异源过表达齿肋赤藓ScABI3基因改变拟南芥气孔表型并提高抗旱性

ABI3是ABA信号通路中关键的转录调控因子, 参与种子休眠、质体发育及苔藓耐干等重要生理过程, 在植物抗逆中发挥关键作用。以荒漠耐干苔藓——齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)为材料, 克隆了抗逆基因ScABI3并获得3个独立的pCAMBIA1301-ScABI3转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)纯合株系。结果表明, 转基因拟南芥叶片气孔孔径增大, 单位面积气孔数量减少, 植株水分利用效率提高; 在干旱处理14天后转基因拟南芥植株存活率显著高于野生型, 离体叶片失水率显著低于野生型。进一步研究发现, ScABI3转基因拟南芥通过提高自身活性氧(ROS)清除能力增强植株抗旱性。研究结果可为开发利用荒漠植物基因资源培育抗逆作物品种奠定基础。     

一种花生快速遗传转化方法的建立与应用

遗传转化是植物基因工程的重要手段。快速、高效地将目的基因导入植物细胞, 并缩短获得转基因后代的时间是遗传转化的关键。花生(Arachis hypogaea)是我国重要的油料及经济作物。目前花生的遗传转化体系尚未完善, 制约着花生的基因功能解析和分子育种进程。该文建立了一套快速、稳定的花生遗传转化体系。通过将农杆菌注射于花生第2茎节的切面获得转化植株, 再将阳性植株进行移栽和回土, 采摘注射点以上的荚果进行后续鉴定与分析。结果表明, 利用该方法可获得40%以上的T₀代嵌合体植株, 约5个月可收获T₀代花生种子, 其中约有9%的T₁代花生植株为非嵌合体的杂合体。针对部分转基因植株结实少的问题, 进一步提出了将快速转化体系与传统组培方法相结合的优化方案。构建的快速转化方法对大蒜(Allium sativum)、马铃薯(Solanum tuberosum)和香雪兰(Freesia refracta)的遗传转化具有潜在应用价值, 对其它植物的遗传转化也有重要参考价值。     

拟南芥AtUNE12基因的耐盐功能初探

bHLH转录因子家族成员在植物生长发育、生理代谢及非生物胁迫响应过程中起重要作用。本研究选取拟南芥抗逆相关bHLH转录因子家族中AtUNE12基因为研究对象,对其进行耐盐功能初探。首先构建AtUNE12基因的植物过表达载体（pROKⅡ-AtUNE12）,通过农杆菌介导的浸花法转化拟南芥,利用qRT-PCR技术检测获得T₃代AtUNE12过表达转基因植株。在盐胁迫下,分析过表达AtUNE12与野生型拟南芥长势、根长及鲜重;比较过表达AtUNE12与野生型植株的电解质渗透率、失水率、MDA含量、POD与SOD活性及H₂O₂含量,鉴定AtUNE12基因是否具有耐盐能力。结果表明：过表达AtUNE12基因降低了拟南芥植株的失水率、电解质渗透率及MDA含量,保护细胞膜结构的完整性;增强了POD与SOD活性,降低了拟南芥植株内的H₂O₂含量,进而增强拟南芥植株的ROS清除能力,从而提高拟南芥的耐盐能力。     

一种拟南芥基因高效编辑体系研究

CRISPR/Cas9基因编辑系统操作简单易行,无需引入外源基因,生物安全性高。但怎样快速筛选获得不含外源转化元件的基因编辑后代是一个关键技术问题。本研究创造性的将拟南芥种皮特异性启动子At2S3与荧光筛选标记基因mCherry组装进植物基因组定点编辑CRISPR载体pHDE中,以拟南芥as1为靶基因,构建一种通过荧光标记筛选、实现转化后代中Cas9 Free的基因高效编辑体系。结果表明,通过同源重组方法构建的带有筛选标记的CRISPR载体与设计相符,外源插入片段正确。挑选转化后种皮上带有红色荧光标记的阳性种子培育得到T₁代植株,经PCR验证,成功获得as1定点敲除的纯合突变植株,纯合子比率达到40%;挑选T₁代纯合突变上不带荧光的种子,培育得到的T₂代植株中,PCR检测不到Cas9片段,实现了编辑后代的Cas9 Free。本研究构建的一种带有可视化筛选标记的基因高效编辑体系,成功实现编辑后代中无外源插入的Cas9等转化元件,生物安全性高,为基因组定点编辑技术在植物遗传资源改良中的高效利用提供了借鉴与参考。     

小麦TaLCD基因的克隆及其对渗透胁迫的调节作用

半胱氨酸脱巯基酶(CDes)可催化降解半胱氨酸(Cys)生成硫化氢(H₂S)。通过克隆小麦(Triticum aestivum)中的L-半胱氨酸脱巯基酶基因TaLCD, 并将其在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达, 探讨TaLCD对渗透胁迫条件下种子萌发和根系生长的影响, 并分析其对干旱胁迫的调节作用。结果显示, 盐胁迫条件下, TaLCD过表达植株种子萌发率显著高于野生型; 甘露醇处理条件下, TaLCD过表达植株的根长也显著高于野生型, 且TaLCD过表达显著提高植株抗旱性。此外, TaLCD过表达植株对ABA更加敏感, ABA处理下TaLCD过表达植株的种子萌发率及根长均显著低于野生型。干旱胁迫下, TaLCD过表达植株胁迫响应基因(COR47、RD29A、RAB18和RD22)及ABA信号途径相关基因(NCED3、HAB1、HAB2、ABI1、ABI2和ABF2)的表达水平均显著高于野生型。因此推测, TaLCD增强植株抗旱和抗盐能力可能依赖于ABA信号途径。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

利用CRISPR/Cas9鉴定玉米发育相关基因ZmCen*

目的: 利用CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 系统构建玉米中心蛋白(Centrin)的表达载体,经转化后分析其对玉米生长发育的影响。方法: 针对ZmCen基因的第一个外显子设计sgRNA,将其连入pOMS01-Cas9-ZmCen-sgRNA表达载体,转化农杆菌GV3101后,侵染玉米自交系材料B104的愈伤组织,经继代、诱导、分化成苗,筛选出转基因后代。对T₀代和T₁代基因组DNA进行PCR验证、测序及表型分析。结果: 成功构建ZmCen的表达载体。侵染农杆菌后,PCR测序显示,T₀ 代和T₁ 代突变率分别为 20.13% 和 64.52%,其中T₁ 代的纯合缺失突变率为5%。序列分析表明,ZmCen基因的编辑靶点附近发生了碱基的替换、插入或缺失。经与野生型表型比对发现,ZmCen 突变体T₁代植株出现发育缓慢且雄花序不完全发育表型,纯合突变体植株雄花序则完全不发育。结论: 通过 CRISPR/Cas9技术成功地对玉米ZmCen基因进行了编辑,ZmCen突变体的获得为玉米雄性器官发育相关基因的研究奠定了基础。     

天山雪莲SiSAD基因与拟南芥AtFAB2基因转化 烟草的抗寒性分析

通过转基因烟草(Nicotiana tabacum)验证天山雪莲(Saussurea involucrata) Δ9硬脂酰-ACP脱饱和酶基因SiSAD与拟南芥(Arabidopsis thaliana)中同源基因AtFAB2的抗寒性功能。利用农杆菌介导法将植物表达载体P_SiSAD:AtFAB2和P_SiSAD:SiSAD导入烟草, 然后将2种转基因和野生型烟草分别置于20°C、10°C、5°C、0°C及-2°C下处理2小时, 检测其相对电导率、丙二醛(MDA)含量、叶绿素荧光参数(F_v/F_m)及脂肪酸含量。将-2°C处理2小时后的植株置于25°C培养1周进行生长恢复实验。结果表明, 生长恢复实验中转SiSAD基因烟草的恢复效果显著优于转AtFAB2基因和野生型烟草。在0°C和-2°C处理2小时后, 转SiSAD、AtFAB2基因型和野生型烟草的相对电导率和丙二醛含量呈现显著递增趋势; 转SiSAD、AtFAB2基因型烟草的F_v/F_m显著高于野生型烟草, 其中, 转SiSAD基因烟草的F_v/F_m显著高于转AtFAB2基因烟草。转AtFAB2基因型和野生型烟草的油酸(C18:1)含量随着温度的降低逐渐升高后降低并在0°C时达到最高值; 而转SiSAD基因型烟草C18:1含量持续升高, 并在-2°C时达到最高值, 其含量分别是转AtFAB2基因型和野生型烟草的1.58倍和1.7倍。以上结果表明, 天山雪莲Δ9硬脂酰-ACP脱饱和酶基因SiSAD与拟南芥中同源基因AtFAB2均可以显著增强非低温驯化烟草的抗寒性, 但是SiSAD基因效果显著优于AtFAB2。     

过表达钾转运蛋白基因trkH提高玉米的钾营养

钾是植物生长发育必须的营养元素,参与多种生理生化过程。土壤缺钾严重影响了玉米的产量和品质,通过遗传改良的方式提高玉米的钾营养是解决这个问题的有效途径。本实验室前期从海洋微生物宏基因组DNA中克隆得到细菌钾转运蛋白基因trkH,在酵母和烟草中验证了功能。为进一步分析trkH基因在玉米中的功能,以Hi-Ⅱ基因型玉米为转化受体,采用农杆菌介导法将trkH基因转入玉米,获得具有Baster抗性的独立转化苗21株。PCR检测结果表明trkH基因已成功转入到玉米基因组中。Bar试纸条检测结果表明Bar基因在蛋白水平上成功表达。将部分T₀代转基因植株与玉米骨干自交系PH6WC杂交,获得8个T₁代株系,半定量RT-PCR检测结果表明转基因植株在转录水平上均能表达。三叶一心期喷洒除草剂进行筛选,选择比例接近1：1的L3、L5和L7转基因株系进行PCR检测,统计检测结果并进行χ²测验,结果表明符合孟德尔分离定律。L3、L5和L7转基因株系玉米苗期的钾耗竭实验结果表明过表达trkH基因能够提高转基因玉米的K⁺吸收,为培育钾营养高效玉米新品种奠定基础。     

谷子SiRLK35基因克隆及功能分析

为探讨谷子(Setaria italica L.)耐旱抗逆机制,解析类受体蛋白激酶(receptor like protein kinase, RLKs)基因功能,进而为培育谷子抗逆新品种提供依据,本文以干旱处理的谷子“豫谷1号”为材料,通过iTRAQ技术筛选到1个干旱响应的类受体蛋白激酶基因,命名为SiRLK35。以谷子RNA反转录的单链cDNA为模板,经PCR扩增获取SiRLK35基因全长序列。应用qRT-PCR方法,对SiRLK35在NaCl、PEG、ABA、GA、MeJA等不同处理下的表达模式进行分析。进一步构建基因原核表达载体pET28a-SiRLK35,结合斑点法对SiRLK35的抗盐能力进行初步评价。同时构建过表达载体pCAMBIA1301P-SiRLK35转化水稻,并对转基因植株抗盐能力进行检测。结果显示：胁迫及激素处理均可不同程度诱导SiRLK35基因的表达;斑点法研究结果显示,在相同NaCl浓度的LB平板上,含有SiRLK35基因的原核表达载体的大肠杆菌菌株生长状态较阴性对照好,SiRLK35具有一定的抗盐能力;获得的转SiRLK35基因水稻植株对盐胁迫的耐受性高于对照。SiRLK35基因对不同胁迫均可以产生响应,但对盐胁迫的响应较为明显,推测该基因可能在谷子的抗盐及抗逆过程中发挥作用。     

水稻受盐抑制基因OsZFP1的转基因分析

OsZFP1(水稻锌指蛋白1)基因编码的蛋白含有3个推测的Cys2/Cys2-型锌指结构域,它的表达受盐胁迫负调控.构建了以35S为启动子的OsZFP1基因的植物表达载体,并将其转入拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)植物和水稻(Oryza sativa L.)愈伤组织中以过量表达OsZFP1基因.转基因的拟南芥植株和水稻愈伤组织对盐处理的敏感性都比野生型要高.这一结果表明OsZFP1基因可能编码一种负调控蛋白,它可能抑制某些盐诱导基因的表达.在ABA处理下,转基因拟南芥植株比野生型植株抽苔晚,说明OsZFP1基因的作用可能受ABA调节.     

An in planta haploid induction system in Brassica napus

Doubled haploid technology is widely used to accelerate plant breeding, but its use in the important oilseed crop Brassica napus L. is limited because B. napus haploids could only be obtained through in vitro anther or microspore cultures. Recently, maize (Zea mays) lines containing mutations in Domain of unknown function 679 membrane protein (DMP) were used as haploid inducer lines. This new haploid induction mechanism has been extended to several other plants, including the dicots Arabidopsis thaliana, tomato (Solanum lycopersicum), and tobacco (Nicotiana tabacum). Here, we knocked out four BnaDMP genes in the B. napus cultivar Westar using a clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 vector with an enhanced green fluorescent protein expression cassette. Plants with DMP mutations in B. napus in the T₀, T₁, and T₂ generations exhibited a haploid induction rate up to 2.53%. These results suggest that targeting BnaDMP could be useful for haploid induction in B. napus.     

铁棍山药微型块茎遗传转化体系的建立

怀山药(Dioscorea opposita)遗传转化是对其进行基因功能分析和遗传改良的基础, 但目前国内外尚未见相关报道。以怀山药优良品种铁棍山药(D. opposita cv. ‘Tiegun’)的微型块茎为受体材料, 对影响遗传转化的因素进行优化, 建立了由根癌农杆菌介导的山药遗传转化体系。过表达质粒载体pCAMBIA1301-DoSERK2含GUS标记基因和潮霉素(Hyg)抗性筛选基因, 沉默质粒载体pART27-DoSERK2含卡那霉素(Kan)抗性筛选基因。根癌农杆菌抑制剂特美汀(Tim)的最佳浓度为500 mg·L ^-1; 再生芽和生根时, Hyg的最佳浓度分别为15和20 mg·L ^-1, Kan的最佳浓度分别为120和160 mg·L ^-1。对转化植株进行PCR和GUS组织化学检测, 结果显示外源基因已整合到铁棍山药转基因株系的基因组中并在细胞中表达。该研究建立了一套取材便利的铁棍山药遗传转化方法, 对其它品种山药的转化也具有参考价值。     

The Arabidopsis phosphatase PP2C49 negatively regulates salt tolerance through inhibition of AtHKT1;1

Type 2C protein phosphatases (PP2Cs) are the largest protein phosphatase family. PP2Cs dephosphorylate substrates for signaling in Arabidopsis, but the functions of most PP2Cs remain unknown. Here, we characterized PP2C49 (AT3G62260, a Group G PP2C), which regulates Na⁺ distribution under salt stress and is localized to the cytoplasm and nucleus. PP2C49 was highly expressed in root vascular tissues and its disruption enhanced plant tolerance to salt stress. Compared with wild type, the pp2c49 mutant contained more Na⁺ in roots but less Na⁺ in shoots and xylem sap, suggesting that PP2C49 regulates shoot Na⁺ extrusion. Reciprocal grafting revealed a root‐based mechanism underlying the salt tolerance of pp2c49. Systemic Na⁺ distribution largely depends on AtHKT1;1 and loss of function of AtHKT1;1 in the pp2c49 background overrode the salt tolerance of pp2c49, resulting in salt sensitivity. Furthermore, compared with plants overexpressing PP2C49 in the wild‐type background, plants overexpressing PP2C49 in the athtk1;1 mutant background were sensitive to salt, like the athtk1;1 mutants. Moreover, protein–protein interaction and two‐voltage clamping assays demonstrated that PP2C49 physically interacts with AtHKT1;1 and inhibits the Na⁺ permeability of AtHKT1;1. This study reveals that PP2C49 negatively regulates AtHKT1;1 activity and thus determines systemic Na⁺ allocation during salt stress.