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Establishment of High Efficient Regeneration System of Perennial Ryegrass and PEPC Gene Transformation Mediated by Agrobacterium tumefaciens

多年生黑麦草高频再生体系的建立及农杆菌介导PEPC基因的转化



全 文 :第20卷 第4期
Vol.20 No.4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2012年 7月
Jul. 2012
多年生黑麦草高频再生体系的建立
及农杆菌介导PEPC基因的转化
李 蔚,张 娜,李 仁,赵 冰,郭仰东*
(中国农业大学农学与生物技术学院,北京 100193)
摘要:以多年生黑麦草(LoliumperenneL.)成熟种子作为外植体,建立其高频再生体系,通过农杆菌介导法将磷酸
烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因转入,为多年生黑麦草的抗逆转基因工作奠定基础。结果表明:种子充分灭菌后
在附加6.0mg·L-12,4-D的培养基中诱导愈伤组织,诱导率可达61.33%。愈伤组织在2,4-D浓度减半的培养
基上继代培养长势良好,分化培养基为 MS培养基附加1.0mg·L-16-BA,分化率最高达到61.33%,在1/2MS+
0.5mg·L-1NAA培养基中进行生根培养,生根率达100%。以该再生体系为基础,将获得的愈伤组织作为外植
体进行遗传转化,经筛选培养后得到再生植株,通过PCR及实时荧光定量(Real-Time)PCR验证表明PEPC基因
已成功转入,转化率为8.67%。试验结果将为多年生黑麦草抗性品种的研究奠定基础。
关键词:多年生黑麦草;胚性愈伤组织;植株再生;磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因;遗传转化
中图分类号:Q943.2 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2012)04-0747-06
EstablishmentofHighEfficientRegenerationSystemofPerennialRyegrassand
PEPCGeneTransformationMediatedbyAgrobacteriumtumefaciens
LIWei,ZHANGNa,LIRen,ZHAOBing,GUOYang-dong*
(ColegeofAgricultureandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)
Abstract:Inordertoestablishahighlyefficientregenerationandtransformationsystemofperennial
ryegrass(LoliumperenneL.),itsmatureseedswereusedasexplants.Resultshowedthatthebestinduc-
tionratewas61.33%.Calusdifferentiatedafter2~3generation.Theoptimummediumforcalusdiffer-
entiationwasMS+6-BAat1.0mg·L-1with61.33%regenerationrate.Thebestmediumforrooting
was1/2MS+NAAat0.5mg·L-1andtheratioofrootingwas100%.Basedonthisregenerationsys-
tem,theembryoniccaluscelswereusedforAgrobacterium-mediatedtransformation.Transformedtis-
sueswereregeneratedwithmediacontaininghygasaselectivesolvent.PCRandReal-TimePCRanalysis
oftransformantsshowedthatPEPCgenewassuccessfulyintegratedintothegenomeofperennialryegrass
andtransformationratewas8.67%.
Keywords:Perennialryegrass(LoliumperenneL.);Embryogeniccalus;Plantregeneration;PEPC
gene;Transformation
多年生黑麦草(LoliumperenneL.)又名宿根
黑麦草,属禾本科黑麦草属(LoliumL.)。原产于
南欧、北非和亚洲西南部,是欧洲、新西兰、澳大利
亚、北美的优良草种[1]。上世纪50年代作为优质牧
草被引进我国,具有叶片光滑柔软、色泽美丽和绿期
长等优点,是我国长江以北温带地区最重要的草种
之一,因为其建植速度快,分蘖能力强,在城市绿化
和运动场建设中被广泛应用[2]。我国草坪业近年来
发展迅速,但是目前引种仍然是解决我国草坪业对
新品种需求问题的主要途径,选育开发出适应各地
自然栽培条件的高抗品种是提高草坪草抗性的根本
措施。通过基因工程手段对草坪草的抗性进行改良
是较快捷且有效的方式,基因枪法一直以来都
是广泛应用于禾本科作物基因转化的重要方法,国
收稿日期:2012-02-14;修回日期:2012-03-27
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划“优质多抗牧草新品种选育与良种繁育关键技术研究与示范”(2011BAD17B01);国家自然科学基
金项目(31171989);中央高校基本科研业务专项(2009-2-06)资助
作者简介:李蔚(1987-),女,吉林白山人,硕士研究生,研究方向为植物遗传育种与生物技术,E-mail:liwei2010cau@sina.cn;*通信作者
Authorforcorrespondence,E-mail:yaguo@cau.edu.cn
草 地 学 报 第20卷
内外均已建立起高效的多年生黑麦草基因枪遗传转
化体系[3-6]。与基因枪法相比,农杆菌介导法有利于
低拷贝数目整合到植物基因组,近年来关于农杆菌
介导法转化多年生黑麦草的研究也已经开展[7-11],
但大部分多年生黑麦草的再生频率及农杆菌介导转
化频率均不高[12-13]。如在研究旋风和百尼牡2个品
种的再生及转化试验中,愈伤组织诱导率和分化率
分别为16.3%和38.8%,转化甜菜碱醛脱氢酶
(BADH)基因时,转化率为5.65%[14]。高频的再生
体系是遗传转化成功的关键因素,且基因型可影响多
年生黑麦草的愈伤诱导率和转化植株的再生能
力[15-16]。因此本文以多年生黑麦草种子为起始材料
建立高效的再生途径,愈伤组织诱导率及分化率均达
到60%以上,并以此为基础将磷酸烯醇式丙酮酸羧
化酶(PEPC)基因成功转入,磷酸烯醇式丙酮酸羧化
酶是C4植物光合作用关健酶,在干旱、高温、衰老、强
光等逆境胁迫下有改善光合作用的效果,将其转入可
为多年生黑麦草的抗逆转基因工作奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究所用植物材料为多年生黑麦草“11-18”
的成熟种子,购自北京百绿公司。质粒 pCAM-
BIA1301由中国农业科学院赵明研究员惠赠,携带
由Ubiquitin 启动子启动的稗草(Echinochloacrus-
galliL.)磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因,
以抗潮霉素(hyg)基因作为筛选标记基因。
1.2 愈伤组织诱导和继代培养
黑麦草种子置于50%硫酸中震荡20min后,
用流水冲洗至无硫酸残留,此过程可将种子去颖。
于超净工作台中将去颖后的种子置于75%的酒精
中30s,弃去酒精后用无菌水冲洗种子表面1~2
次,然后用0.1%的HgCl2 消毒90s,期间不断震荡
以确保HgCl2 与种子充分接触,用无菌水冲洗5~7
次,吸干水分用解剖刀在种子表面划一伤口后用于
接种。
将处理好的黑麦草种子接种到含有不同激素处
理的诱导培养基上,以 MS培养基为基础培养基,添
加0.05mg·L-16-BA,300mg·L-1水解酪蛋白,
30g·L-1蔗糖,并附加不同浓度2,4-D (分别为
2.0,4.0,6.0,8.0,10.0mg·L-1),pH 值调至6.0。
每个处理30个外植体,设5个重复。一周后,将部
分种子萌发长出的叶片用剪刀全部剪掉,以防止其
消耗培养基养分。30d后统计诱导率。愈伤组织
诱导率=(出愈数/接种种子数)×100%,愈伤组织
诱导的培养条件为白天温度 (25±2)℃,夜晚温度
(20±2)℃,黑暗培养。
将诱导出来的愈伤组织转接到继代培养基,继代
培养基附加不同浓度的2,4-D(分别为1.0,3.0,6.0
mg·L-1),其他条件不变。每30d继代1次,连续继
代2次后,比较继代前后愈伤组织的大小和形态变
化。愈伤组织的继代培养环境与诱导环境相同。
1.3 愈伤组织分化培养和生根培养
将继代生长良好的胚性愈伤组织转移到不同激
素处理的分化培养基中,以 MS培养基为基础培养
基,添加不同浓度的6-BA (分别为0.5,1.0,2.0
mg·L-1),pH 值调节至6.0,每个处理15块愈伤
组织,且每个处理至少设4个重复。继代培养周期
为20d,连续继代2次后统计芽的分化率。愈伤组
织分化率=(有芽点形成的愈伤组织数/接种的愈伤
组织总数)×100%,愈伤组织的分化培养条件为白
天温度(25±2)℃,夜晚温度(20±2)℃,光照强度
2000~2500lx,光周期为16h·d-1。
当再生不定芽长至2~3cm时,接种到1/2MS
+0.5mg·L-1NAA培养基中,20d后统计根的
诱导情况。生根率=(有根形成的不定芽/接种的不
定芽总数)×100%。待生根的试管苗长至7~8cm
左右时,打开瓶口炼苗2~3d,洗净根部琼脂,移栽
至草炭∶蛭石=1∶1的基质中,温室培养。生根培
养及移栽后环境同分化环境。
1.4 农杆菌介导的遗传转化
选择颜色鲜黄、生长旺盛且结构密实的胚性愈伤
组织,于含有稗草PEPC基因的农杆菌菌液中(OD600
=0.2-0.5)浸染10~15min,用灭菌滤纸吸干愈伤
组织表面的菌液,转移干燥愈伤组织于共培养基(MS
+0.05mg·L-16-BA+3.0mg·L-12,4-D+300
mg·L-1水解酪蛋白+100μmol·L-1乙酰丁香酮,
pH6.0)上,暗培养48h后,将共培养的愈伤组织用
含有羧苄青霉素(Carbenicilin,400mg·L-1)的无菌
水漂洗2~3次,吸干水分,转移到选择诱导培养基
(MS+0.05mg·L-16-BA+3.0mg·L-12,4-D+
300mg·L-1水解酪蛋白+40mg·L-1潮霉素+400
mg·L-1羧苄青霉素,pH6.0)上,暗培养30d。挑选
新生的愈伤组织接种于抗性愈伤分化培养基(MS+
847
第4期 李蔚等:多年生黑麦草高频再生体系的建立及农杆菌介导PEPC基因的转化
1.0mg·L-16-BA+40mg·L-1潮霉素+400mg·L-1
羧苄青霉素,pH6.0)上,白天温度(25±2)℃,夜晚温度
(20±2)℃,光照强度2000~2500lx,光周期为16h·
d-1。培养30~40d后,再生的小苗转移到抗性苗生根
培养基(1/2MS+0.5mg·L-1NAA+40mg·L-1潮霉
素,pH6.0)上进行生根培养,20d后将再生苗移栽至草
炭∶蛭石=1∶1的基质中,温室培养。
1.5 转化植株PCR检测
用CTAB法提取转化株叶片 DNA,用引物S
hyg(5′-AAAAAGCCTGAACTCACCGC-3′)和A
hyg (5′-ACTTCTACACAGCCATCGGT-3′)扩增
潮霉素抗性基因标记基因hyg的PCR检测,扩增
程序为:94℃ 3min,94℃ 40s,55℃ 50s,72℃
1min,扩增30个循环,72℃延伸10min。产物经
1.0%的琼脂糖凝胶电泳检测。
1.6 转化植株目的基因表达的Real-TimePCR检测
随机抽取PCR验证呈阳性的6个转基因株系,
进行实时荧光定量PCR测定。植物RNA提取、反
转录试剂盒以及荧光染料均购自康为世纪公司(北
京)。根据PEPC基因的序列,设计引物Fppc(5′-
TATGCTGAGTGGTCGGAGGAGAAACG-3′),Rppc
(5′-TTGGGAGCTCTGCGAGGACATGAAA-3′)。
试验操作按产品说明书进行,用ROCHE480Ⅱ型
荧光定量PCR仪,采用2-△△CT法进行数据的相对
定量分析。
1.7 数据处理
使用 Excel2010 软件进行数据处理,使用
SPSS17.0软件进行方差分析和相关性分析。
2 结果与分析
2.1 2,4-D浓度对黑麦草愈伤组织诱导和培养
效果的影响
约有50%的种子在接种2d后开始有芽及毛状
根出现,7d左右种子划伤处开始出现愈伤组织,10
d后大部分种子开始在盾片处长出白色水浸状的愈
伤组织,说明划伤种子对愈伤组织的诱导有促进作
用,及时剪掉芽和毛状根,防止培养基养分流失。
试验结果表明,2,4-D浓度对愈伤组织诱导影
响较大,当2,4-D浓度为2.0mg·L-1时,愈伤组织
诱导率只有10.67%,随着2,4-D浓度的增加,出愈
率也提高,当2,4-D浓度为6.0mg·L-1时,61.33%
的种子形成愈伤组织,而此时再加大2,4-D浓度,出
愈率开始下降,如表1所示,所以适合该品种的愈伤
组织诱导的2,4-D浓度为6.0mg·L-1。
表1 2,4-D浓度对愈伤组织诱导影响
Table1 Effectsofdifferentconcentrations
of2,4-Doncalusinduction
2,4-D浓度/mg·L-1
2,4-Dconcentration
接种数
Numberof
inoculatedexplants
出愈数
Number
ofcalus
出愈率
Rateof
calus/%
2.0 150 16 10.67±2.59dD
4.0 150 42 39.33±3.65cC
6.0 150 110 61.33±3.80aA
8.0 150 74 49.33±2.79bB
10.0 150 59 39.33±2.79cC
注:每个处理设置5个重复,表中不同小写字母表示α=0.05水平上差异
显著,不同大写字母表示α=0.01水平上差异极显著。下同
Note:Fivereplicationspertreatmentwereused,differentsmallettersineach
rowindicatesignificantdifferenceatthe0.05level,anddifferentcapitallettersin
eachrowindicatesignificantdifferenceatthe0.01level.Thesameasfolows
在黑麦草继代培养过程中,刚诱导出的愈伤组
织松软,需要进行继代培养,表2列出了通过不同继
代培养基进行培养后愈伤组织的状态。在愈伤组织
的继代培养中,应该适当降低2,4-D的浓度,如果仍
以诱导愈伤组织时的浓度来继代,愈伤组织会出现
褐化现象,其表面开始形成毛状根,不利于胚性愈伤
组织的形成,当2,4-D的浓度降低至1.0mg·L-1
时,愈伤组织稀疏不紧实且呈现水渍状,试验结果标
明,当2,4-D的浓度为3.0mg·L-1时,有利于形成
淡黄色、结构致密、干燥或较湿润、生长较快的Ⅱ型
愈伤组织(图1-A)[17]。
表2 继代培养基中不同2,4-D浓度对对愈伤组织状态的影响
Table2 Effectsofdifferentconcentrationof2,4-Dto
subculturemediumoninductionofembryogeniccalus
2,4-D浓度/mg·L-1
2,4-Dconcentration
愈伤组织状态
Thestateofcalus
1.0 乳白色或浅黄色水渍状愈伤,生长膨大较快,不紧实
3.0 淡黄色,结构致密,湿润或较干燥颗粒状,易碎
6.0 淡黄色,结构致密,有毛状根产生,局部开始褐化
2.2 6-BA浓度对愈伤组织分化的影响
将继代数次后直径为5mm左右的胚性愈伤组
织接种到分化培养基上,培养7~15d后愈伤组织
块上出现绿色小芽点(图1-B)。但在不同6-BA浓
度下,愈伤组织分化的结果不同(表3):当6-BA浓
度为0.5mg·L-1时,分化率只有26.67%,而6-BA
浓度增加到1.0mg·L-1时,分化率增至61.33%,
947
草 地 学 报 第20卷
继续加大浓度时,分化效率开始降低。高浓度的6-BA
会抑制分化,所以本试验中适合该品种黑麦草愈伤组
织分化的培养基中6-BA的浓度为1.0mg·L-1。
此外,在分化过程中发现,一些带有毛状根的愈伤组
织分化能力明显低于表面光洁的愈伤组织,大部分此
类愈伤组织在生长一段时间后会褐化变黑,直至失去
活性死亡。所以胚性愈伤组织的状态对分化影响很
大,Ⅱ型愈伤组织分化效果较好。
表3 不同浓度6-BA对愈伤组织分化的影响
Table3 Effectsofdifferent6-BAconcentrationsoncalusdifferentiation
处理
Treatments
6-BA浓度/mg·L-1
6-BAconcentration
接种愈伤组织个数
Totalnumberofinoculatedcalus
有芽点形成的愈伤组织数
Numberofcaluswithshoots
分化率/%
Differentiationrate
1 0.5 60 16 26.67±5.44dC
2 1.0 75 46 61.33±5.58aA
3 2.0 75 38 50.67±7.60bAB
4 3.0 60 23 38.33±8.39cBC
注:处理1和4设置4个重复;处理2和3设置5个重复
Note:Treatments1and4with4replications;Treatments2and3with5replications
多年生黑麦草组培苗根的诱导较容易,试验过
程中,在不定芽分化中就会有少量不定根的生成。
将长至2~3cm时的不定芽接种到1/2MS+0.5
mg·L-1NAA培养基中,20d后生根(图1-C),生
根率达到100%。待生根的组培苗长至7~8cm左
右时,打开瓶口炼苗2~3d,洗净根部琼脂,移栽至
草炭∶蛭石=1∶1的基质中(图1-D),温室培养,移
栽成活率可以达到95%。
图1 多年生黑麦草再生过程
Fig.1 RegenerationofPerennialryegrass
注:A继代后的愈伤组织;B愈伤组织上分化出不定芽;C生根培养;D移栽苗
Note:A.Calusaftersubculture;B.Adventitiousbudsdiferentiatedfromcalus;C.Rootedplantlets;E.Perennialryegrasspottedinthesoil
2.3 转基因植株的获得及PCR检测
本试验以600个愈伤组织进行遗传转化,共获
抗性愈伤组织87个,经筛选分化培养后,得到52株
具潮霉素抗性的再生株,转化率为8.67%。随机取
8株生根成活的植株提取其基因组DNA,用引物S
hyg (5′-AAAAAGCCTGAACTCACCGC-3′)和 A
hyg (5′-ACTTCTACACAGCCATCGGT-3′)扩增
潮霉素抗性基因,PCR产物经1.0%的琼脂糖凝胶
电泳检测。8株植株均可以扩增出明显的目的基因
条带(图2),而对照植株则无目的基因条带出现,这
表明外源基因已经整合进入多年生黑麦草基因
组中。
图2 转基因植株PCR检测
Fig.2 PCRanalysisoftransgenicplants
注:M:maker;1~8:转基因植株;CK:非转基因植株
Note:M:maker;1~8:transgenicplants;CK:nontransgenicplants
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第4期 李蔚等:多年生黑麦草高频再生体系的建立及农杆菌介导PEPC基因的转化
2.4 转化植株中目的基的Real-TimePCR检测
将提取的总RNA 取相同的量反转录后,进行
Real-TimePCR。根据 Real-TimePCR原始检测结
果,按照2-△△Ct[△△Ct=(待测样本目的基因平均
Ct值-待测样本内参基因平均Ct)-(对照样本目的
基因平均Ct值-对照样本内参基因平均Ct值)]相
对定量计算公式,计算出各样品的目的基因相对定量
结果,反应出目的基因mRNA转录水平的差异,试验
结果如图3所示,表明目的基因在6个转化株系中均
有表达,其中株系2表达量较高,表达量为7.447。6
个株系PEPC基因表达量差异显著(图3)。
图3 PEPC基因在不同株系中的表达量
Fig.3 PEPCgeneexpressionlevelindifferentlines
3 讨论与结论
3.1 影响愈伤组织诱导及分化的因素
在试验过程中发现,在愈伤组织诱导初期,愈伤
组织生长较慢,且大多伴随着根毛和芽的发生,如不
及时将根毛及芽去除,部分养分会被其吸收,这些愈
伤组织在继代后仍会出现毛状物及芽的生长,难以
形成淡黄色、颗粒状的胚性愈伤组织状态,不能用作
遗传转化的受体材料。此外,种子表面划伤处产生
愈伤组织的时间短于盾片处愈伤组织产生的时间,
种子被划破后,使胚受损,愈伤组织形成增多[18]。
在禾本科植物愈伤组织诱导中,2,4-D通常是起决
定作用的植物生长调节物质。本试验在愈伤组织诱
导阶段用较高浓度的2,4-D诱导愈伤组织,但在继
代过程中,如果继续使用高浓度的2,4-D,则会导致
所形成的愈伤组织产生毛状根且褐化,以致其失去
活性,所以在继代过程中,降低2,4-D浓度对胚性愈
伤组织形成有促进作用,这与Linaoer等[19]指出,过
高或过低的2,4-D浓度都不利于胚性愈伤组织的形
成一致。长势良好的愈伤组织在激素浓度合适的培
养基上7~10d就可以形成芽点,继而分化成苗,而
带有毛状根或水渍状的愈伤组织在分化过程中很快
就会褐化变黑,在转化筛选过程中则更快褐化死亡。
因此,良好的愈伤组织诱导及继代培养对黑麦草的
分化至关重要。
3.2 农杆菌介导的PEPC基因的转化
与其他转基因技术相比,农杆菌介导的基因转
化技术能转化较大的DNA片段,转化频率高,转基
因拷贝数低,而且价格便宜,操作简单。所以近年来
我国在牧草和草坪草遗传转化研究方面,较多使用
农杆菌介导法进行试验[20-21]。然而单子叶植物不是
农杆菌的天然寄主,因而阻碍了农杆菌介导法在单
子叶牧草和草坪草中的应用。在已报道的多年生黑
麦草遗传转化研究中,也存在着抗性植株的再生率
较低的情况,本研究以600个愈伤组织作为外植体
进行农杆菌侵染,最终得到52株再生植株,转化率
为8.67%,经PCR及Real-TimePCR验证,PEPC
基因已成功转入。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在C4
和景天酸代谢植物中,起着捕获CO2 及作为CO2泵
以提高光合效率的作用,且有报道指出过表达
PEPC基因的玉米(Zeamays)株系,在适度的干旱
条件下内在水分利用率增长30%[22]。丁在松等[23]
通过对大量的转PEPC水稻(Oryzasativa)后代进
行研究发现,在干旱、高温、衰老、强光等逆境胁迫下
有助于发挥转基因水稻改善光合作用的效果。所以
PEPC基因是一个较为理想的提高植物抗性的基
因,本试验得到的转PEPC基因黑麦草可进行多种
后续的生理检测,为多年生黑麦草抗性品种的研究
奠定基础。
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(责任编辑 李美娟
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