两个固氮相关的植物基因对烟草和水稻的转化及其表达

豆科植物凝集素基因和血红蛋白基因在对根瘤菌的识别作用和类菌体在低氧分压下的共生固氮中起重要作用。本文的目的是试图将这两个基因转移到非豆料植物烟草和水稻，使其能识别根瘤菌，探讨非豆科植物的共生和联合固氮的可能性。 构建了含有豌豆凝集素（P－Lec）基因、Parasponia andersonii血红蛋白基因、gus基因及植物选择标记潮霉素磷酸转移酶基因（hpt）的两个植物表达载体pCBHL和pCBHUL;同时，还构建了含有P－Lec基因、gus基因及植物选择标记PPT乙酰转移酶基因（bar）的植物表达载体pBBUL。在pCBHL中，CaMV35S启动子调控P－Lec基因的表达，而在pCBHUL和pBBUL中，该基因由玉米Ubiquitin 1启动子调控。 用农杆菌法将pCBHL导入烟草，得到53株再生植株，PCR检测表明转化频率为88％。用基因枪法分别将pCBHUL和pBBUL导入水稻幼胚或幼胚诱导的愈伤组织。转pCBHUL的材料共得到40株再生植株，经分子检测有18株分转基因植株，转化频率为0.9%。转pBBUL的幼胚愈伤组织经PPT筛选，只得到能分化出小芽的抗性愈伤组织。 PCR检测、Southern杂交表明P-Lec基因和Paraspoina血红蛋白基因都已经整合到转基因烟草及水稻的基因组中，转基因水稻植株中两个外源目的基因的拷贝数较高。Western杂交分析转基因植物中P-Lec基因的表达情况，结果表明该基因在转基因的烟草和水稻叶片中得到正确地表达。同时，GUS组织化学染色表明转基因烟草的嫩茎和幼根，转基因水稻的嫩叶和幼根中都有gus基因的表达。转基因烟草中外源基因的表达频率高于转基因水稻。T1代转基因烟草幼根的蛋白原位免疫杂交显示P-Lec正确定位于正在生长的幼根根毛的顶端，与对照豌豆中的P-Lec基因表达部位相一致。关于Parasponia血红蛋白基因，以前本实验室对转基因烟草和水稻的研究表明有转录水平的表达，国外实验室证实转基因烟草中有转译表达。 上述结果有可能为进一步研究转基因非豆科植物与根瘤菌的相互作用奠定一定的基础。

烟草FtsZ基因的表达特征分析及其对质体发生的影响

FtsZ (filamentation temperature-sensitive，fts)是广泛存在于原核生物和高等植物中的一种功能蛋白。它控制着原核细胞和质体的分裂过程。研究该基因的表达调控特征，为我们进一步认识原核细胞和质体分裂的分子机制及真核细胞的起源和进化等重要问题提供了新的思路。从烟草克隆FtsZ cDNA，构建了谷胱甘肽转移酶（GST, glutathione S-transferase，EC 2.5.1.18）与FtsZ融合蛋白的表达质粒，并将其导入到在异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导下能高效表达的JM109大肠杆菌中。高表达的融合蛋白通过谷胱甘肽一琼脂糖(glutathione-agarose)亲和层析和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化后，用以免疫兔子制备抗血清。免疫印迹法表明烟草FtsZ基因表达具有明显的组织器官特征，在质体（叶绿体）分裂活跃部位表达强：幼嫩花瓣>幼叶>幼根>老叶>茎。黑暗处理l天对FtsZ表达似乎无影响，随黑暗培养时间延长，FtsZ蛋白表达逐渐降低，叶绿体转化成为数目众多（增加2-3倍）体积小的淡黄色或白色质体。该实验结果显示，光对植物FtsZ基因表达很可能无直接影响，FtsZ基因表达强弱是决定质体（叶绿体）分裂和细胞中质体（叶绿体）数目多少的主要原因之一。

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。

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。

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。

植物络合素合酶基因的功能分析及其应用

植物络合素（phytochelatins，PCs）是含有γ-Glu-Cys重复结构的小分子多肽，其结构通式为：（γ-Glu-Cys）n-Gly（n=2-11）。植物络合素（PCs）由植物络合素合酶（PCS）催化谷胱甘肽（GSH）聚合而成，能够络合重金属离子而具有解毒功能，这是植物解毒重金属胁迫的重要机制之一。本文克隆了来源于重金属抗性植物绊根草（Cynodon dactylon cv Goldensun）的植物络合素合酶基因，通过基因工程手段使其在烟草中过量表达，得到了一些有望用于植物修复（phytoremediation）的工程植株。同时，在水稻（Oryza sativa）种子中利用RNAi技术抑制植物络合素合酶基因的表达，以降低重金属离子在人类最重要的粮食作物水稻的籽粒中的积累。 1. 通过RACE（Rapid Amplification of cDNA Ends）方法从抗性植物绊根草中克隆了植物络合素合酶基因CdPCS1，其1515 bp的读码框编码一个含505个氨基酸的蛋白质，蛋白质序列分析表明它具有植物络合素合酶的结构特征，同时还具有磷酸化位点和亮氨酸拉链结构。 2. CdPCS1基因可以互补对铜和镉离子敏感的酵母突变株ABDE-1（cup1Δ）中缺失的金属硫蛋白基因CUP1的功能，也可以互补对砷离子敏感的酵母突变体FD236-6A（acr-3Δ）中的离子外排载体基因ARC3的缺失。 3. 将CdPCS1转入烟草，共获得过表达CdPCS1的烟草44个株系，其中融合GFP的株系16个。对T0代的转基因植株的PCs含量以及重金属抗性和吸收能力进行了分析，其中抗性实验表明，在300μmol/L 的Cd2+离子胁迫11天之后，野生型植株的叶片出现斑点状坏死，而两个转基因烟草株系S6和K49的植株没有出现受伤害症状。在100μmol/L的CdSO4处理一周后，转基因植株中的PCs含量比对照有不同程度的提高，最多提高了2.88倍。当用300μmol/L Cd2+处理9天再用600μmol/L Cd2+处理2天后，Cd的积累量比野生型植株增加了2倍多;用50μmol/L As3+处理7天再用100μmol/L As3+处理2天后，转基因植株对As的积累量最多增加了3倍多。说明转入绊根草PC合酶基因的烟草增加了植物络合素的合成，并由此增加了对镉离子的抗性以及对镉离子和砷离子的积累。 4. 对转基因烟草中的CdPCS1进行了亚细胞定位研究。在激光共聚焦显微镜和荧光显微镜下分别用转基因烟草叶片组织和叶肉细胞原生质体观察融合GFP的CdPCS1，结果表明融合蛋白定位于细胞核中。 5. .利用RNAi技术抑制水稻种子中植物络合素合酶基因的表达，共获得39个转基因株系。其中35个株系为种子特异性ZMM1启动子驱动OsPCS1基因的RNAi，其余4个株系由组成型的Ubiquitin启动子驱动。RT-PCR的分析结果表明：一个由ZMM1启动子驱动的RNAi转基因水稻株系的种子中，OsPCS1的mRNA水平比对照中的下降了一半。

roIC基因和MT基因特性及其表达的研究

植物种子萌发、开花结实和衰老等一系列生长发育过程，都受到植物激素的影响。细胞分裂素作为重要的生长调节物质，对其传统生物化学和生理学特性的研究已积累子大量资料。随着分子生物学的发展，对植物激素的研究又进一步从单纯的生物学描述阶段深入到分子水平研究的阶段。尤其是近年来对来自病原微生物植物激素相关基因的研究，为揭示细胞分裂素的作用机理和细胸分裂素的水平调节机制的阐明开辟了新的途径。 根瘤农杆菌T-DNA上ipt、iaaM和iaaH基因和发根农杆菌的rol基因表达产物与植物激素的代谢有关。rolC基因是位于发根农杆菌T-DNA区的12号开放读框，编码细胞分裂素-β-葡萄糖苷酶，水解结合态细胞分裂素为自由态细胞分裂素。ipt基因编码异戊烯基转移酶，是细胞分裂素合成过程中的关键酶。 本文用PCR方法从发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes）1601质粒中扩增 rolC基因，并构建CaMV 35S启动子驱动下的双元表达载体。以农杆菌介导的叶盘法，分别对野生型烟草（Nicotiana tabacum L. cv. W38）和已转入异戊烯基转移酶基因（ipt）的3F1和3F2烟草进行转达化。Southern blot和Northern Dot Blot分析表明，rolC基因已导入烟草植株，并具有转录活性。转基因烟草的形态特征与细胞分裂素过量表达的植株表现出的特征一致。 用ELISA方法测定转基因烟草植株中激素的含量，结果显示，单独转rolC基因烟草和同时转入rolC和ipt两个基因的烟草，细胞分裂素的水平有不同程度的提高。转基因烟草表现多芽、节间缩短、叶色深绿等现象。同时，转基因烟草内部发生生理变化，如总自由氨基酸、脯氨酸在正常情况下较对照减少，气孔延迟关闭。在干旱胁迫下，转基因烟草随水势的降低、总自由氨基酸和脯氨酸的变化与对照不同。转基因烟草在开始干旱阶段较对照的总自由氨基酸和脯氨酸含量低，随着干旱胁迫的加深，植物中自由氨基酸的含量增加，但转基因植物自由氨基酸的含量高峰值出现时间较对照推迟。干旱胁迫48小时后，恢复给水，转基因植物较对照易恢复正常生长状态，表明转细胞分裂素基因植物抗旱能力增强。另外，叶片总蛋白SDS-PAGE电泳分析表明，转基因植物蛋白质含量高于对照，某些蛋白组分所占比例也明显提高。 综上所述，转rolC和ipt基因烟草的形态和生理变化，是细胞分裂素过量表达引起植物体内激素失衡的结果。

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。

二脂酰甘油酰基转移酶基因(DGAT1)的沉默对烟草油脂合成的影响

二脂酰甘油酰基转移酶 (DGAT; EC 2.3.1.20) 是催化三脂酰甘油（TAG）合成的最后也是最关键步骤的酶。TAG是真核细胞中最重要的能量存储形式。在植物中，TAG主要在种子、花粉和许多物种的果实中积累。然而，DGAT1基因的转录本也存在于植物的其它器官中，这些器官包括根、茎、叶、花瓣、花粉囊、未成熟的角果、幼苗以及正在发芽的种子等。迄今为止，许多针对DGAT1基因的研究都集中于DGAT1基因的表达在对种子油脂的积累以及对种子中TAG的脂肪酸组成所起的作用上。在本研究中，我们通过构建烟草DGAT1基因带有内含子的发卡RNA（hpRNA）结构，使之在转基因烟草植株中表达双链RNA（dsRNA），利用RNAi原理达到使烟草内源DGAT1基因沉默的目的。转基因沉默烟草植株的获得将会为更好地研究DGAT1基因的功能奠定基础。本实验不仅研究分析了DGAT1基因的抑制对烟草种子油脂积累的影响，还对表现出沉默性状的转基因植株Sil7的不同器官中TAG的含量以及DGAT1的转录水平等进行了研究分析。此外，通过对转基因烟草不同株系种子中的主要贮藏物质——油脂、蛋白质和糖的含量测定，初步揭示出在烟草种子中三者生物合成代谢之间存在的相关性。主要研究结果如下： 采用烟草DGAT1基因的第615～1293碱基之间679bp的片段构建了能表达发卡RNA（hpRNA）结构的表达载体，并转化烟草（Nicotiana tabacum）Wisconsin 38。Northern杂交分析发现,与野生型对照烟草（WT）相比，在沉默植株的花和发育状态种子中DGAT1基因的转录水平有很大降低，这表明该发卡结构能够高效率地引起烟草DGAT1基因的沉默。此外，在对Sil1至Sil12共12株转基因烟草进行油脂含量分析的结果表明，其中有8株表现出油脂降低的性状，转基因沉默效率达到67％。这表明：利用RNAi的方法可对目标基因进行特异降解来研究基因的功能，因此是一个在研究基因的表达功能上十分有效的方法，而且已成为植物基因工程的有力工具。 为了研究DGAT1基因的沉默对转基因植株不同器官的影响，本实验分析了转基因植株Sil7的不同器官中TAG的含量和脂肪酸组成，并采用RT-PCR方法对野生型对照和转基因植株中DGAT1基因的转录水平进行了比较分析。研究发现，转基因植株不同器官中DGAT1基因转录水平的降低与各器官中TAG含量的减少呈正相关。由此看来，植物中DGAT1的表达水平与植物的各个器官内TAG的含量之间存在着一定的对应关系。此外，在转基因植株Sil7不同器官中依然能够产生TAG，这说明或者DGAT1酶活性丧失而由其它的酶（如DGAT2和PDAT）参与TAG的合成，或者DGAT1酶活性只是部分地受到影响。本实验还对Sil7的根、茎、叶、花瓣和种子中TAG的脂肪酸组成进行了分析，结果发现，与烟草野生型对照相比，在Sil7的这些器官中，除种子中TAG的脂肪酸组成无明显变化外，其余器官中TAG的18:3/18:2脂肪酸比例均有明显升高。 对其中8株转基因烟草种子进行油脂含量分析发现，在转基因烟草中由于DGAT1基因的沉默引起种子中TAG含量的减少，从而引起了种子平均千粒重的下降。而在TAG含量和种子平均千粒重下降的同时，种子中其它贮藏物质－蛋白质和糖类的含量却增加了。该实验结果表明：在烟草种子中TAG的生物合成与蛋白质和糖类物质的合成之间存在着负的相关性。

RNAi沉默光合膜磷脂合成酶基因的研究

磷脂是动物和植物非光合组织细胞膜系统的主要组成成分，在细胞生命过程中扮演着重要角色。尽管绿色植物光合膜的的甘油脂主要是糖脂，但是它仍然含有大约10％的磷脂，说明磷脂在光合膜的结构和功能中起重要作用。构成生物膜的磷脂有多种，但是，光合膜只含有磷脂酰甘油（PG）一种磷脂。光合膜中的PG有其特殊性，即：在PG的sn-2位上总连着一个棕榈酸（16:0）或者反式十六碳烯酸（16:1trans），说明了这种具有特殊结构的甘油脂在维持类囊体膜的结构和功能方面具有重要的作用。 叶绿体中有两个重要酶参与了PG的生物合成，它们分别是胞嘧啶二脂酰甘油合成酶（CDS）和磷脂酰甘油合成酶（PGS）。本实验以烟草和马铃薯为材料，利用RNAi技术，对CDS和PGS基因的表达进行抑制，通过PG缺失突变体，研究其功能。 对转含有PGS片段的沉默结构的转基因烟草叶片膜脂进行了分析，结果表明，与野生型烟草相比较，其PG含量下降了约20%，同时，SQDG和PC的含量增加。PG含量的降低没有引起MGDG和DGDG含量的变化。另外，我们还对转基因植株目的基因片段的RNA表达水平进行了RT-PCR分析，发现其表达量大幅度降低。这些结果表明，在转基因株系中，PGS基因的表达受到了抑制，说明我们获得了PG部分缺失的烟草PGS突变体。 对烟草PG缺失体的PG脂肪酸组成进行分析，表明其特征性脂肪酸反式十六碳烯酸含量明显下降，比野生型降低了44%，C18:0、C18:1和C18:2的相对含量增加，整个变化与总脂脂肪酸变化基本一致。 为了研究PG缺失对光合作用的影响，我们分析了多种光合指标。对叶绿素含量的分析表明，PG含量的降低影响了光合色素的组成。PG部分缺失的转基因烟草中的叶绿素总的含量下降，其中叶绿素b含量下降更为明显，结果，叶绿素a与叶绿素b的比值较野生型高。转基因植株净光合速率下降，二氧化碳利用率降低;PSII的最大光化学效率（Fv/Fm）和实际光化学效率（фPSII）降低，光化学猝灭下降，非光化学猝灭增加，尤其老叶的变化更为明显。这些结果说明了PG的部分缺失影响了植株的光合能力，捕光色素蛋白复合体的结构受到了影响，PSII功能遭受损伤。 同时，我们根据已经报道的马铃薯CDS基因，克隆了一个片段，构建沉默结构，并对沉默结构进行了转化。通过抗性基因的筛选以及RT-PCR检测，证明了沉默结构转化成功，目的基因的表达受到抑制，获得了马铃薯CDS转基因植株。 对马铃薯野生型和CDS转基因植株进行膜脂和脂肪酸分析表明，转基因植株叶片的PE、PG和PC等磷脂含量降低，SQDG和DGDG含量增加;C16:1（3t）、C16:2、C16:3、C18:1和C18:2含量下降，C16:0和C18:3含量增加，而C16:1和C18:0变化不明显。马铃薯CDS转基因植株的叶绿素荧光分析表明，PSII最大光化学效率降低，从野生型的0.82下降到0.77。

Mass rearing of Aphidius gifuensis (Hymenoptera : Aphidiidae) for biological control of Myzus persicae (Homoptera : Aphididae)

The green peach aphid, Myzus persicae, is a major pest of tobacco, Nicotiana tabacum, in Yunnan province, China, where its control still depends on the use of insecticides. In recent years, the local government and farmers have sought to improve the biological control of this tobacco pest. In this paper, we present methods for mass rearing Aphidius gifuensis, a dominant endoparasitoid of M. persicae on tobacco plants in this region. The tobacco cultivar K326 (N. tabacum) was used as the host plant and M. persicae as the host insect. In the greenhouse, we collected tobacco seedlings for about 35 days (i.e., until the six-true-leaf stage), transferred them to 7.5-cm diameter pots, and kept these plants in the greenhouse for another 18 days. These pots were then transferred to an insectary-greenhouse, where the tobacco seedlings were inoculated with five to seven wingless adult M. persicae per pot. After 3 days, the infested seedlings were moved to a second greenhouse to allow the aphid population to increase, and after an additional 4 +/- 1 days when 182 +/- 4.25 aphid adults and nymphs were produced per pot, they were inoculated with A. gifuensis. With this rearing system, we were able to produce 256 +/- 8.8 aphid mummies per pot, with an emergence rate of 95.6 +/- 2.45%; 69% were females. The daily cost of parasite production (recurring costs only) was US$ 0.06 per 1000 aphid mummies. With this technique, we released 109 800 parasitoids in 1998, 196 000 in 1999, 780 000 in 2000, and 5 600 000 in 2001 during a 2-month period each year This production method is discussed with respect to countrywide usage in biological control and integrated control of M. persicae.

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.

Laser photoacoustic detection allows in planta detection of nitric oxide in tobacco following challenge with avirulent and virulent pseudomonas syringae pathovars

Luis A.J. Mur, I. Edi Santosa, Lucas J.J. Laarhoven, Nicholas J. Holton, Frans J.M. Harren and Aileen R. Smith (2005). Laser photoacoustic detection allows in planta detection of nitric oxide in tobacco following challenge with avirulent and virulent pseudomonas syringae pathovars. Plant Physiology, 138(3), 1247-1258. Sponsorship: BBSRC / EU RAE2008

Effect of CDC25 and WEE1 on Plant Cell Cycle and Morphogenesis

The cell cycle comprise the four phases of, G1, S-phase, G2 and mitosis. Two critical transitions are G1/S and G2/M; the latter is regulated by WEE1 kinase and CDC25 phosphatases. The scope of this thesis was to investigate the regulation of the G2/M transition of the cell cycle by WEE1 and CDC25, and how these genes interface with plant growth regulators in Arabidopsis thaliana. In Arabidopsis roots, the frequency of lateral roots was found to be increased by ectopic expression of Schizosaccharomyces pombe (Sp)cdc25e and reduced by Arath;WEE1 expression. I examined the effect of Arath;WEE1 and Spcdc25 on induction of shoots and roots in Arabidopsis hypocotyls in vitro. Hypocotyl explants from two over-expressing WEE1 lines , three T-DNA insertion lines and two expressing cdc25 (Spcdc25e) lines together with wild type (WT) were cultured on two-way gradients of kinetin (Kin) and naphthyl acetic acid (NAA). Below a threshold concentration of NAA (100 ng ml-1), WEE1 repressed morphogenesis in vitro, whereas at all NAA/Kin combinations Spcdc25 promoted morphogenesis (particularly root formation) over and above that in WT. Loss of function wee1-1 cultures were very similar to WT. Quantitative data indicated a significant increase in the frequency of root formation in Spcdc25e cultures compared with WT particularly at low Kin concentrations, and WEE1oe’s repressive effect was overcome by NAA but not Kin. In conclusion, WEE1 has a repressive effect on morphogenesis in vitro that can be overcome by auxin whereas Spcd25 by-passes a cytokinin requirement for the induction of morphogenesis in vitro. The role of CDC25 and WEE1 in DNA damage responses was also analysed. Two over-expressing Arath;CDC25 lines and T-DNA mutants showed no difference to WT either in standard conditions or zeocin-supplemented treatments. However, root length was longer in Arath;CDC25oe lines treated with hydroxyurea (HU) and lateral root number was increased compared to WT. This suggests a differential response of Arath;CDC25oe in the DNA replication (HU-induced) and DNA damage (zeocin-induced) checkpoints (Chapter 5). Finally the roles of WEE1 and CDC25 in cell cycle regulation were examined using tobacco TBY-2 cell cultures expressing Arath;WEE1, Nicotiana tabacum (Nicta)WEE1 or Arath;CDC25. Whilst Nicta;WEE1 lengthened G2 of the cell cycle, Arath;WEE1 had an unusual effect of shortening G2 phase and Arath;CDC25 had no observable effect (Chapter 6).