渐狭叶烟草组培苗生根条件优化及在基因转化中的应用

针对渐狭叶烟草(Nicotiana attenuata)组培苗生根困难的问题，本研究测试了不同浓度萘乙酸(NAA)、吲哚丁酸(IBA)、吲哚乙酸(IAA)、嘧啶醇、矮壮素、生根粉及活性炭等外源添加物对组培苗生根的影响。结果表明，对照处理的组培苗在90 d内基本不生根；不同浓度矮壮素处理也不能诱导组培苗生根；而合适浓度的NAA、IBA或IAA处理均能较好地诱导组培苗生根，其中0.8 mg·L^-1 IBA不仅具有较好的诱导生根效果，生根率达72.73%，且根及地上部分均生长良好。进一步测试发现0.8 mg·L^-1 IBA处理对转基因组培苗具有良好的生根效果，20 d后生根率达60%以上，而对照组未生根；经伤口诱导和0.8 mg·L^-1 IBA处理，40 d内总生根率可达90%以上。该研究为高效获得渐狭叶烟草转基因生根苗提供了解决方案，也为渐狭叶烟草作为烟草属模式植物的研究提供了便利。     

病毒诱导烟草的基因沉默

病毒诱导基因沉默是利用RNA介导病毒防卫机制的一项技术。构建含有目的基因片段的人工改造病毒载体,通过农杆菌侵染导致植物内源目的基因沉默。为建立病毒诱导基因沉默体系,选用烟草脆裂病毒（TRV）和烟草为实验材料。构建了八氢番茄红素去饱和酶基因（PDS）的基因沉默病毒载体,病毒载体侵染结果显示目的基因PDS沉默导致烟草幼苗出现光漂白现象。采用RT-PCR的方法检测目的基因PDS的沉默效果,结果显示PDS基因mRNA被显著降解。该体系的建市有利于将来对植物基因进行高通量功能分析。     

烟草NtWRKY40在植物应答病毒侵染过程中的作用

WRKY转录因子家族在植物的抗病、抗逆反应中具有重要功能。已有研究表明,烟草花叶病毒(TMV)的侵染显著地诱导烟草Nt WRKY的表达,有必要进一步探明该基因在植物应答病毒侵染过程中的作用。采用PCR的方法克隆获得Nt WRKY cDNA,生物信息学分析结果显示,该基因属于WRKYⅡa亚族成员,与绒毛状烟草NtoWRKY40高度同源,命名为NtWRKY40。以此建立了过表达该基因的转基因烟草,并以TMV为毒源进行了转基因烟草和野生烟草的侵染实验,以观察NtWRKY40在烟草应答病毒侵染过程中的作用。实验结果表明,野生烟草在TMV侵染后9 d,NtWRKY40的表达量显著升高,而NtWRKY40过表达转基因烟草在病毒侵染后,病毒相关基因的表达高于野生型对照,与染病程度成正相关,说明过表达NtWRKY40增加了植株对病毒的敏感性,该基因为负调控因子。此外,为探索应用人工miRNA的抗病毒技术,以烟草天然miR167前体为骨架、马铃薯Y病毒(PVY)外壳蛋白基因的一段反向互补序列为成熟序列,构建了amiR167-PVY植物表达载体并转化烟草,以抑制PVY。对amiRNA转基因植株进行抗病毒实验的结果显示,amiR167-PVY能够部分抑制病毒基因的表达,转基因植株具有一定的抗病毒能力。     

应用CRISPR/Cas9技术在杨树中高效敲除多个靶基因

CRISPR/Cas9系统是一种广泛应用于细菌、酵母、动物和植物中的基因组定点编辑技术。本课题组在前期工作中利用该系统在毛白杨(Populus tomentosa Carr.)中率先实现了对内源基因—八氢番茄红素脱氢酶(Phytoene dehydrogenase, PDS)基因的定点敲除。为研究靶点的设计和选择对该系统介导的杨树内源基因敲除效率的影响,本文分析了不同单向导RNA(Single-guide RNA, sgRNA)结合毛白杨PDS(PtPDS)靶基因DNA序列后对突变效率的影响。结果发现sgRNA与靶基因间的碱基错配会导致突变的效率降低,甚至不能突变,其中3′端的碱基配对更为重要。进一步测序分析发现,该系统能同时敲除杨树基因组上两个同源的PDS编码基因(PtPDS1和PtPDS2),突变率分别达86.4%和50%。研究证明该系统可快速高效地敲除两个以上的内源基因,获得多重突变体杨树株系。利用该技术,本课题组已获得多个杨树转录因子及结构基因的敲除突变体株系,为将来开展基因功能研究和杨树遗传改良奠定了基础。     

基于三角梅的病毒诱导基因沉默体系的建立与优化

三角梅是紫茉莉科灌木,具有较高的观赏价值,是研究花色叶色调控的理想材料。建立快速高效的基因验证体系,是三角梅基因功能研究的关键。以三角梅‘金心双色’品种为材料,选用八氢番茄红素脱氢酶基因（PDS）为指示基因,探索不同接种部位和基因片段长度对烟草脆裂病毒（TRV）诱导三角梅叶片内源PDS mRNA沉默效果的影响,建立适用于三角梅的病毒诱导基因沉默体系（VIGS）。结果表明,摩擦注射嫩叶法相比顶端嫩茎沉默效果更明显;基因沉默片段长度在336 bp和457 bp均可诱导PDS基因沉默,后者效果更加明显。初步构建了三角梅VIGS体系,为后续基因功能研究提供了技术参考。     

百合查尔酮合成酶基因克隆及其转化烟草的花色表达分析

以‘西伯利亚’百合为试材,利用PCR技术克隆了查尔酮合成酶基因(CHS),构建了CHS基因的正义和反义植物表达载体,采用农杆菌介导法转化烟草叶盘,获得了转正义CHS基因的本明烟草18株,转反义CHS基因的普通烟草21株,总转化率为26.0%。高效液相色谱法(HPLC)检测结果显示,正义CHS转基因的本明烟草类黄酮含量升高14.0%～59.7%,反义CHS转基因的普通烟草类黄酮含量降低44.5%～76.4%。花色观察结果显示,正义转基因烟草的花瓣颜色未见变化,反义转基因烟草部分植株的花瓣颜色变浅。研究表明,CHS基因遗传转化是进行花色调控的有效手段之一。     

巴西橡胶树HbWRKY1基因的克隆及转化烟草的初步研究

利用RACE结合RT-PCR技术,从巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)总RNA中扩增得到长度为1234 bp的WRKY基因cDNA全长编码序列。通过氨基酸同源性比对,该序列推导的氨基酸序列与蓖麻、白杨的WRKY同源性分别为79%和73%,表明分离的cDNA序列为橡胶树WRKY基因,命名为HbWRKY1。通过构建pCAMBIA1304-HbWRKY1植物表达载体,经农杆菌GV3101介导,将HbWRKY1基因导入烟草(Nicotiana tabacum)中,对所获得的潮霉素抗性烟草株系进行PCR鉴定。结果表明,HbWRKY1基因已整合到65株转基因植株中。干旱胁迫试验表明,HbWRKY1的过量表达可以明显提高转基因烟草对干旱胁迫的耐受能力。这说明WRKY基因与橡胶树抗旱能力之间存在一定的关系。     

植物中指导RNA偶联转录调控因子抑制基因表达研究

本研究建立了一种简单、精确和高效的新型抑制植物基因表达的技术体系。将绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)、指导RNA(guide RNA,g RNA)和编码转录抑制因子与噬菌体外壳融合蛋白的三种基因构建到植物表达载体中。利用农杆菌介导的植物瞬时表达技术侵染本氏烟草。研究显示gfp基因在烟草叶片中的表达受到显著抑制,抑制率达到36.2%。此系统可运用于对其他基因进行基因调控,由于只需要改变g RNA,而其他组成原件保持不变,因此该技术具有操作简单及广泛的适应性等特点。为在植物基因组中精确抑制基因表达提供了有效的工具。     

马铃薯WRKY2基因的克隆和非生物逆境下的表达模式

马铃薯WRKY2基因的功能尚未见有报道,WRKY蛋白是近年来发现的一类重要转录因子家族,它们在植物应对生物胁迫、非生物胁迫和生长发育过程中起到关键的调控作用。该研究采用电子克隆法获得马铃薯WRKY2基因,该基因的编码区长度1 065 bp,编码355氨基酸,序列分析表明,该蛋白属于WRKY家族第二组成员,锌指结构为C-X5-C-X23H-X-H。构建系统发育树结果表明它与番茄WRKY7亲缘关系较近,氨基酸序列相似性达96%,与烟草中WRKY蛋白的相似性为86%,利用原核表达法在大肠杆菌中获得该蛋白。通过凝胶阻滞实验证明,该蛋白在体外能结合W-box元件,而且这种结合能被冷探针所竞争,同时也表明St WRKY2不能结合含有突变W-box DNA片段,证明St WRKY2与W-box结合具有特异性。通过实时荧光定量PCR技术分析该基因在根、茎和叶中的表达量,结果表明该基因主要在根中表达,其次是叶和茎。为进一步研究该基因可能参与的生理功能,对马铃薯组培苗进行10μmol/L低磷、10μmol/L低钾、200 mmol/L Na Cl、400 mmol/L PEG溶液和4℃低温处理,处理时间6 h,实时荧光定量PCR的结果表明该基因在低磷处理后表达量明显下降,在200 mmol/L Na Cl和400 mmol/L PEG处理6 h后表达量明显升高,但在10μmol/L低钾和4℃低温处理后表达量与对照相比无明显变化。说明St WRKY2能响应低磷、Na Cl和PEG这三种非生物逆境胁迫。研究结果可为进一步深入研究马铃薯WRKY2基因的功能奠定基础。     

A systematic study to determine the extent of gene silencing in Nicotiana benthamiana and other Solanaceae species when heterologous gene sequences are used for virus-induced gene silencing

Virus-induced gene silencing (VIGS) is a rapid and robust method for determining and studying the function of plant genes or expressed sequence tags (ESTs). However, only a few plant species are amenable to VIGS. There is a need for a systematic study to identify VIGS-efficient plant species and to determine the extent of homology required between the heterologous genes and their endogenous orthologs for silencing. Two approaches were used. First, the extent of phytoene desaturase (PDS) gene silencing was studied in various Solanaceous plant species using Nicotiana benthamiana NbPDS sequences. In the second approach, PDS sequences from a wide range of plant species were used to silence the PDS gene in N. benthamiana. The results showed that tobacco rattle virus (TRV)-mediated VIGS can be performed in a wide range of Solanaceous plant species and that heterologous gene sequences from far-related plant species can be used to silence their respective orthologs in the VIGS-efficient plant N. benthamiana. A correlation was not always found between gene silencing efficiency and percentage homology of the heterologous gene sequence with the endogenous gene sequence. It was concluded that a 21-nucleotide stretch of 100% identity between the heterologous and endogenous gene sequences is not absolutely required for gene silencing.     

Manipulation of endogenous trypsin proteinase inhibitor production in Nicotiana attenuata demonstrates their function as antiherbivore defenses

Evidence for the in planta defensive function of trypsin protease inhibitors (TPIs) comes from observations of enhanced herbivore resistance after heterologous TPI expression or the manipulation of signal cascades that activate numerous defense responses, including TPI production; no studies have altered the expression of an endogenous pi gene to examine defensive function. We isolated two genes with seven- and six-repeat TPI domains from Nicotiana attenuata from the potato (Solanum tuberosum) PI-II family. To determine whether endogenous TPIs in N. attenuata function defensively against the native herbivores, hornworm (Manduca sexta) and mirids (Tupiocoris notatus), we expressed 175 bp of the seven-domain pi from N. attenuata in an antisense orientation in a TPI-producing genotype to reduce TPI expression and expressed the full-length seven-domain pi in a sense orientation under control of a constitutive promoter to restore TPI activity in a natural genotype from Arizona unable to produce TPIs. Constitutive and inducible TPI production in two antisense lines were diminished by 80% to 90% and 33% to 52%, respectively, and sense expression restored 67% of the activity found in the TPI-producing genotype after caterpillar attack in the TPI-deficient A genotype. Hornworm larvae fed on genotypes with low or no TPI activity grew faster, had higher survivorship, and produced heavier pupae than those that fed on genotypes with high TPI activity. T. notatus showed higher preference for genotypes with low or no TPI activity than for genotypes with high TPI levels. We conclude that endogenous TPIs are an effective defense against these native herbivores.