Review of genetic engineering of Laminaria japonica (Laminariales, Phaeophyta) in China

Progress has been made in establishing a genetic transformation model for Laminaria japonica (Phaeophyta, Laminariales). The model includes introduction of foreign genes by biolistic bombardment, use of promoter SV40 to drive gene expression, algal regeneration by parthenogenesis and selection by chloramphenicol or hygromycin.

Mechanism for Giycinebetaine to Improve Plant Salt Resistance and Its Research Advances in Genetic Engineering

The paper systematically discusses the mechanism for glycinebetaine to improve plant salt resistance and its research advances in genetic engineering at home and abroad as well as summarizing the research progresses about the key enzymes and their genetic engineering in glycinebetaine biosynthesis. It suggests that on the basis of further understanding the mechanism for glycinebetaine to improve plant salt resistance,the transformation of the genes relating to glycinebetaine biosynthesis should be carried out in major crops so that new plant varieties resistant to salt can be obtained.

小麦肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）基因的分离和功能分析

作为植物界广泛存在的一类酚类聚合物，木质素是陆生植物正常生长发育过程中非常重要的生物大分子，而且与人类的生活息息相关。利用分子生物学手段和基因工程方法，从小麦中分离木质素生物合成途径的关键酶-肉桂酰辅酶A还原酶基因（CCR），研究肉桂酰辅酶A还原酶基因在木质素代谢途径中的调控规律，从其催化的限速步骤入手，来调控木质素的合成，有效的改变木质素的组成、含量和结构，是改善木质素在植物生长发育中的作用乃至开发木质素资源的关键所在。本文就小麦肉桂酰辅酶A还原酶基因的分离、表达特征及其在木质素合成途径中的作用开展了研究工作。 首先用RACE方法从小麦中克隆了CCR的两个cDNA的部分序列，序列分析表明它们编码的蛋白具有CCR的典型特点，GC含量高于均60%，两者在核酸水平和蛋白水平的同源性为76%和 69%，证明在小麦中至少存在着两个CCR基因。通过 RT-PCR和Northern 杂交确定W-cr6和W-cr19在小麦的发育中具有不同的表达特征，W-cr6主要在茎中表达，而W-cr19的表达集中在根中。以W-cr6为探针，从cDNA文库中筛选到一个全长1317bp的cDNA，命名为TaCCR1。TaCCR1包括开放阅读框 (ORF) 1047bp、5′端侧翼 72bp和3′端侧翼198bp的非翻译序列。TaCCR1能够编码由349个氨基酸组成的蛋白质，预期的分子量为37.4kD。同源性比较显示TaCCR1基因在核酸水平和蛋白质水平与其他物种的CCR基因的同源性高于60%。 为了分析CCR在木质素合成中的作用，用TaCCR1构建了用于转化烟草的正义和反义表达载体pStCCR和pAtCCR、用于转化小麦的正义和反义表达载体pBSC1和pBAC1。通过农杆菌介导得到了30株反义转基因烟草和12株正义转基因烟草。由于外源基因的抑制作用，转基因烟草在形态、木质素组成和含量、木质部显微结构上都程度不同的发生了变化。正义和反义的转基因株系呈现出株型矮化、木质素含量下降、木质部导管细胞壁受到破坏等现象。同时利用花粉管通道法转化小麦种子5000多粒，部分处理经过初步的PCR和 Southern分子鉴定获得了1株转基因株系，需要对其遗传、生理和形态特征做进一步的研究。 本文还对木质素对小麦茎杆的机械强度的影响做了初步的探讨，得到的结果是小麦茎杆的木质素含量、维管束的数量、茎杆有效的横界面积与其最大弯曲应力存在着正相关，而维管束的结构、密度对茎杆的最大弯曲应力没有明显的影响，从而为通过CCR基因来改善小麦茎杆的抗倒特性建立了生理学基础。

棉花抗虫基因工程研究

本文通过根农杆菌（Agrobacterium tumfaciens）介导法分别将Signal和KDEL修饰的豇豆胰蛋白酶抑制剂（Cowpea trypsin inhibitor, CpTI）基因、豌豆外源凝集素（Pea lectin, P-Lec）和大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（Soybean Kunitz typsin inhibitor, SKTI）双价抗虫基因、雪花莲外源凝集素（Galanthus nivals agglutinin, GNA）基因以及高效复合启动子OM控制的苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis, B.t.）杀虫毒蛋白基因导入了陆地棉（Gossypium hirsutum L.）栽培品种新陆早1号、新陆中2号、晋棉7号、冀合321、辽9和晋棉12号，并获得了大批转基因再生植株。 实验中对影响棉花转化和再生的一些条件进行了研究，从根农杆菌培养、棉花无菌苗的制备、转化操作和共培养等方面对转化条件进行了探讨;从激素配化、植物表达载体、外植体类型、基因型等方面对抗性愈伤组织的诱导进行了摸索;从激素、从碳源、培养容器、pH值、抗褐化剂及固化剂的选择等方面对影响植株再生的条件进行了优化。 本文开创性地采用嫁接代替移栽，从而极大地提高了转化植株定植成活率，缩短了缓苗时间并增加了转化植株当代的繁殖系数。 在建立了一套较为高效的陆地棉转化及再生系统基础上，本文还进行了其它转化方式和转化体系的初步探讨。利用棉花幼嫩种子无菌苗下胚轴作为外植体，通过改变愈伤组织诱导培养基配方面提高胚性愈伤组织的诱导频率，进而得到更多的体细胞胚状和再生植株，缩短再生周期;尝试用胚性愈伤组织作为外植体的根农杆菌介导法转化，确定了一些与转化有关的条件;建立了一套棉花茎尖培养程序，为运用基因枪法轰击棉花茎尖分生组织或用根农杆菌直接转化茎尖分生组织，以克服根农杆菌转化棉花时体胚发生的基因型局限开辟了一条新途径。 本文还建立了一种快速鉴定转化植株后代的方法。这一简便方法还有助于进行转基因棉纯合系的筛选以及外源基因的遗传稳定性研究。 转基因植株经Npt-II ELISA、PCR、PCR Southern 检测证明外源抗虫基因CpTI、SKTI、P-lec、GNA以及B.t.基因已存在于转化植株基因组内。修饰的CpTI转基因植株抗棉铃虫（Heliothis armigera Hubner）试验结果表明，其杀虫效果显著优于前期未修饰的CpTI转化植株。P－lec和SKTI双价转基因植株抗棉铃虫试验结果表明，转基因植株对棉铃虫幼虫具有较强的杀虫活力。 目前，已获得转以上抗虫基因棉花T1代植株。为今后进一步将植物基因工程技术应用于棉花遗传改良打下了基础。

陆地棉抗虫基因工程研究

以陆地棉（Gossypium hirsutum L.）栽培品种新陆早4号、系550、冀资492、衡无89-30、邯93-2、冀资123等为材料，进行了组织培养及植株再生研究，建立了一套陆地棉体细胞植株再生速成体系。通过调整激素种类与比例以及改善培养条件，降低了畸形胚发生频率（从80%降为41%），并可将畸形苗转化为正常苗（转化率约为78%）;通过水培和嫁接，结合试管扦插、扩繁技术，解决了棉花生根及移栽难题，为农杆菌介导法转化棉花奠定了基础。 用绿色荧光蛋白基因（gfp）作为报告基因，构建了pBGb1m（含Bt和gfp二价基因）、pBGbf（含Bt-gfp融合基因）和pBGbfg（含Bt-gfp融合基因和gna基因）等三种植物表达载体。通过农杆菌介导法转化烟草，转基因再生植株经过荧光、虫试、PCR、Southern blot和Western blot等检测，表明三种植物表达载体能够在转基因植物中有效表达，同时，绿色荧光蛋白（GFP）的检测表现出了简便、经济、快速、可靠等优点，为大量棉花转基因苗的检测提供了一种有效方法。 采用花粉管通道法将携带细胞间隙定位信号肽的Bt基因的pBin438-S1m质粒导入棉花品种冀资492，经过田间卡那霉素筛选、虫试、PCR、PCR-Southern blot和Southern blot检测，证明Bt基因已整合至棉花基因组中，而且可能是以单拷贝形式插入。 同时，通过农杆菌介导法将三种植物表达载体（pBGb1m、pBGbf和pBGbfg）转化陆地棉栽培品种新陆早4号、冀资492、衡无89-30和邯93-2等材料，获得了大量转化再生棉株。经过PCR和PCR-Southern blot检测，转基因阳性植株为转为再生植株总数的89.45%。目前，虫试、Southern blot及Western blot正在进行之中。

棉花抗黄萎病基因工程研究和防卫反应相关基因的克隆

系统获得性抗性(Systematic acquired resistance, SAR)是植物抵御病原菌侵染的最有效手段，利用基因工程技术导入SAR信号发生过程中的关键基因后，植物的SAR基因表达量提高并且对病原菌侵染的反应速度加快，因此植物的抗病性得以增强，与传统的抗病基因工程技术相比它对病原菌没有专一性，许多学者称之为广谱抗病基因工程，该领域已成为目前抗病基因工程研究的热点和前沿。 NDR1和NPR1基因在植物的SAR发生中起着重要的作用，前者功能定位在ROS(reactive oxygen species)的激活和随后的水杨酸(SA)诱导合成之间，突变株病原菌诱导后SA合成能力降低，SAR发生减弱，目前还没有对该基因进行过量表达分析的报道;后者功能定位在SAR信号转导级联反应之中的SA积累和随后的SAR基因表达之间。该突变株在病原菌侵染时不产生病程相关蛋白(PRs)，表现为感病，而对照抗病;过量表达该基因的转基因拟南芥对多种病原菌的侵染产生抗性，PR1等PRs蛋白的表达量也提高，异源表达该基因的水稻对白叶枯病的抗性也提高。本研究利用RT-PCR方法从拟南芥中克隆了这两种基因，序列分析表明拟南芥Wassilewskija生态型的NDR1基因与Columbia生态型相比，共有7处碱基不同，引起编码氨基酸变化4处，而NPR1基因与报道的Wassilewskija生态型来源的NPR1基因完全相同。 我们构建了35S启动子驱动的NDR1和NPR1基因的植物组成型高效表达载体，利用农杆菌介导法转化烟草，PCR和Southern鉴定外源基因已经整合到植物基因组中。抗病性分析显示过量表达NDR1和NPR1基因的烟草对晚疫病和赤星病的抗性都有明显提高，说明这两个基因的在其它植物中异源表达后，都能提高植物对多种病原菌的抗性。 本论文提出了利用这两个基因来培育抗黄萎病棉花的设想，一方面为解决这个“世纪性”难题积累新的资料，另一方面也为其它作物的抗病基因工程提供新的经验。利用35S启动子驱动的NDR1和NPR1基因的植物组成型表达载体分别对陆地棉品种石远321进行花粉管通道法转化。同时，还探讨了这两个基因在棉花中的共转化实验，希望它们的“协同增效”能进一步提高棉花的抗病性。对其中2001年夏天在南京注射所获得的5,000粒种子在三亚进行100 g/ml卡那霉素筛选，初步鉴定分别获得转NDR1和NPR1基因株系26和24棵，PCR进一步鉴定其中分别有12和7棵为转基因阳性，转基因频率分别为0.50％和0.27％，目前利用营养钵蘸根法对其二代进行抗枯、黄萎病鉴定，结果显示有转基因植株对枯、黄萎病的抗性都明显增强，进一步的鉴定正在进行中。2002年初海南注射分别获得转NDR1和NPR1基因以及共转化种子22,000、10,500和12,500粒种子，2002年夏在中国农科院植保所黄萎菌病圃筛选抗黄萎病单株，并利用100 g/ml卡那霉素初步筛选出了一批抗性植株，每种转基因株系随机挑选5株进行PCR鉴定，结果显示为阳性。进一步的抗黄萎病鉴定和筛选以及分子分析正在进行中。 同时，本文还探讨了病原菌诱导型启动子在广谱抗病基因工程应用的可能性。根据烟草的Pr1-a启动子已知序列设计引物，PCR扩增启动子序列后,构建病原菌诱导型NPR1基因植物表达载体，并对棉花进行转化，获得种子11,500粒，利用同上的筛选方法，获得了一致的结果，目前抗黄萎病鉴定、分子检测以及生物学分析正在进行中。 最后，鉴于抗生素标记在转基因植物的应用引起了许多“安全性”争论的事实，还构建了无筛选标记的表达载体对抗虫棉进行转化，这样在生产上可以直接获得抗虫棉抗黄萎病棉花新材料，也为其它作物抗病基因工程积累经验。 本研究还提出了一种较为有效的提取高质量棉花总RNA的方法，与原来一些棉花RNA纯化方法相比，该方法所用都为常规试剂，易于重复，质量高。并且利用获得的总RNA构建了黄萎菌激发子诱导的cDNA文库，滴度测定为1╳107pfμ/μg，插入片段大小在5 00~2 000 bp范围内。 鉴于NPR1基因研究的重要性，本研究还利用简并引物PCR技术从海岛棉和陆地棉的基因组中都分离到了NPR1基因的同源片段，大小都为208 bp，与拟南芥NPR1基因的相应部分的同源性分别为66％和65％，它们之间的同源性为87％，目前该基因的全长正在分离鉴定中。 多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(PGIPs)在植物的防御反应中起着重要的作用，通过分析已知20余种pgip基因序列的保守区，设计简并引物，PCR扩增海岛棉（Gossypium barbadense）7124 cDNA文库，得到一条长561 bp的片段，序列测定后分析确认为pgip基因的一部分。根据此序列和棉花病原菌诱导的cDNA文库载体中已知部分设计RACE引物，扩增后，5’和3’RACE分别得到666bp和906 bp的片段。序列分析表明它具有完整的编码框，产物为330 aa的蛋白质。序列分析该蛋白具有10个串联的LRR(leucine-rich repeat)区，与柑桔(Citrus)和枳(Poncirus)的pgip基因的同源性分别为69.2%和68.7%。进一步PCR扩增得到该基因的全长阅读框，并且获得了相应的基因组片段，序列分析发现该基因没有内含子。这是从棉属植物中克隆的第一个pgip基因。

利用转基因植物生产生物可降解塑料(PHB)的研究

聚 3 一控基丁酸酯 (Poly – 3 - hydroxybutyrate,PHB) 及其它类型的聚 3-泾基链烷酸醋同属于聚酯类物质 , 是自然界中多种细菌的碳源及能源储备物。这种聚酯的物理化学特性与传统塑料相似 , 并具有生物可降解性 , 如能取代化学合成塑料将减少环境中的塑料废弃物 , 从源头治理 " 白色污染 " 问题。微生物发酵法生产的 PHB 价格过高 , 无法在市场上与化学合成塑料竞争。随着分子生物学的发展 , 人们逐渐将视线转向植物生物反应器。转基因植物能够利用二氧化碳为碳源、太阳能为能源合成目的产物 , 大大降低生产成本 , 为生产具有市场 竞争力的新型生物可降解塑料提供可行途径。在此领域虽然己取得一定进展 , 但远未达到商业化生产水平。大规模商业化生产要求转基因植物能够在确保环 境安全性的前提下高效、稳定地生产 PHB 。本文尝试改善植物中 PHB 的生产体系 ,为环保型塑料早日进入市场作出努力。 1. 由于表达框架中多次使用同一启动子会导致基因沉默 , 本文克隆了另一 种子特异性启动子 nap300, 以替换重复使用的7S启动子,减轻“共抑制”。将 nap300 与 GUS 基因相连进行功能鉴定。荧光检测和组织化学染色的结果都证明此仅 30Obp 的 DNA 序列足以调控基因进行种子特异性表达。尽管 B 盒作为 高度保守区在种子特异性表达中起重要作用 , 位于此处的两个碱基替代型突变 并未使 nap300 的活性明显降低 , 对启动子的时空表达模式也无明显影响。将 nap300 、 7S 分别与 phbA 基因 ( 编码 3-酮硫裂解酶) 相连 , 在相似表达环境中 对二者功能进行比较 , 发现两个启动子表达模式基本相同并在同一时期达到活 性高峰 , 因此 nap300 可用于改善 PHB 合成基因在植物体内的表达调控。通过 对种子特异性启动子的比较可加深对其表达模式的了解 , 为植物基因工程中的 精细调控提供依据。 2. 叶绿体基因工程是随着植物遗传转化技术发展刚刚兴起的生物技术 , 具 有超量表达外源基因 , 为原核基因提供适宜表达环境 , 消除 “位置效应”和基因沉默 , 环境安全性好等优点 , 较更适合用于植物生物反应器方面的研究。本研究在国内率先探讨将叶绿体转化技术引入植物生产生物可降解塑料这一领域 的可行性 ( 国外仅有日本一例 ), 构建了叶绿体转化及表达载体 pTRV-PHB, 通过基因枪法将 PHB 合成相关基因导入烟草叶绿体基因组。转基因烟草顺利达到同质化，其形态和生长发育均无异常。 Northern 点杂交检测表明与 PHB 合成相关的三个基因均能在转录水平表达 , 未出现核转化中经常发生的“基因沉默”现象。通过 RT-PCR 进一步检测表明叶绿体型转基因烟草中目的基因的表达水平明显比核转化植株中相应基因的表达水平高。气相色谱分析确证转基因植株具有合成 PHB 的能力。这些都表明叶绿体转化适合用于转基因植物生产 PHB的研究。虽然叶绿体型转基因烟草中产物含量偏低 , 并未达到预期结果 , 但经进一步改进与完善 , 终将会成功地用于生产高附加值产品的植物基因工程中。 3. 为初步探讨叶绿体转化中在同源重组反应介导下整合外源基因的机理 , 从油菜叶绿体基因组中分离两段序列作为同源片段 , 基因枪法转化烟草 , 结果显示即使供体所含同源片段与受体叶绿体基因组相应区域差异高达 10%, 转化效率也无降低。这一现象的发现有助于促进“通用载体”　的改进 , 扩展叶绿体转化受体范围乃至达到商业化应用水平。 4. 成功地通过二次转化获得整合并表达多基因的转基因烟草 , 缩短了研究周期 , 对相关转基因植物的研究有一定参考价值。本文还优化了油菜转化体系 , 使转基因油菜同时整合三个 PHB 合成相关基因的效率由 7.69% 增加至 16.0% 。 田间试验与产物分析正在进行中。

基因工程化分泌神经营养因子一3的鼠胚神经干细胞实验研究

：探索以Lentivirus为载体，构建同时表达绿色荧光蛋白(GFP)和神经营养因子一3(NT一3)的基因工程化鼠胚神经于细胞(NSC)的可行性。方法：体外分离培养鼠胚NSC，用同时携带NT一3和GFP的lentivirus转染构建工程化NSC；用荧光显微镜、鼠胚背根神经结培养(Dorsal Root Ganglion，DRG)、Westem blot等方法检测基因工程NSC 的转基因表达。结果：荧光显微镜观察到几乎100％的工程化NSC表达GFP：DRG培养和Westem blot检测到基因工程化NSC能高效分泌NT一3蛋白。结论：以IJentivirus为载体，构建同时携带并稳定表达GFP和N‘r_3的基因工程化鼠胚NSC是可行的，可为脊髓损伤基础研究提供有价值的细胞资源。

Lentivirus介导表达多基因的人胚基因工程神经干细胞的实验研究

目的:探索以Lentivirus为载体,构建同时携带并表达多基因的基因工程人胚神经干细胞(hum an neu鄄ral stem cell,hNSC)的可行性,为脊髓损伤治疗的研究提供材料。方法:培养和鉴定hNSC;用携带绿色荧光蛋白(green fluorescence protein,GFP)和神经营养因子-3(neurotrophic factor-3,NT-3)的Lentivirus转染hNSC;用荧光显微镜观察、鼠胚背根神经结培养(dorsal root ganglion,DRG)和Slot blot等方法检测基因工程hNSC的多基因表达情况。结果:培养获得了大量的hNSC;荧光显微镜观察到几乎100%的hNSC表达GFP;基因工程hNSC的培养液能促使大鼠DRG旺盛生长;Slot blot检测到基因工程hNSC能高效分泌NT-3蛋白。结论:以Lentivirus为载体能构建同时携带并稳定表达多基因的基因工程hNSC,为脊髓损伤治疗的基础研究及进一步临床应用提供了有价值的细胞资源。

Application of methyl parathion hydrolase (MPH) as a labeling enzyme

Methyl parathion hydrolase (MPH) is an enzyme that catalyzes the degradation of methyl parathion, generating a yellow product with specific absorption at 405 nm. The application of MPH as a new labeling enzyme was illustrated in this study. The key advantages of using MPH as a labeling enzyme are as follows: (1) unlike alkaline phosphatase (AP), horseradish peroxidase (HRP), and glucose oxidase (GOD), MPH is rarely found in animal cells, and it therefore produces less background noise; (2) its active form in solution is the monomer, with a molecular weight of 37 kDa; (3) its turnover number is 114.70 +/- 13.19 s(-1), which is sufficiently high to yield a significant signal for sensitive detection; and (4) its 3D structure is known and its C-terminal that is exposed to the surface can be easily subjected to the construction of genetic engineering monocloning antibody-enzyme fusion for enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). To demonstrate its utility, MPH was ligated to an single-chain variable fragment (scFv), known as A1E, against a white spot syndrome virus (WSSV) with the insertion of a [-(Gly-Ser)(5)-] linker peptide. The resulting fusion protein MPH-A1E possessed both the binding specificity of the scFv segment and the catalytic activity of the MPH segment. When MPH-A1E was used as an ELISA reagent, 25 ng purified WSSV was detected; this was similar to the detection sensitivity obtained using A1E scFv and the HRP/Anti-E Tag Conjugate protocol. The fusion protein also recognized the WSSV in 1 mu L hemolymph from an infected shrimp and differentiated it from a healthy shrimp.

Site-directed gene integration in transgenic zebrafish mediated by cre recombinase using a combination of mutant Lox sites

With current gene-transfer techniques in fish, insertion of DNA into the genome occurs randomly and in many instances at multiple sites. Associated position effects, copy number differences, and multiple gene interactions make gene expression experiments difficult to interpret and fish phenotype less predictable. To meet different fish engineering needs, we describe here a gene targeting model in zebrafish. At first, four target zebrafish lines, each harboring a single genomic lox71 target site, were generated by zebrafish transgenesis. The zygotes of transgenic zebrafish lines were coinjected with capped Cre mRNA and a knockin vector pZklox66RFP. Site-specific integration event happened from one target zebrafish line. In this line two integrant zebrafish were obtained from more than 80,000 targeted embryos (integrating efficiency about 10(-4) to 10(-5)) and confirmed to have a sole copy of the integrating DNA at the target genome site. Genomic polymerase chain reaction analysis and DNA sequencing verified the correct gene target events where lox71 and lox66 have accurately recombined into double mutant lox72 and wild-type loxP. Each integrant zebrafish chosen for analysis harbored the transgene rfp at the designated egfp concatenates. Although the Cre-mediated recombination is site specific, it is dependent on a randomly placed target site. That is, a genomic target cannot be preselected for integration based solely on its sequence. Conclusively, an rfp reporter gene was successfully inserted into the egfp target locus of zebrafish genome by Cre-lox-mediated recombination. This site-directed knockin system using the lox71/lox66 combination should be a promising gene-targeting platform serving various purposes in fish genetic engineering.