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Variation of Non-target Wood Properties of Multi-gene Transgenic Populus × euramericana ‘Guariento’

转多基因库安托杨非靶目标材性性状分析



全 文 :林业科学研究 2015,28(4):593 596
ForestResearch
  文章编号:10011498(2015)04059304
转多基因库安托杨非靶目标材性性状分析
朱文旭1,黄秦军1,褚延广1,丁昌俊1,姜岳忠2,
董玉峰2,苏晓华1
(1.林木遗传育种国家重点实验室,中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091;
2.山东省林业科学研究院,山东省林木遗传改良重点实验室,济南 山东 250014)
收稿日期:20140801
项目基金:“863”国家高技术研究发展计划项目(2011AA100201)
作者简介:朱文旭(1986—),男,辽宁省辽阳人,在读博士,研究方向:林木遗传育种.Email:zhuwenxu.315@163.com
 通讯作者:研究员,首席专家.研究方向:林木遗传育种.Email:suxh@caf.ac.cn
关键词:杨树;转基因;木材材性;非预期效应
中图分类号:S792.11 文献标识码:A
VariationofNontargetWoodPropertiesofMultigeneTransgenic
Populus×euramericana‘Guariento’
ZHUWenxu1,HUANGQinjun1,CHUYanguang1,DINGChangjun1
JIANGYuezhong2,DONGYufeng2,SUXiaohua1
(1.StateKeyLaboratoryofTreeGeneticsandBreedingResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China;
2.ForestryScienceAcademyofShandong,ShandongProvincialKeyLab.ofForestTreeGeneticImprovement,Ji’nan 250014,Shandong,China)
Abstract:Inthisstudy,thetransgenicpoplar(Populus×euramericana‘Guariento’)harboringfiveexogenous
genes(SacB,Vgb,BtCry3A,OCIandJERF36#)andthecontrolplantswereselected,comparingthewoodproperty
variationof5yearoldtrees,andtryingtounderstandwhetherthetransgenicofexogenousgenesproduceunintended
efects.Theresultsshowedthatthetransgenicofexogenousgenescausedawiderangeofvariationinnontargetwood
properties,thevariationswerefoundnotonlybetweentransgenicandwildtypelines,butalsoamongtransgeniclines.
Comparedwiththecontrol,thetransgeniclines,thecontentsofholoceluloseandceluloseincreased,thetotallignin
andacidsolublelignindecreased,thefiberlength,thefiberwidth,themicrofibrilangleandtheacidinsolublelignin
varieduncertainly.Itisconcludedthattheintroducedexogenousgenecouldgenerateunintendedefectsoncore
spondingnontargettargettraits.
Keywords:Poplar;transgenic;woodproperties;unintendedefect
随着基因工程技术的发展,转基因技术在林木品
种改良上得到了广泛的应用和迅速发展,已经开展了
30多个树种的转基因研究,改良性状主要集中在抗除
草剂、抗虫、降低木质素合成、增加纤维素合成、重金
属积累以及加速生物量积累等方面[1]。近年来研究
发现将外源基因转入植物后,常引起非靶目标变异,
表现出与外源基因表达似乎无关的表型和农艺性状
的变异,同时还伴随遗传基础的改变。农作物方面关
于转抗性基因和品质基因对非靶目标农艺性状方面
的影响做了很多研究。叶红霞等[2]发现转 PeaFer
(豌豆铁蛋白)基因的水稻(QryzasativaLinn)在株
高、主穗长、主穗总粒数、结实率、千粒质量和单株产
量等7个性状均与CK存在显著差异;赵凌等[3]对花
粉管介导获得的4个转bar(抗除草剂)基因水稻植株
稳定后代研究发现,多数转基因系的株高、穗长、粒
长、千粒质量等性状有增加的趋势。Lynch等[4]报道
林 业 科 学 研 究 第28卷
转nptI(抗卡那霉素)基因水稻的植株变小。Goto
等[5]将SoybeanFer(大豆铁蛋白)基因通过农杆菌介
导法转入莴苣(LactucasativaLinn.)后,其转基因植
株的生长速度比野生型的加快。关于转抗性基因对
品质性状影响的研究也很多。刘冬梅等[6]发现导入
的外源Bt+CpTI(双价抗虫)基因和SCK(抗虫)基因
棉花(GosypiumhirsutumLinn.)后代T5的纤维强度
增大、纤维长度也显著增加。但是,在林木方面,针对
植物非目标性状的研究工作还比较少。
本研究首次以成龄转多基因杨树为研究材料,
通过对纤维长、纤维宽、微纤丝角、纤维素含量、综纤
维素含量、酸溶木素含量、酸不溶木素含量和总木素
含量等材性性状的变异进行评价,以期为转基因杨
树育种理论和有效方法的建立以及转基因种质材料
的利用提供科学依据。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
本研究的试验材料为转化了5个外源基因的库
安托杨(P.xeuramericana‘Guariento’)。所转化的
外源基因分别为:(1)编码分泌型蔗糖果聚糖酶的果
聚糖蔗糖转移酶基因(SacB),果聚糖主要在植物液泡
中积累,这种积累能降低细胞液泡水势,有助于提高
植物抵御干旱、低温;(2)编码透明颤菌血红蛋白
(VHb)的透明颤菌血红蛋白基因(Vgb),透明颤菌血
红蛋白是一种氧调节、氧结合的蛋白,与提高植物适
应贫氧环境的能力有关;(3)编码AP2/EREBP类植
物转录因子的JERF36基因,与植物抗逆性有关;(4)
编码水稻半胱氨酸蛋白酶抑制剂的OCⅠ基因,大部分
的鞘翅目昆虫是利用半胱氨酸蛋白酶,所以该基因对
鞘翅目昆虫有较强的抗性;(5)编码 Bt杀虫晶体蛋
白的BtCry3A基因,对杨树天牛所隶属的鞘翅目具有
高度专一的抗性。目的基因中 BtCry3A和 OCⅠ位于
同一载体上形成双价基因。经PCR、Southern杂交和
BtCryAELISA等分子检测编号为D59、D519、D520、
D521和D524的5个无性系均含有上述5个外源基
因[7],以未转化库安托杨为对照,编号为D50。研究
组前期对转多基因库安托杨在遗传稳定性、抗虫、抗
水淹、耐盐性等方面进行过研究,都得到较好的效
果[8-9]。试验材料取自山东省林科院寿光试验林,该
试验林建于2006年,造林密度为3m×3m,2 3株
小区,6次重复,南北向单行排列,四边设有保护行,在
整个试验阶段人为管理均一致,林地不做任何肥水及
喷施农药管理。
1.2 测试方法
2010年10月对各无性系进行树高、胸径、单株
材积(按V=0.254547545D2H+0.784642807D2
公式估算)等生长量调查,每个无性系15次重复。
同时锯取胸高处圆盘用于木材物理、化学性状测定。
木材物理性状测定:纤维形态的检测采用 L&W
纤维分析仪测定;微纤丝角的测定采用 X射线衍射
法(XRD);木材基本密度的测定方法参照国家标准
GB1933—2009;木材化学成分测定包括:以去皮木
材为原料分别测定各品系的木素含量和综纤维素含
量,木素含量的测定参照国家标准GB/T2677.8—
1994;综纤维素含量的测定参照国家标准 GB/T
2677.10—1995;纤维素含量的测定为硝酸—乙醇
纤维素法,每个无性系3次重复。材性测定工作由
东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实
验室完成。
1.3 数据处理和统计方法
运用Excel和SPSS软件对试验数据进行统计分
析,图中数据为平均值 ±标准差(SE),并采用单因
素方差分析(OnewayANOVA)和最小显著差异法
(LSD)比较不同数据组间的差异。
采用隶属函数法对转多基因杨树无性系进行综
合评定[10],隶属函数值 X(ij)采用模糊数学隶属函
数值的方法计算,X(ij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-
Xjmin),当某一参数与植物材性成负相关时,采用反
隶属函数值计算公式X(ij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax
-Xjmin),Xij表示i种类j指标的测定值;Xjmax、Xjmin分
别为指标的最大值和最小值,然后求其各隶属函数
的总和,把每一无性系各指标的隶属值进行累加,并
求其平均数。
2 结果与分析
2.1 转多基因杨树无性系生长和基本密度的差异
5个转基因无性系株高上的变异趋势相同,均
高于对照 D50,其中 D59增长最多为4.57%。胸
径变异产生差异 D519和 D524变小,而 D59、D5
20和D521则变大。计算材积发现D520无性系的
材积增长量最大,增长5.85%(表1)。
2.2 转多基因杨树无性系物理性质和化学性质比
较分析
  从表2可见:转基因无性系的密度与对照相比基
本未变。国际木材解剖学规定:中级长度纤维(910
495
第4期 朱文旭等:转多基因库安托杨非靶目标材性性状分析
1600μm),长宽比高于40[11]。据测定:纤维长度虽
然大多低于对照,但都符合中级长度纤维标准,纤维
长宽比也都高于40。微纤丝角是木材机械性能的主
要决定因子之一。D519、D521、D59、D520的微纤
丝角比对照 D50高18.51%、13.88%、993%和0.
96%,D524比对照低3.47%(表2)。
表1 转基因杨树无性系的生长量
系号 树高/m 树高增长/% 胸径/cm 胸径增长/% 材积/10-2m3 材积增长/%
D50 12.88±0.99aA — 13.81±0.64aA — 8.03±1.11aA —
D59 13.47±0.45aA 4.57 14.13±0.14aA 2.33 8.42±0.30aA 4.86
D519 13.13±0.57aA 1.92 13.61±0.57aA -1.43 7.80±0.78aA -2.86
D520 13.12±0.50aA 1.88 14.20±0.21aA 2.82 8.41±0.50aA 5.85
D521 13.34±0.46aA 3.56 14.23±0.47aA 3.02 8.50±0.67aA 4.73
D524 13.46±0.62aA 4.49 13.34±0.61aA -3.38 7.69±0.92aA -4.23
  注:大、小写字母分别表示1%和5%差异显著水平。下同。
表2 转基因杨树无性系物理性质多重比较
系号 密度/(g·cm-3) 纤维长/μm 纤维宽/μm 纤维长宽比 微纤丝角/°
D50 0.35±0.02aA 1236.58±69.28aA 25.16±1.38abA 49.39±5.66aA 10.37±0.37bcBC
D59 0.36±0.01aA 1131.58±74.84cB 26.09±1.28abA 43.48±3.86bB 11.40±1.53abABC
D519 0.36±0.031aA 1195.52±67.86abcAB 26.19±1.48abA 45.81±3.86abAB 12.29±1.23aA
D520 0.35±0.02aA 1151.57±39.62bcAB 25.46±0.66abA 45.23±0.53bAB 10.47±0.65bcBC
D521 0.36±0.01aA 1205.09±43.94abAB 26.24±1.26aA 45.97±1.78abAB 11.81±0.43aAB
D524 0.35±0.01aA 1238.365±23.914aA 24.83±0.79bA 49.74±1.60aA 10.01±0.64cC
除D521系号,其他4个无性系纤维素含量均
显著高于对照 D50,综纤维素含量也都高于对照。
各转多基因杨树无性系木素含量存在较大差异,其
中D59的酸溶木素、酸不溶木素和总木素含量均处
于低水平,分别比对照 D50低32%、14%和17%。
对照D50的酸溶木素和总木素均为最高(表3)。
表3 转基因杨树无性系化学性质多重比较
系号 纤维素/% 综纤维素/% 酸溶木素/% 酸不溶木素/% 总木素/%
D50 48.92±0.13eE 78.433±0.055eE 4.353±0.065aA 21.733±0.105bB 26.087±0.040aA
D59 51.37±0.02aA 83.303±0.095aA 2.950±0.021eE 18.690±0.240dD 21.640±0.240eC
D519 49.69±0.07dD 81.850±0.050cC 3.593±0.105dD 21.740±0.080bB 25.333±0.185cB
D520 50.93±0.01bB 82.553±0.055bB 4.113±0.025bB 21.093±0.195cC 25.207±0.170cdB
D521 48.85±0.09eE 78.670±0.190dD 2.903±0.045eE 22.870±0.120aA 25.773±0.165bA
D524 50.42±0.14cC 81.990±0.104cC 3.830±0.040cC 21.140±0.130cC 24.970±0.090dB
2.3 各选择指标的隶属度及综合评价
利用模糊数学隶属函数法对6个无性系进行综
合评定,其中木素在造纸的制浆过程要除去,微纤丝
角越小则细胞的抗张强度越大,所以微纤丝角和木素
含量均判定为负相关并进行转换。由表4看出:5个
转多基因杨树无性系在生产力、物理性质和化学性质
指标隶属值上差异明显。综合指标评价选出的优良
无性系依次为:D520>D59>D524>D521>D519。
表4 隶属函数值及综合评价结果
系 号 材积 微纤丝角/° 纤维素/% 纤维长宽比 总木素/% 平均 排序
D50 0.4198 0.3897 0.0290 0.9447 0.0000 0.3566 5
D59 0.9012 0.0000 1.0000 0.0000 1.0000 0.5802 2
D519 0.1358 0.2104 0.3342 0.3717 0.1694 0.2443 6
D520 0.8889 0.7991 0.8256 0.2791 0.1979 0.5981 1
D521 1.0000 1.0000 0.0000 0.3974 0.0705 0.4936 4
D524 0.0000 0.8433 0.6235 1.0000 0.2511 0.5436 3
3 讨论
转基因是将有利于植物自身或满足人类需求的
外源基因整合进入受体植物基因组中,并使这些外
源基因在受体植物中稳定表达,发挥其功能,从而使
受体植物获得目的基因表现出来的性状,这些性状
就是转基因植物的目的性状,也称为预期效应[12]。
长期以来对转基因植物非预期效应的检测和评价都
是通过比较转基因植物和其对应的非转基因植物在
环境适应性[13]、农艺性状[14]、营养及物质组成变
595
林 业 科 学 研 究 第28卷
化[15]等的差异,来判断是否存在非预期效应。近几
年发展起来的转录组学[16]、代谢组学[17]、蛋白组
学[18]等,被认为是更具发展潜力的转基因植物非预
期效应的检测和评价技术。
木材基本密度是判断木材物理力学性质及确定
木材用途的重要指标,木材纤维长度是造纸用材的
重要指标之一,也是纤维形态中最重要的因子,其变
异不仅关系到纸张强度,也是木材质量、基本密度和
强度性质的物质基础[19]。本试验结果中可以看出,
多个性状变异具有一定的偏向性,株高和综纤维素
含量均增加,酸溶木素和总木素均下降,而胸径、纤
维长、纤维宽、纤丝角、纤维素含量和酸不溶木素的
变异方向不定有增有减。产生这些变异可能是由于
外源基因整合到植物基因组的同时打乱了植物基因
组的正常组合,从而影响受体植物的代谢过程;并且
外源基因导入并表达后,其表达产物并不是受体生
长、发育和繁殖所需的,而表达过程必然消耗机体内
一定的能量,从而打破原有的能量供给和消耗平衡,
造成一些性状表达所需能量的相对不足,影响正常
生理代谢,并促成受体表型的变化[20]。不同转基因
无性系之间的差异是外源基因插入位置、拷贝数等
差异导致植株的生理生化及代谢特性发生变化,而
非基因表达产物本身的影响。
非预期效应的发生并非是重组 DNA技术所特
有的,所有的作物育种方法,无论是常规育种中的杂
交育种、突变育种(辐射育种或化学诱变),还是现
代生物技术(原生质体融合、重组 DNA),都有产生
非预期效应的可能。对于转基因树木,这类非目标
性状的变异应该给予足够重视。因为从林木育种学
角度来看,林木育种的周期长,不管怎样严格选用转
基因树木受体品种,除了目标性状外,受体品种总还
有缺点,逐一改变性状需要时间很长,而通过导入目
的基因定向改良树木不良性状与诱发非目标性状变
异有机结合起来,将可以大大丰富和拓宽林木育种
选择的内容和范围,并且能够有效的缩短育种周期。
在改良抗病、抗虫等目标性状的同时诱发其他性状,
尤其是诱发高产和优质性状的变异,可以在增强树
木抗病、抗虫、抗逆境能力的同时也使转基因树木的
材积或材性得到提高。
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