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OPTIMIZING TRANSFORMATION SYSTEMS OF SPRING WHEAT MEDIATED via Agrobacterium tumefaciens

农杆菌介导春小麦遗传转化体系的优化研究



全 文 :文章编号 :100028551 (2007) 022124204
农杆菌介导春小麦遗传转化体系的优化研究
张 彬1 ,2  赵 明1  高志强2  丁在松1  石云鹭3  方立锋1
(11 中国农业科学院作物科学研究所 ,北京 100081 ;21 山西农业大学园艺学院 ,山西 太谷 030801 ;
31 中国农业大学农学与生物技术学院 ,北京 100094)
摘 要 :采用携带 GUS 基因双元表达载体 p13012Pubi2Ecppc 的根癌农杆菌菌株 C58c1、LBA4404 和
EHA105 对 4 个春小麦品种的幼胚愈伤组织进行了遗传转化。结果表明 ,3M115 为最佳诱导培养基 ;扬
麦 158 和扬麦 10 是用于小麦遗传转化的良好基因型。对农杆菌转化条件进行进一步优化 ,得出用农杆
菌 C58c1 侵染预培养 15d 的扬麦 158 幼胚愈伤组织 ,当侵染液浓度为 OD600 018、侵染 40min、共培养 3d
时 ,可以提高农杆菌介导小麦遗传转化的筛选频率和 PCR 阳性率。对所得到的具有 hyg 抗性的愈伤和
抗性植株进行 GUS 基因化学组织检测和 PCR 分子鉴定 ,初步证明 Ecppc 基因已整合到小麦再生植株基
因组中。本研究初步建立了农杆菌介导小麦的遗传转化体系。
关键词 :小麦 ;愈伤组织 ;农杆菌 ;遗传转化
OPTIMIZING TRANSFORMATION SYSTEMS OF SPRING WHEAT
MEDIATED via Agrobacterium tumefaciens
ZHANG Bin1 ,2  ZHAO Ming1  GAO Zhi2qiang2  DING Zai2song1  SHI Yun2lu3  FANGLi2feng1
(11 Institue of Crop Science , Chines Agricultural Academic of Sciences , Beijing  100081 ;21 College of Horticulture , Shanxi Agricultural University ,
Taigu , Shanxi  030801 ;31 College of Agronomy and Biotechnology , Chinese Agricultural University , Beijing  100094)
Abstract :Calli were induced from immature embryos of 4 spring wheat genotypes. The immature embryogenic calli were
infected by A . tumef aciens (C58c1 ,LBA4404 and EHA105) harboring binary plasmid vector p13012Pubi2Ecppc. The results
showed that 3M115 was the best medium , and Yangmai 158 and Yangmai 10 were better genotypes for wheat genetic
transformation ;and studies were conducted on the response of various genotypes and mediums to separate culture and factors
that influence Agrobacterium2mediated transformation of wheat . After optimizing these factors ,we found that it can improve the
Agrobacterium2mediated transformation selective frequency of wheat and PCR positive frequency to make use of strains of
Agrobacterium tumef aciens C58c1 , pre2culture 15d wheat immature embryos2derived calli from Yangmai 158 , concentration of
bacterium suspension OD600 018 , time of infection 40min , co2culture 3 days. Some hyg2resistant calli and hyg2resistant plants
were obtained. By means of PCR amplification and GUS histochemical analysis of regenerated plants indicated that Ecppc has
been inserted into wheat genome , and efficient transformation system of Type Ⅱcalli of wheat mediated via Agrobacterium
tumef aciens has been developed. These proved the established genetic transformation system of the wheat through
Agrobacterium2mediated.
Key words :wheat ; calli ; Agrobacterium tumef aciens ; genetic transformation
收稿日期 :2006204227
基金项目 :国家自然科学基金 (30370853) ;粮食丰产科技工程重大科技专项 (2004BA520A12)
作者简介 :张 彬 (19782) ,女 ,山西太谷人 , 硕士 ,主要从事作物生理方面的研究 ,E2mail : jztgzhangbin @163. com
通讯作者 :赵 明 (19552) ,河北张家口人 ,博士 ,研究员 ,主要从事作物高光效生理研究 ,Tel :010268918752  自 1990 年 Hess 等[1 ] 对小麦进行农杆菌转化实验 首次报道后 ,到 1997 年 Cheng 等[2 ] 才获得可育的转基
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因植株。目前 90 %以上的转基因小麦是用基因枪法
获得的 ,而农杆菌介导小麦转化体系尚不成熟。迄今
为止 ,国内外学者成功转化小麦的基因有 GUS 基因、
不育基因 TA292Barnase、HMW 谷蛋白亚基基因和 Bar
基因、抗白粉病转芪酶基因 ,豇豆胰蛋白酶抑制基因
( CPTI) ,甜菜碱脱氢酶基因 ( BADH) 、磷酸烯醇式丙酮
酸羧化酶 ( PEPCase) 基因等。农杆菌介导法以其能转
移大片段 DNA 且插入拷贝数低 不易导致外源基因失
活等优点而备受青睐[3 ,4 ] 。因此 ,研究小麦组织培养条
件和影响遗传转化的因素成为小麦分子育种的重要课
题。本试验选用 4 种小麦基因型的幼胚为材料 ,对农
杆菌介导小麦遗传转化过程中的几个影响因素进行了
比较和优化 ,以期建立更为成熟的遗传转化体系 ,推动
农杆菌介导小麦基因工程育种的发展。
1  材料与方法
111  材料
11111  质粒与菌株  含有双元表达载体 p13012Pubi2
Ecppc[5 ]的根癌农杆菌菌株 C58c1、LBA4404 和 EHA105 ,
均由本实验室保存 ,载体携带有选择性标记潮霉素磷
酸转移酶基因 ( hpt) 、GUS 报告基因以及外源目的基因
稗草磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因 ( Ecppc) 。
11112  受体材料  小麦品种扬麦 158、扬麦 12、扬麦
10 和中国春 ,开花后 10~12d 剥取幼嫩籽粒 ,用 75 %
的酒精消毒 5min ,011 %氯化汞浸泡 12min ,无菌水洗
35 次后挑取幼胚 ,盾片朝上接种于诱导培养基上 ,诱
导出初始愈伤组织 ;然后将愈伤组织块转入继代培养
基中 ,每两周继代 1 次 ,诱导出淡黄色颗粒状的 Ⅱ型胚
性愈伤组织 ,作为转化的受体材料。
11113  幼胚离体培养基  愈伤组织诱导以 MS 为基本
培养基[6 ] ,依据添加外源激素的种类和浓度的不同 ,设
置以下 3 种培养基 : (1) MSD :MS + 2 ,42D 2 mgΠL ; (2)
MSI :MS + 2 ,42D 2 mgΠL + KT 015 mgΠL[7 ] ; (3) 3M1. 5 :MS
+ 2 ,42D 2 mgΠL + 肌醇 100 mgΠL + MES 400 mgΠL + CH
100 mgΠL [8 ] 。以上培养基均附加 40gΠL 麦芽糖 ,8gΠL 琼
脂 ,pH调至 518。
分化培养基为 MS + ZT 1mgΠL + IAA 1mgΠL + MES
400 mgΠL + CH 100 mgΠL + 麦芽糖 40gΠL + gelrite 216gΠ
L ,pH 调至 518。壮苗生根培养基为 1Π10MS + NAA
015mgΠL + KT 015mgΠL + 蔗糖 30gΠL + gelrite 216gΠL ,pH
调至 518。
112  方法
11211  农杆菌转化小麦愈伤组织  农杆菌介导小麦
胚性愈伤组织的转化按照 Xia 等[9 ]报道的方法进行。
11212  GUS 基因化学组织检测  GUS 染色液及检测
参照王关林等[10 ] 方法 ,将共培养 3d 后的愈伤组织转
移到 GUS 缓冲溶液中 ,37 ℃保温过夜。
11213  PCR 检测  取抗性再生植株和未转化植株叶
片 ,用 CTAB 法[11 ]微量提取植物DNA。上游引物 (由上
海 Sangon 公司合成 ) P1 ( 5′2ATCCGCAGAACCCCGTCC
CACTCCTCAAG23′) ,下游引物 P2 ( 5′2GGCGTTTCTCCG
ACCACTCAGCATA23′) , PCR 扩增外源目的基因 Ecppc
特异带 ,大小约为 800bp。
2  结果与分析
211  小麦转化受体材料基因型的筛选
将预培养 15d 的幼胚愈伤组织接种于 3M115 培养
基上 ,1 周后开始统计 4 个品种的幼胚愈伤组织诱导
率。诱导 20d 左右后 ,将愈伤组织直接分化再生 ,统计
其分化率和植株再生率 ,以确定适宜的小麦转基因受
体材料。结果如图 1。
图 1  小麦基因型对幼胚愈伤组织成愈率 (A) 、分化率 (B)
和再生率 (C)的影响
Fig. 1  Effects of wheat genotypes on frequencies of
callus initiation (A) ,differentiation (B) and
regeneration (C) of immature embryogenic callus
由图 1 看出 ,在相同的培养基上 ,4 种小麦基因型
的所有幼胚在诱导愈伤培养基上几乎都能产生愈伤组
织。除中国春以外 ,成愈率都在 80 %以上 ,其中扬麦
158 的成愈率达到 100 % ,说明所用基因型在愈伤组织
诱导上存在一定差异 ,但影响不大。不同基因型之间
分化再生能力存在一定差别。扬麦 12 幼胚的成愈率
很高 ,但分化再生效果差。中国春虽然在成愈率上不
如其他品种 ,但分化再生率却比较高 ,筛选结果表明 ,
供试品种中扬麦 158 和扬麦 10 在愈伤组织的诱导、分
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化等方面均表现出良好的特性 ,是用于小麦遗传转化
的良好基因型。
212  幼胚愈伤组织诱导培养基的选择
将幼胚盾片朝上接种于诱导愈伤组织培养基上 ,
暗培养 2 周后 ,记录其愈伤组织生长情况 (表 1) 。
MSD、MSI、3M115 愈伤组织诱导培养基的组成见材料
与方法。
表 1  不同培养基对小麦幼胚离体培养的影响
Table 1  Effect of different mediums on embryos in vitro
培养基
medium
品种  
varieties   
接种幼胚数
No. of embryos inoculated
形成愈伤组织数
No. of callus formed
成愈率
frequency of callus initiation ( %)
MSD 扬麦 12 Yangmai12 55 42 76. 4
扬麦 158 Yangmai158 55 45 81. 8
MSI 扬麦 12 Yangmai12 45 32 71. 1
扬麦 158 Yangmai158 40 25 62. 5
3M1. 5 扬麦 12 Yangmai12 45 39 86. 7
扬麦 158 Yangmai158 45 40 88. 8
  由表 1 表明 ,不同培养基对小麦幼胚的成愈率有
影响 ,品种扬麦 12 和扬麦 158 在 3 种培养基上的成愈
率平均分别为 7811 %、5916 %和 8617 %。扬麦 158 的
成愈率未达到图 1 中的 100 % ,可能是由于所剥幼胚过
老 ,在培养基上胚芽鞘生长 ,阻碍了愈伤组织的形成。
结果显示 ,接种在 3M115 培养基上的两种春小麦的幼
胚成愈率均比在 MSD 和 MSI培养基上的成愈率高 ,平
均高出 816 %和 2711 % ,表明 3M115 为最佳诱导培养
基。
213  菌株对转化的影响
用 3 个农杆菌菌株 (含有载体 p13012Pubi2Ecppc)
分别侵染扬麦 158 的 7、15 和 25d 龄的幼胚愈伤组织 ,
进行独立的转化试验 ,结果见表 2。
表 2  农杆菌菌株对扬麦 158 幼胚愈伤组织的转化和分化
Table 2  Transformation and differentiation of Yangmai 158
mediated by Agrobacterium tumef aciens
外植体
explant
菌株
bactelial
strain
外植体数
No. of
explant
潮霉素抗性愈
伤组织频率
rate of Hyg
resistant callus ( %)
分化率
rate of
differentiation
( %)
LBA4404 200 7 28. 6
7day calli EHA105 192 0 0
C58c1 203 12. 8 34. 6
LBA4404 207 14 41. 4
15day calli EHA105 210 2. 4 0
C58c1 200 36 48. 6
LBA4404 190 18. 4 20
25day calli EHA105 197 4. 7 22. 2
C58c1 189 59. 8 24. 1
  由表 2 可见 ,从对潮霉素的抗性愈伤频率看 ,
EHA105 对各阶段愈伤组织的转化效率均最低 ,在 0~
417 %之间 ,不同阶段愈伤组织之间没有明显差异 ;
LBA4404 的转化效率居中 ,在 7 %~1814 %之间 ,不同
愈伤组织转化效率没有显著区别 ; C58c1 转化效率最
高 ,在 1218 %~5918 %之间 ,预培养 7d 的愈伤组织的
转化率远低于 15d 和 25d 的。从分化率看 ,和抗性愈
伤转化率呈现相同的趋势。因此 ,本试验得出的结论
是 C58c1 菌株侵染 15d 小麦幼胚愈伤组织有利于抗性
愈伤组织的转化频率和分化率。
214  农杆菌侵染的浓度与时间对小麦转化率的影响
以 OD600为 014、018 和 112 三种浓度的农杆菌菌株
C58c1 (含载体 p13012Pubi2Ecppc) 侵染扬麦 158 预培养
15d 的幼胚愈伤组织 ,在 24 ℃共培养 1~6d 后 ,在筛选
培养基上筛选 ,统计小麦愈伤组织的转化率 (图 2) 。
图 2  农杆菌浓度和共培养时间对转化效率的影响
Fig. 2  Effects of Agrobacterium concentration and
duration of co2cuituring on transformation efficiency
  图 2 所示 ,农杆菌浓度在 OD600 018 共培养 3d 时转
化效率达到最大 ,当农杆菌浓度大于 018 ,共培养时间
大于 4d 以上时 ,转化率反而下降。由此 ,本试验得到
的最佳组合为农杆菌菌株 C58c1 浓度为 OD600 018 侵染
扬麦 158 预培养 15d 的幼胚愈伤组织 ,侵染 40min ,共
培养 3d 后 ,转入筛选培养基。
215  转化小麦 Ⅱ型胚性愈伤组织
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应用该转化体系对扬麦 158 Ⅱ型胚性愈伤组织进
行了遗传转化试验 ,转化的愈伤组织在含 100mgΠL 潮
霉素 (Hyg)继代培养基上筛选两次后 ,将抗性愈伤组织
转到不含 Hyg 的分化培养基上分化出苗 ,再转入含
150mgΠL Hyg 的生根培养基上 ,获得了 19 株抗性再生 植株 ,PCR 阳性频率为 3 % ,转化结果见表 3。转化材料 GUS 基因的瞬时表达 (图 3) 呈现蓝色 ,PCR 检测结果显示对照株没有扩增出目标条带 ,而转基因植株扩增出 800bp 的目标条带 (图 4) ,可以初步证明外源目的基因已整合到小麦的基因组中。
表 3  农杆菌介导小麦幼胚愈伤组织转化结果
Table 3  The results of transformation of wheat immature embryos calli mediated by A . tumef aciens .
品种
variety
共培养愈伤组织块
co2culture calli 抗性愈伤组织块resistant calli 抗性愈伤转化率rate of resistant transformation( %) 抗性再生苗数regenerated shoots PCR 阳性植株数positive plants PCR 阳性频率positive frequency( %)
扬麦 158 297 85 2816 19 10 3
图 3  GUS 基因在扬麦 158 幼胚愈伤组织中
表达的组织化学染色
Fig. 3  Histochemical analysis of GUS gene expression
in Yangmai 158 immature embryogenic calli
图 4  T0 代转基因扬麦 158 的 Ecppc 基因的 PCR 检测
Fig. 4  PCR detection of Ecppc gene in transgenic wheat
(T0 generation)
M:maker ,为 DNA 标准分子量 ;WT为阴性对照 ;1~6 ,8~11 :
扬麦 158 的转化植株。7 ,12 :扬麦 158 的未转化植株。
M:DNA maker ;WT: Negative control ; Lanes1~6 ,8~11 :Transgenic
plants of yangmai158 ;7 ,12 : No2transgenic plants of yangmai158
3  结论与讨论
小麦幼胚的离体培养是小麦转化效率的重要因
素[12 ] 。基因型的局限会给小麦植株再生系统的建立
带来障碍。本试验对转化受体材料的基因型和培养基
进行了筛选 ,发现 4 个品种虽然在相同的培养条件下
离体培养特性不同 ,但小麦基因型对不同培养基的反
应却表现出较为一致的相似性 ,如扬麦 158 在某一培
养基上的培养效果若好 ,其他品种在这一培养基上也
表现较好。这说明 ,不同品种之间的离体培养差异虽
然取决于基因型 ,但培养条件的完善将会降低或克服
这种基因型的限制。因此通过基因型的选择和培养条
件的优化 ,可以建立小麦植株再生系统。
培养基中适宜的外源激素配比对小麦愈伤组织诱
导 ,分化和再生具有至关重要的作用。在诱导胚性愈
伤组织中 2 ,42D 是必不可少的植物激素[13 ] ,一般用量
在 115~2mgΠL。细胞分裂素的使用会对愈伤组织的
形成产生不利的影响 ,本试验也证实了这一点 ,3M115
和 MSD 培养基对小麦幼胚的诱导效果好于 MSI 培养
基。但也有些研究者认为[14 ] ,在小麦愈伤组织的诱导
中 ,生长素与细胞分裂素的使用有利于愈伤组织的诱
导。
本试验分别用 3 种不同的根癌农杆菌菌株 ,在不
同菌液浓度、不同侵染和共培养时间等条件下对受体
材料进行转化 ,发现 : (1) C58c1 具有很强的感染能力 ,
转化小麦的效果比 LBA4404 和 EHA105 明显。(2) 随
着愈伤培养天数的增加 ,幼胚抗性愈伤块数、抗性愈伤
频率增加 ,分化率降低。其原因可能是由于预培养时
间延长 ,幼胚愈伤组织抵抗农杆菌损害的能力增强 ,抗
性愈伤块数增加。但由于在整个过程中培育时间过
长 ,导致愈伤失去分化能力 ,故分化率降低。(3) 在小
麦的菌液侵染浓度、时间和共培养时间的研究方面 ,农
杆菌浓度在 OD600 018、共培养 3d 时转化效率达到最
大 ;当农杆菌浓度大于 OD600 018、共培养时间大于 4d
以上时 ,转化率反而下降。发生这种现象的原因可能
是农杆菌浓度过低 ,共培养时间短时 ,农杆菌不能有效
地吸附在愈伤组织上 ,T2DNA 不能向植物细胞有效地
转移 ;而浓度过高、共培养时间过长 ,又会造成农杆菌
对愈伤组织的伤害 ,这些都会造成转化率下降。
(下转第 131 页)
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注入 ,则对菌丝的生长速度有较好的促进作用 ;反之 ,
脉冲时间不合适 ,则使菌丝的生长速度有大幅度的下
降。并且 ,采用合适的脉冲时间进行注入 ,可以在较大
的剂量范围对猴头菌丝的生长速度有促进作用 ;采用
不合适的脉冲时间进行注入 ,则对猴头菌丝的生长速
度以抑制作用为主。说明脉冲时间对 N + 离子注入猴
头菌丝的效果有影响。
因此 ,我们在分析 N + 离子注入猴头菌丝的效果
时 ,可以将离子注入分为损伤和生物体修复两个过程。
其中 ,注入剂量与细胞的最终损伤程度有关 ,脉冲时间
(即注入的方式) 则与注入离子的修复刺激效应有关。
在确定猴头菌丝生长速度的最佳剂量时 ,需要综合考
虑注入总时间与脉冲时间 ,才能使最终损伤程度和累
积的修复效应达到较好的平衡。
由已有的研究[11~15 ] 可知 ,多种试验材料的存活
率 ,发芽率和酶的含量等生物学性状随低能离子束的
剂量呈“马鞍型”曲线变化。本研究数据表明 ,脉冲时
间由小到大的变化 ,对猴头菌丝生长速度的整体影响
也呈先下降 ,后上升 ,再下降的“马鞍型”曲线变化。因
为脉冲时间由小到大的变化 ,代表注入剂量的相应变
化 ,所以 ,脉冲时间对猴头菌丝生长速度的整体影响呈
“马鞍型”曲线的机理应与已有的研究[11 ,12 ]相同。因此
推断 ,脉冲时间对离子注入其他生物材料可能也有类
似的影响 ,这将是我们下一步研究的内容。
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