Hybrid cytomegalovirus-U6 promoter-based plasmid vectors improve efficiency of RNA interference in zebrafish

Short hairpin RNA (shRNA) directed by RNA polymerase III (Pol III) or Pol II promoter was shown to be capable of silencing gene expression, which should permit analyses of gene functions or as a potential therapeutic tool. However, the inhibitory effect of shRNA remains problematic in fish. We demonstrated that silencing efficiency by shRNA produced from the hybrid construct composed of the CMV enhancer or entire CMV promoter placed immediately upstream of a U6 promoter. When tested the exogenous gene, silencing of an enhanced green fluorescent protein (EGFP) target gene was 89.18 +/- 5.06% for CMVE-U6 promoter group and 88.26 +/- 6.46% for CMV-U6 promoter group. To test the hybrid promoters driving shRNA efficiency against an endogenous gene, we used shRNA against no tail (NTL) gene. When vectorized in the zebrafish, the hybrid constructs strongly repressed NTL gene expression. The NTL phenotype occupied 52.09 +/- 3.06% and 51.56 +/- 3.68% for CMVE-U6 promoter and CMV-U6 promoter groups, respectively. The NTL gene expression reduced 82.17 +/- 2.96% for CMVE-U6 promoter group and 83.06 +/- 2.38% for CMV-U6 promoter group. We concluded that the CMV enhancer or entire CMV promoter locating upstream of the U6-promoter could significantly improve inhibitory effect induced by the shRNA for both exogenous and endogenous genes compared with the CMV promoter or U6 promoter alone. In contrast, the two hybrid promoter constructs had similar effects on driving shRNA.

Knock down of gfp and no tail expression in zebrafish embryo by in vivo-transcribed short hairpin RNA with T7 plasmid system

A short-hairpin RNA (shRNA) expression system, based on T7 RNA polymerase (T7RP) directed transcription machinery, has been developed and used to generate a knock down effect in zebrafish embryos by targeting green fluorescent protein (gfp) and no tail (ntl) mRNA. The vector pCMVT7R harboring T7RP driven by CMV promoter was introduced into zebrafish embryos and the germline transmitted transgenic individuals were screened out for subsequent RNAi application. The shRNA transcription vectors pT7shRNA were constructed and validated by in vivo transcription assay. When pT7shGFP vector was injected into the transgenic embryos stably expressing T7RP, gfp relative expression level showed a decrease of 68% by analysis of fluorescence real time RT-PCR. As a control, injection of chemical synthesized siRNA resulted in expression level of 40% lower than the control when the injection dose was as high as 2 mu g/mu l. More importantly, injection of pT7shNTL vector in zebrafish embryos expressing T7RP led to partial absence of endogenous ntl transcripts in 30% of the injected embryos when detected by whole mount in situ hybridization. Herein, the T7 transcription system could be used to drive the expression of shRNA in zebrafish embryos and result in gene knock down effect, suggesting a potential role for its application in RNAi studies in zebrafish embryos.

Broad host range plasmid-based gene transfer system in the cyanobacterium Gloeobacter violaceus which lacks thylakoids

Gloeobacter violaceus, a cyanobacterium lack of thylakoids, is refractory to genetic manipulations because its cells are enveloped by a thick gelatinous sheath and in colonial form. In this study, a large number of single cells were obtained by repeated pumping with a syringe with the gelatinous sheath removed. And an exogenous broad host range plasmid pKT210 was conjugatively transferred into G. violaceus. Analyses with dot-blot hybridization and restriction mapping showed that the exogenous plasmid pKT210 had been introduced into G. violaceus and stably maintained with no alteration in its structure. pKT210 extracted from G. violaceus exconjugants could be transformed into the mcr - mrr - E. coli strain DH10B but not the mcr(+) mrr(+) strain DH5alpha, which suggests that a methylase system may be present in G. violaceus.

Glutathione-Mediated Release of Functional Plasmid DNA from Positively Charged Quantum Dots

DNA was efficiently bound to water-soluble positively charged CdTe quantum dots (QDs) through complementary electrostatic interaction. These QDs-DNA complexes were disrupted and DNA was released by glutathione (GSH) at intracellular concentrations. Interestingly, there was almost no detectable DNA released by extracellular concentration of GSH. The formation of QDs-DNA complexes and GSH-mediated DNA release from the complexes were confirmed by dye displacement assay, electrophoretic mobility shift assay (EMSA), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiments.

Fabrication of silver nanoparticles ring templated by plasmid DNA

Silver nanoparticles ring was successfully fabricated by electrostatic assembling 4-aminothiophenol (4-ATP) capped silver nanoparticles on predefined extended circular plasmid pBR322 DNA. The silver nanoparticles ring which was about 1.5 mu m in length, and about 2.2 nm in height can be obtained by adjusting the reaction time. The normal Raman scattering spectra reveal that the 4-ATP has contacted with the silver nanoparticles by forming a strong Ag-S bond. The AFM data show that the assembly of 4-ATP capped silver nanoparticles on DNA is ordered.

Construction and control of plasmid DNA network

The influences of different cations on plasmid DNA network structures on a mica substrate were investigated by atomic force microscopy (AFM). Interactions between the DNA strands and mica substrate, and between the DNA strands themselves were more strongly influenced by the complex cations (Fe(phen)(3)(2+), Ni(phen)(3)(2+), and Co(phen)(3)(3+)) than by the simple cations (Mg2+, Mn2+, Ni2+, Ca2+, Co3+). The mesh height of the plasmid DNA network was higher when the complex cations were added to DNA samples. The mesh size decreased with increasing DNA concentration and increased with decreasing DNA concentration in the same cation solution sample. Hence, plasmid DNA network height can be controlled by selecting different cations, and the mesh size can be controlled by adjusting plasmid DNA concentration.

甘蓝型油菜（Brassica napus L.）花粉和柱头的发育及其与自交不亲和性的关系

作者用扫描电镜、透射电镜和组织化学方法研究了甘蓝型油菜(Brassica napus L．)花粉和柱头的发育及相互作用,得到了如下结果： 一．甘蓝型油菜具有典型的同型孢子体自交不亲和性(Homomorphic and sporophytic self-incompatibility)。自花授粉后，部分花粉粘住在乳突细胞表面，随后萌发出花粉管，花粉管生长受阻于乳突细胞，花粉管表现出各种异常形态，缠绕卷曲(Coiled pattern),顶端膨大成基足状(pad-Like swelling),花粉管二叉分枝（dichotomous branching Pollen tubes），花粉管相互连接(connections of pollen tubes），有的花粉粒还形成两个花粉管。 二．不同时期的乳突细胞的扫描电镜观察表明： 开花前6—7天 乳突细胞壁内陷，柱头中央有一沟槽; 开花前4—5天 乳突细胞被有孔的块状物覆盖; 开花前2—3天 覆盖物消失，壁表面只剩下波状纹或小凹; 开花前l - 2天 乳突细胞充分吸水膨胀，呈指状，排列疏松，细胞壁上有一些小颗粒。此时的乳突细胞已发育成熟。 三.不亲和授粉时，花粉和乳突细胞均有强烈的胼胝质荧光。 四.乳突细胞的组织化学特点：缺乏淀粉积累，细胞壁和细胞质中有过氧化物酶活性。 五.乳突细胞的超微结构特点：细胞壁分为三层，蜡质层、角质层和纤维素层。粗面内质网成群分布在细胞壁附近，并以及泡形式向细胞壁分泌物质。缺乏质体，细胞核位于乳突细胞基部，细胞中央为大液泡占据。 六.花粉的超微结构发育特点：单核花粉已发育出内壁和外壁，外壁内层不明显。细胞核位于中央。细胞质浓厚，缺乏层膜结构而积累大量淀粉粒的质体存在于细胞质中。其他细胞器不发达。两细胞花粉时期，花粉壁接受乌氏体转运的孢粉素和含油体转运的脂类物质。生殖细胞没有壁，悬浮在营养细胞的细胞质中。细胞核大，细胞质稀薄，只有一些嵴不明显的线粒体。营养细胞的核显著，细胞质浓厚，线粒体发达，质体内部的淀粉消失，转变成嗜饿小体。内质网短而粗，遍布于细胞质中，高尔基体缺乏。 七.绒毡层积极参与了花粉外壁的建成。首先，它通过分泌作用把物质（可能是蛋白质）转移到单核花粉的腔隙中或在它后期滚解后，由分布在二细胞花粉间的粗面内质网合成蛋白质，转移到花粉壁内。其次，绒毡层细胞的质体层膜形成许多造油小体，至二胞花粉时，造油小体进入壁的柱状层，参与花粉鞘形成。第三，绒毡层细胞形成许多乌氏体，花粉发育后期，乌氏体与花粉外壁接触，将孢粉素转移到花粉外壁上。

羊草繁殖生物学特性的研究

羊草(Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. )又称碱草，隶属禾本科，赖草属，因其营养价值高，富含蛋白质，适口性好，抗旱，耐盐碱，耐贫瘠，抗逆性强，适应性广等优点，对我国发展草原畜牧业和退化草地、荒漠化治理方面具有举足轻重的作用。近年来，由于自然环境变劣，荒漠化加剧，以及过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即结实率低、出苗率低、产草量低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，严重限制了我国人工草地建设和天然草地的改良和沙化治理的步伐。加强羊草生物学研究，开展羊草种质生物多样性保护，成为当前研究的紧迫课题。经对国内外相关文献的查新发现：国外发表的文献匮乏，国内的报导大多集中在草原生态等宏观领域，在羊草繁殖生物学方面缺乏系统的研究。本文以本课题组从国内外收集的羊草资源为材料，从以下几个方面进行了初步探索： 一、羊草繁殖性状与遗传多样性分子标记指标的相关分析。利用分子标记与形态标记对随机抽取的17份羊草种质进行了种质评估的比较研究。结果表明：两种方法均在17份供试材料中鉴别出9份羊草种质,说明分子标记方法用于羊草种质资源鉴定是可行的，并具有快速、准确、不受环境条件限制等优点。在40个10 Mer的随机引物当中筛选出21个有效引物，以之对9份羊草材料进行RAPD 分析，共扩增出115条带，其中95条带表现出多态性，多态比率82.61%，并筛选出S1213-900，S1213-1700，S1215-5500， S1396-1370，S1384-900，S1202-5180，S1220-2200，S1381-1580，S1211-1300，S1211-800为羊草种质所具有的10个特异性标记，据此可将羊草种质与披肩草、赖草加以区分。同时在羊草种内亦发现13条可区分供试羊草种质的特有标记。形态标记与分子标记相关性分析结果显示：羊草种质的小穗数，种子千粒重，叶色，有性繁殖量和结实率5个形态学指标与遗传多样性指标---特有带百分率及遗传距离之间，存在一定相关性。同时对羊草种质资源在收集和评价过程中存在的问题进行了探讨。 二、羊草不同基因型无性繁殖特性比较研究。以本课题组从吉林、内蒙古等省份收集的10个基因型羊草为供试材料，在相同的生态因子作用下，以吉生1号羊草为对照，对10个基因型羊草的叶数增量、芽数增量、芽高度、芽间距、芽重量、根量六个无性系形态性状指标进行测评。结果表明：基因型的差异也是影响羊草无性系生长发育的重要影响因子。因此，在今后的羊草无性繁殖生物学研究中，应综合考虑环境因子和基因型因子对羊草无性繁殖生长发育的影响。在所测评的10个基因型中，各基因型的形态性状指标差异很大，栽3基因型较其他基因型优于对照吉生1号，此结论可为今后培育羊草新种提供重要资料。 三、羊草幼穗离体培养方法的建立。其方法是取羊草幼穗为外植体，经0.1%升汞溶液表面消毒后，接种到含2mg/L的2,4-D的MS培养基上，置于恒温25℃条件下诱导愈伤组织。在加有1mg/L2,4-D的MS培养基上继代2次后，转移到含1mg/L KT和0.5mg/LNAA的MS培养基上分化培养得到再生芽。在除去激素后的基本培养基上获得了生根的试管苗。试管苗移栽到温室后生长正常。羊草试管苗的分化因基因型和外源激素条件的不同而异。 四、羊草有性生殖特性的研究。在自然条件下进行了羊草自交、异交结实性实验，采用FDA染色法检测羊草小孢子活性，并观测羊草雌蕊、雄蕊发育的时空特点。结果表明：在大田中羊草异交结实率远大于其自交结实率;成熟花药中有活性的花粉达到92.2%以上;同时，在发育时间顺序和空间结构上，羊草的雌蕊、雄蕊并不妨碍自体授粉。因此，初步结论认为羊草具自交不和性。

烟草NtFtsZ2-1基因在叶绿体分裂中的作用机制研究及NtFtsZ1-2基因启动子的克隆

根癌农杆菌通过将一段含有“癌”基因的T-DNA导入植物基因组中，引起植物的肿瘤：冠瘿。根癌农杆菌的这种能力来源于Ti质粒（Tumor inducing plasmid）。遗传工程中，根癌农杆菌的这一特性被用来将连接入Ti质粒T-DNA区两个边界之间的外源基因转入植物基因组。随着植物分子生物学的发展，T-DNA转化的原理被进一步阐明，农杆菌介导的转基因技术也得到进一步优化，更适合遗传工程操作。特别是Ti质粒毒性区和T-DNA区的反式作用（即位于不同质粒的T-DNA和毒性区也能侵染植物）被发现以来，双元表达载体的构建使遗传工程操作大为简便。 常用的双元表达载体大小都在11kb以上，尽管远远小于几百kb的野生型Ti质粒，但在实际的体外操作中还是不够简便。常用的植物双元表达载体pBI121的基因序列被测定（Frisch et al.，1995），数据显示非T-DNA区一半以上的序列被发现和功能无关，这使双元载体的进一步缩小成为可能。本文即通过PCR方法克隆到pBI121非T-DNA区中载体复制、三亲杂交必需的片段，结合载体pART27中的T-DNA区（含有真核、原核表达活性的嵌合npt II基因）创造了小的合成型植物表达双元载体pSY1（小于7kb）。然后将pBI121上带有35S启动子和nos终止子的GUS基因克隆到pSY1的T-DNA区中，得到pSY2（约10kb）。进一步用pROK2上的35S启动子和nos终止子区替换pSY2上的GUS表达区，得到pSY3（约8kb）。通过三亲法将pSY2转入根癌农杆菌中，根癌农杆菌再通过叶盘法侵染烟草叶片，获得愈伤组织，愈伤组织进一步分化出小苗。GUS组织化学染色表明GUS基因在转基因的愈伤组织和小苗中均有表达，PCR检测也证明GUS基因被导入了植物基因组。pSY系列载体能成功的用于植物遗传转化。

羊草生殖生物学研究

羊草 (Leymus chinensis (Trin.) Tzvel. ) ，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部的重要草原建群种之一。羊草是牧草之王，属于我国有比较优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业发展以及保护生态环境均具有重要作用。 羊草较弱的有性生殖特性限制了其应用，本文从实验生物学角度，研究了羊草有性生殖的基本特点，并试图通过现代分子生物学手段探讨自交不亲和性的有关机理。本论文的主要结果如下： 1. 实验发现羊草具有自交不亲和性。以6 个羊草居群为材料，测定得知开放授粉时的结实率在6.5% - 56.7%之间，自交时结实率为0.6% - 4.3%，差异极其显著; FDA 染色法检测结果显示羊草成熟花药中有活性的花粉达到92.2% 以上;在发育时间顺序和空间结构上，羊草雌蕊、雄蕊适于异花和自花授粉;花粉柱头亲和性实验表明，自交花粉只有5.5%-11.7% 是亲和的，杂交花粉亲和率达到了60.0%-84.8%，说明自交花粉在柱头上萌发受到抑制，其次，荧光显微镜还观察到“不亲和花粉”在进入柱头后生长缓慢，或停止延伸。 2. 初步确定羊草自交不亲和性具有配子体型遗传特点。以不同居群羊草杂交后的姊妹系作为实验材料，观察到自交组合的亲和率变幅为0 % - 6.9 %，杂交组合的亲和率具有连续性变异和变幅较宽的特点（47.5％ - 96.0 %），且正反交结果具有一定的一致性（88.2％），表现出配子体遗传特性。 3. 羊草居群内结实率存在一定变异。以羊草单株为单位分别进行自交、随机互交和开放授粉，结果显示三者的平均结实率分别为4.6%，18.1% 和35.7%，株间的变异系数分别为33.4%，21.2%和17.1%，这些株间的变异均达到统计上的显著差异;同时羊草自交、杂交和开放授粉之间具有一定的相关性，显示羊草的这种株间差异与株系本身的生理特性相关。 4. 分离了羊草硫氧化还原蛋白 H 基因(ThioLc)并对其功能进行了分析。克隆了ThioLc全长和cDNA序列。序列分析结果显示，DNA全长2257 bp，包括3 个内含子和4 个外显子，与水稻Thio h 的cDNA 序列相比，具有 32.0% 的同源性;Southern 杂交显示 ThioLc 在羊草基因组中是单拷贝;Northern 杂交显示 ThioLc 在羊草根、茎、叶和幼小的雌蕊中没有表达, 在成熟雌蕊和幼小的花粉中微量表达, 在成熟花粉中大量表达，说明分离的羊草硫氧化还原蛋白H 基因具有花粉特异表达特点。 5. 原核表达的ThioLc 蛋白具有较高的催化活性。构建了ThioLc 基因的原核表达载体，检测证明ThioLc基因在大肠杆菌中正常表达;提取表达蛋白，纯化，用胰岛素和二硫苏糖醇反应体系进行硫氧化还原蛋白的催化作用反应，结果表明表达的蛋白具有催化活性。这一结果为进一步搜寻靶向蛋白和研究该蛋白的结构、功能和作用方式奠定了基础。

入侵植物紫茎泽兰遗传变异及克隆多样性研究

现存植被与其花粉分布的关系可作为利用化石花粉图谱重建古植被时的参照，因此，理解现存表土花粉分布格局对解释花粉图谱十分关键。提高花粉鉴定精度是孢粉学和古生态学家一直努力想要解决的关键问题。目前的孢粉学方法将表土花粉鉴定到属的水平都十分困难，因此造成依据花粉图谱进行植被重建的时候出现无法矫正的误差。本研究用分子生物学方法将藜科植物表土花粉鉴定精度从科的水平提高到种的水平。表土花粉样品取自新疆中部样带，利用样带内所有出现的藜科植物共19个种建立藜科植物核基因内转录间隔1区（ITS1）序列库，然后通过巢式聚合酶链式反应（PCR）进行单粒表土花粉的ITS1序列扩增和测序，与序列库中的序列进行比对，从而确定单粒花粉来自哪种藜科植物。这种相对简单的以PCR为基础的方法可以将表土花粉鉴定到种，使在种的水平解释植被与花粉分布的关系成为可能。 紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum）是广泛分布在中国西南的入侵植物。以无融合生殖为主，其压条性克隆繁殖方式经常被忽视，本文以紫茎泽兰为例，研究无融合生殖和压条性克隆繁殖为主的入侵种群遗传变异与克隆多样性，分析无融合生殖入侵种群具有高度竞争力和适应能力的分子机制。实验用AFLP分子标记检测了包括缅甸一个种群在内的17个种群的基因组多样性，结果表明，紫茎泽兰是多克隆植物，有丰富的基因型数量，遗传多样性水平低（He＝0.0439），大部分（73.59%）遗传变异存在于种群内，种群间存在显著遗传分化。紫茎泽兰克隆生长策略为游击型，倒伏性克隆繁殖有助于小范围内种群的扩张。各种群基因型组成存在很大差异，但基因型间相似性很高，有相当多的基因型可能来自遗传重组。紫茎泽兰的有性繁殖比例可能比以往所推测的高得多，有助于保持基因型的多样性。

能用于三亲杂交的植物双元表达小载体pSY系列的构建及转基因鉴定

根癌农杆菌通过将一段含有“癌”基因的T-DNA导入植物基因组中，引起植物的肿瘤：冠瘿。根癌农杆菌的这种能力来源于Ti质粒（Tumor inducing plasmid）。遗传工程中，根癌农杆菌的这一特性被用来将连接入Ti质粒T-DNA区两个边界之间的外源基因转入植物基因组。随着植物分子生物学的发展，T-DNA转化的原理被进一步阐明，农杆菌介导的转基因技术也得到进一步优化，更适合遗传工程操作。特别是Ti质粒毒性区和T-DNA区的反式作用（即位于不同质粒的T-DNA和毒性区也能侵染植物）被发现以来，双元表达载体的构建使遗传工程操作大为简便。 常用的双元表达载体大小都在11kb以上，尽管远远小于几百kb的野生型Ti质粒，但在实际的体外操作中还是不够简便。常用的植物双元表达载体pBI121的基因序列被测定（Frisch et al.，1995），数据显示非T-DNA区一半以上的序列被发现和功能无关，这使双元载体的进一步缩小成为可能。本文即通过PCR方法克隆到pBI121非T-DNA区中载体复制、三亲杂交必需的片段，结合载体pART27中的T-DNA区（含有真核、原核表达活性的嵌合npt II基因）创造了小的合成型植物表达双元载体pSY1（小于7kb）。然后将pBI121上带有35S启动子和nos终止子的GUS基因克隆到pSY1的T-DNA区中，得到pSY2（约10kb）。进一步用pROK2上的35S启动子和nos终止子区替换pSY2上的GUS表达区，得到pSY3（约8kb）。通过三亲法将pSY2转入根癌农杆菌中，根癌农杆菌再通过叶盘法侵染烟草叶片，获得愈伤组织，愈伤组织进一步分化出小苗。GUS组织化学染色表明GUS基因在转基因的愈伤组织和小苗中均有表达，PCR检测也证明GUS基因被导入了植物基因组。pSY系列载体能成功的用于植物遗传转化。