全 文 :林业科学研究 2016,29(2):234 237
ForestResearch
文章编号:10011498(2016)02023404
大花蕙兰转齿兰环斑病毒外壳蛋白基因及检测
彭 博1,魏 莉2,杨 凯3,李潞滨1
(1.中国林业科学研究院林业研究所,林木遗传育种国家重点实验室,北京 100091;
2.邯郸市环境监测中心站,河北 邯郸 056002;3.北京农学院农业应用新技术北京市重点实验室,北京 102206)
收稿日期:20150202
基金项目:中国特色花卉种业关键技术研究(2012BAD01B07)
作者简介:彭 博(1988—),女,河北石家庄人,在读硕士研究生.主要研究方向:园林植物与观赏园艺.Email:pengbo0621@163.com
通讯作者:李潞滨,博士生导师,研究员.主要研究方向:园林植物与观赏园艺.Email:lilubin@126.com;杨凯,博士,副教授.主要研
究方向:植物分子生物学.Email:yangkai8978@126.com
摘要:[目的]通过植物转基因技术获得抗病毒大花蕙兰种质资源,优化转化体系和鉴定方法。[方法]本研究克隆
了齿兰环斑病毒外壳蛋白基因,并构建了该基因的pBI121表达载体,用根癌农杆菌介导法转化大花蕙兰,尝试以巢
式PCR方法检测转基因再生植株。[结果]优化了大花蕙兰遗传转化体系,建立了利用巢式 PCR技术检测转基因
大花蕙兰植株的方法,获得了32株转基因株(系)。[结论]优化了以类原球茎为外植体的农杆菌介导转化大花蕙
兰的方法,确定以5% 10%类原球茎存活时的抗生素(卡那霉素)浓度为筛选浓度;获得了转 ORSVCP基因大花
蕙兰植株;对大花蕙兰转基因植株检测时,巢式PCR较普通PCR更灵敏、准确。
关键词:大花蕙兰;齿兰环斑病毒;外壳蛋白基因;转基因;巢式PCR
中图分类号:S432 文献标识码:A
GeneticTransformationandDetectionoftheCymbidiumhybridumModifiedby
CoatProteinGeneofORSV
PENGBo1,WEILi2,YANGKai3,LILubin1
(1.StateKeyLaboratoryofTreeGeneticsandBreeding,ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China;
2.EnvironmentalMonitoringCenterofHandan,Handan 056002,Hebei,China;3.BeijingKeylaboratoryforAgriculturalApplicationand
NewTechnique,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing 102206,China)
Abstract:[Objective]Tooptimizethetransformationsystemandidentificationmethodsforobtainingthegermplasm
resourcesofantivirusCymbidiumhybridumbyplanttransgenictechnology.[Method]Thecoatproteingene(CP)
ofORSVwasclonedfromthecDNAofinfectedC.hybridum.Aftersequencing,thegenewasconstructedinto
pBI121expressionvectorandtransformedtotheprotocormlikebodies(PLBs)ofC.hybridumbyAgrobacteriumtu
mefaciensmediatedmethod.[Result]Thegenetictransformationsystemwasoptimizedandtheidentificationmeth
odofthetransgenicplantswasestablishedbynestpolymerasechainreaction(NestPCR).Therewere32transgen
icplantsofC.hybridumdetectedbyNestPCR.[Conclusion]TheAgrobacteriumtumefaciensmediatedtransforma
tionmethodofC.hybridumwasoptimizedusingPLBsasexplants.Theantibiotics(kanamycin)screeningconcentra
tionwasdeterminedas5% to10% PLBssurvivalrate.UsingtheNestPCRtodetectedthetransgenicplantswas
moresensitiveandaccuratethanconventionalPCR.
Keywords:Cymbidiumhybridum;Odontoglosumringspotvirus;coatproteingene;transgenic;NestPCR
大花蕙兰(Cymbidiumhybridum)是以兰科兰属
植物为亲本,通过杂交育种培育形成的品种群,为五
大盆栽兰花[1]和重要的切花种类之一[2]。世界兰花
花卉的栽培和生产受病毒危害相当严重,其中,齿兰
第2期 彭 博,等:大花蕙兰转齿兰环斑病毒外壳蛋白基因及检测
环斑病毒(Odontoglosumringspotvirus,ORSV)是分
布最广、危害最严重的病毒之一[3-4],可导致植株生
长不良,花期缩短,开花质量和数量下降[5],严重影
响花卉的观赏价值,制约了产业的发展。目前,国内
外尚无抗该病毒的兰花资源和有效防治药剂。生产
上采用的主要手段是茎尖脱毒技术,但存在脱毒率
低、易重新感染等缺点。由于兰花抗病毒种质资源
的匾乏,育种周期漫长,导致兰花抗病毒育种一直处
于停滞状态,基因工程技术的应用为其开辟了一条
新的道路。
近年来,随着植物分子病理学的发展,根据病毒
的交叉保护机制,在烟草(NicotianatabacumLinn.)
等多种植物中将病毒外壳蛋白基因转入植物基因组
并使其成功获得病毒抗性[6-8]。兰科植物的抗病毒
研究也有报道,但大花蕙兰的相关研究则较少。转
基因技术不仅可用于兰花抗病毒种质创新,为杂交
育种提供种质资源;还可用于兰花品种改良,使改良
品种更具有市场竞争力,提高其商业价值,是培育兰
花抗病毒品种的有效方法和技术。本研究在克隆
ORSV病毒外壳蛋白(coatprotein,CP)基因的基础
上,采用农杆菌介导方式转化大花蕙兰,获得大花蕙
兰转ORSV病毒外壳蛋白基因植株,为兰花转基因
抗病育种提供重要的技术参考,并创制了新的兰花
抗病毒种质资源。
1 材料与方法
1.1 材料
大花蕙兰品种(Cymbidiumsp.)类原球茎由中
国林业科学研究院林业所花卉中心提供。
类原球茎增殖和分化采用附加不同浓度植物激
素的MS改良培养基。
于中国林业科学研究院实验温室采集感染齿兰
环斑病毒(ORSV)的大花蕙兰幼叶,于 -80℃保存
备用。
农杆菌菌株LBA4404由本实验室提供。
1.2 方法
1.2.1 ORSV病毒外壳蛋白基因的克隆 采用Tr
izol法提取总RNA[9];按Promega试剂盒说明书合成
cDNA的第一链。根据 GenBank齿兰环斑病毒外壳
蛋白基因序列(DQ915440.1)和 pBI121载体序列
(AF485783.1)设计引物,正、反向引物中分别引入载
体构建酶切位点BamHI和SmaI,引物序列见表1。
以上述合成的 cDNA第一链为模板,PCR扩增
ORSVCP基因,反应体系:模板DNA50ng,10×PCR
Bufer2.5μL,PrimerF(10μmol·L-1)0.5μL,
PrimerR(10μmol·L-1)0.5μL,dNTP(2.5mmol·
L-1)1.5μL,rTaq酶 0.2μL,ddH2O补足至25μL。
扩增程序:94℃预变性5min;94℃30s,(Tm4)℃30
s,72℃ 45s,30个循环;72℃延伸 10min。根据
TakaRa公司pMD18T试剂盒说明克隆PCR产物,挑
取单菌落用分步酶切连接的方法构建pBI121ORSVCP
表达 载 体。经 测 序 检 验 正 确 后,转 化 农 杆
菌LBA4404。
1.2.2 农杆菌介导的大花蕙兰遗传转化
1.2.2.1 选择培养基抗生素筛选浓度的确定 以继
代培养30d的大花蕙兰类原球茎为材料,在超净台
中,按其生长方式用镊子分离,接种于卡那霉素浓度
分别为0.0、12.5、25.0、37.5、50.0mg·L-1的选择培
养基中,每个浓度接种 60个类原球茎。于(25±
1)℃,光强1200 1500lx,光周期14h·d-1条件
下,筛选培养90d,统计类原球茎的存活率,确定卡那
霉素筛选浓度。
1.2.2.2 大花蕙兰的转化 挑取含有植物表达载体
pBI121ORSVCP的农杆菌 LBA4404单菌落,接种于
YEB液体培养基中,28℃220r·min-1振荡培养至对
数期;离心收集菌体,然后用1/2MS液体培养基重悬
菌体,使菌液的OD600=0.15,以备侵染使用。用农杆
菌LBA4404侵染继代培养30d的大花蕙兰类原球
茎。将生长状态良好的类原球茎在农杆菌菌液中浸
泡25min,用无菌滤纸吸干类原球茎上的菌液,转入
共培养培养基,26℃暗培养5d后转接到选择培养基
中培养[9];90d后,将再生的类原球茎单独转接到分
化培养基中培养成株。于温室中开盖炼苗3 5d后
移植,温室中高温为25 28℃,低温为15 18℃。
1.2.3 转基因植株的鉴定
1.2.3.1 普通PCR 正、反向引物分别设计在载体
的CaMV35S启动子和 ORSVCP基因内部,引物序
列见表1。普通 PCR扩增体系、程序如1.2.1,扩增
产物电泳检测并测序。
1.2.3.2 巢式PCR 在CaMV35S启动子和目的基
因区域分别设计一组内、外2条特异性的引物,引物
序列见表1。以外侧引物(35S213F/ORSV332R)进行
第1步巢式PCR扩增,取1μL扩增产物作为模板,
以内侧引物(35S330F/ORSV193R)进行第2步 PCR
扩增,反应体系、程序参照1.2.1所述方法,扩增产
物电泳检测并测序。
532
林 业 科 学 研 究 第29卷
表1 引物序列
PCR方法 引物编号 引物序列 退火温度/℃
CP基因克隆PCR
ORSV1FBamHI 5’CTGGCTCCATGTCTTACACTATTACAGAC3’ 56
ORSV477RSmaI 5’CTCCCGGGTTAGGAAGAGGTCCAAGTAA3’ 56
普通PCR
35S697F 5’AGACGTTCCAACCACGTCTT3’ 60
ORSV457R 5’AGTCCAGACATCGTCTCAAAT3’ 60
35S213F 5’CCAGTATGGACGATTCAAGG3’ 60
巢式PCR
35S330F 5’GACCTAACAGAACTCGCCGT3’ 62
ORSV193R 5’CAGGGAACCTACTGGTCAAAG3’ 64
ORSV332R 5’CATCTAATGTTTCCGTAGTTGT3’ 60
注:表中F表示正向引物,R表示反向引物;脚标数字为引物在基因中的碱基位置;下划线处为酶切位点。
1.2.3.3 2种 PCR方法的灵敏度检测 将初始浓
度为50ng·μL-1的 pBI121ORSVCP质粒依10倍比
稀释,得到1.0×10-1 1.0×10-12共12个稀释梯
度,取1μL各稀释梯度的质粒为模板进行检测,扩
增、检测方法如上述。
1.2.3.4 转基因植株基因组DNA提取 采集温室
栽培3a的转基因大花蕙兰嫩叶,用CTAB法提取基
因组DNA[10],-20℃保存备用。
1.2.3.5 转基因大花蕙兰 PCR产物的测序 以转
基因大花蕙兰基因组 DNA为模板,用普通 PCR和
巢式PCR进行扩增检验,PCR产物经电泳检测后,
由北京宝锐通生物科技公司进行测序分析。
2 结果与分析
2.1 ORSV病毒外壳蛋白基因的克隆及工程菌的
获得
以染毒大花蕙兰叶片反转录cDNA为模版进行
PCR扩增,获得的扩增产物经纯化、克隆后测序。测
序结果表明:片段长 477bp,经 Blast比对分析,与
GenBank中的齿兰环斑病毒外壳蛋白基因序列
(DQ915440.1)的相似性为99%,可确定扩增产物为
目的基因。
目的基因经酶切、连接得到重组植物表达载体
pBI121ORSVCP,经测序验证后,转化农杆菌 LBA4404
获得转基因工程菌。
2.2 农杆菌介导转化大花蕙兰
2.2.1 选择培养基抗生素筛选浓度的确定 经统
计,接种于卡那霉素浓度为0.0、12.5、25.0、37.5、50.0
mg·L-1的类原球茎存活率分别为100.0%、85.3%、
7.6%、0.0%、0.0%。将存活率为5% 10%的卡那
霉素浓度确定为筛选浓度(25.0mg·L-1)。
2.2.2 ORSVCP基因的农杆菌介导转化 用农杆
菌介导法转化大花蕙兰类原球茎,经暗培养后转入含
有25.0mg·L-1卡那霉素和250mg·L-1Cef的选择
培养基。经过90d筛选培养,将每一再生类原球茎单
独转入分化培养基,培养成苗。共转化类原球茎780
个,出苗174株(系),植株转化率为22.3%。
2.3 检验方法灵敏度的检测
将pBI121ORSVCP质粒模板按1.0×10
-1 1.0
×10-12的稀释梯度进行稀释,用普通 PCR和巢式
PCR检验。发现普通PCR最低可检测出1.0×10-5
稀释梯度的质粒模板,扩增产物电泳检测条带亮度
随模板稀释度的降低而降低,质粒模板的普通 PCR
最低检出限为5.0×10-4ng·μL-1。巢式 PCR检
测时,稀释梯度为1.0×10-9的质粒模板未扩增出条
带,巢式 PCR最低检出限为5.0×10-7ng·μL-1,
如图1所示。
A:质粒pBI121ORSVCP的PCR灵敏性检测;B:质粒 pBI121ORSV
CP的巢式PCR灵敏性检测。图 A中 M:100bpLadder;1 6
为质粒pBI121ORSVCP的稀释梯度,依次为1.0×10-1 1.0×
10-6;图B中M:DL2000;1 8为质粒 pBI121ORSVCP的稀释
梯度,依次为1.0×10-2 1.0×10-9
图1 普通PCR与巢式PCR的灵敏性比较
2.4 转基因植株的检测
转基因大花蕙兰植株瓶苗经壮苗后移植至温室,
3a后对存活的154株转基因大花蕙兰株(系)进行检
测,普通PCR的扩增片段经测序检验序列正确,序列
长度为594bp,共检测出阳性的转基因株(系)15株,
阳性检出率为9.74%;NestPCR的扩增片段经测序
检验序列正确,序列长度为698bp,共检测出32株阳
性转基因株(系),其中包括所有普通PCR检测为阳
性的株(系),阳性检出率为20.78%(图2)。
632
第2期 彭 博,等:大花蕙兰转齿兰环斑病毒外壳蛋白基因及检测
A:转ORSVCP基因大花蕙兰植株普通 PCR鉴定;B:转 ORSV
CP基因大花蕙兰植株巢式 PCR鉴定。A、B:1~20为转 ORSV
CP基因大花蕙兰植株样品;M:100bpLadder
图2 转基因大花蕙兰的普通PCR与巢式PCR鉴定
3 讨论
在兰科植物中,利用病毒外壳蛋白基因介导的抗
病毒研究已有报道。2004年,台湾Liao等[11]和Chan
等[12]将CymMVCP基因转入蝴蝶兰中得到抗病性的
蝴蝶兰植株,并初步证明其抗病性是由 siRNA介导
的;而在大花蕙兰中进行的病毒外壳蛋白基因介导的
抗病毒研究少有报道。本研究在克隆ORSVCP基因
的基础上,利用农杆菌介导转化大花蕙兰。据本课题
组相关研究发现,转基因兰花中以类原球茎为外植
体,以半致死量抗生素浓度筛选获得再生植株,由于
类原球茎自身结构和分化特征导致嵌合体过多,阳性
的转基因幼苗(瓶苗)在养育2 3a后再检验时多为
阴性(另文发表),致使转基因兰花工作在养育转基因
幼苗和再检测上投入的精力很大,使转基因兰花种质
创新周期延长、效率降低。为解决这一问题,本课题
组在2010年开始选用全致死量抗生素浓度为选择培
养浓度,虽然一定程度上减少了嵌合体的数量,但得
到的抗性材料较少。经过摸索,目前选用类原球茎存
活率为5% 10%时的抗生素筛选浓度(25.0mg·
L-1),得到了合适的共培养时间与分化培养基;3a后
获得的转基因大花蕙兰植株株(系)中约有20%为阳
性转基因株(系)。
由于转病毒CP基因植株和被该病毒侵染的植
株体内都存在病毒 CP基因,均可用基于 PCR技术
的方法检验病毒外壳蛋白基因,所以检测转基因植
株时必需确定目的基因是人为转入而非病毒侵染所
致。本研究设计检测引物时将 PCR正向引物设计
在载体CaMV35S启动子区域内,并将反向引物设计
在目的基因区域内,排除了病毒侵染致使植物体内
存在病毒CP基因而产生的假阳性,确保了检测得到
的阳性植株为转 CP基因植株。此外,对普通 PCR
和巢式PCR灵敏度进行了比较,巢式PCR灵敏度比
普通PCR高1000倍。巢式 PCR通过2套引物对
有限的DNA模板进行2轮PCR扩增,能够很大程度
地提高对靶DNA的特异性和灵敏度,降低了扩增出
错误片段的比例[13-15],减少假阳性的出现,其灵敏
度和特异性均高于普通PCR。
4 结论
本研究优化了以类原球茎为外植体的农杆菌介
导转化大花蕙兰的方法,确定以5% 10%类原球
茎存活时的抗生素(卡那霉素)浓度为筛选浓度;获
得了转ORSVCP基因大花蕙兰植株;对大花蕙兰转
基因植株检测时,巢式 PCR比普通 PCR更灵敏、准
确。本研究为大花蕙兰转基因的研究提供了必要的
技术准备和尝试,为今后的工作奠定了基础。
参考文献:
[1]卢思聪.中国兰与洋兰[M].北京:金盾出版社,1994:10-16.
[2]吴应祥.中国兰花[M].北京:中国林业出版社,1991:141.
[3]HuJS,FereiraS,WangM,etal.Detectionofcymbidiummosaicvirus,
odontoglosumringspotvirus,tomatospotedwiltvirus,andpotyviruses
infectingorchidsinHawai[J].PlantDisease,1993,77(5):464-468.
[4]ZetlerFW,KoNJ,WislerGC,etal.Virusesoforchidsandtheir
control[J].PlantDisease,1990,74(9):621-626.
[5]肖火根,郑冠标,张曙光,等.广东兰花病毒病的鉴定和检测研究
[J].华南农业大学学报,1996,17(1):21-24.
[6]PowelAP,NelsonRS,DeB,etal.Delayofdiseasedevelopmentin
transgenicplantsthatexpressthetobaccomosaicviruscoatprotein
gene[J].Science,1986,232:738-743.
[7]RubinoL,CapriotiG.ResistancetoCymbidiumringspottombusvirus
infectionintransgenicNicotianabenthamianaplantsexpressingthe
viruscoatproteingene[J].PlantMolecularBiology,1993,21(4):
665-672.
[8]FereiraSA,PitzKY,ManshardtR,etal.Viruscoatproteintrans
genicPapayaprovidespracticalcontrolofPapayaringspotvirusin
Hawai[J].PlantDisease,2002,86(2):101-105.
[9]王 涛.兰花转CiDREB1、PeDREB2、CyMVCP基因研究[D].保
定:河北农业大学,2010.
[10]MurayMG,ThompsonW F.Rapidisolationofhighmolecular
weightplantDNA[J].Nucleicacidsresearch,1980,8(19):
4321-4326.
[11]LiaoLJ,PanICh,ChanYL,etal.TransgenesilencinginPhalae
nopsisexpressingthecoatproteinofCymbidiummosaicvirusisa
manifestationofRNAmediatedresistance[J].MolecularBreed
ing,2004,13(3):229-242.
[12]ChanYL,LinKH,JayAS,etal.GenestackinginPhalaenopsis
orchidenhancesdualtolerancetopathogenatack[J].Transgenic
Research,2005,14:279-288.
[13]程保平,彭埃天,宋晓兵,等.三种PCR方法检测柑橘黄龙病菌
的效果比较[J].植物保护,2014,40(5):106-110.
[14]吴 琼,陈枝楠,范怀忠,等.16SnestedPCR技术检测玉米细菌
性枯萎病菌[J].植物病理学报,2005,35(5):420-427.
[15]沈万宽,杨湛端,刘 睿,等.基于PCR和巢式PCR技术的甘蔗
黑穗病早期检测[J].热带作物学报,2013,34(9):1756-1760.
(责任编辑:詹春梅)
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