全 文 :Vol. 30 , No. 11
pp. 1135 - 1139 Nov. , 2004
作 物 学 报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 11 期
2004 年 11 月 1135~1139 页
花椰菜花叶病毒( CaMV) 35S 启动子在转基因棉花中的表达
焦改丽1 孟钊红2 聂安全1 南芝润1 张换样1 李俊峰3 王娇娟1
赵俊侠1 李燕娥1 郭三堆4 Ξ
(1 山西省农业科学院棉花研究所 ,山西运城 044000 ;2 山西大学生物技术研究所 ,山西太原 030031 ;3 中国海洋大学海洋生命学院 ,山东青岛
266000 ;4 中国农业科学院生物技术研究中心 ,北京 100081)
摘 要 利用 GUS 作为报告基因 ,通过 GUS组织化学定位法检测棉花转化愈伤组织、体细胞胚 ,R0 代棉花根、茎、叶、花
器官以及正在发育的胚 GUS 基因表达情况 ,详细阐述了 CaMV 35S启动子在棉花细胞中的表达轮廓。结果表明 ,在愈伤
组织细胞有丝分裂和增殖过程中 GUS 基因能稳定表达并遗传给后代细胞 ;在根、茎、叶细胞中检测到 GUS 表达活性。在
胚胎发育过程中 ,最早检测到 GUS 表达活性的为开花 11 d 的鱼雷胚和胚乳。随着胚胎的发育 , GUS 表达活性逐渐增强
并扩展到子叶微管组织 ,表明 CaMV 35S启动子是随着胚胎发育进程被逐渐调节的。在花粉和特殊的纤维细胞中 ,也检
测到 GUS 的表达活性。资料证明 ,该启动子在棉花不同发育时期的大部分组织和细胞中都是表达的。
关键词 GUS 基因 ;花椰菜花叶病毒 (CaMV ) 35S启动子 ;转基因棉花 ;胚胎发育 ;表皮细胞
中图分类号 : S562
Expression of CaMV 35S Promoter in Transgenic Cotton
J IAO Gai2Li1 , MENG Zhao2Hong2 , NIE An2Quan1 , NAN Zhi2Run1 , ZHANG Huan2Yang1 ,LI Jun2Feng3 , WANG Jiao2Juan1 ,
ZHAO Jun2Xia1 , LI Yan2E1 , GUO San2Dui4
(1 Institute of Cotton Research , Shanxi Academy of Agricultural Sciences , Yuncheng 044000 , Shanxi ; 2 Biotechnology Research Institute , Shanxi University ,
Taiyuan 030031 , Shanxi ; 3 College of Marine Life Sciences , Ocean University of China , Qingdao 266000 , Shandong ; 4 Biotechnology Research Institute ,
Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081 , China)
Abstract The CaMV 35S promoter is the most widely used promoter for driving transgene expression in plants. It is effec2
tive driving transgene expression in both dicots and monocots. It is usually classified as constitutive promoter. However ,
some reports suggest that it is not expressed in all cell and tissue types. In addition , the available information on its expres2
sion profile in all cell and during the early stages of development is incomplete. In this paper , the expression profile of
CaMV 35S promoter was detailedly described using the GUS as a reporter gene in the transgenic cotton. The results of his2
tochemical assay showed that GUS gene could express steadily and transmit to next generation in the course of callus mitotic
division and proliferation. Dark blue staining of GUS was observed at various stages of somatic embryos (globular , heart ,
topedo , cotyledon) and the roots , stems and leaves of R0 . GUS positive expression was first detected during the early
stages of torpedo embryo and endosperm at around 11 days after anthesis. With further growth of the embryos , the GUS
staining became stronger and spread to throughout the vascular tissues in the cotyledon. Especially GUS positive expression
is detected in the pollens and special fiber cells. It showed CaMV 35S promoter was the same active in these specialized
epidermal cells. Thus , our evidences suggest that CaMV 35S promoter was developmentally regulated during embryogenesis
in cotton. The promoter could express in most cell and tissue types in cotton at various developmental stages.
Key words β2glucuronidase ( GUS) gene ; CaMV 35S promoter ; Transgenic cotton ; Somatic embryo ; Epidern cell
早期使用 GUS 作为报告基因 ,研究 CaMV 35S 启动子在转基因植物中的表达分布情况 ,主要局限Ξ基金项目 : 山西省“十五”重点攻关项目 (03100521) , 山西省留学回国人员科技资助项目和国家“十五 863”计划项目的一部分。
作者简介 : 焦改丽 (1954 - ) ,女 ,研究员 ,主要从事棉花遗传转化方面的研究。Tel : 035922161515 ; E2mail : gljiao @tom. com
Received(收稿日期) :2003212229 ,Accepted(接受日期) :2004205230.
在矮牵牛、烟草、水稻的成熟种子和少数花器官[1 ,2 ] 。
最近有报道显示 ,应用绿色荧光蛋白 ( GFP) 作为报
告基因 ,研究 CaMV 35S启动子在转基因棉花中的表
达情况。利用 GFP 作为报告基因在活细胞中显示 ,
尽管有许多优点 ,然而它也有许多局限性。在棉花
子房、胚珠、花瓣、苞叶、花粉中观察到有内源的类
GFP 自发荧光活性 ,特别是花粉中较强。所以 ,在花
器官中很难准确辨别出 CaMV 35S 启动子的表达活
性[3 ] 。再者 , GFP 表达可能对花粉发育有某种毒害
作用 ,使得 GFP 表达中出现较多畸形花粉。另外 ,
在成熟纤维中观察不到 GFP 表达的荧光活性。这
些缺点 ,使该方法获得的信息可靠性降低了很多。
GUS 基因又称β2葡糖苷酸酶基因 ,来源于大肠杆菌
( E. coli) ,在植物中一般不存在 ,其产物具有明显
的蛋白质特异性和良好的热稳定性[4 ] 。利用 GUS
组织化学定位法检测转基因植物的不同组织 ,若呈
现蓝色 ,说明外源 GUS 基因已转入植物组织细胞并
得到表达[5 ] 。此方法操作简便快速 ,灵敏度高 ,具有
直接明了、简便易行的特点。对于研究外源基因表
达部位提供了有效手段 ,这是其他报告基因系统所
不及的。本试验 GUS 为报告基因 ,对 CaMV 35S 启
动子在转基因棉花大部分组织细胞中的表达活性进
行了相对精确的空间定位分析。文章中所展示的信
息 ,对于 CaMV 35S启动子介导的转基因表达的基础
和应用研究都将十分有用。
1 材料和方法
1. 1 菌株及质粒
转化试验中所用的根癌农杆菌 ( Agrobacterium
tumefaciens) LBA4404 和 AGL1 菌株含有双元植物表
达载体 p GBI4A2B 质粒。该质粒含有双向 CaMV35S
启动子所驱动的卡那霉素抗性选择标记基因 ( npt
Ⅱ) 、GUS 基因和 2 个人工合成的 Bt 杀虫基因及末
端插入的 4 个 Poly A。可直接用于植物转化。
1. 2 植物材料
陆地棉 ( Gossypium hirsutum L. ) 品种 Coker312
(美国) 和晋棉 7 号。种子经硫酸脱绒后 ,用 70 %酒
精浸泡 1 min ,10 %过氧化氢 ( H2O2 ) 溶液表面消毒 2
h ,无菌水洗 2 次 ,浸泡在 28 ℃无菌水中过夜 ,接种
在 1Π2 MS B5 种苗培养基上萌发 ,分别取 8~12 d 棉
花无菌苗侧根切段作为外植体材料。
1. 3 转化方法
11311 农杆菌菌液的诱导 将含有质粒 p G2
BI4A2B 的农杆菌接种于附加抗生素的 LB 液体培养
基中 ,于 28 ℃振荡培养 (250 rΠmin)过夜 ,离心收集农
杆菌 (4 000 ×g) ,用 1Π2 MS液体培养基稀释菌液 ,使
OD600值为 0. 1~0. 3 ,用于转化。
1. 3. 2 转化程序 将无菌苗侧根 0. 5~1 cm 切
段浸入农杆菌菌液 10 min ,转移到附加 0. 1 mgΠL
2 ,42D和 0. 1 mgΠL KT的MS共培培养基上 48 h ,然后
转到附加 500 mgΠL Cef (头孢霉素)和 50 mgΠL Km(卡
那霉素)的上述相同培养基上 ,诱导抗性愈伤组织。
50~60 d 后 ,将筛选培养基上获得 GUS 阳性表达的
愈伤组织转移到附加 1. 9 gΠL KNO3 的分化培养基
上 ,诱导胚状体发生和植株再生。培养温度为 (28 ±
1) ℃,16 h 光照Π8 h 黑暗 ,光照强度 2 000 lx。
1. 4 GUS 组织化学定位分析
按照 Jefferson 等 (1987) GUS组织化学定位法[6 ] ,
将转基因棉花的不同组织 ,浸入已配好的 X2gluc 底
物溶液 ,37 ℃保温 2~4 h ,经不同浓度的酒精逐步脱
色后保存在 70 %酒精中 ,显微镜检测 GUS 基因表达
情况。
2 结果和讨论
2. 1 在愈伤组织中的表达
本研究利用 GUS组织化学定位法 ,检测了来自
不同系的 100 块抗性愈伤组织 ,其中 65 %观察到
GUS 基因的表达活性 (图版 Ⅰ21~10) 。图版 Ⅰ21 呈
现的是愈伤组织细胞中 GUS 基因的表达分布 ,从图
可以看到转化愈伤组织细胞着深蓝色 ;非转化愈伤
组织没有着色 (图版 Ⅰ22) 。图版 Ⅰ23~6 展示的是
愈伤组织再生、分化产生的不同时期体细胞胚 (球
形、心形、鱼雷形、子叶形)着蓝色的照片。有趣的是
不同时期的体细胞胚着色深浅不一 ,这可能是由于
农杆菌介导转化的随机性 , GUS 基因整合到植物染
色体时 ,插入位点不同 ,使其转录和表达量存在着差
异。我们的资料显示 ,在愈伤组织的有丝分裂和增
殖过程中 CaMV 35S启动子能稳定表达并遗传给后
代细胞[7 ,8 ] 。图版 Ⅰ27~10 为不同时期体细胞胚的
阴性对照 ,在同样的处理条件下 ,对照没有着蓝色。
2. 2 在根、茎、叶中的表达
图版 Ⅰ211 ,12 显示的是 R0 代转基因棉花的幼
根 (包括主根、侧根和根毛) GUS 检测结果。从图版
Ⅰ211 可以看到主根、侧根和根毛都显示蓝色 ;在高
倍镜下观察到根冠和中柱维管组织着深蓝色 (图版
Ⅰ212) 。这可能由于根冠是根系吸肥和吸水的中
6311 作 物 学 报 30 卷
心 ,而中柱是根系的骨架 ,是水分和养料上下输送的
通道 ,在这些部位β2葡糖苷酸酶含量高 ,组织化学检
测中就会表现出深蓝色。图版 Ⅰ213 来自非转化植
株的根 ,没有着蓝色。从图版 Ⅰ214 可以看到幼苗茎
尖呈深蓝色 ,表明 CaMV 35S启动子在茎尖分生组织
细胞中表达活性强。图版 Ⅰ215 表明在同样处理条
件下非转化幼苗的茎尖未着色。在图版 Ⅰ216 中看
到茎的横切段所有细胞中都表现蓝色 ,且在韧皮部
筛管细胞中为深蓝色。图版 Ⅰ217 是来自非转化茎
横切段的阴性对照。图版 Ⅰ218 观察到的是来自开
花期茎的横切段蓝色 (包括毛状体、表皮、形成层、木
质部导管和韧皮部筛管) ,均着蓝色。在其所有细胞
中 CaMV 35S启动子均呈现了高表达活性。图版 Ⅰ2
19 是开花期棉花茎的阴性对照。图版 Ⅰ220 ,21 是
R0 代幼叶和开花期叶片的 GUS检测结果。很明显 ,
在主叶脉、侧叶脉的网状结构以及叶片和叶柄连接
处均着深蓝色 ,这可能是叶片与叶柄彼此连接输送
养料 ,而叶脉又是水分和养料的通道 ,在这些部位酶
活性高 ,因此着色较深。对照叶片的叶脉则没有着
色 (图版 Ⅰ222) 。在幼叶和开花期叶片组织化学检
测中没有观察到叶肉细胞和腺体着蓝色[9 ] ,认为在
棉花生长发育过程中 CaMV 35S 启动子可能在叶肉
细胞和腺体中不表达或者表达极弱。
2. 3 在胚胎发育和纤维中的表达
图版 Ⅰ223 ,24 ,图版 Ⅱ225~34 是来自 5 个不同
转基因系正在发育的胚和纤维组织中 CaMV 35S 启
动子的表达情况。首先检测出 GUS 表达活性的是
开花 11 d 的鱼雷胚和胚乳 (图版 Ⅰ223) 。尽管胚和
胚乳都着蓝色 ,但胚相对比较深。在胚的更早期发
育阶段没有观察到蓝色。认为这可能是早期发育的
胚太小 (球形、心形) 或者是幼胚着色浅致使一般显
微镜观察不到。也有资料显示 CaMV 35S 启动子可
能在幼小的胚中不表达 [10 ] 。图版 Ⅰ224 展示的是开
花 13 d 的胚和胚乳 ,胚的子叶区明显呈深蓝色 ,而
胚根和胚乳着色较浅。图版 Ⅱ225 是开花 14 d 的
胚 ,其子叶进入伸长期[11 ] ,胚根明显突出而子叶没
有展开 ,子叶区着深蓝色 ,胚根几乎看不到蓝色。认
为着色深是由于胚的子叶区细胞分裂旺盛水解酶活
性高。图版 Ⅱ226 表现的是开花 16 d 胚的照片。该
阶段子叶完全展开 ,在下胚轴和子叶交叉处小区域
呈现蓝色 ,在胚根和整个子叶区几乎看不到蓝色。
图版 Ⅱ227 是来自同一发育时期胚的阴性对照 ,在同
样处理条件下胚没有着蓝色。图 28 是开花 18 d 的
胚。其子叶开始折叠 ,子叶和下胚轴交叉处的蓝色
明显加深并进一步扩展到叶脉组织乃至整个胚。这
些结果说明 CaMV 35S 启动子的表达活性是随着胚
胎发育被逐渐调节的。图版 Ⅱ229 是来自同一发育
时期胚的阴性对照。图版 Ⅱ230 是开花 23 d 棉铃纵
切面照片。从图可以看到棉铃的内壳、外壳及正在
发育的胚都呈现了深浅不一的蓝色。图版 Ⅱ231 是
来自开花 23 d 棉铃的阴性对照。图版 Ⅱ232 ,33 分
别是开花 35 d 正在发育和成熟期棉花纤维组织的
GUS 检测照片 ,很明显其纤维组织以及纤维包裹的
胚都着深蓝色[12 ] 。图版 Ⅱ234 来自棉花纤维的阴性
对照。试验结果显示 ,CaMV 35S 启动子在棉花纤维
细胞的发育过程中是稳定表达的。
2. 4 在花器官中的表达
迄今为止 ,我们还未看到有关利用 GUS 作为报
告基因 ,阐述 CaMV 35S启动子在单一植物花器官中
定位表达的报道。为此 ,我们利用 GUS 作为报告基
因 ,研究了该启动子在转基因棉花花器官中的定位
表达分布[13 ] 。图版 Ⅱ235 呈现的是花蕾纵切面 GUS
阳性表达的照片。从图可以看出柱头、子房、花瓣呈
现不同深浅的蓝色 ,柱头蓝色较深。图版 Ⅱ236 来自
花蕾的阴性对照。图版 Ⅱ237 是雄蕊、花柱、柱头
GUS检测照片。在这些部分的所有组织细胞中均着
蓝色 ,雄蕊蓝色明显比花柱深。图版 Ⅱ238 是花柱、
柱头和雄蕊的阴性对照。图版 Ⅱ239~40 分别是花
朵、花瓣和柱头的照片 ,花瓣、柱头均着蓝色 ,由于花
瓣细胞中色素含量少 ,大部分维管组织都显示了深
蓝色。图版 Ⅱ241 是花瓣的阴性对照。图版 Ⅱ242 是
苞叶照片 ,苞叶的叶脉着色较深 ,看上去与盛花期叶
片很相似。图版 Ⅱ243 是苞叶的阴性对照。在同一
发育阶段苞叶、花瓣和叶片组织蓝色的比较中 ,花瓣
着色相对较深 ,由于花瓣色素含量少维管组织着色
看上去很逼真。图版 Ⅱ244 来自 GUS 阳性表达的棉
花 ,解剖镜下观察到花药和花丝呈深蓝色。图版 Ⅱ2
45 是花药和花丝的阴性对照。图版 Ⅱ246 是高倍显
微镜下观察到的花粉粒 GUS 着色照片。明显看到
花粉粒内部着深蓝色 ,其外围和花粉刺没有蓝色出
现。图版 Ⅱ247 是花粉粒的阴性对照。有关于对不
同种类花粉中 CaMV 35S 启动子活性持不一致观点
的报道 ,Wilkinson (1997) 发现在烟草花粉中该启动
子表达活性较低 ,且在拟南芥菜的花粉中根本检测
不到其表达[14 ] 。Benfey and Chua (1989) 发现在牵牛
花花粉中该启动子有活性 ,但没有照片显示[2 ] 。在
7311 11 期 焦改丽等 :花椰菜花叶病毒 (CaMV) 35S启动子在转基因棉花中的表达
本试验中 , GUS 在花粉中的空间定位表达照片 ,为
CaMV 35S 启动子在棉花花粉中有强的表达活性提
供了可靠依据。
本文利用 GUS 作为报告基因 ,对在棉花大部分
组织和细胞中 CaMV 35S 启动子的表达概况做了首
次报道。试验结果显示 ,在 R0 代转基因再生棉株的
所有营养组织和花器官中都观察到 CaMV 35S 启动
子的表达活性 ,在这些部位的维管组织和花粉中呈
现了高水平的表达。在花粉粒外围、花粉刺、叶肉细
胞和腺体中该启动子却不表达 ,这与 GFP 检测结果
不同。另外 ,GFP 检测到的早期发育胚是开花 13 d
的子叶胚 ,而我们检测到的是开花 11 d 的鱼雷胚 ,
比 GFP 显示的结果提前了一个发育期。在胚胎发
育过程中通过对 GUS 活性的空间定位分析 ,发现该
启动子的表达活性是随着胚胎发育被逐渐调节的。
在发育和成熟纤维中也观察到该启动子的表达活
性 ,克服了 GFP 在成熟纤维中不能显示以及在花粉
中不容易辨别的缺点。至于在早期发育胚 (球形、心
形期)中没有观察到 GUS 表达活性 ,是由于早期胚
太小或者是 GUS 表达活性低 ,一般显微镜不容易观
察到 ,还是该启动子在早期发育胚中确实不表达 ,还
有待进一步研究。总之 ,本文提供的资料展示了对
CaMV 35S 启动子在棉花大部分组织和细胞中表达
分布相对精确的信息 ,这对于该启动子介导转基因
表达的基础和应用研究将十分有用。
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图 版 Ⅰ 说 明
图版Ⅰ:在转基因棉花中 GUS 活性的组织化学定位。1 : GUS 在愈伤组织中的表达 ;2 :阴性对照的愈伤组织 ;3~6 : GUS 在不同时期体细胞
胚 (球形、心形、鱼雷形和子叶形)中的表达 ;7~10 :来自不同时期体细胞胚的阴性对照 ;11 ,12 : GUS 在棉花根系和根冠中的表达 ;13 :对照棉花根
系照片 ;14 : GUS 在茎尖中的表达 ;15 :棉花茎尖的阴性对照 ;16 : GUS 在试管苗茎横切段中的表达 ;17 :对照试管苗茎横切段 ;18 : GUS 在盛花期
茎横切段中的表达 ;19 :茎横切段对照图片 ;20 ,21 : GUS 分别在试管苗幼叶和开花期叶片中的表达照片 ;22 :未转化棉花对照叶片 ;23 : GUS 在开
花 11 d 鱼雷胚和胚乳中表达 ;24 : GUS 在开花 13 d 子叶胚和胚乳中表达。
Explanation of Plate Ⅰ
Plate Ⅰ:Histochemical localization of GUS activity in transgenic cotton. 1 : GUS expression in callus ; 2 : Negative control in callus ; 3 - 6 : GUS expression
8311 作 物 学 报 30 卷
in somatic embryo of different stages (globular、heart、torpedo and cotyledon) ,respectively ; 7 - 10 : Negative control in somatic embryos of different stages ; 11 ,12 :
GUS expression in the cotton roots and root cap ; 13 :Control in the roots of untransformed cotton ; 14 : GUS expression in the stem apex ; 15 :Negative control in the
stem apex ; 16 : GUS expression in test2tube plantlets and GUS expression in transverse section of seeding cotton stems ; 17 :Negative control in a transverse section
of a cotton stem ; 18. : GUS expression in a transverse section of the stems of flowering phase ; 19 : Negative control in the cotton stems ; 20 ,21 : GUS expression
in a young leaf of test2tube plantlet and leaves of flowering phase ; 22 :Negative control in leaves(untransformed cotton) ; 23 : GUS expression in torpedo2stage em2
bryo and endosperm of 11 d after the anthesis ; GUS expression was first detected in the embryo ; 24 : GUS expression in cotyledon2stage embryo and endosperm of
13 d after the anthesis.
图 版 Ⅱ 说 明
图版Ⅱ:在转基因棉花中 GUS活性的组织化学定位。25 : GUS 在开花 14 d 子叶胚中的表达 ,胚的这个发育阶段进入伸长期 ;26 : GUS 在开
花 16 d 子叶胚中的表达 ,很明显 GUS 表达活性被定位在下胚轴和子叶交叉处 ;27 :开花 16 d 子叶胚阴性对照的检测结果 ;28 : GUS 在开花 18 d
子叶胚 (这个时期胚的子叶开始折叠)中的表达 ;29 :开花 18 d 子叶胚阴性对照 ;30 : GUS 在开花 23 d 棉铃纵切面中的表达 ;31 :开花 23 d 棉铃纵
切面阴性对照 ;32 ,33 : GUS 在开花 35 d 左右的发育棉花纤维和成熟期棉纤维中的表达 ;34 :纤维阴性对照 ;35 : GUS 在花蕾纵切面中的表达 ;36 :
为花蕾的阴性对照 ;37 : GUS 在花柱、柱头和雄蕊中的表达 ;38 :为阴性对照 ;39 ,40 : GUS 分别在花朵和花瓣中的表达 ;41 :花瓣的阴性对照 ;42 ,
43 :分别是 GUS 在苞叶中的表达和对照 ;44 ,45 ; GUS 在花药、花丝中的表达分布和阴性对照 ;46 ,47 ;分别为 GUS 在花粉粒中的表达和对照。
Explanation of Plate Ⅱ
Plate Ⅱ: Histochemical localization of GUS activity in transgenic cotton. 25 : GUS expression in cotyledon2stage embryo of 14 d after the anthesis , the embryo
was in the elongation stages ; 26 : GUS expression in cotyledon2stage embryo of 16 d after the anthesis , GUS expression was visible at the junction of the hypocot2
yls region of the embryo and the cotyledons ; 27 :The result of negative control in cotyledon2stage embryo of 16 d after the anthesis ; 28 : GUS expression in cotyle2
don2stage embryo of 18 d after the anthesis(when the cotyledons began to fold) ; 29 :Detecting results of negative control in cotyledon2stage embryo of 18 d after the
anthesis ; 30 : GUS expression in longitudinal section of cotton bolls of 23 d after anthesis ; 31 :Negative control in a longitudinal section of a cotton boll of 23 d after
anthesis ; 32 : GUS assay results of developmental fibrous tissue of 35 d after anthesis ; 33 : GUS expression in cotton fiber in the maturation stage ; 34 :Negative con2
trol in the fibrous tissue ; 35 : GUS expression in longitudinal section of the alabastrums ; 36 :Negative control in (a) alabastrum ; 37 : GUS expression in the styles ,
stigmas and stamens ; 38 :The fig. of non2transgenic control ; 39 ,40 : GUS expression in the flowers and petals ,respectively ; 41 :Negative control in the petals ;
42 : GUS expression in the bracteal leaves (bracts) ; 43 :Negative control in the bracteal leaves ; 44 : GUS expression in the anthers and filaments ; 45 :Negative
control in the anthers and filaments ; 46 : GUS expression in the pollen grains ; 47 :Negative control in pollen grains.
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9311 11 期 焦改丽等 :花椰菜花叶病毒 (CaMV) 35S启动子在转基因棉花中的表达