细胞分裂素的测定及其转基因植物的基因表达和调控的研究

细胞分裂素是一类重要的植物激素，它参与调节许多植物的生命活动过程。本文从几个方面研究了细胞分裂素的作用。 在细胞分裂素的活性测定中，通过改进尾穗蔸苋红素合成法建立了一种简便、准确的生物试法，同时还建立了根据物理化学和免疫学原理而测定细胞分裂素的HPLC和ELISA方法，使得细胞分裂素的定量更加准确。经过对上述三种方法的相互验证实验表明，同时采用二种方法可以保证细胞分裂素分析的准确和可靠。 细胞分裂素可以促进黄瓜子叶的扩张。利用离体黄瓜子叶，分析BA诱发其扩张与子叶内源细胞分裂素之间的关系，实验证明，BA能促进玉米素及其核苷的迅速积累，进而诱发子叶的扩张。上述结果还表明，黄瓜子叶可能具有合成细胞分裂素的能力。 荸荠球茎是一种贮藏器官，但实验测定发现其中含有细胞分裂素的生理活性形式——异戊烯基腺嘌呤核苷(iPA)，而且合成它的前体腺嘌呤的含量也十分丰富，考虑到球茎与种子的类似之处，推测它可能做为合成细胞分裂素的一个源，而且其合成途径可能有别于植物其它组织。 农杆菌中的异戊烯基转移酶(ipt)基因是负责细胞分裂素生物合成的关键基因。将ipt基因克隆后对其启动子进行了改造，分别构建了如下三种基因：(1) ipt启动子+ipt编码区和3，区(ipt)，(2)磷酸核酮糖羧化酶小亚基启动子SSU 301+ipt编码区和3，区(SSU -ipt)，(3)豌豆种子特异性启动子viciln+ipt编码区和3，区(vic-ipt)。上述三种基因经农杆菌介导转化烟草，获得了16株再生植株，经Southern杂交证明其中15株的基因组上含有正常整合的ipt基因。Northern杂交表明有13株转基因烟草中的ipt基因能转录出大小正常的ipt mRNA并促进了细胞分裂素的生物合成。 实验表明，转基因烟草中ipt基因的表达受到多种因素的调控。首先启动子决定了ipt基因的表达模式，SSU -ipt基因的表达受光的诱导，黑暗中这种基因的转录完全停止，而vic-ipt基因的表达是种子特异性的，它不在烟草营养生长器官如根、茎、叶和愈伤组织中表达。第二，生长素能降低ipt基因的表达活性。第三，在整体植物的根中，存在某些反式因子，能够控制ipt基因的过量表达，这其中可能涉及到细胞内的蛋白因子、基因的甲基化作用及细胞分裂素的反馈调节等。 vic-ipt基因在烟草种子中的特异性表达导致种子内形成了一个细胞分裂素合成的源(source)。对种子中营养物质积累的研究表明，ipt基因的表达促进了种子干物质的积累，其中作用最明显的是增加种子内蛋白质的合成。转入vic-ipt基因后的烟草种子其萌发率没有显著变化，但幼苗的生长速率明显加快，这表明细胞分裂素能调节植株的生长。 通过Northern杂交检测转基因烟草中基因表达的调控，实验证明，ipt基因的表达明显抑制一组植物病理相关蛋白(PR)基因的转录活性，这组基因编码：几丁质酶，β-1，3一葡萄糖苷酶，伸展蛋白和渗调蛋白。对这些调控作用的生理学意义还有待进一步探索。 上述结果表明，在高等植物中，除了传统上认为根是合成细胞分裂素的部位之外，其它组织和器官也具有合成细胞分裂素的能力，其中合成能力最强的是一些离体组织和贮藏器官。农杆菌中的细胞分裂素生物合成基因(ipt)能够在高等植物的基因组中正常的整合和表达，并受到植物体内生理、发育等多种因素的调控，而与整体植物的正常生理过程协调一致。ipt基因的表达还能够调节植物体的生长和发育，包括种子发育时营养物质的积累、幼苗的生长和某些相关基因的表达。对上述问题的深入研究,必将促进细胞分裂素及其相关生理学和发育学研究的进展。

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.