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。

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。

重金属胁迫相关基因PvSR2在大肠杆菌中表达和转化烟草

近年来植物重金属的耐性机制研究及抗重金属基因工程取得了很大进展。本文将来自于菜豆(Phaseolus vulgaris)的特异性重金属胁迫相关基因PvSR2 (Phaseolus vulgaris stress-related protein, PvSR)的cDNA序列克隆到大肠杆菌高效表达载体pBV221的PR PL启动子的下游，构建了原核表达载体pBV221-PvSR2。通过温度诱导，在大肠杆菌中成功地高效表达了PvSR2基因。经重金属(CdCl2)抗性检测，实验组比对照组有明显的抗性。 同时，将该基因克隆到植物转达化中间载体pCAMBEIA2301的花椰菜花椰病毒的35S启动子下游，利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)Ti质粒介导的遗传转化系统，成功地将该基因导入了烟草的基因组，获得了转基因植株。

真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性研究

本论文主要包括以下两部分内容： 一、真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响 用3种真菌诱导子[大丽花轮枝孢（Verticillium dahliae Kleb.）、葡枝根霉(Rhizopus stolonifer (Ehrenb. ex Fr.) Vuill)和束状刺盘孢(Colleto trichumdematium (Pers.) Grove)]分别处理青蒿(Ar temisia annuaL．)的发根，这3种真菌诱导子均能促进发根中青蒿素的合成，其中以大丽花轮枝孢的诱导效果最好;对细胞生长均没有明显影响。经大丽花轮枝孢处理的发根中青蒿素含量达1. 12 mg/gDW，比对照(0. 77 mg/g DW)提高45%。诱导子的作用效果与诱导子浓度、诱导子作用时间及发根的生长状态有关。对大丽花轮枝孢来说，诱导子作用的最适浓度为每毫升培养基含糖0.4 mg;发根在指数生长末期对诱导作用最敏感：在加入诱导子4d后收获发根，发根中的青蒿素含量最高。 二、早花基因FPF1、co对青蒿开花时间的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性 1．将来源于拟南芥的早花基因Flowering Promoting Factorl (FPFl)插入到植物表达载体pBI121中，构建CaMV 35S启动子控制下含FPFl基因的植物表达载体pBI121FPF/，用含有pBI121FPF/质粒的根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404感染青蒿(Artemisia annua L.)叶片并诱导丛生芽，经卡那霉素筛选，获得转基因抗性植株。PCR、 PCR-Southem blot及Southern blot检测表明，外源基因FPFI已整合到青蒿基因组中：RT-PCR及RT-PCR Southern blot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，FPF1转基因植株的开花时间较对照提前20天左右，但提早开花的转基因植株与未开花的对照其青蒿素含量无明显差异，即提早开花并不能使开花植株的青蒿素含量有所提高，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。 2．将拟南芥的早花基因CONSTANS (CO)置于CaMV 35S启动子之下，通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404介导转入青蒿(Artemisia annuaL．)，使之在青蒿中表达，并得到了抗性植株。PCR、PCR-Southem blot及Southemblot检测表明，外源基因co已整合到青蒿基因组中;RT-PCR及RT-PCR Southemblot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，co转基因植株的开花时间较对照提前2周左右，但提早开花的转基因植株的青蒿素含量与未丌花的对照无明显差异，即植株开花前青蒿素含量的提高并不是由于开花本身引起的，再次证明，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。

紫黄质脱环氧化酶在烟草中的过量表达和反义抑制研究

叶黄素循环被发现具有热耗散的作用后，已引起人们广泛的关注。目前普遍认为叶黄素循环的色素定位于天线色素蛋白复合体上，在跨膜质子梯度（ΔpH）形成后，玉米黄质（zeaxanthin;Z）和环氧玉米黄质（antheraxanthin;A）能够从叶绿素中吸收过多的激发能，并以热能的形式耗散到体外，从而保护光合器官免受强光的破坏。紫黄质脱环氧化酶（Violaxanthin de-epoxidase;VDE）是叶黄素循环的关键酶，存在于植物类囊体内腔中，它催化紫黄质（violaxanthin）脱环氧化生成环氧玉米黄质(A)和玉米黄质(Z)。本文利用过量表达和反义抑制技术获得两种转基因烟草植株，并用于研究紫黄质脱环氧化酶在叶黄素循环中的作用。 首先我们从烟草中克隆了编码VDE酶的基因，分别以正向和反向插入到具有潮霉素抗性选择标记的双元载体pCAMBIA1301，构建了Tvde基因的过量表达载体pCBTO和反义抑制表达载体pCBTA。然后通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导法转化烟草(Nicotiana tabacum L.)，获得了过量表达和反义抑制两种转基因植株。PCR扩增潮霉素抗性基因hpt和Southern杂交检测结果表明，Tvde基因已整合到转基因烟草的基因组中，外源基因在转基因烟草基因组中以1个拷贝的形式存在。VDE酶活性测定表明，在反义抑制转化体中VDE酶活性被抑制60%，而在过量表达转化体中VDE酶活性提高了75%。通过色素的HPLC分析和荧光动力学测定结果表明，强光处理后，在反义抑制转化体和过量表达转化体中，Z的含量，DES，NPQ和Fv/Fm等数据说明转基因烟草中VDE含量与植物非光化学猝灭能力有直接关系，进而说明叶黄素循环具有热耗散的功能。

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。

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。

青蒿高效遗传转化体系的建立与青蒿素生物合成的分子调控

青蒿素是从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的新型抗疟特效药。青蒿素在国际市场上供不应求，而青蒿植株中青蒿素的含量很低，因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。通过基因工程获得转基因青蒿高产株系是提高青蒿素产量的最有潜力的途径之一。 对不同基因型青蒿进行不同的激素浓度配比的比较研究，得到丛生芽诱导率较高、生根诱导率较高的激素配比，从而建立了青蒿高效再生体系。然后系统地分析了青蒿丛生芽诱导、丛生芽生长、丛生芽生根诱导对Kan的敏感性。对影响根癌农杆菌介导青蒿转化的转化效率的两个主要因素，即农杆菌类型和青蒿基因型，以及其它影响因素，即预培养时间、侵染液的组成、共培养的方式和时间进行比较研究，建立了根癌农杆菌介导的青蒿高效转化体系。本高效转化和再生体系的转基因植株的得率为4%至10%，而且转基因植株再生周期短，再生能力强。 通过基因工程，在青蒿高产株系中过量表达本实验室从青蒿中克隆的FPS基因，结果转基因青蒿中FPS的酶活性是非转基因青蒿的2-3倍;转基因青蒿的青蒿素含量最高可达0.9%（DW），是非转基因青蒿中青蒿素含量的1.34倍。这些结果进一步论证了FPS在青蒿素生物合成代谢中的调控作用。

拟南芥生育酚环化酶基因（VTE1）在烟草中的表达及功能研究

维生素E（V.E.）在动物细胞内具有抗氧化等重要作用，但在植物体内的功能却鲜为人知。本研究以烟草为材料，利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法在烟草中过量表达拟南芥来源的VTE1。通过外源VTE1基因的过量表达提高内源V.E.的含量, 进而研究转VTE1基因植株对胁迫的耐受性反应，以探讨植物体内V.E.含量与植物胁迫耐受性的关系，为植物抗逆机理的研究和利用奠定基础。 本实验利用CaMV35s启动子与拟南芥来源的生育酚环化酶基因（VTE1）构建的嵌合表达载体，以根癌农杆菌介导的叶盘法转化烟草W38。实验结果表明: 1. 具有卡那霉素抗性的再生植株经PCR检测，得到了与阳性对照一致的495bp的目标片段;经RT-PCR检测，其中90%有外源基因表达。 2. 转基因植株的V.E.含量比对照植株高2倍左右，个别株系高达10.16倍。 3. VTE1基因的表达受环境胁迫的影响，不同程度的冷冻、热激、PEG处理均可影响VTE1基因的表达。经过冷冻处理60分钟、热处理20小时、以及PEG处理6小时，该基因表达量均有提高。冷冻处理条件下该基因的表达量是未处理的3倍，热处理条件下是未处理的2倍左右，PEG处理是未处理的3.5倍。在冷冻、热激、PEG胁迫处理过程中，转化苗的V.E.含量变化与外源VTE1基因的表达相对应，表明转化苗的V.E.合成主要由外源VTE1基因的终产物VTE1催化;在冷冻、热激、PEG胁迫处理过程中，V.E.含量与APX、CAT、SOD等抗氧化酶活性之间存在一定程度的正相关性，表明V.E.与这些抗氧化酶共同组成了植物体内的抗氧化网络，保护植株免受氧化损伤;V.E.的变化与MDA之间存在一定程度的负相关性，减轻植物的过氧化损伤; 4. V.E.可提高植物的抗旱性，我们检测了11个转化烟草株系的叶片相对含水量（RWC），在大多数转化烟草植株中，干旱胁迫24小时的RWC都比野生型高，高出0.16-45%（p<0.001）。表明转基因烟草比野生型更抗旱; 5. 在耐盐性实验中转基因植株对盐的抗性明显高于野生型烟草;同时，在不同盐浓度（150、250mM）胁迫下转基因植株V.E.含量比未转化植株增加了1.3-1.8倍。 这些研究结果表明，在植物体内转入V.E.代谢途径中的单个外源基因，可有效提高内源V.E.合成，提高植株对环境胁迫的抗性。

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制分析

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 虎杖 (Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc) 属于蓼科蓼属多年生草本植物，在中国和日本民间曾被广泛用于动脉粥样硬化、高血压、咳嗽、化脓性皮肤炎以及淋病的治疗，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰等功效。而在现代医学上最令人瞩目和具有发展前景的是其在抗肿瘤、心血管保护、抗氧化方面的作用，相关疗效主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮化合物及其衍生物资源。这些聚酮类化合物主要包括蒽醌、大黄素、大黄素-甲醚、大黄酚、芪类以及类黄酮化合物等。其中，大部分聚酮类化合物生物合成途径机制尚不明确，但可以肯定的是植物类型III聚酮合酶type III polyketide synthases (PKSs) 在这些聚酮化合物的生物合成起始反应中行使着关键的作用。因此，除了我们所熟悉的类黄酮化合物、芪类化合物之外，进一步分离和分析虎杖中其它重要聚酮类化合物生物合成所涉及的类型III聚酮合酶基因的是非常值得期待的。 目前，已经有14个植物类型III PKS基因被克隆和功能分析。植物类型III PKS的共同特征包括基因结构、序列相似性、保守的活性中心、酶学性质以及共同的催化机制等。显花植物（裸子植物和被子植物）中，植物类型III PKS的基因结构绝对保守，除了一个早期报道的金鱼草（Antirrhinum majus）查尔酮合酶chalcone synthase (CHS) 含有第二个内含子外，迄今为止所有已知的植物类型III PKS基因均含有一个内含子且该内含子位置保守。有趣的是，在本研究中，两个含有3个内含子的类型III PKS基因从虎杖中被分离，且两个基因3个内含子的位置完全保守，这是三内含子类型III PKS基因首次得到分离。除了新奇的基因结构外，体外功能分析显示上述两个基因还具有特殊的酶学性质和功能。 本论文围绕上述2个三内含子基因开展了以下工作： 虎杖中一个由三内含子基因编码的新型类型III聚酮合酶 一个类型III PKS的cDNA及其相应的基因（PcPKS2）从药用植物虎杖中被克隆。序列分析结果表明，PcPKS2的开放阅读框被3个内含子分隔，这是一个出人意料的发现，因为截至到目前为止，除了金鱼草一个CHS基因外，所有已知的类型III PKS基因均在固定位置上含有一个内含子。除了特殊的基因结构外，PcPKS2显示了一些有趣的特性：(i) CHS“守卫”苯丙氨酸——Phe215和Phe265在PcPKS2中双双缺失，它们分别被亮氨酸和半胱氨酸取代;(ii) 体外功能分析结果表明，当酶促反应体系的pH值为6.5-8.5时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS2高效地合成丁烯酮非环化产物——4-香豆酰甘油酸内酯（4-coumaroyltriacetic acid lactone (CTAL)）为主产物，而丙烯酮非环化产物bis-noryangonin (BNY) 以及苯亚甲基丙酮为副产物;而当酶促反应体系的pH值为9.0时，PcPKS2高效地合成苯亚甲基丙酮为主产物，而CTAL、BNY为副产物。另外，除了上述3种产物外，在不同的pH条件下，还有痕量的柚皮素查尔酮能被检测到。此外，在4-香豆酰辅酶A（4-coumaroyl-CoA）的类似化合物中，除了4-香豆酰辅酶A外，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS2接受作为起始底物。PcPKS2不接受脂肪酰辅酶A——异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS2基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，在根茎和幼叶中，PcPKS2表达量很高，而在根中无表达。叶中的PcPKS2的表达受病原菌诱导，但不受伤诱导。 虎杖中一个编码双功能类型III聚酮合酶的三内含子基因的鉴定 显花植物中，所有已知的类型III PKS 基因均含有一个内含子且位置绝对保守。本研究中，综合运用PCR技术，从富含聚酮类化合物的植物虎杖中克隆得到一个类型III PKS 基因（PcPKS1）及其cDNA。序列分析结果表明，PcPKS1含有3个内含子。系统发育分析结果表明，PcPKS1与其它植物的CHSs归为一类。然而，体外功能分析结果表明，当酶促反应体系pH值为7.0时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS1高效地合成柚皮素查尔酮（naringenin）为单一产物;而当pH值为9.0时，苯亚甲基丙酮（p-hydroxybenzalacetone）几乎为重组PcPKS1的唯一产物。后续的研究表明，与典型的CHSs相比，PcPKS1具有另外一些不同的特点：在pH值为9.0时（PcPKS1的苯亚甲基丙酮合成活性最适pH值），在4-香豆酰辅酶A的类似化合物中，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS1接受作为起始底物。与CHSs展现出的对脂肪酰辅酶A宽泛的底物特异性不同，在不同的pH条件下，PcPKS1不接受异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。以上数据指出重组PcPKS1是一个具有查尔酮合酶（CHS）和苯亚甲基丙酮合酶（BAS）活性的双功能酶。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS1基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，PcPKS1可能在防御病原菌和草食动物方面起着重要作用。PcPKS1和PcPKS2共同从虎杖中被分离的事实极有可能暗示了苯丁烷类化合物（phenylbutanoid）及其衍生物存在于虎杖中。 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制研究 高山红景天（Rhodiola sachalinensis A. Bor）是景天科（Crassulaceae）红景天属多年生草本植物，作为一种适应原性中草药在中国的应用史已经超过800年。最近红景天提取物作为一种重要的商业药用制剂资源，其应用遍及欧洲、亚洲和美国，其主要治疗范围包括抗变应性和消炎，提高心理机敏性等。目前已经非常明确，红景天甙（salidroside）和甙元酪醇（tyrosol）是红景天属植物的主要功效成分，主要分布于这类植物的根中并且具有抗缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防紫外线辐射伤害等功效。红景天甙为酪醇8-O-β-D葡萄糖甙，是酪醇在葡萄糖基转移酶UDP-glucosyltransferase (UGT) 的催化下糖基化后形成的，可以认为是酪醇在植物体内的贮存形式。酪醇作为一种重要的活性分子，同样存在于橄榄树和葡萄酒中。 虽然已经非常明确酪醇来自于莽草酸代谢途径，然而其具体的生物合成途径及其调控仍不明确。总结以往的报道，在酪醇的生物合成上主要存在两种观点：一是酪醇可能来自于苯丙烷代谢途径产生的4-香豆酸（4-coumaric acid）前体;二是来自于酪氨酸的酪胺（tyramine）可能是酪醇生物合成的直接前体。我们的工作兴趣主要围绕着鉴别高山红景天中的酪醇生物合成途径展开： 高山红景天内源苯丙氨酸解氨酶PALrs1的过表达对红景天甙积累的影响 红景天甙是来自于药用植物高山红景天的一种适应原性新型药物，其生物合成途径可能起始于苯丙氨酸或酪氨酸。由于高山红景天野生植物资源的匮乏和相对含量很低，阐明红景天甙的生物合成途径对于增加红景天甙的供给至关重要。在我们以前的工作中，运用cDNA末端快速扩增技术（RACE），一个编码苯丙氨酸解氨酶phenylalanine ammonia-lyase (PAL)的cDNA从高山红景天中被克隆，命名为PALrs1。在本研究中，PALrs1置于35S启动子+Ω增强子序列的控制下通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法转化回高山红景天。PCR 和 PCR–Southern blot分析结果表明，PALrs1已经整合到了转基因植物的基因组上。Northern blot杂交结果表明，PALrs1已经获得在转录水平上的高水平表达。与预期的结果相同，高效液相色谱High-performance liquid chromatography (HPLC)测定结果显示PALrs1的过表达引起4-香豆酸含量增长3.3倍。然而，与之相反的是，酪醇和红景天甙含量与对照相比反而分别下降4.7和7.7倍。此外，我们发现PALrs1的过表达造成酪氨酸含量下降2.6倍。这些数据暗示着PALrs1的过表达和4-香豆酸的积累并不能促进酪醇的生物合成。酪醇，作为一种苯乙烷类衍生物并非来自苯丙氨酸，而酪氨酸含量的下降则极有可能是酪醇生物合成和红景天甙积累大规模下降的直接原因。

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。

转座子Minos介导的果蝇转基因平台构建及水稻高表达启动子的克隆 任娟 指

本实验室果蝇研究工作，主要集中在黑腹果蝇的新基因起源的研究。新基因起源的分子机制主要包括：外显子重排、基因复制、基因逆转座、移动元件介导、基因水平转移、基因从头起源、基因的断裂融合。为了阐述这些新基因的产生和它们所带来的物种适应性，我们对这些新近起源的基因进行了功能研究。但是，仅仅限于新基因所在物种的功能研究并不能完全解释新基因产生的进化原因，我们需要了解它是否能够给没有该基因的果蝇物种带来一定的适应性。例如一些生殖相关新基因，如果我们将它们转入没有该基因的果蝇，那是否能够给该果蝇带来生殖能力的提高？无论结果如何，这都为我们研究新基因的起源提供一个重要线索。由此，黑腹果蝇以外的其它果蝇物种中实现转基因成为该研究的重要技术环节。但是，实验室目前的转基因系统仅限于P转座子介导的黑腹果蝇转基因系统，因而我们需要建立一种新的转基因平台。而转座子Minos打破物种范围的转基因特性，以及它的转座特点为我们提供了选择。转座子Minos是从果蝇D. hydei中克隆出来长约1.8kb的Ⅱ型转座子，Tc1家族转座元件成员。Minos的转座机制与大部分转座子一样，在宿主基因组里面实行着剪切和粘贴的运作机制。Minos在转座时，偏向插入TA位点并且主要集中于内含子区域，这样可以减少对插入位置基因的影响。此外，Minos在黑腹果蝇中的转座效率约30%，并且拥有一套成熟的选择标记。因此，Minos成为我们解决非黑腹果蝇转基因技术难题的首选。 在本文的工作中，我们采用由希腊Savakis教授（希腊分子生物学与生物技术研究所）提供的Minos转基因系统，完成果蝇的转基因实验。在这套转基因系统中，非自主的转座子Minos和转座酶基因被克隆到了不同载体当中。其中Minos转座子序列中插入了由3xP3眼睛特异表达的启动子介导表达的eGFP报告基因，而转座酶基因则由热激蛋白hsp70启动子调控表达。实验过程中，我们在果蝇D. melanogaster 和D. yakuba的胚胎中分别同时显微注射入含有转座子和转座酶本实验室果蝇研究工作，主要集中在黑腹果蝇的新基因起源的研究。新基因起源的分子机制主要包括：外显子重排、基因复制、基因逆转座、移动元件介导、基因水平转移、基因从头起源、基因的断裂融合。为了阐述这些新基因的产生和它们所带来的物种适应性，我们对这些新近起源的基因进行了功能研究。但是，仅仅限于新基因所在物种的功能研究并不能完全解释新基因产生的进化原因，我们需要了解它是否能够给没有该基因的果蝇物种带来一定的适应性。例如一些生殖相关新基因，如果我们将它们转入没有该基因的果蝇，那是否能够给该果蝇带来生殖能力的提高？无论结果如何，这都为我们研究新基因的起源提供一个重要线索。由此，黑腹果蝇以外的其它果蝇物种中实现转基因成为该研究的重要技术环节。但是，实验室目前的转基因系统仅限于P转座子介导的黑腹果蝇转基因系统，因而我们需要建立一种新的转基因平台。而转座子Minos打破物种范围的转基因特性，以及它的转座特点为我们提供了选择。转座子Minos是从果蝇D. hydei中克隆出来长约1.8kb的Ⅱ型转座子，Tc1家族转座元件成员。Minos的转座机制与大部分转座子一样，在宿主基因组里面实行着剪切和粘贴的运作机制。Minos在转座时，偏向插入TA位点并且主要集中于内含子区域，这样可以减少对插入位置基因的影响。此外，Minos在黑腹果蝇中的转座效率约30%，并且拥有一套成熟的选择标记。因此，Minos成为我们解决非黑腹果蝇转基因技术难题的首选。 在本文的工作中，我们采用由希腊Savakis教授（希腊分子生物学与生物技术研究所）提供的Minos转基因系统，完成果蝇的转基因实验。在这套转基因系统中，非自主的转座子Minos和转座酶基因被克隆到了不同载体当中。其中Minos转座子序列中插入了由3xP3眼睛特异表达的启动子介导表达的eGFP报告基因，而转座酶基因则由热激蛋白hsp70启动子调控表达。实验过程中，我们在果蝇D. melanogaster 和D. yakuba的胚胎中分别同时显微注射入含有转座子和转座酶所在的质粒。转座酶在37度条件诱导下进行表达，协助Minos完成转座过程。在转基因果蝇的阳性筛选中，我们利用眼睛特异表达的绿色荧光蛋作为选择标记。并且，我们通过PCR实验进一步验证了转基因果蝇的真实性。本研究中，我们对转基因实验条件进行了初步优化。我们通过对黑腹果蝇白眼突变品系W1118和D. yakuba注射后胚胎进行保湿，对D. yakuba注射胚胎进行非退壳处理。在改进条件下W1118和D. yakuba的存活率分别为10%和3%左右。通过筛选转基因阳性果蝇，我们得出Minos在W1118和D. yakuba中的转座效率分别在32%和20%左右。我们的实验结果再一次证实了Minos在果蝇D. melanogaster中可行性。同时，该工作也初步完成了在果蝇D. yakuba 中的第一次Minos介导的转基因实验，为新基因的跨物种功能研究奠定了实验基础。在未来的工作计划中，我们将采用Minos转基因系统，把实验室目前研究的黑腹果蝇新基因导入其它物种果蝇进行功能研究。 水稻是一种重要的世界粮食作物，世界上过半的人口以水稻为主食。水稻相对别的粮食作物来讲具有较小的基因组，并且拥有较好的基因组注释，是一种理想的单子叶模式生物。植物转基因技术的发展推动着水稻功能基因组学的研究，目前水稻的转基因技术主要依赖于土壤细菌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）T-DNA介导的外源基因染色体插入。在自然状态下，农杆菌的T-DNA位于Ti致瘤质粒当中。它包括了一些转座元件和一些帮助T-DNA转座的毒性蛋白基因和调节基因。由于Ti质粒上的T-DNA太长，并且没有太多的酶切位点，因此自然状态的T-DNA不适合进行转基因实验。为了方便T-DNA的实际应用，研究人员创立了双载体转基因系统。T-DNA转座区被分离到出Ti载体，并且装载到另外一个适合实验操作的质粒当中，而毒性蛋白表达基因等则保留在Ti质粒上。因此，在进行T-DNA介导的转基因实验时，需要同时存在T-DNA载体和Ti质粒。 本文以“水稻注释计划数据库RAP-DB”的表达数据为参考，选择了60个高表达基因的启动子区域进行克隆。通过对T-DNA载体pCAMBIA1301 进行改造，去掉其原来的35S启动子，将预测的基因启动子克隆到该载体中并与报告基 摘要 因GUS 基因融合。通过分子克隆实验，我们得到了45个高表达基因的启动子载体。最终，为了测试这45个启动子的启动效率，我们会将它们转化到水稻愈伤组织中通过启动子融合的GUS基于表达情况来判断我们启动子的启动效率。

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.

地锦（Parthenocissus tricuspidata）的遗传转化及抑菌活性研究

地锦（Parthenocissus tricuspidata）为葡萄科（Vitaceae）地锦属（Parthenocissus）多年生大型落叶木质藤本植物，集绿化、环境保护、药用价值为一体，开发利用前景非常广阔。为了进一步有效地利用及增加它的适应性，本论文对地锦的遗传转化及其抑菌活性进行了初步研究。 利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导对地锦进行遗传转化。所转外源目的基因为干旱应答因子结合蛋白DREB基因，克隆自拟南芥，受干旱应答基因启动子rd29Bp驱动。将此基因与pCAMBIA2301重组构建得到植物表达载体p2326。p2326携报告基因b-葡萄糖苷酸酶基因（gus）和选择基因新霉素磷酸转移酶基因（npt II）。然后将p2326导入根癌农杆菌EHA105，对地锦愈伤组织及外植体茎段进行转化。经3-4轮卡那霉素选择培养后，PCR及GUS组织染色验证，表明成功获得了转基因愈伤组织。 对地锦愈伤组织进行耐盐及脯氨酸含量测定。结果表明，转基因愈伤组织与非转基因愈伤组织相比，对高盐的耐受力有较大提高。在250 mM NaC1的继代培养基中，携DREB基因的愈伤组织能够存活20 d以上，而对照在10 d后大多数褐化死亡。高盐胁迫时转基因材料脯氨酸含量高于对照，并能够维持较长时间。 研究还发现，来自室外自然生长的地锦茎、叶，对根癌农杆菌有极强的抑制作用。 因此，对地锦的抑菌作用进行初步研究。 对一年中不同时期（分别采于4月、8月、12月）的地锦茎、叶进行抑菌活性初步研究。结果表明，12月份地锦叶片对所选细菌抑制作用最强。然后对其进行分溶剂萃取。分别用极性递增的有机溶剂依次提取地锦中的有效成分、逐级分离、浓缩干燥，得到石油醚部、乙酸乙酯部、正丁醇部和水部等不同极性溶剂萃取物。选择革兰氏阳性菌和阴性菌共5种对得到的各部分粗提物分别做抑菌实验，表明正丁醇部的抑菌活性最强，水部提取物有一定抑制作用，而石油醚部、乙酸乙酯部没有表现出明显抑菌作用。 地锦正丁醇提取物对大肠杆菌、枯草杆菌、短小芽孢杆菌、农杆菌及酵母菌的最低抑制浓度（MIC）分别为0.25，0.3，0.25，0.3，1g/mL。其抑菌活性随着浓度增加而增强，而且抑菌活性具有较好的热稳定性。 研究发现地锦所产生的抑菌物质不仅对无耐药性的细菌具有抑制作用，而且还对某些耐药性细菌具有抑制作用。目前，细菌对抗生素的耐药性已成为全球关注的问题，寻找新型抗生素已迫在眉捷，地锦抑菌物质的研究为新抗菌药物的研制开发提供了新思路。 上述研究结果，为地锦的遗传改良及开发利用打下基础。

RNAi沉默烟草GA 20-氧化酶基因研究

赤霉素是一种高效能的广谱植物生长调节剂，为五大植物激素之一，具有重要的生物学功能。目前利用赤霉素突变体研究生物合成途径和信号转导已经成为热点。 GA 20-氧化酶是GA生物合成中的一类关键酶，它位于GA合成途径的中心位置。本研究根据烟草（Nicotiana tabacum）GA 20-氧化酶基因序列，设计2对分别含有特定酶切位点的特异引物，以烟草基因组DNA为模板，扩增目的基因(约250 bp)片段。将正、反向目的片段分别插入中间载体的内含子两侧，再经BamH I和Sac I双酶切回收约700 bp的目的片段，插入到双元载体质粒p2355中，成功构建了含GA 20-氧化酶基因片段反向重复序列的植物表达载体p23700。分别将p2355质粒和p23700质粒导入根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）EHA105中并转化烟草叶片细胞，经卡那霉素选择培养，PCR及GUS组织染色鉴定，获得转基因烟草植株。以EHA105-p2355转化的烟草，获得41株转基因植株，均没有矮化表型；而以EHA105-p23700转化的烟草，获得转基因植株14株，其中具有矮化表型的烟草10株，表明反向重复序列转录产物能形成发夹RNA(hpRNA)，产生小分子干扰RNA（small interferring RNA，简称siRNA），干扰目的基因的表达。 赤霉素含量测定表明矮化植株中赤霉素合成途径的最终产物GA3总含量明显低于野生型烟草植株。荧光定量PCR结果表明，矮化转基因烟草的GA 20-氧化酶基因表达量受到明显抑制，表达量明显低于野生型对照。同时对上游内根-贝壳杉合成酶（Ent-kaurene synthase，KS）基因，下游的GA-3β羟化酶基因进行了RT-PCR分析，结果显示上游基因的表达没有规律性变化，而下游基因表达量亦降低。上述结果表明，GA 20-氧化酶基因的表达被有效地干扰了，表达受到抑制，从而影响植株体内GA3的合成，影响植株的生长发育，导致植株矮化。并推测，GA 20-氧化酶基因受到抑制，可能影响下游基因的表达。并且通过干旱胁迫测试，发现矮化植株相对于野生型植株及不含干扰片段的转基因植株，对干旱的耐受力有了很大的提高，具有更强的耐受力。 研究结果为进一步进行相关研究奠定基础。 Gibberellin(GA) is an efficient plant growth regulator. As one of five major plant hormones, it plays an important biological function. Using GA mutant for investigating biosynthetic pathways and signal transduction has become high lights. GA 20-oxidase is a crucial enzyme involved in gibberellin biosynthesis. According to tobacco (Nicotiana tabacum) GA 20-oxidase enzyme gene sequence and based on binary vector p2355, we constructed a plant expression vector p23700, which habors an inverted repeat DNA fragment of GA 20-oxidase gene drivered by Cauliflower mosaic virus promtor (CaMV 35Sp). Binary plasmid p2355 had no inverted repeat DNA fragment of GA 20-oxidase gene. The vector p2355 and p23700 were introduced into Agrobacterium tumefaciens EHA105 and tobacco leaf transformation was conducted. After selected by kanamycin and characterized by PCR and GUS hischemical reaction, transsgenic plants were obtained. Fourtheen transgenic plants, which were transformed by EHA105-p23700, were obtained. Among them, 10 were dwarf mutants. However, 41 transgenic plants with the same normal phenotype as wild type,which were transformed by EHA105-p2355, were obtained. Analysis of Gibberellin contents showed that it was lower in dwarf mutants than in normal phenotype plants. Moreover, comparing to normal phenotype plants including wild type and transgenic plants with no interference fragment, the drought tolerance of dwarf plants have greatly increased. And their proline content increased obviously after drought test. Fluorescence quantitative real time PCR (RT-PCR) showed that GA 20-oxidase gene expression was significantly inhibited in dwarf transgenic tobacco. Meanwhile, the expression of the upstream gene ent-kaurene synthase (KS) gene and downstream gene GA-3β hydroxylase gene was also detected by RT-PCR. The results presented that KS gene expression had no regular change while GA-3β hydroxylase gene expression reduced. It implied that inhibiting GA 20-oxidase gene probably reduce the expression of downstream genes. The results showed that the transcriptional products of the foreign inverted repeat fragment can form hairpin RNA (hpRNA) to induce RNAi. It presented that GA 20-oxidase gene expression was effectively interfered, resulting in reducing GA3 synthesis and inhibiting plant growth and development, then dwarf plants were produced. However, the dwarf plants had higher tolerance of drought.