤 2*
1 海南大学农学院, 海南海口 570228
2 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所, 海南海口 571101
3 中国热带农业科学院热带生物技术研究所, 海南海口 571101
摘 要 剑麻是中国热带地区最重要的麻类经济作物。 剑麻 H.11648 是中国唯一的当家品种, 此品种虽高产但
易感斑马纹病, 而现有的化学农药防效差且病原菌易产生抗性。 为了培育出剑麻抗病新品种, 以 Pcambia3300
为基础质粒, 构建由 35S 驱动的 APX 基因的植物表达载体 Pcambia3300-35S-APX-nos, 再通过农杆菌 EHA105
将其导入剑麻中, 经 PCR 扩增后电泳检测分析, 结果表明外源基因已整合到受体植物基因组中。
关键词 剑麻; APX 基因; 斑马纹病; 转化
中图分类号 S563.8 文献标识码 A
Construction of APX Gene Plant Binary
Expression Vector and Transformation of Sisal
QIN Haiyan1, XU Hongwei1, GAO Jianming3, LU Zhiwei1, MO Tinghui1*, YI Kexian2*
1 College of Agriculture, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
2 Environment and Plant Protection Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China
3 Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China
Abstract Sisal is one of the most important cash crops in the tropical areas of China. Sisal H. 11648 is China’s
only variety dorminantly planted. The variety is of high yield but susceptable to zebra grain, and the control effect
of chemical pesticides is poor and the pathogens are prone to resistance. In order to breed new sisal disease-
resistant varieties, Agrobacterium-mediated APX gene transformation of sisal was tried. On the basis of Pcambia
3300 plasmid, an APXS plant expression vector Pcambia -3300 -APX which driven by 35S was built and
transformed to sisal by agrobacterium EHA105. PCR amplification and electrophoresis detection analysis showed
that the exogenous gene was integrated into the receptor plant genome.
Key words Sisal; APX; Zebra disease; Transformation
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.06.016
第 6 期 覃海燕等: APX基因植物表达双元载体的构建及转化剑麻
抗坏血酸过氧化物酶 (Ascorbate peroxidase,
以下简写为APX)广泛存在于各种植物体中。 植物
体无论是在正常的生物代谢还是在受到生物胁迫或
非生物胁迫时都会产生大量的过氧化物, 过氧化物
若不及时清除会造成植物细胞膜和叶绿体的损伤,
甚至造成植物死亡。 抗坏血酸过氧化物酶通过清除
植物体中的过氧化物来提高植物对生物和非生物胁
迫的抵抗能力。 张怡[1]通过突变筛选得到 APX 基因
超表达植株, 表明 APX 基因的超表达能够提高植
物抵抗环境胁迫的能力。 程林梅等 [2]和孙卫红等 [3]
通过将 APX 基因转入菊苣和烟草中, 结果显示转
基因植株的抗逆性提高。 孙宏丽 [4]通过构建反义载
体并转入烟草中, 得到的转基因植株抗氧化能力降
低。 蒋明等[5]通过对青花菜 APX 基因进行 RT-PCR
分析, 结果表明 APX 基因的表达受霜霉病菌、 水
杨酸和 NaCl诱导。 Sarowar 等[6-7]将来自于胡椒叶片
的抗坏血酸过氧化物酶基因(ascorbate peroxidase-
like 1)导入烟草, 极大地提高了植物抵抗烟草疫霉
的能力, 并在次年发现番茄中的过氧化物酶基因能
够抵抗卵菌型的病原体。
鉴于此, 本实验拟通过将胡椒叶片中的 APX
基因插入 Pcambia3300 载体并转入剑麻中, 从而获
得既抗剑麻斑马纹病, 又抗除草剂的植株。
1 材料与方法
1.1 材料
Pbi121 表达载体、 Pcambia3300 表达载体和农
杆菌 EHA105 均由中国热带农业科学院生物技术研
究所张树珍实验室提供, Puc57-APX 由本实验室
保存。 限制性内切酶为 fragment 公司产品, DNA
聚合酶为 NEB 公司产品, 其他产品均由市售分析
纯试剂。
1.2 方法
1.2.1 Pcambia3300-APX 表达载体的构建 (1)
pbi121-APX的构建: 设计引物对5′- GCTCTAGAGCA
CGAGGTCGGTTCTCTCTC-3′和 5′-TCGAGCTCCCTC
CAAAGTATGGGTATC-3′(引物中下划线部分表示
XbaⅠ和 SacⅠ酶切位点), 以 Puc57-APX 载体为
模板, PCR 扩增获得目的基因 APX。 上述 PCR 产
物用 XbaⅠ和 SacⅠ进行双酶切, 并利用 PCR产物
回收试剂盒回收片段。 pbi121质粒用 XbaⅠ和 SacⅠ
进行双酶切, 电泳后进行胶回收(pbi121 回收大片
段)。 将上述 2 个片段用 T4 DNA 连接酶进行连接,
热激法转入大肠杆菌中, 挑取单克隆进行扩繁, 提取
质粒进行双酶切验证, 挑取阳性克隆送公司测序。
(2)Pcambia3300-35S-APX-nos 表达载体的构
建: 设计引物对 5′-ATCCCCGGGCATGGAGTCAAA
GATTCAAATAGAG-3′和 5′-CCCAAGCTTCCCGATC
TAGTAACATAGATGACAC-3′(引物中下划线部分
表示 HindⅢ和 SmaⅠ酶切位点), 以 pbi121-apx 载
体为模板, PCR 扩增获得 35S-APX-nos 的全长。
将上述 PCR 产物和 Pcambia3300 分别用 HindⅢ和
SmaⅠ进行双酶切, 用 PCR 产物回收试剂盒回收
35S-APX-nos 片段(约 2 kb), Pcambia3300 回收片
段(约 8.4 kb), 将 2 个回收片段经 T4 DNA 连接酶
连接, 热激法转入大肠杆菌中, 挑取单克隆进行扩
繁, 提取质粒进行双酶切验证, 挑取阳性克隆送公
司测序。
(3)表达载体转入农杆菌 : 将重组表达载体
Pcambia3300-35S-APX-nos经液氮冻融法转入到农杆
菌 EHA105中, 用含有 50mg/L卡那霉素、 50 mg/L 利
福平和 50 mg/L 链霉素的 YEP 平板进行筛选, 提
取质粒经双酶切验证, 显示阳性的菌液经-70 ℃液
氮速冻保存, 备用。
1.2.2 剑麻的遗传转化 (1)转化菌液的制备:
将含有 Pcambia3300 空载体的农杆菌从-70 ℃液氮
速冻中取出涂布于含有抗生素(50 mg/L 卡那霉素、
50 mg/L 利福平和 50 mg/L 链霉素)YEP 平板进行活
化, 2 d 后挑取单菌落接种于含有抗生素(50 mg/L
卡那霉素、 50 mg/L 利福平和 50 mg/L 链霉素)YEP
液体培养基中 , 经 28 ℃、 200 r/min 振荡培养至
OD600为对数期时备用。
(2)影响剑麻遗传转化的因素: 取剑麻组培苗
的茎尖, 放入剑麻愈伤诱导培养基中诱导生成愈
伤。 将愈伤切成 0.5 cm3大小, 预培养 3 d(暗培养)
后, 在农杆菌菌液(菌液OD为0.4)中浸泡 15 min。
取出外植体用滤纸吸干多余的菌液, 置于共培养基
中共培养 3 d(暗培养)。 将转化后的剑麻愈伤组织
经无菌水清洗 3 次, 再用含有 200 mg/L 的 timentin
的无菌水清洗 3 次。 转入筛选培养基中筛选 3 轮
(每轮 15 d), 最后统计抗性愈伤率。 所有培养基
均经过121 ℃高压灭菌 20 min, 且抗生素通过无菌
22 μm滤膜过滤除菌(表 1)。
对于转化的影响因素, 设计了 7 组试验: ①预
培养时间: 1、 2、 3、 4 d; ②农杆菌菌液浓度、 侵
染时间和抗坏血酸的影响: 设计了 3 因子 3 因素的
正交试验(表 2); ③表面活性剂的影响: 在感染液
中添加 0、 0.01% 、 0.1% 、 1% (V/V)的 tween20;
④共培养温度: 19、 22、 25、 28 ℃; ⑤共培养时
间: 2、 3、 4、 5 d; ⑥干燥处理: 侵染后直接放入
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第 36 卷热 带 作 物 学 报
培养基 培养基成分
YEP 培养基 氯化钠(5 g/L)、 蛋白胨(10 g/L)、 酵母提取物(10 g/L), 液体不加琼脂, 固体培养基加 15 g/L 的琼脂, pH7.0
愈伤诱导培养基 [8] SH+3 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA+0.1 mg/L 2,4-D+30 g/L 蔗糖, 固体培养基加入 6.5 g/L 卡拉胶, pH5.8
预培养基
SH+2 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA+0.1 mg/L 2,4-D+30 g/L 蔗糖+200 μmol/L AS[9], 固体培养基加入 6.5 g/L 卡拉胶,
pH5.8
共培养基
SH+2 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA+0.1 mg/L 2,4-D+30 g/L 蔗糖+200 μmol/L AS+50 mg/L Vc, 固体培养基加入 6.5 g/L 卡
拉胶, pH5.6
筛选培养基
SH+2 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA+0.1 mg/L 2,4-D+30 g/L蔗糖+200 mg/L timentin[9], 固体培养基加入 6.5 g/L 卡拉胶,
pH5.8。 PPT 的浓度视情况不等: 0.5、 1.5、 2.5 mg/L[9]
生根培养基 [8] SH+ 0.1 g/L IAA+200 mg/L timentin, 固体培养基加入 6.5 g/L 卡拉胶, pH5.8
表 1 农杆菌介导剑麻转化所使用的培养基
Table 1 The medium of Agrobacterium-mediated transformation of sisal
试验组 农杆菌菌液浓度(OD值) 侵染时间/min 抗坏血酸/(mg/L)
1 0.4 15 0
2 0.4 25 25
3 0.4 35 50
4 0.5 15 25
5 0.5 25 50
6 0.5 35 0
7 0.6 15 50
8 0.6 25 0
9 0.6 35 25
表 2 农杆菌菌液浓度、 侵染时间和抗坏血酸 3 因子 3 因素的正交表
Table 2 The orthogonal table of Agrobacterium bacterial concentration, infection time and ascorbic acid
共培养基中, 在超净工作台中处理 30、 60 min 后,
再放入共培养基中培养; ⑦滤纸的使用: 在共培养
基上加滤纸和不加滤纸 2种处理。 其它所有剑麻组
培过程均在 28 ℃, 光照强度 3, 光照时间 16 h/d
条件下进行。
(3)剑麻的遗传转化。 转化菌液的制备: 将含
有 APX 基因的农杆菌从-70 ℃中取出, 涂布于含
有抗生素(50 mg/L 卡那霉素、 50 mg/L 利福平和
50 mg/L 链霉素)YEP 平板进行活化, 2 d 后挑取单
菌落接种于含有抗生素(50 mg/L 卡那霉素、 50 mg/L
利福平和 50 mg/L 链霉素)YEP 液体培养基中, 经
28 ℃、 200 r/min 振荡培养至 OD600 为 0.5 时备用。
再按 1.2.2 (2)优化的剑麻遗传转化体系, 用含有
APX 基因的农杆菌侵染剑麻愈伤组织 100 个, 得
到分化的小苗。
(4) 抗性植株的 PCR: 提取再生植株叶的总
DNA并以其作为模板, 利用引物1(5′-ATCCCCGGG
CATGGAGTCAAAGATTCAAATAGAG-3′)和引物 2
(5′-CCCAAGCTTCCCGATCTAGTAACATAGATGAC
AC-3′)进行 PCR 扩增 , PCR 程序为 : 2xPCRmix
12.5μL, 引物1(10μm)和引物2(10μm)各位 1.0 μL,
Template 1.0 μL, ddH2O 9.5 μL, 总体积 25.0 μL。
最后扩增得到的片段大小为 1 102 bp。
2 结果与分析
2.1 重组 Pcambia3300-35S-APX-nos 载体的酶
切验证
剑麻叶片顶端带刺, 田间除草不便; 将 APX
基因插入 PCAMBIA3300 表达载体(含Bar基因)中
(图 1), 从而得到既抗病又抗除草剂的剑麻植株。
由图 2可知, 重组 pbi121-APX 载体经 PCR扩
增和双酶切验证, 结果显示, APX 基因已插入到
pbi121 载体中。 由图 3 可知, 重组 Pcambia3300-
35S-APX-nos 载体经 PCR 扩增和双酶切验证, 结
果显示, 35S-APX-nos 片段已插入到 Pcambia3300
质粒中。
2.2 表达载体转入农杆菌的双酶切验证
提取转化农杆菌的质粒进行双酶切验证, 结果
见图 4, 说明该重组表达载体已成功转入到农杆菌
EHA105 中。
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第 6 期 覃海燕等: APX基因植物表达双元载体的构建及转化剑麻
图 1 PCAMBIA3300 载体构建图
Fig. 1 PCAMBIA3300 vector map
2 000
1 000
750
500
250
100
bp
M 1 2 3 4
2 000
1 000
750
500
250
100
bp
M 1 2 3
A B
A: M. DL 2 000 Marker; 2~4. 重组质粒。 B: M. DL 2 000 Marker; 2~3. 重组质粒, 分别用 HindⅢ、 SmaⅠ和 XbaⅠ、 SacⅠ双酶切。
A: M. DL 2 000 Marker; 2-4. Recombinant plasmid. B: M. DL 2 000 Marker; 2-3. Recombinant plasmid, double enzyme cut with HindⅢ, SmaⅠ
and XbaⅠ, SacⅠ, respectively.
图 3 35S-APX-nos 片段 PCR 扩增(A)和Pcambia3300-35S-APX-nos 载体双酶切验证(B)
Fig. 3 PCR amplification of 35S-APX-nos segments(A)and double enzyme validatio Pcambia3300-35S-APX-nos carrier(B)
2.3 转化影响因素
2.3.1 预培养时间对转化的影响 由图 5 可知,
预培养 2 d时, 得到的抗性愈伤率最高。
2.3.2 农杆菌菌液浓度、 侵染时间和抗坏血酸对转
化的影响 由图 6可知, 在农杆菌菌液浓度 OD值
0.5、 侵染时间 25 min 和抗坏血酸 50 mg/L 时, 得
到的抗性愈伤率最高。
2.3.3 表面活性剂对转化的影响 由图 7 可知,
当在感染液中加入 0.10%的 Tween20 时, 得到的
抗性愈伤率最高。
2.3.4 共培养温度对转化的影响 由图 8 可知,
当共培养温度为 22℃时, 抗性愈伤率最高。
2.3.5 共培养时间对转化的影响 由图 9 可知,
当共培养时间为 4 d 时, 得到的抗性愈伤率最高。
2.3.6 干燥处理对转化的影响 由图 10可知, 当
M 1 2 3 4 5 M 1 2 3
2 000
1 500
1 000
700
400
200
bp
2 000
1 000
750
500
250
100
bp
A: M. LG 2 000 Marker; 2~5. 重组质粒。 B: M. DL 2 000 Marker; 2~3. 重组质粒。
A: M. LG 2 000 Marker; 2-5. Recombinant plasmid. B: M. DL2 000 Marker; 2-3. Recombinant plasmid.
图 2 APX 基因的PCR扩增(A)和pbi121-APX双酶切验证(B)
Fig. 2 PCR amplification of APX gene(A)and double enzyme validation of pbi121 -APX(B)
A B
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20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
2 3 4 5
共培养时间/d
抗
性
愈
伤
率
/%
图 9 共培养时间对转化的影响
Fig. 9 The influence of co-culture time on conversion
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0 30 60
干燥处理时间/min
抗
性
愈
伤
率
/%
图 10 干燥处理对转化的影响
Fig. 10 The influence of dry processing on conversion
2 000
1 000
750
500
250
100
bp
1 M 2 3 4 5
M.DL2000Marker; 3~5. 重组质粒。
M. DL2000 Marker; 3-5. Recombinant plasmid.
图 4 Pcambia3300-35S-APX-nos 重组质粒
转入农杆菌的双酶切验证
Fig. 4 Double enzyme validation of Pcambia3300-35S -
APX-nos recombinant plasmid into Agrobacterium
1 2 3 4
预培养时间/d
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
抗
性
愈
伤
率
/%
图 5 预培养时间对转化的影响
Fig. 5 The influence of pre-incubation time on conversion
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
抗
性
愈
伤
率
/%
0 0.01 0.10 1.0
Tween20 的浓度/%
图 7 表面活性剂对转化的影响
Fig. 7 The influence of surfactants on conversion
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
19 22 25 28
共培养温度/℃
图 8 共培养温度对转化的影响
Fig. 8 The influence of co-culture temperature on conversion
抗
性
愈
伤
率
/%
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9
图 6 农杆菌菌液浓度、 侵染时间和抗坏血酸对转化的影响
Fig. 6 The influence of Agrobacterium bacterial concentration,
infection time and ascorbic acid on conversion
实验组
抗
性
愈
伤
率
/%
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第 6 期 覃海燕等: APX基因植物表达双元载体的构建及转化剑麻
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
抗
性
愈
伤
率
/%
无 有
图 11 滤纸的使用对转化的影响
Fig. 11 The influence of filter paper on conversion
滤纸的使用
A: 剑麻愈伤; B: 愈伤分化; C: PPT 筛选; D: 抗 PPT 的剑麻小苗。
A: Sisal callus; B: Sisal callus differentiation; C: PPT screening; D: The sisal seedlings with anti PPT.
图 12 剑麻的遗传转化
Fig. 12 Transformation of Sisal
M CK- CK+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
2 000
1 000
750
500
250
100
M: DL 2 000 Marker; CK-: 非转基因植株; CK+: 重组阳性质粒; 1~21: 转基因植株的 PCR 结果。
M: DL 2 000 Marker; CK-: Non- transgenic plant; CK+ : Recombinant plasmid; 1-21: Transgenic plants of PCR results.
图 13 转基因植株的 PCR 验证
Fig. 13 PCR verification of transgenic plants
干燥处理为 30 min 时, 得到的抗性愈伤率最高。
2.3.7 滤纸的使用对转化的影响 由图 11 可知,
共培养时, 在培养基上加上滤纸可得到较高的抗性
愈伤率。
2.4 剑麻的遗传转化 用农杆菌侵染剑麻愈伤 100
个, 结果得到 38 个抗性愈伤, 其转化率为 38%;
得到抗 PPT 的小苗 51 株, 经 PCR 扩增验证, 含
APX 基因的阳性植株有19 株, 说明 APX 基因的阳
性转化率为 37.25%(图12)。
2.5 转基因植株的 PCR验证
部分转基因剑麻的 PCR 验证见图 13, 结果显
示 APX基因已转入剑麻中。
3 讨论与结论
已有研究结果表明, 外植体进行适当时间的预
培养有利于提高外源基因的转化效率 [10-12]。 共培养
是植物转化最关键的时期, T-DNA 的转移和整合
均在该时期完成[13]。 如果共培养时间短, 外源基因
不能有效的整合到植物中; 如果过长, 则会因农杆
菌的过度生长而导致外植体死亡或后期不能很好的
去除农杆菌。 农杆菌在侵染外植体时会造成外植体
的过敏反应, 从而褐化, 甚至死亡, 在侵染液和共
培养基中加入适当浓度的 Vc 能够有效的降低农杆
菌对外植体造成的伤害 [14]。 在共培养时, 在共培养
基上加上滤纸能够有效的抑制农杆菌的生长, 且有
利于后期农杆菌的去除 [15-16]。 已有研究结果表明,
对于剑麻愈伤的遗传转化 , 外植体预培养 3 d、
bp
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OD600 为 0.6、 侵染 10 min 时 , 获得的转化率为
23%[9]。 本实验在前人的研究基础上, 系统的优化
了农杆菌介导剑麻遗传转化的条件, 从而得到了更
高的转化率[9]。
参考文献
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责任编辑: 黄东杰
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