插入玉米Ds转座因子的水稻转化群体及其分子分析

转座子标签法是一种利用转座因子插入高等植物基因组中造成基因突变,然后通过分离转座因子插入的旁邻顺序,进而克隆出突变基因的策略。这种策略在高等植物功能基因组学的研究中是十分有用的,为此目的,将玉米的Ｄｓ因子及ｂａｒ基因连接至载体ｐＣＡＭＢＩＡ１３００的Ｔ－ＤＮＡ区域中,构建成重组Ｔｉ质粒ｐＤｓＢａｒ１３００。ｐＤａＢａｒ１３００中Ｔ－ＤＮＡ区域中的潮霉素抗性基因可在转化过程中用作水稻转化植株的选择标     

Ac／Ds转座系统在水稻转化群体中的转座活性及转座子插入位点旁侧序列的分析

利用本实验室构建的转Ac(Ac TPase)及Ds(Dissociation)的水稻(Oryza sativa L.)转化群体,配置了Ae×Ds的杂交组合354个。检测了转基因植株的T-DNA插入位点右侧旁邻序列,研究了Ac/Ds转座系统在水稻转化群体中的转座活性。结果表明,有些转化植株T-DNA插入位点相同或相距很近,插入位点互不相同的占65.4％。检测到T-DNA可插入到编码蛋白的基因中。在Ac×Ds的F2代中,Ds因子的转座频率为22.7％。对Ac×Ds杂交子代中Ds因子旁侧序列的分析,进一步表明了Ds因子在水稻基因组中的转座活性,除了从原插入位点解离并转座到新的位点之外,还有复制——转座和小完全切离等现象。获得的旁侧序列中,有些序列与GenBank中的数据没有同源性,目前有2个DNA片段在GenBank登录。探讨了构建转座子水稻突变体库进行水稻功能基因组学研究的策略。     

Ac/Ds转座系统在水稻转化群体中的转座活性及转座子插入位点旁侧序列的分析

利用本实验室构建的转Ac(AcTPase)及Ds(Dissociation)的水稻(Oryza sativa L.)转化群体,配置了Ac×Ds的杂交组合354个.检测了转基因植株的T-DNA插入位点右侧旁邻序列,研究了Ac/Ds转座系统在水稻转化群体中的转座活性.结果表明,有些转化植株T-DNA插入位点相同或相距很近,插入位点互不相同的占65.4%.检测到T-DNA可插入到编码蛋白的基因中.在Ac×Ds的F2代中,Ds因子的转座频率为22.7%.对Ac×Ds杂交子代中Ds因子旁侧序列的分析,进一步表明了Ds因子在水稻基因组中的转座活性,除了从原插入位点解离并转座到新的位点之外,还有复制--转座和不完全切离等现象.获得的旁侧序列中,有些序列与GenBank中的数据没有同源性,目前有2个DNA片段在GenBank登录.探讨了构建转座子水稻突变体库进行水稻功能基因组学研究的策略.     

不同启动子控制下Ac转座酶基因的表达对玉米Ds因子在水稻中切离频率的影响

用水稻愈伤组织比较了Ac启动子、35S启动子与Ubi启动子控制下Ac转座酶基因（Ts）的表达对Ds因子切离频率的影响。结果表明Ubi启动子与Ac转座酶编码区嵌合基因（Ubipro-Ts)反式激活Ds因子的切离频率最高,达到了72．9％。通过杂交将Ubipro-Ts基因导入Ds因子转化植株,得到9株Ubipro-Ts基因与Ds因子共存的F1代杂交水稻植株,其中有8株Ds因子发生了切离。用Inverse-PCR的方法从其中一株杂交植株中克隆到Ds因子的旁邻序列,其DNA顺序与亲本中Ds因子原插入位点的序列不同,表明Ds因子转座到了新的基因组位点。     

不同启动子控制下Ac转座酶基因的表达对玉米Ds因子在水稻中切离频率的影响

用水稻愈伤组织比较了Ac启动子、35S启动子与Ubi启动子控制下Ac转座酶基因（Ts）的表达对Ds因子切离频率的影响。结果表明Ubi启动子与Ac转座酶编码区嵌合基因（Ubipro-Ts）反式激活Ds因子的切离频率最高,达到了72.9%。通过杂交将Ubipro-Ts基因导入Ds因子转化植株,得到9株Ubipro-Ts基因与Ds因子共存的F1代杂交水稻植株,其中有8株Ds因子发生了切离。用Inverse-PCR的方法从其中一株杂交植株中克隆到Ds因子的旁邻序列,其DNA顺序与亲本中Ds因子原插入位点的序列不同,表明Ds因子转座到了新的基因组位点。     

含Ds转座因子的T-DNA在水稻染色体上的分布研究

应用农杆菌介导的方法获得了有Ds因子插入的3000多株水稻转化群体, 用Inverse PCR方法, 从部分独立转化植株中分离了590条含Ds因子的T-DNA插入位点处的右侧旁邻水稻染色体序列. 根据旁邻序列中T-DNA右边界与侧翼水稻序列之间的插入序列的特征可分成6个主要类别, 其中类型Ⅰ是主要类型, 为通常的T-DNA整合, 即T-DNA右边界序列与水稻染色体序列相连, 或者其间插入小于50 bp的序列片段; 类型Ⅱ为T-DNA右边界旁先接T-DNA载体序列, 再与水稻序列相接的重组类型. 340个类型Ⅰ和Ⅱ的旁邻序列通过与已知的水稻染色体序列数据库一致性比较分析, 确定了它们在水稻染色体上的分布位置, 构建了一个Ds因子在水稻12条染色体插入的框架结构. 这340个有Ds因子插入的位点在整个染色体上平均相距0.8 Mb. 分析在第1条染色体上T-DNA(Ds)插入情况显示有21％的频率插入到预测基因的外显子中. T-DNA(Ds)在染色体上分布位置的确定, 使我们可以选择合适的Ds因子插入株作为起始株系, 导入Ac转座酶基因后, 使Ds发生转座, 从而获得新的Ds插入突变株, 为进一步利用Ds转座标签法分离水稻基因创造了条件.     

插入含Ds因子的T-DNA产生的水稻脆秆突变株的遗传和分子分析

在构建由农杆菌介导的玉米Ds转座因子插入的水稻转化群体中,得到了一个茎秆等组织发生脆性突变的株系。理化指标定量测定表明,脆性株系的载荷强度和纤维素含量都比正常植株低很多,可溶性糖含量略有减少。对这个突变株的分子检测结果表明Ds因子在脆性株系中为单位点插入。检测了自前3代（T1,T2,T3)植株中T-DNA(Ds)插入与脆性表型的共分离关系。初步结果表明这个突变是T－DNA（Ds)的插入造成的,这个突变基因可能与水稻纤维素合成有关。     

Ac/Ds(GUS)结构介导的水稻启动子捕获系统的建立

构建了基于Activator/Dissociation(β-glucuronidase)[简称Ac/Ds(GUS)]结构的捕获质粒p13B,用于分离水稻基因启动子.以此质粒用衣杆菌介导的方法转化粳稻品种中花11的胚性愈伤组织,对获得的18个独立转化株的T2代植株进行了抗除草剂筛选,从141个抗除草剂转基因植株中用PCR方法检测到其中37株是Ds因子发生了转座的植株,而且这种转座到新位置上的Ds因子是遗传的.初步观察到其中5株的GUS染色呈阳性.     

T-DNA插入水稻群体中卷叶突变体R1-A2的遗传分析

在根癌农杆菌介导的T-DNA(携带有除草剂Basta抗性基因bar和Ds因子)转化中花11水稻群体中,获得了一个叶片发生明显内卷的突变体R1-A。经过连续三代的分离鉴定,获得突变体的纯合株(R1-A2),并与中花11号进行杂交,在调查的36个F_1植株中,全部表现为卷叶,并对Basta除草剂都表现为抗性。在852个F_2单株中,卷叶为645株,正常叶207株,卷叶和正常叶的比例为3:1,其中,卷叶株均对Basta表现抗性,正常叶株均对Basta表现敏感,表明卷叶性状和Basta抗性存在着共分离关系。用扩增Ds因子的引物,对F_2中45个卷叶抗性株进行PCR鉴定,都获得预期长度的Ds因子片段,进一步表明在这些卷叶的植株中都有T-DNA的插入;而30个正常叶敏感株都不能检测到Ds的特征片段。在以卷叶突变(R1-A2)为回交亲本的F_1B_1植株中,全部植株表现卷叶;在以中花11号为回交亲本的F_1B_1植株中,卷叶和正常叶植株的分离比为1:1。上述结果表明该卷叶突变是个显性突变,受一个基因所控制,且该基因的突变与T-DNA的插入有关。     

用无启动子的GUS报告基因捕获水稻基因启动子

构建了嵌合质粒p13DGUTs,它是在Ds转座子中插入了无启动子的B．葡萄糖醛酸酶报告基因(GUS),用于分离水稻基因启动子。将p13DGUTs转化粳稻品种中花11的胚性愈伤组织,获得了496个转基因植株。抗性愈伤组织与转基因植株的GUS染色与PCR分析表明整合在水稻染色体上的Ds因子都发生了随机跳跃。转基因植株T0代与部分T1代的GUS染色结果表明,M92转基因植株中Ds转座子整合位置上游的水稻基因启动子指导GUS基因的表达及表达的特性是可遗传的。文章对此方法在分离水稻基因启动子与基因上的应用进行了讨论。     

利用Ac/Ds转座子系统在水稻中获得无选择标记转基因植株的方法

获得无选择标记转基因植株是进行重复转基因及消除转基因植株中标记基因潜在危害性的关键。实验采用了Ac／Ds转座子系统在水稻(Oryza sativa,L．)中进行无hpt选择标记的转基因。将含有目的基因bar的Ds元件和hpt标记基因置于同一个T-DNA中,通过农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHAl05介导将Ac-T-DNA及Ds-T-DNA分别转入到不同的水稻植株,再将单拷贝的Ac-T-DNA植株与单拷贝的Ds-T-DNA植株杂交得到同时含有Ac和Ds元件的F1植株,Fl自交产生F2后代,F2植株中转座后的Ds元件与T-DNA独立分离,在总共100株F2水稻植株中筛选得到2株只含有Ds元件插入而无hpt标记基因的转基因水稻植株。结果表明,利用Ac／Ds转座子系统在水稻中获得无选择标记的转基因植株是可行的。     

水稻转座子突变体库的构建及突变类型的遗传分析

利用根癌农杆菌介导的遗传转化法,把玉米转座子Ac片段(合成转座酶)和Ds因子(转座序列)分别导入粳稻品种中花11,获得了400多个转化株系。有63个株系的转基因T₀代植株或T₁代植株出现了可见的形态变异,包括抗病、白苗、黄苗、白条斑叶、有色秆、矮秆、匍匐茎、雄性不育、抽穗早、抽穗迟、多倍体等突变类型。对突变性状的形态及分子生物学分析,有些突变类型可能与转座子插入有关。     

玉米转座因子Ac／Ds导入水稻花药悬浮细胞并再生成植株

使用电激法将分别含玉米转座因子ＡＣ或Ｄｓ因子的质粒ＤＮＡ同时导入水稻花药悬浮系细胞团,得到转化抗性意伤组织,并分化成可育植株。对一些植株的ＤＮＡ进行了Ｓｏｕｔｈｅｒｎ分析和ＰＣ且扩增,发现导入的外源ＤＮＡ已整合到了水稻染色体上而且Ｄｓ因子已发生了转座。抗性测定表明转化植株Ｆ１代和Ｆ２代种子中的大多数仍有Ｄｓ因子存在。     

水稻基因组上一个Ds切离及其双位点插入行为的分子鉴定

玉米转座元件Ac/Ds是hAT转座子家族的成员, 导入水稻基因组后具有转座活性, 尽管转座机制还不完全清楚, 但它们通常经保守的非复制型“剪切-粘贴”过程转座。研究表明, 在Ac编码的转座酶作用下, Ds从原位点切离后常优先重新插入到连锁位点。文章利用TAIL-PCR技术从水稻一个Ds插入突变体及其回复突变体中分离Ds侧翼序列, 结合生物信息学分析方法, 对Ds在突变体上插入位点、回复突变体内切离足迹和重新插入位点进行了分子鉴定。结果显示, 突变体中Ds从3号染色体切离后, 在原插入位点残留了8 bp足迹序列(CATCATGA), 引起Ds标记基因外显子和内含子数目增加, 从而影响基因结构。切离后的Ds重新插入回复突变体第2和第6号染色体上, 分别编码烟草胺氨基转移酶和衰老相关蛋白的2个基因的编码区。因此, 典型的“剪切-粘贴”机制不能完全解释Ds的转座行为, Ds转座存在“剪切-复制-粘贴”的特点。     

Mapped Ds/T-DNA launch pads for functional genomics in barley

A system for targeted gene tagging and local saturation mutagenesis based on maize transposable elements (Ac/Ds) was developed in barley (Hordeum vulgare L.). We generated large numbers of transgenic barley lines carrying a single copy of the non-autonomous maize Ds element at defined positions in the genome. Independent Ds lines were either generated by activating Ds elements in existing single-copy lines after crossing with AcTPase-expressing plants or by Agrobacterium-mediated transformation. Genomic DNA flanking Ds and T-DNA insertion sites from over 200 independent lines was isolated and sequenced, and was used for a sequence based mapping strategy in a barley reference population. More than 100 independent Ds insertion sites were mapped and can be used as launch pads for future targeted tagging of genes in the vicinity of the insertion sites. Sequence analysis of Ds and T-DNA flanking regions revealed a sevenfold preference of both mutagens for insertion into non-redundant, gene-containing regions of the barley genome. However, whilst transposed Ds elements preferentially inserted adjacent to regions with a high number of predicted and experimentally validated matrix attachment regions (nuclear MARs), this was not the case for T-DNA integration sites. These findings and an observed high transposition frequency from mapped launch pads demonstrate the future potential of gene tagging for functional genomics and gene discovery in barley.