无标记（Marker—Free）：转基因植物研究的新趋势

目前 ,几乎所有的植物遗传转化中都要使用选择性标记基因诸如抗生素或除草剂抗性基因等来筛选转化子。为了消除由此而引起的公众的安全性顾虑 ,一种全新的发展策略即获取无选择标记的转基因植物应运而生。无选择标记的转基因植物具有许多独特的优势 ,如消除大众对转基因植物中含有选择标记基因而引起的恐惧及可以反复地向已转化的植物中叠加外源基因等 ,因此 ,这种新策略 (无标记 )有着巨大的应用潜力。本文对获得无标记转基因植物的一些途径做一综述。     

无筛选标记转基因作物的研究进展

目前,大部分植物遗传转化都要使用选择标记基因,诸如抗生素、除草剂等来筛选转化子,由此而引起的转基因生物安全性问题受到了人们的关注。为了消除转基因作物中的筛选标记,一种全新的策略即无选择标记的转基因技术迅速发展起来。该技术既能够减轻大众对转基因植物中含有选择标记基因而引起的恐惧,又能将多个基因逐个整合到同一作物以实现基因聚合。因此这种新策略有着巨大的应用价值。对获得无筛选标记转基因作物的一些方法及其最新研究进展进行综述。     

无选择标记转基因植物的培育

植物转基因研究中通常都要使用选择标记基因来筛选转化细胞并获得转基因植株。但是当转基因植株育成后,选择标记基因就失去了存在的意义。为了消除由选择标记基因引起的安全性隐患,人们发展了一些培育无选择标记转基因植物的策略。这些策略主要包括共转化、位点特异性重组和转座子转座等。去除选择标记基因将促进公众对转基因作物的接受。评述了无选择标记转基因植物的研究进展。     

培育无选择标记的转基因植物

目前,几乎所有的植物遗传转化都要通过使用选择标记基因,如抗生素或除草剂抗性基因等来筛选转化子,虽然没有研究结果表明选择标记基因影响人类健康或环境安全,但近年来也引发了人们对转基因产品安全性的担心。为了消除公众对转基因食品的安全性顾虑,无选择标记的转基因植物应运而生。本文综述了共转化系统、位点特异性重组系统(包括FLP/FRT、Cre/lox、R/RS及Gin/gix系统)和转座子系统(Ac/Ds转座子系统)在培育无选择标记转基因植物中的应用。     

转基因植物中标记基因的消除

随着转基因植物的商业化,植物遗传转化技术将为农业生产带来一场新的革命,新的基因转化程序要求转基因为单拷贝,不带有标记基因,并在不同的转化体中表达一致,稳定遗传,本文讨论了转基因植物中有关标记基因及其安全性和标记基因消除的方法等问题。     

转基因植物中筛选标记基因的利用及消除

在基因转移过程中,人们常常使用标记基因来筛选转化细胞或组织。常用的筛选标记基因尤其是抗生素抗性基因的使用往往对环境及植物体的生长发育产生不良影响,且影响基因多重转化。为了消除这些弊端,一种全新的发展策略即获取无选择标记的转基因植物应运而生。本文主要综述转基因植物中有关筛选标记基因及其消除方法。 Abstract:Selective marker gene is usually used to select transformed cells or tissue during gene transfer.However,the use of selective marker gene,especially antibiotic-resistant gene,is harmful to environment,plant development and affects multi-transformation.A new strategy that offers a approach for the elimination of those disadvantages caused by the selectable marker gene is developed.We summarized correlative marker genes used in transgenic plants and some methods of its removal.     

转基因植物中标记基因的剔除

在目前的植物转化系统中,要求在关注基因或目的基因转入细胞时,同时有标记基因存在.标记基因主要是抗生素或除草剂的抗性基因.借标记基因的表达可以将转化细胞从大量的未转化细胞中筛选出来,但标记基因的继续存在,特别是在转基因食品中,是人们广泛关注的问题.培育无标记基因的转基因植株已成为植物生物工程研究中的新课题.该文介绍了剔除标记基因的两种方法:分离剔除和重组剔除,并对近年来这两种方法在培育无标记基因的转基因植物中的应用和进展作了介绍.     

利用双T-DNA载体系统培育无选择标记转基因烟草

建立了一种利用双T-DNA载体培育无选择标记转基因植物的方法.通过体外重组构建了双T-DNA双元载体pDLBRBbarm.载体中,选择标记nptⅡ基因和另一代表外源基因的bar基因分别位于2个独立的T-DNA.利用农杆菌介导转化烟草(Nicotiana tabacum L.),在获得的转化植株中,同时整合有nptⅡ基因和bar基因的频率为59.2%.对4个同时整合有nptⅡ和bar基因植株自交获得的T1代株系进行检测分析,发现在3个T1代株系2个T-DNA可以发生分离,其中约19.5%的转基因T1代植株中只存在bar基因而不带选择标记nptⅡ.这一结果说明双T-DNA载体系统能有效地用于培育无选择标记的转基因植物.研究还利用位于2个不同载体上的nptⅡ基因与 bar基因通过农杆菌介导共转化烟草,获得共转化植株的频率为20.0%～47.4%,低于使用双T-DNA转化的共转化频率.     

代谢关键酶基因作为转基因植物选择标记的研究进展

在植物基因工程中,需要用到选择标记基因以便筛选转化子。随着转基因植物的商品化,人们越来越关注其安全性问题,其中主要涉及选择标记的安全性。为了提高转基因植物的安全性,生物学家们开始寻找生物安全的选择标记。本文分别从糖代谢、氨基酸代谢、激素代谢、核苷酸代谢、蛋白质代谢等方面综述了当前以代谢关键酶基因作为转基因植物选择标记的研究进展,此类选择标记为解决转基因植物的安全性问题提供了一条有效途径。     

无选择标记基因植物转化系统研究进展

在转基因植物中,将选择标记基因去掉,将提高转基因植物的食用安全性和对环境的安全性,更易为广大消费者所接受,也有利于对同一个植物品种进行多次转基因操作。科学工作者已经在建立无选择标记基因转化系统方面作了大量尝试,获得了无标记基因的转基因植物(MFTPs:MarkerFreeTransgenicPlants)。本文将这方面的研究进展介绍给大家,以推动植物生物技术产业化进程。     

一种新的用于删除选择标记基因的Cre/lox系统

设计了一种新的诱导型Cre/lox系统,并在转基因烟草(Nicotianatabacum L.)中进行了验证.在诱导剂的作用下,位于同向lox位点之间的选择标记基因(hpt)和重组酶基因(Cre)在烟草愈伤组织中被删除.在该系统中,Cre基因在玉米乙酰苯胺类化合物诱导启动子(In5-2)的控制下表达.对转基因后代的分子检测结果表明,不论是否加入了诱导剂,目的基因(gus)均被整合到烟草基因组中;在诱导剂处理的48株转基因烟草To代中,45株的hpt基因被删除了.该系统只使用一个载体,克服了二次转化系统带来的问题.     

利用Cre/lox重组系统获得无选择标记的SKTI抗虫转基因烟草

将置于两个同向lox位点之间的Bar基因表达盒与大豆胰蛋白酶抑制剂SKTI基因表达盒融合后获得相应植物表达载体,转化烟草Wisconsin 38后获得对棉铃虫具有明显抗性的SKTI转基因植株。SKTI转基因植株通过叶盘二次转化法导入Cre基因,对再生植株叶盘进行Basta的抗性检测,检测Bar基因的删除情况。结果表明:绝大多数再生植株对应叶盘在含8 mg/L PPT的筛选培养基上无法再生,Bar基因被删除的效率在38%~100%之间。对Bar基因删除区域进行PCR及克隆测序后发现Bar基因表达盒被精确删除。对Bar基因删除植株开花自交获得的分离后代进行NPTⅡ抗性检测,5株NPTⅡ敏感植株分子检测显示均只含有SKTI基因而无Cre基因存在,为无选择标记基因的SKTI转基因植株。     

Cre/lox介导剔除转双价抗虫sck+cryIAc基因籼稻恢复系明恢86材料的选择标记基因

Cre/lox系统通过其Cre重组酶对lox序列进行切割和重新连接,介导lox序列发生特异性重组.利用重组报告基因系统Pactin-lox-hpt-lox-gusA,对Cre/lox系统在水稻(Oryzasativa L.)中介导转基因的剔除进行了研究.Pactin-lox-hpt-lox-gusA系统中选择标记hpt基因侧翼含两个同向lox位点,并位于水稻actinl启动子和gusA基因之间.当hpt在Cre酶作用下被剔除时,actinl启动子可以和gusA基因融合在一起从而驱动GUS表达.通过农杆菌介导获得了分别转cre基因、Pactin-lox-hpt-lox-gusA结构和双价抗虫基因lox-hpt-lox-sck-cryIAc结构的水稻.利用有性杂交方法将cre基因导入到转化lox结构的植株中.在4个转Pactin-lox-hpt-lox-gusA T0植株×转cre T0植株所配组合的30个杂交F1植株中,12个植株表达GUS活性,9个表现潮霉素敏感,表明hpt基因被剔除.研究进一步通过Cre/lox介导剔除转双价抗虫sck cryIAc基因籼稻恢复系明恢86材料基因组中的选择标记hpt基因.在9个转lox-hpt-lox-sck-cryIAcT2代纯合植株×转creT2代纯合植株所配组合的77个杂交F1植株中,56个植株表现潮霉素敏感.分子分析证实在这些对潮霉素敏感的植株中hpt基因已经被剔除.     

一种新的用于删除选择标记基因的Cre／lox系统

设计了一种新的诱导型Cre/lox系统,并在转基因烟草(NicotianatabacumL.)中进行了验证。在诱导剂的作用下,位于同向lox位点之间的选择标记基因(hpt)和重组酶基因(Cre)在烟草愈伤组织中被删除。在该系统中,Cre基因在玉米乙酰苯胺类化合物诱导启动子(In5-2)的控制下表达。对转基因后代的分子检测结果表明,不论是否加入了诱导剂,目的基因(gus)均被整合到烟草基因组中;在诱导剂处理的48株转基因烟草T0代中,45株的hpt基因被删除了。该系统只使用一个载体,克服了二次转化系统带来的问题。     

Inducible Excision of Selectable Marker Gene from Transgenic Plants by the Cre/<Emphasis Type="Italic">lox</Emphasis> Site-specific Recombination System

In a plant transformation process, it is necessary to use marker genes that allow the selection of regenerated transgenic plants. However, selectable marker genes are generally superfluous once an intact transgenic plant has been established. Furthermore, they may cause regulatory difficulties for approving transgenic crop release and commercialization. We constructed a binary expression vector with the Cre/lox system with a view to eliminating a marker gene from transgenic plants conveniently. In the vector, recombinase gene cre under the control of heat shock promoter and selectable marker gene nptII under the control of CaMV35S promoter were placed between two lox P sites in direct orientation, while the gene of interest was inserted outside of the lox P sites. By using this vector, both cre and nptII genes were eliminated from most of the regenerated plants of primary transformed tobacco through heat shock treatment, while the gene of interest was retained and stably inherited. This autoexcision strategy, mediated by the Cre/lox system and subjected to heat shock treatment to eliminate a selectable marker gene, is easy to adopt and provides a promising approach to generate marker-free transgenic plants.     

选择标记可去除的植物高效表达载体的构建

在常用的植物组成型表达载体pBI121的选择标记基因NPTII两侧插入同向的lox位点并用多克隆位点(MCS)取代了GUS基因序列,构建了NPTII基因可被去除的和可插入目的基因的通用植物表达载体pBI121-lox-MCS。替换pBI121-lox-MCS中驱动目的基因表达的35S启动子,可构建成一系列具有其他表达特性的植物表达载体,如本文描述的韧皮部特异表达载体pBdENP-lox-MCS。为方便地筛选去除选择标记基因的转基因植物,还构建了绿色荧光蛋白(GFP)表达框与NPTII表达框连锁的pBI121-gfp-lox-MCS载体。上述植物表达载体可广泛应用于培育选择标记可去除的转基因植物。     

Cre／lox介导剔除转双价抗虫sck＋cryIAc基因籼稻恢复系明恢86材料的选择标记基因

Cre/lox系统通过其Cre重组酶对lox序列进行切割和重新连接,介导lox序列发生特异性重组。利用重组报告基因系统Pactin-lox-hpt-lox-gusA,对Cre/lox系统在水稻(Oryza　sativa　L.)中介导转基因的剔除进行了研究。Pactin-lox-hpt-lox-gusA系统中选择标记hpt基因侧翼含两个同向lox位点,并位于水稻actin1启动子和gusA基因之间。当hpt在Cre酶作用下被剔除时,actin1启动子可以和gusA基因融合在一起从而驱动GUS表达。通过农杆菌介导获得了分别转cre基因、Pactin-lox-hpt-lox-gusA结构和双价抗虫基因lox-hpt-lox-sck-cryIAc结构的水稻。利用有性杂交方法将cre基因导入到转化lox结构的植株中。在4个转Pactin-lox-hpt-lox-gusA　T0植株×转cre　T0植株所配组合的30个杂交F1植株中,12个植株表达GUS活性,9个表现潮霉素敏感,表明hpt基因被剔除。研究进一步通过Cre/lox介导剔除转双价抗虫sck　 cryIAc基因籼稻恢复系明恢86材料基因组中的选择标记hpt基因。在9个转lox-hpt-lox-sck-cryIAc　T2代纯合植株×转creT2代纯合植株所配组合的77个杂交F1植株中,　56个植株表现潮霉素敏感。分子分析证实在这些对潮霉素敏感的植株中hpt基因已经被剔除。     

Site-specific DNA excision in transgenic rice with a cell-permeable Cre recombinase

The removal of selected marker genes from transgenic plants is necessary to address biosafety concerns and to carry out further experiments with transgenic organisms. In the present study, the 12-amino-acid membrane translocation sequence (MTS) from the Kaposi fibroblast growth factor (FGF)-4 was used as a carrier to deliver enzymatically active Cre proteins into living plant cells, and to produce a site-specific DNA excision in transgenic rice plants. The process, which made cells permeable to Cre recombinase-mediated DNA recombination, circumvented the need to express Cre under spatiotemporal control and was proved to be a simple and efficient system to achieve marker-free transgenic plants. The ultimate aim of the present study is to develop commercial rice cultivars free from selected marker genes to hasten public acceptance of transgenic crops.     

Cre/<Emphasis Type="Italic">lox</Emphasis> system to develop selectable marker free transgenic tobacco plants conferring resistance against sap sucking homopteran insect

A binary expression vector was constructed containing the insecticidal gene Allium sativum leaf agglutinin (ASAL), and a selectable nptII marker gene cassette, flanked by lox sites. Similarly, another binary vector was developed with the chimeric cre gene construct. Transformed tobacco plants were generated with these two independent vectors. Each of the T(0) lox plants was crossed with T(0) Cre plants. PCR analyses followed by the sequencing of the target T-DNA part of the hybrid T(1) plants demonstrated the excision of the nptII gene in highly precised manner in certain percentage of the T(1) hybrid lines. The frequency of such marker gene excision was calculated to be 19.2% in the hybrids. Marker free plants were able to express ASAL efficiently and reduce the survivability of Myzus persiceae, the deadly pest of tobacco significantly, compared to the control tobacco plants. Results of PCR and Southern blot analyses of some of the T(2) plants detected the absence of cre as well as nptII genes. Thus, the crossing strategy involving Cre/lox system for the excision of marker genes appears to be very effective and easy to execute. Documentation of such marker excision phenomenon in the transgenic plants expressing the important insecticidal protein for the first time has a great significance from agricultural and biotechnological points of view.