全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(6): 919−925 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA10Z129)
作者简介: 叶兴国(1963−), 宁夏平罗人, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事植物遗传转化研究。Tel: 010-68919765; E-mail: yexg@mail.caas.net.cn
Received(收稿日期): 2007-12-12; Accepted(接受日期): 2008-01-28.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00919
新模式植物短柄草模式特性研究进展
叶兴国
(中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物遗传育种重点实验室 / 国家基因资源与遗传改良重大科学工程, 北京 100081)
摘 要: 短柄草(Brachypodium distachyon)是一种广泛分布于温带地区的禾本科植物, 基因组小、染色体少、DNA重
复序列少、植株较矮、生育期短、种子数量多, 与小麦族植物一样具有二倍体、四倍体和六倍体, 且不需要严格的生
长条件和栽培措施, 是小麦等早熟禾谷类理想的模式植物。近几年来, 国际上对短柄草开展了较多研究, 而国内对短
柄草的研究尚属空白。本文综述了短柄草细胞遗传学、分子生物学、基因组学、组织培养和遗传转化等方面的研究
进展, 对今后的研究和应用趋势进行了简要展望, 以促进国内对短柄草模式特性, 以及小麦等植物结构基因组学和
功能基因组学的研究。
关键词: 短柄草; 模式植物; 基因组; 分子标记; 组织培养; 遗传转化
Research Outline on Some Related Characteristics of Brachypodium dis-
tachyon as a New Model Plant Species
YE Xing-Guo
(Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Agriculture Ministry for Crop Genetics and Breeding /
National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Beijing 100081, China)
Abstract: Brachypodium distachyon, a monocot grass plant and widely distributed in temperate areas, has been regarded as an
new potential model plant species and studied extensively in recent years because of its smaller genome, less chromosomes,
shorter plant height, rapid life cycle, higher seed yield, undemanding growth requirements, and different ploidies similar to Triti-
cum including diploid, tetraploid, and hexaploid. But, related research on this plant in domestic is just in initial stage. Cytogenetics,
molecular genetics, genomics, mapping, tissue culture, and transformation of Brachypodium distachyon were reviewed in this
paper, and its further investigation and application were briefly prospected at the same time in order to promote its study on the
characteristics as model plant and benefit the structural and functional genomics research of some Pooideae species such as wheat
and barley.
Keywords: Brachypodium distachyon; Model plant; Genomics; Molecular markers; Tissue culture; Transformation
模式植物的选择和利用对于植物遗传分析、基
因克隆、基因变异和功能基因组等研究极具价值。
拟南芥(Arabidopsis thaliana)由于其基因组小、染色
体少、倍性低、DNA重复序列少、植株矮小、生育
期短、种子数量多、再生性能强、容易转化等优点,
1980年以来一直作为双子叶植物中首选的模式植物
被生物学家广泛利用[1-2]。水稻(Oryza sativa)除具有
类似于拟南芥的一些优点外, 其经济价值较高, 逐
步成为单子叶植物的模式植物[3-4], 这些特点显著促
进了水稻基因组研究, 如基因定位、克隆、功能验
证和测序等。但是, 水稻需要严格的生长条件, 且生
育期较长, 基因组、DNA 序列与普通小麦(Triticum
aestivum)、大麦(Hordeum vulgare)等温带禾本科植物
差异较大, 限制了水稻作为模式植物在单子叶植物
中的通用性。近几年来, 短柄草(Brachypodium dis-
tachyon)越来越引起国内外分子生物学研究者的重
视, 对其植物学特性、细胞遗传学特性、分子生物
学特性、基因组学发掘、组织培养和遗传转化性能
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等进行了研究, 可望成为禾本科中除水稻之外的另
一种模式植物, 以获取禾本科基 組因 中, 尤其是麦
組类植物基因 中所缺少的重要基因共线区信息等。
1 短柄草植物学特性
短柄草是一种广泛分布于温带地区的禾本科植
物, 与小麦、大麦和燕麦等同属早熟禾亚科, 原产于
非洲北部、欧洲南部和亚洲中部, 包含约 10个亚种[5]。
该植物为一年生, 自花授粉, 植株高度 15~20 cm,
生育期 70~80 d, 植株柔弱, 叶片小而宽, 穗子纺锤
型(与小麦、大麦、牧草等植物的穗型类似), 短柄, 小
穗互生于穗轴上(图 1), 每小穗包括 2 朵小花, 脱节
于颖之上, 每小花具 1枚雌蕊和 3枚雄蕊, 披针形外
稃顶有一直芒或凸尖, 内稃脊上具篦齿状睫毛。温
室条件下种植密度每平方米 300株, 每穗收获 10~12
粒种子, 全株可收获 80~200粒[6-7]。与禾谷类作物相
似, 种子收获后需要 1 个月左右的休眠期, 完成后
熟代谢方可发芽; 出苗后经过 2 周左右低温处理即
可完成春化作用, 春化时间比小麦短 2~3 周。麦类
作物白粉病菌、条锈病菌和稻类作物稻瘟病菌等均
能够侵染短柄草植株, 引起相应症状[6-7]。作者最近
的分析表明, 短柄草籽粒中不含高分子量麦谷蛋白
亚基, 低分子量麦谷蛋白亚基也很少。

图 1 短柄草植株形态
Fig. 1 Morphological characters of Brachypodium distachyon
引自 http://www.brachypodium.org。
From http://www.brachypodium.org.

2 短柄草细胞遗传学和分子生物学研究
细胞遗传学研究表明 [6-10], 短柄草的染色体基
数为 5条(图 2), 包含二倍体、四倍体和六倍体 3种
类型, 染色体数分别为 10、20和 30。第 1条染色体
最大, 着丝粒近中部; 第 2条染色体次之, 着丝粒近
端部; 第 3 条染色体短臂长度与第 2 条染色体几乎
相等, 着丝粒中部; 第 4条染色体结构特点与第 3条
染色体相同, 但其长臂上含有一个 5S rDNA主要位
点; 第 5条染色体最小, 着丝粒近端部, 短臂上含有
在短柄草中唯一的 45S rDNA 主要位点。花粉母细
胞减数分裂中期 I 观察发现, 染色体在 80%的细胞
中形成 5个环形二价体(图 2), 在 20%的细胞中形成
4个环形二价体和 1个棒状二价体, 后者均由第 5条
染色体配对而成, 平均每个细胞中的染色体交叉数
达 9.8以上。

图 2 短柄草有丝分裂期染色体组成和减数分裂期染色体构型
Fig. 2 Chromosome composition at mitosis and configuration
at meiosis in Brachypodium distachyon
引自 Draper等, 2001。Reprinted from Draper et al., 2001.

分子遗传学研究表明[6-8,11], 二倍体短柄草平均
每个细胞中的 DNA含量为 0.36~0.39 pg, 基因组大
小约为 300 Mbp, 大于拟南芥(164 Mbp), 小于水稻
(441 Mbp)。DNA 重复序列 12%~15%, 低于拟南芥
(16%)和水稻(20%)。约 35 000个基因在染色体上高
密度分布, 平均每 8~10 kb涵盖一个基因。分别利用
短柄草基因组 DNA和 45S rDNA作为探针进行原位
杂交, 证明有些生态系多倍体为种间杂交后代, 说
明该物种和近缘物种间的进化过程复杂。在演化树
上 Brachypodium属于一个独立的分枝, 是在早熟禾亚
科(Pooideae)从稻族(Oryzeae)分岔后不久形成, 与温带
禾草类及麦类植物的亲缘关系比和水稻密切[6,12-13]。
开发短柄草基因组学资源对于获取温带禾草类
植物(如小麦、大麦、黑麦草、柳枝稷等)的遗传信息
具有重要意义。国际短柄草协会 (International
Brachypodium Initiative, IBI)各成员相互合作, 从来
源于叶片、茎、根、愈伤组织和发育籽粒的 5 个差
异表达的 cDNA 文库中获得了 20 440 条 EST
(Expressed sequence tags)序列, 每条 EST 平均长度
650 bp, 99.9%的 EST序列与 SwissProt和 GenBank
中公布的蛋白质序列和核苷酸序列具有一定相似性,
部分 EST的系统发生学分析证明短柄草与小麦、大
麦的亲缘关系更近, 并对 EMS诱发短柄草二倍体基
因型 Bd21-3发生变异的效率进行了评价, 大规模创
造突变体的工作正在进行之中[14-15]。大容量 DNA插
入文库的构建是模式植物结构基因组和功能基因组
第 6期 叶兴国: 新模式植物短柄草模式特性研究进展 921


研究的基础。Foote等首先构建了 1个 Brachypodiurn
sylvaticurn的 BAC文库[16], 与小麦 BAC文库比较分
析发现, Brachypodiurn sylvaticurn 中存在与小麦相
似的 Phl位点(控制染色体配对)[17]。Keller等对来自
Brachypodiurn sylvaticum的 371 kb的 DNA片段进
行测序, 与水稻、小麦中的直向同源区进行比较发
现短柄草和小麦具有较高的遗传标记共线性, 水稻
在该区段有一个约 220 kb的倒位, 包含的基因是短
柄草的 2倍, 是小麦的 2.4倍[18]。然而, Brachypodiurn
sylvaticurn 是短柄草的一个多年生变种, 基因组比
普通短柄草大[14,16]。
Hasterok等构建了 1个短柄草的 BAC文库, 但
该文库的覆盖度只有基因组的 2.22 倍, 不能满足基
于 BAC 文库绘制物理图谱和利用图位法克隆基因
的需要[19]。加州大学先后构建了 3 个短柄草高覆盖
度的 BAC文库, 总覆盖度为基因组的 19.3倍, 包含
73 728 个克隆, 平均插入片段 100~105 kb, 叶绿体
起源的片段占 2.4%~4.4%, 获得了约 6万个 BAC末
端序列(BAC end sequences, BES), 约 10%的 BES与
数据库中已知的DNA重复序列具有相似性, 约 40%
的 BES与 EST库中的序列有关, 尤其与小麦和玉米
的 EST 有关, 其中的 122 个 BESs 与小麦 EST 高度
匹配, 同时开发了 285 个具有多态性的 SSLP 标记;
发现约 11.0%的短柄草基因组由已知的 DNA重复序
列组成, 物种特有的重复序列元件占基因组的 7.4%,
编码区占基因组的 21.2%, 重复序列中的大多数为
长末端重复序列(long terminal repeat, LTR)反转录转
座子, 如重复序列 BRES-1(Brachypodium repetitive
element sequence-1)与小麦中的 Bare-1 反转录转座
子非常相近, 系统发生学分析再次揭示短柄草与麦
类作物的关系比水稻或玉米更近[14, 20-22]。
遗传图谱是短柄草与水稻、小麦和能源作物基
因组联系的纽带。Luo 等构建了 2 个短柄草(Bd-21)
的 BAC 文库, 每个文库的覆盖度是基因组的 10 倍,
初步完成了 Bd-21指纹图谱绘制, 其中的 26 967个
为 Hind III酶解的 BAC克隆, 在指纹图谱上占 75%;
包括 705个重叠群和 1 987个非重叠群, 重叠群平均
大小为 0.47 Mbp[23]。Bevan等利用 2个基因型 Bd21
和 Bd3-1杂交, 正在创建重组自交系作图群体[24]。
3 短柄草组织培养研究
3.1 短柄草成熟胚培养
作为功能基因组研究的模式植物, 高效再生体
系对于建立分子遗传模式系统至关重要。成熟胚取
材和操作方便, 生理状态一致, 是组织培养和遗传
转化理想的外植体, 如水稻成熟胚高频率再生体系
和转化体系显著促进了水稻功能基因组学研究, 但
多数禾本科植物成熟胚再生能力比较差。Bablak 等
首次开展了短柄草组织培养研究[25], 以短柄草 3 个
二倍体基因型 B200、B373和 B377的成熟种子为材
料, 分别接种在 LS、MS、N6和 R2附加 1.0~6.0 mg
L−1 2,4-D、3%蔗糖、0.4%琼脂糖培养基上诱导愈伤
组织, 然后将愈伤组织转移到 MSO 或 N6O 培养基
上分化植株。结果表明, 接种后 10~12 d 60%以上的
种子在所有培养基上都可以产生愈伤组织, 但愈伤
组织质量差异较大, LS、N6培养基附加 2.5 mg L−1
2,4-D 最适合从短柄草成熟胚诱导胚性愈伤组织 ;
开始产生的愈伤组织富含水分、半透明、不易碎, 然
后产生致密、生长较块、淡白色、透明、高度折叠
的愈伤组织, 培养 21~28 d 时在其上产生干燥、致
密、易碎、淡黄色、颗粒状的胚性愈伤组织; 在 LS
附加 2.5 mg L−1 2,4-D培养基上, B200基因型胚性愈
伤组织诱导率最高; 在 N6 附加 3%蔗糖、0.8%琼脂
无激素分化培养基上, B200基因型植株再生率最高。
Vogel等[26]利用 LS附加 2.5 mg L−1 2,4-D、3%
蔗糖、0.2%植物凝胶培养基对 19个短柄草基因型的
成熟胚进行了愈伤组织诱导研究, 胚性愈伤组织诱
导率 0.7%~20.3%(图 3), 以Bd8-2最高, 胚性愈伤组织
在 LS附加 0.2 mg L−1 2,4-D、3%麦芽糖、0.2%植物凝
胶培养基上绿芽分化率 0~85%, 以 Bd14-2最高。

图 3 短柄草成熟胚(左)和未成熟胚(右)来源的胚性愈伤组织
Fig. 3 Embryogenic callus derived from the mature embryos
(left) and immature embryos (right) of Brachypodium distachyon
引自 Vogel等, 2001; Christiansen等, 2005。
Reprinted from Vogel et al., 2006; Christiansen et al., 2005.

3.2 短柄草未成熟胚培养
多数禾本科植物虽然成熟胚再生能力比较差 ,
但未成熟胚再生能力普遍比较高, 如小麦、玉米、
大麦、高粱等, 在成熟胚高频率再生体系尚未建立
的情况下, 未成熟胚培养具有独特作用。Draper等[6]
以短柄草一个二倍体基因型 ABR1 为材料, 开花授
粉后 14 d 取不同大小的未成熟胚分别接种在 LS 和
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N6 附加 2.5 mg L−1 2,4-D 培养基上诱导愈伤组织,
继代培养 6 周左右转移到 MSO 或 N6O 培养基上分
化植株。结果表明, 接种后 10~15 d在未成熟胚盾片
上产生 I类愈伤组织(黏性、半透明、松软、棉絮状、
黄白色), 进一步在起始愈伤组织上产生 II类胚性愈
伤组织(干燥、致密、易碎、乳白色); 长度 0.3~0.7 mm
的未成熟胚体细胞胚胎发生的潜力最大, 大小合适
的未成熟胚在 LS 2.5培养基上胚性愈伤组织诱导率
为 45%, 胚性愈伤组织白苗分化率仅为 7%, 而在 N6
2.5培养基产生的胚性愈伤组织白苗分化率高达 45%。
Christiansen 等 [10]对短柄草中二倍体基因型和
四倍体基因型进行了幼胚培养研究, 愈伤组织诱导
培养基为 LS附加 2.5 mg L−1 2,4-D、3%麦芽糖、0.8%
琼脂, 愈伤组织分化培养基为 LS 附加 0.2 mg L−1
BAP、3%麦芽糖、0.8%琼脂。结果表明, 接种后 3~4
周产生颗粒状、淡黄色、易碎的胚性愈伤组织; 四
倍体基因型 BDR017 和 BDR030 胚性愈伤组织诱导
率分别为 67%和 91%, 高于二倍体基因型 BDR001
和 BDR018(51%和 46%); 所有基因型均能获得再生
植株 , 但再生率受愈伤组织愈龄影响较大 ,
BDR017、BDR030、BDR001 和 BDR018 愈伤组织
愈龄 3~6周时的再生率为 90%~100%, 8周时的再生
率低于 80%, 培养时间越长再生率越低 , 如
BDR017、BDR030 愈伤组织培养 16 周时的再生率
分别为 30%和 55%。
Vogel等[26]对 19个短柄草基因型的未成熟胚用
LS附加 2.5 mg L−1 2, 4-D、3%蔗糖、0.2%植物凝胶
培养基进行了愈伤组织诱导研究, 胚性愈伤组织诱
导率 0~33.6%(图 3), 以 Bd4-2 最高, 胚性愈伤组织
在 LS附加 0.2 mg L−1 KT、3%麦芽糖、0.2%植物凝
胶培养基上绿芽分化率 0~94.4%, 以 Bd17-2 最高。
Philippe 等[27-28]将短柄草基因型 Bd21(2n)及其变异
系 Bd21-3幼胚(长度小于 0.3 mm)接种在MSB3培养
基[MS 无机成分添加 M5 有机成分(2.0 mg L−1甘氨
酸、0.4 mg L−1烟酸、0.4 mg L−1 VB1、0.5 mg L−1
VB6、40.0 mg L−1半胱氨酸)、4 g L−1 Fe-EDTA、2.5
mg L−1 2,4-D、3%蔗糖、0.2%植物凝胶]上诱导愈伤
组织, 胚性愈伤组织诱导率分别为 68%和 94%, 表
明 Bd21-3比 Bd21具有更好的组织培养力。
4 短柄草遗传转化研究
4.1 基因枪介导的短柄草遗传转化
基因枪介导法是禾本科植物主要转化方法之一,
在小麦、玉米、大麦、草坪草等植物中的应用非常
成功, 其明显优点是基因型特异性小、操作简单。
Draper 等 [6]从短柄草选择了一个六倍体基因型
ABR100, 其未成熟胚在LS 2.5培养基上诱导愈伤组
织, 相同培养基上继代培养获得胚性愈伤组织, 利
用基因枪介导法和 pAGH 载体(包含 35 启动子控制
的 GUS 报告基因和 hgh 选择标记基因)转化胚性愈
伤组织; 轰击后 24 h对愈伤组织进行X-Gluc染色检
测, GUS 基因有较高的瞬间表达率; 轰击后愈伤组
织恢复培养 1周, 然后在 LS 2.5附加 40.0 mg L−1潮
霉素培养基上筛选培养 4 周左右, 抗性愈伤组织转
移到 LS附加 0.2 mg L−1 KT、2.5 g L−1植物凝胶、30.0
g L−1麦芽糖、30.0 mg L−1潮霉素培养基上分化植株。
对抗性再生植株进行了 PCR 检测和 Southern blotting
检测, 转化率为 3%~7%, 平均转化率为 5%(表 1)。

表 1 短柄草遗传转化研究主要信息汇总
Table 1 Summary of main researches reported on the genetic transformation of Brachypodium distachyon
基因型
Genotype
组织类型
Target tissue
转化方法
Transformation
method
外源基因
Target genes
筛选剂
Selection agent
转化效率
Transformation
efficiency (%)
参考文献
Reference
ABR100 IEC Particle GUS, hgh Hygromycin 3.0–7.0 Draper et al.[6]
BDR017, BDR018,
BDR030 IEC Particle GUS, bar Bialaphos 0–5.3 Christiansen et al.
[10]
BDR018, BDR030 IEC Particle LpTFL1, TFL1, bar Bialaphos — Olsen et al.[29]
Bd6-1, Bd10-2, Bd12-1,
Bd21 IEC, MEC Agrobacterium/AGL1 GUS, hgh Hygromycin 0–4.2 Vogel et al.
[26,30]
Bd21 IEC Agrobacterium/AGL1 GFP, hgh Hygromycin 6–17 Philippe et al.[27-28]
Bd21 IEC Agrobacterium/AGL1 hgh Hygromycin 55 Sílvia et al.[31]

Christiansen 等 [10]将短柄草幼胚来源的胚性愈
伤组织在 LS附加 2.5 mg L−1 2,4-D、14%麦芽糖、
0.8%琼脂培养基上高渗透压前处理 4 h, 同时制备包
裹 pDM803 质粒 DNA(其上的 GUS 报告基因和 bar
选择标记基因由 Act1 启动子和 Ubi 启动子控制)的
金粉子弹, 利用基因枪轰击靶材料。轰击后的愈伤
第 6期 叶兴国: 新模式植物短柄草模式特性研究进展 923


组织在高渗透压培养基上后处理 24 h, 然后转移到
附加 2~14 mg L−1 bialaphos筛选培养基上培养。2 d
后取部分愈伤组织进行组织化学染色检测, 剩余愈
伤组织每 3 周转一次筛选培养基, 抗性愈伤组织在
LS附加 0.2 mg L−1 BAP、3%麦芽糖、0.8%琼脂、2~14
mg L−1 bialaphos分化培养基上培养 3周, 将再生芽
转移到 1/2 LS附加 3%麦芽糖、0.8%琼脂、5 mg L−1
bialaphos 培养基上进一步生长。结果表明, GUS 基
因表达率在不同轰击间和不同基因型间差异明显 ,
每次轰击的蓝点数 0~6 000个(图 4), BDR001(2n)、
BDR017(4n)、BDR018(2n)、BDR030(4n)平均每次轰
击的蓝点数分别为 0、847、1787和 1608。PCR和
Southern blotting 确认 4 个基因型的平均转化率分
别为 0、3.8%、5.3%和 4.1%, BDR017、BDR018、
BDR030最高转化率分别为 11%、9%和 14%。bialaphos
筛选剂浓度 2~14 mg L−1对转化效率没有显著影响,
但筛选时间对转化效率影响较大 , 筛选时间以 12
周为宜。

图 4 短柄草胚性愈伤组织转化后 GUS基因瞬时表达(左)和再
生情况(右)
Fig. 4 GUS transient expression (left) and regeneration (right) from
the transformed embryogenic calli of Brachypodium distachyon
引自 Christiansen等, 2005; Philippe等, 2007。
Reprinted from Christiansen et al., 2005; Philippe et al., 2007.

Olsen等[29]以 Christiansen等[10]报道的组织培养
和基因枪转化程序为基础, 利用 pK29 质粒(含 Ubi
启动子控制的 bar 基因)与 pAHC27-LpTFL1 质粒或
pAHC27-TFL1 质粒(目标基因由 Ubi 启动子控制)共
转化法, 分别将来自多年生黑麦草和拟南芥中的开
花抑制蛋白基因 LpTFL1、TFL1 转入 2 个短柄草基
因型 BDR017(4n)、BDR018(2n), 转基因植株的抽穗
期延迟达 10周之多, 首次在短柄草中表达了单子叶
植物和双子叶植物来源的基因, 证明了其作为禾本
科模式植物的潜力。
4.2 农杆菌介导的短柄草遗传转化
农杆菌介导法是最主要的植物转化方法, 具有
转化效率高、转移片段明确、整合拷贝数低等特点。
对于模式植物而言, 建立农杆菌介导的遗传转化体
系比建立基因枪介导的遗传转化体系更为重要。
1994 年以来, 利用农杆菌介导法在水稻、玉米、小
麦、高粱、甘蔗、香蕉、草坪草等单子叶植物上取
得了很大进展。Vogel等[26,30]利用幼胚来源和成熟胚
来源的胚性愈伤组织及 AGL1 菌系和 pOL001 载体
(含有 35 启动子控制的 hgh 选择标记基因和 Ubi 启
动子控制的 GUS 报告基因), 首次开展了农杆菌介
导转化短柄草的研究。农杆菌在含有适宜抗生素的
MG 固体培养基上培养 2 d, 刮取农杆菌在 LS 添加
2.5 mg L−1 2,4-D、3%蔗糖、200 μmol L−1乙酰丁香
酮液体培养基中重悬至 OD值 0.6左右, 将胚性愈伤
组织放入农杆菌重悬液中感染 5 min, 转移到 LS添
加 2.5 mg L−1 2,4-D、3%蔗糖、200 μmol L−1乙酰丁
香酮、0.2%植物凝胶培养基上共培养 3 d, 再转移到
LS添加 2.5 mg L−1 2,4-D、3%蔗糖、150 mg L−1特美
汀、0.2%植物凝胶培养基上恢复培养 7 d, 然后转移
到补充 40 mg L−1潮霉素的培养基上筛选培养, 每 2
周继代培养一次, 生长旺盛的抗性愈伤组织转移到
LS添加 0.2 mg L−1 KT、3%麦芽糖、150 mg L−1特美
汀、40 mg L−1潮霉素、0.2%植物凝胶培养基上分化
植株。PCR和 Southern blotting检测结果表明, 14个
基因型中有 10 个获得了转基因植株 , 转化率
0.4%~15.0%, 其中, 以 Bd 17-2 幼胚来源愈伤组织
的转化率最高, Bd12-1 是转化成熟胚来源愈伤组织
的唯一基因型 , 其幼胚来源愈伤组织的转化率为
4.2%, 成熟胚来源愈伤组织的转化率为 13.0%, Bd21
幼胚来源愈伤组织的转化率为 2.5%~4.2%。
Philippe等[27-28]将 Bd21幼胚接种在MSB3培养
基上诱导愈伤组织, 胚性愈伤组织放入用MSB液体
培养基(MS无机成分添加 4 g L−1 Fe-EDTA、1%甘露
醇、1%蔗糖、45 mg L−1乙酰丁香酮)重悬的 AGL1
农杆菌液中(含有 pVEC8GFP载体, GFP基因由 Ubi
启动子控制, hgh基因由 35启动子控制)感染 5 min,
弃去菌液后将愈伤组织放在无菌滤纸上干燥处理 7
min, 转移到 MSB3固体培养基(添加 60 mg L−1乙酰
丁香酮)上共培养 2 d, 然后转移到 MSB3 固体培养
基(添加 225 mg L−1特美汀、40 mg L−1潮霉素)上筛
选 20 d, 再转移到 MSB3 固体培养基(添加 225 mg
L−1特美汀、20 mg L−1潮霉素)上筛选 20 d, 抗性愈
伤组织在 MSR26 培养基(MSB3 培养基去除 2,4-D,
添加 0.2 mg L−1 KT、225 mg L−1特美汀、20 mg L−1潮
霉素)上分化植株(图 4), 检测结果表明转化率为 6%~
17%。Silvia 等[31]根据 Philippe 等[27-28]转化 Bd21 的
924 作 物 学 报 第 34卷

程序 , 诱导愈伤组织阶段在 MSB3 培养基中增加
CuSO4, 累计培养时间延长 1周, 农杆菌侵染阶段在
共培养基中添加葡萄糖和蛋白酶 XIV, 愈伤组织筛
选阶段在培养基中增加 CuSO4, 筛选时间延长 20 d,
从第二轮筛选开始潮霉素的浓度为 30 mg L−1, 将农
杆菌转化 Bd21的效率提高到了 55%。
5 研究趋势和展望
短柄草植株较小, 适应性强, 不占用太多生长
空间, 不象种植水稻那样需要严格的生长条件。生
育期短, 籽粒产量较高, 一年可以繁殖 4~5代, 繁殖
系数达 140 左右。未成熟胚和成熟胚愈伤组织诱导
率高, 农杆菌介导和基因枪介导的转化体系已经建
立, 胚性愈伤组织分化率 90%以上, 转化效率最高
可达 55%左右。基因组小, 染色体少, DNA 重复序
列低 , 获得突变体容易 , 突变性状容易显现 , 具备
了模式植物的所有基本特性。尤其, 短柄草基因组
序列与黑麦草、小麦、大麦等早熟禾亚科植物高度
相似 , 很多重要农艺性状与温带禾草类植物相似 ,
如株型、穗型、粒型、病原菌(锈病、白粉病、赤霉
病等)、抗逆性和生长习性等[31], 含少量低分子量麦
谷蛋白亚基, 而不含高分子量麦谷蛋白亚基, 并与
小麦一样具有二倍体、四倍体和六倍体, 是小麦等
基因组庞大的重要农作物理想的模式植物, 借此来
获得目前小麦等早熟禾类植物中尚缺少的遗传信息
和基因共线区, 进而对小麦等重要植物进行基因定
位、克隆、突变、测序和功能等方面的研究。另外,
还可以在短柄草中模拟鉴定一些与改良小麦等植物
有关的抗病基因、抗逆基因、品质基因和生长发育
基因的功能。
今后, 短柄草的研究除开发一系列高效实用的
双元表达载体、完善高通量农杆菌介导的转化体系
外, 将集中在 T-DNA插入突变体创造、理化诱导突
变体创造、EST序列扩充、高覆盖度 BAC文库建立
和功能基因组研究等方面[6-7]。目前, 已经开发了短
柄草的 20 000多条 EST序列[7,14], 一些实验室正在
构建 T-DNA插入突变体库和 BAC文库[7,19,20-22], 以
及对侧翼插入位点进行测序 [7]、绘制物理图谱等
[24-25]。预测禾草类植物将是美国未来可再生能源的
主要来源, 而对影响这些植物能源相关性状生物学
的认识还很少, 迫切需要一种容易操作的温带禾草
类模式植物来解决上述问题, 提高禾草类植物的籽
粒产量和生物产量, 培育超级能源作物。因此, 美国
农源部资助启动了短柄草基因组打靶测序项目, 将于
2008 年完成[7](http://www.jgi.doe.gov/sequencing/why/
CSP2007/brachypodium.html)。美国 Joint 基因组研
究所计划 2008 年将利用 Shotgun 技术完成短柄草 8
倍基因组测序 , 获得 18 万个短柄草 EST 序列
(http://www.brachypodium.org)。印度政府也资助启
动了短柄草功能基因组分析工作[7]。各国科学家合
作, 将在 2008—2009年间利用定向诱导基因组局部
突变技术(targeting induced local lesions in genomes,
TILLING)创造足够数量的短柄草突变体[7,15]。这些
研究无疑将促进短柄草作为新模式植物在分子水平
上的认识和在小麦等重要作物功能基因组研究中的
利用。
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