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.     

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。     

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标签系统与水稻功能基因组学

自2002年水稻基因组测序完成后,水稻功能基因组学研究正在成为水稻研究的重要内容.构建突变体库是研究功能基因组学的一条重要而有效的途径.利用外源的Ac/Ds (Activator/Dissociation)标签系统是构建插入突变体库较为理想的方法,经过多年发展完善,其在水稻中已有广泛的应用,但仍面临着一些需要解决的实际问题.文章对Ac/Ds标签系统的转座行为及其构建突变体库的问题和优点进行了综述,总结了近年来Ac/Ds标签系统在水稻中的研究进展,分析了利用Ac/Ds标签系统进行功能基因组学研究所面临的挑战.     

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。pDsBar1300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记。插入在Ds因子中的bar基因可追踪转化后代的Ds因子。pDsBar1300通过根瘤农杆茵介导引入水稻品种中花11号的幼胚组织。从各转化愈伤组织中获得了1400株独立的Ds水稻转化植株。通过PPT抗性检测和PCR分析证明了水稻转化植株中Ds因子的整合。Southernblot分析了转化植株基因组中Ds因子的插入拷贝数,其中单拷贝插入比率约占70％。这些插有Ds因子的水稻转化植株,当引入自主型的Ac因子反式活化Ds因子后,可使Ds因子跳跃到不同位点上,就可得到更多的突变植株。     

水稻Ac×Ds后代基因组DNA中Ds侧翼序列的扩增及其Ds插入分析

采用TAIL-PCR技术从经鉴定含Ac/Ds双元件的材料中扩增Ds侧翼序列并测序, 对水稻Ac×Ds后代基因组DNA进行Ac和Ds插入的PCR分析。利用NCBI的BLAST软件, 以Ds侧翼序列为待查询序列进行GenBank在线搜索比对, 获得Ds插入相关基因的染色体定位和功能注释等信息。对扩增的93个有效Ds侧翼序列进行分析, 结果显示, 有21个水稻杂交后代中Ds插入于基因编码区, 其余72个插入在基因间序列, 其中12个插入在特定基因的上游3 kb以内的间隔区。本研究强调了提高Ds侧翼序列扩增和Ac/Ds植株筛选效率的技术关键。     

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。     

玉米Ac双因子转座标签系统的构建及其转化烟草后代的遗传分析

用使质粒pKU3所携带的玉米Ac因子的5'末端和中间编码转座酶的基因片段分别发生缺失的方法构建成质粒pKU3（△B）和pKU3（△H）。质粒所携带缺失的Ac因子单独存在时都无自主转座能力,但当Ac（△H）和Ac（△B）共存于一个细胞时,由于Ac（△B）产生转座酶的互补作用促使Ac（△H）恢复转座能力,而当Ac（△B）和Ac（△H）因子被分离后即获得Ac（△H）因子的稳定插入突变株,它可克服因突变不稳定而给用转座因子标签法分离基因所造成的困难。将双因子系统导入烟草原生质体并获得再生植株,从而选得卡那霉素抗性植株,显示Ac（△H）因子已经从原质粒上的NPTⅡ前导顺序中切离。Sortharnblot和PCR分析表明：Ac（△H）和Ac（△B）因子已经整合在转化烟草的基因组并能遗传至F1和F2代植株中;有些植株后代中已检测不到Ac（△B）因子的存在,说明它们的Ac（△B）因子已与Ac（△H）因子相分离;各转化植株中Ac（△H）因子在基因组中的插入拷贝数从一个到几个不等;初步显示Ac（△H）因子多数插入或转座在基因组的结构基因中。     

Ds因子在烟草染色体插入位点旁邻顺序的克隆

用ＮｅｓｔｅｄＰＣＲ 方法从含Ｄｓ 因子的转基因烟草ＤＮＡ 中克隆了Ｄｓ 因子在烟草染色体插入位点的９ 个旁邻ＤＮＡ 片段,以这些片段作探针,和野生型烟草的ＤＮＡ 进行Ｓｏｕｔｈｅｒｎ 杂交,以检测这些片段在烟草基因组中的拷贝数,结果表明它们都属于烟草染色体上的低拷贝ＤＮＡ。另外,对这些ＤＮＡ 片段进行核苷酸序列测定,并将它们的顺序与Ｇｅｎｂａｎｋ 数据库中已有的核苷酸序列相比较,其中长度为１２８ 核苷酸的片段１ 和荷兰芹的４ＣＬ２ 基因的一个区段有５７ ．８ ％ 同源性,而另一长度为１６９ 核苷酸的片段３ 和百合中的反转座子的一个区段有６０ ．９ ％ 的同源性。这都表明Ｄｓ 因子在异源植物烟草中插入染色体单拷贝基因的机率很高,这对转座子标签法克隆基因是非常有利的。     

Establishing an efficient Ac/Ds tagging system in rice: large-scale analysis of Ds flanking sequences

A two-element Activator/Dissociation (Ac/Ds) gene trap system was successfully established in rice (Oryza sativa ssp. japonica cv. Nipponbare) to generate a collection of stable, unlinked and single-copy Ds transposants. The germinal transposition frequency of Ds was estimated as an average of 51% by analyzing 4413 families. Study of Ds transposition pattern in siblings revealed that 79% had at least two different insertions, suggesting late transposition during rice development. Analysis of 2057 Ds flanking sequences showed that 88% of them were unique, whereas the rest within T-DNA. The insertions were distributed randomly throughout the genome; however, there was a bias toward chromosomes 4 and 7, which had two times as many insertions as that expected. A hot spot for Ds insertions was identified on chromosome 7 within a 40-kbp region. One-third of Ds flanking sequences was homologous to either proteins or rice expressed sequence tags (ESTs), confirming a preference for Ds transposition into coding regions. Analysis of 200 Ds lines on chromosome 1 revealed that 72% insertions were found in genic region. Anchoring of more than 800 insertions to yeast artificial chromosome (YAC)-based EST map showed that Ds transposes preferentially into regions rich in expressed sequences. High germinal transposition frequency and independent transpositions among siblings show that the efficiency of this system is suitable for large-scale transposon mutagenesis in rice.     

从水稻Ac/Ds插入突变体扩增Ds侧翼序列的最适TAIL-PCR引物

温度非对称交互PCR(TAIL-PCR)技术已广泛应用于从多种生物体系克隆侧翼于已知序列的DNA片段的分子操作中,并极大地促进了反向遗传学研究。但是,可能由于不同物种间基因组大小和序列存在显差异,在采用该技术进行转座元件Ds水稻插入突变体鉴定过程中,常因TAIL-PCR反应的稳定性差而影响突变体筛选效率。有鉴于此,根据Ds核苷酸序列设计了分别对应或互补于Ds插入元件两端长度不同的12个特异引物组成32个组合,在大量预试验基础上与6个不同简并性(32～256)的随机简并引物分别组合进行TAIL-PCR反应,较系统地研究了引物特性对以水稻基因组DNA为模板的TAIL-PCR反应效率的影响。结果发现,第一反应采用长序列特异引物(36～40mer)可显提高扩增特异性,随机简并引物的简并度对反应的影响显。还选择出两个适于从水稻Ds插入突变体基因组高效扩增出Ds插入侧翼片段的最优特异引物组合和最适简并引物。应用本研究结果可显地提高TAIL-PCR技术筛选水稻插入突变体的效率。     

转基因抗虫棉Bt基因插入区碱基组成分析

利用TAIL－PCR的方法克隆不同来源的转基因抗虫棉中外源基因插入区的侧翼序列并对其进行序列和结构分析,结果表明,同一个较基因的单构自交得到的不同株系中外源基因插入区的两侧DNA序列完全相同,不同的转基因抗虫棉虫的外源基因插入位置各不相同,不同来源的转基因品种外源基因插入的上游侧翼片段含有一段残留质粒片段,外源基因插入的下游侧翼片段为富含AT碱基结构,其中泗棉3号转基因抗虫品系中下游侧翼片段的AT碱基高达92％,Southern杂交结果显示这些侧翼序列为高AT含量的多拷贝序列,序列中没有发现拓扑异构酶的结合位点。     

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。     

A collection of 11 800 single-copy Ds transposon insertion lines in Arabidopsis

More than 10 000 transposon-tagged lines were constructed by using the Activator (Ac)/Dissociation (Ds) system in order to collect insertional mutants as a useful resource for functional genomics of Arabidopsis. The flanking sequences of the Ds element in the 11 800 independent lines were determined by high-throughput analysis using a semi-automated method. The sequence data allowed us to map the unique insertion site on the Arabidopsis genome in each line. The Ds element of 7566 lines is inserted in or close to coding regions, potentially affecting the function of 5031 of 25 000 Arabidopsis genes. Half of the lines have Ds insertions on chromosome 1 (Chr. 1), in which donor lines have a donor site. In the other half, the Ds insertions are distributed throughout the other four chromosomes. The intrachromosomal distribution of Ds insertions varies with the donor lines. We found that there are hot spots for Ds transposition near the ends of every chromosome, and we found some statistical preference for Ds insertion targets at the nucleotide level. On the basis of systematic analysis of the Ds insertion sites in the 11 800 lines, we propose the use of Ds-tagged lines with a single insertion in annotated genes for systematic analysis of phenotypes (phenome analysis) in functional genomics. We have opened a searchable database of the insertion-site sequences and mutated genes (http://rarge.gsc.riken.go.jp/) and are depositing these lines in the RIKEN BioResource Center as available resources (http://www.brc.riken.go.jp/Eng/).