Agrobacterium-mediated transformation of Kentucky bluegrass

Embryogenic calli of Kentucky bluegrass, named Md, were induced from mature seeds and embryos, and proliferated on medium K3 containing 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D, 10.0 mumol/L), 6-benzylaminopurine (BAR, 0.5 mumol/L) and K5 which was the K3 medium supplemented with cupric sulfa (0.5 mumol/L) under dim-light condition (20-30 mumol.m(-2).s-1, 16 h light) at 24 degreesC. Embryogenic calli were transformed with plasmids pDM805 Carring bar and gus genes, Which was mediated by an Agrobacterium strain AGL1, four transgenic lines were obtained. The important factors that affect the transformation efficiency and obtain desirable number of transgenic plants included: (1) the quality of embryogenic calli; (2) light condition and time of co-cultivation; (3) concentration of antibiotics used for suppressing the overgrowth of Agrobacterium in the course of transformed plant regeneration; (4) selection pressure, etc. The micro nutrient of cupric had significant influence on the quality of embryogenic calli. This presentation is the first successful protocol of Kentucky bluegrass transformation mediated by Agrobacterium.

BADH基因转化番茄提高耐盐性的研究

甜菜碱是植物在盐、干旱或其它胁迫下在细胞中迅速积累的一种相容性有机小分子化合物，它在细胞中的积累与植物抗盐性的提高密切相关。甜菜碱醛脱氢酶（BADH）催化甜菜碱醛转化为甜菜碱。我们将来源于耐盐植物山菠菜（Atriplx hortensis L.）的BADH基因通过农杆菌介导法导入‘百丽春’番茄(Lycopersicon esculentum L. ‘Bailichun’)中，并获得15株转化植株，PCR、Southern和Northern检测表明，其中的6株有外源BADH基因的整合，5株中BADH基因能够正常表达，但不同植株间BADH基因的表达水平和BADH酶活力有较大差异。对叶片电导率的测定表明，转基因植株比野生型的耐盐性有较大提高。T1代分析表明，检测的两个转基因株系后代遵循孟德尔分离规律，90mmol/L NaCl胁迫下种子发芽率提高了2~4倍，幼苗的苗高、根长和须根数三个指标均明显优于对照。部分T1代植株在水培条件下能够耐受180mmol/L NaCl胁迫。 植物耐盐的另一机理就是利用液泡膜上存在的转运蛋白将细胞内的有毒离子区域化。我们将已转入编码转运蛋白基因AtNHX1的番茄品种‘Moneymaker’（L. esculentum‘Moneymaker’）株系X1OEA1通过农杆菌介导法转入山菠菜BADH基因，以期获得转双基因耐盐番茄。目前已获得转基因植株，PCR结果证明部分抗性幼苗中已整合了BADH基因，其它各项分子检测正在进行中。

农杆菌介导的双价抗盐基因转化番茄的研究

近年来，植物耐盐生物技术研究取得了可喜的进展，特别是通过抗盐基因转化在一定程度上使植物的耐盐性得到了提高。然而，植物的耐盐性是一个多基因控制的复杂性状，依赖于多个基因之间的相互作用。因此，只是将单个基因导入植物获得的抗逆性还是远不能达到满意的效果。一般认为，将多个与耐盐相关的基因转入到同一个植物（即所谓的“复合基因转化”）将会大大提高转基因植物的耐盐能力。 渗透调节是植物抵御盐胁迫的主要方式。植物渗透调节的方式分为两类：一是在细胞中吸收和积累无机盐，如通过离子通道、Na+/H+逆向运输蛋白和ATP酶/H+泵;二是在细胞中合成有机溶质，如脯氨酸和甘氨酸甜菜碱。 我们通过农杆菌介导法向转AtNHX1（拟南芥Na+/H+逆向运输蛋白编码基因）的番茄（Lycopersicum esculentum L. ‘Moneymaker’）株系X1OEA1自交二代植株（T2）中转入山菠菜甜菜碱醛脱氢酶基因（BADH）。PCR、Southern、RT-PCR和甜菜碱含量分析结果证明，BADH已经整合到目标植物基因组，并在转基因植株中转录和翻译表达。叶绿素荧光（Fv/Fm）、相对电导率（Rc/Rc’）、叶绿素含量（Chla+b）、叶绿素a/b比（Chla/b）和光合速率（Pn）测定结果表明，在200 mM NaCl 胁迫下，二次转化的番茄植株各项生理指标均优于转单基因AtNHX1的番茄。初步证明“复合基因转化”有助于进一步提高植物的耐盐性。同时对番茄的转化系统进行了优化，结果表明使用抗生素‘特美汀’作为抑制农杆菌的抗生素的转化效率明显高于使用头孢霉素。

二穗短柄草的遗传转化及VER2等基因在水稻中的功能初探

作为模式植物，水稻和拟南芥对于禾本科植物的研究都有其不足，二穗短柄草（Brachypodiumdistachyon）有望成为它们良好的补充。它具有作为一种模式植物所应该具有的各项优点，并且它与温带禾本科植物的亲缘关系比水稻更近。建立其良好转化体系是其成功应用的一环。本论文第一章以建立其农杆菌转化体系为目的，成功的诱导了其胚性愈伤组织，获得了潮霉素抗性愈伤，发现乙酰丁香酮浓度与转化效率的关系，并证明Silwet L-77对提高其转化效率有明显的作用，为进一步完善其转化体系打下了基础。 VER2是由本实验室发现的小麦春化相关基因，并己证明它可能参与春化过程中O-CJlcNAc介导的信号传导。本论文第二章研究了将VER2在水稻中过表达所引起的表型，发现VER2与光有类似的抑制根生长的作用，并且能够互相影响对方的表型，说明二者在水稻内调控根生长的信号途径既有共同的作用，但是又相互制约。进一步的研究有可能会找到水稻根内IAA响应的重要因子。 在第三章中，根据芯片数据克隆了水稻的十个可能与赤霉素、茉莉酸和减数分裂相关的上下调基因，并对其中四个利用过表达和RNAi技术进行了水稻转化，以研究它们在水稻中的功能。其中一个基因过表达的表型与赤霉素缺陷造成矮化和叶色深绿两个特征一致，而RNAi导致植株高度增加、叶色黄绿。而该基因受赤霉素诱导上调的程度在三个芯片杂交结果中最大(log2=2.3275)这一点也为其功能提供了很好的提示，即可能参与了赤霉素信号途径。

盐角草（Salicornia europaea L.）SePSY和SeLCY基因克隆及功能分析

盐角草（Salicornia europaea L.）是一种叶片退化而茎肉质化，不具有盐腺和盐囊泡的真盐生植物，可以在1020 mM NaCl下生存。其特殊的形态适应特点使其成为研究植物抗盐性的良好实验材料。但目前与盐角草抗盐机理相关的生理和分子方面的研究还非常有限。本文以盐角草为材料，首先探讨了盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡的影响，在此基础上进一步克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶，八氢番茄红素合成酶（SePSY）和番茄红素β-环化酶（SeLCY）基因，并进行了功能分析。该研究对于了解类胡萝卜素在植物抗盐性中所起的作用具有重要意义。 盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡影响的实验结果表明：200 mM NaCl是盐生植物盐角草生长的最适盐浓度，在该盐度下盐角草中叶绿素a/b的比值和光饱和点升高，植株的光合作用表现出增强的效应，植株生长最佳。而27％ PEG-6000所模拟的渗透胁迫显著降低了盐角草中叶绿色a/b的比值，抑制其光合作用和生长。200 mM NaCl下，Na+的含量显著增加，但脯氨酸含量保持不变，说明Na+对盐角草渗透平衡的作用要强于脯氨酸。同时盐角草中液泡H+-ATPase（V-H+-ATPase）活性增强，而盐角草Na+/H+逆向转运蛋白基因（SeNHX1）在盐分和渗透胁迫下却表现为组成型表达;我们因此推断在盐分胁迫下，Na+的吸收是由于液泡H+-ATPase活性的增强，而不是诱导SeNHX1基因的表达。同时Na+的吸收可能进一步诱导了与光合作用相关基因的表达。 盐分对植物的影响涉及植物体内包括光合作用和活性氧代谢在内的多个代谢过程。在植物中，类胡萝卜素是植物捕光天线复合体（LHC）和光系统反应中心叶绿素结合蛋白的重要组成部分。植物体内类胡萝卜素能够清除植物叶绿体，线粒体和过氧化物体在电子传递过程中产生的活性氧。同时类胡萝卜素是植物激素ABA的前体。200 mM NaCl虽然增加了盐角草细胞的渗透势，但并没有对其造成氧化胁迫和离子毒害，相反提高了其光合能力。类胡萝卜素作为植物活性氧的淬灭剂和光系统的组成成分，可能在盐角草抗盐机理中发挥着比较重要的作用。在过去的十年中，类胡萝卜素研究大多集中在其生物合成和提高作物中类胡萝卜素含量方面，可是，在植物对非生物逆境（如氧化和盐分胁迫）的适应机制中，类胡萝卜素合成途径究竟发挥什么作用目前还不是很清楚。为了了解盐角草中类胡萝卜素合成途径在植物逆境的适应机制中所发挥的作用，本文采用RACE的方法克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶基因 SePSY和SeLCY，将它们构建到植物表达载体SN1301中，转化拟南芥，并对它们进行了初步的功能分析。 研究发现盐角草SePSY基因全长1655 bp，编码419个氨基酸，推测分子量为47.2 kDa，等电点为8.92。其蛋白在1-65个氨基酸处有一个信号肽。在1-19和242-264氨基酸处有2个跨膜区。盐角草SeLCY基因全长1937 bp，编码498个氨基酸，推测分子量为56.1 kDa，等电点为8.41。其蛋白在1-37个氨基酸处有一个信号肽。在79-96，367-385和454-474氨基酸处有3个跨膜区。SePSY和SeLCY基因过量表达均促进转基因拟南芥的生长，转SePSY基因拟南芥次生根数目比野生型拟南芥明显增多。SePSY和SeLCY基因的过量表达还使转基因拟南芥对百草枯的抗性得到提高;SePSY基 因的过量表达增强了植株体内抗氧化保护酶过氧化物酶（POD），超氧化物歧化酶（SOD）活性，但过氧化氢酶 （CAT）的变化不显著;转SeLCY基因株系POD，SOD，CAT的活性都有所增强，但转SePSY基因株系中POD活性明显高于 转SeLCY基因株系。转SePSY和SeLCY基因拟南芥叶片中丙二醛（MDA）和H2O2含量均降低，但转SePSY基因株系中MDA和H2O2含量明显低于转SeLCY基因株系。说明转基因拟南芥对氧化胁迫的抗性得到了提高，同时使得光系统II（PSII）和细胞膜的结构和功能不被破坏。而转SePSY基因株系对盐分和氧化胁迫的抗性明显高于转SeLCY基因株系。SePSY和SeLCY基因的过量表达还提高了转基因拟南芥的光合效率，气孔导度和Fv/Fm比值。 SePSY和SeLCY基因转化拟南芥及其功能分析的初步结果表明，SePSY和SeLCY基因的过量表达提高了转基因拟南芥对体内活性氧（ROS）的清除能力，增强了拟南芥的光合能力，进而提高了拟南芥的抗盐性。

SeNHX1和BADH基因提高植物耐盐性的研究

土壤的盐碱化问题已经严重影响到世界范围内许多重要作物的生产。培育耐盐作物是解决这一问题的最有效途经。利用耐盐相关基因的转化可以在不改变或很少改变植物其它性状的情况下提高植物的耐盐性，因此基因工程方法对于改良植物耐盐性及其机理的研究具有重要的意义。目前植物耐盐基因工程从调控渗透调节物质和盐离子区隔化两个方面开展了较多的研究。已经获得一些耐盐性提高的转基因植物。 本研究拟用耐盐性较强植物山菠菜中的甜菜碱合成关键基因BADH和盐生植物盐角草的液泡膜Na+/H+ anitiporter基因SeNHX1对模式植物烟草进行转化，以确定其各自在耐盐性方面所起的作用。同时，现有的研究表明植物的耐盐性是多基因控制的复杂性状，因此拟把SeNHX1和BADH 这两个涉及不同耐盐机理的基因构建到同一个植物表达载体上，以比较单基因转化和双基因转化在提高植物耐盐性方面的优劣。除此之外，并对已经转入BADH基因番茄的耐盐性和遗传稳定性分析进行了研究。 转BADH基因番茄已经稳定遗传到T4世代。通过对5个转BADH基因番茄株系在T0世代、T3世代和T4世代的分析，表明除了株系T4-3由T0世代的3个拷贝变为1个拷贝外，其余各株系拷贝数均没有发生变化。外源基因编码的酶活性和最终催化产物甜菜碱在盐分胁迫下都能较容易的检测到，说明外源基因在番茄基因组中的遗传是稳定的，没有发生丢失。在连续2个世代的耐盐性鉴定中，各转基因株系的耐盐性较为一致，均比野生型有了较大的提高。其中株系T4-5连续2年表现出了较低的减产率，株系T4-8也在连续的2年中表现出了最高的单株产量。盐分胁迫下转BADH基因各个株系比野生型有较高的K+和Ca2+含量，较低的Na+含量，转基因株系较野生型有较低的脐腐病果率。 通过SeNHX1、BADH单独转化以及构建双价载体共转化的方法获得了3种类型的转基因烟草。Southern和Northern 检测结果表明，外源基因已经整合到烟草基因组中，并得到了正确的表达。转BADH基因烟草在盐分胁迫下能检测到明显的BADH酶活性和甜菜碱含量。转基因烟草T0代对盐分胁迫、氧化胁迫的抗性均较野生型对照有较大的提高。转基因株系在200 mM NaCl胁迫下较野生型有较高的光合速度。百草枯处理过的野生型叶盘比转基因株系积累了更多的丙二醛，表明野生型受到了更大的氧化胁迫。 已经获得3种转不同基因烟草的T1代，且T1代具有较强的耐渗透胁迫能力。转基因烟草的T0种子均能在含100 mg/L 卡钠霉素培养基上发芽和正常生长，其中部分种子能够在含200 mM NaCl 培养基上发芽并能较好的生长，而野生型根本不能发芽。从200 mM甘露醇胁迫1周后，又转移到营养液中的生长1周的情况来看，转基因烟草能较快的恢复正常的生长，有新的叶子和根长出，而野生型却不能，同时转基因株系比野生型具有更大的单株鲜重。 转BADH基因番茄在遗传上是稳定的，并且其耐盐性有了较大的提高。双基因转化烟草的抗盐性要好于单基因转化，但SeNHX1基因转化要好于BADH基因转化。说明SeNHX1基因在提高植物耐盐性方面要比BADH基因有更强的功能，同时，也表明多基因转化在植物的耐盐改良方面可能是一个更为有效的方法。

由农杆菌介导将葡萄糖氧化酶基因转入水稻

过氧化氢（Hydrogen peroxide,H2O2）是植物和病原微生物互作中快速合成的一种早期活性氧类（reactive oxygen species, ROS ），它在植物受到病原微生物侵染后引发的一系列防御反应中起着非常重要的作用，因此通过外源基因导入提高植物体内过氧化氢的含量，可以增强植物的广谱抗病性。葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GO）可以催化β-D-葡萄糖氧化生成过氧化氢和葡萄糖酸，此酶已在数种细菌和真菌中检测到，但在植物和动物中仍未发现。为了尝试将此酶应用于水稻广谱抗病基因工程，本研究将葡萄糖氧化酶基因插入具有潮霉素抗性选择标记的双元载体pCAMBIA1301，新构建为水稻高效表达载体pCAG1301。将此质粒导入根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens ）菌株LBA4404后,转化粳稻(Oryza sativa )品种日本晴(Nipponbare)成熟胚来源的愈伤组织和幼胚，并由筛选出的潮霉素抗性愈伤组织分化再生植株。对所得到的潮霉素抗性植株的Southern杂交分析表明GO基因已整合到受体基因组,为单拷贝或双拷贝插入。利用过氧化氢与淀粉-碘化钾反应显蓝色的特性检测到了转基因植株产生的过氧化氢，证实GO基因表达产生的葡萄糖氧化酶已经在水稻中发挥功能，这是将GO基因转入单子叶植物的首例报道。 基于过氧化氢诱导的植物防御反应没有种属专一性的优点，可以预期所得转基因水稻植株很可能对水稻的多种病原菌具有良好的抗性。已完成的抗病性鉴定表明，所得转基因水稻植株对稻瘟病具有良好的抗性。

鞑靼荞麦（Fagopyrum tataricum Gaertn.）离体再生与遗传转化研究

鞑靼荞麦是我国特有的农业产品，具有抗寒耐旱特性和较高的营养保健功能。荞麦的开花习性及遗传特点导致其人工杂交授粉难以成功，这成为荞麦杂交育种难以获得突破的重要原因。因此利用转基因技术导入有益基因有可能成为荞麦遗传改良的新途径，而再生及转化体系的建立是开展转基因研究的基础。 本文研究了苗龄、外植体、几种激素配比对鞑靼荞麦（Fagopyrum tataricum Gaertn.）离体培养的影响，初步建立了鞑靼荞麦离体再生体系。结果表明，鞑靼荞麦离体再生的最佳取材时间为苗龄6-8d；诱导愈伤组织的最适培养基为MS＋2.0 mg/L 2,4-D＋1.5 mg/L 6-BA，子叶诱愈率达75％左右，下胚轴的可高达86.62％；愈伤组织分化的最适培养基为MS 0.1mg/L IAA＋2.0mg/L 6-BA＋1.0 mg/L KT＋0.5mg/L TDZ，下胚轴的分化率可达9.52%。下胚轴的诱愈率与分化率均高于子叶，更适于离体再生培养。培养基中加入AgNO3后，能有效降低褐化率。生根最适培养基为含有0.5mg/L NAA的1/2MS培养基，生根率在50％左右。TDZ在诱导鞑靼荞麦的愈伤组织分化出芽的过程中起到明显的促进作用，可提高分化率约20%。 在上述研究基础上，本文还对鞑靼荞麦的遗传转化体系进行了探索性研究。分别利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法和微粒轰击法（基因枪法）对黑水苦荞下胚轴进行遗传转化。 在农杆菌介导的方法中，携带有质粒pCAMBIA2301的农杆菌菌株EHA105用于转化。载体质粒pCAMBIA2301包含有gus和npt-II 基因, 并受35s启动子驱动。研究结果表明，在侵染方式选择上，浸泡方式比吸打方式更有效，根癌农杆菌侵染的较适浓度为OD600＝0.5，共培养3天，恢复培养7天，能检测到gus基因的表达。 基因枪法使用质粒pBI121，同样包含有gus和npt-II基因, 并受CaMV35s 启动子驱动。轰击距离为9cm较合适，甘露醇前处理在本研究中未表现出明显优势。 两种转化方法比较，基因枪法比农杆菌介导法更快速有效。 本研究为进一步的遗传操作研究打下基础。 Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum Gaertn.), the traditional and unique agricultural product of China, is a kind of crop with strong drought and cold tolerance, abundant nutrition and high medical value. Artificial hybridization is hard in buckwheat because of its flowering habits and genetic characteristics, which leads to no breakthrough in tartary buckwheat breeding. However, biotechnological approaches, especially genetic transformation for the direct introduction of good genes into tartary buckwheat for quality improvement, hold great promise. In this study, we established tartary buckwheat regeneration system in vitro. It is the foundation for genetic manipulation of this crop. The effects of seedling age, hypocotyl and cotyledon as explants, and proportions of several growth regulators were tested in tissue culture of tartary buckwheat for establishing its in vitro regeneration system. The results showed that the best seedling age for callus induction was 6 to 8 days. On the MS medium containing 2.0mg/L 2, 4-D and 1.5mg/L 6-BA, the induction rate of callus from hypocotyls was up to 86.62%, while from cotyledons was about 75％. The suitable shooting medium was the MS medium+0.1mg/L IAA+2.0mg/L 6-BA+1.0 mg/L KT+0.5mg/L TDZ, and the shooting rate from hypocotyls was 9.52%. The callus induction and shooting rates were higher from hypocotyls than from cotyledons. Browning reduced when the medium mixed with AgNO3. Half strength MS supplemented with 0.5mg/L NAA was the best for rooting, the rate was around 50% after 30 days culture. TDZ can accelerate the shoot differentiation distinctively, and it could improve the shooting rate nearly 20%. On the base of above, the explorative research of the genetic transformation in tartary buckwheat was done. In the study, hypocotyls from Heishui tartary buckwheat were transformed by Agrobacterium-mediated method and microprojectile bombardment method (gene-gun), comparatively. In Agrobacterium-mediated method, a disarmed Agrobacterium tumefaciens strain EHA105 harboring plasmid pCAMBIA2301 was used. The vector pCAMBIA2301 contains gus and npt-II genes, driven by CaMV35s promoter. The results showed that the appropriate concentration of Agrobacterium tumefaciens for infecting was OD600＝0.5, and co-culture time was 3d. Seven days later after coculture, GUS expression could be tested. In particle bombardment transformation, plasmid pBI121 was used. pBI121 also contains gus and npt-II genes, driven by 35s promoter. Hypocotyls pretreated with mannitol, no effect was observed, and the suitable distance of bombardment is 9cm. Comparing with Agrobacterium-mediated method, gene-gun method is more convenient and effective. All above results could be a basic work for further study in tartary buckwheat transformation.

青花菜原生质体培养和根癌农杆菌介导的遗传转化

从4-5天龄青花菜(Brassica oleracea var．italica)下胚轴游离原生质体，经纯化后培养在简化的KMsP培养基上，原生质体分裂形成了细胞团;同时，对影响外源DNA导入子叶和下胚轴原生质体后瞬间表达强度的若干因素作了较详细的研究，这些因素包括转化介质中二价阳离子的种类和浓度、PEG溶液的浓度以及PEG溶液的pH值， 为进一步进行原生质体水平上的细胞遗传转化创造了条件。 以青花菜(Brassica oleracea var．italica)子叶和下胚轴为外植体材料，进行了根癌农杆菌介导的遗传转化研究。在建立了子叶和下胚轴外植体组织培养的高频率植株再生系统的基础上，用携带有双元载体质粒的根癌农杆菌(Asrobacterium,tumefaciens)A208sE感染青花菜子叶和下胚轴，对根癌农杆菌的感染过程以及影响抗性芽分化频率的诸多因素作了详细研究，再生了具有卡那霉素抗性的完整转化植株。Dot Blot分析表明NPTⅡ酶活性的存在;以pROA93经EcoRI /HindⅢ酶切产生的gus基因片段(约2.6Kb)为探针进行Southern Blot分子杂交，结果表明gus基因已整合到植物细胞基因组中，并且得到了表达。